ООО «Химтехнология», г. Екатеринбург, Югай Ф.С., главный технолог; к.т.н., Бакиров А.Р., зам.главного технолога, к.т.н.; Демкина Е.А., инженер-технолог первой категории; Ситдикова Ю.Р., инженер-технолог.
ООО «Зиракс», г. Волгоград, Меркушов С.Г., главный инженер; Зайцев А.Г., менеджер-технолог.
В установках сушки или прокалки разнообразных продуктов очистка отходящих топочных газов часто сопровождается утилизацией тепла этих газов, например, для подогрева технологической воды, растворов или воздуха, направляемого в топку на горение топлива и разбавление топочных газов до заданной температуры.
На ООО «Зиракс» тепло топочных газов используется на стадии мокрой очистки для концентрирования растворов хлористого кальция, направляемого в дальнейшем в гранулятор- сушилку кипящего слоя. Концентрирование растворов путем частичного его упаривания за счет тепла топочных газов проводится в скрубберах Вентури с 2-х ярусным орошением (СВ).
Процессы тепло- и массопереноса в аппаратах, работающих в испарительном режиме, характеризуются разной направленностью: теплопередача от газа к каплям распыленной жидкости и массоперенос (молекул испаренной влаги) от поверхности нагретых за счет тепла газов капель в ядро газового потока.
Замеры изменения температуры газоводяной смеси по высоте трубы Вентури показали, что охлаждение газа происходит практически мгновенно, при первом же соприкосновении его с жидкостью, газоводяная смесь принимает температуру близкую к температуре точки росы. В дальнейшем температура меняется незначительно.
В опытах по испарительному охлаждению газа в СВ на системе вода-воздух, после отделения воды, температура газа оказалась на 2,70С выше, чем газоводяной смеси, а конечная разность температур газа и жидкости составила 3,80С. Быстрое охлаждение газа установлено и при подаче воды в горловину, перпендикулярно оси трубы Вентури / см.Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. –М.: Химия,1975, с.92./. При мгновенном охлаждении газа, в основном за счет испарения воды, образуются туман и мелкие капли жидкости. В дальнейшем, при прохождении через диффузор они укрупняются и частично улавливаются в сборнике-брызгоуловителе.
Эффективность работы СВ как теплообменного аппарата оценивается термическим коэффициентом полезного действия:
где: Т1 – начальная температура газа, К; Т2 – конечная температура газа, К; Т*– конечная температура газа по влажному термометру, К.
Установлено, что наиболее интенсивное охлаждение газа в СВ осуществляется до значения η= 96…98%, что соответствует конечной температуре газа, превышающей на 2-30С температуру его по влажному термометру.
При водной промывке печного сернистого газа в промывном отделении сернокислотного цеха Красноуральского медькомбината (ОАО «Святогор) в двух последовательно установленных СВ и производительности по газу, близкой к аппаратам на ООО «Зиракс», охлаждение газа проходило более глубоко. При изменении начальной температуры печных газов в пределах 229…2650С, конечная температура газа была в пределах 65…750С. И это при пониженной газовой нагрузке, на 40% ниже проектной.
Имеет место существенная разница в интенсивности протекающих тепломассообменных процессов при орошении СВ концентрированным раствором СаС12 или водой. Факт, требующий объяснения. При проектировании подобных установок, неправильное предсказание температуры газов на выходе из аппарата, работающего в испарительном режиме, приводит к неверному определению рабочих объемов газов и, как следствие, к работе аппаратов не в проектных режимах.
Анализ тепломассообменных процессов в случае орошения СВ концентрированным раствором хлористого кальция показал, что в первом приближении мы можем назвать три причины ухудшения процесса охлаждения топочных газов.
Первая причина – изменение парциального давления паров воды над концентрированным раствором СаС12, что снижает существенно движущую силу процесса массопередачи.
Расчеты показали, что влагосодержание топочных газов на входе в СВ, с учетом атмосферной влаги, реакционной и испаренной в сушилке-грануляторе КС, составляет 0,118 кг/кг с.г., а парциальное давление паров воды Рп, рассчитанное по уравнению:
где Р – общее давление паровоздушной смеси, мм рт.ст. ( принимаем 745 мм рт.ст.) равно 118.8 мм рт.ст. По таблице равновесных состояний над 50% раствором СаС12 при температуре орошающей жидкости 880С равновесное парциальное давление паров воды равно 170 мм рт.ст. Тогда движущая сила процесса массопередачи на входе в СВ при орошении его 50% раствором СаС12 составит:
∆Р = 170 – 118,8 = 51,2 мм рт.ст.
В случае орошения СВ водой охлаждение газа проходит в среднем до 700С, а температура газа на 2…30С ниже, принимаем 680С. Давление насыщенного водяного пара над водой при температуре 680С равно 214,2 мм рт.ст., а движущая сила процесса массопередачи была бы равна ∆Р = 214,2 – 118,8 = 95,4 мм рт.ст, что в 1,86 раза выше, чем при орошении 50% раствором СаС12. Гигроскопические свойства раствора хлористого кальция существенно влияют на стадию массопереноса молекул воды с поверхности распыленных капель в газовый поток.
Вторая причина заключается в том, что при соответствующих температурах испарительного охлаждения топочных газов в СВ, вязкость 50% раствора хлористого кальция в 5,5 раза выше вязкости воды. При равных условиях истечения орошающей жидкости из форсунок, дробление раствора будет более грубым, что отразится на поверхности контакта фаз.
Третья причина выявлена при проведении сравнения по параметру температуропроводности 
который характеризует нестационарные процессы теплопередачи, в данном случае скорость изменения температуры капель распыленной жидкости во времени,
где λ – теплопроводность жидкой фазы, Вт/м*К;
С – теплоемкость жидкой фазы, кДж/кг*0С;
ρ – плотность жидкой фазы, кг/м3.
Расчеты показывают, что в рабочих условиях этот параметр для раствора хлористого кальция приблизительно в 1,5 раза больше, чем для воды. Более быстрый прогрев капель раствора СаС12 в процессе движения в потоке топочных газов приводит к испарению воды с поверхности, концентрированию раствора и, как следствие, снижению парциального давления паров воды над раствором. По мере движения капель в СВ снижение интенсивности процесса массопереноса происходит более заметно.
По многим причинам перечисленные факторы не приближают нас к количественному определению массы испаренной воды и температуры топочных газов в случае орошения аппарата концентрированными растворами СаС12.
Охлаждение газа (воздуха) водой в СВ исследовано достаточно полно. Установлено, что коэффициент теплопередачи зависит от скорости газа в горловине и от удельного расхода орошающей жидкости:
К = 85wг1,6q0,3, Вт/м2 град
где: wг – скорость воздуха в горловине, м/с; q- удельный расход воды, л/м3.
Условия определения экспериментальной зависимости:
- начальная температура воздуха 6000С, воды 9…120С;
- основные размеры модельного СВ: диаметр горловины – 20мм, диаметры входа-выхода – 50 мм, длина горловины – 4 мм, углы раскрытия конфузора и диффузора соответственно 250 и 70;
- вода подавалась в конфузор СВ через форсунку параллельно потоку воздуха, скорость воздуха в горловине изменялась от 40 до 120 м/с, удельный расход воды от 1 до 8 л/м3 газа.
Существенная зависимость коэффициента теплопередачи от скорости газа может быть объяснена высокой турбулизацией газо-жидкостных потоков, в результате которой образуется большая суммарная поверхность соприкосновения фаз, способствующая эффективному тепломассообмену.
Однако, сравнительные показатели модельного и опытно-промышленного СВ при охлаждении газов, в которых масштабный переход составил по диаметру горловины 52,5, а по производительности по газу – 2756 раза, показали, что при одинаковых скоростях газа в горловине и удельных расходах жидкости опытно-промышленный СВ превосходит модельный по коэффициентам теплопередачи в 2,7 раза при скорости wг=20…25 м/с и более чем в 4,5 раза при wг = 30…40 м/с. Гидравлическое сопротивление опытно-промышленного СВ оказалось примерно равным модельному.
Сравнение коэффициентов теплопередачи Кт, отнесенных к сечению горловины СВ при орошении его концентрированным раствором СаС12 и водой для установок промышленного масштаба показал следующее. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента теплопередачи Кт от скорости газа в горловине СВ, полученная по результатам обработки экспериментальных данных по охлаждению печного сернистого газа водой. Аналогичные расчеты, проведенные по данным работы промышленной установки на ООО «Зиракс», в оптимальном гидравлическом режиме, выбранном по результатам охлаждения газа водой, показал значения Кт приблизительно в 2 раза ниже.
Рис.1 Зависимость коэффициента теплопередачи Кт от скорости газа в горловине СВ
При равных гидравлических условиях работы скрубберов Вентури приблизительно одного масштаба, при скорости газа в горловине 40 м/с Кт = 110*103 Вт/м2град при орошении водой и Кт = 52,22*103 Вт/м2град при орошении 50% раствором хлористого кальция. Учитывая прямую зависимость между величинами Кт ~ Qт ~ mисп (коэффициент теплопередачи – количество тепла на испарение – масса испаренной влаги), можно в данном конкретном случае прогнозировать степень охлаждения топочных газов при орошении концентрированным раствором хлористого кальция и количество испаренной воды т.е степень концентрирования раствора в СВ.
Анализ работы промышленных установок показал:
- при испарительном охлаждении топочных газов в скрубберах Вентури и орошении гигроскопическими растворами, из-за ухудшения условий испарения воды, снижения парциального давления паров воды над жидкостью, лимитирующей стадией процесса является массопередача;
- учитывая снижение движущей силы процесса массопередачи в 1,86 раза и коэффициента теплопередачи в 2 раза, величины одного порядка, при расчете тепловых балансов процесса испарительного охлаждения в рассмотренном случае можно пользоваться таблицами давления водяных паров и влагосодержания газов при насыщении для системы вода-воздух с поправкой на полученные результаты.
