Горючие отходы химических производств и их утилизация

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский политехнический  университет

Березниковский  филиал

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине: «Ресурсосберегающие технологии в химической промышленности»

на тему: «Горючие отходы химических производств и их утилизация»

 

    

 

 

 

 

 

Работу выполнила:

Студентка группы  ЭиУ-09_(з)-2

Пушкарева Е.Л.

 

Работу проверил:

Доцент, КТН

Нечаев Н.П.

 

Дата сдачи………………….

 

Дата защиты……………….

 

Оценка защиты……………

 

 

Березники 2013 

Оглавление

Введение 3

1.1 Горючие  отходы химических производств 4

1.2 Пути использования  горючих отходов химических производств 7

1.3 Утилизация  отходов 14

1.4 Требования  к горелкам для сжигания горючих  газообразных отходов 14

1.4.1 Горелки  для сжигания отбросных газов 14

1.4.2 Горелки  для сжигания водорода 21

Заключение 28

Список используемой литературы 29

 

 

Введение

Переработка промышленных отходов  - удаление бесполезных либо вредных материалов, образующихся в ходе промышленного производства. Отходы вырабатываются практически на каждой стадии промышленного технологического процесса. Степень опасности промышленных отходов изменяется от таких безвредных материалов, как песок, и до диоксинов, являющихся одними из самых токсичных веществ. Удаление вредных отходов, угрожающих как здоровью человека, так и состоянию окружающей среды, – неотложная задача мирового масштаба. Хотя вредные отходы составляют только примерно 15% всех промышленных отходов, крайняя степень наносимого некоторыми из них вреда требует, чтобы они удалялись правильно и тщательно.

Вредные отходы получаются в результате таких видов деятельности, как горные работы, металлургическое производство, добыча и переработка нефти, обычная и ядерная энергетика, а также изготовление бесчисленных материалов и изделий, включая пестициды и гербициды, химические защитные средства и растворители, краски и красители, взрывчатые вещества, резина и пластмассы, целлюлоза и бумага, аккумуляторы, лекарства, ткани и кожа. Отходы образуются в виде твердых материалов, жидкостей, газов и полужидкой массы. Они включают вещества, которые могут быть токсичными, воспламеняемыми, вызывающими коррозию, химически активными, инфекционными или радиоактивными. Они могут воспламеняться или взрываться при нормальных температурах и давлениях или при контакте с воздухом или водой. Некоторые из таких отходов могут зажигаться или детонировать от статического электричества, другие – при падении или сотрясении. Некоторые отходы высокочувствительны к теплу или трению. Существуют токсичные отходы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и другие тяжелые металлы), которые не поддаются переработке. При неправильном или небрежном захоронении вредные отходы могут отравить почву и водные источники. 

 

1.1 Горючие отходы химических производств

Газообразные отходы химических производств, полученные в результате переработки углеродсодержащего сырья, обладающие определенным запасом химической энергии, могут быть использованы в  качестве горючих ВЭР. Такие горючие ВЭР образуются в производствах аммиака, метанола, ацетилена, капролактама, каустической соды (диафрагменной), желтого фосфора, карбида кальция.

В производствах аммиака  выделяются ретурные, танковые и продувочные  газы, фракция СО, а также жидкие углеводороды, которые могут быть использованы в качестве топлива. В  производствах метанола выделяются танковые и продувочные газы, в производствах ацетилена – сажевый шлам и высшие ацетиленовые гомологи, в производствах капролактама – продувочный газ и водород. Значительное количество водорода выделяется в производствах каустической соды. В производствах желтого фосфора и карбида кальция образуются горючие печные газы.

В табл.1. приведены состав и удельный выход указанных ВЭР на тонну продукта, а также источник ВЭР – агрегат или технологический процесс.

Все указанные горючие  ВЭР используются в качестве топлива  либо могут быть использованы. Использование  их экономически весьма целесообразно, так как затраты на осуществление  схемы утилизации горючих газов  составляют не более 10-20% от затрат на добычу и транспорт первичного топлива, которое при этом экономится и  вытесняется из топливно-энергетических балансов промышленных предприятий. Кроме  того, термически обезвреживаются до выброса в атмосферу токсичные  и канцерогенные вещества, что  способствует снижению загрязнения  окружающей среды.

 

 

 

 

 

Таблица 1.

Количество и  тепло вторичных энергоресурсов на 1 т продукта (сырья)

ВЭР	Состав, % (об.)	Количество ВЭР на 1 т  продукта (сырья), м3/т (теплота сгорания, кДж/м3)	Источник ВЭР (агрегат  или технологический процесс)	Удельный выход тепла, ГДж/т
Производство аммиака
Ретурные газы	СО – 60 (СО2+N2) – 30 – 32 Н2 – 10	180 – 185	Регенератор медноаммиачного раствора – газодувка (в старых системах)	0,84 – 1,51
Танковые и продувочные  газы	N2 – 21 – 19 H2 – 62 – 57 СН2 – 12 – 18 Ar – 5 – 6	150 – 170 (10 500 – 12 600)	Танковые – дросселирование жидкого NH3, продувочные – сепаратор продувки – улавливатель аммиака (в старых системах)	1,59 – 2,1 *
Фракция СО	H2 – 11 – 3 N2 – 52 – 56 СО – 17 – 20 Ar – 6 – 7 СН4 – 14 – 15	300 – 400               (8 000 – 8 400)	Очистка конвертированного  газа от СО промывкой жидким азотом (280 – 300 т/сут)	2,4 – 2,8
Танковые газы	Н2 – 72 N2 – 24 NH3 – 0,15 – 0,2	20 – 25 (6 700 – 7 500)	Дросселирование жидкого аммиака (280 – 300 т/сут)	0,13 – 0,19
Жидкие углеводороды (25-30 оС)	–	–	Сепарация природного газа (600 т/сут)	0,5

 

Продолжение таблицы 1
Производство метанола
Танковые и продувочные  газы	–	650 – 1000 (10890 – 12600)	Танковые газы – дросселирование жидкого метанола, продувочные – сепаратор продувки	7,1 – 10,5
Производство капролактама
Продувочный газ	Н2 – 50 N2 – 50	–	Сепаратор продувки	1,0
Водород	Н2 – 100	(10 800)	Гидрирование циклогексанола в циклогексанон	1,34
Производство каустической соды
Водород	Н2 – 99 О2 – 0,2 N2 – 0,8	(10 800)	Электролиз	–
Производство желтого  фосфора
Печной газ	СО – 85, N2, СО2, Н2, РН3	2600 – 3600 (10780)	Рудно-термическая печь	28,5 – 39,4
Производство карбида  кальция
Печные газы (700 – 800 оС)	СО – 65 – 70 СО2 – 4 – 6 H2 – 8 – 15 N2 – 8 – 22 О2 – 1,5 – 0,55	(9210 – 10500)	Карбидная печь	3,14

 

1.2 Пути использования горючих отходов химических производств

Значительную часть горючих  ВЭР, образующихся в химических производствах, для сжигания которых не требуется  специального оборудования, используют в качестве котельно-печного топлива  в технологических установках либо для выработки тепловой и электрической энергии в котельных или на электрических станциях.

Основная сложность при  использовании горючих ВЭР заключается  в их сборе, транспортировке, иногда в необходимости создания и применения для их сжигания специальных горелочных устройств, совершенствовании существующих и разработке новых методов сжигания. В связи с этим затруднено использование  печного газа (образующегося в  производстве желтого фосфора) и  водорода (образующегося в производствах  каустической соды диафрагменным и  ртутным методами), утилизация которых  позволит сэкономить сотни тысяч  тонн условного топлива.

Отходящие газы фосфорных  печей содержат 80-85% СО, 0,2-1% Н₂, 0,01-0,1% фосфина, 1-3% СО₂, 2-3% Н₂О в виде паров, 8-10% N₂, а также 0,2-2 г/м³ фосфора. Низшая теплотворная способность газов 11000 кДж/м³ (2600 ккал/м³). На одну тонну товарного фосфора образуется 2700 м³ отходящих газов.

Одна из основных причин, тормозящих использование отходящих  газов фосфорных печей в качестве топлива на фосфорных заводах, состоит  в сложности их транспортировки. Последняя обусловлена содержанием  в отходящих газах паров фосфора  и воды, которые конденсируются в  газопроводах и часто выводят  их из строя. Газопроводы для транспортировки  печного газа должны быть оборудованы  специальными системами дренажа  фосфорсодержащего конденсата и  сборниками для его сброса или перекачки. При этом всю систему газопроводов необходимо обогревать, продувать инертным газом и промывать горячей водой с предварительной пропаркой. Фосфорсодержащий конденсат можно транспортировать только по специальным трубопроводам из нержавеющей стали. Представляет интерес предложенная НПО «Техэнергохимпром» схема предварительной очистки печных газов от  паров фосфора и воды с применением абсорбционных холодильных машин (АХМ).

При конденсации паров  фосфора и воды с помощью АХМ:

1) создадутся благоприятные условия для транспортировки печных газов на значительные расстояния;

2) уменьшатся требуемые капиталовложения в систему транспортировки печного газа;

3) продлится срок службы технологического оборудования, в котором в качестве топлива используются отходящие газы фосфорных печей;

4) снизится концентрация Р₂О₅ в продуктах сгорания перед их очисткой или выбросом в атмосферу. 

На рисунке 1.1. приведена  схема очистки отходящих газов  фосфорных печей с использованием АХМ.

Рис.1.1 Схема очистки отходящих  газов фосфорных печей

1 – газовая станция;                 4 – конденсатор;              7 – испаритель.

2 – топка;                                  5 – насос;

3 – генератор;                           6 – абсорбер;

Очищенный печной газ (3-5% от общего расхода печного газа) подают на сжигание в топку генератора АХМ. За счет тепла образовавшихся продуктов  сгорания в генераторе происходит выпаривание  аммиака из водоаммиачного раствора. Образующийся газообразный аммиак направляется в конденсатор. Отсюда жидкий аммиак направляется в испаритель, где испаряется под действием тепла отходящих  газов фосфорных печей. При охлаждении печных газов в испарителе конденсируются фосфор и вода. После охлаждения отходящие газы фосфорных печей могут быть использованы в качестве котельно-печного топлива.

Проведенные НПО «Техэнергохимпром» совместно с ЛенНИИгипрохимом и  Чимкентским ПО «Фосфор» исследования подтвердили принципиальную возможность использования отходящих газов фосфорных печей в качестве топлива. При аппаратурном оформлении процесса их утилизации нужно учитывать, что фосфорная кислота, образующаяся при сжигании отходящих газов, вызывает коррозию металлов. Максимальная интенсивность коррозии теплообменных поверхностей наблюдается при температурах 130 – 180 ^оС, что объясняется конденсацией при этих температурах фосфорной кислоты с содержанием 70 – 80% Н₃РО₄ (которая, по данным НИУИФ, оказывает на металлы сильное коррозионное воздействие). В этих условиях наибольшую стойкость к коррозии проявила сталь Х17Н13М2Т. Глубина коррозии этой стали при температурах 50 – 500 ^оС не превышала 0,25 мм/год. Установлено, что хорошая эксплуатационная надежность оборудования для утилизации в качестве топлива отходящих газов фосфорных печей достигается при сжигании печных газов в смеси с природным в отношении 2 : 1. Это приводит к уменьшению концентрации в продуктах сгорания коррозионно-активных компонентов и снижению парциального давления (что, в свою очередь, способствует снижению точки росы).

Технико-экономический анализ различных вариантов использования  печного газа на предприятиях фосфорной  промышленности показал, что оптимальной  является комбинированная схема (рис.1.2), максимально удовлетворяющая технологическим и энергетическим потребностям в топливе фосфорного завода. По этой схеме коэффициент использования отходящих газов составляет 85%, в том числе для технологических нужд – более 60%. Экономический эффект от внедрения указанной схемы на одном фосфорном заводе производительностью 260 тыс. т фосфора в год составит 2,0 млн. руб. Реализация комбинированной схемы теплоиспользования отходящих печных газов на предприятиях фосфорной промышленности позволит сэкономить более 300 тыс. т условного топлива в год. При этом капитальные вложения в сооружение заводской котельной и систем транспортировки печного газа к потребителям не превысят 6 млн. руб.

Рис.1.2 Комбинированная схема  технологического и энергетического  использования тепла отходящих газов фосфорных печей.

В производствах хлора  и каустической соды основным побочным продуктом является газ (98% Н₂; 0,5% О₂; 25 г/м³ Н₂О), который в настоящее время используется недостаточно; между тем использование его в качестве топлива позволит сэкономить свыше 100 тыс. т условного топлива в год. Следует отметить, что необходимой стадией технологического процесса в производстве каустической соды является выпарка раствора щелочи после электролизеров (диафрагменный метод) или упаривание раствора поваренной соли до электролизеров (ртутный метод). В качестве греющего агента, подаваемого в выпарные аппараты, на предприятиях используют сетевой пар. Таким образом, наличие значительного количества тепла, с одной стороны, и большая потребность в нем в том же производстве – с другой, создают благоприятные условия для утилизации тепла электролитического водорода при упаривании растворов.