Энерго-ресурсосберегающая технология газоочистки при сульфатной варке целлюлозы

Актуальность темы

Рациональное природопользование и экологическая безопасность технологических процессов является приоритетным направлением развития экономики РФ и обуславливают необходимость разработки энергои ресурсосберегающих технологий. Крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов и одновременно источником загрязнений окружающей среды является целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП).

К наиболее яркому представителю такого энергоемкого производства в ЦБП можно отнести периодический процесс сульфатной варки целлюлозы. Наибольший выброс токсичных веществ: сероводорода, диметилсульфида, метилмеркаптана наблюдается при выгрузке содержимого варочных котлов в выдувной резервуар.

Для снижения концентрации парогазовой смеси, выделяющейся при этом, на многих предприятиях интенсифицируют работу газоочистного оборудования за счет разработки новых контактных устройств, интенсификации гидродинамических режимов контактирования и интенсификации процесса массопередачи путем подбора новых реагентов и сорбентов.

Такой подход приводит к увеличению габаритов очистных сооружений, повышению расхода энергии и других ресурсов, а также связан с трудностью подбора реагентов и сорбентов. В результате традиционный подход к решению проблем выбросов, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является комплексный подход, заключающийся в создании энергосберегающей экологически безопасной технологии сульфатной варки целлюлозы с утилизацией образующихся отходов.

Таким образом, научные исследования на основе современных представлений, направленные на повышение энергоэффективности газоочистного оборудования путем совершенствования технологических процессов, разработка методов расчета и аппаратурного оформления процесса сульфатной варки целлюлозы и других подобных процессов, сопровождающихся выбросами токсичных паров, являются актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР АН РТ (договор подряда № 07−7.5−229/2004) и в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 годы» (государственный контракт 16.525.11.5008).

Цель:

Создание энергои ресурсосберегающей технологии очистки отходящих газов при сульфатной варке целлюлозы.

Задачи:

— разработать усовершенствованную технологию газоочистки при сульфатной варке целлюлозы.

— разработать математическую модель тепломассообменных процессов сопровождающихся объемным испарением и конденсацией на стадии разгрузки варочного котла при сульфатной варке целлюлозы.

— выявить энергосберегающие режимные параметры процесса газоочистки и аппаратурного оформления.

Объект исследования. Периодический процесс сульфатной варки целлюлозы.

Научная новизна. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на сокращение токсичных промышленных выбросов в атмосферу.

1. Впервые разработана математическая модель тепломассообменного процесса выгрузки варочного котла, сопровождающегося объемным испарением и конденсацией.

2. Разработан алгоритм расчета совмещенного процесса испарения многокомпонентной смеси и конденсации в герметичных условиях.

3. Моделированием процесса теоретически обоснован и экспериментально подтвержден усовершенствованный энергоресурсосберегающий технологический процесс газоочистки при сульфатной варке целлюлозы, обеспечивающий ликвидацию выделения токсичных паров в атмосферу.

4. Разработан новый энерго-ресурсосберегающий способ сульфатной варки целлюлозы (патент РФ № 2 425 917, № 2 437 972), позволяющий ликвидировать выделение «дурнопахнущих» паров в атмосферу.

5. Показана целесообразность совершенствования системы газоочистки аналогичных технологических процессов путем комплексного подхода к аппаратурно-технологическому решению конкретного объекта (патент РФ № 2 422 268).

Практическая ценность. Анализ результатов моделирования дает возможность оценить влияние технологических параметров процесса выгрузки варочного котла на интенсивность испарения, выявить кинетические параметры технологических процессов, сопровождающихся объемным испарением. Полученная математическая модель была использована в инженерной методике расчета выдувного резервуара и реализована при аппаратурно-технологическом оформлении процесса автогидролиза древесных отходов на ООО «Органика».

Применение предлагаемого метода улавливания токсичных выбросов позволяет: сократить энергозатраты, улучшить условия работы обслуживающего персонала и сократить расход сырьевых компонентов путем улавливания и возвращения их в технологический процесс, выдать рекомендации по совершенствованию аналогичных технологических процессов (патент РФ № 2 422 268).

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при создании методики расчета и проектировании промышленной установки для улавливания токсичных паров при сульфатной варке целлюлозы на ОАО «МарЦБК», а также при аппаратурно-технологическом оформлении процесса автогидролиза на ООО «Органика». Разработанные экспериментальные стенды, метод расчета и программный продукт внедрены в учебный процесс в рамках курса «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» Основные положения выносимые на защиту:

1) математическая модель тепломассообменных процессов, сопровождающихся объемным испарением и конденсацией;

2) результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процесса выгрузки варочного котла при сульфатной варке целлюлозы;

3) усовершенствованная технологическая схема сульфатной варки целлюлозы.

4) методика совершенствования аналогичных технологических процессов.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались: на 11 научно-технической конференции студентов и магистрантов. «Молодая мысль — развитию лесного комплекса» г. Братск, 2010 г.- на Всероссийской научно-практической конференции посвященной 80-летию СибГТУ «Лесной и химический комплексы — проблемы и решения» г. Красноярск, 2010 г.- на X Международной научно-практической конференции «Экология и ресурсои энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» г. Пенза, 2010 г.- на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» г. Тула, 2010 г., «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» Материалы международной научно-технической конференции ФГБОУ ВПО КГТУ г. Кострома 2012 г., на научных сессия КНИТУ (Казань 2010,2011 г.г.).

Личное участие автора заключается в разработке под руководством научного руководителя основных положений диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлена экспериментальная установка для исследования процессов объемного испарения и конденсации многокомпонентных смесей, проведены эксперименты, обработаны и обобщены полученные результаты. Автору принадлежат основные положения, опубликованные в соавторстве и использованные в диссертации.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается применением классических методов научных исследований, современных контрольно-измерительных приборов и статистической обработкой экспериментальных данных, которая выявила удовлетворительную адекватность разработанной математической модели, а также положительными результатами внедрения опытно-промышленной установки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ,. Из них 3 статьи в журналах перечня ВАК Минобрнауки России, 3 патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 151 страниц печатного текста, содержит 28 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список включает 119 работ российских и зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ.

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований были использованы для создания опытно-промышленной установки для улавливания паров диметилсульфида, метилмеркаптана и сероводорода и разработки инженерной методики расчета усовершенствованной технологической схемы, исключающих выбросы токсичных веществ в атмосферу.

С помощью инженерной методики расчета была разработана усовершенствованная технологическая схема газоочистки при сульфатной варке целлюлозы для ОАО «МарЦБК».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Химическая переработка древесины сопровождается технологическими выделениями из работающих аппаратов и оборудования. Объемы выбросов токсичных веществ в виде паров и газов на предприятиях, занимающихся химической переработкой древесины, составляют десятки и сотни тысяч кубометров в час. Это обусловлено тем, что для снижения концентраций паров, выделяющихся через неплотности конструкций и технологические отверстия, производят лишь смешивание с большими объемами вентиляционного воздуха.

Представителем такого производства, загрязняющим атмосферу, является периодический процесс сульфатной варки целлюлозы. Наибольший выброс токсичных веществ: сероводорода, демитилсульфида, метилмеркаптана наблюдается при выгрузке содержимого варочных котлов в выдувной резервуар.

Для снижения концентрации паров, выделяющихся при этом, на многих предприятиях идут по пути интенсификации работы газоочистного оборудования за счет разработки новых контактных устройств, интенсификации гидродинамических режимов контактирования и интенсификации процесса массопередачи путем подбора новых реагентов и сорбентов.

Такой подход приводит к увеличению габаритов очистных сооружений, повышению расхода энергии и других ресурсов, а также связан с трудностью подбора реагентов и сорбентов. В результате традиционный подход к решению проблем выбросов, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является совершенствование технологических процессов в направлении их герметизации и повышении тем самым эффективности газоочистного оборудования.

Совершенствование существующих систем газоочистки направлено на интенсификацию процесса массообмена за счет увеличения поверхности контакта фаз и коэффициента массопередачи. Такой подход приводит к увеличению габаритов очистных установок, повышению расхода энергии и других ресурсов, необходимости использования интенсивных гидродинамических режимов, увеличению капитальных и эксплутационных затрат. Поэтому традиционный подход к решению проблем выбросов, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является совершенствование технологических процессов путем комплексного подхода, заключающегося в создании энергосберегающей экологически безопасной технологии сульфатной варки целлюлозы с утилизацией образующихся отходов.

Теоретические исследования показали слабые и сильные стороны существующих способов очистки выбросов, среди которых на промышленных предприятиях для улавливания парогазовых выбросов используется абсорбция. Но, исходя из недостатков этого способа, перспективным представляется улавливание токсичных паров путем повышения их концентраций в газоочистном оборудовании.

На основе принятых допущений разработана математическая модель технологического процесса разгрузки варочного котла в выдувной резервуар при сульфатной варке целлюлозы. Математическая модель учитывает многокомпонентность смеси и позволяет определить параметры процесса применительно к идеальным и неидеальным системам.

Решение системы уравнений осуществляется с помощью разработанного моделирующего алгоритма на компьютере, что позволяет определить технологические характеристики процесса, прогнозировать характер протекания процесса, выявить пути его интенсификации, а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональные режимные параметры.

Экспериментальные исследования технологического процесса разгрузки варочного котла подтвердили адекватность разработанной математической модели реальному процессу и правомерность принятых допущений.

Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования показывают, что при разгрузке варочного котла в соответствии с усовершенствованным технологическим процессом варки в выдувном резервуаре возникают избыточные давления, которые требуют внесения соответствующих поправок при расчете толщины обечаек выдувного резервуара.

Выявлено, что при параллельном наращивании поверхности конденсации эффективность процесса снижается по сравнению с последовательным наращиванием, однако позволяет снизить избыточное давление в выдувном резервуаре и сократить тем самым капитальные затраты при организации производства.

Методика расчета конструктивных элементов установки сульфатной варки целлюлозы должна быть согласована с работой системы конденсации паров выдувки.

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований были использованы для создания опытно-промышленной установки для улавливания паров диметилсульфида, метилмеркаптана и сероводорода и разработки инженерной методики расчета усовершенствованной технологической схемы, исключающей выбросы токсичных веществ в атмосферу.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);

А, — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

8 — толщина пленки конденсата, мg — ускорение свободного падения, м/с2;

Ф — коэффициент динамической вязкости, Пас;

V — коэффициент кинематической вязкости, м2/сН — высота стенки (трубы), м;

О — диаметр трубы, м;

Кр — критерий фазового перехода;

Р — коэффициент массоотдачи, кмоль/м2-с;

— скорость течения пленки, м/сj — поток пара, кг/(м2- с) — Р — площадь испарения, м2- т — время, с;

3 — объемная производительность конденсатора, м3/ср — плотность, кг/м3- о.

V — объем аппарата, м ;

И — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль -, К) — Т — текущая температура, Кц — молярная масса, кг/кмольPi — парциальное давление, ПаР — общее давление, ПаС — массовый расход, кг/сх — мольная доля компонента в жидкости, кмоль/кмольх — массовая доля компонента в жидкости, кг/кгА, В — эмпирические коэффициенты в уравнении Антуанас — теплоемкость, Дж/(кг^ К);

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 • К);

ДТсрсредняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, Кс 2.

Ь — площадь поверхности конденсации, м — г — скрытая теплота парообразования при текущей температуре, Дж/кгш — масса смеси, кг;

2 — скорость загрузки компонента, кг/сд — удельная теплота химической реакции, Дж/кгу — коэффициент активности;

С, Б — константы в уравнении Ван-Лаара;

У — концентрация компонента в паровой фазе, кмоль/кмоль;

С — объемная концентрация реагирующих веществ, кг/м3;

X — порядок реакции по реагентук — константа скорости гомогенной реакции, 1/(с • моль Ко — предэкспоненциальный множительЕа — энергия активации, Дж/кмольJ — энтальпия, Дж/кг.

Индексы:

1 — компонент пара или жидкостик — конденсацияз — загрузкан- начальнаяж — жидкостьп — парр — рабочеес — сжатаях — хладагентк — конечнаяин — инжектируемаясв — свободный. см — смесьст — стенка гр — граница раздела фазх.р. — химическая реакцияисп — испарениенас — насыщениепер — перегретыйгор — горизонтальныйверт — вертикальный.