Мокрый скруббер: газ промыли, а воду куда?

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

GWEB_C0100

Поставить форсунку в газоход несложно. После этого начинаются вопросы: что именно удалось поймать, куда ушли капли, чем охлаждать оборотную воду и как вынимать осадок. Если отвечать на них после запуска, компактная газоочистка довольно быстро обрастает баками, временными шлангами и вполне постоянной работой по обслуживанию.

Я рассматриваю мокрый скруббер вместе с каплеуловителем и жидкостным контуром. Газ передаёт жидкости теплоту и часть примесей. Дальше надо организовать отвод обоих поступлений. Насос, гоняющий воду по кругу, сам по себе этого не делает.

Что это даёт на практике

Скруббер одновременно охлаждает газ и выводит часть загрязнений. Компактный корпус тянет за собой циркуляцию, отвод тепла, обработку воды и обслуживание загрязняемых деталей: размер и стоимость всей системы определяются также этим контуром. Выигрыш получается, когда реальная смола и другие нужные примеси улавливаются выбранной жидкостью и способом контакта, капли отделяются, а собранная грязь выводится из оборота.

Четыре процесса, которые легко перепутать

Первый — охлаждение. Горячий газ передаёт теплоту более холодной жидкости. Если температура и состав позволяют, часть паров воды и органических веществ конденсируется. Но у горячего недостаточно влажного газа вода, напротив, может испаряться с поверхности капель. Поэтому слово «мокрый» ещё не говорит, прибавится водяного пара в газе или убавится.

Второй — поглощение газообразного вещества жидкостью. Оно зависит от растворимости, температуры, состава уже работающего раствора и условий контакта. Вода способна принять одни соединения и гораздо хуже другие. В одном из исследований, приведённых в источниках, получен конкретный результат водной промывки: удалялись водорастворимые компоненты смолы, тогда как ароматические соединения удалялись плохо. Это объясняет механизм ограничения, но не задаёт процент для любого генераторного газа.

Третий — захват частиц и капель. Частица должна столкнуться с жидкой каплей или смоченной поверхностью и остаться в отделяемой фазе. Тонкий аэрозоль может плохо улавливаться аппаратом, который прекрасно охлаждает газ. Четвёртый — отделение самой промывной жидкости от газа. Если загрязнённая капля улетела к потребителю, примесь только сменила транспорт.

Каплеуловитель задерживает жидкость, а не молекулы водяного пара. После него газ может быть насыщен паром и при дальнейшем охлаждении снова дать конденсат. Это важно для последней трубы до двигателя, горелки или другого потребителя.

Какой аппарат выбирать

В распылительном скруббере контакт создают капли из форсунок. Нужны подходящий факел, перекрытие сечения и устойчивое распыление при изменении расхода. Мелкая капля даёт развитую поверхность, но сложнее отделяется от газа. Форсунке предстоит работать с той жидкостью, которая окажется в контуре через несколько часов, а не только с чистой водой из водопровода.

В насадочном аппарате жидкость растекается по поверхности заполнения. Он позволяет организовать развитый контакт фаз, но пыль и липкие отложения постепенно меняют проходы и распределение потоков. Для сильно загрязнённого газа вопрос «как достать и отмыть насадку?» желательно решить раньше вопроса о красивой наружной обшивке.

В аппарате Вентури газ ускоряется в сужении и дробит введённую жидкость. Это иной режим контакта, с существенными затратами на сопротивление. Его выбирают по требуемому улавливанию частиц, диапазону расходов и допустимым энергозатратам, а не как универсальное средство от всякой смолы.

Далее нужен каплеуловитель с дренажом: например, подходящая инерционная или волокнистая ступень. Выбор зависит от капель и режима, а не только от диаметра выходной трубы. Орошаемый тканевый фильтр, обычный сухой рукав и волокнистый туманоуловитель имеют разное устройство. Специальные мокрые фильтрующие схемы разобраны отдельно в GWEB_C0101; их свойства нельзя приписывать любому скрубберу.

Посчитаем воду и теплоту на одном примере

Возьмём условный узел доохлаждения после предыдущей ступени. Это учебный баланс, а не подбор форсунок и размеров корпуса. Он покажет, почему оценка только по остыванию сухого газа способна сильно занизить нагрузку на жидкостный контур.

Заданные для примера условия:

• расход сухой части газа V̇н,с = 800 м³/ч, приведённый к 0 °C и абсолютному давлению 101,325 кПа;
• фактическое абсолютное давление в узле p = 101,325 кПа; его снижением пока пренебрегаем;
• газ на входе имеет 60 °C, на выходе 40 °C;
• в обеих точках газ принят насыщенным водяным паром, капель на входе нет, на выходе они отделены;
• сухой состав по молям: 50 % N₂, 20 % CO, 15 % H₂, 12 % CO₂ и 3 % CH₄; расход и состав сухой части сохраняются;
• оборотная жидкость входит при 25 °C и выходит при 35 °C; образовавшийся конденсат уходит с ней при 35 °C;
• теплопотери наружу, растворение сухих компонентов и тепловые эффекты примесей для этого баланса не учитываем.

Расход, температуры, насыщение и состав здесь предположены. На реальном объекте это исходные данные для измерений и проверки. Особенно важно насыщение: заданная температура сама по себе не доказывает, сколько воды находится в газе.

Справочные свойства взяты отдельно. По справочным таблицам воды и пара давление насыщенного водяного пара равно 19,946 кПа при 60 °C и 7,3849 кПа при 40 °C. Молярная масса воды M_в = 18,0153 кг/кмоль. Для идеального газа молярный объём при выбранных нормальных условиях V_м,н ≈ 22,414 м³/кмоль. Он получается из R·T_н/p_н, где R = 8,314462618 кПа·м³/(кмоль·К), T_н = 273,15 К и p_н = 101,325 кПа.

1. Сколько пара конденсируется

Молярный расход сухого газа:

ṅс = V̇н,с / Vм,н = 800 / 22,414 ≈ 35,692 кмоль/ч.

Для насыщенного газа в принятой идеальной модели отношение молей воды к молям сухой части равно отношению парциальных давлений:

ṁв = ṅс · Mв · pнас / (p − pнас).

ṁ_в — массовый расход водяного пара, кг/ч; p_нас — давление насыщенного пара при температуре рассматриваемой точки, кПа; p − p_нас — парциальное давление сухой части газа, кПа. Остальные обозначения определены выше. Для ненасыщенного газа вместо p_нас требуется действительное парциальное давление воды.

На входе:

ṁв,вх = 35,692 · 18,0153 · 19,946 / (101,325 − 19,946) ≈ 157,60 кг/ч.

На выходе:

ṁв,вых = 35,692 · 18,0153 · 7,3849 / (101,325 − 7,3849) ≈ 50,55 кг/ч.

Количество конденсата:

ṁк = ṁв,вх − ṁв,вых = 157,60 − 50,55 = 107,05 кг/ч.

Больше ста килограммов воды за час добавляется в жидкостный контур. Баку и дальнейшей водоочистке предстоит принять весь этот поток.

2. Сколько теплоты передаётся жидкости

Для заданной сухой смеси средняя теплоёмкость при постоянном давлении, отнесённая к нормальному объёму, в интервале 40–60 °C составляет c̄p,н ≈ 1,36 кДж/(м³·К). Это расчёт по справочным теплоёмкостям компонентов с указанными мольными долями; не универсальная константа генераторного газа. При записи с четырьмя знаками после запятой получается 1,3578. Для другого состава его надо пересчитать.

Используем табличные удельные энтальпии воды: пар при 60 °C h_п60 = 2608,8 кДж/кг, пар при 40 °C h_п40 = 2573,5 кДж/кг, жидкость при 35 °C h_ж35 = 146,63 кДж/кг и при 25 °C h_ж25 = 104,83 кДж/кг. Энтальпия здесь служит мерой энергии потока на единицу массы. Значения относятся к одной табличной системе отсчёта; смешивать её с произвольно выбранным нулём нельзя. Для жидкости в данном оценочном расчёте пренебрегаем малой поправкой на давление и примеси.

Сначала охлаждение сухой части:

Q̇с = V̇н,с · c̄p,н · (tвх − tвых).

Q̇с = 800 · 1,36 · (60 − 40) = 21 760 кДж/ч.

Q̇_с — тепловой поток от охлаждения сухого газа, кДж/ч; t_вх и t_вых — входная и выходная температуры газа, °C. Разность в градусах Цельсия численно равна разности в кельвинах.

Теперь водяная часть. Удобно мысленно привести весь входной пар к состоянию выходного пара, а затем сконденсировать требуемую долю и довести её до температуры уходящей жидкости. Это расчётный путь по энтальпиям, а не утверждение, что внутри аппарата вся конденсация происходит при одной температуре.

Q̇в = ṁв,вх · (hп60 − hп40) + ṁк · (hп40 − hж35).

Q̇_в — тепловой поток, переданный водяной частью газа, кДж/ч. Все ṁ здесь в кг/ч, все h в кДж/кг.

Первое слагаемое:

157,60 · (2608,8 − 2573,5) = 5563,28 кДж/ч.

Второе слагаемое:

107,05 · (2573,5 − 146,63) = 259 796,43 кДж/ч.

В последней разности уже содержатся теплота конденсации и охлаждение конденсата до 35 °C. Прибавлять к ней ещё раз скрытую теплоту нельзя.

Общий тепловой поток:

Q̇ = Q̇с + Q̇в ≈ 287 120 кДж/ч.

Q̇ = 287 120 / 3600 ≈ 79,76 кВт.

Делитель 3600 — число секунд в часе; 1 кДж/с = 1 кВт. Расчёт только сухой части дал бы 21 760 / 3600 ≈ 6,04 кВт. В этом условном влажном потоке главная нагрузка связана с конденсацией, а не с двадцатью градусами охлаждения сухого газа.

3. Какой расход циркуляции получается по тепловому балансу

Пусть указанную теплоту принимает вода, нагреваясь с 25 до 35 °C. Нужный для такого нагрева расход существующей оборотной жидкости:

L = Q̇ / (hж35 − hж25).

L = 287 120 / (146,63 − 104,83) ≈ 6869 кг/ч.

L — массовый расход жидкости, поданной обратно в контактную зону, кг/ч. Из неё выйдет примерно 6869 + 107 = 6976 кг/ч, потому что прибавился конденсат. Если в этой упрощённой схеме избыточные 107 кг/ч отвести при 35 °C, а прежние 6869 кг/ч охладить до 25 °C, холодильный узел должен снять около 79,76 кВт. Здесь ещё нет дополнительных подпитки, продувки и тепла насоса.

Это вода с температурным уровнем 25–35 °C. Большое количество теплоты не делает её источником для прямого нагрева воздуха до сотен градусов. Для полезного использования нужны потребитель подходящей температуры либо отдельная система повышения температурного уровня со своими затратами.

Отношение жидкости к газу обозначают L/G. Но без единиц и основы газа это неполное число. В нашем примере выберем G = V̇_н,с, то есть сухой нормальный объёмный расход:

L/G = 6869 / 800 ≈ 8,59 кг/м³ сухого газа при нормальных условиях.

Это результат именно теплового баланса при выбранных температурах. Он не доказывает, что такой расход даст требуемую очистку, распыление или смачивание. При выборе аппарата тепловое требование сопоставляют с требованиями контакта фаз и гидравлики. В другом источнике L/G может быть дано в литрах на фактический кубометр влажного газа или в килограммах на килограмм газа; напрямую сравнивать эти числа нельзя.

Для оценки проходного сечения нужен фактический влажный расход. На входе его нормальный молярный эквивалент равен 800 · 101,325 / (101,325 − 19,946) ≈ 996,08 м³/ч. При 60 °C и том же давлении фактический расход равен 996,08 · 333,15 / 273,15 ≈ 1214,88 м³/ч. Числа 333,15 и 273,15 — абсолютные температуры, К. Если подставить в гидравлический расчёт 800 вместо примерно 1215 м³/ч, скорость газа будет существенно занижена ещё до обсуждения устройства скруббера.

Циркуляция не заменяет очистку воды

Разделим три формы загрязнения: оседающие частицы, свободная органическая фаза и растворённые вещества. Их нельзя убрать одним и тем же отстойником.

Крупная взвесь может оседать. Свободные капли органической жидкости при подходящих условиях отделяются в сторону, определяемую плотностью относительно воды. Но заранее обещать три красивых слоя в баке нельзя. Устойчивая эмульсия и растворённое вещество способны оставаться в воде после длительного отстаивания. Фильтр частиц тоже не удаляет всё растворённое. Моющие добавки могут облегчить отмывку поверхности и одновременно затруднить разделение эмульсии; их возврат в оборот требует отдельной проверки.

Покажем простой расчёт для растворённой примеси. Это отдельная условная задача поддержания состава контура. Пусть в хорошо перемешиваемую жидкость непрерывно поступает S = 1,0 кг/ч выбранного растворённого вещества. Его химического превращения и удаления другими способами нет. Допустимая для примера массовая доля в растворе x = 0,005 кг/кг, то есть 5 г вещества на килограмм раствора. Это заданный предел для арифметики, а не санитарная норма и не установленная граница работоспособности скруббера.

При установившейся концентрации с отводимой частью раствора должно уходить столько же примеси, сколько приходит:

B = S / x = 1,0 / 0,005 = 200 кг/ч.

B — расход отводимого раствора, кг/ч; S — приход выбранной примеси, кг/ч; x — её массовая доля, кг/кг. Требуется отводить 200 кг/ч раствора на предусмотренную обработку. Увеличение циркуляции с 7 до 14 т/ч этого баланса не изменит: через насос пройдёт больше той же жидкости.

В этих 200 кг/ч содержится 1 кг примеси и 199 кг воды. Если одновременно из газа поступают рассчитанные выше 107,05 кг/ч конденсата, других поступлений и потерь воды нет, свежей воды для поддержания количества потребуется 199 − 107,05 = 91,95 кг/ч. Таким образом, расход циркуляции, отвод раствора и свежая подпитка — три разных потока. Для уточнённого теплового баланса понадобятся также температуры подпитки и отвода; прежняя схема их ещё не учитывала.

Если вместо конденсации идёт испарение, подпитка растёт. Если конденсата больше необходимого отвода, появляется избыток жидкости. В реальной системе добавляются унос капель, влага шлама, промывки и очистка раствора. Для них нужны свои измеренные расходы и составы. Название «замкнутый контур» не закрывает материальный баланс.

Что изменится после первых часов

На пуске холодная чистая вода способна дать удачный результат охлаждения. Затем прогреваются бак и весь контур. При недостаточном отводе теплоты меняются выходная температура, конденсация и поглощение. Проверять только начало опыта — значит испытать запас холода в баке вместо устойчивой работы системы.

На малой нагрузке форсунка может выйти из подходящего диапазона, а жидкость на насадке распределяться неравномерно. При повышенной нагрузке возрастает скорость газа, возможны захлёбывание контактной зоны и вторичный унос жидкости. Загрязнение забивает распылители, проходы насадки и каплеуловителя; нарушенный дренаж способен вернуть уже отделённые капли в поток.

Поэтому вместе наблюдают расход газа, расход и температуру жидкости, перепад давления, уровень в сборнике, каплеунос и состав оборотной воды. pH, плотность или электропроводность полезны для своих задач, но один такой показатель не заменяет определения органических примесей и взвеси. Рост сопротивления при том же расходе, изменение факела и ухудшение дренажа дают разные направления поиска неисправности.

Пропадание циркуляции, отказ отвода тепла и неготовый каплеуловитель должны иметь предусмотренную реакцию системы управления и безопасный путь для газа. Конкретные блокировки и переключения назначают по всей установке. Обслуживание горючего и токсичного газового тракта не сводится к совету «открыть крышку и промыть»; нужны его изоляция и предусмотренная проектом подготовка.

Что должен установить небольшой опытный узел

Исследование начинается с реального газа: вода, частицы, органические компоненты, температура и изменение состава по режимам. Отбор смол и аэрозолей требует подготовленной цепочки; остывшая проба, из которой на стенках осталось самое интересное, плохая основа для проекта. В стоимость исходных данных входят точки отбора, измерение расходов, анализы газа и жидкости, холостые пробы и повторения. Эти затраты нужно видеть до заказа большого корпуса.

После предварительных материального и теплового расчётов небольшой узел проверяет конкретные неизвестные: удаётся ли получить нужный контакт, какие капли выносит газ, насколько быстро меняется вода, что засоряется первым и как это очищается. Испытание продолжают до проявления накопления загрязнений, а также проводят пуски и переходы между нагрузками. Важен баланс того, что пришло с газом, ушло с очищенным потоком, вывелось с жидкостью и осталось в оборудовании.

Далее идут корректировка и ОКР конструкции с доступом к форсункам, насадке, дренажам и теплообменнику. Перед масштабированием отдельно проверяют распределение потоков по большему сечению, диапазон скоростей, отвод капель и работоспособность жидкостного хозяйства. Геометрически увеличенная ёмкость не обязана воспроизвести распределение воды на маленьком стенде.

Именно эти вопросы выгоднее решить на доступном опытном объекте. Если перенести их на территорию заказчика, вместе с исследованиями придётся оплачивать остановки производства, временную водоочистку, переделку труб и работу без своей полной мастерской. Скруббер при этом может стоять уже вполне промышленного размера, а разработка всё ещё оставаться на стадии выяснения, куда девается вода.

Продолжить чтение

• GWEB_C0095 — сырой и очищенный газ: куда на самом деле делись примеси.
• GWEB_C0089 — сухая и влажная основы состава и расхода.
• GWEB_C0097 — предварительное отделение частиц в циклоне.
• GWEB_C0098 — горячая керамическая фильтрация.
• GWEB_C0101 — тканевые и специальные мокрые фильтрующие схемы.
• GWEB_C0194 — расход топлива газогенератора: расчёт по выходу и теплоте сгорания газа.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Источники и границы примера

• US EPA. Monitoring by Control Technique — Wet Scrubber for Particulate Matter: распылительный и Вентури-контакт, каплеулавливание, эксплуатационные признаки и контроль. Проценты эффективности с этой страницы не перенесены на смолы.
• NISTIR 5078. Thermodynamic Properties of Water, таблица 1, с. 4–5: давления насыщения и энтальпии воды и пара по IAPWS-95.
• NIST, CODATA 2022: газовая постоянная и молярный объём идеального газа; NIST WebBook, вода: молярная масса.
• NIST Chemistry WebBook, теплоёмкости и молярные массы: N₂, CO, H₂, CO₂, CH₄. Средняя теплоёмкость сухой смеси рассчитана для 313,15–333,15 К, в пределах применимости приведённых коэффициентов.
• Milne, Evans, Abatzoglou. Biomass Gasifier “Tars”, NREL, 1998, приложение IV, с. A-105: пример различия удаления водорастворимых и ароматических компонентов; §IV — ограничения пробоотбора.
• IEA Bioenergy Task 33. Gas analysis in gasification of biomass and waste, 2018, с. 103–109: получение представительных данных по смолам и частицам.
• HydroFlo, MaxiSep Oil/Water Separator, IOM 2021: граница гравитационного разделения свободных фаз; сведения не перенесены на растворённые вещества и устойчивые эмульсии.
• Все расходные и режимные числа примера условные. Рассчитан баланс, а не эффективность удаления определённой смолы, диаметр скруббера или проект водоочистки. Эти результаты требуют состава потока, выбранного аппарата и испытаний.