Строительно-технологические аспекты защиты воздушного бассейна от загрязнения дымовыми газами компрессорных станций магистральных систем газоснабжения

Актуальность проблемы. Современный уровень развития большей части отраслей промышленности и жилищно-коммунального хозяйства в определяющей мере характеризуется возрастающей динамикой потребления различных видов энергетических ресурсов. При этом доминирующую часть в них составляет природный газ. По данным ВТО доля природного газа в общем объеме потребления энергоресурсов странами Европы составляет 21%. Северной Америки 25%, Центральной и Юго-Восточной Азии 11%.

Такое положение объясняется высокими теплотехническими свойствами природного газа, а также, в значительной степени, высоким уровнем его экологической безопасности в сравнении с другими видами широко применяемых топлив — каменным углем и мазутом.

Основные месторождения чистого российского природного газа располагаются в регионах Западной Сибири — Уренгой, Ямбург, Бованенко и др. Его транспортирование в европейские регионы России и зарубежным потребителям осуществляется развитыми магистральными системами газоснабжения общей протяженностью около 1,2 млн. км. Для перекачивания природного газа в них используется 250 компрессорных станций, оснащенных газоперекачивающими агрегатами общей мощностью 42,6 млн. кВт ч. В зависимости от конструктивных особенностей, на обеспечение их работы расходуется от 5 до 20% перекачиваемого газа, сжигаемого в качестве топливного газа в газотурбинных установках компрессорных станций. В связи с этим, компрессорные станции магистральных газотранспортных систем являются мощными источниками загрязнения воздушного бассейна в зонах расположения КС и в целом, атмосферного воздуха продуктами сгорания природного газа.

Наиболее токсичными компонентами, содержащимися в выбросах дымовых газов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций, являются оксид N0 и диоксид азота ЫОг. В выбросах большинства компрессорных станций преобладает оксид азота, характеризуемый менее жесткими гигиеническими требованиями по концентрациям. Однако установлено, что в атмосферных условиях происходит его постепенная трансформация в более токсичный диоксид ЫОгПоследнее требует обязательного учета при оценке уровня воздействия компрессорных станций магистральных газотранспортных систем на окружающую среду при их проектировании и эксплуатации. Значение данного условия особенно возросло в связи с ратификацией России Киотского протокола, включившего диоксид азота в число компонентов, выброс которых подлежит обязательному сокращению наряду с диоксидом углерода СО2.

Из этого очевидна актуальность проблемы повышения уровня экологической безопасности строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения на основе разработки средств очистки выбросов их дымовых газов, эффективно реализующих процессы нейтрализации продуктов сгорания — оксидов азота и углерода.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель настоящей работы — обеспечение экологической безопасности эксплуатации компрессорных станций магистральных газотранспортных систем посредством разработки технологических основ эффективной очистки их дымовых газов в режиме интенсивного пенодинамического контакта с оптимизированным жидким поглотителем.

В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:

— теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя, оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения характерных целевых компонентов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

— экспериментальное исследование закономерностей поглощения газообразных компонентов выбросов газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым газовым потоком выброса;

— определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамического слоя в реакционном объеме газоочистного аппарата посредством вихревой инжекции оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;

— совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента очищаемого выброса дымовых газов КС в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем;

— определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы газоочистной установки для оптимизированного сочетания с модулированным оборудованием газоперекачивающих агрегатов;

— обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения.

Основная идея работы состояла в совершенствовании основ проектирования объектов магистральных систем газоснабжения посредством разработки методологии расчета и конструирования модулированных вихрепенных установок мокрой очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования массо-обменных процессов на лабораторных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность научных положений и выводов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных автором теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.

Научная новизна работы:

— теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей дымовых газов компрессорных станций, на примере диоксида азота;

— предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментально, на примере диоксида азота, подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей дымовых газов КС, в пенодинамическом слое, формируемом трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида азота и углерода в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора трибутилфос-фата закрученным потоком очищаемого газа;

— экспериментально уточнены зависимости, характеризующие технологические условия эффективного поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования;

— установлены условия энергоэффективного осуществления процесса поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора относительно входного сечения вихревого инжектора;

— сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного оформления процессов очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

— разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для очистки выбросов дымовых газов КС с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;

— определена область эффективного ведения процессов очистки выбросов дымовых газов КС от диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах, характеризуемая оптимизированными значениями числа Яе > 7 • 104 и начального уровня поглотителя И0 > 0,0 м, отнесенными к входному сечению вихревого инжектора;

— уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

— предложена методика определения степени абсорбционной очистки выброса в атмосферу и концентрации извлекаемого компонента в стоках жидкости, отводимой из пенодинамического слоя;

— обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами газотурбинных установок компрессорных стаций магистральных систем газоснабжения;

— сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах их размещения.

Реализация результатов работы:

— разработаны и переданы к использованию ООО «Волгоградтрансгаз» конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию модулированных установок вихреинжекционной пенной очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

— НПО «Волгоградхимпроект» переданы рекомендации по применению трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя при очистке выбросов от кислых газов в аппаратах с пенодинамическим режимом работы;

— материалы диссертационной работы используются кафедрами ОВЭБ и БЖТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности «Те-плогазоснабжение и вентиляция», «Инженерная защита окружающей среды» и «Пожарная безопасность» .

На защиту выносятся:

— теоретические и экспериментальные результаты исследования, на примере диоксида азота, закономерностей поглощения кислых примесей трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции закрученным потоком очищаемого газа;

— математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфа-том кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность улавливания диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутил-фосфата в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов;

— унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов дымовых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

— методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

— методологические принципы определения вероятности техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград, 2004;2005 г.) — научно-технических конференциях «Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России» (Кисловодск, 2005 г.) — ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003;2006 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 47 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Показано, что без учета продувочного метана, доминирующее значение в формировании уровня техногенного воздействия выбросов КС магистральных систем газоснабжения имеют продукты сгорания топливного газа в их газотурбинных установках: оксиды азота (N0, N02) и углерода (СО, СОг). Особенность эмиссии этих техногенно-опасных компонентов определяется совокупным проявлением физико-химических и технологических факторов, отражающих свойства топливного газа и режимно-технологические условия организации процесса его сжигания в камерах сгорания ЛГУ. Учет этих факторов должен составлять основу проектных решений по снижению условия техногенного воздействия выбросов ГТУ КС на окружающую среду.

2. На основе аналитических преобразований уравнения абсорбции для модели полного смешения по жидкости и полного вытеснения по газу, при условии пренебрежения нестационарностью концентраций целевых компонентов в газе (носителе), получены уравнения математических моделей нестационарного и стационарного процессов массопереноса в пенодинамическом слое, который формируется посредством вихревой инжекции жидкого поглотителя в зону межфазного контакта.

3. На основе сравнительного анализа свойств поглотителей для абсорбционной очистки выбросов от диоксида азота и углерода дано обоснование перспективности использования трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя для реализации процессов извлечения кислых газовых примесей из дымовых выбросов газов ГТУ КС магистральных газотранспортных систем.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пеноди-намического слоя посредством механизма вихревой инжекции трибутилфосфа-та и уточнены зависимости гидродинамических характеристик пенодинамиче-ского слоя в контактной камере инжектора от основных режимных параметров пенообразования.

5. Экспериментально подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфа-том в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов дымовых газов газотурбинных установок компрессорных станций.

6. Впервые, на примере диоксида азота и углерода, экспериментально исследованы закономерности массопереноса и установлена возможность эффективного улавливания из дымовых газов малых концентраций кислых примесей трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции.

7. На основании анализа конструктивных особенностей компоновки основного оборудования газоперекачивающих агрегатов показана технологическая целесообразность структурно-компоновочного исполнения систем очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций, исходя из блочно-модульных схем компоновки газоочистного оборудования, и выполнена функционально-технологическая разработка модулированной установки комплексной газоочистки выбросов ГТУ КС.

8. Обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами дымовых газов компрессорных станций. Сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах размещения.

Результаты выполненных исследований представляют возможность эффективного решения задач защиты воздушного бассейна от загрязнения посредством оснащения модулированными установками очистки выбросов от дымовых газов на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение продуктов сгорания топливного газа трибутилфосфатом в режиме его пенодинамического контакта с очищаемым потоком.