CC BY
95
УДК 546.221
С. С. Юсупов, Ф. Р. Исмагилов, Р. Р. Сафин, З. Ф. Исмагилова, А. А. Эльмурзаев
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ПУТЕМ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВ
В связи с новыми аспектами промышленной безопасности опасных производственных объектов внимание к проблеме бесперебойного обеспечения инертным газом объектов переработки нефти и газа возрастает.
В составе нефте- и газоперерабатывающих заводов предусматриваются две системы инертного газа: низкого - до 0,8 МПа и высокого давления. Инертный газ используется для технологических нужд (создание инертных «подушек» передавливания пожаро- и взрывоопасных продуктов, для целей газового пожаротушения, для продувки и испытания на герметичность систем аппаратов и трубопроводов).
Нами разрабатываются схемы, технологии и оборудование для получения инертных газов, основанные на каталитическом сжигании топлива. В данной статье обосновывается выбор каталитического блока установки и одна из схем получения инертного газа из дымовых газов технологических печей, дизельных электростанций и др.
Суть предлагаемой схемы сводится к тому, что часть дымовых газов технологических печей газодувкой направляют в реактор каталитического досжигания для удаления нежелательных химических примесей и далее, после охлаждения, подают в блок осушки газа (рис.).
VI
IX
Схема производства инертных газов из продуктов сжигания топлива: 1 - печь; 2 - газодувка;
3 - каталитический реактор; 4 - теплообменник; 5 - адсорбер осушки;
6 - аппарат воздушного охлаждения; 7 - газовый сепаратор; I - сырье; II - воздух; III - топливо;
IV - дымовые газы; V - рециркулирующий газ регенерации;
VI, VII - исходный и нагретый газ регенерации; VIII - инертный газ потребителю
В каталитическом реакторе для уменьшения сопротивления газа используют блочные катализаторы сотовой структуры, активность которых лежит в интервале температур на уровне 400 °С, что достаточно для полного окисления продуктов неполного окисления топлива и оксида углерода, а также для восстановления оксидов азота.
Осушку очищенного от химических примесей инертного газа (СО2 + N2) осуществляют на силикагеле по двухадсорберной схеме. В качестве газа регенерации используется осушенный инертный газ.
Газ регенерации после выделения основного количества влаги в виде конденсата после охлаждения в аппарате воздушного охлаждения направляют на смешение с дымовыми газами перед газодувкой. Это позволяет решить две задачи: избежать потерь целевого инертного газа и предотвратить выбросы в атмосферу примесей, содержащихся в газах регенерации.
Нагрев инертного газа, используемого для регенерации силикагеля, осуществляют в конвективной зоне топливосжигающего устройства.
В связи с обосновываемой схемой нами рассмотрена возможность использования ряда полифункциональных катализаторов в процессах глубокого окисления различных классов органических веществ, которые используются не только в процессах очистки отходящих газов, но и в технологических процессах переработки нефти. Для анализа выбраны следующие марки промышленных катализаторов: АП-56 (ТУ 38-101486-77), АП-64 (ТУ 38-101486-77), М-2 (платина, нанесенная на нихромовую проволоку); СКТ-1-7-(ТУ 03-317-77) железохромовый среднетемпературный, СТК-2М-9 (ТУ 6-03-317-77) железохроммарганцевый среднетемпературный, используемый для конверсии СО в СО2 при производстве водорода; НКМ-УА (ТУ 6-03-223-77) никелевый низкотемпературный, используемый для очистки азотоводородной смеси от 02, СО и СО2; НТК-4 (ТУ 6-03-399-75) медно-цинкалюмохромный низкотемпературный, используемый для конверсии СО в СО2; АзИНнефтехим-966 алюмохроммедноокисный для очистки отходящих газов; медно-хромбариевый ГИПХ-105Б (ТУ 09-5525-81), используемый для гидрирования эфиров жирных синтетических кислот; ВНИИнефтехим-104 медно-хромовый (ТУ 38-10284-79).
Каждый из представленных катализаторов имеет специфические, полезные при эксплуатации качества. Так, применение отработанных и частично дезактивированных дорогостоящих катализаторов АП-56 и АП-64 позволяет продлить их эксплуатационный ресурс. Железохромовый катализатор СТК-1-7 крупной грануляции (диаметр гранул 7,5 мм, длина гранул 10-16 мм) имеет при прочих равных условиях меньшее гидравлическое сопротивление по сравнению с другими катализаторами, наиболее доступен и дешев. Никелевый катализатор НКМ-УА обладает повышенной термостабильностью, что особенно важно при очистке дымовых газов с повышенной концентрацией окисляемых примесей, т. к. при этом возрастает температура процесса.
Традиционная конструкция реакторов термокаталитической очистки дымовых и других отходящих газов аналогична конструкции распространенных реакторов с гранулированным слоем катализатора, в которых он может располагаться на одной или нескольких перфорированных тарелках, в перфорированных коаксиальных цилиндрических или конических оболочках, на стеллажах и в других устройствах.
Термокаталитическая очистка дымовых газов имеет ограничения на гидравлическое сопротивление слоя катализатора и связанные с этим ограничения толщины слоя катализатора. Это вызывает дополнительные требования к конструкции реактора, в первую очередь по увеличению площади фильтрации очищаемого газа через слой катализатора и конструктивному оформлению узлов загрузки и выгрузки катализаторов, например, при формировании тонкого слоя катализатора для многополочных конструкций.
Схема подключения реактора к технологической печи может, в отличие от схемы подключения реактора к технологическим линиям, иметь практически один вариант и включает в себя дополнительные подогреватели, когда дымовые газы не имеют достаточно высокой температуры, и напорные газодувки или дымососы, т. к. дымовые газы не имеют достаточного напора.
На линии соединения дымовой трубы с реактором возможна установка рекуператора тепла, а при недостатке кислорода в дымовых газах потребуется ввод воздуха в линию перед реактором. Очищенный газ на выходе из термокаталитического реактора даже при наличии встроенного рекуператора тепла имеет достаточную выходную температуру - в пределах 250-350 °С и может быть использован для разных целей за счет дальнейшей рекуперации тепла.
Анализ опыта разработки и эксплуатации промышленных блоков санитарной очистки отходящих газов позволяет сформулировать ряд исходных требований к созданию термокаталитических реакторов и реакторных блоков для доочистки дымовых газов с получением инертных газов.
Основные из них:
— единичную мощность системы получения инертного газа из дымовых газов целесообразно принять за 5 000 тыс. нм3/г, а при необходимости большей производительности дымовые газы следует обрабатывать в агрегатах, компонуемых из нескольких единичных модулей (блоков);
— предпочтительны унифицированные блоки, в которых основные узлы (катализаторный узел, подача воздуха со смесителем газов, газодувка, рекуперативный теплообменник) компонуются в единую конструкцию, позволяющую уменьшить металлоемкость, потери тепла в окружающую среду и необходимую производственную площадь.
Термокаталитическая очистка дымовых газов на гранулированных катализаторах, в частности оксидных, при всех ее достоинствах имеет ряд недостатков, связанных с особенностями реализации в промышленных условиях. Реактор с гранулированным катализатором имеет относительно низкую интенсивность (2 000-10 000 г-1), что требует значительных затрат катализатора и крупногабаритных реакторов. Высокое гидравлическое сопротивление слоя катализатора не позволяет очищать дымовые газы без использования дополнительного нагнетательного или отсасывающего устройства. Отмеченные недостатки частично устраняются в случае замены в реакторах слоя гранулированного катализатора на набор пластинчатых или иных элементов, на поверхность которых наносится каталитическое вещество [1-2].
В этих реакторах свободное пространство между пластинами с катализаторным покрытием, ориентированным параллельно потоку очищаемого газа, способствует интенсификации окисления нежелательных примесей дымовых газов, т. е. объемы расхода газа увеличиваются в десятки раз. Это объясняется тем, что, в отличие от окисления в слое гранулированного катализатора, зародившиеся на поверхности пластин радикалы могут переходить в свободный объем реакционной зоны между пластинами, инициируя в нем протекание цепной реакции окисления углеводородов, т. е. процесс окисления осуществляется в гетерогенно-гомогенном режиме [3]. Пластинчатые реакторы с катализаторным покрытием могут иметь различное устройство и монтироваться как самостоятельный аппарат в технологической линии или устанавливаться в виде каталитических элементов непосредственно в дымоходе, поскольку имеют низкое гидравлическое сопротивление (до 2 000 Па при расходе дымовых газов 2 • 105 г-1).
Несмотря на высокую эффективность активных катализаторных покрытий, наносимых на поверхность элементов-носителей, размещаемых в реакторе, процессы очистки газов с их использованием пока не нашли промышленного применения. Разработка теоретических основ этого процесса и экспериментальные работы также находятся на стадии накопления информации [3-4]. Внедрение процессов очистки в реакторах с катализаторным покрытием в значительной мере осложняется отсутствием инженерных методов расчета, позволяющих переходить от результатов лабораторных исследований к промышленным масштабам, хотя имеются результаты отдельных успешно проведенных опытно-промышленных испытаний и материалы по моделированию процессов в пластинчато-каталитических ректорах [4].
Помимо органических веществ - продуктов неполного окисления топлива и оксида углерода - в дымовых газах находятся также и оксиды азота. Восстановление оксидов азота - достаточно сложная проблема, в качестве восстановителей обычно используют аммиак, а также углеводороды и оксид углерода.
Для обезвреживания отходящих газов с ингредиентами, требующими различных механизмов каталитической очистки, например органических веществ и окислов азота, разработана конструкция каталитического нейтрализатора, состоящая по крайней мере из двух секций с различными каталитическими показателями, размещенных в одном общем корпусе. В одной секции происходит окисление органических веществ, в другой - восстановление окислов азота при дозированной подаче восстановителя. Возможно комбинирование пластинчато-каталитических модулей с насыпным слоем катализатора, оба варианта термокаталитической секции можно скомпоновать в одном корпусе, например, для экономии производственных площадей на промышленной установке. Более прогрессивной является очистка дымовых газов от оксидов азота с применением восстановителей - окислов углерода и углеводородов, находящихся в составе дымовых газов в качестве компонентов-примесей (при этом используются бифункциональные катализаторы). Другим эффективным решением является использование этих катализаторов в форме моноблоков сотовой структуры, не уступающих по термостабильности и механической прочности традиционным гетерогенным катализаторам.
Блочные монолитные катализаторы изготавливают в виде призм и цилиндров, имеющих множество параллельно связанных каналов, образующих структуру. Размеры и геометрия блоков может меняться: четырех-, шестигранные призмы и цилиндры. Размеры граней призм 25-150 мм; размеры каналов - 1x1-10x10 мм; толщина стенок - 0,25-1,2 мм; длина блоков - 50-1 000 мм. В реакторе для окисления углеводородов и кислородосодержащих органических примесей могут быть использованы и нанесенные катализаторы на основе блочных керамических носителей, где активными компонентами являются хроматы меди, магния, кобальта, оксиды меди и ванадия. Возможно также использование блочных композиционных носителей и катализаторов. Например, Институтом катализа Сибирского отделения РАН разработаны композиционные носители следующих составов: ТЮ2 с добавками оксидов алюминия, ниобия, лантана, церия и др.
Термостабильный катализатор типа перовскита - смесь оксидов переходных металлов -служит для восстановления оксидов азота углеводородами, т. е. обладает бифункциональными свойствами, проявляя каталитические свойства в окислении и восстановлении [5].
Одной из проблем, связанных с высокотемпературной очисткой отходящих газов, является отбор представительной пробы на анализ из газоходов. Широко практикующийся точечный отбор проб газа из системы через вентиль с отводной трубкой в аспиратор и резиновую камеру не всегда соответствует истинному содержанию примесей в потоке. В целях совершенствования систем пробоотбора с нашим участием разработан ряд конструкций пробоотборников - контейнеров [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухутдинов Р. Х., Самойлов Н. А., Паршин И. В. и др. // Химия и технология топлив и масел. - 1989. -№ 6. - С. 39-41.
2. Поляков М. В. Гетерогенно-гомогенные реакции // Успехи химии. - 1948. - Т. 17. - С. 351-369.
3. Кинерман С. Л. Кинетические особенности газовых гетерогенно-гомогенно каталитических реакций // Кинетика и катализ. - 1994. - Т. 35, № 1. - С. 45-62.
4. Самойлов Н. А. Определение параметров термокаталитической очистки газов на моделях пластинчато-каталитических реакторов // Журнал прикладной химии. - 1995. - Т. 68, № 11. - С. 1839-1841.
5. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных предприятий и транспорта. Аннотированный указатель изобретений. - Новосибирск: ГП НТБ СО РАН, 1995. - 172 с.
6. Мухутдинов Р. Х., Самойлов Н. А., Исмагилов Ф. Р. и др. // Химия и технология топлив и масел. -1986. - № 10. - С. 39-40.
Статья поступила в редакцию 27.05.2008
DETERMINATION AND VALIDATION OF THE TECHNOLOGICAL SYSTEM OF INERT GAS SYNTHSESIS BY MEANS OF FIRING
S. S. Yusupov, F. R. Ismagilov, R. R. Safin, Z. F. Ismagilova, A. A. Elmurzaev
The technology and the scheme of receiving inert gases from smoke gases of technological furnaces, diesel power stations and other industrial targets are considered in the present work. The essence of the scheme is the following: the part of smoke gases of technological furnaces is directed to a reactor of catalytic afterburning with coolant circulator to remove undesirable chemical impurity and after cooling it is submitted to the block of gas dewatering. Alongside with catalysts of other types, the catalysts of cellular structure are used for reduction of gas resistance in the process. The application of firm catalysts of block structure is proved by their high specific surface that allows to turn down additional inducer or suction cleaner. The mixture of gas of regeneration with smoke gases before gas blowing allows to avoid losses of target inert gas and to prevent emissions of the impurity, containing in gases of regeneration into the atmosphere.
Key words: technological system, inert gases, smoke gases, catalytic afterburning, catalysts.
