Тлеугабулов С.М., Койшина Г.М., Алтыбай Д.К., Тажиев К.Б.  Көміртегі - әмбебап қолданыстағы жаңартылған энергия

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
276 
Ключевые  слова:  предельно-допустимая  концентрация,  газоочистные  системы,  абсорбция,  скруббер-
абсорбер, молекулы, стехиометрический параметр, топливо, массообмен, кислота. 
 
Для снижения выбросов вредных веществ отходящих газов от ТЭС и котельных и соответствия 
ими санитарным нормам применяют устройства пыле- и газоочистки. Наряду с чисто экологическими 
аспектами  немаловажное  значение  имеют  вопросы  экономики  при  разработке  и  внедрении 
газоочистных  систем.  Имеющие  место  в  настоящее  время  установки  для  глубокой  очистки 
отходящих  газов  от  оксидов  серы  обладают  одним  общим  недостатком  -  большими  капитальными 
затратами. Интересным, в этой связи, представляется способ комплексной очистки от пыли (летучей 
золы)  и  диоксида  серы,  основанный  на использовании  «внутренних»  резервов.  Обычно  в  котельной 
или  ТЭС  имеются  стоки,  содержащие  щелочные  компоненты  /1,2/.  В  этом  случае,  существующее 
золоулавливающее  оборудование  (твердое  топливо),  при  незначительной  переделке,  можно 
использовать дополнительно от оксидов серы или установив скруббер-абсорбер противоточного типа 
(жидкое топливо) /2/. 
Важным  моментом  является  разработка  соответствующих  методов  расчета  и  создание  на  их 
основе  оптимальных  устройств.  В  работах  /3-5/  автором  предложена  система  алгебраических, 
дифференциальных  и  интегро-дифференциальных  уравнений,  описывающих  процессы  улавливания 
твердых частиц, тепло- и массообмена, движения жидких капель, твердых частиц и газового потока, а 
также  абсорбции  диоксида  серы  на  капли  распыленной  воды,  содержащей  щелочные  компоненты. 
Аналитическое  решение  такой  сложной  системы  уравнений  нам  неизвестно,  поэтому  расчет 
проводится численно - методом конечных разностей. Остановимся подробнее на расчете абсорбции в 
аппарате  противоточного  типа.  Перед  собственно  абсорбцией,  проводится  расчет  тепло-
имассообмена, позволяющего вычислить необходимые термические и динамические характеристики 
многофазного и многокомпонентного потока. 
Процесс поглощения диоксида серы щелочным водным раствором проводится в подпрограмме 
«Абсорбция»,  разработанной  автором,позволяющей  вычислять  степень  очистки  аппарата  - 
,концентрацию  диоксида  серы  в  жидкости- 
  , парциальное  давление  диоксида  серы  в  газе  - 
,концентрации  ионов  водорода-
,гидраксид-ионов  -
,  карбонат-  ионов- 
 
,бикарбонат-ионов- 
и др. величины. 
Предварительно  необходимо  сделать  ряд  замечаний.  В  тех  случаях,  когда  на  орошение 
абсорбера  подается  техническая  вода,  как  правило,  в  ней  отсутствуют  активные  щелочные 
поглотители  или  их  концентрация  настолько  мала,  что  ими  можно  пренебречь  в  расчетах,  а 
абсорбцию  условно  считают  физической  /5/.  В  этом  случае  поглощенная  двуокись  серы  в  растворе 
присутствует в виде: 
1)физически растворенной двуокиси серы 
; 
2)недиссоциированной сернистой кислоты 
; 
а также ионов 
(1) 
3) 
; при pH< 5; 
4) 
; при pH>5. 
В  отсутствие  других  химически  активных  поглотителей  эти  четыре  модификации  диоксида 
серы, перешедшие в раствор, будут определять степень извлечения S0
2
 из газовой фазы. 
Если  концентрация  более  5  мг-экв/л,  то  необходимо  учитывать  «ускорение»  процесса 
абсорбции  за  счет  взаимодействия  всех  видов  S0
2
  в  растворе,  см.  рис.1,  с  активными 
поглотителями  (химическая  абсорбция)  /3/.  Данное  обстоятельство  позволяет  заметно 
сэкономить  время  счета  без  снижения  качества  полученных  результатов.  В  процессе 
абсорбции  непрерывно  меняется  pH  раствора  по  высоте  аппарата.  Можно  выделить  три 
диапазона  изменения  водородного  показателя,  в  которых  заметным  образом  меняется 
интенсивность процессов абсорбции: pH< 5; pH = 5-7: pH> 7 /3/. 
При  наличии  в  растворе  активных  сорбентов  происходит  связывание  части  двуокиси 
серы  в  форме  (1)  с  ионами  щелочных  металлов  и  образование  соединений  в  виде  MeS0
3
  и 
MeHS0
3
. Общее содержание диоксида серы в растворе, в этом случае, определится наличием 

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
277 
связанной  (MeS0
3
,  и  MeHSO,)  и  несвязанной  (
, 
, 
)  серы,  а абсорбцию 
называют химической. 
Расчет абсорбции проводится при постоянном шаге интегрирования 
. Переходя к конечным 
разностям  получим  значение  потока  массы  S0
2
,  которым  обменялись  газ  и  капли  размером 
  без 
учета химического взаимодействия (физическая абсорбция): 
 
                                                                                   (2) 
где i=1,2….n
3
 (n
3
 – число шагов по высоте аппарата). 
 
 
 
Рис.1 
 
Обозначения: 
1-  запыленный  газ;  2  -  вода  на  орошение  ТкВ;  3  -  труба  Вентури  ;  4  -  пульпа,  продукты 
улавливания ; 5 - молекулы ; 6 - водный растворщелочи ; 7 - вода на орошение стенок абсорбера; 8 - 
вода на орошение объема абсорбера; 9 - очищенный газ. 
 
В  тех  случаях,  когда  требуется  учет  химического  взаимодействия,  уравнение  массоотдачи  (2) 
примет вид: 
                                                                              (2a) 
Обозначения в формулах (2), (2а) и далее приняты согласно /5/. 
                                                                                        (3) 
                                                                                      (4) 
                                                                                                                 (5) 
где 
 КДж/кмоль·К – универсальная газовая постоянная. 
                                                                                (6) 
                                                                                                          (7) 
                                                                                         (8) 

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
278 
                                                                                                                (9) 
                                                                                                                         (10) 
                                                                                                  (11) 
здесь 
Р=96039,2  Па  –  давление  газа  в 
аппарате, принято равным барометрическому давлению минус разряжение в абсорбере. 
 
                              (12) 
  Поверхность капли за счет деформации определится формулой: 
                                                                                  (13) 
где: 
 
 
 
 
 – плотность газа при нормальных условиях, кг/м
3
; 
 – барометрическое давление (мм.рт.ст.);Р
ст
 – статическое давление (разряжение) в абсорбере 
(мм.вод.ст.). 
, при 10
0
 С≤ t
2
 ≤ 50
0
C                                            (14) 
, при 50
0
 С≤ t
2
 ≤ 90
0
C 
Переходя к процессам внутри жидкости, получим: 
если 
                                                                                                                  (15) 
то 
                                                                                                            (16) 
Если условие (15) не выполняется, то 
                                                                                                                  (17) 
здесь 
                                                                                                                                  (18) 
                                                                                    (19) 
где 
  –  объем  одного  киломоля  SO
2
  в  растворе;  х  –  поправочный 
коэффициент, учитывающий ассоциацию молекул воды (х=2,6); 
 – вязкость воды, СП. 
 при 10
0
С ≤ t
2 
≤ 40
0
C                                                      (20) 
 при 40
0
С ≤ t
2 
≤ 100
0
C 
 

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
279 
  Коэффициент ускорения χ в выражении (4) определяется формулой: 
                                                                                                                  (21) 
                                                                                                                             (22) 
где  k  –  константа  скорости  химической  реакции,  выбирается  по  экспериментальным  данным 
/3/; С
В
 – концентрация поглотителя, моль/л; n – порядок химической реакции, выбирается по /3/;  
 – стехиометрический параметр; 
 – диффузионный параметр. 
                                                                                                    (23) 
где n
+
, n
-
 - валентность катиона и аниона соответственно; 
Fa=95500 кулон/экв – число Фарадея; значения ионной проводимости катионов и анионов 
, 
, 
, зависят от температуры и определяются по формуле: 
                                                                                                              (24) 
  -  предельные  значения  проводимости  ионов,  для  солей  и  оснований  в  воде  при 
температуре 25
0
С будут равны: 
 
                                                                                          (25) 
При взаимодействии SO
2
 с водным раствором, содержащим активные компоненты, происходит 
расходование сорбента. В результате этого, условия поглощения могут существенно измениться. Эти 
условия могут быть оценены с помощью кинетического параметра R, см. выражение (22) /5/. 
При R˃5M реакция становится мгновенной χ→∞, а выражение (4) заметно упрощается: 
                                                                                                                           (4a) 
Если R< 5M, то расчет следует вести по формуле (4). 
Итоговое количество диоксида серы, которым обменялись газ и капли на расстоянии х+Δх 
                                                                                      (26) 
Где j=1,2……..n
2
 (n
2
 – число шагов по спектру капель). 
Приращение концентрации двуокиси серы в каплях размером 
 будет найдено: 
                                                                                                   (27) 
Общее приращение SO
2
, поступивший из газа во все капли на шаге х+Δх будет равно: 
                                                                        (28) 
Новое значение концентрации всех видов двуокиси серы будет равно: 
                                                                                                       (29) 
Если  [C
B
]<5  мг-экв/л,  то  абсорбцию  можно  считать  физической.  Связь  концентрации 
  с 
концентрацией ионов водорода будет равна при рН≤5: 
                                                                                               (30) 
При рН=5-7 
                                                                                (31) 
В  выражениях  (30)  и  (31) 
  –  константы  диссоциации  сернистой  кислоты  по  первой  т 
второй ступенями диссоциации соответственно. 
Изменение концентрации водородных ионов будет равно: 
При рН≤5 

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
280 
,                                                                                         (32) 
где 
; 
; 
/ 
При рН=5-7 
 
,                                      (33) 
 
где 
 
 
. 
При наличии активных сорбентов при рН<5 (раствор содержит бикарбонатную щелочность) и 
при рН=5-7 (в раствор дополнительно поступают ионы 
), а при рН˃7 (раствор преимущественно 
гидратной природы). 
Связь между концентрациями 
 и
 можно выразить /4/: 
при рН≤5 
                                                       (34) 
 
где 
; 
 - концентрация ионов металла; 
  –  константа  диссоциации  угольной  кислоты  по  первой  ступени. 
Изменение концентрации ионов водорода определится формулой (32). 
при рН=5-7 
                         (35) 
где
  -  концентрация  ионов 
металла; 
-  константа  диссоциации  угольной  кислоты  по  второй  ступени. 
Изменение концентрации ионов водорода определится формулой (33). 
при рН˃7 
                                                                  (36) 
где 
 - концентрация ионов металла;  
  Изменение концентрации ионов водорода определится формулой: 
                      (37) 
где 
 
 
 

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
281 
 
 
 
  В выражениях (30) – (37) значения 
, получены в /5/ 
 
 при 
 
 при 
                            (38) 
 при 
 
 при 
 
 
  Концентрация гидраксид-ионов, моль/л, равна 
                                                                                                                      (39) 
  В  выражении  (22),  для  расчета  кинетического  параметра  необходимо  знать  концентрацию 
поглотителя С
В
, которая принимается равной концентрации ионов металла 
, то есть: 
 
,                                        (40) 
  где 
- произведение растворимости соответствующей сернистокислотной соли (Me (H
2
SO
3
)). 
  Для значений К
р
˃10
-7
 
                                                                                                       (40a) 
  Равновесие  парциальное  давление  на  поверхности  капли,  связанное  с  концентрацией  SO
2
 
(физически  растворенной 
  и  недиссоциированной  сернистой  кислоты  Н
2
SO
3
)  в  ядре  жидкости 
можно выразить /4/. 
при pH≤5 (при наличии или отсутствии сорбентов); 
;                                                                                      (41) 
при pH=5-7 (при наличии или отсутствии сорбентов); 
;                                                                       (42) 
при pH˃7 
;                                                        (43) 
  Изменение  парциального  давления 
в  газе  будет  пропорционально  изменению 
концентрации
, определяемое формулой (28) 
                                                            (44) 
  Новые  значения  парциального  давления  диоксида  серы  в  газе  и  ионов  водорода  будут 
соответственно равны: 
                                                                                                (45) 
                                                                                                      (46) 
 
  Водородный показатель определится из соотношения: 
                                                                                                                  (47) 

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
282 
  Расчет  абсорбации  проводят  аналогично  расчету  тепло-  и  массообмена  от  х=0  до  х=Н.  За 
начало  координат  принято  место  ввода  капель  в  абсорбер.  Задаваясь  предварительно 
, 
вычисляют 
, затем при выбранном шаге Δx производят расчет до х=Н, добиваясь схождения 
значений расчетной и заданной величин парциального давления диоксида серы в газе по уравнению: 
,                                                                                                  (48) 
где 
- задаваемая погрешность при вычислении; 
 
 – задаваемая величина; 
 
- расчетная величина. 
  Степень очистки от диоксида серы в абсорбере можно определить из выражения: 
 
                                                                                                          (49) 
 
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Ажибеков  А.К.,  Тогабаев  Е.Т.  Повышение  щелочности  воды  в  аппаратах  сероулавливания.  Межд. 
научн.-практ.  конф.  «Региональные  проблемы  экологии  и  безопасности  жизнедеятельности»  (18,19  января 
2002г.), часть 2, Алматы, 2002, с.98-109. 
2.  Ажибеков  А.К.  Очистка  газов  от  оксидов  серы  при  сжигании  твердого  и  жидкого  топлива.  Межд. 
научн.-практ.  конф.  «Инновационные  и  наукоемкие  технологии  в  строительной  индустрии»  (28-29  февраля 
2008г.), Алматы, КазГАСА, 2008. 
3.  Ажибеков  А.К.  Экспериментальное  исследование  кинетики  поглощения  двуокиси  серы  щелочным 
водным раствором. В сб. «Совершенствование инженерных систем и проблемы экологии», Алматы, КазГАСА, 
1998, с. 154-170. 
4.  Ажибеков А.К. Физико- химические  основы процесса поглощения S0
2
щелочным водным раствором. 
Вестник КазГАСА, №7, Алматы, 2003. 
5.  Ажибеков  А.К.  Математическое  моделирование  процессов  абсорбции  в  сероочистительной 
установке. Вестник КазГАСА, №2-3(16-17), Алматы, 2005, с. 128-137. 
6.  Ажибеков  А.К.  Расчет  тепло-  и  массопереноса  в  абсорбционных  аппаратах.  Межд.  научн.-практ. 
конф.  «Региональные  проблемы  безопасности  жизнедеятельности  и  охрана  окружающей  среды»  (5,6  мая 
2005г..), Алматы, КазГАСА, 2005, с. 119-123. 
 
REFERENCES 
1.  Аgibekov 
А.К., 
Тоgabaev 
Е.Т. 
Povichenieshelochnostivodiv 
аpparataxseroulavlivania. 
Мegdunarodnaianauch.-prakt.  коnf.  «Regionalnieproblemiakologiiиbezopasnostigchiznedeiatelnosti»  (18,19  ianvaria 
2002г.), часть 2, Аlmati, 2002, с.98-109. 
2.  АgibekovА.К.Ochistkagazovоtокsidovseriprischgiganiitverdogoigidkogotopliva.  mechgdunar.  nauch.-prakt. 
коnf.«Innovacionnieinaukoemnieтechnologiivstroitelnoiindustrii» (28-29 fevralia 2008г.), Аlmati, КаzGАSА, 2008. 
3.  АgibekovА.К.  Eksperementalnoeissledovaniekinetikipogloshenizdvuokisiserishelochnimvodnimrastvorom. 
Vsb. «Sovershenstvovanieinzchinernixsistemiproblemiikologii», Аlmati, КаzGАSА, 1998, с. 154-170. 
4.  АgibekovА.К. 
Fiziko- 
ximicheskieosnoviprocesapoglosheniaS0
2
cselochnimvodnimrastvorom. 
VestnikКаzGАSА, №7, Аlmati, 2003. 
7.  АgibekovА.К. 
Matematicheskoemodelirovanieprocessovаbsorbaciivseroochestitelnoiustanovke. 
VestnikКаzGАSА, №2-3(16-17), Аlmati, 2005, с. 128-137. 
8.  АgibekovА.К.  Raschetteplo-  imassoperenosavabsorbcionnixapparatax.  Мechgd.  nauch.-prakt.  коnf. 
«Regionalnieproblemibezopasnostigchiznedeiatelnostiioxranaokruchgausheisredi»  (5,6maia  2005 г..),  Аlmati, 
КаzGАSА, 2005, с. 119-123. 
 
 
 
 
 
 

жүктеу/скачать 43,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: