Обзор некоторых видов аппаратов мокрой очистки газов

1. Историческая справка

Работы по изучению контакта газовой и жидкой фаз применительно к вопросам массо- и тепло- обмена ведутся в Институте теплофизики СО РАН с 80х годов, а с 90х годов прошло значительное количество публикаций с журналах «Теплофизика и аэромеханика», книге с одноименным названием, а также в зарубежной прессе. Известнейшие советские/российские ученые, в числе которых Бурдуков А.П., Дорохов Р.И., Казаков В.И., Кувшинов Г.Г., Петин Ю.М. проводили как практическое, так и расчетное моделирование процесса контакта фаз в центробежно-барботажных аппаратах; многие из работ этих ученых и легли в основу существующих установок, отличающихся большей эффективности в очистке газов от химических примесей и взвешенных частиц.

Например, эксперимент с барботажным аппаратом позволил установить несколько зависимостей в протекающих процессах, и подтвердить, что эффективность массообмена напрямую зависит от скорости прохождения потока очищаемого газа через аппарат. Это связано с тем, что увеличение центробежных сил, через рост скорости потока приводит к уменьшению пузырьков в пенном слое аппарата, что и является по своей сути увеличением площади контакта фаз.

Первые экспериментальные аппараты имели вход и выход газа в одну сторону (вверх) через разделяющую перегородку. К слову сказать, некоторые производители газоочистного оборудования до сих пор сравнивают эффективность скрубберов с иными принципами действия с эффективностью первых моделей центробежно-барботажных, однако, это не корректно по отношению к реалиям.

2.Обзор некоторых конструктивных решений.

Оборудование, использующее процесс смешивания потоков газа и жидкости для массообмена, имеет ходовое название скруббер. Скрубберы могут быть решетчатыми, насадочными, тарельчатыми, центробежно-барботажными; горизонтальными или вертикальными, форсуночными, суспензионными, но все они используют взаимодействие частиц газовой и жидкостной фаз. Для максимальной эффективности потоки газа и жидкости должны дробиться на минимальные частицы (капли и пузырьки), и для этого в конструкциях применяются элементы в виде «тарелок», насадок, кассетных элементов, а жидкость разбрызгивается с помощью форсунок, и/или представляет собой постоянно смачиваемую суспензию взаимодействующего вещества, например, известняка, и т.п.

На предложенных рисунках вы можете видеть схематичное устройство тарельчатого и насадочного скрубберов. Также широко известно и применяется устройство скруббер Вентури.

Таким образом, основная конструкционная классификация устройств определяется основным свойством: способом обеспечения контакта газовой (очищаемой) и жидкой фазы.

В процессе развития технологии «мокрой» очистки газов производители исследовали множество элементов конструкции с целью увеличить эффективность массообмена. Одни производители меняют форму тел, заполняющих колонны скрубберов, другие совершенствуют формы решеток, применяемых для создания пенного слоя, патентуя сложную форму отверстий или перфорации на них. Вот пример такой разработки: газ проходит сквозь диспергирующую решетку особой конструкции снизу вверх, а орошающая жидкость свободным истечением подается на нее сверху. Струи газа, формируемые отверстиями решетки, имеют наклон в разные стороны, что приводит к взаимно перекрещенной структуре их течений. В процессе взаимного проникновения струй друг в друга скачкообразно растут относительные скорости между газовой средой и каплями жидкости в этих струях. В результате образуется пенный слой, который должен заполнять все пространство над решеткой. При достижении некоторой высоты слоя вода начинает продавливаться вниз сквозь решетку. Ниже мы еще вернемся к подобной конструкции.

Скрубберы можно также классифицировать по основной цели применения:

• очистка газового выброса от взвешенных частиц (сажа, песок и т.п.)
• очистка от химических примесей (например, от оксидов серы)

Устранение взвешенных частиц из состава выброса – наиболее часто встречающаяся задача. Основная суть использования скруббера в данной задаче – максимально равномерно, сплошным слоем, оросить водой проходящий газ, чтобы «смыть», смочить взвесь, выводя вместе с влагой загрязнение в соответствующие емкости. Как правило, большинство установок насадочного типа, или с применением решеток, справляются с такой задачей достаточно эффективно. Кроме того, они довольно энергоэффективны, потому что для прохождения потока через корпус скруббера достаточно нагнетающего вентилятора относительно небольшой мощности. Иногда достаточно вентиляционного оборудования, уже имеющегося на предприятии, что делает закупку скрубберов данных типов экономически привлекательной.

Задача очистки от химических примесей существенно повышает  требования к скрубберу. В процессе очистки площадь взаимодействия жидкой и газовой фазы становится ключевым фактором: чем больше общая площадь взаимодействия веществ, и чем дольше время их реакции, тем выше качественные результаты очистки.

В этом процессе центробежно-барботажные аппараты и проявляют себя очень эффективным устройством. Вентилятор протягивает газ через аппарат, во внутренней конструкции которого предусмотрены тангенциальные щели или лопатки, направляющие газ по касательной, и заставляющие его вместе с подаваемой внутрь жидкостью вращаться с высокой скоростью. Пенный слой закручивается и вовлекает во вращательное движение жидкость, которая прижимается центробежными силами к внутренней стороне того же направляющего аппарата. В результате, вновь поступающий газ вынужден преодолевать сопротивление вращающейся жидкости, барботировать сквозь нее, тем самым происходит дробление жидкости на мельчайшие капли, - так формируется вращающийся газожидкостный слой, удерживаемый в камере центробежными силами. Этот слой, образующийся в поле центробежных сил, имеет высокоразвитую поверхность контакта фаз, и, соответственно, высокую эффективность их взаимодействия. Первые модели аппаратов состояли из одной ступени очистки, и выход газа осуществлялся в ту же сторону, что и вход – вверх.

Преимуществами ЦБА являются высокая эффективность аппарата и относительная равномерность пенного слоя, а значит, и равномерность очистки всего состава. Основным недостатком являлась необходимость выводить очищенный газ вверх, что ограничивало эффективность реакции между веществами, так как не позволяло продлить его более, чем на время прохождения одной ступени.
При этом аппараты, использующие решетки и насадки имели схожие недостатки – эффективность массобмена возрастала по мере приближения к месту впрыска жидкости в аппарат, и падала по мере удаления,; форма аппарата была прямоугольной, подающая труба круглого сечения, входе газа эффективность взаимодействия падала по мере смещения от центра к углам внутренней части корпуса.  Для некоторых скрубберов с горизонтальным расположением решетки имеет значение расположение патрубка подачи воды – пенный слой тем выше, чем ближе к патрубку с водой, следовательно, эффективность взаимодействия с газом неоднородна.

3. Перспективные вопросы эффективности работы скрубберов.

В марте 2007 года американская компания «Sargent&Lundy» по заказу «Национальной Известняковой Ассоциации» (есть и такая!) опубликовало отчет, связанный со спецификой применения сухих и мокрых систем газоочистки (в частности, удаления SOx), основанных на использовании известняка. Характерный вывод специалистов, исследовавших проблему: применение скруббера как единичной системы для удаления примесей, как правило, не может обеспечить эффективность выше 80%. Для повышения данного показателя требуется обязательное применение дополнительного оборудования – соответствующего количества механических фильтров или же применение последовательно установленных скрубберов, и т.п. Примечательно, что речь шла о вертикально выстроенном типе, с подачей газа снизу, проходящего через суспензию известняка, с использованием перфорированной тарелки для разбиения потока газа, и с распылением через форсунки жидкости в противоход потоку газа. Причиной считается недостаточное время протекания реакции и ограничение площади контакта частиц.
При этом также и центробежно-барботажные аппараты получили конструктивное развитие, и некоторые изменения позволили существенно улучшить ситуацию с массообменом веществ.
Через патрубок (1) воздух/газы под давлением/разрежением поступают в ЦБА (устройство может комплектоваться одной, двумя и более ступенями). Через патрубок (2) подается рабочая жидкость.
Газ с жидкостью поступают в завихритель (3) через равномерно расположенные по периметру тангенциальные щели (4). Внутри завихрителя газ (за счет ввода по касательной траектории) и жидкость (за счет кинетической энергии газа) начинают вращаться.

Под действием центробежных сил постоянно раскручиваемая вдуваемым газом жидкость прижимается к боковой поверхности, образуя пенное кольцо, заполняющее все внутреннее пространство (5) до центрального отверстия. При этом вращается только пенное кольцо, завихритель стационарен. Газ с жидкостью двигаются через вращающийся пенный слой по спиральной траектории от периферии к центру, дробятся в поле центробежных сил на очень мелкие пузырьки с развитой быстро обновляемой поверхностью контакта.

После выхода из первой ступени газожидкостная смесь поступает во вторую, третью и т.д. ступени, работающие аналогично первой. После выхода из последней ступени газожидкостная смесь попадает в сепарационную зону (6), где происходит разделение жидкой фазы и газа. После выхода из сепарационной зоны жидкость стекает в поддон, откуда через патрубок (7) выводится из ЦБА. Очищенный воздух через патрубок (8) выбрасывается из аппарата.
Такая конструкция аппарата устранила недостатки, характерные всем аналогичным системам. Фактическая эффективность большинства химических примесей составила (из опыта практического применения, подтвержденную) во всех случаях более 95%, а в части – до 100%.

Конечно, требование к высокой скорости потока газа через жидкость и завихрители никуда не делось, и потребляемая мощность центробежно-барботажной установки (ее вентилятора), как правило, выше скрубберов других моделей той же производительности. Однако, иного способа в получении сопоставимой эффективности в рамках законов физики, не существует.

Важным аспектом работы центробежно-барботажных аппаратов является отсутствие каких-либо подвижных частей. Стандартный скруббер обычно имеет что-то из (либо все одновременно) форсунки для распыления жидкости, решетки, кассеты с наполнителями/насадками сложной формы, вращающиеся элементы для диспергирования капель и т.п. При этом вступившие в реакцию вещества оседают в виде шлама в нижних частях конструкций, при этом заиливая кассеты с насадками, забивая решетки, форсунки, и т.п. Если очищаемые газы имеют высокую температуру, то все те же вещества имеют свойство оседать на решетках, в совокупности это приводит к снижению эффективности, износу частей оборудования. В конструкции ЦБА таких элементов не имеется, что позволяет говорить о высокой степени ремонтопригодности и снижению расходов на обслуживание.
Из открытых источников пользователям интернета доступна информация о различных моделях скрубберов, способных обеспечить очистку от 1000 до 100 000 м3/ч выбросов. При этом все существующие технологии мокрой газоочистки позволяют масштабировать производительность скрубберов без потери эффективности. Несколько единиц оборудования устанавливаются параллельно, разбивая поток на части, соответствующие производительности единицы, тем самым выполняя назначенную функцию.

4. Сравнительные испытания скруббера с диспергирующей решеткой и центробежно-барботажной установки.

Наименования изготовителей из этических соображений не раскрываются. Производительность тестовых установок – 1000м3/ч. Приведены описания и выдержки из хронометража, выполненного представителями компаний в присутствии специалистов предприятия-заказчика. Год испытаний – 2021.

 Выводы специалистов:

1.    увеличение крепости раствора в установке с решеткой может быть вызвано испарением воды в процессе (но не из емкости), но в то же время, если идет реакция нейтрализации HCN, крепость раствора должна снижаться. В данной ситуации, крепость должна оставаться на уровне или расти крайне незначительно.

2.    Частая замена раствора вызвана тем, что вещества не вступают в реакцию. Действительно, цианиды накапливаются в растворе, но не в виде NaCN, а в виде HCN растворенного в воде. Когда концентрация HCN в растворе емкости увеличивается, начинается обратный процесс - десорбции. К входящим концентрациям добавляется отдуваемая из раствора синильная кислота. Низкая концентрация цианидов в растворе решетчатой установки -1,4%, является косвенным признаком отсутствия протекания химической реакции нейтрализации: HCN+NaOH=NaCN+H2O. По всей видимости, в решетчатом скруббере недостаточно развита площадь поверхности контакта фаз.

5. Перспективное направление развития конструкций.

Основной общей для всех скрубберов проблемой является брызгоунос. Вещества из процесса очистки внутри корпуса вместе с каплями влаги уносятся наружу, и оседают на конструкциях воздуховодов или вентиляторов. Обычное решение – использование каплеуловителя на выходе из газоочистной установки. Однако, существуют варианты модификации сепарационной зоны для снижения возможности капель на вылет вместе с потоком газа. При этом подобные изменения уже требуют предварительного цифрового моделирования потоков, чтобы определить «уязвимые» места, подлежание модификации.
Вторым направлением развития скрубберов является подбор конструкционных материалов, способных выдерживать воздействие агрессивных сред. В данном случае важнейшим фактором является наличие доступных современных полимеров на рынке РФ, а также совершенствование технологий производства для повышения качества сборки.

6. Краткое резюме.

На сегодняшний день, несмотря на разнообразие моделей скрубберов по типу соединения и дробления газовой и жидкостной фазы, общий их принцип один и тот же. Сравнительная эффективность у всех моделей по улавливанию твердых частиц крайне близка по своим значениям. А вот очистка от химических примесей, там, где применение мокрого способа технологически оправдано, является отдельной специфичной нишей. И в ней более высокие результаты демонстрируют именно центробежно-барботажные аппараты.