Теоретические основы энерготехнологии химических производств

Степень очистки дымовых газов может достигать 95-98%.

Адсорбция твердыми поглотителями. Адсорбенты являются эффек­ тивным средством для рекуперации и обезвреживания оксидов серы. Обычно в качестве адсорбентов используются: активные угли, цеолиты, силикагели. Однако данные способы требуют низких температур.

Японской фирмой "Хитачи" был разработан способ адсорбции S02 на влажном активированном угле. Принципиальная технологическая схема (одной нитки) представлена на рис.3.9.

Рис.3.9. Технологическая схема процесса Хитачи

При этом протекают следующие химические реакций:

2S02 + 0 2 = 2S03. so3+ Н20 = H2S04.

Согласно технологической схеме, дымовые газы, прежде чем посту­ пить в дымовую трубу, проходят через пылеуловитель и несколько па­ раллельно включенных адсорберов с активным углем. Гидравлическое сопротивление слоя преодолевается с помощью газодувки.

Один из адсорберов находится на стадии промывки. Сначала про­ мывку ведут достаточно концентрированной серной кислотой, затем по­

следовательно - кислотой средней, низкой концентрации и, наконец, во­ дой. Затем раствор проходит через маслоотделитель и собирается в емко­ сти. Жидкость, полученная при промывке, является 20%-й серной кисло*- той. Ее упаривают до концентрации 70%, а затем, после охлаждения и центрифугирования, отправляют потребителю как товарный продукт. После промывки уголь сушат и переключают на поглощение.

3 .3 . К о м п л ек сн а я си ст ем а о ч и ст к и ды м овы х газов

Представленные выше системы очистки позволяют очищать дымо­ вые газы только от оксидов азота или оксидов серы. Поэтому для полной очистки дымовых газов необходимо использовать комплексные системы очистки, т.е. от оксидов азота и серы совместно. Пример такой техноло­ гической схемы представлен на рис.3.10.

Т опли во

Рис.3.10. Технологическая схема комплексной очистки дымовых газов :

А - котел; В - система пылеочистки; С- адсорбер сероочистки; D—сборник кислоты; Е - огневой подогреватель; F - генератор восстановительного газа; G- реактор восстановления NO\; Н - реактор дожигания восстановителей; I - воздухоподогреватель

Для очистки дымовых газов от SO: комплексная схема использует метод Хитачи (адсорбции SO2 на влажном активированном угле с после­ дующим окислением до SOj и гидрированием до серной кислоты). После очистки от диоксида серы дымовые газы подаются на очистку от окси-

дов азота методом NSCR, который позволяет реализовать процесс сжига­ ния (для всей системы) с коэффициентом избытка воздуха, равным еди­ нице. Следует отметить, что для большинства катализаторов SO2 являет­ ся каталитическим ядом, а при совместной адсорбции оксидов азота и серы могут образоваться побочные продукты, поэтому система очистки от оксидов серы должна предшествовать системе очистки от оксидов азота. Естественно, дымовые газы должны быть предварительно очище­ ны от механических примесей (золы, сажи и т.д.).

Как видно, для обеспечения комплексной очистки от оксидов азота и серы можно комбинировать представленные выше технологии, причем их выбор в первую очередь будет определяться экономическими показа­ телями.

4. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ

Из курса "Процессы и аппараты химической технологии" известно, что теплота от горячего потока вещества к холодному потоку вещества может быть передана двумя способами: передачей теплоты путем непо­ средственного контакта потоков или их контакта через стенку, а если хо­ лодный поток не может непосредственно контактировать с горячим, то для передачи теплоты используют теплоносители.

Устройства, в которых в результате горения или других химиче­ ских реакций или превращения электрической энергии выделяется тепло, используемое для отопления или обработки материалов или изделий, на­ зываются печами. Если в этих устройствах в качестве рабочего тела ис­ пользуется вода или другая жидкость, изменяющая свой фазовый состав (кипящая), то такие устройства называются котлами или бойлерами (англ. boiler - кипятильник). Вероятно, из-за аналогичности конструкции уст­ ройства, к котлам также относятся энергетические агрегаты, используе­ мые для подогрева жидких теплоносителей.

В химической промышленности достаточно широко используются печи различных типов и конструкций, предназначенных для конкретных технологических процессов:

- трубчатые (для проведения каталитических процессов с большим эн­ дотермическим эффектом: паровая конверсия углеводородов, крекинг и т.п.);

- с вращающимся барабаном, с внутренним и наружным обогревом (для гетерогенных процессов с твердой фазой и несколькими реагентами, при проведении которых необходимо перемешивание реакционной мас­ сы: производство фтористого водорода, обжиг ванадиевых шлаков и т.п.);

-с псевдоожиженным слоем (высокоинтенсивные реакторы для ге­ терогенных процессов с твердой фазой и одним твердым реагентом: об­ жиг колчеданов, сушилки и т.п.);

-шахтные (реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой, где возможно ее плавление: производство сульфида натрия, выплавка чу­ гуна и т.п.);

-камерные (реакторы с заданным объемом: производство сажи, сжи­ гание серы, отходов и т.п.);

-механические (реакторы для гетерогенных процессов с твердой фа­ зой, где происходит ее плавление и необходимо интенсивное перемеши­ вание, которое производится механизмами);

-туннельные (для обжига, например при производстве катализато­ ров и т.п.);

-ванные (для плавления твердой фазы и проведения процессов в плаве).

Каждый из представленных типов печей имеет многообразие конст­ рукций, предназначенных для проведения конкретных технологических процессов. Поэтому более подробно конструкции печей рассматриваются при изучении технологии и оборудования конкретных производств.

В отличие от печей, тепло в котлах и котлах-утилизаторах передается жидкому теплоносителю. Наиболее распространенным теплоносителем является вода, которая может просто нагреваться (вод огр ей н ы е кот лы) или испаряться (п а р о вы е кот лы ). Кроме воды, в качестве теплоносителей могут использоваться органические жидкости и расплавы, имеющие вы­ сокую температуру кипения: высокотемпературные органические тепло­ носители (ВОТ) и неорганические теплоносители. К ним относятся:

-ДФС - дифенильная смесь (эвтектическая смесь: 26,5% дифенила и 73,5% дифенилоксида);

-ДТМ - дитолилметан;

-ИС-40А - минеральное масло;

-АМТ-300 - ароматизированное масло;

-КТ-2 - дифенил-дитолиловая смесь (50% дитолилметана, 36,8%дифенилоксида и 13,2% дифенила);

-СС-4 - соляной теплоноситель (эвтектическая смесь: 40% NaN02, 7% NaN03, 53% KN03);

-различные металлические расплавы.

Основными преимуществами ВОТ являются: высокие температуры кипения, уменьшение объема при затвердевании, не вызывают коррозию оборудования. Основной их недостаток заключается в том, что при по­ вышении температуры они могут разлагаться, поэтому область примене­ ния ВОТ ограничивается температурами’ 385-400°С. Для температур 500550°С применяют соляные теплоносители.

По сравнению с ВОТ, вода характеризуется наиболее высокими теп­ лопередающими свойствами, однако она имеет и существенные недостат­ ки: высокие давления пара при относительно небольших температурах насыщения, необходимость очистки от солей жесткости и растворенного кислорода, относительно высокую температуру плавления и увеличение объема при затвердевании. Характеристики основных теплоносителей, использующихся в котлах, даны в табл.4.1.

Таблица 4.1

Основными характеристиками котлоагрегатов являются: паропроизводительность или тепловая мощность, вид сжигаемого топлива, пара­ метры теплоносителей на входе и выходе из котла, характер циркуляции теплоносителя в агрегате, температура подогрева воздуха, тип топки и т.п. Если котел или котел-утилизатор вырабатывает пар, то к характери­ стикам котла будут относиться и параметры вырабатываемого пара.

при этом в больших трубах происходило горение топлива (жаровые тру­ бы), а по малым проходили продукты сгорания (дымогарные трубы);

2)увеличение количества барабанов с постепенным уменьшением их диаметра (батарейные котлы), что в конце концов привело к замене бара­ банов небольшого диаметра на трубы (водотрубные котлы).

При дальнейшем повышении параметров вырабатываемого пара и развитии техники наиболее технологичными и выгодными оказались во­ дотрубные котлы (рис.4.2). Обычно водотрубный котел имеет два бараба­ на: нижний (7) и верхний (2).

Нижний барабан предназначен для распределения воды, а верхний - для сепарации пара, образовавшегося в кипятиль­ ном (испарительном) пучке (3) от жидкости. Циркуляция воды в данном котле осуществляется естественным образом, т.е. об­ разовавшийся пар обеспечива­ ет подъем пароводяной смеси в

верхний барабан, а подача во­

Рис. 4.2. Схема водотрубного котла

ды в нижний барабан из верх­ него осуществляется по опускным трубам (4). Для предотвращения воз­ можности образования большого количества пара в опускных трубах они делаются большего диаметра и помещаются в зону более низких темпера­ тур, а в более современных конструкциях опускные трубы вообще прохо­ дят за пределами теплоизоляции. Для увеличения КПД эти котлы снабжа­ лись экономайзером (5), который подогревал питательную воду теплом отходящих дымовых газов.

С дальнейшим развитием техники повышение тепловых нагрузок на топку привело к тому/что испарительные поверхности были вынуждены располагать по ее стенкам для их защиты от излучения и разрушения. По принципу работы данные поверхности стали называться экранными. При увеличении размеров испарительных поверхностей теплопередачи отно­ сительное количество переданного тепла от нижнего и верхнего бараба­ нов стало незначительным, поэтому для увеличения надежности установ­ ки верхний барабан вынесли из зоны обогрева, а нижний барабан превра­ тился в распределительный коллектор. Тем не менее в настоящее время

встречаются устаревшие, но надежно работающие конструкции котлов, где верхний барабан частично помещен в зону нагрева, а размеры нижне­ го коллектора приближаются к размерам барабана.

С дальнейшим развитием техники появились паровые турбины, кон­ струкция которых не допускает конденсацию пара, поэтому у энергетиче­ ских котлов (вырабатывающих пар для его подачи в турбины) стали уста­ навливать пароперегреватели. В настоящее время существует множество схем энергетических котлов, вырабатывающих перегретый пар.

Пример одной из схем современного энергетического парового котла с естественной циркуляцией, вырабатывающего перегретый пар, представ­ лен на рис.4.3. Котел состоит из топки (3), барабана (б), пароперегревате­ ля (7), экономайзера (5), воздухоподогревателя (9)

и системы трубопроводов высокого давления. Внут­ ри топки находится горел­ ка (2) и испарительные (экранные) поверхности нагрева (/). Предвари­ тельно очищенная от со­ лей жесткости и раство­ ренного кислорода (деми­ нерализованная и деаэри­ рованная) питательная вода подается на предва­ рительный подогрев в экономайзер (Я), где, в за­ висимости от режима ра­

боты котла, она подогревается, доводится до температуры кипения либо даже может частично испариться. После экономайзера вода или парово­ дяная смесь подается в барабан котла. В барабан котла также подается пароводяная смесь из испарительных труб. Уровень жидкой фазы и дав­ ление в барабане поддерживается автоматикой или вручную за счет изме­ нения расхода питательной воды и количества сжигаемого топлива. Ос­ новной функцией барабана котла является сепарация жидкой и паровой фазы, т.е. в барабане котла поддерживаются условия парожидкостного равновесия: жидкость при температуре кипения - насыщенный пар. Та-