Селективное некаталитическое восстановление оксидов азота при очистке отходящих дымовых газов

Рисунок 1 – Схема к расчету теплового баланса реактора очистки синтез-газаТогда требуемая температура газа на входеtвх = QвхGвхcвх,где Gвх – массовый расход газа на входе, Gвх = 68950 кг/ч;cвх – удельная теплоемкость газа на входе в реактор, принимаемcвх = свых = 3318,750 Дж/(кг · К).tвх = 797,795 68950 · 3318,750 = 348 °С.Следовательно, изменением температуры газа в реакторе можно пренебречь.Зависимость константы скорости от температуры определяется следующимуравнением:где 90850 - энергия активации, Дж/кмоль;R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль*К)В таблице 5.3 приводим изменение скорости в зависимости от температурыТаблица 5.3Зависимость скорости от температурыT-20000-10000-1000-10k3493756,696012973,291,05543E+11-Зависимость константы скорости от температурыИз рисунка видно, что наиболее существенное увеличение скоростипроходит в интервале от -5000-15000 К. Именно в этом интервале температурследует проводить реакцию.Предел повышения температуры ограничивается температурныминтервалом работы катализатора и материалом оборудования.6. Экологическая оценка производства, отходы производства, их утилизация, ПДККомбинированная 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 обработкиА, 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 обработкиАнасосом 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 утилизатораВ, 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 Впри 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 обработкиАвыделяется 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/м3NO„ состоящих на 95 — 99 % из NO, 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, 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.ЗаключениеОчистка 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.Список литературы1. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. – Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 200. – 800 с.2. Общая химическая технология. В 2-х частях. М.: Высш. школа, 1977. – 289 с.3. Кутепов А.М. Общая химическая технология. М.: Высш. шк., 1990. – 520 с.4. Ташмухамбетова Ж.Х. Каталитические методы переработки отходов производств. – Алматы: Казак университет, 2002. – 114 с.5. Ежов B.C. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения // Промышленная энергетика. 2006. № 12.6. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности /Под ред. В.М. Олевского. М.: Химия, 1985.