Реализация технологии некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота на мусоросжигательном заводе
Введение
Очистка воздуха,
загрязненного выхлопными выбросами автотранспорта, теплоэлектростанций,
химических и нефтехимических производств, является актуальной проблемой.
Наиболее опасными токсичными примесями, содержащимися в газовых выбросах,
являются монооксид углерода (СО), углеводороды (СН) и оксиды азота (NOx).
Метод каталитической
очистки в настоящее время признан наиболее эффективным. Особенностью
экологического катализа являются низкие концентрации веществ в газовых системах
и необходимость обеспечения высокой степени превращения токсичных веществ, до
уровня предельно допустимых концентраций (ПДК). К катализаторам очистки газовых
выбросов предъявляют жесткие требования: высокая каталитическая активность, селективность,
термостабильность, механическая прочность, небольшое гидравлическое сопротивление,
стабильность в течение длительного времени работы, эффективность при больших
объемных скоростях газового потока.
Глава 1. Методы получения
азотной кислоты
Различают производство
слабой (разбавленной) азотной кислоты и производство концентрированной азотной
кислоты. Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех
стадий:
1) конверсии аммиака с
целью получения оксида азота
4NH3 + 5О2
→ 4NO + 6Н2О
2) окисления оксида азота
до диоксида азота
2NO + О2 →
2NO2
3) абсорбции оксидов
азота водой
4NO2 + О2
+ 2Н2О → 4HNO3
Суммарная реакция
образования азотной кислоты выражается
NH3 + 2О2
→ HNO3 + Н2О
Производство азотной
кислоты по схеме АК-72.
В основу схемы АК-72,
разработанной в СССР, положен замкнутый энерготехнологический цикл с
двухступенчатой конверсией аммиака и охлаждением нитрозных газов под давлением
0,42–0,47 МПа и абсорбцией оксидов азота при давлении 1,1—1,26 МПа; продукция
выпускается в виде 60%-ной HNO3. Первый агрегат АК-72 мощностью 380
тыс. т/год был пущен в 1976 г. Принципиальная технологическая схема процесса
приведена на рисунке 1.1.
Рисунок1.1
–Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72: 1 – ресивер; 2 – испаритель; 3, 24 –
фильтры; 4, 15 – подогреватели; 5 – рекуперационная турбина; 6 – реактор
каталитической очистки; 7 – смеситель; 8 – топочное устройство; 9 – продувочная
колонна; 10 – абсорбционная колонна, 11, 14 – водяные холодильники; 12, 23 –
компрессоры; 13 – газовый промыватель; 16, 18 – холодильники нитрозных газов;
17 – деаэрационная колонна; 19 – котел-утилизатор; 20 – контактный аппарат; 21
– барабан с сепарационным устройством; 22 – смесительная камера; 25 – труба для
забора воздуха
Воздух забирают из
атмосферы через трубу 25, очищают от пыли в фильтре 24, сжимают воздушным
компрессором 23 до 0,42 МПа и, разделив на два потока, подают в контактный
аппарат и подогреватель аммиака. Жидкий аммиак (парожидкостная смесь) через
ресивер 1 поступает в испаритель 2, где испаряется при 10–16 °С и давлении 0,6
МПа.
После испарителя
газообразный аммиак очищают от масла и механических примесей в фильтре 3 и
направляют в подогреватель аммиака 4, где он нагревается до 80–120 °С воздухом.
Очищенный воздух и аммиак
поступают в смесительную камеру 22 контактного аппарата 20. Образующаяся
аммиачно-воздушная смесь содержит 9,6–10,0% NH3. Пройдя тонкую
очистку в фильтре, встроенном в контактный аппарат, аммиачно-воздушная смесь
поступает на двухступенчатый катализатор, состоящий из трех платиноидных сетоь
и слоя неплатинового катализатора. Нитрозные газы при температуре 840–860 °С
поступают в котел-утилизатор 19, расположенный под контактным аппаратом, где за
счет их охлаждения получают пар давлением 40 МПа с температурой 440 °С. Котел
питают химически очищенной водой, деаэрированной в колонне 17. Деаэрированная
вода проходит теплообменник 16, где нагревается нитрозными газами до 150 °С,
экономайзер 18 и затем поступает в барабан котла-утилизатора 21.
В промывателе происходит
одновременно с охлаждением промывка нитрозных газов от нитрит-нитратных солей и
дальнейшая конденсация азотной кислоты. Кислота из нижней части промывателя
подается в абсорбционную колонну 10, а нитрозные газы сжимаются в компрессоре
12 до 11–12,6 МПа, нагреваясь при этом до 210–230 °С. После сжатия нитрозные
газы охлаждают в холодильнике 16 до 155–165 °С. в холодильнике 11 второй
ступени до 60–65 °С и подают в абсорбционную колонну 10. На тарелках колонны
расположены земеевики для охлаждения кислоты. Сверху в колонну поступает
паровой конденсат (Н2O) с температурой не выше 40 °С. Снизу колонны
выводится 58–60%-ная азотная кислота; она поступает в продувочную колонну 9 для
удаления растворенных в ней оксидов азота и далее направляется в хранилище.
Отходящий газ из
абсорбционной колонны нагревается в подогревателе (топочном устройстве) 8,
смешивается в смесителе 7 с природным газом и подогретый до 480 °С направляется
на каталитическую очистку от оксидов азота в реактор. Катализатором очистки
служит алюмопалладиевый катализатор АПК-2. После каталитического разложения
выхлопные газы, содержащие до 0,008% оксидов азота при температуре 750 °С,
поступают в рекуперационную турбину 5, входящую в состав газотурбинного
агрегата. Здесь тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую с
одновременным снижением давления газа до 0,95–1,05МПа. Энергия, вырабатываемая
в газовой турбине, используется для привода компрессоров 12 и 23 (нитрозного и
воздушного).
Производство слабой
азотной кислоты под повышенным давлением.
В 1960-х годах разработан
агрегат по производству азотной кислоты мощностью 120 тыс. т год под давлением
0,716 МПа с использованием высокотемпературной каталитической очистки выхлопных
газов, выпускающий продукцию в виде 53-58%-ной HNO3 [1]. При
разработке этой схемы были пересмотрены вопросы экономической эффективности
производства по схеме АК-72, в результате чего уменьшена мощность установки с
380 тыс. тонн до 120 тыс. тонн в год и снижено давление во всей схеме. В
частности, абсорберы работают при давлении 0,5–0,7 МПа. Улучшена схема очистки
хвостовых газов.
Производство
концентрированной азотной кислоты прямым синтезом из оксидов азота.
Прямой синтез HNО3
основан на взаимодействии жидких оксидов азота с водой и газообразным
кислородом под давлением до 5 МПа по уравнению 2N2O4 + O2
+ 2H2O → 4HNO3
100%-ный диоксид азота
при атмосферном давлении и температуре 21,5 °С полностью переходит в жидкое
состояние. При окислении аммиака полученный NO окисляется в NO2,
содержание которого в газовой смеси составляет около 11%. Перевести диоксид
азота такой концентрации в жидкое состояние при атмосферном давлении не
представляется возможным, поэтому для сжижения оксидов азота применяют
повышенное давление.
Концентрирование азотной
кислоты с помощью водоотнимающих веществ. Получить концентрированную азотную
кислоту перегонкой разбавленной кислоты невозможно. При кипении и перегонке
разбавленной азотной кислоты ее можно упарить лишь до содержания 68,4 % HNO3
(азеотропная смесь), после чего состав перегоняемой смеси не изменится [1].
В промышленности
перегонку разбавленных водных растворов азотной кислоты осуществляют в
присутствии водоотнимающих веществ (концентрированная серная кислота, фосфорная
кислота, концентрированные растворы нитратов и др.). Применение водоотнимающих
веществ дает возможность понизить содержание водяных паров над кипящей смесью и
увеличить содержание паров азотной кислоты, при конденсации которых получается
98%-ная HNО3.
Технологическая схема
концентрирования азотной кислоты с применением серной кислоты показана на
рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Схема
концентрирования разбавленной азотной кислоты в присутствии серной кислоты: 1, 4 – напорные баки для азотной и
серной кислоты; 2 – контрольные фонари; 3 – испаритель разбавленной азотной
кислоты; 5 – коробка для регулировании подачи кислоты,;6 – концентрационная
колонна, 7 – холодильник конденсатор; 8 – холодильник кислоты, циркулирующей в
башне; 9 –вентилятор: 10 – поглотительная башня; 11 – сборник; 12 – насос; 13 –
холодильник концентрированной азотной кислоты, 14 – холодильник отработанной
серной кислоты
Разбавленная азотная
кислота из напорного бака 1 подается в колонну 6 через два расходомера 2,
включенные параллельно. Один поток кислоты проходит в испаритель 3 и подается в
виде смеси жидкости и пара на 10-ю тарелку колонны 6, другой поток без
подогрева поступает на вышележащую тарелку [1].
Серная кислота из
напорного бака 4 через регулятор 5 подается в верхнюю часть колонны 6 выше
ввода холодного потока азотной кислоты. В нижнюю часть колонны вводится острый
пар, при нагревании которым из тройной смеси начинает испаряться азотная
кислота.
Пары азотной кислоты при
температуре 70–85 °С, поднимаясь вверх, выходят через штуцер в крышке колонны и
поступают в холодильник-конденсатор 7. В этих парах имеются примеси оксидов
азота и воды.
В
холодильнике-конденсаторе пары азотной кислоты при температуре около 30 °С
конденсируются с образованием 98–99%-ной HNО3, при этом оксиды азота
частично поглощаются этой кислотой. Концентрированная азотная кислота, содержащая
оксиды азота, направляется на две верхние тарелки и проходит их
последовательно, причем оксиды выдуваются из раствора парами азотной кислоты,
поступающими в конденсатор 7. Несконденсировавшиеся пары азотной кислоты и
выделившиеся оксиды азота направляют на абсорбцию в башню 10, орошаемую водой.
Полученная 50%-ная кислота поступает в сборник 11 и вновь направляется на
концентрирование. Концентрированную азотную кислоту после охлаждения направляют
на склад готовой продукции.
Отработанная серная
кислота, содержащая 65–85% H2SO4, поступает на
концентрирование. При концентрировании азотной кислоты с применением 92–93%-ной
серной кислоты расход последней значительно сокращается при подаче на
концентрирование 59–60%-ной HNO3 вместо 48–50%-ной. Поэтому в некоторых
случаях выгодно проводить предварительное концентрирование 50%-ной HNO3
до 60%-ной путем простого упаривания.
Большим недостатком
концентрирования азотной кислоты с помощью серной кислоты является высокое
содержание паров и тумана H2SO4 в выхлопных газах после
электрофильтров (0,3–0,8 г/м3 газа). Поэтому серную кислоту
заменяют, например, нитратом магния или цинка.
Концентрирование азотной
кислоты с помощью нитрата магния.
Этот способ
концентрирования обеспечивает получение чистой концентрированной азотной
кислоты без вредных выбросов в атмосферу. Однако у него есть ряд существенных
недостатков, не позволяющих использовать такой способ повсеместно. В первую
очередь это связано с повышенной по сравнению с другими способами
себестоимостью получаемого продукта и проблемы утилизации трудно
перерабатываемых твердых отходов.
Такая схема реализована в
ряде производств химической технологии. К достоинствам этого
химико-технологического процесса относятся: 1) использование теплоты
промежуточных реакций для сжатия сырья (рекуперация энергии); 2) возможность
организовать тщательную очистку отработанных газов [1].
Технологическая схема
производства азотной кислоты под давлением 0,7 МПа.
Атмосферный воздух
проходит тщательную очистку в двухступенчатом фильтре 1 (первая ступень фильтра
выполнена из лавсановой ткани, вторая – из ткани Петрянова). Очищенный воздух
сжимают двухступенчатым воздушным компрессором. В первой ступени 18 воздух
сжимают до 0,35 МПа, при этом он нагревается до 165–175 °С за счет адиабатического
сжатия. После охлаждения воздух направляют на вторую ступень сжатия 16, где его
давление возрастает до 0,716 МПа.
Рисунок 2. -Схема
производства азотной кислоты под давлением 0,7 МПа: 1 – фильтр воздуха; 2 – реактор
каталитической очистки; 3 – топочное устройство; 4 – подогреватель метана; 5 –
подогреватель аммиака; 6 – смеситель аммиака и воздуха; 7 –
холодильник-конденсатор; 8 – сепаратор; 9 – абсорбционная колонна: 10 - продувочная
колонна; 11 – подогреватель отходящих газов; 12 – подогреватель воздуха; 13–
сосуд для окисления нитрозных газов; 14 – контактный аппарат; 15 –
котел-утилизатор; 16, 18 – двухступенчатый турбокомпрессор: 17 – газовая
турбина
Основной поток воздуха
после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 12 до 250–270 °С теплотой
нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 6.
Газообразный аммиак,
полученный путем испарения жидкого аммиака, после очистки от влаги, масла и
катализаторной пыли через подогреватель 5 при температуре 150 °С также
направляют в смеситель 6. Смеситель совмещен в одном аппарате с поролитовым
фильтром. После очистки аммиачно-воздушную смесь с содержанием NH3
не более 10% подают в контактный аппарат 14 на конверсию аммиака.
Конверсия аммиака
протекает на платинородиевых сетках при температуре 870–900 °С, причем степень
конверсии составляет 96%. Нитрозные газы при 890–910 °С поступают в
котел-утилизатор 15, расположенный под контактным аппаратом. В котле за сжег
охлаждения нитрозных газов до 170 °С происходит испарение химически очищенной
деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар с
давлением 1,5 МПа и температурой 230 °С, который выдается потребителю.
После котла-утилизатора
нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов 13. Он представляет собой
полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для
улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов
происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%).
В окислителе 13 степень
окисления возрастает до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы
нагреваются до 300–335 °С. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 12.
Охлажденные в теплообменнике 12 нитрозные газы поступают для дальнейшего
охлаждения в теплообменник 11, где происходит снижение их температуры до 150 ºС
и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110–125 °С. Затем нитрозные газы
направляют в холодильник-конденсатор 7, охлаждаемый оборотной водой. При этом
конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы
отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 8, из которого
азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну 9 на 6–7-ю тарелку, а
нитрозные газы – под нижнюю тарелку абсорбционной колонны. Сверху в колонну
подают охлажденный паровой конденсат.
Образующаяся в верхней
части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие
тарелки. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно
увеличивается и на выходе достигает 55–58%, причем содержание растворенных в
ней оксидов азота достигает ~1%. Поэтому кислота направляется в продувочную
колонну 10, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и отбеленная
азотная кислота поступает на склад. Воздух после продувочной колонны подается в
нижнюю часть абсорбционной колонны 9.
Степень абсорбции оксидов
азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов
азота до 0,11% при температуре 35 °С проходят подогреватель 11, где нагреваются
до 110–145 °С и поступают в топочное устройство (камера сжигания) 3 установки
каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390–450 °С за
счет горения природного газа, подогретого предварительно в подогревателе 4, и
направляются в реактор с двухслойным катализатором 2, где первым слоем служит
оксид алюминия, с нанесенным на него палладием, вторым слоем – оксид алюминия.
Очистку осуществляют при 760 °С.
Очищенные газы поступают
в газовую турбину 17 при температуре 690–700 °С. Энергия, вырабатываемая
турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода
турбокомпрессора 18. Затем газы направляют в котел-утилизатор и экономайзер (на
схеме не показаны) и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в
очищенных выхлопных газах составляет 0,005–0,008%, содержание СО2 –
0,23%.
Глава 2. Реализация
технологии некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота на
мусоросжигательном заводе
Процессы
термического обезвреживания отходов сопровождаются образованием комплекса
загрязняющих веществ, которые выбрасываются с дымовыми газами в атмосферу. В их
числе оксиды азота (NOx), хлорид и фторид водорода, оксиды серы,
зола, сажа, диоксины и фураны. В связи с этим, наряду с максимально полным
использованием энергетического потенциала органической составляющей отходов
возникает необходимость снижения до требуемых норм содержания опасных
загрязняющих веществ в дымовых газах мусоросжигательных установок. С этой целью
современные установки термического обезвреживания отходов должны быть оборудованы
многоступенчатыми системами газоочистки. В соответствии с нормативами ЕС
содержание NOx в дымовых газах мусоросжигательных установок не
должно превышать 200 мг/м3 (в пересчете на NO2 при
содержании 11 об. % О2 в сухом газе). Фактическая концентрация NOx
достигает 600 мг/м3 и более. В мировой практике для очистки от NOx
дымовых газов тепловых агрегатов, в том числе мусоросжигательных котлов,
в основном используются технологии селективного каталитического восстановления
(СКВ) или селективного некаталитического восстановления (СНКВ). Они основаны на
восстановлении NOx аммиаком или карбамидом до молекулярного азота:
4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O,
2CO(NH2)2 + 4NO + O2 = 4N2
+ 2CO2 + 4H2O.
Принципиальное
различие технологий СКВ и СНКВ заключается в том, что в процессах СКВ
эффективное восстановление NOx происходит на поверхности
катализатора при температуре 200–400 °С, а в процессах СНКВ — в газовой фазе
при температуре 850–1 050 °С. Основное преимущество методов СНКВ — отсутствие
необходимости использования катализатора и оборудования для его размещения. В
связи с этим, по разным оценкам, стоимость строительства систем СНКВ примерно
на порядок ниже, чем установок СКВ. В РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина
разработаны процессы некаталитической очистки с использованием аммиака и
карбамида в качестве восстановителя оксидов азота. Системы очистки используются
в тепловых агрегатах с объемом дымовых газов от 10 000 до 400 000 м3/ч.
Эффективность очистки газов в промышленных условиях составляет от 75 до 90 %. Система
некаталитической очистки газов с использованием в качестве восстановителя
карбамида реализована на трех технологических линиях Московского
мусоросжигательного завода № 2. Технологическая схема системы очистки приведена
на рис. 1.
Рис.
1. Технологическая схема системы очистки дымовых газов от NOx на
Московском мусоросжигательном заводе № 2
На
рис. 2 приведен пример рабочей диаграммы, отражающей изменения основных
параметров процесса очистки газов во времени.
Рис.
2. Технологические показатели процесса очистки в режиме реального времени: 1 —
концентрация NH3 в дымовых газах, мг/нм3; 2 —
концентрация NОx в дымовых газах, мг/нм3; 3 — расход
раствора карбамида, кг/ч; 4 — расход пара, кг/ч; 5 — расход дымовых газов, нм3/ч
По
основным технологическим показателям (степени очистки газов от оксидов азота и
содержанию аммиака в очищенных газах) система очистки превосходит зарубежные
аналоги, а ее стоимость примерно на порядок ниже. Внедрение технологии очистки
на Московском мусоросжигательном заводе № 2 сэкономило около 4 млн дол. США. Полученные
результаты показывают, что использование в мусоросжигательных установках и
других тепловых агрегатах технологии СНКВ обеспечивает:
–
выполнение современных нормативов по выбросам оксидов азота с дымовыми газами;
–
достижение перспективных, более жестких нормативов.
В
связи с переводом подавляющего большинства ТЭС и котельных Европейской части
России на природный газ одним из основных загрязняющих атмосферу компонентов
дымовых газов становятся оксиды азота (NO,), которые, обладая высокой токсичностью, способны
образовывать еще более токсичные комплексы, а также способствовать образованию
фотохимических туманов (смогов). Если переход на сжигание "чистых" с
точки зрения загрязнения воздушного бассейна топлив позволяет резко сократить,
а иногда полностью ликвидировать все прочие выбросы токсогенов, то на
сокращение оксидов азота это не существенно не влияет. В то же время
единственным способом получения оксидов азота для промышленного производства
азотной кислоты является каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха с
последующим поглощением полученных оксидов азота водой. При этом стоимость
азотной кислоты, полученной на основе этих процессов, является высокой, а
произвоство энергозатратным и экологически опасным. осударственного технического
университета разработаны периодический и непрерывный способы получения азотной
кислоты из дымовых газов, которые основаны на процессах очистки дымовых газов
теплогенераторов, работающих на безсернистом топливе (природном газе), от
оксидов азота с утилизацией их в форме азотной кислоты. Они позволяют резко
снизить расход тепловой и электрической энергии на проведение процесса,
утилизовать тепло дымовых газов и повысить экологические и экономические
показатели котельной установки (Заявки на изобр. РФ №2008128622, №2008138783,
2008). В основу получения азотной кислоты при очистке дымовых газов, образуемых
при сжигании природного газа, положен их состав, в котором отсутствуют оксиды
серы (SO,) (природный газ предварительно
очищают от серосодержащих компонентов), а основным вредным компонентом являются
оксиды азота (NO,), возникающие в процессе горения.
Количество NO, определяется режимом горения [1],
возможностью их быстрого окисления и поглощения конденсатом водяных паров в
присутствии озона с образованием раствора сильно разбавленной азотной кислоты
(кислого конденсата) [2], а также значениями температур замерзания чистой
азотной кислоты и ее комплексов с водой, которые значительно ниже температуры
замерзания воды (температура плавления чистой HN03 равна -42,0 "С; гидратного комплекса Н20 HNO, - -38 °С; H20-3HN03 - -18,47 °С) [3].
Глава 3. Утилизация
теплоты и снижение выбросов оксидов азота котлами путем использования
контактной комбинированной теплоутилизационной установки
Комбинированная
технология предназначена для снижения выбросов оксидов азота, понижения
температуры и утилизации теплоты уходящих газов агрегатов, сжигающих
газообразное топливо. Основу системы составляет комбинированный теплообменник,
который включает в себя контактный экономайзер и контактный
воздухоподогреватель, объединенные в общий водяной контур с циркуляционным
насосом и промежуточным теплообменником. Технология предусматривает снижение
образования оксидов азота за счет подачи в топочную камеру увлажненного и
подогретого в контактном воздухоподогревателе дутьевого воздуха. Дальнейшая
очистка происходит за счет промывания продуктов сгорания в контактном водяном
экономайзере (абсорбере) и выведения из цикла СО2 в декарбонизационной колонне.
В процессе утилизируется как явная теплота продуктов сгорания, так и скрытая
теплота конденсации содержащегося в них водяного пара. Внедрение этой
технологии позволяет снизить выбросы оксидов азота в атмосферу не менее чем на
50-60%, уменьшить на 8-10% расход топлива (природного газа) и получить конденсат,
пригодный для подпитки теплосети. Стоимость изготовления такой системы
"под ключ", например, для котла производительностью 10 Гкал
составляет около 20 тыс. долларов США; срок окупаемости составляет 1 - 1,5
года.
Система теплоутилизации с
контактным комбинированным теплообменником предназначена для снижения выбросов
оксидов азота, понижения температуры и утилизации тепла уходящих газов
агрегатов, сжигающих газообразное топливо.
Система представляет
собой комбинированный теплообменник, который включает в себя расположенные в
одном корпусе один над другим контактный экономайзер и воздухоподогреватель,
объединенные в общий водяной контур с циркуляционным насосом и промежуточным
теплообменником. Работает система следующим образом. Уходящие продукты сгорания
подаются в контактную камеру экономайзера, где при непосредственном контакте с
нагреваемой водой охлаждаются и через каплеуловитель дымососом удаляются в
дымовую трубу. Часть продуктов сгорания проходит по байпасному газоходу мимо
экономайзера для поддержания "сухого" режима дымовой трубы.
Нагретая в экономайзере
вода собирается в поддоне и насосом подается частично на водораспределитель
контактного воздухоподогревателя, откуда поступает на насадку контактной
камеры, где при непосредственном контакте с холодным воздухом охлаждается и
стекает в поддон. Остальная часть нагретой воды насосом подается через
промежуточный теплообменник на систему защиты от обмерзания, а оттуда сливается
в поддон. В теплообменнике происходит нагрев воды, подаваемой на внешние
потребители (химводоочистку, систему горячего водоснабжения и т.п.).
Охлажденная вода из поддона воздухоподогревателя через патрубки с
гидрозатворами, соединенными с водораспределителем, подается для нагрева на
насадку контактной камеры экономайзера.
Нагретый и увлажненный в
контактном воздухоподогревателе воздух подается через каплеуловитель на
всосдутьевого вентилятора. Для подсушки насыщенного влагой нагретого воздуха из
верхней зоны котельной. Увлажнение дутьевого воздуха позволяет в 2-2,5 раза
снизить выбросы оксидов азота.
Конструктивное исполнение
аппаратов (экономайзера и воздухоподогревателя) один над другим уменьшает
площадь их установки. Монтаж производится блоками квадратного сечения, что
позволяет по условиям компоновки изменять расположение газовых и воздушных
патрубков с шагом 90о.
Схема теплоутилизации и
конструкция теплообменника ЭКТ разрабатываются конкретно для каждого объекта и
постоянно совершенствуются. Дымовые газы из транзитного газохода направляются в
зону обработки А, где смешиваются с озоновоздушной смесью в камере
предварительного окисления I, в которой происходит окисление монооксидов азота (NO), находящихся в дымовых газах, до диоксидов (N02) озоном и кислородом воздуха. После этого в
теплобменно-конденсационной и абсорбционно-конденсационной секциях II и III
происходит охлаждение их до температуры ниже температуры точки росы,
конденсация водяных паров в трубчатых теплообменниках, абсорбция диоксидов
азота образовавшимся конденсатом с получением кислого конденсата (раствора
разбавленной азотной кислоты с концентрацией около 1 % по массе), стекающего в
поддон. При этом в условиях конденсации скорость кислотообразования возрастает
по сравнению с обычной абсорбцией оксидов азота в 2,6 — 9,4 раза [4]. Кислый
конденсат из поддонов секций II и III зоны обработки А насосом Б подают в
камеру 1 утилизатора В, работающую в холодном режиме, через штуцер 3 на верхнюю
наклонную щелевую полку 7, на которой он контактирует с поднимающимся снизу
потоком холодного воздуха температурой -5--15 "С, поступающим в камеру 1 через
патрубок 6. В камере 1 в результате многократного противоточного контакта
кислого конденсата на наклонных щелевых полках 7, стекающего с полки на полку
под действием силы тяжести, с потоком холодного воздуха, происходит охлаждение
конденсата от температуры 50 — 60 °С до О °С и ниже, сопровождаемое
образованием льда из воды, который остается на полках 7, а оставшаяся
незамерзшая часть кислого конденсата, представляющая собой смесь гидратных
комплексов азотной кислоты (H2OHN03 и H20-3HN03),
стекает в поддон камеры 1, откуда его через патрубок 4 направляют в емкость для
хранения азотной кислоты (на рисунке не показана). Уходящий поток нагретого
воздуха нагревается до температуры 10 — 15 "С и через патрубок 5
добавляется в дутьевой воздух перед подачей его в зону обработки А на
охлаждение дымовых газов. При этом время работы камеры 1 в холодном режиме
определяется концентрацией получаемой азотной кислоты, которую принимаютравной известной концентрации
гидратного комплекса H20-3HN03 с меньшей температурой замерзания, а именно 53
% по массе. Параллельно описанному процессу выделения азотной кислоты из
кислого конденсата в камере 1 утилизатора В, работающей в холодном режиме,
очищенные дымовые газы подают в камеру 2 утилизатора В, работающую в горячем
режиме (регенерации). Ее наклонные полки покрыты льдом, который в результате
многократного контакта с горячими дымовыми газами тает, талая вода стекает в
поддон, откуда через патрубок 4 ее направляют в сборник конденсата (на рисунке
не показан), а дымовые газы в результате многократного контакта со льдом
охлаждаются, дополнительно очищаются от оксидов азота и конденсата и через
патрубок 6, газоход и дымовую трубу (на рисунке не показаны) выводятся в
атмосферу. Время работы камеры 2 в горячем режиме принимают равным времени
работы в холодном режиме камеры 1. По окончании работы камеры 1 в холодном
режиме и опорожнении поддона от азотной кислоты ее переключают на горячий режим
работы, направляя в патрубок 5 очищенные дымовые газы из зоны обработки А. Камеру
2 переключают на холодный режим работы, направляя в нее кислый конденсат из
поддонов зоны обработки А через штуцер 3 и поток холодного воздуха через
патрубок 5, после чего цикл повторяется. При этом в зимнее время используется
наружный воздух, а при температуре выше -5 "С его охлаждают в холодильной
установке, холодопроизводительность которой определяют по максимальной летней
температуре в течение пяти дней.
Схема
установки для очистки дымовых газов от оксидов азота и получения азотной
кислоты непрерывным способом отличается от рассмотренной схемы конструкцией
утилизатора В. В качестве утилизатора В при непрерывном способе используется
вращающийся роторный утилизатор, состоящий из цилиндрического короба,
разделенного плитой на холодный и горячий сектор. В короб помещен ротор с
радиальными ячейками, заполненными насадкой, изготовленной из кислотостойкого
материала с развитой поверхностью, в которых непрерывно происходят вышеописанные
процессы замораживания и размораживания кислого конденсата с выделением
раствора 50 %-ной азотной кислоты. Экономическая и экологическая эффективность
предлагаемого способа получения азотной кислоты при очистке дымовых газов от
оксидов азота подтверждается следующим примером. При конденсации водяных паров
дымовых газов в зоне обработки А выделяется теплота в количестве 10,764
ккал/моль (2630 кДж/кг), тогда как расход холода на замерзание воды кислого
конденсата в утилизаторе Б равен 1,4363 ккал/моль (348 кДж/кг) [3], т. е.
количество утилизированной энергии в 7,5 раз превышает энергию, затраченную на
получение холода для охлаждения воздуха в теплое время года (в холодное время
холодильная установка не используется). Кроме того, при снижении концентрации оксидов
азота в дымовых газах, например, от 0,35 до 0,1 г/м3 конденсатом
водяных паров поглощается 0,25 г/м3 NO„ состоящих на 95 — 99 % из NO [3], молекулярная масса которых и соответственно масса после
их окисления до N02 и
поглощения водой увеличивается до 0,5 г на 1 м3. Расчет и справочные данные показывают, что при сжигании природного газа и коэффициенте избытка
воздуха в уходящих газах аух=1,33 средний расход дымовых газов на
единицу мощности котла (1 мВт) составляет приблизительно 1500 м/ч [6], из чего
следует, что удельное количество получаемой HNO. (в пересчете на 100 %-ную концентрацию) составит 0,5
кг/ч, или 1 кг/ч 50%-ной азотной кислоты на 1 мВт установленной мощности котла.
При времени работы котла, оснащенного предлагаемой установкой, 8000 ч в год
получаем, что I мВт установленной мощности теплогенератора обеспечит получение
8 т/год 50 %-ной азотной кислоты. Соответственно средняя ТЭС мощностью 1000
мВт, работающая на природном газе, при относительно небольших затратах на
оборудование предлагаемой установкой очистки и утилизации обеспечит, наряду с
очисткой дымовых газов от оксидов азота и удушением экологических характеристик
окружающей атмосферы в месте своего расположения, получение практически
бесплатной азотной кислоты в количестве 8000 т/год, что позволит окупить все
расходы на очистку и получить дополнительную прибыль от ее реализации. Кроме
того, попутное получение азотной кислоты хотя бы на нескольких ТЭС позволит
сократить производство азотной кислоты на специализированных предприятиях,
являющихся крупнейшими загрязнителями окружающей среды, и дополнительно (в
масштабе региона или страны) снизить выбросы вредных веществ в окружающую
среду.
Таким образом, совместный
процесс очистки дымовых газов от оксидов азота с выделением из продуктов
очистки азотной кислоты повышает экономическую и экологическую эффективность
процесса очистки дымовых газов и работы теплогенерирующей установки в целом.
Литература
очистка воздух автотранспорт теплоутилизационный
2. Ежов B.C. Снижение
вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения //
Промышленная энергетика. 2006. № 12.
3. Справочник химика. Т. I. М.-Л.:
Химия, 1965.
4. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной
мощности /Под ред. В.М. Олевского. М.: Химия, 1985.