книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

Объем топки, м3, подсчитывают по выражению:

Vт = Σ Wi Qi/[qv],

а ее тепловую нагрузку, кВт, как

Vт[qv] = Σ Wi Qi,

где Wi, Qi – соответственно расход, м3/с, и теплота сгорания, кДж/м3, топливного газа или (и) отбросных газов, содержащих горючие вещества; [qv] – допустимое тепловое напряжение топочного объема, кВт/м3; N – количество видов горючих газов.

При содержании горючих токсичных загрязнителей в отбросных газах менее 50…100 мг/м3 величину Q можно рассчитывать по обычным соотношениям для топливного газа.

Значения [qv] для прямоточных конструкций топок рекомендуется принимать не более 200 кВт/м3. Для циклонных топок эта величина может быть увеличена в 4…5 раз.

Необходимое время пребывания τпр, с, органических токсичных соединений в зоне реакции при температуре горения tгор = 700…1000 ° С ориентировочно определяется по эмпирической формуле

τпр = 25 (1 – tгор/1060).

При отсутствии опытных данных о температуре горения, ° С, ее можно оценить по соотношению:

tгор = η tкал,

где η – пирометрический коэффициент, значение которого принимают для неэкранированных неизолированных топок в пределах 0,75…0,85,

При содержании горючих загрязнителей более 100…150 мг/м3 необходимо учитывать их влияние на процесс горения.

По найденной величине τпр производят поверку достаточности принятого ранее объема топки, м3,

Vт ≥ τпр Wд.г (273 + tгор)/(273·Kт),

где Kт – коэффициент заполнения топки продуктами сгорания, значение которого можно принимать от 0,7 для вертикальных прямоугольных до 0,95 для циклонных топок; Wд.г – расход дымовых газов, м3/с.

161

При содержании загрязнителей менее 200 мг/м3 величину Wд.г, м3/с, подсчитывают по выражению:

Wд.г = Wт (VCO2 + VH2O + VN2 + VO2),

где VCO2, VH2O, VN2, VO2 – объемы соответствующих компонентов продуктов сгорания, отнесенныек1 м3 топливногогазаиопределяемыепоегосоставу.

При значительных концентрациях горючих загрязнителей расход дымовых газов, м3/с, рассчитывают по выражению:

Wд.г = Wт (VCO2 + VH2O + VN2 + VO2)/Rт,

где VCO2, VH2O, VN2, VO2 – объемы соответствующих компонентов продуктов сгорания, отнесенные к 1 м3 горючей смеси топлива и загрязнителей; Rт – доля топлива в горючей смеси.

Находят эквивалентный диаметр Dэ и длину l (высоту h), м, топочного устройства:

Dэ = 0,8Vт1/3,

l = (2,0…2,3) Dэ,

h = (1,7…2,0) Dэ,

По расходу газового топлива подбирают размер горелочного устройства, необходимое газооборудование и рассчитывают диаметры газопроводов, а по расходу дымовых газов находят размеры дымоходов, дымовой трубы и при необходимости – дымососа.

ГЛАВА 8. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

8.1. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Устранение нежелательных компонентов в газах с использованием химических методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция и ее роль является преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с пере-

162

численными выше физико-химическими методами. Например, метод очистки газа от SO2 с использованием извести или известкового молока не приводится здесь в качестве химического, поскольку определяющей операцией является абсорбция на стадии скруббирования. Из этого примера видно, что определение, данное «химическому» методу очистки, неоднозначно и вводится для удобства изложения и необходимости классификации.

Вследствие разнообразия топок, котельных и других аналогичных устройств сфера приложения описываемых методов контроля чистоты выбросов очень широка. Специалист в данной области имеет возможность выбрать наиболее оптимальный вариант или найти способы улучшения уже функционирующих конструкций. Общий интерес представляют применимость отдельных методов к конкретным типам загрязняющих выбросов, их универсальность, экономичность, перспектива усовершенствования, увеличение производительности и возможные недостатки.

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях

вприсутствии твердых катализаторов, т.е. на закономерностях гетерогенного катализа В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превращаются в другие соединения, т.е. в отличие от рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются в безвредные соединения, присутствие которых допустимо

ввыхлопном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества подлежат удалению, то требуются дополнительные операции (например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).

Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами газоочистки, так как такие традиционные адсорбенты, как активированный уголь, цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Очистку газов на адсорбентах-ката- лизаторах называют адсорбционно-каталитической. Этот прием очистки выхлопных газов весьма перспективен ввиду высокой эффективности очистки от примесей и возможности очищать большие объемы газов, содержащих малые доли примесей (например, 0,1–0,2 в объемных долях SO2). Но методы утилизации соединений, полученных при катализе, иные, чем в адсорбционных процессах.

163

8.2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ОКСИДА УГЛЕРОДА

Широко распространен способ каталитического окисления токсичных органических соединений и оксида углерода в составе отходящих газов с применением активных катализаторов, не требующих высокой температуры зажигания, например металлов группы платины, нанесенных на носители.

В промышленности применяют также каталитическое восстановление и гидрирование токсичных примесей в выхлопных газах. На селективных катализаторах гидрируют СО до CH4 и Н2О, оксиды азота – до N2 и Н2О. Применяют восстановление оксидов азота в элементарный азот на палладиевом или платиновом катализаторах.

Каталитические методы получают все большее распространение благодаря глубокой очистке газов от токсичных примесей (до 99,9 %) при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых начальных концентрациях примесей. Каталитические методы позволяют утилизировать реакционную теплоту, т.е. создавать энерготехнологические системы. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны.

Недостаток многих процессов каталитической очистки – образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.

8.3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ СЕРОВОДОРОДА И СЕРАОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

8.3.1.Вакуум-карбонатные методы

Вэтих методах сероводород поглощается из газов водным раствором карбоната натрия или калия. Затем раствор регенерируют нагреванием под вакуумом, охлаждают и снова возвращают на абсорбцию. В основе методов лежат реакции:

Ме2СО3 + H2S = МеHСО3 + МеHS, Ме2СО3 + H2О + СО2 = 2МеHСО3,

МеHS + СО2 + H2О = МеHСО3 + H2S.

164

Вследствие различной растворимости Na2СО3, NaHСО3, K2СО3 и KHСО3 для абсорбции применяют растворы разной концентрации. Поташ лучше растворим в воде, поэтому применяются более концентрированные его растворы, которые имеют высокую поглотительную способность. Это позволяет уменьшит его расход, а также сократить расход пара на регенерацию поташа и расход энергии на перекачивание раствора.

Недостатком использования раствора поташа является их высокая стоимость. Исходя из этого, чаще используют содовый метод.

Если производится регенерация раствора без рекуперации сероводорода, то раствор нагревают в регенераторе, а из него воздухом отдувают сероводород. При этом некоторое количество сульфида натрия окисляется до тиосульфата, что приводит к понижению концентрации абсорбирующей жидкости, поэтому периодически ее заменяют свежей. Технологическая схема очистки газа от сероводорода вакуум-кар- бонатном методом с получением из сероводорода серной кислоты приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Схема установки очистки газа от сероводорода вакуум-карбонатном способом: 1 – абсорбер; 2, 9 – насосы; 3 – холодильник-конденсатор;

4 – теплообменник; 5 – подогреватель; 6 – регенератор; 7 – циркуляционный подогреватель; 10 – холодильник; 11 – вакуум-насос; 12 – холодильник; 13 – печь; 14 – котел-утилизатор

После очистки газа в абсорбере раствор подают в холодильникконденсатор, где его подогревают за счет тепла конденсации паров, выделяющихся при регенерации поглотительного раствора. Затем раствор проходит теплообменник и подогреватель и поступает в регенератор.

165

Раствор регенерирует кипячением под вакуумом (15,6 кПа). Регенерированный раствор направляют в емкость, а затем через теплообменник и холодильник – на орошение абсорбера. Выделяющиеся при регенерации раствора пары сероводорода и воды отсасываются вакуумом-насосом через конденсатор-холодильник, где конденсируется значительная часть паров воды. Далее пары поступают в холодильник, а затем в печь для сжигания сероводорода. Из печи газовая смесь, состоящая из диоксида серы, водяных паров, кислорода и инертных газов, при 9000 ° С, направляется на окисление в контактный аппарат. После окисления газы направляют на абсорбцию для получения серной кислоты.

8.3.2. Фосфатный процесс

Для абсорбции сероводорода фосфатным методом применяют растворы, содержащие 40–50 % фосфата калия,

K3PO4 + H2S = KHS + K2HPO4.

Из раствора сероводород удаляют кипячением при 107–1150 ° С. Коррозии кипятильников при этом не наблюдается. Растворы стабильны, не образуют продуктов, ухудшающих их качество. Достоинством процесса является также селективность раствора к сероводороду в присутствии SO2.

8.3.3.Процесс «Stretford»

Вэтом процессе сероводород абсорбируют раствором (рН = 8,5–9,5), содержащим кроме карбоната натрия эквимолекулярное количество ванадата натрия– аммония и антрахинон-2,6-2,7-дисульфоната (АДА). Кроме того, к раствору добавляют натрий-калиевую соль винной кислоты, чтобы ванадат не выпал восадок.

Суммарные реакции:

– абсорбция:

H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3,

– получение серы:

2 NaHS + H2S + 4NaVO3 → Na2V4O9 + 4NaOH + 2S,

– рекуперация ванадата при помощи АДА:

Na2V4O9 + 2 NaOH + H2O + 2АДА → 4NaVO3 + 2АДА(восст.),

166

– окисление АДА кислородом воздуха: 2АДА(восст) + O2 → 2АДА + H2O.

Достоинством процесса является возможность исключить очень токсичные арсениты.

8.3.4. Щелочно-гидрохиновый метод

Сущность метода в поглощении сероводорода щелочными растворами гидрохинона. При регенерации растворов выделяются элементарная сера и тиосульфата натрия. Гидрохинон является катализатором. Чем выше концентрация хинона в растворе, тем активнее раствор. Метод состоит из следующих стадий:

– взаимодействие сероводорода с карбонатом натрия (содой):

H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3,

– окисление гидросульфида натрия хиноном (окисленная форма гидрохинона):

NaHS + O = O + H2O → HO – OH + S ↓ + NaOH,

– регенерация соды:

NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O,

– регенерация хинона:

HO – OH + 0,5O 2 → O = O + H2O.

Последняя стадия осуществляется за счет кислорода, содержащегося в газе, и протекает параллельно с процессами поглощения и окисления сероводорода. Более полную регенерацию хинона проводят в регенераторах.

В процессе абсорбции протекает следующая побочная реакция:

2NaHS + 2O2 → Na2S2O3 + H2O.

Накопление в растворе Na2S2O3 и NaHCO3 приводит к снижению его поглотительной способности вследствие уменьшения концентрации карбоната натрия и снижения рН среды. Для поддержания активности поглотительного раствора непрерывно добавляют свежие растворы соды и гидрохинона. Для поддержания рН раствора в пределах 9–9,5 добавляют 42%-й раствор едкого натрия.

167

Абсорбцию сероводорода проводят в полом абсорбере с форсунками или плотности орошения 4,35 м3/ч на 1 м3 орошаемого объема. Раствор регенерируют, пропуская через него (барботаж) сжатый воздух. При этом происходит окисление гидрохинона до хинона и флотации выделившейся серы, которую в виде пены собирают на поверхности раствора. Одновременно здесь же происходит окисление части гидросульфида до тиосульфата. Серная пена собирается в пеносборнике, а затем поступает на вакуум-фильтр, где происходит ее отделение. Полученную серу плавят в автоклаве.

Метод позволяют очистить газ от начального содержания сероводорода в газе 0,185 г/м3 до 0,02 г/м3. степень очистки газа зависит от концентрации в нем сероводорода, скорости движения газа в абсорбере и интенсивности орошения, концентрации активных компонентов в растворе и его рН, температуры процесса, от равномерности распределения раствора в абсорбере.

8.3.5.Абсорбция этаноламинами

Вэтих методах сероводород поглощают растворами моноэтаноламина и триэтаноламина. Преимущественно используют 15–20%- ный водный раствор моноэтаноламина, поскольку он обладает большей поглотительной способностью на единицу массы растворителя, большей реакционной способностью и легко регенерируется.

Технологическая схема очистки газов от сероводорода растворами этаноламина представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема установки очистки газа от сероводорода раствором этаноламина: 1 – абсорбер; 2, 5 – холодильники; 3, 6 – теплообменники; 4 – регенератор

168

8.4. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА СЕРЫ

8.4.1. Абсорбция водой

Абсорбция водой диоксида серы сопровождается реакцией:

SO2 + H2OH+ + HSO3–

Растворимость SO2 в воде мала. Зависимость между общей кон-

весия для SO2, м2·Па/кмоль; K – константа равновесия реакции.

При абсорбции SO2 водой процесс лимитируется диффузионным сопротивлением со стороны газа и жидкости. Он может быть проведен а абсорберах различной конструкции. Для колонн с провальными и сетчатыми тарелками коэффициенты массоотдачи могут быть определены из уравнений:

Dr и Dж – коэффициенты молекулярной диффузии SO 2 в газе и жидкости, м2 /с; vr и vж – кинематические коэффициенты вязкости газа и жидкости, м2 /с; wr и wж – скорость газа ижидкости вгазожидкостномслое, м/с.

169

В связи с низкой растворимостью диоксида серы в воде для очистки требуются большой ее расход и абсорберы с большими объемами. Удаление SO2 из раствора ведут при нагревании его до 100 ° С. Таким образом, проведение процесса связано с большими энергозатратами.

8.4.2. Известняковые и известковые методы

Достоинствами этих методов являются простая технологическая схема, низкие эксплуатационные затраты, доступность и дешевизна сорбента, возможность очистки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания.

Напрактикеприменяютсяизвестняк, мел, доломиты, мергели. Известь получаютобжигомкарбонатныхпородпритемпературе1100–1300 ° С.

Процесс абсорбции диоксида серы для известкового и известнякового методов представляется в виде следующих стадий:

SO2 + H2O = H2SO3,

CO2 + H2O = H2CO3,

CaCO3 + H2SO3 = CaSO3 + H2SO3,

CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2,

CaSO3 + H2SO3 = Ca(HSO3)2,

Ca(HSO3)2 + 2CaCO3 = Ca(HCO3)2 + 2CaSO3.

Протекание тех или иных реакций зависит от состава и рН суспензии. В присутствии в растворе различных примесей процесс абсорбции значительно усложняется. Например, действие небольших количеств MgSO4 повышает степень очистки и степень использования известняка. При этом протекают следующие реакции:

Ca(HSO3)2 + MgSO4 = Mg(HSO3)2 + CaSO4,

CaCO3 + Mg(HSO3)2 = MgSO3 + CaSO3 + H2CO3,

MgSO3 + SO2 + H2O = Mg(HSO3)2.

Для расчета равновесия при использовании солей кальция предложены эмпирические уравнения:

– для системы SO2 – CaSO 3 – Ca(HSO 3)2 – CaSO 4 – H 2O:

lg PSO* 2 = 3,85 – 1,87 lg [SO 2 ] +2, 24 10 −2 T −1960 / T ,

170