Способ термического обезвреживания абгазов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АБГАЗОВ(71) Заявитель Производственное частное унитарное предприятие Теплосила(72) Авторы Кучко Тимофей Владимирович Пушкарев Павел Александрович(73) Патентообладатель Производственное частное унитарное предприятие Теплосила(56)1388662 1, 1988. Термические методы обезвреживания отходов. - Л. Химия, 1975. - С. 112-117.879157, 1981.7-243635 , 1995.3518192 1, 1986.1606811 1, 1990.877242, 1981.385139, 1973.(57) Способ термического обезвреживания абгазов, образующихся при получении нитрилакриловой кислоты, путем дожигания содержащихся в абгазах горючих компонентов в каталитической камере в слое катализатора в потоке продуктов сгорания первичного топлива, который смешивают с потоком абгазов, отличающийся тем, что продукты сжигания первичного топлива с температурой 300-700 С и содержанием свободного кислорода 6-16 об.получают в теплосиловой установке, в поток продуктов сжигания первичного топлива перед смешением его с потоком абгазов вводят мелкодисперсный катализатор с диаметром частиц 0,05-5,00 мкм, содержащий окислы металлов, преимущественно окислы алюминия, железа, цинка, меди, хрома или их смеси, из расчета 0,01-1,00 г активного вещества на каждый нормальный кубический метр смеси продуктов сжигания первичного топлива и абгазов. 16110 1 2012.08.30 Изобретение относится к технике обезвреживания газовых выбросов в атмосферу, образующихся в химическом производстве при работе с нитрилакриловой кислотой. Известен способ обезвреживания абгазов в химическом производстве, например нитрилакриловой кислоты, когда дожигание органических компонентов, содержащихся в абгазах, осуществляют в слое несущей каталитической насадки, содержащей окись алюминия. Абгазы смешивают с высокотемпературными продуктами сгорания первичного топлива, получаемыми в топке, и дожигают в камере каталитического дожигания. Смесь газов после камеры дожигания поступает в котел-утилизатор, где генерируют пар и горячую воду промышленных параметров. После котла-утилизатора обезвреженную и охлажденную смесь абгазов с продуктами сгорания первичного топлива сбрасывают в атмосферу. Указанный способ является прототипом по отношению к заявляемому 1. Общим признаком для заявляемого способа и прототипа является термическое обезвреживание абгазов в химическом производстве при работе с нитрилакриловой кислотой путем дожигания в слое катализатора содержащихся в абгазах горючих компонентов в потоке продуктов сгорания первичного топлива, для чего этот поток смешивают с потоком абгазов. В процессе смешения и каталитического окисления абгазов возрастает их температура, а также температура слоя несущей каталитической насадки, что усиливает активность катализатора. При температуре потока смеси газов более 800 С полное термическое обезвреживание абгазов наступает без каталитического воздействия. Использование катализатора, снижающего температуру полного термического обезвреживания абгазов до 300400 С, снижает расход первичного топлива, повышая тем самым экономичность их обезвреживания. Однако способ-прототип обладает следующими недостатками в связи с падением температуры продуктов сгорания первичного топлива в смесительной камере в процессе смешения их с абгазами, а также старением катализатора снижается химическая активность процесса дожигания, в силу чего остаются несгоревшие тяжелые фракции органики абгазов, которые попадают в атмосферу и ухудшают экологическое состояние окружающей среды. Кроме того, энергетическая эффективность использования первичного топлива низка, т.к. в процессе смешения высокотемпературных и низкотемпературных газов снижается термический коэффициент полезного действия цикла. Задачей заявляемого способа является более полное термическое разложение тяжелых фракций горючих компонентов абгазов и повышение коэффициента полезного использования первичного топлива. Поставленная задача достигается следующим образом. Предложен способ термического обезвреживания абгазов, образующихся в химическом производстве нитрилакриловой кислоты при получении путем дожигания в каталитической камере в слое катализатора содержащихся в абгазах горючих компонентов в потоке продуктов сгорания первичного топлива, который смешивают с потоком абгазов при этом продукты сжигания первичного топлива получают в теплосиловой установке с содержанием свободного кислорода 6-16 об.при температуре 300-700 С, причем в поток продуктов сжигания первичного топлива предварительно вводят мелкодисперсный, с диаметром частиц 0,05-5,00 мкм катализатор, содержащий окислы металлов из расчета 0,01-1,00 г активного вещества на каждый нормальный кубический метр смеси продуктов сжигания первичного топлива и абгазов, преимущественно окислы алюминия, железа,цинка, меди, хрома или их смеси. Заявляемая технология способа обусловлена тем, что теплосиловая установка, в которой сжигают первичное топливо, генерирует высокотемпературные газы с температурой 300-700 С, которые в смеси с абгазами обеспечивают в присутствии катализатора термическое разложение тяжелых фракций вредных компонентов. Содержание свободного кис 2 16110 1 2012.08.30 лорода 6-16 об.при указанной температуре обеспечивает интенсивное и глубокое каталитическое окисление органических примесей в газах. Механизм физико-химического воздействия на обрабатываемые абгазы по данному способу имеет следующие преимущества в отличие от использования способа-прототипа каталитическая активность слоя носителя, состоящего из дисперсной насадки с развитой рабочей поверхностью, например, из окиси алюминия, пемзы, шамотной крошки и др., в рабочем состоянии усиливается улавливанием активных мелкодисперсных каталитических частиц из потока газов поскольку приготовление активных каталитических частиц размером 0,05-5,00 мкм осуществляют путем распыления и высокотемпературного обжига окислов металлов или их смесей в потоке продуктов сгорания первичного топлива в зонах высоких температур,то, смешиваясь вместе с потоком продуктов сжигания первичного топлива после теплосиловой установки с абгазами, каталитически активные частицы окислов металлов интенсифицируют процесс окисления горючих компонентов их действие усиливается после оседания (адсорбции) на рабочей поверхности в слое каталитической (несущей) насадки за счет увеличения размера рабочей поверхности и относительной скорости газов изменение компонентного состава, количества, периодичности подачи окислов металлов в обрабатываемый поток газов обеспечивает оптимизацию каталитического воздействия на абгазы, т.е. на степень их обезвреживания, количество каталитически активных частиц в потоке газов варьируют в пределах 0,01-1,00 г на каждый нормальный кубический метр газов (при вышеуказанных размерах частиц). Используют окислы алюминия,железа, цинка, меди, хрома или их смеси (табл. 18, с. 116, 117 л. 1) в связи с тем, что они обладают каталитическими свойствами в отношении горючих компонентов абгазов в процессе сжигания первичного топлива в теплосиловой установке часть его исходной энергии преобразуется в электроэнергию (или механическую энергию). В газотурбинной установке эта часть энергии составляет 20-30 от исходной, а в двигателе внутреннего сгорания - до 42 . Это в целом повышает энергетическую эффективность использования первичного топлива в технологическом процессе. Заявляемый способ иллюстрируется фигурой, где 1 - котел-утилизатор (КУ), совмещенный с камерой смешения газов 2, на выходе которой несущий слой катализатора 3 двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 4, соединенный с электрогенератором 5, питается первичным топливом 6, используя для его сжигания наружный воздух 7. Первичное топливо 6 и воздух для горения 7 подают также в пусковую топку 8, которую включают в момент пуска и разогрева всей установки, а также при необходимости повышения параметров пара на выходе из парового коллектора 19. Высокотемпературные продукты сгорания 9 первичного топлива подают в смесительную камеру 2, в которую подают также абгазы 10, подогретые в теплообменнике 11. В поток высокотемпературных газов 9 подают мелкодисперсный катализатор 12. Питание котла-утилизатора 1 химически очищенной водой (ХОВ) 13 и охлаждение ДВС 4 ХОВ осуществляют питательным насосом 14. Перед подачей ХОВ в испарительные поверхности 15 КУ ее подогревают в секциях экономайзера 16 и 17. Водяной пар перегревают в пароперегревателе 18. Смесь охлажденных в КУ 1 газов подают дымососом 20 в дымовую трубу 21. Способ осуществляется следующим образом. Первичное топливо 6 сжигают в ДВС 4 и уходящие высокотемпературные газы подают в камеру смешения 2, куда на время пуска установки подают также высокотемпературные газы из топки 8. В камеру смешения 2 подают абгазы 10, подогретые в теплообменнике 11 уходящими газами после КУ 1. Запускают в работу пароводяной контур КУ-1. В камере 2 устанавливают температуру смеси газов, достаточную для того, чтобы при их прохождении через слой катализатора 3 началось каталитическое дожигание содержащихся в смеси газов органических веществ. Далее смесь газов из слоя катализатора 3 поступает в котел-утилизатор 1, где генерируют пар промышленных параметров. Пи 3 16110 1 2012.08.30 тание котла 1 химически очищенной водой осуществляют насосом 14 через секции 16 и 17 водяного экономайзера, одновременно химочищенной водой охлаждают и ДВС 4. В поток газов после ДВС 4 подают мелкодисперсный катализатор (окислы металлов) 12, прошедший высокотемпературную обработку и приобретший высокую каталитическую активность, который спотоком газов подают в несущий слой катализатора 3, где мелкодисперсный катализатор адсорбируется и удерживается рабочей поверхностью несущей насадки 3. В ДВС 4 и электрогенераторе 5 дополнительно вырабатывают электроэнергию в количестве до 42 от энергии первичного топлива, что повышает энергетическую эффективность технологического процесса обезвреживания абгазов. Далее процесс каталитического обезвреживания абгазов регулируют в направлении снижения температуры смеси газов и уменьшения концентрации мелкодисперсного катализатора в них, не снижая при этом полноты термического разложения органических компонентов абгазов. Для этого постепенно выводят из работы топку 8 и уменьшают подачу катализатора 12, контролируют степень очистки газов от вредных компонентов на выходе из КУ 1. Подачу катализатора в поток газов можно осуществлять непрерывно или периодически. Часть мелкодисперсного катализатора уносится потоком газов из несущего слоя 3 в КУ 1, где частично адсорбируется на теплообменных поверхностях и продолжает обезвреживающее воздействие на газы. Небольшая часть мелкодисперсных частиц достигает секции 16 экономайзера, где может быть уловлена полностью в случае, когда секцию 16 выполняют мокрой. Несущий слой катализатора 3 может быть выполнен неподвижным - с газораспределительной решеткой или без нее, в виде набора решетчатых элементов, или подвижным в виде кипящего слоя. Учитывая разнообразие возможных технологических, проектных и конструкторских решений, предложенный способ отличается универсальностью и полифункциональностью, следовательно, расширяет технологические возможности производства. Приготовление мелкодисперсного катализатора для подачи в поток газов осуществляют различными способами распылением гелей или растворов окислов металлов в потоке высокотемпературных продуктов сгорания первичного топлива размолом и эмульгированием в жидком топливе или другой жидкости и др. При указанных размерах частиц они практически не вызывают абразивного износа деталей теплосиловой установки. С уменьшением размера частиц увеличиваются удельная рабочая поверхность и эффективность работы мелкодисперсного катализатора. В табл. 1 приведены поагрегатные расчетные данные по топливно-энергетическому балансу для когенерационной установки, работающей в технологическом режиме согласно заявляемому способу. В табл. 2, рассчитанной на основании данных табл. 1, приведены показатели расхода топлива когенерационной установки, работающей по заявляемому способу и по способупрототипу. Как следует из сопоставительного анализа показателей работы когенерационной установки по обезвреживанию 55 тыс. нм 3/ч (или 467 млн. нм 3/год) абгазов по способупрототипу и по заявляемому способу, расчетная народнохозяйственная экономия топлива,обеспечиваемая использованием заявляемого способа по сравнению с действующим способом-прототипом, составляет 35,4 тыс.т у.т. в год. При цене топлива в 150-200 долларов США за 1 т условного топлива расчетное снижение топливных затрат в народном хозяйстве составит 5,3-7,8 млн. долл./год. Срок окупаемости капиталовложений в установку оценивается в 2,0-2,5 года. Топливно-энергетический поагрегатный баланс энерготехнологической когенерационной установки(по заявляемому способу термического обезвреживания абгазов) Вариант 3 ПримеНаименование Размерность Приход Расходотчание Газопоршневые агрегаты нм 3/ч 2718,5 Подача топливного газа 46,92 Гкал/ч 8,71 Подача абгаза нм 3/ч Гкал/ч кВт 9141 Электрическая мощность 19,71 Гкал/ч 7,86 Потери в окруж. среду (3 ) Гкал/ч 0,56 Регенерация тепла охл. маГкал/ч 4,84 12,14 шин и смазки в тепл. сеть Тепло ух. газов (42000 нм 3/ч Гкал/ч 5,45 13,67 при 420 С - передача в КУ) ИТОГО Гкал/ч 18,71 18,71 Камера горения (топка) нм 3 /ч 851,5 Подача топливного газа 14,69 Гкал/ч 5,86 нм 3/ч 55000 Подача абгаза Гкал/ч 15,31 Подача свежего воздуха нм 3/ч 2500 Гкал/ч 5,45 Подача ух. газов от ГПА нм 3/ч 42000 Потери в окруж. среду Гкал/ч 0,4 Подача газов в котелГкал/ч 26,22 утилизатор нм 3/ч 99500 ИТОГО Гкал/ч 26,62 26,62 Котел-утилизатор Тепло газов из КГ Гкал/ч 26,22 Потери в окруж. среду Гкал/ч 0,61 Тепло отпускаемого пара Гкал/ч 20,42 51,2 Паропроизводительность т/ч 28,0 Отпуск тепла в тепловую сеть Гкал/ч 1,78 4,46 Потери тепла с ух. газами(г 110 С, г 100000 3,41 8,55 нм 3/ч) ИТОГО 26,22 Сумм, расход тепла по КГТУ,Гкал/ч 39,88 в т.ч. топл. газа 100,0 3 нм /ч 3570 топл.газа Гкал/ч 24,57 топл.газа 61,61 кг у.т/ч 3510 Полезное использование Гкал/ч 34,9 87,51 суммар. тепла по КГТУ Коэффиц. избыт. воздуха за 1,11 Продолжение табл. 1 Вариант 3 ПримеНаименование Размерность Приход Расходотчание Годовые показатели (8500 г) Выработка электроэнергии млн. кВтч 77,7 тыс. тонн 238,0 Отпуск пара (28 т/ч) тыс. Гкал 173,6 Отпуск тепла в сеть от ГПСВ тыс. Гкал 15,13 Отпуск тепла в сеть от охлатыс. Гкал 41,14 ждения машин и смазки Суммарный отпуск тепла тыс. Гкал 229,87 Таблица 2 Показатели расхода топлива по действующей установке обезвреживания абгазов (прототип) и проектируемой энерготехнологической когенерационной установки (по заявляемому способу термического обезвреживания абгазов) Действующая устаПроектируемая установка (сущ. полоновка Наименование Размерность Примечание жение) значение 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Подача топлива в установку Топливный газ т у.т/ч 0,543 3,510 в т.ч. 10 ПГ Топливный газ т у.т/год 4614 29834 в т.ч. 10 ПГ Абгаз т у.т/ч 1,989 2,187 Абгаз т у.т/год 16891 18590 Суммарная подача топлива в установку т у.т/ч 2,532 5,697 Суммарная подача топлива в установку т у.т/год 21522 100 48424 100 2 Выработка электроэнергии Электрическая мощность установки кВт 9141 Расход усл.топлива на выработку тепло- и электроэнеркг у.т/ч 2673 гии, в т.ч. на выработку электроэнергии 1859,5 на выработку теплоэнергии (передача в разд. 3) 813,5 Удельный расход усл. топлива на выработку электрокг у.т./тыс. кВтч 349,8 100 энергии в энергосистеме (Лукомльская ГРЭС 3181,1349,8) Удельный расход усл. топлива на выработку электрокг у.т./тыс. кВтч 203,4 57 энергии на предприятии Выработка электроэнергии за год тыс. кВтч 77700 Нар. хоз. экономия усл. топлива на выработку электрот у.т/год 11375,3 74 энергии Расход топлива на выработку электроэнергии 15540,0 100 в т.ч. 10 т у.т/год ПГ 2 Выработка тепловой энергии Полезная тепловая мощность установки, в т.ч. отпуск пара отпуск горячей воды Удельный расход усл. топлива на выработку тепла в энергосистеме Расход усл. топлива на выработку теплоэнергии Удельный расход усл. топлива на выработку теплоэнергии в установке Выработка тепловой энергии за год Нар .хоз. экономия усл. топлива на выработку теплоэнергии Расход топлива на выработку теплоэнергии Обезвреживание абгаза Расход обезвреживаемого абгаза Расход усл. топлива для обезвреживания абгаза Удельный расход усл. топлива для обезвреживания абгаза Расчетная экономия топлива по обезвреживанию абгаза Суммарная нар. хоз. экономия топлива По выработке электрической и тепловой энергии По выработке электрической и тепловой энергииобезвреживание абгаза от подачи топлива в установку Действующая устаПроектируемая установка (сущ. положеновка Примечание ние) значение 16110 1 2012.08.30 Таким образом, достигаемый технический результат заявляемого способа заключается в следующем достигается более полное, за счет повышения температуры смеси газов и увеличения рабочей поверхности катализатора, дожигание горючих компонентов абгазов, что снижает расход первичного топлива и улучшает экологию окружающей среды кроме того, вырабатывается в режиме когенерации электроэнергия в количестве до 42 от исходного энергетического потенциала первичного топлива, уменьшается удельный расход первичного топлива, повышается коэффициент полезного использования топлива расширяются технологические возможности использования способа за счет вариации состава абгазов и применяемых катализаторов в различных промышленных процессах. Например, обезвреживание уходящих газов сушильных установок лакокрасочных покрытий на основе органических растворителей при утилизации метана шахтных газов и др. Способ обеспечивает как эффективную комбинированную когенерационную выработку тепловой и электрической энергии, так и обезвреживание абгазов, образующихся в производстве нитрилакриловой кислоты и в других химических производствах. Источники информации 1. Беспамятнов Г.П. и др. Термические методы обезвреживания отходов. Изд. 2-е. - Л. Химия, 1975. - С. 115 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.