Горючие отходы химических производств и их утилизация

Наиболее целесообразным, с точки зрения технического осуществления, и экономически выгодным решением этой проблемы является использование тепла сжигания электролитического водорода для предварительного упаривания раствора каустической соды после электролизеров (диафрагменный метод) и раствора поваренной соли (ртутный метод). С энергетической точки зрения наиболее выгодным приемом при решении этой задачи является использование контрактного выпарного аппарата с погружной горелкой, в которой топливом служит водород.

Получение хлора и каустической соды диафрагменным методом основано на разложении раствора хлорида натрия под действием постоянного тока в электролизере. Раствор хлорида  натрия поступает в анодное пространство, фильтруется через диафрагму  и достигает катода. При прохождении  постоянного тока на аноде образуется хлор, на катоде – водород и щелочь. Щелочь, проходя через отверстия катода, стекает в катодное пространство и выводится из ванны электролизера.  После охлаждения водой в теплообменнике водород направляется в компрессор, где сжимается, а затем поступает в качестве полупродукта в технологическую линию (например, для производства соляной кислоты). Неиспользованный водород через огнепреградитель сбрасывается «на свечу» для сжигания.

Получение хлора и каустической соды ртутным методом основано на том же принципе, что и получение  диафрагменным методом. В процессе электролиза хлор выделяется на аноде, а натрий образует со ртутью (которая служит катодом) амальгаму натрия, которая поступает в разлагатель, где разлагается обессоленной водой с образованием каустической соды, ртути и водорода. После охлаждения водой в теплообменнике и очистки от ртути водород направляется в компрессор. Отсюда он частично разбирается потребителями, а оставшийся неиспользованный водород через огнепреградитель сбрасывается «на свечу» для сжигания.

Использование электролитического водорода в качестве топлива не только способствует экономии сетевого пара, расходуемого на основные выпарные установки  производства каустической соды, но и  улучшает состояние воздушного бассейна в районе химического предприятия.

Водород – это самое  экономичное синтетическое топливо  по количеству заключенной в нем  энергии на единицу массы. Водород  почти не загрязняет окружающую среду  или, по крайней мере, загрязняет ее гораздо меньше, чем другие виды синтетического топлива, например, метан. В единице массы водорода заключено втрое больше энергии, чем в единице массы природного топлива. В то же время единица энергии заключена в объеме водорода в 3 – 4 раза больше, чем объем бензина, необходимый для ее получения. Малая плотность водорода, высокая скорость распространения пламени (286 см/с, в то время как у метана 10 – 100 см/с) и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом (от 4 до 75%) определяют высокие качества его как топлива. Благодаря высокой температуре воспламенения он безопаснее других видов топлива. Кроме того, водород не ядовит.

Теплота сгорания водорода 10800 кДж/м³ (2579 ккал/м³), он горит бесцветным пламенем, в 8 раз легче метана, имеет высокий коэффициент диффузии (в 3,2 раза выше, чем у метана), в связи с чем можно ожидать, что утечка водорода через неплотности и пористые поверхности будет примерно в 3 раза больше, чем метана. Однако утечка энергии в обоих случаях примерно одинакова вследствие низкой теплоты сгорания водорода.

Водород характеризуется  низкой энергией воспламенения (0,02 кДж  при содержании 30% Н₂ в смеси с воздухом по сравнению с 0,3 кДж для природного газа).

Ввиду высокого коэффициента диффузии вероятность образования  опасной концентрации водорода в  смеси с воздухом в случае утечек выше, чем для смеси природного газа с воздухом, однако прямо пропорциональной зависимости здесь нет, поскольку  плотность водорода значительно  ниже плотности воздуха.

Наиболее серьезную опасность  представляет так называемая водородная хрупкость стальных трубопроводов, однако при давлениях до 350 Па (35 ат) затруднений обычно не возникает, хотя в какой-то мере водородная хрупкость наблюдается.

Чистый водород горит  бесцветным пламенем, не имеет запаха, поэтому при широком использовании  его в качестве топлива придется, очевидно, добавлять одоранты и вещества, образующие светящееся пламя.

Существенные различия свойств  водорода и природного газа исключают  возможность резкого увеличения содержания водорода в смесях с природным  газом при использовании существующего  оборудования. Полагают, что без  переделки или замены горелочных устройств возможно добавление лишь 15 – 30 % водорода. Следует, однако, иметь  в виду, что добавление к природному газу 15% водорода соответствует лишь 5 % энергосодержания того же объема природного газа.

Специфические свойства водорода при использовании его в качестве топлива обусловливают применение специальных горелок, конструкция которых значительно отличается от горелок, предназначенных для сжигания природного газа. Например, при сжигании водорода в горелках, рассчитанных на сжигание природного газа, возможны хлопки и обратный проскок пламени.

1.3 Утилизация отходов

Под утилизацией подразумевается  переработка промышленных отходов  в полезные сырьевые материалы и  энергию. Например, теплота, выделяющаяся при сжигании опасных отходов, может  быть использована для создания пара, приводящего в движение генератор  электроэнергии, а свинец, извлеченный  из отслуживших автомобильных аккумуляторов, – в производстве новых аккумуляторов. Значительное снижение издержек производства и расхода энергии может быть достигнуто путем утилизационной переработки  таких материалов, как лом металлов (в частности, железа, стали, алюминия, меди, свинца и магния), макулатура, древесные отходы, стеклобой и пластмассовые отходы. На свалках, существующих в течение ряда лет, образуются большие количества метана по мере того, как сброшенные в них органические материалы разлагаются; на многих свалках теперь проводится отбор метана, который используется как топливо для отопления и приготовления пищи.

Теоретически путем утилизационной переработки можно было бы удалять  все вредные промышленные отходы. На самом деле, однако, понадобятся  десятилетия для того, чтобы только приблизиться к реализации этой цели, поскольку в проектах большинства  заводов не предусматривается утилизация отходов и нет отлаженных процессов переработки. Тем не менее, некоторые химические предприятия уже перерабатывают часть своих вредных отходов.

1.4 Требования к горелкам для сжигания горючих газообразных отходов

1.4.1 Горелки для сжигания отбросных газов

В ряде случаев промышленное сжигание горючих газообразных отходов  в горелках обычного типа неэффективно или невозможно из-за содержания в  газах 50% и более примесей (балласта) в виде азота, диоксида углерода, паров  воды и т.д., а также вследствие колебаний состава и расхода  газа в широких пределах. Все это приводит к низкой интенсивности процесса горения при использовании горелок обычного типа. Поэтому в соответствии с рекомендациями ЭНИНа им. Г.М. Кржижановского при сжигании отбросных газов с большим количеством примесей следует использовать специальные горелочные устройства, разработанные с соблюдением следующих условий: 1) максимальное использование тепла газов; 2) рекуперативный подогрев газов; 3) добавление в факел отбросного низкокалорийного газа высококалорийного топлива для стабилизации горения; 4) полное предварительное смешение газа с воздухом в интенсивном смесителе до начала горения; 5) предельно возможное укорочение факела пламени.

Соблюдение первых трех условий не вызывает трудностей и может быть осуществлено без специальной разработки узлов или элементов газовой горелки. Четвертое условие может быть реализовано при разработке конструкции смесителя, в котором обеспечивает многоструйная подача одного из компонентов смеси (газа или воздуха) в закрученный поток другого. При расчете струйного смесителя для отбросных газов необходимо учитывать, что в этом случае соотношение газ : воздух в несколько раз выше соотношения природный газ : воздух. Наличие многоструйной зоны будет влиять на характеристику сносящего потока и на развитие каждой отдельной струи в этом потоке.

При расчете струйных смесителей горелок для сжигания отбросных  газов, содержащих примеси, необходимо учитывать следующее:

• дальнобойность струи в закрученном потоке зависит в основном от действительной скорости сносящего потока в каждой данной точке смесителя;
• действительная скорость потока определяется углом подъема его по спирали, который меняется по длине смесителя;
• угол подъема по спирали зависит главным образом от изменения аксиальной скорости потока вследствие увеличения объема протекающей смеси от добавляющегося в виде струи компонента;
• тангенциальная составляющая скорости закрученного потока обусловлена конструкцией вихревого устройства и практически неизменна по длине смесителя (трением закрученного потока о стенки смесителя можно пренебречь).

Для расчета такого струйного  смесителя предложена следующая  методика.

Действительная скорость потока в любой точке смесителя может быть найдена по формуле:

                     

                                      (1)

где - аксиальная скорость потока в данной точке смесителя, м/с;

φ_i - угол между векторами действительной и тангенсальной составляющих скорости потока в той же точке, град.

Текущее значение аксиальной скорости потока зависит, в свою очередь, от объема протекающей смеси V_см и живого сечения смесителя F:

              (2)                                          (3)

где - объем газ, м³/с; - объем струи воздуха, проходящего через данное сечение смесителя, м³/с; F – живое сечение смесителя на расстоянии х от закручивающегося аппарата, м².

Угол подъема потока по спирали в каждой данной точке  φ_i можно найти из выражения:

                        

                            (4)

где - тангенциальная составляющая скорости потока, м/с.

Согласно принятым допущениям:

                     

                          (5)

где - аксиальная скорость потока на входе в смеситель (х       0), м/с; φ₀ – начальный угол закручивания истока перед входом в смеситель (х       0), град.

С целью упрощения расчета  весь смеситель графически разбивают  по длине на i кольцевых зон таким образом, чтобы выполнялось следующее условие:

                              iΔ=l                                             (6)

где Δ – длина одной  зоны, м; l – длина смесителя, м.

Если принять, что в  каждой зоне все параметры потока, смеси и струи неизменны, то объем  струйного компонента распределяется по зонам равномерно, т.е. если необходимо смешать компонент А со струйным компонентом В, то объем струйного компонента в каждой зоне смесителя будет равен В/i м³/с. В то же время объем потока в той же зоне будет равен А+В/i м³/с. Следовательно, аксиальную скорость можно выразить в зависимости от начальных расходов газа и воздуха, т.е.

                      

                               (7)

Решая систему уравнений (4), (5), и (7) относительно φ_i, найдем угол подъема потока в данной зоне:

              

                            (8)

Действительную скорость потока в данном сечении можно  вычислить по уравнению:

         

                     (9)

Для определения диаметра отверстия струи d (м) в работе предложено выражение:

                            

                            (10)

где h – средняя дальнобойность струи, м; К – коэффициент расхода, зависящий от угла атаки, структуры струи и расстояния между отверстиями, расположенными в один ряд (рис. 1.3); ω_с, ω_п – скорости истечения струи и сносящего потока, м/с; р_с, р_п – плотности струи и потока, кг/м³.

Используя выражения (9) и (10), можно найти диаметр отверстия  струи в данной зоне:

              (11)

Одним из важных расчетных  параметров струи является ее диаметр (D_с) на расстоянии, равном дальнобойности струи h.

Рис.1.3 Зависимость коэффициента расхода К от относительного шага между отверстиями s/d (к расчету струйного смесителя)

В литературе имеются данные о зависимости D от h и от отношения количеств движения струи и сносящего потока. Рекомендуется следующее выражение для расчета:

            (12)

где V_с и V_п – средние расходы струи и сносящего потока.

Выражение (12)  применимо  в первом приближении для струи  с углом раскрытия около 18^о, что характерно для сжигания медленно горящих газов, когда желательно использовать низкие располагаемые напоры и, следовательно, сниженные скорости в проточной части горелок.

Для реализации принципа, направленного  на предельно возможное укорочение факела пламени, авторы рекомендуют применить двухфронтовое зажигание, позволяющее сократить длину факела пламени в несколько раз.

Основные условия возникновения  двухфронтового эффекта заключаются в следующем. Опытным путем определено, что периферийная зона воспламенения возникает при соотношении диаметров туннеля D_т и кратера горелки D_к, равном 2-3. Приосевая зона воспламенения возникает при замкнутом течении потока в факеле. Условия разомкнутого течения определяются степенью закручивания факела и соотношением диаметров осевого стабилизатора D_ст и кратера горелки (втулочное соотношение). Закручивание потока на выходе из смесителя горелки обеспечивается лопастным завихрителем с углом наклона лопастей около 45^о. Втулочное соотношение при этом выбирают в пределах D_ст/ D_к = 0,4 – 0,5. Схематическое изображение струйного смесителя газомазутной горелки представлено на рис.1.4.