книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Осуществление конверсии метана с малым расходом окислителя при получении эндогаза предъявляет жесткие требования к катали­ затору. Наиболее целесообразным в этих условиях является ката­ лизатор ГИАП-3, представляющий собой таблетки размером при­ мерно 15 мм из активной у-окиси алюминия, на которые наносится окись никеля. Восстановленный водородом никель — катализатор, а окись алюминия — промотор (усилитель) катализа [78], повышаю­ щий каталитическое действие Ni.

При использовании катализатора ГИАП-3 в исходной смеси недопустимы сернистые соединения. Поэтому в эндогенераторах

Рис. 9.1. Схема эндотермического генератора

используют блоки сероочистки, через которые пропускается угле­ водородный газ (сырье). Сероочистка представляет собой обогре­ ваемую камеру, заполненную катализатором ГИАП-10. Очистка от сернистых соединений производится при температуре 350° С. Для нагрева камеры сероочистки обычно применяют электронагреватели сопротивления.

Общая принципиальная схема эндотермического генератора приведена на рис. 9.1. Генератор состоит из следующих узлов: системы смесеприготовления 5, системы обогрева реторты 6, самой

состоит из газодувки 10, смесителя 5 и регулятора нулевого давле­ ния 4. Газодувка создает разрежение на линии смесителя и нульрегулятора. Под действием этого разрежения в смеситель через фильтр 8 поступает воздух. Смеситель 5 включает корпус, внутри которого смонтирован мембранный регулятор и устройство с ре­ гулируемым зазором для установки соотношения газ — воздух.

232

Регулятор нулевого давления 4 поддерживает постоянное давление газа, равное давлению воздуха на входе в смеситель.

Смесь газа с воздухом поступает в реторту 7 (реактор), нагре­ тую примерно до температуры 900—950° С. Реторта представляет собой вертикальную трубу, снабженную решеткой, на которую уло­ жены таблетки катализатора. Для уменьшения перепада температур по сечению реторты и увеличения удельной поверхности теплообме­ на реактор делают кольцевым.

Помещенная в футерованную камеру реторта обогревается на­ гревателями сопротивления или продуктами горения топлива. Выходящий из реторты газ попадает в трубчатые холодильники 2, а затем направляется к ротаметру 3 и потребителю.

Во избежание проскока пламени на трубопроводе смеси перед ретортой устанавливается предохранительная пламенная заслон­ ка 9, перекрывающая газ при проскоке.

Состав эндогаза регулируется автоматически изменением соот­ ношения газ — воздух. Импульс отбирается от газоанализатора, измеряющего содержание в эндогазе СОг или НгО.

В настоящее время разработаны типовые конструкции эндотер­ мических генераторов, выпускаемые серийно [98, 73].

Расчет эндотермического генератора заключается в составлении материального баланса в соответствии с приведенными выше реак­ циями приготовления эндогаза при заданной температуре, опреде­ лении необходимого количества тепла, расчете теплообмена в ре­ торте, выборе горелок, расчете холодильников, гидравлическом рас­ чете трубопроводов и т. д. Объем катализаторов определяется исходя из допустимой объемной скорости реакции ш0б и заданной производительности генератора:

не превышает 2290 ч-1, а при расчетах рабочего пространства ре­ торт ее, как правило, принимают равной 1050— 1100 ч-1 [98]. В связи с плохой теплопроводностью неподвижной засыпки ее толщина,

Но при этом возрастает его гидродинамическое сопротивление, кото­ рое для случая беспорядочно уложенных частиц можно определить по формуле

где рг и шг — соответственно плотность и скорость газа;

233

hи e — высота слоя и его порозность; d — эквивалентный диаметр частиц;

Re — критерий Рейнольдса для среды, отнесенный к разме­ ру частиц:

V — коэффициент кинематической вязкости газа.

Увеличение высоты реторты более 1 —1,5 м нецелесообразно, так как это не только приводит к большому гидравлическому сопро­ тивлению, но и значительно усложняет конструкцию генератора.

Повышение производительности реторты возможно в том слу­ чае, если реакцию вести не в неподвижном слое катализатора, а в псевдоожиженном [99]. Как показали эксперименты [100], в этом случае реакция заканчивается на высоте 200 мм при объемной ско­ рости 17000 ч~1 и температуре 1000° С. Для реакции использовался сферический алюмоникелевый катализатор с размером частиц 0,4—0,6 мм.

Если при работе на неподвижном катализаторе основная на­ грузка приходится на его нижние слои, вследствие чего они посте­ пенно теряют активность, науглероживаются и разрушаются, то в кипящем слое перемешивание частиц приводит к выравниванию активности по объему. Кроме того, применение мелкодисперсных частиц приводит к повышению активной поверхности. Поэтому в ки­ пящем слое высота засыпки катализатора определяется не его ак­ тивностью, а условиями обеспечения достаточной площади поверх­ ности, через которую тепло подводится в слой. Вследствие высокой теплопроводности кипящего слоя возможно создать реакторы прак­ тически любого размера без заметных перепадов температур в слое. Гидравлическое сопротивление кипящего слоя при изменении рас­ хода остается постоянным.

9.2. ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Получение экзогаза основано на сжигании углеводородного сырья (топлива) с коэффициентом избытка воздуха 0,6—0,98 и по­ следующей переработке продуктов горения. В зависимости от коэф­ фициента избытка воздуха дымовые газы могут иметь многокомпо­ нентный состав и содержать СО, С02, Н2, Н20, СН4, N2 и т. д.

Переработка продуктов сжигания заключается в их охлаждении и очистке от С02 и Н20 . Атмосферу, состоящую из охлажденных и частично осушенных продуктов сжигания при а = 0,9—0,98 и содер­ жащую около 10% С02 и примерно 2,4% Н20, называют неочищен­ ным бедным экзогазом. Такая атмосфера применяется в основном для снижения углеродного потенциала в цементационных печах, продувки печей, отжига некоторых сплавов на медной основе и т. д. В зависимости от степени очистки и коэффициента избытка воздуха из продуктов сжигания может быть получен бедный очищенный, богатый очищенный и богатый неочищенный экзогаз (их составы

234

приведены в табл. 7.6). В экзогенераторах газ сжигают в топках, а последующее охлаждение продуктов горения производят в холо­ дильниках контактного типа (скрубберах) или трубчатых теплооб­ менниках. Топки генераторов обычно работают под некоторым из­ быточным давлением (до 1000— 1500 мм вод. ст.), равным сумме сопротивлений внутреннего тракта генератора, трубопроводов от генератора до печей и газовых вводов. Для приготовления газовоз­ душной смеси применяют такие же смесители, как в эндогенерато­ рах (с мембранным устройством и поворотным стаканом), смесители инжекционного типа (инспираторы) и др.

В зависимости от требований к конечному влагосодержанию газа применяют различные методы осушки. Охлаждение проточной водой в трубчатых холодильниках и скрубберах (последние приме­ няются также в тех случаях, когда нужно отмыть газ) обеспечивает влагосодержание, соответствующее температуре точки росы пример­ но 15—20° С. Более глубокое охлаждение возможно при использова­ нии фреоновых холодильников. Чтобы получить экзогаз с отрица­ тельной температурой точки росы, обычно используют колонки с адсорбентами.

Процессы адсорбции обратимы и избирательны. Поглощающая способность на границе газ — адсорбент обусловлена неуравнове­ шенностью сил молекулярного притяжения. Поверхность адсорбен­ та — пористого вещества очень велика. Поверхность 1 г силикагеля достигает 500 м2. Адсорбция — экзотермический процесс. При опре­ деленном времени контакта адсорбента с газом наступает адсорб­ ционное равновесие. Соотношение между концентрацией влаги в газе и адсорбенте при равновесии зависит от температуры и дав­ ления. Адсорбция ускоряется при понижении температуры и повы­ шении давления. На процесс десорбции эти же факторы влияют в обратном порядке. Десорбция применяется для восстановления поглотительной способности адсорбента.

В качестве адсорбентов в экзогенераторах используют силика­ гель или активную окись алюминия. Силикагель (продукт обезвожи­ вания геля кремниевой кислоты) представляет собой стекловидную массу с высокой однородной пористостью. В зависимости от вели­ чины пор насыпной вес силикагеля изменяется от 400—500 кг/м3 для крупнопористых частиц и до 700 кг/м3 для мелкопористых. Размер зерен силикагеля может быть различным (обычно менее 6—7 мм).

Зернистый адсорбент помещают в адсорберы — вертикальные теплоизолированные колонки, снабженные решетками для укладки зерен и водоохлаждаемыми трубами для отвода тепла после реге­ нерации нагретым до температуры десорбции воздухом или готовым (осушенным) газом. Влажный газ на адсорбцию подается сверху вниз, а нагретый (регенерирующий) — в обратном направлении. При непрерывной работе генератора применяют два адсорбера: один находится на рабочем режиме, другой — на регенерации.

Очистку газов от СОг в экзогенераторах часто осуществляют жидкими сорбентами. В качестве поглотителя может использоваться

235

водный раствор моноэтаноламина (МЭА), который образует с дву­ окисью углерода нестойкие соединения:

кает справа налево, С02 выделяется и удаляется. Регенерированный раствор после охлаждения может быть вновь использован для ад­ сорбции углекислоты. Следует отметить, что раствор моноэтанола­ мина применяют также для очистки газа от сероводорода. Очистка моноэтаноламином производится в абсорбционных колонках, запол­ ненных насадкой (в качестве насадки применяют фарфоровые коль­ ца Рашига или высокоглиноземистые седла Берля). Газ движется снизу, а сверху по насадке стекает водный раствор моноэтанола­ мина. Для определения объема насадки можно воспользоваться соотношением [78]

„(xi—xz) V?

У нас— > (9.8)

где Xj и а'2— объемные доли С 02 в газе до и после абсорбции;

Ѵг — расход газа, подлежащего очистке;

k&— коэффициент абсорбции СО?, равный количеству С02 в 1 м3/ч, приходящемуся на 1 м3 раствора при_средне-

логарифмической движущей силе адсорбции Дра, рав­ ной 1 ати.

Величина ka равна 200—300 1/ч-ати при использовании колец Рашига и 7— 10%-ного раствора МЭА; 1000—1200 1 /ч-ати — для седловидной насадки с применением 28—30%-ной концентрации раствора [78].

Средняя движущая сила абсорбции

Вследствие малости величины рж' и рж" можно считать равны­ ми нулю.

В последнее время получают распространение экзотермические генераторы, в которых очистка от С02 и одновременно глубокая осушка производится цеолитами или, как их иногда называют, моле­ кулярными ситами. Такой метод очистки проще, чем метод очистки ' жидким сорбентом, а основанные на этом способе генераторы отли­ чаются компактностью и сравнительно небольшими габаритами.

236

Цеолиты представляют собой полигидраты алюмосиликатов. Их состав в общем виде может быть представлен формулой

Благодаря микропористой структуре цеолиты поглощают толь­ ко те элементы смеси, молекулы которых имеют определенный раз-

К потребителю

Рис. 9.2. Схема генератора для приготовления неочищенного экзогаза:

мер и могут проникать в поры. Цеолиты не адсорбируют двухатом­ ные молекулы N2, СО, Н2 и т. д., но поглощают трехатомные Н20,

С02 и др.

синтетические цеолиты (NaA, NaX, СаА, LiA и др.). Адсорбционные свойства цеолитов обеспечивают высокую степень очистки газа. Некоторые сорта цеолитов позволяют получить газ с температурой точки росы до —75° С.

Для регенерации цеолит нагревают в вакууме или пропускают через него воздух, нагретый до температуры 350—400° С, после чего регенерированный цеолит охлаждают сухим очищенным газом.

На рис. 9.2—9.4 приведены схемы некоторых экзотермических генераторов, основанных на описанных принципах.

237

Генератор для приготовления неочищенного экзогаза показан на рис. 9.2. Как видно, конструкция его несложна. Выходящие из топки дымовые газы охлаждаются и направляются к потребителю. При сжигании топлива с а = 0 ,6 —0,7 в топку иногда помещают не­ которое количество катализатора горения.

На рис. 9.3 представлена схема генератора для приготовления бедного очищенного экзотермического газа состава 1— 1,5% СО,

Рис. 9.3. Генератор для приготовления бедного очищенного экзогаза методом поглощения СОг при помощи моноэтаноламинов и комбинированной осушки.

1— 1,5% Нг, остальное N2. Температура точки росы —40°С. Уста­ новка работает следующим образом. Воздух засасывается газодув­ кой 2 через фильтр 1 и подается в инспиратор 3. К инспиратору поступает природный газ, давление которого приведено к давлению в топке 4. Готовая смесь с сс=0,98 поступает в горелку. В топку вмонтирован кипятильник 5, являющийся частью колонки восстанов­ ления раствора моноэтаноламина (МЭА). Тепло горения природ­ ного газа используется для восстановления раствора. Продукты сгорания из кипятильника через трубчатый холодильник 9 и измери­ тель расхода 10 направляются в абсорбер И, в котором поглощается С02 раствором моноэтаноламина. Очищенный от С 02 влажный газ поступает в трубчатый холодильник 13 и каплеуловитель 18. Конден­ сат из каплеуловителя возвращается в колонку 11.

Дальнейшая обработка газа заключается в его осушке. Перво­ начально осушка производится (до температуры точки росы +7° С) в камере 15 фреонового холодильника, включающего компрессорно­ конденсаторный агрегат 14. Осушка газа продолжается в адсорбе­ рах 17, заполненных силикагелем. В то время как один из адсорбе­ ров работает, другой находится на регенерации. Регенерация осуще­

238

ствляется горячим воздухом, нагнетаемым газодувкой 21. Регенери­ рующий воздух охлаждается в трубчатом холодильнике 19. Нагрев воздуха перед подачей в адсорберы происходит в газонагревате­ ле 20. Готовый газ из адсорберов через расходомер 16 поступает к потребителю.

Раствор МЭА, насыщенный углекислотой, насосом 24 из колон­ ки И прокачивается через теплообменник 23, нагревается в нем до 80° С и подается в колонку восстановления 7. Стекая вниз по насад­ ке, насыщенный раствор нагревается и выделяет пары СОг. Оконча­ тельное восстановление раствора МЭА осуществляется в кипятиль­ нике 5 при температуре 105— 125° С и давлении, равном 0,7— 1,4 ати. Пары раствора МЭА и углекислый газ подымаются в колонке вос­ становления вверх и поступают в конденсатор 8, снабженный влагоотделителем 6. В конденсаторе пары раствора МЭА конденсируются. Углекислый газ из конденсатора удаляется через регулятор сброса к свече, а конденсат поступает в кипятильник. Очищенный от СОг раствор МЭА направляется вначале в теплообменник 23, где он по­ догревает раствор, подаваемый на регенерацию, а затем насосом 22 перекачивается вновь в колонку поглощения 11. Для окончательного охлаждения восстановленного раствора перед колонкой имеется трубчатый холодильник 12.

На рис. 9.4 приведена схема экзогенератора с очисткой и осуш­ кой газа цеолитами. Перед каждой из колонок с цеолитами установ­ лены небольшие адсорберы с силикагелем, улучшающие условия работы цеолитов. Для непрерывной работы генератор снабжен тре­ мя парами колонок. В то время как одна пара колонок (с силика­ гелем и цеолитом) находится на рабочем режиме очистки газа, в другой производится регенерация, а в третьей — охлаждение пос­ ле регенерации. Колонки переключаются перекидными клапанами, срабатывающими автоматически.

Газ из сети через регулятор давления 8, ротаметр 6 и регулятор нулевого давления 7 подается в смеситель 4, где смешивается с воз­ духом в соотношении, соответствующем коэффициенту избытка воздуха 0,95—0,98. Воздух в смеситель поступает под действием разрежения, создаваемого газодувкой 3, через фильтр 1 и рота­ метр 2. Газовоздушная смесь через пламенную заслонку 8 подается в камеру сжигания 23, снабженную рекуператором.

Продукты горения из камеры сжигания проходят через реку­ ператор (нагревается воздух до 400° С) и направляются в трубчатый водяной холодильник 17. Образующийся в холодильнике конденсат сливается в канализацию. Охлажденные до 30° С продукты сгорания подаются в нижние клапаны 16 командоаппарата, а затем в одну из колонок 12 с силикагелем, включенную последовательно с колон­ кой И, заполненной цеолитом. В колонках продукты горения осво­ бождаются от Н2О и СОг. Очищенный газ поступает в верхнюю

группу клапанов 9 командоаппарата, а затем через ротаметр 10 к потребителю.

Часть готовой атмосферы отсасывается компрессором 15 и на­ правляется через клапана командоаппарата в одну из колонок,

239

находящуюся в цикле охлаждения (после регенерации горячим воз­ духом), а затем охлаждается в трубчатом холодильнике 13. Эта часть готового газа все время циркулирует по замкнутой системе колонка — холодильники — компрессор — колонка. Чтобы обновить циркулирующую в системе атмосферу, небольшая доля ее сбрасы-

Рис. 9.4. Генератор для приготовления экзогаза методом поглощения СО2н Н2О твердыми сорбентами.

вается через свечу (расход контролируется ротаметром) и соответ­ ственно такая же часть подсасывается из коллектора готового газа.

Регенерация колонок (восстановление поглотительной способ­ ности цеолита) производится воздухом, осушенным во вспомогатель­ ных силикагелевых колонках 18 и нагретым в рекуператоре до 400° С. Воздух проходит через колонки сверху вниз и сбрасывается в свечи. Нагретый цеолит и силикагель десорбирует молекулы СО2

иН20, которые уносятся воздухом в атмосферу. Воздух для реге­ нерации подается в рекуператор нагнетателем 20 через фильтр 22

иротаметр 21. Для регенерации вспомогательных силикагелевых колонок 18 из сети (или от нагнетателя) через электроподогреватель 19 также подается воздух. Колонки 18 работают попеременно: пока одна из них находится на цикле осушки, другая — на регенерации.

Перед поступлением смеси в камеру сгорания установлена пла­ менная заслонка 5. Для контроля сброса атмосферы используется

ротаметр 14.

240

Для приготовления атмосферы богатого очищенного экзотерми­ ческого газа наиболее перспективны генераторы, основанные на принципе химической очистки продуктов сжигания от С02 и Н20. Конструкции таких генераторов приведены в следующем параграфе.

9.3. ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БОГАТОГО ОЧИЩЕННОГО ЭКЗОГАЗА МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ

Генераторы такого типа получили также название эндо-экзо­ генераторов. Они начали появляться сравнительно недавно [101, 102]. Эти генераторы включают многие элементы как экзо-, так и эндо­ генераторов. Основные их преимущества — более низкая стоимость

г о т о Ь ы й г а з

Г а з

Рис. 9.5. Схема генератора для приготовления богатого очищенного экзогаза методом каталитической конверсии:

производимой атмосферы (по сравнению с эндогазом) и возмож­ ность получения защитных атмосфер сразу двух типов.

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 9.5. Как и любой другой, описываемый генератор снабжен узлом приготов­ ления газовоздушной смеси. Эта смесь подается в камеру сжигания, где помещена обогреваемая реторта с катализатором (реактор). Сжигание производится при коэффициенте избытка воздуха, близ­ ком к единице (а = 0 ,9 —0,98), после чего продукты горения направ­ ляются в контактный теплообменник (скруббер), заполненный коль­ цами Рашига или другой насадкой. По насадке сверху вниз стекает вода, подаваемая из душирующего устройства. Газ двигается снизу вверх, охлаждаясь и избавляясь от конденсирующейся влаги. Часть