3.3.8 Возможности уменьшения вредных выбросов в процессах обработки прямого коксового газа

Комплекс цехов улавливания и обработки химических продуктов коксования должен обеспечивать: а) максимально возможное извлечение из так называемого прямого коксового газа ценных химических веществ при ограничении их проникновения в окружающую среду; б) получение попутного газообразного топлива – коксового газа, очищенного от различных смол, аммиака, сероводорода, бензольных углеводородов, цианистого водорода и других токсичных компонентов.

Небольшая часть экологических задач по этой стадии процесса рассмотрена в разделе 3.2 (пункт 7). В этом, специальном разделе в кратчайшем изложении представлены некоторые способы улавливания и нейтрализации упомянутых веществ. Более полные сведения приведены в специальной литературе по технологии переработки продуктов коксования.

В процессе высокотемпературного коксования угля из нагреваемого слоя выделяется большое количество газо- и парообразных веществ, содержание которых в прямом коксовом газе представлено в табл 3.8.

Чем выше выход летучих из угля, тем больше выход смолы и сырого бензола. Увеличение в шихте некоторых заводов доли газовых углей до 36-40% привело к повышению выхода коксового газа, росту содержания в нем СО и СО₂, увеличению выхода смолы и сырого бензола. Выход аммиака зависит от содержания азота в органической массе угля и образование его протекает по реакции: N₂+3H₂=2NH₃. При температуре более 700⁰С возможен пиролиз – разложение NH₃ на N₂ и H₂O. Основным сернистым соединением в коксовом газе является сероводород (16-26 г/м³), небольшие концентрации принадлежат сероуглероду (CS₂), сероксиду углерода (COS) и тиофену (C₄H₄S). Чем выше содержание серы в углях (наибольшее в донецких углях – 1,9-2,2%), тем больше концентрация в прямом коксовом газе сероводорода и при указанной ее величине для заводов, использующих донецкие угли (до 40 г/м³) обязательной является очистка газа от сероводорода, иначе его нельзя использовать в виде топлива из-за больших выбросов в атмосферу SO₂.

Таблица 3.12 Выход летучих веществ из коксуемой шихты и их концетрации в прямом коксовом газе

Летучие вещества	Выход из сухой шихты, %	Содержание в прямом коксовом газе, г/м3
1. Пары воды (свободной и связанной, пирогенетической)		250-450
2. Пары пирогенетической воды	1,8-3
3. Пары каменноугольных смол	3-4	80-150
4. Пары нафталина		До 10
5. Бензольные углеводороды	0,8-1,2	30-40
6. Аммиак	0,25-0,4	8-13
7. Сероводород	0,5-2,5	6-40
8. Цианистый водород		0,5-2,5
9. Пиридиновые основания		0,4-0,6
10. Сухой обратный коксовый газ	14-16

На состав и выход химических продуктов коксования наряду с компонентным составом шихты решающее влияние оказывают температуры коксования и особенно температуры в подсводовом пространстве коксовых камер.

Увеличение этих температур вызывает:

1) повышение выхода газа, содержания в нем серы, водорода, уменьшение содержания метана, тяжелых углеводородов и снижение теплоты сгорания газа;

2) увеличение содержания нафталина и пироуглерода – сажи, графита в газе, уменьшение в нем концентраций смолы, фенольных фракций, масел;

3) увеличение выхода сырого бензола;

4) увеличение выхода аммиака (до температур 700⁰С), особенно при коксовании шихты повышенной влажности;

5) увеличение выхода цианистого водорода в результате реакций между NH₃ и углеродом кокса или углеродсодержащими газами (СО, СН₄, СО₂ и др.):

1) NH₃+C=HCN+H₂; (3,11)

2) NH₃+CO=HCN; (3,12)

3) NH₃+CH₄=HCN+3H₂. (3,13)

С учетом приведенных данных оптимальной температурой подсводового пространства считают 750-780⁰С, а температуру коксования углей регулируют в соответствии с принципами, рассмотренными в разделе 3.3.2.

Принципиальная схема отвода и обработки прямого коксового газа показана на рис 3.6 (раздел 3.2). На практике используют различные схемы улавливания и переработки химических продуктов (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Промышленные варианты очистки прямого коксового газа от различных ингредиентов: в варианте Б предусмотрена специальная очистка от нафталина; вариант В считается наиболее совершенным, так как в нем есть комбинированная аммиачная серо-нафталино-цианоочистка.

Из принципиальной (рис.3.6.) и промышленных схем обработки коксового газа (рис 3.22) следует, что из прямого коксового газа улавливают ценные и токсичные вещества, например, в такой последовательности (возможности вариантов А, Б, В):

1) интенсивным водяным охлаждением в газосборниках и первичных холодильниках горячего коксового газа из него выделяют методом конденсации группу парообразных смолистых веществ и паров воды;

2) с привлечением рассмотренных ниже способов из газа удаляют аммиак, попутно производя аммиачную продукцию (сульфат аммония, безводный аммиак и пр.)

3) из газа улавливают ценный продукт – нафталин; для исключения образования нафталиновых пробок в газопроводах обратного коксового газа его стремятся как можно лучше очистить от этого специфического смолистого вещества, которое легко перемещается в парообразном состоянии, осаждается в газопроводах и трудно удаляется из них в основном перегретым паром;

4) методами абсорбции (поглощения органическими веществами) и ректификации (разделения жидкостей многократной дистилляцией) из газа выделяют бензольные углеводороды – многие химические продукты, в числе которых собственно бензол (основное соединение – С₆Н₆), толуол, ксилол, стирол, а также серосодержащие соединения (сероуглерод, сероводород), фенолы, пиридиновые основания (ценное сырье для производства лекарств);

5) с использованием преимущественно вакуум – карбонатной, аммиачной и метаноламиновой сероочистки из газа удаляют сероводород; первым, вакуум-карбонатным способом одновременно удается уменьшить концентрацию в газе цианистого водорода.

Успешная работа коксовых батарей, а также отделений улавливаний и обработки химических продуктов коксования невозможна без надежного функционирования машинного отделения, так называемого «сердца» коксохимического завода, обеспечивающего откачку коксового газа из коксовых печей и транспортировку его в цехи переработки и потребления в виде топлива. В составе машинного отделения четырех типовых коксовых батарей газодинамические процессы обслуживают три центробежных нагнетателя (эксгаустера), из которых один является резервным. Как уже отмечалось ранее, на стороне всасывания газа перед эксгаустером разрежение составляет 4-5 КПа. По ходу газа от газосборников коксовых батарей к эксгаустерам давление газа вначале (в газосборниках) превышает атмосферное на 100-140 Па (за счет интенсивного выделения газа из шихты), затем плавно уменьшается ниже атмосферного (перед эксгаустером) на 4-5 КПа (410-510 мм.вод.ст.). На стороне нагнетания, (после эксгаустера) избыточное давление составляет 20-30 КПа, т.е. превышает атмосферное на 2040-3060 мм.вод.ст. Ротор эксгаустера вращается со скоростью 3000-5000 мин^-1 от высоковольтного (6 КВ) электродвигателя (частота вращения 1450 мин^-1) через зубчатый редуктор-мультипликатор. Резервным приводом ротора эксгаустера может быть паровая турбина на случай аварийного отключения высоковольтного электроснабжения. Часто один эксгаустер работает от электродвигателя, а один от трубопровода. Максимальная производительность эксгаустера на украинских коксохимических заводах по охлажденному газу достигает 114 тыс. м³/ч (1900 м³/мин) при напоре 30-36 КПа.

От конкретных промышленных данных, касающихся количества и транспортировки газа по многочисленным магистралям, перейдем к описанию основных операций по его обработке. При этом отметим, что при компоновке цехов улавливания и обработки газа размещение их на территории завода выбирается таким, чтобы межцеховые расстояния были минимальными. В этом случае меньше утечки в атмосферу токсичных веществ из коротких газовых магистралей, легче управление газодинамическим режимом всего газового тракта: коксовые печи – эксгаустеры – химические цехи – потребители обратного коксового газа. Важнейшим здесь является поддержание избыточного давления в газосборниках и камерах коксования, при которых исключаются горение в камерах угля, кокса, прямого коксового газа, насыщение последнего оксидами азота и другие негативные последствия, вплоть до образования взрывоопасных смесей.