Утилізація СО2 з димових газів котельної

Швидкість абсорбції СО2 розчином поташу практично цілком лімітується швидкістю повільно протікає реакція в рідкій фазі

 

                                    СО2 + ОН- = НСО3-.                                                     (2.3)

Швидкість абсорбції не залежить від швидкості газу і приблизно пропорційна утримуючої здатності абсорбера по рідині.

Коефіцієнт масопередачі при абсорбції діоксиду вуглецю підвищується зі збільшенням швидкості рідини, рН розчину, температури і концентрації іонів калію. Швидкість рідини входить у рівняння масопередачі в ступені від 0,28 до 0,84 у залежності від різних умов; температура рідини – у ступені 0,6 [2].

 

                                                                                                     (2.4)

 

де К – коефіцієнт швидкості;

∆ – рухома сила масообмінного процесу;

∆F – поверхня фазового контакту;

dМ – кількість речовини, яка перейшла з однієї фази в іншу.

 

Коефіцієнт масопередачі зменшується зі збільшенням в’язкості рідини, концентрації бікарбонату і іонів калію [12].

Швидкість абсорбції не залежить від розміру кілець насадки і концентрації СО2 у газовій фазі. Коефіцієнт корисної дії барботажної тарілки дорівнюй 0,07. Значення коефіцієнта масопередачі коливаються в межах 0,64 – 1,92 кмоль/(м3∙год∙атм). Коефіцієнти масопередачі для розчинів поташу приблизно на 36 % вище, ніж для розчинів соди [13].

Швидкість реакції СО2 з іонами ОН- пропорційна концентрації іона ОН- остання залежить від відношення концентрацій [С032_] / [НС03-] .

Десорбція діоксиду вуглецю проходить шляхом зниження тиску й віддувши водяною парою. На рисунку приведена залежність витрати пари (у моль/моль СО2) від поглинальної здатності розчину. Ці дані отримані для регенератора, що  працює при тиску 1,7 атм і концентрації СО2 у вихідному газі 20 % [2].

 

 

 

Поглинальна здатність

по СО2, м3/м3

1 – 2 % СО2 на виході; 2 – 0,6 - 0,7% СО2 на виході; 3 – 30% МЕА; 4 – 15 %МЕА

Рисунок 2.3 – Витрата пари при абсорбції гарячим 40 % – ним розчином поташу (крива 1 та 2) та розчином МЕА.

 

З рисунка випливає, що спочатку витрата пари зменшується з ростом поглинальної здатності. Це пояснюється зменшенням кількості розчинника і, отже, витрати тепла на його нагрівання в десорбері. Однак надалі для досягнення тонкої регенерації розчину необхідно більша кількість віддувочної пари, що перекриває економічний ефект від зменшення витрати пари на нагрівання. Цим і пояснюється різкий підйом кривих на рисунку.

 На рисунку 2.4 показана залежність витрати від парціального тиску 3 у газі за умови подачі розчину роздільними потоками.

Досліди проводили при поглинальній здатності розчину, що відповідає мінімальній витраті пари. Як випливає з рисунка, спочатку до тиску СО2 3- 4 атм, витрата пари різко падає тобто зі збільшенням тиску СО2 над розчином кількість пари, що витрачається на десорбцію.

 

 

 

1 – 2 % СО2 на виході; 2 - 0,6 – 0,7% СО2 на виході

Рисунок 2.4 – Витрата пари при абсорбції гарячим розчином поташу за двопотоковою схемою (точки - тиск в абсорбері)

 

Мінімальна кількість пари, яку необхідно подавати в десорбер для віддувши діоксиду вуглецю без урахування витрати на нагрівання, хімічну реакцію і теплові витрати може бути розраховано, як при моноетаноламіновому очищенню за рівнянням:

 

                   

                                  (2.5)

 

де - кількість СО2, виведеного з системи, м3;

- рівноважний тиск водяної пари над розчином поташу у верхньому перетині регенератора;

- рівноважний тиск СО2 при температурі і складі розчину у верхньому перетині регенератора.

 

Відношення - називається мінімальним флегмовим числом .

Подальше збільшення , як випливає з рисунка 2.4 не приводить до зниження витрати пари. Це пояснюється тим, що при даній висоті абсорбера розчин не може бути насичений вище визначеної межі [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВИБІР ТА ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ УЛОВЛЮВАННЯ ДІОКСИДА ВУГЛЕЦЮ

 

У результаті проведеного аналізу розглядання та зіставлення різних методів уловлювання діоксиду вуглецю вибрана технологічна схема уловлювання діоксиду вуглецю, за допомогою поташу.

Димові гази за економайзером котлоагрегату типу ДКВР мають температуру приблизно 110 °С. для забезпечення нормальної роботи абсорбційного циклу гази, перед входом в абсорбер повинні бути охолодженими.

Охолодження димових газів відбувається у холодному скрубері (1), який являє собою апарат колонного типу з насадкою з вірно вкладених кілець Рашига.

Димові гази подаються знизу апарата. Зверху подається зворотна вода. Насадка зрошується водою, яка використовується спочатку для зрошення карбонат - бікарбонатного розчина в охолоджувачі (15). Температура димових газів на виході з холодного скрубера повинна бути не більш 50 °С.

З холодного скрубера охолодженні димові гази димовсмоктувачем (2) подають у нижню частину абсорбера (3), який являє собою колонний тарілковий апарат з відбійним шаром з кілець Рашига у верхній частині апарата та збірником  розчина - у нижній.

Поглинальний карбонат - бікарбонатний розчин подається у верхню частину абсорбера на останню, за ходом газу, тарілку стікає у низ по тарілках ,на зустріч димовим газам.

При контакті димових газів з карбонат - бікарбонатним розчином протікає реакція поглинання діоксида вуглецю з димових газів:

 

                            К2СО3 + СО2 + Н2О → 2КНСО3                                          (3.1)

 

Димові гази, проходячи усі тарілки та відбійний шар з кілець Рашига, з невеликим залишковим змістом діоксиду (1 – 3 %) скидаються в атмосферу.

 

Оптимальна температура абсорбції 60 – 70 °С. Поглииальний розчин перед подачею на зрошення абсорбера охолоджують до70 – 75 °С у теплообміннику (4), який являє собою кожухотрубний холодильник.

У процесі абсорбції витрата карбонат – бікарбонатного розчину на зрошення контролюється та регулюється автоматично.

Рівень розчина у нижній частині абсорбера автоматично підтримується за допомогою регулюючого клапана, встановленого на напірної лінії насосів декарбонізованого розчина.

Для відновлення втрат розчина поташу у абсорбційно-десорбційному циклі періодично додають свіжий розчин.

Регенерація насеченого продуктами поглинання СО2 карбонат – бікарбонатного розчину здійснюється у десорбері (6). Перед поданням на десорбцію розчин підігрівається до 90 – 95 °С, послідовно проходячи теплообмінник КБР (4) та теплообмінник ПГС (5). Підігрів здійснюється регенерованим карбонат – бікарбонатним розчином (температура 120 °С) та парогазовою сумішшю (температура до 110 °С), які виходять з десорбера.

 Десорбер (6) конструктивно поєднує два апарата: кип’ятильник (кожухотрубний теплообмінник) та дефлегматор насадочного типу.

Карбонізований розчин поташу подається у верхню частину дефлегматора та через розподільчу тарілку стікає по насадці противострумом парогазової суміші, що рухається вверх. З дефлегматора розчин за трьома циркуляційними трубами у нижню частину трубного простору кип’ятильника, що кипить за рахунок конденсації насиченої водяної пари, що подається у міжтрубний простір кип’ятильника.

Декарбонізований розчин відводиться з верхньої частини трубного простору кип’ятильника і маючи температуру 120 °С спрямовується у теплообмінник КБР (4).

При нагріві карбонат – бікарбонатного розчину у кип’ятильнику до 115 – 120 °С утворюється парогазова суміш (ПГС), що складається з діоксида вуглецю та водяної пари. Парогазова суміш крізь трубу у проміжному днищі прямує у дефлегматор, з верхньої частини якого вона прямує у теплообмінник ПГС (5) для підігрівання  карбонізованого розчина поташу.

У десорбері сполучені два засоби відгонки діоксиду вуглецю - відгонка водної пари та відгонка шляхом кип’ятіння розчину. Останній засіб забезпечує більш повне розкладання вмісту діоксида вуглецю у декарбонізованому розчині та покращуючи тим самим ступінь поглинання діоксиду вуглицю у абсорбері. Відгонка діоксиду вуглецю у потоці водяної пари і являє собою власно десорбцію, так як при цьому тиск діоксиду над поглиначем вище, ніж у газовій суміші. У дефлегматорі відокремлюється до 90 % поглинутої у абсорбері вуглекислоти. Інша кількість відокремлюється при кип’ятінні розчина у кип’ятильнику.

Оптимальною температурою процесу десорбції являється температура 115 – 120 °С, що забезпечує достатню ефективність процесу. Тиск пари у дефлегматорі підтримується автоматично.

Декарбонізований розчин поташу, що виходить з десорбера,потрапляє у відділювач газу (зображений на схемі), потім у теплообмінник КБР(4), в якому він охолоджується до температури 90 – 95 °С, підігріває при цьому карбонізований розчин поташу.

З теплообміннику КБР(4) декарбонізований розчин поташу спрямовують у збірник (на схемі не зображений), у якому змішується зі свіжим поглинальним розчином. Зі збірника насосом карбонат – бікарбонатний розчин подається на зрошення абсорбера (3).

Парогазова суміш після теплообмінника ПГС (5), де вона віддає частину тепла карбонізованому розчину, де остаточно охолоджується до температури 30 – 35 °С оборотною водою в охолоджувачі (на схемі не зображений). Охолоджений діоксид вуглецю, проходячи відокремлював флегми (7), в якому він відокремлюється від вологи, далі потрапляє на зрошення у газгольдер.

 

 

 

4 ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО УСТАТКУВАННЯ

 

При проведенні процесу витягнення діоксиду вуглецю з димових газів котельної у якості основного технологічного обладнання використовується

холодний скрубер, абсорбер та регенератор (десорбер).

Холодний скрубер являє собою циліндричний апарат колонного типу з плоским дном та кришкою, виконаний зі сталі ВМ ст. 3 сп. Висота апарата – 6,18, діаметр – 1,2 м. Апарат з середини заповнюється насадкою з правильно складених у декілька шарів кілець Рашига розміром 50х50х5 мм.

У верхній частині скрубера розташований патрубок для подачі оборотної води. Штуцер для подачі димових газів розташований у нижній частині апарата. Над патрубком вводу води розташований шар насадки з кілець Рашига для запобігання виносу капельної вологи з димовими газами.

Абсорбер являє собою полий циліндричний апарат з сферичним дном та кришкою. Висота абсорбера – 6,5 м, діаметр – 1,4 м. З середини апарата встановлені ковпачкові тарілки, на яких протікає процес поглинання діоксиду вуглецю. Тарілки встановлені блоками по дві тарілки. У центрі тарілок розташовані зливні труби.

Патрубок для подачі карбонат – бікарбонатного розчину розташований у верхній частині абсорбера. Гази подають знизу апарата та через отвір у ковпачках подають на тарілку, на яку з зливної труби подають розчин та трапляється поглинання діоксину вуглецю.

Десорбер являє собою колонний апарат , що за конструкцією об’єднує два апарати: кип’ятильник – кожухотрубний теплообмінник у нижній частині та дефлегматор – насадковий ректифікатор у нижній частині. У дефлегматорі насадка з кілець Рашига, вкладена шарами. Під кожним шаром встановлена перерозподільна тарілка. Над патрубком вводу розчину встановлено каплевідбійний шар з кілець Рашига для вловлювання капельної вологи з парогазової суміші, що водиться крізь штуцер у кришці апарата. Розчин стікає по насадці назустріч парогозовій суміші та по циркуляційним трубам зовні апарату перетікає з нижньої частини дефлегматора у нижню частину кип’ятильника (у трубний простір).У верхню частину кип’ятильника (у між трубний простір) спрямовується крізь штуцер насичений глухий пар, а з нижньої частини виводиться паровий конденсат. Декарбонізований розчин відводиться з верхньої частини трубного простору. Між дефлегматором і кип’ятильником розташована глуха тарілка, що забезпечує подачу паро газової суміші з кип’ятильника у дефлегматор.

У кубовій частині розташований патрубок для зливу розчину з десорбера. Десорбер теплоізольований та встановлений на циліндричній опорі з зовнішніми стойками для болтів.

Основне технологічне устаткування розташоване поза будівлею котельної на площі розміром 4 х 8 м , що знаходиться поміж будівлею котельної та димовою трубою. Для обслуговування колонні апарати мають металічні площі.

 

5 МАТЕРІАЛЬНІ ТА ТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ

5.1 Тепловий розрахунок холодного  скрубера

 

Мета розрахунку – визначення кількості холодної  води на охолодження димових газів від трьох котлів.

Вихідні дані:

• температура димових газів на вході в холодний скрубер – 110 ºС, на виході – 50 ºС;
• температура охолоджуючої води: на вході у холодний скрубер – 30 ºС, на виході – 50 ºС;
• склад димових газів (таблиця 5.1)

 

Таблиця 5.1 – Склад димових газів

Компоненти	нм3/год	%, об.	кг/год	%, мас.
Діоксид вуглецю, СО2 Азот, N2 Кисень, О2 Водяна пара, Н2О	1350 10800 750 2100	9 72 5 14	2651,786 13500 1071,429 1687,5	14 71,4 5,6 9
Всього	15000	100	18910,715	100