Горючие отходы химических производств и их утилизация

Рис.1.4 Смеситель отбросного газа и воздуха газомазутной горелки

1-мазутная форсунка                     3-камера сгорания

2-воздушный короб                       4-кольцевой канал

Применение горелочных устройств  с диффузионным регулированием для  сжигания отбросных газов химических производств позволяет значительно  повысить эффективность использования  горючих вторичных энергоресурсов. Диффузионное регулирование топочных процессов при сжигании газа основано на изменении условий распределения  газовых струй в воздушном  потоке горелочных устройств.

Конструктивные особенности  горелочных устройств с диффузионным регулированием позволяют, в частности, изменять во время работы форму, размер и расположение отверстий для  выхода газа.

Горелочное устройство с  центральной подачей газа. В полости  центральной газовой трубы помещен  шток с червячной резьбой и сальным уплотнением. С помощью штока внутри трубы движется небольшой золотник, перемещая который, можно включать один из вариантов рассверловки газовыпускных отверстий. В горелке может быть осуществлено 3-5 вариантов рассверловки отверстий. Применяя такую горелку, можно сжигать га в факеле с различными характеристиками – от очень короткого бесцветного прозрачного до длинного светящегося непрозрачного. При сжигании в такой горелке отбросных газов с низкой теплотворной способностью оптимальным вариантом положения золотника оказался тот, при котором щели для выхода газа полностью открыты.

Для сжигания отбросного газа на Новомосковском производственном объединении  «Азот» были применены горелки с  диффузионном регулированием, позволяющим  перераспределять газ в осевом и  радиальном направлениях. В каждой горелке можно сжигать совместно  или раздельно газы двух типов. Это  привело к повышению эффективности  работы парогенератора, поскольку раньше в нем для сжигания отбросного газа были выделены отдельные горелки.

Горелки с диффузионным регулированием, установленные на двух парогенераторах типа БКЗ – 75-39 ГМ ТЭЦ Чирчикского ПО «Электрохимпром», были использованы для сжигания ретурного газа. До 1975 года этот газ сжигался открытым факелом. Наличие в регулируемых горелках двух газовых каналов позволило подавать ретурный газ в радиальном направлении, а природный – по кольцу между первичным и вторичным потоками воздуха. Такое сочетание привело к созданию устойчивого факела и полному выгоранию газа при незначительном избытке воздуха.

В настоящее время горелочные устройства с диффузионным регулированием внедрены на многих теплогенераторах химических предприятий, где образуются сбросные горючие газы.

 1.4.2 Горелки для сжигания водорода

Конструкции горелок для  сжигания водорода значительно отличаются от конструкции горелок для сжигания природного газа, что обусловлено  специфическими свойствами водорода. В связи с высоким коэффициентом диффузии водорода для его сжигания можно использовать горелки диффузионного типа. Они позволяют осуществлять контролируемое, бесшумное, с диапазоном от 0 до 100%, сжигание водорода. Ввиду отсутствия предварительного смешения с воздухом горелки очень просты. Процесс горения в них зависит от трех факторов: числа отверстий, диаметра отверстий и давления топлива. Однако нужно иметь ввиду, что при уменьшении подачи водорода вследствие меньшего диаметра отверстий может быть обратный проскок пламени.

  Диффузионная горелка может быть использована для сжигания пропана, природного газа, смесей с содержанием до 50% инертных компонентов, а также чистого водорода (100%). Конструкция горелки обеспечивает высокую степень смешения воздуха и газа, т.е. высокую эффективность сжигания, устойчивость пламени, гибкость управления, низкий уровень шума. Горелки очень экономичны (нет недожога топлива); полное сжигание достигается при избытке воздуха, равном 1,02. Изменяя конструктивные характеристики горелки (но не нарушая принцип конструкции), можно получать факел различной конфигурации.

Для сжигания водорода может  оказаться очень эффективным  использование каталитических горелок, позволяющих производить самозапуск при низких температурах. При конструировании  таких горелок нужно предусмотреть  выполнение следующих условий: скорость смешения водорода с воздухом должна быть выше скорости распространения  пламени; соотношение водорода и воздуха в смеси должно быть таким, чтобы не произошло самовоспламенения; в области горелки не должно быть предметов (тел), температура которых выше температуры самовозгорания.

Достоинства каталитических горелок: полное отсутствие загрязнения  атмосферы; высокий КПД установки благодаря направленному излучению; равномерное распределение температур вдоль нагреваемой поверхности (благодаря возможности приспособить форму поверхности горения к форме поверхности нагрева), диапазон регулирования производительности от 0 до 100% без нарушения процесса горения; бесшумность.

Наилучшим катализатором  является платина (раствор PtCl в воде).

Наличие электролитического водорода, с одной стороны, и потребность  в тепле для выпарки раствора щелочи (либо упаривание раствора поваренной соли) в производствах каустической соды – с другой, является выгодным сочетанием для использования водорода в качестве топлива при осуществлении  указанных технологических процессов. Для этой цели в НПО «Техэнергохимпром» предложен контактный выпарной аппарат  с горелкой погружного горения.

Водород образует с кислородом воздуха горючую смесь, которая  воспламеняется и горит с большой  скоростью, что часто приводит к  взрыву. Поэтому необходимо автоматическое управление процессом сжигания водорода. Скорость горения водорода зависит от концентрации кислорода в смеси и колеблется в пределах 1,2 – 10,0 м/с. При сжигании водорода в смеси с воздухом максимальная скорость горения достигает 2,6 м/с. Если скорость газового потока, поступающего в горелку, меньше скорости распространения пламени, факел будет постепенно перемещаться внутрь канала, пока не достигнет горючей смеси, произойдет взрыв. Чтобы предотвратить это явление, очень важно знать скорости распространения пламени (ω_р.п.=1,6 м/с при стехиометрическом составе смеси6 29,5 %  газа, 70,5 % воздуха).

Теплота сгорания смеси, поступающей  на сжигание в горелку, обеспечивает высокую температуру продуктов  сгорания (t_теор ≈ 2190 ^оС), что требует подбора термостойкой футеровки для камеры сгорания. Чтобы предотвратить возврат пламени из камеры сгорания в питательный трубопровод, рекомендуется поддерживать скорость горючей смеси в трубе смесителя около 25 м/с.

Для расчета погружных  водородных горелок предлагается использовать методику, разработанную Харьковским  филиалом УКРНИИХИММАШа. По этой методике определяют количество продуктов сгорания электролитического водорода в горелочном устройстве. При этом рекомендован теоретический коэффициент избытка  воздуха, т.е. α=1. Задаваясь температурами  упаренного раствора и дымовых газов  на выходе из аппарата, находят количество выпаренной влаги и общее количество дымовых газов, покидающих аппарат. Определив эти величины, составляют материальный и тепловой баланс.

Принципиальная технологическая  схема использования тепла сжигания водорода приведена на рис.1.5. Исходный раствор каустической соды поступает из электролизеров в выпарной аппарат 2 с погружной горелкой 1. В горелку выпарного аппарата газодувкой 6  подается сжатый воздух; водород поступает в горелку из магистрального трубопровода.

В выпарном аппарате раствор  частично упаривается, по достижении заданной концентрации он выгружается с помощью насоса 5 направляется на выпарные установки для окончательного упаривания. Образовавшаяся в аппарате парогазовая смесь (смесь топочных газов с водяными парами) проходит через сепаратор, жалюзийный брызгоуловитель (где улавливаются капли раствора), выходит из аппарата и поступает в контактный теплообменник 3. Здесь парогазовая смесь охлаждается в результате контакта с исходным холодным рассолом поваренной соли, а рассол нагревается.

Нагрев рассола происходит вследствие конвективного теплообмена  капель рассола с сухими компонентами парогазового потока, а также в  результате конденсации на поверхности  капель водяных паров, содержащихся в парогазовом потоке. Осушенные  и охлажденные продукты сгорания электролитического водорода после контактного теплообменника 3 сбрасываются в атмосферу. Нагретый раствор после теплообменника насосом 4 направляется на электролиз. В процессе нагрева холодного рассола в него переходит конденсат водяного пара из парогазового потока, отходящего из выпарного аппарата 2, поэтому концентрация исходного холодного раствора должна быть несколько увеличена.

Рис.1.5 Принципиальная технологическая схема использования тепла сжигания водорода

                     1 – погружная горелка                                     4 – насос

                     2 – выпарной аппарат                                      5 – насос

                     3 – контактный теплообменник                     6 – газодувка

 

Выпарной аппарат состоит  из корпуса, горелки, сепаратора и циркуляционной трубы. Корпус аппарата представляет собой  цельносварной целиндрический сосуд  с эллиптическим днищем и съемной  эллиптической крышкой, на которой  установлена горелка  циркуляционной трубой. На эллиптическом днище имеется штуцер для опорожнения аппарата.

На цилиндрической поверхности  корпуса аппарата предусмотрены  штуцера для установки контрольно-измерительных  приборов, входа и выхода раствора.

Горелка состоит из камеры смешения водорода с воздухом (смесителя) и камеры сгорания смеси. Воздух поступает  в смеситель по трубопроводу и  далее через лопастной завихритель направляется в камеру сгорания.

Через отверстия в подводящих трубах в смеситель поступает  водород, входящий в поток воздуха  перпендикулярно его движению. Подготовленная водородовоздушная смесь зажигается и горит в камере сгорания.

Зажигание газовоздушной  смеси осуществляется запальником, установленным по оси горелки. Верхняя  часть запальника снабжена смотровым  окном, над которым установлен фотоэлемент  для контроля пламени в горелке.

Циркуляционная труба  выполнена из обечайки с окнами выше уровня раствора. Труба обеспечивает направленную циркуляцию упариваемого раствора во всем объеме аппарата, что интенсифицирует процесс теплообмена.

Сепаратор представляет собой  жалюзийный брызгоуловитель. На крышке сепаратора установлен предохранительный  клапан с разрывным диском.

Принцип действия выпарного  аппарата следующий. Продукты сгорания выходят из погружной горелки, барботируют через упариваемый раствор и поднимаются вверх по кольцевому сечению циркуляционной трубы, отдавая тепло раствору. Образовавшаяся в зоне барботажа парогазовая смесь выходит вместе с раствором из циркуляционной трубы в паровое пространство над уровнем раствора в аппарате, где происходи разделение газожидкостной смеси. Далее парогазовая смесь поступает в сепаратор с брызгоулавливающим устройством и выходит из аппарата.

Исходный раствор падают в аппарат постоянно в заданном количестве. Тепловая нагрузка горелки  поддерживается подачей водорода в  горелку в соответствии с подачей  исходного раствора.

На рис. 1.6 приведена принципиальная схема получения хлора и каустической соды диафрагменным методом. Раствор  поваренной соли, предварительно подогретый в теплообменнике 1, поступает в  электролизер 2. Образующийся в результате электролиза раствора поваренной соли раствор каустической соды направляется на предварительную упарку в аппарат 8 с погружной горелкой, откуда циркуляционным насосом 9 подается на окончательную доупарку в выпарные установки 3 – 5, 7. Для отвода кристаллов поваренной соли предусмотрена центрифуга 6.

Рис.1.6 Схема использования  водорода для предварительной упарки раствора каустической соды (диафрагменный  метод)

          1 – теплообменник                                     6 - центрифуга

          2 – электролизер                                         8 – аппарат с погружной горелкой

          3, 5, 7 – выпарные установки                    9 – насос

В аппарате 8 используется тепло  продуктов сгорания газообразного  водорода, образующегося в процессе электролиза раствора поваренной соли в электролизере 2.

На рис.1.7 приведена схема  использования водорода для предварительной  упарки раствора поваренной соли в  производстве хлора и каустической соды ртутным методом.

Рис.1.7 Схема использования  водорода для предварительной упарки раствора поваренной соли в производстве хлора и каустической соды (ртутный  метод)

         1 – теплообменник                                   5 – аппарат с погружной горелкой

         2, 3 – выпарные  установки                     6 – насос 

         4 – электролизер

 

 

Заключение

 

Рациональное использование  ВЭР обеспечивает большие экономические  выгоды благодаря увеличению масштабов  производства при неизменном размере  сырьевой базы, а также удешевлению  издержек на топливо и энергию  и, следовательно, снижению стоимости  основной технологической продукции. Кроме того, использование ВЭР приводит к снижению капитальных затрат в смежных отраслях (топливодобывающей, энергетической, на транспорте) и к экономии производственных фондов в масштабе всего народного хозяйства.