Отримані при цьому сульфат амонію та сірка є товарними продуктами.

Аміачні методи є рентабельними при концентраціях SO₂ у газі більш, ніж 0,2%. Їх недоліком є велика витрата аміаку для отримання сульфату амонію.

Для абсорбції SO₂ можуть використовуватися також розчини ароматичних амінів – ксилидину або диметиламіну. Наприклад, ксилидин утворює з SO₂ ксилидинсульфіт, який є розчинним у воді:

2С₆Н₃(СН₃)₂NH₂ + SO₂ = 2C₆H₃(CH₃)₂NH₂*SO₂.

Цей розчин відводиться з абсорбера у відпарну колону, де відбувається розділення ксилидинсульфіту на SO₂ та ксилидин. SO₂ відводиться на виробництво сірчаної кислоти, аксилидин повертається на абсорбцію. Аналогічно працює установка з використання диметиламіну.

Оксид вуглецю є високотоксичним газом, а також отрутою для каталізаторів. Для газів з високим вмістом СО використовується реакція конверсії СО водяною парою у присутності оксидних залізних каталізаторів:

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.

Р еалізація процесу здійснюється в установці, схема якої наведена на рис. 43.

Установка використовується для очищення від СО газу, що утворюється у процесі отримання водню конверсією природного газу з водяною парою. Суміш газу (водень + СО + СО₂) з водяною парою подається у реактор (конвертер) першого ступеня, де у присутності каталізатора 95% СО перетворюється у СО₂ з утворенням еквівалентної кількості водню. Потім газ охолоджується у холодильнику до 35  40⁰С і з нього у абсорбері видаляють СО₂ розчином етаноламіну. Очищений газ підігрівають у теплообміннику, додають до нього водяну пару і піддають конверсії у другому реакторі. Після охолодження у холодильнику газ очищують від СО₂ у другому абсорбері. У результаті отримують практично чистий водень – більше 99% Н₂ з невеликими домішками СО, СО₂, СН₄.

Якщо треба практично повністю видалити СО, то використовують абсорбцію мідно – аміачним розчином. Процес абсорбції проводять при тиску 32 МПа і температурі біля 0⁰С, а десорбцію – при атмосферному тиску і температурі біля 80⁰С.

Очищення газів від СО може здійснюватися промивкою рідким азотом при температурах біля – 190⁰С та тиску 2,5 МПа. Процес очищення складається зі стадій охолодження та осушення вихідних газів; глибокого охолодження газів та часткової конденсації їх компонентів; відмивання газів від оксиду вуглецю, метану та кисню рідким азотом у промивній колоні. Для реалізації цього процесу використовують апарати, що аналогічними за конструкцією апаратам установок розділення газів, у тому числі повітря на компоненти.

На металургійних підприємствах для очищення агломераційних газів від СО шляхом їх окислення до СО₂ використовують паладієві каталізатори. Вони можуть тривалий час працювати у присутності SO₂, що міститься у цих газах. Процес проходить при температурі 300  350⁰С.

Методи очищення газів від оксидів азоту поділяються на окислювальні, відновлювальні та сорбційні.

Окислювальні методи засновані на попередньому окисленні NO з наступним поглинанням NO₂ вбирачами у процесі абсорбції або хемосорбції. Моно оксид азоту не утворює солі, це індиферентна сполука. Тому його до окислюють за допомогою кисню до NO₂. Однак з огляду на низькі концентрації NO швидкість окислення його є малою і потребується громіздке обладнання для окислення нітрозного газу, а також велика витрата кисню.

Каталітичне відновлювання оксидів азоту до елементарного азоту виконується у присутності відновника. Каталізаторами слугують сплави металів платинової групи – паладію, рутенію, платини, родію або більш дешеві – мідь, цинк, нікель, хром, ванадій. Їх наносять на вогнетривкі матеріали. У якості відновників використовують газоподібні (природний газ, аміак, оксид вуглецю), рідкі (бензин, гас), тверді (кокс, графіт, вугілля). Селективні відновники, такі, як аміак, є нечутливими до наявності у газах вільного кисню. Інші відновники діють лише при відсутності у газі, що очищується, вільного кисню, оскільки він реагує з відновником раніш, ніж оксид азоту. Відновники та нітроз ний газ не повинні утримувати сірчаних сполук, які отруюють каталізатор. Окрім того, цей метод є дорогим.

Абсорбційні методи засновані на поглинанні оксидів азоту водними розчинами лугів або карбонатів лугових металів. При цьому поглинається NO₂, а оксид азоту треба попередньо окислювати до NO₂.

Адсорбційне очищення проводиться за допомогою алюмогелю (це активований оксид алюмінію Al₂O₃) або цеолітів. Останні є кристалічними алюмосилікатами складу Na₂O*Al₂O₃*2SiO₂*nH₂O. Їх отримують обробкою NaОН прожареної до 600⁰С глини – каоліну Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O. Метод характеризується великими витратами на регенерацію адсорбенту, дефіцитністю та малою адсорбційною ємністю адсорбенту.

Для знешкодження газів, що легко окислюються, та токсичних газів використовують їх спалення. Прикладом може служити спалювання у факелі скидних газів на нафтопереробному або коксохімічному підприємстві. Факел у цьому випадку є очисною спорудою, а не забруднювачем атмосфери, як вважають деякі захисники природи. З усіх виробництв підприємства відпрацьовані гази з різним вмістом горючих речовин збирають у одну магістраль, подають у трубу та спалюють на висоті біля 100 м. Викид цих газів без спалювання є неприпустимим, оскільки вони не тільки отруйні, а і вибухонебезпечні, а їх раціональне використання у виробництві економічно є невиправданим. Перевагою метода є знешкодження шкідливих газів з утворенням СО₂ та Н₂О, а недоліком – додаткова витрата палива.

Каталітичне допалювання у спеціальних реакторах у присутності платини, нікелю або міді відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння, які розміщені у виробничому приміщенні, протікає по реакціях:

NO + CO = 1/2N₂ + CO₂; NO + Н₂ = 1/2N₂ + H₂O; СО + 1/2О₂ = СО₂;

С_mH_n + (m + n/4)O₂ = nCO₂ + m/2H₂O

Це дозволяє знизити токсичність вихлопу двигунів внутрішнього згоряння.

Слід відзначити, що на підприємствах чорної металургії не знайшли широкого застосування методи очищення газів, що відходять, від оксидів азоту; використовуються, у основному , методи пригнічення процесу утворення їх при горінні.

Для розсіювання та зниження локальної концентрації шкідливих речовин у приземному шарі повітря викид продуктів згоряння здійснюється через високі труби. Розсіювання шкідливих речовин у атмосфері треба вважати як тимчасове вимушене рішення. Кардинальним рішенням є використання маловідходних технологій, уловлювання та використання усіх шкідливих речовин, що містяться у газах, які викидаються.

Тема 11. Технології отримання штучних горючих газів.

Види та характеристика штучних горючих газів. Газифікація твердого палива; конструкції газогенераторів та їх робота. Технології газифікації високосірчаного мазуту.

Характеристика основних видів штучних горючих газів наведена у табл. 1.

Газифікацією називають термохімічний процес, у якому горюча частина палива під дією вільного або зв’язаного кисню перетворюється на газ. Окрім газоподібних продуктів при газифікації утворюються рідкі продукти, а залишком процесу є негорючі компоненти – попіл або шлак. Схема газогенератора наведена на рис. 44.

Шахта газогенератора виконана з двох металевих циліндрів, простір між якими заповнений водою. Нижня частина шахти закінчується металевим циліндром, який називають фартухом. Фартух занурений у чавунну чашу – піддон, яка обертається. На дні піддону встановлена колосникова решітка. Паливо подається у газогенератор живильником та спирається на колосники і піддон. Шлак або попіл, що утворюються у процесі газифікації, видаляються з піддону вигрібними ножами.

Повітря надходить до газогенератора разом з парою, що відбирається з барабану – сепаратору, проходить шар шлаку та охолоджує його. Нагріте за рахунок теплоти шлаку повітря надходить у реакційний шар. Кисень повітря вступає у реакцію з вуглецем палива. При цьому утворюється СО₂ та деяка кількість СО.

По мірі руху уверх утворена вуглекислота контактує з розжареним коксом та відновлюється до оксиду вуглецю. Окрім того, при контакті з розжареним коксом водяна пара відновлюється до водню. У верхніх горизонтах ці гази відганяють з твердого палива летючі речовини та вологу. Суміш із газів газифікації та продуктів сухої перегонки, тобто генераторний газ, відводиться через патрубок у верхній частині шахти.

У газогенераторі здійснюється протитечія палива та агента – газифікатора і за характером процесів, що протікають у ньому, виділяють 5 зон. У окислювальній зоні проходять наступні реакції:

С + О₂ = СО₂ + 408861 кДж;

2С + О₂ = 2СО + 246447 кДж;

2СО + О₂ = 2СО₂ + 571274 кДж.

У відновлювальній зоні протікають реакції:

С + СО₂ = 2СО  162414 кДж;

С + Н₂О = Н₂ + СО  118827 кДж;

С + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂  75240 кДж;

С + 2Н₂ = СН₄  75366 кДж;

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂  43587 кДж.

Теплота згоряння генераторного газу, який отримують при подаванні повітря у шар твердого палива, становить 3,2  3,5 МДж/м³. Для досягнення більш високої теплоти згоряння генераторного газу збагачують повітря киснем, подають суміш пари з киснем або підвищують тиск у газогенераторі. Зокрема, при збагаченні повітря киснем вміст азоту у газі зменшується, що і сприяє підвищенню його теплоти згоряння. Проведення процесу у газогенераторі при тиску 1,8  2 МПа дозволяє отримати газ з теплотою згоряння біля 17 МДж/м³.

Проблема раціонального використання мазуту з високим вмістом сірки у якості палива у технологічних або енергетичних агрегатах є дуже складною. Одним з шляхів її вирішення є його газифікація з наступним очищенням отриманого газу від сірчаних сполук. На рис. 45 наведена схема газифікації мазуту на повітряному дутті з низькотемпературним очищенням газу.

Газифікація виконується при коефіцієнті витрати повітря 0,4  0,5 під тиском 0,8  1,0 МПа і при температурі 1200  1300⁰С. Повітря для газифікації з температурою біля 300⁰С подається у газогенератор компресором. Отриманий у газогенераторі газ утримує сажу та сірководень. Для очищення газу від них його спочатку охолоджують до 475⁰С у охолоджувачі, що включений до схеми енергетичного котла, а потім у теплообміннику потоком очищеного газу. Очищення від сажі виконується у скрубері та пінному апараті. Сірководень поглинається у абсорбері водним розчином трикалійфосфату, що регенерується у десорбері. Очищений газ має теплоту згоряння біля 4,9МДж/м³ і використовується у промислових печах та у енергетичних агрегатах.

За технологією газифікації сірчаного мазуту з високотемпературним очищенням газу мазут у газогенератор подається у вигляді водяної емульсії з волого вмістом до 30%. Емульгування здійснюється у диспергаторах водним розчином лужноземельних металів для зменшення утворення сажі. Генераторний газ з температурою 1200  1300⁰С в уловлювачі очищується у фільтруючому шарі зернистого вогнетривкого матеріалу від сажі. Потім здійснюється уловлювання сірководню оксидом кальцію за реакцією:

СаО + Н₂S = CaS + H₂O.

Відпрацьована суміш сульфіду та оксиду кальцію піддається регенерації шляхом обпалу. При регенерації виділяється газ з вмістом сірчаного ангідриду до 10%, який потім використовується для отримання елементарної сірки або сірчаної кислоти. Генераторний газ кінцево очищується від пилу у уловлювачі пилу і з температурою 1100  1200⁰С та теплотою згоряння біля 4,7 МДж/м³ надходить до споживачів. Вихід генераторного газу за цими технологіями переробки мазуту складає біля 6,5 м³ на 1 кг мазуту.

Тема 12. Отримання та використання доменного газу.

Процес доменної плавки та утворення доменного газу. Характеристика і використання доменного газу. Обладнання системи очищення доменного газу та її робота.

Доменна піч являє собою вертикальну шахту, у верхню частину якої (колошник) періодично завантажується шихта. Вона складається із залізорудної сировини, тобто шматків руди, агломерату або окатишів, коксу та флюсів (вапняку). Через фурми у верхній частині горну подається гаряче повітря під тиском 0,25  0,45 МПа. Його підігрівання до температури 800  1200⁰С здійснюється у блоці регенераторів доменної печі – кауперів. Це повітря викликає горіння вуглецю коксу з утворенням спочатку СО₂, а потім при взаємодії з розжареним коксом утворюється СО.

Оксид вуглецю витрачається на відновлення заліза з залізної руди та утворення чавуну. Послідовність процесів утворення чавуну із руди наступна:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO + CO = Fe + CO₂;

3Fe + 2CO = Fe₃С + CO₂.

У печі здійснюється протитечія шихтових матеріалів та газів. Доменний або колошниковий газ є побічним продуктом доменної плавки. Він виходить зверху печі з температурою 200  350⁰С. Це низькокалорійний газ, що утримує біля 30  35% горючих компонентів, основним з яких є СО. До його складу входить велика кількість баласту у вигляді азоту та вуглекислоти (табл. 1). Теплота згоряння у залежності від складу шихти та особливостей технології доменної плавки, тобто тиску у печі, температури та вологості доменного дуття, збагачення його киснем, додатків у горн природного газу, мазуту і т.д., коливається у межах від 3,5 до 4,2 МДж/м³. Вихід його звичайно 3500  4000 м³ на 1 т чавуну. Зважаючи на низьку калорійність, використання доменного газу у високотемпературних агрегатах проблематично, а передача його на значну відстань є економічно невигідним.

Доменний газ, що утворюється у печі, забруднений колошниковим пилом. Цей пил являє собою суміш дрібних частинок, руди, коксу, агломерату, вапняку та інших матеріалів, які завантажуються у піч. Пил утворюється у результаті механічного здрібнення матеріалів при їх приготуванні, транспортуванні, завантаженні та стиранні при русі у шахті печі. Дрібні частинки виносяться потоком газу, що проходить крізь шар шихти. Вміст пилу у колошниковому газі становить 15  20 г/м³. Споживачі доменного газу, а у основному це коксові печі, каупери доменних печей, нагрівальні пристрої прокатних станів, котли ТЕЦ, висувають жорсткі вимоги щодо вмісту пилу у газі і тому на металургійних підприємствах використовують багатоступеневу систему очищення доменного газу. Ця система передбачає уловлювання пилу з нього у декількох послідовно включених апаратах (рис. 46).

Грубе очищення газу від частинок розміром більше 0,1 мм здійснюється у сухих інерційних уловлювачах пилу. У них випадіння твердих частинок відбувається за рахунок сил гравітації та інерції, що виникають при повороті газового потоку на 180⁰. Пил з цього уловлювача видаляється за допомогою шнеку, що змочується водою. Ступінь уловлювання на цьому етапі становить 65  75% і вміст пилу після грубого очищення звичайно не перевищує 3  10 г/м³.

Напівтонке очищення дозволяє осадити частинки пилу розміром до 0,02 мм та очистити газ до вмісту пилу 0,6  1,6 г/м³. Це очищення виконують у апаратах мокрого типу: форсункових порожнистих скруберах та трубах Вентурі. Доменні скрубери працюють зі швидкостями газу 1  2 м/с при питомій витраті води 0,003  0,006 м³/м³. У скрубері газ охолоджується з 250  300⁰С до 40  50⁰С і повністю насичується вологою. Ступінь очищення газу у скрубері не перевищує 60  70%. Після скрубера газ надходить у низьконапірні труби Вентурі, що працюють зі швидкістю газів у горловині 50  80 м/с та питомою витратою води 0,2 дм/м³.

Кінцеве очищення здійснюється на дросельній групі з краплевідділювачем. Вона являє собою систему дросельних клапанів різного діаметру для підтримання у доменній печі підвищеного тиску. При швидкості газу у ній 200  250 м/с вона є ефективним газоочисним пристроєм. Для зниження абразивного зношування клапанів та коагуляції пилу перед клапанами у газ за допомогою форсунок уводиться вода, яка очищує доменний газ від пилу до вмісту 5  10 мг/м³.

Тема 13. Отримання та використання коксового газу.

Процес коксування вугільної шихти та утворення коксового газу. Характеристика та використання коксового газу. Устрій та робота системи очищення коксового газу.

Коксування є процесом глибокого пірогенного розкладу твердого палива, що нагрівається до кінцевої температури 1000  1100⁰С без доступу повітря. Основним продуктом процесу є металургійний кокс, який використовується у якості технологічного палива.

Коксування вугілля здійснюється у камерних печах періодичної дії, що об’єднані по 60  65 штук у батареї. Кожна камера коксування виконана з вогнетривкої цегли, має ширину 350  560 мм, довжину 11  17 м, висоту 3  7,5 м, корисний об’єм 14  52 м³. Отримання коксу проводиться шляхом спікання окремих зерен вугілля у монолітний матеріал. Нагрівання проходить у стаціонарному шарі, де забезпечується щільний контакт між зернами. Підведення теплоти здійснюється від нагрівальних стін, температура яких біля 1200⁰С, до середини камери коксування. У процесі послідовного прогрівання шарів завантаженої вугільної шихти у них проходять процеси, що відповідають їх температурі у даний момент. Такий процес ще називають шаровим коксуванням.

Технологічний процес складається з операцій підготовки та завантаження вугільної шихти у камеру коксування, нагрівання шихти до температури коксування, витримки при цій температурі для завершення процесів піролізу, розвантаження отриманого коксу та його тушіння (охолодження).

Тушіння коксу може здійснюватися мокрим способом, тобто водою, або сухим за допомогою інертних газів. Хоча мокре тушіння є зараз найбільш розповсюдженим, воно має низку недоліків. Зокрема, при мокрому тушінні втрачається усе фізичне тепло коксу, а це складає біля половини теплоти, що витрачається на коксування. У атмосферу викидається велика кількість водяної пари, а з нею частинки коксу, смоли, інших шкідливих домішок. Зменшується механічна міцність коксу, підсилюється утворення тріщин у ньому, кількість дрібної фракції за рахунок термічного удару при зрошенні розжареного коксу водою. Вологість коксу може досягати 5%. Тому набуває поширення процес сухого тушіння, який дозволяє виключити ці негативні явища.

Коксовий газ є побічним продуктом при виробництві коксу. Його вихід складає 300  350 м³ на 1 т вугілля. На виході з камери коксування він утримує 0,1 – 0,12 кг/м³ смоли, 0,025 – 0,04 кг/м³ бензольних сполук, 0,005 – 0,015 кг/м³ сірководню, 0,005 – 0,01 кг/м³ аміаку, 0,3 – 0,5 кг/м³ водяної пари. Такий газ називають прямим і він проходить обробку, у процесі якої конденсується пара смоли та води, уловлюється аміак та бензольні вуглеводні. Газ, що пройшов таку обробку, називають зворотнім і він використовується у якості палива як самостійно, так і у суміші з доменним газом. Його прикладний склад наведений у табл. 1; теплота згоряння 14,5  19,0 МДж/м³.

Схема очищення коксового газу наведена на рис. 47.

Зі стояків коксових печей газ відсмоктується у колектори – газозбірники, що розташовані уздовж коксової батареї. При транспортуванні газ зрошується над смольною водою, що упорскується у газозбірники за допомогою форсунок. Ці форсунки розташовані по усій довжині газозбірника. При цьому відбувається охолодження газу з 700  800⁰С до 90  95⁰С, випадіння з нього 60  65% смоли та насичення газу водяною парою. Суміш газу, води та смоли з газозбірника спрямовується у сепаратори. Тут газ відділюється від рідини, а у освітлювачі розділюються вода та смола. Відділена від смоли вода надходить на градирню для охолодження, а потім знову використовується для зрошення.

З сепаратора газ спрямовується у первинні холодильники, звичайно трубчасті. Тут відбувається подальше охолодження газу до 25  49⁰С для більш повного виділення смоли. Їх вміст у газі після первинних холодильників не перевищує 3  6 г/м³.

Після первинних холодильників коксовий газ надходить у ексгаустери. Вони забезпечують подолання опору усього газового тракту та подачу газу споживачам. Напір, що створюють ексгаустери, складає 30  40 кПа при продуктивності 40000  80000 м³/годину та швидкості обертання 3500  4500 обертів за хвилину. За рахунок відцентрових сил у ексгаустері відбувається подальше відділення смоли і вміст її після ексгаустера звичайно не перевищує 0,5 г/м³.

Для повного вивільнення газу від крапель води, смоли та деяких інших компонентів після ексгаустерів встановлюють електрофільтри, з яких газ надходить у форсункові скрубери – абсорбери сульфатного відділення. У них промивкою розчином сірчаної кислоти з газу уловлюється аміак за реакціями:

NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄;

NH₄HSO₄ + NH₃ = (NH₄)₂SO₄.

Отриманий сульфат амонію використовується у якості добрива. Для поліпшення уловлювання аміаку перед скруберами газ підігрівають до 70⁰С за допомогою парових підігрівачів. Після скруберів встановлені кислотні пастки для уловлювання краплин сірчаної кислоти, що виноситься потоком газу зі скруберів.

Потім коксовий газ проходить кінцеві холодильники, у яких температура його знову знижується до 25  30⁰С для наступного уловлювання бензолу. Ці холодильники являють собою скрубери, у яких газ охолоджується промивкою диспергованою водою. Водночас вода тут поглинає і залишки нафталіну з газу, кількість якого перед кінцевими холодильниками біля 2 г/м³, а після них менш, ніж 0,8 г/м³.

Охолоджений та очищений від смоли, аміаку і нафталіну газ надходить у бензольне відділення. Він проходить через три послідовно з’єднані бензольні насадкові скрубери, які зрошуються соляровим або кам’яновугільним маслом. Це мастило є абсорбентом бензолу та залишків нафталіну і після регенерації воно повертається у процес. У разі небалансу між виробництвом та споживанням коксового газу його надлишок через перепускний клапан скидається у атмосферу на факел.

При подаванні коксового газу на побутові потреби або при використанні його для нагрівання спеціальних сортів сталі його додатково очищують від сірководню. У деяких випадках треба видалення х нього ціаністого водню. Для цього у газовий тракт додатково включають спеціальні установки для видалення цих компонентів.