книги из ГПНТБ / Варанкин, Ю. В. Газовое хозяйство заводов учеб. пособие

На рис. 5.4 показана схема установки ВНИИНП для пиролиза мазута и тяжелых сланцевых смол с примене­ нием твердого теплоносителя [10]. Подогретый мазут в распыленном состоянии вводится в пневмотрубу 5, в ко­ торую из топки 9 но футерованному трубопроводу 10

Рис. 5.4. Схема установки ВНИИНП для пиролиза мазута.

непрерывно поступает твердый теплоноситель — песок с размером зерен до 3 мм, нагретый до 850—900°С. В ре­ зультате контакта с твердым теплоносителем мазут подвергаётся пиролизу. Тепература смеси парогазовой фазы с теплоносителем в верхней части пневмотрубы достига­ ет 700°С. Далее эта смесь разделяется в циклоне 6. Ос­ новная масса теплоносителя улавливается и поступает в бункер 7, откуда непрерывно движется в технологиче­ скую топку 9 для разогрева. Парогазовая смесь после дополнительной очистки в циклоне 8 направляется в си­ стему конденсации и разделения 3 и 2. Дымовые газы. из топки 9 проходят через теплоутилизацонные устрой­ ства 11 и выбрасываются в атмосферу. Жидкие продук­ ты собираются в емкостях 1 и 4.

В результате пиролиза на этой установке парафини­ стого мазута М-80 получено на тонну сырья: газа 480—500 кг (400—450 м3); бензина 50—70 кг; смолы 220—300; кокса 150—200 кг. В газе содержится 62—68% непредельных углеводородов. После извлечения этилена

'90

и его гомологов для химической переработки остается высококалорийный газ для бытового газоснабжения и

ö

Рис. 5.5. Принципиальные схемы газификации высокосернистых мазутов.

В СССР разработаны и другие конструкции устано­ вок для получения высококалорийного газа путем пиро­ лиза мазута и смол с применением твердого теплоноси­ теля (Ленгипрогаза, Института нефтехимического син­ теза).

Для народного хозяйства СССР особую актуальность приобретает задача рационального использования высо­ косернистых нефтяных остатков (мазутов) в энергетиче­ ских установках. Сжигание сернистого мазута в топках котлов мощных электростанций приводит к образованию большого количества окислов серы, а выброс их в атмо­ сферу отравляет окружающую среду. При современных темпах увеличения потребления сернистых мазутов в энергетике к 1975 г. выброс сернистого ангидрида в ат­ мосферу может достигнуть значительной цифры.

В качестве одного из решений этой серьезной проб­ лемы предлагается предварительная газификация мазу­ та в сочетании с очисткой газа от соединений серы до подачи его в топки парогенераторов или камеры сгора­ ния газовых турбин.

91

Разрабатываемые в СССР методы газификации высо­ косернистых мазутов иллюстрируются двумя схемами (рис. 5.5). На рис. 5.5,а изображена схема с холодной очисткой газа, предложенная Институтом высоких тем­ ператур АН СССР [48]. Газификация сернистого мазута производится на воздушном дутье под давлением 800— 1000 кПа при коэффициенте избытка воздуха а = 0 ,4 —0,5 и при температуре 1200—4300°С. Полученный при этом воздушный генераторный газ обладает теплотворностью

Газификация жидкого топлива осуществляется в от­ личие от процесса его горения с недостатком воздуха, поэтому наблюдается выделение несгоревшего углерода (сажи). При газификации сернистого мазута это вызы­ вает загрязнение поверхностей нагрева теплообмепных аппаратов и осложняет последующую очистку генератор­ ного газа от сероводорода. Для устранения этого режим процесса газификации сернистых мазутов стараются вы­ брать таким, чтобы был минимум сажеобразования. Стремление снизить сажеобразование вынуждает повы­ шать температуру процесса в генераторе 1 до 1200— 1300°С, хотя это и снижает теплотворность газа.

В рассматриваемой схеме предусматривается мокрая, уже освоенная в промышленности очистка газа как от сажи, так и от сероводорода (см. об этом подробнее в гл. 7). Это требует предварительного охлаждения газа до 120—150°С перед скруббером 4 и до 40—50°С перед абсорбером 6. Первой ступенью охлаждения служит га­ зоохладитель 2, представляющий одно целое с газогене­ ратором 1. Здесь генераторный газ охлаждается с 1300 до 475°С. Второй ступенью охлаждения является газогазовый теп тообменник 3, где охлаждающим агентом является очищенный газ, выходящий из установки к по­ требителю.

Улавливание сажи осуществляется в основном в скруббере 4, откуда она вместе с золой, содержащей концентрат ванадия, отводится в виде пульпы. Оконча­ тельная очистка газа от сажи происходит при прохож­ дении его через трубу-распылитель и пенный аппарат 5. В тарельчатом абсорбере 6 сероводород поглощается сорбирующим водным раствором трикалийфосфата, ко-

92

торыіі впоследствии регенерируется кипячением в десорбере 7. Горючий газ полностью очищается от сероводо­ рода. В нем остаются в незначительном количестве толь­ ко серооргапические соединения типа COS (сероокиси углерода).

Генератор 1 представляет собой полый цилиндриче­ ский сосуд, футерованный огнеупорным (высокоглино­ земистым) кирпичом, так как температура поверхности футеровки во время работы генератора превышает 1000°С. В нем размещены растопочная и несколько рабо­ чих пневмомеханических мазутных форсунок. Расчетное

газа 2, в котором температура газа должна быть сниже­ на почти на 1000°, и при этом требуется избежать интен­ сивных сажеотложений и коррозии охлаждающих по­ верхностей. Осуществляется это обеспечением больших скоростей потоков газа (до 100 м/с) и рядом особых конструктивных решений. При этом следует иметь в виду, что газоохладитель, отнимающий очень большое количество тепла от газа, должен в интересах наиболее эффективного его использования быть включен в цирку­ ляционную испаряющую систему энергетического котла. Это является особенностью данной энерготехнологичеокой схемы, определенным образом осложняющей ее.

Генератор работает под давлением 800 кПа. Воздух в него подается при температуре примерно 300°С ком­ прессором. Приводом компрессора в данной схеме слу­ жит вспомогательная газовая турбина, работающая на газе, выходящем из газо-газового теплообменника 3 (на схеме она не показана).

На рис. 5.5, б изображена другая схема газификации высокосернистого мазута на воздушном дутье, предло­ женная Институтом горючих ископаемых (ИГИ) [49]. Очистка газа здесь предусмотрена высокотемпературной (см.: Альтшулер В. С., Гаврилова А. А. Высокотемпера­ турная очистка газов от сернистых соединений. М., 1969). Она не потребует, таким образом, сложных устройств для охлаждения газа после генератора.

Газификация мазута в генераторе 1 может произво­ диться при давлении 800 кПа или выше. При повышен­

93

ном давлении процесс газификации интенсифицируется и габариты генератора резко сокращаются.

Для уменьшения сажеобразования мазут в генератор подается в виде .водяной эмульсии, которую заранее под­ готавливают в специальных аппаратах (диспергаторах).

Влагосодержание мазута может быть разным (от 5 до 30% по весу). Эмульгирование осуществляется вод­ ным раствором катализатора (например,-солей щелочно­ земельных металлов), что, как показывают исследова­ ния, способствует значительному (почти вдвое) сокра­ щению образования сажи.

На очистку генераторный газ в этой схеме поступает непосредственно из газогенератора с температурой 1200—1300°С. Пройдя все очистительные устройства, он выходит к потребителям с температурой 1050—1150°С.

Схема рис. 5.5, б значительно проще, чем схема рис. 5.5, а. Она может быть легко осуществлена на НПЗ или иных промышленных предприятиях. Требуется, однако, дополнительно отработать процессы улавливания сажи и сероводорода из горячего газа. Над этим и работает сейчас ИГИ совместно с другими научно-исследователь­ скими организациями.

Улавливание сажи в этой схеме предполагается осу­ ществлять в уловителе 2 в фильтрующем слое зернистого огнеупорного материала, ограниченного жалюзийными решетками. Слой может быть неподвижным или движу­ щимся.

Сероводород улавливается в аппарате 3 слоем окиси кальция (CaO-t-HoS = CaS + H20 ) . Отработавший твер­ дый сероочистительный реагент (смесь сульфида каль­ ция CaS и СаО) подвергается затем регенерации мето­ дом обжига. При этом получается газ с высокой (до 10%) концентрацией сернистого ангидрида (S02), ис­ пользуемого далее для производства серной кислоты или элементарной серы. Благодаря этой значительно более высокой, чем в обычных продуктах сгорания сернистого мазута, концентрации сернистого ангидрида существенно улучшаются экономические показатели процесса. Для окончательной очистки горючего газа от пыли устанав­ ливается пылеотделитель 4. - /

В табл. 5.2 приведены результаты опытов по газифи­ кации сернистого маз'ута при температурах 1250—1270°С с предварительным эмульгированием и без него [16].

94

Как видно из табл. 5.2, газификация мазута в указан­ ном температурном интервале дает типичный низкокало­ рийный генераторный газ в количестве около 6,5 нм3 на 1 кг исходного мазута. В нем до 60% азота, около 20% окиси углерода и 16% водорода. Теплота сгорания газа может быть несколько повышена изменением режима процесса. Газ токсичен, как и все генераторные газы, и

Таблица 5.2

Основные характеристики газификации высокосернистого мазута при давлении 500—1800 кПа (до очистки от H2S)

обладает обычными для воздушного генераторного газа пределами взрываемости. Он экономически нетранспор­ табелен, но для сжигания в топках промпечей, парогене­ раторов он вполне пригоден, так как практически не об­ ладает сернистыми соединениями. Можно использовать этот газ и в газовых турбинах.

При осуществлении газификации сжигаемых ныне 50 млн. т в год высокосернистого мазута по этим схемам можно получить 1,5 млн. т серы.

Установки для газификации сернистого мазута с низ­ котемпературной очисткой намечены к сооружению на одной из ТЭЦ СССР. Макет предприятия, осуществляю­ щего такой энергохимический комплекс использования высокосернистых мазутов без загрязнения атмосферы вредными выбросами, по схеме Института высоких тем­

95

Более полной схемой комплексного энерготехнологи­ ческого использования высокосернистых мазутов являет­ ся схема с высокоскоростным пиролизом, разработанная и исследованная в течение последних лет под руководст-

Рнс. 5.6. Схема установки с высокоскоростным пироли­ зом мазута.

вом 3. Ф. Чуханова на лабораторных и крупнолабора­ торных установках Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского совместно с Институтом горючих иско­ паемых. В отличие от ранее описанных схем газификации высокосернистых мазутов здесь нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) и мощная электростанция органически и территориально увязаны друг с другом.

96

I

Сернистый мазут с НПЗ подается в технологический блок энерготехнологического комбината. Принципиаль­ ная схема блока представлена на рис. 5.6 [5, 46, 47].

Основными аппаратами являются реактор (пиролпзер) 2, регенератор 4 и ректификационная колонна 7. В реакторе осуществляется высокоскоростной пиролиз ма­ зута твердым теплоносителем. Температура в реакторе 850—950°С (в зависимости от заданного режима), давле­ ние около 150 кПа. Твердым теплоносителем является мелкодисперсный нефтяной кокс, образующийся в реак­ торе в ходе пиролиза мазута и циркулирующий в системе технологического блока по пневмотрубе 1. Разогрев его до 1000—1100°С осуществляется в регенераторе, куда для этого подается некоторое количество воздуха (может быть добавлен и горючий газ).

Транспортировка теплоносителя осуществляется во­ дяным паром, подающимся в пневмотрубу 1. Пар пода­ ется в небольшом количестве также в реактор, что спо­ собствует отгонке парогазовой смеси.

Вцентре цилиндрических реактора и ’регенератора расположены смешивающие прямоточные устройства, заканчивающиеся циклонами, а по периферии — ряд циклонов, выдающих газ (на схеме показаны только по одному). Вращающиеся затворы 3 обеспечивают герме­ тизацию этих аппаратов во время работы блока.

Образующиеся в регенераторе продукты сгорания (газификации) кокса сбрасываются в энергетические топки, поскольку выходящий отсюда газ обладает боль­ шим запасом тепла (температура более 1000°С) и выно­ сит значительное количество тончайших частиц кокса. В случае необходимости при этом может быть организова­ но и выделение имеющегося в сернистых мазутах вана­ дия в виде жидких сплавов с мелкодисперсной коксовой золой.

Вверхнюю часть реактора форсунками подается на пиролиз сырье с самого низа колонны 7 (при темпера­ туре порядка 350—370°С). В ее среднюю часть поступает мазут с НПЗ, а под нижнюю тарелку — парогазовая смесь из реактора.

Сырье, подающееся в пиролизер, состоит, таким об­ разом, из мазута и жидкого пиролизата (рисайкла), представляющего собой тяжелые фракции жидкого ос­ татка с температурой кипения выше 230°С.

Согласно опубликованным данным' [26], при пиро­ лизе сернистого и высокосернистого мазутов (получен­ ных из нефти Ромашкинского и Арланекого месторожде­ нии) с температурой 850—950°С и при времени реагиро­ вания до 0,1 св пиролиз-газ может быть переведено 55— 78% сырья (мазута и тяжелых фракций жидкого остат­ ка). При этом 70% имеющейся в мазуте серы переходит в пиролиз-газ в виде сероводорода, который, как это будет показано в гл. 7, легко («месте с С02) из него вспоследствиц выделяется и используется для производ­ ства серы или серной кислоты.

Выход пиролиз-газа, его состав и теплота сгорания зависят от температурного режима процесса. В указан­ ном выше интервале температур (850—950°С) содержа­ ние основных компонентов колеблется в следующих пре­

до 14%- При этом содержание H2S обычно составляет 1,5—2%, доходя при пониженных температурах до 3%. Теплота.сгорания пиролиз-газа находится в пределах 25 100 — 31 400 «Дж/нм3.

Процессы пиролиза и ректификации могут быть орга­ низованы так, что в легких жидких фракциях, отделяе­ мых из парогазовой смеси в холодильнике 5 и сепара­ торе 6, будет содержаться 6—7,8% (от веса мазута) моноциклической ароматики, в основном бензола, а в пиролиз-газе — 14—17% (объемных) этилена. И то, и другое представляет собой ценное сырье для химии син­ теза.

Согласно материальному балансу, составленному ЭНИНом им. Г. М. Кржижановского [26], в результате

энерготехнологического комбината (ЭТК) будет переда­ но 6 млн. т высокосернистого мазута. На таком заводе из него будет получен и десульфирован .пиролиз-газ в количестве, обеспечивающем все нужды в горючем газе самого НПЗ и работу районной электростанции мощно­ стью 2,4 млн. кВт. Кроме того, на переработку в арома­ тику будет передано на НПЗ более 0,5 млн. т ценного химического сырья (легких жидких продуктов), выделен сероводород для производства 180 тыс. т серы и пере­ дано сторонним промышленным предприятиям около

98

2 млрд, м3 высокотеплотворного пиролиз-газа. В настоя­ щее время ведется проектирование опытно-промышлен­ ной установки к одному из крупных энергетических котлов.

§ 5.5. Сжиженные углеводородные газы

Естественные и искусственные углеводородные газы (природный, попутный и газы заводской переработки нефти) могут использоваться потребителями в виде жид­ кого топлива тогда, когда транспорт их в этом виде рен­ табельней, чем подача в газообразном состоянии, и оп­ равдываются затраты на сжижение н регазификацию. Надо учесть, что эти затраты могут быть весьма значи­ тельными. Метан, например, для своего сжижения тре­ бует весьма сильного сжатия н глубокого охлаждения (критическая его температура —82°С). Системы хране­ ния и транспорта глубоко охлажденного, сжиженного метана также сложны.

Проще и дешевле для сжижения использовать такие углеводородные газы, которые переходят в жидкое со­ стояние при обычных наружных температурах воздуха и небольших давлениях. К таким газам относятся в пер­ вую очередь пропан (С3Н8) и бутан (С4Ню). Их энер­ гетические характеристики весьма благоприятны: низшая теплота сгорания (в газовой фазе) выше 90 000 кДж/нм3, жаропроизводительность около 2150°С, пределы взрывае­ мости у пропана: нижний — 2,3; верхний — 9,5; у бута­ на ■— соответственно 1,5 и 8,4. Температура кипения при 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) пропана — 42,1°С, я-бутана— 0,6°С, я-бутана — 10,2°С. Для поддержания этих газов в емкостях в жидком состоянии даже при высоких тем­ пературах наружного воздуха (+40°С) достаточным яв­ ляется давление: для пропана — 1500, а для я-бутана — около 400 кПа.

Практически для различных климатических поясов и разных времен года используют смесь сжиженных про­ пана и бутана в соответствующих пропорциях. Смесь эта должна удовлетворять следующим требованиям:

99