Горючие отходы химических производств и их утилизация

Контрольная работа

Горючие отходы химических производств и их утилизация

Переработка промышленных отходов — удаление бесполезных либо вредных материалов, образующихся в ходе промышленного производства. Отходы вырабатываются практически на каждой стадии промышленного технологического процесса. Степень опасности промышленных отходов изменяется от таких безвредных материалов, как песок, и до диоксинов, являющихся одними из самых токсичных веществ. Удаление вредных отходов, угрожающих как здоровью человека, так и состоянию окружающей среды, — неотложная задача мирового масштаба. Хотя вредные отходы составляют только примерно 15% всех промышленных отходов, крайняя степень наносимого некоторыми из них вреда требует, чтобы они удалялись правильно и тщательно.

Вредные отходы получаются в результате таких видов деятельности, как горные работы, металлургическое производство, добыча и переработка нефти, обычная и ядерная энергетика, а также изготовление бесчисленных материалов и изделий, включая пестициды и гербициды, химические защитные средства и растворители, краски и красители, взрывчатые вещества, резина и пластмассы, целлюлоза и бумага, аккумуляторы, лекарства, ткани и кожа. Отходы образуются в виде твердых материалов, жидкостей, газов и полужидкой массы. Они включают вещества, которые могут быть токсичными, воспламеняемыми, вызывающими коррозию, химически активными, инфекционными или радиоактивными. Они могут воспламеняться или взрываться при нормальных температурах и давлениях или при контакте с воздухом или водой. Некоторые из таких отходов могут зажигаться или детонировать от статического электричества, другие — при падении или сотрясении. Некоторые отходы высокочувствительны к теплу или трению. Существуют токсичные отходы (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть и другие тяжелые металлы), которые не поддаются переработке. При неправильном или небрежном захоронении вредные отходы могут отравить почву и водные источники.

1. Горючие отходы химических производств

Газообразные отходы химических производств, полученные в результате переработки углеродсодержащего сырья, обладающие определенным запасом химической энергии, могут быть использованы в качестве горючих ВЭР. Такие горючие ВЭР образуются в производствах аммиака, метанола, ацетилена, капролактама, каустической соды (диафрагменной), желтого фосфора, карбида кальция.

В производствах аммиака выделяются ретурные, танковые и продувочные газы, фракция СО, а также жидкие углеводороды, которые могут быть использованы в качестве топлива. В производствах метанола выделяются танковые и продувочные газы, в производствах ацетилена — сажевый шлам и высшие ацетиленовые гомологи, в производствах капролактама — продувочный газ и водород. Значительное количество водорода выделяется в производствах каустической соды. В производствах желтого фосфора и карбида кальция образуются горючие печные газы.

В табл. 1. приведены состав и удельный выход указанных ВЭР на тонну продукта, а также источник ВЭР — агрегат или технологический процесс.

Все указанные горючие ВЭР используются в качестве топлива либо могут быть использованы. Использование их экономически весьма целесообразно, так как затраты на осуществление схемы утилизации горючих газов составляют не более 10−20% от затрат на добычу и транспорт первичного топлива, которое при этом экономится и вытесняется из топливно-энергетических балансов промышленных предприятий. Кроме того, термически обезвреживаются до выброса в атмосферу токсичные и канцерогенные вещества, что способствует снижению загрязнения окружающей среды.

Таблица 1. Количество и тепло вторичных энергоресурсов на 1 т продукта (сырья)

2. Пути использования горючих отходов химических производств

Значительную часть горючих ВЭР, образующихся в химических производствах, для сжигания которых не требуется специального оборудования, используют в качестве котельно-печного топлива в технологических установках либо для выработки тепловой и электрической энергии в котельных или на электрических станциях.

Основная сложность при использовании горючих ВЭР заключается в их сборе, транспортировке, иногда в необходимости создания и применения для их сжигания специальных горелочных устройств, совершенствовании существующих и разработке новых методов сжигания. В связи с этим затруднено использование печного газа (образующегося в производстве желтого фосфора) и водорода (образующегося в производствах каустической соды диафрагменным и ртутным методами), утилизация которых позволит сэкономить сотни тысяч тонн условного топлива.

Отходящие газы фосфорных печей содержат 80−85% СО, 0,2−1% Н₂, 0,01−0,1% фосфина, 1−3% СО₂, 2−3% Н₂О в виде паров, 8−10% N₂, а также 0,2−2 г./м³ фосфора. Низшая теплотворная способность газов 11 000 кДж/м³ (2600 ккал/м³). На одну тонну товарного фосфора образуется 2700 м³ отходящих газов.

Одна из основных причин, тормозящих использование отходящих газов фосфорных печей в качестве топлива на фосфорных заводах, состоит в сложности их транспортировки. Последняя обусловлена содержанием в отходящих газах паров фосфора и воды, которые конденсируются в газопроводах и часто выводят их из строя. Газопроводы для транспортировки печного газа должны быть оборудованы специальными системами дренажа фосфорсодержащего конденсата и сборниками для его сброса или перекачки. При этом всю систему газопроводов необходимо обогревать, продувать инертным газом и промывать горячей водой с предварительной пропаркой. Фосфорсодержащий конденсат можно транспортировать только по специальным трубопроводам из нержавеющей стали. Представляет интерес предложенная НПО «Техэнергохимпром» схема предварительной очистки печных газов от паров фосфора и воды с применением абсорбционных холодильных машин (АХМ).

При конденсации паров фосфора и воды с помощью АХМ:

1) создадутся благоприятные условия для транспортировки печных газов на значительные расстояния;

2) уменьшатся требуемые капиталовложения в систему транспортировки печного газа;

3) продлится срок службы технологического оборудования, в котором в качестве топлива используются отходящие газы фосфорных печей;

4) снизится концентрация Р₂О₅ в продуктах сгорания перед их очисткой или выбросом в атмосферу.

На рисунке 1.1. приведена схема очистки отходящих газов фосфорных печей с использованием АХМ.

Рис. 1.1 Схема очистки отходящих газов фосфорных печей

1 — газовая станция; 4 — конденсатор; 7 — испаритель.

2 — топка; 5 — насос;

3 — генератор; 6 — абсорбер;

Очищенный печной газ (3−5% от общего расхода печного газа) подают на сжигание в топку генератора АХМ. За счет тепла образовавшихся продуктов сгорания в генераторе происходит выпаривание аммиака из водоаммиачного раствора. Образующийся газообразный аммиак направляется в конденсатор. Отсюда жидкий аммиак направляется в испаритель, где испаряется под действием тепла отходящих газов фосфорных печей. При охлаждении печных газов в испарителе конденсируются фосфор и вода. После охлаждения отходящие газы фосфорных печей могут быть использованы в качестве котельно-печного топлива.

Проведенные НПО «Техэнергохимпром» совместно с ЛенНИИгипрохимом и Чимкентским ПО «Фосфор» исследования подтвердили принципиальную возможность использования отходящих газов фосфорных печей в качестве топлива. При аппаратурном оформлении процесса их утилизации нужно учитывать, что фосфорная кислота, образующаяся при сжигании отходящих газов, вызывает коррозию металлов. Максимальная интенсивность коррозии теплообменных поверхностей наблюдается при температурах 130 — 180 ^оС, что объясняется конденсацией при этих температурах фосфорной кислоты с содержанием 70 — 80% Н₃РО₄ (которая, по данным НИУИФ, оказывает на металлы сильное коррозионное воздействие). В этих условиях наибольшую стойкость к коррозии проявила сталь Х17Н13М2Т. Глубина коррозии этой стали при температурах 50 — 500 ^оС не превышала 0,25 мм/год. Установлено, что хорошая эксплуатационная надежность оборудования для утилизации в качестве топлива отходящих газов фосфорных печей достигается при сжигании печных газов в смеси с природным в отношении 2: 1. Это приводит к уменьшению концентрации в продуктах сгорания коррозионно-активных компонентов и снижению парциального давления (что, в свою очередь, способствует снижению точки росы).

Технико-экономический анализ различных вариантов использования печного газа на предприятиях фосфорной промышленности показал, что оптимальной является комбинированная схема (рис. 1.2), максимально удовлетворяющая технологическим и энергетическим потребностям в топливе фосфорного завода. По этой схеме коэффициент использования отходящих газов составляет 85%, в том числе для технологических нужд — более 60%. Экономический эффект от внедрения указанной схемы на одном фосфорном заводе производительностью 260 тыс. т фосфора в год составит 2,0 млн руб. Реализация комбинированной схемы теплоиспользования отходящих печных газов на предприятиях фосфорной промышленности позволит сэкономить более 300 тыс. т условного топлива в год. При этом капитальные вложения в сооружение заводской котельной и систем транспортировки печного газа к потребителям не превысят 6 млн руб.

Рис. 1.2 Комбинированная схема технологического и энергетического использования тепла отходящих газов фосфорных печей

В производствах хлора и каустической соды основным побочным продуктом является газ (98% Н₂; 0,5% О₂; 25 г./м³ Н₂О), который в настоящее время используется недостаточно; между тем использование его в качестве топлива позволит сэкономить свыше 100 тыс. т условного топлива в год. Следует отметить, что необходимой стадией технологического процесса в производстве каустической соды является выпарка раствора щелочи после электролизеров (диафрагменный метод) или упаривание раствора поваренной соли до электролизеров (ртутный метод). В качестве греющего агента, подаваемого в выпарные аппараты, на предприятиях используют сетевой пар. Таким образом, наличие значительного количества тепла, с одной стороны, и большая потребность в нем в том же производстве — с другой, создают благоприятные условия для утилизации тепла электролитического водорода при упаривании растворов.

Наиболее целесообразным, с точки зрения технического осуществления, и экономически выгодным решением этой проблемы является использование тепла сжигания электролитического водорода для предварительного упаривания раствора каустической соды после электролизеров (диафрагменный метод) и раствора поваренной соли (ртутный метод). С энергетической точки зрения наиболее выгодным приемом при решении этой задачи является использование контрактного выпарного аппарата с погружной горелкой, в которой топливом служит водород.

Получение хлора и каустической соды диафрагменным методом основано на разложении раствора хлорида натрия под действием постоянного тока в электролизере. Раствор хлорида натрия поступает в анодное пространство, фильтруется через диафрагму и достигает катода. При прохождении постоянного тока на аноде образуется хлор, на катоде — водород и щелочь. Щелочь, проходя через отверстия катода, стекает в катодное пространство и выводится из ванны электролизера. После охлаждения водой в теплообменнике водород направляется в компрессор, где сжимается, а затем поступает в качестве полупродукта в технологическую линию (например, для производства соляной кислоты). Неиспользованный водород через огнепреградитель сбрасывается «на свечу» для сжигания.

Получение хлора и каустической соды ртутным методом основано на том же принципе, что и получение диафрагменным методом. В процессе электролиза хлор выделяется на аноде, а натрий образует со ртутью (которая служит катодом) амальгаму натрия, которая поступает в разлагатель, где разлагается обессоленной водой с образованием каустической соды, ртути и водорода. После охлаждения водой в теплообменнике и очистки от ртути водород направляется в компрессор. Отсюда он частично разбирается потребителями, а оставшийся неиспользованный водород через огнепреградитель сбрасывается «на свечу» для сжигания.

Использование электролитического водорода в качестве топлива не только способствует экономии сетевого пара, расходуемого на основные выпарные установки производства каустической соды, но и улучшает состояние воздушного бассейна в районе химического предприятия.

Водород — это самое экономичное синтетическое топливо по количеству заключенной в нем энергии на единицу массы. Водород почти не загрязняет окружающую среду или, по крайней мере, загрязняет ее гораздо меньше, чем другие виды синтетического топлива, например, метан. В единице массы водорода заключено втрое больше энергии, чем в единице массы природного топлива. В то же время единица энергии заключена в объеме водорода в 3 — 4 раза больше, чем объем бензина, необходимый для ее получения. Малая плотность водорода, высокая скорость распространения пламени (286 см/с, в то время как у метана 10 — 100 см/с) и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом (от 4 до 75%) определяют высокие качества его как топлива. Благодаря высокой температуре воспламенения он безопаснее других видов топлива. Кроме того, водород не ядовит.

Теплота сгорания водорода 10 800 кДж/м³ (2579 ккал/м³), он горит бесцветным пламенем, в 8 раз легче метана, имеет высокий коэффициент диффузии (в 3,2 раза выше, чем у метана), в связи с чем можно ожидать, что утечка водорода через неплотности и пористые поверхности будет примерно в 3 раза больше, чем метана. Однако утечка энергии в обоих случаях примерно одинакова вследствие низкой теплоты сгорания водорода.

Водород характеризуется низкой энергией воспламенения (0,02 кДж при содержании 30% Н₂ в смеси с воздухом по сравнению с 0,3 кДж для природного газа).

Ввиду высокого коэффициента диффузии вероятность образования опасной концентрации водорода в смеси с воздухом в случае утечек выше, чем для смеси природного газа с воздухом, однако прямо пропорциональной зависимости здесь нет, поскольку плотность водорода значительно ниже плотности воздуха.

Наиболее серьезную опасность представляет так называемая водородная хрупкость стальных трубопроводов, однако при давлениях до 350 Па (35 ат) затруднений обычно не возникает, хотя в какой-то мере водородная хрупкость наблюдается.

Чистый водород горит бесцветным пламенем, не имеет запаха, поэтому при широком использовании его в качестве топлива придется, очевидно, добавлять одоранты и вещества, образующие светящееся пламя.

Существенные различия свойств водорода и природного газа исключают возможность резкого увеличения содержания водорода в смесях с природным газом при использовании существующего оборудования. Полагают, что без переделки или замены горелочных устройств возможно добавление лишь 15 — 30% водорода. Следует, однако, иметь в виду, что добавление к природному газу 15% водорода соответствует лишь 5% энергосодержания того же объема природного газа.

Специфические свойства водорода при использовании его в качестве топлива обусловливают применение специальных горелок, конструкция которых значительно отличается от горелок, предназначенных для сжигания природного газа. Например, при сжигании водорода в горелках, рассчитанных на сжигание природного газа, возможны хлопки и обратный проскок пламени.

3. Утилизация отходов

промышленный отход утилизация горючий

Под утилизацией подразумевается переработка промышленных отходов в полезные сырьевые материалы и энергию. Например, теплота, выделяющаяся при сжигании опасных отходов, может быть использована для создания пара, приводящего в движение генератор электроэнергии, а свинец, извлеченный из отслуживших автомобильных аккумуляторов, — в производстве новых аккумуляторов. Значительное снижение издержек производства и расхода энергии может быть достигнуто путем утилизационной переработки таких материалов, как лом металлов (в частности, железа, стали, алюминия, меди, свинца и магния), макулатура, древесные отходы, стеклобой и пластмассовые отходы. На свалках, существующих в течение ряда лет, образуются большие количества метана по мере того, как сброшенные в них органические материалы разлагаются; на многих свалках теперь проводится отбор метана, который используется как топливо для отопления и приготовления пищи.

Теоретически путем утилизационной переработки можно было бы удалять все вредные промышленные отходы. На самом деле, однако, понадобятся десятилетия для того, чтобы только приблизиться к реализации этой цели, поскольку в проектах большинства заводов не предусматривается утилизация отходов и нет отлаженных процессов переработки. Тем не менее, некоторые химические предприятия уже перерабатывают часть своих вредных отходов.

4. Требования к горелкам для сжигания горючих газообразных отходов

Горелки для сжигания отбросных газов

В ряде случаев промышленное сжигание горючих газообразных отходов в горелках обычного типа неэффективно или невозможно из-за содержания в газах 50% и более примесей (балласта) в виде азота, диоксида углерода, паров воды и т. д., а также вследствие колебаний состава и расхода газа в широких пределах. Все это приводит к низкой интенсивности процесса горения при использовании горелок обычного типа. Поэтому в соответствии с рекомендациями ЭНИНа им. Г. М. Кржижановского при сжигании отбросных газов с большим количеством примесей следует использовать специальные горелочные устройства, разработанные с соблюдением следующих условий: 1) максимальное использование тепла газов; 2) рекуперативный подогрев газов; 3) добавление в факел отбросного низкокалорийного газа высококалорийного топлива для стабилизации горения; 4) полное предварительное смешение газа с воздухом в интенсивном смесителе до начала горения; 5) предельно возможное укорочение факела пламени.

Соблюдение первых трех условий не вызывает трудностей и может быть осуществлено без специальной разработки узлов или элементов газовой горелки. Четвертое условие может быть реализовано при разработке конструкции смесителя, в котором обеспечивает многоструйная подача одного из компонентов смеси (газа или воздуха) в закрученный поток другого. При расчете струйного смесителя для отбросных газов необходимо учитывать, что в этом случае соотношение газ: воздух в несколько раз выше соотношения природный газ: воздух. Наличие многоструйной зоны будет влиять на характеристику сносящего потока и на развитие каждой отдельной струи в этом потоке.

При расчете струйных смесителей горелок для сжигания отбросных газов, содержащих примеси, необходимо учитывать следующее:

· дальнобойность струи в закрученном потоке зависит в основном от действительной скорости сносящего потока в каждой данной точке смесителя;

· действительная скорость потока определяется углом подъема его по спирали, который меняется по длине смесителя;

· угол подъема по спирали зависит главным образом от изменения аксиальной скорости потока вследствие увеличения объема протекающей смеси от добавляющегося в виде струи компонента;

· тангенциальная составляющая скорости закрученного потока обусловлена конструкцией вихревого устройства и практически неизменна по длине смесителя (трением закрученного потока о стенки смесителя можно пренебречь).

Для расчета такого струйного смесителя предложена следующая методика.

Действительная скорость потока в любой точке смесителя может быть найдена по формуле:

(1)

где — аксиальная скорость потока в данной точке смесителя, м/с;

ц_i — угол между векторами действительной и тангенсальной составляющих скорости потока в той же точке, град.

Текущее значение аксиальной скорости потока зависит, в свою очередь, от объема протекающей смеси V_см и живого сечения смесителя F:

(2) (3)

где — объем газ, м³/с; - объем струи воздуха, проходящего через данное сечение смесителя, м³/с; F — живое сечение смесителя на расстоянии х от закручивающегося аппарата, м².

Угол подъема потока по спирали в каждой данной точке ц_i можно найти из выражения:

(4)

где — тангенциальная составляющая скорости потока, м/с.

Согласно принятым допущениям:

(5)

где — аксиальная скорость потока на входе в смеситель (х 0), м/с; ц₀ — начальный угол закручивания истока перед входом в смеситель (х 0), град.

С целью упрощения расчета весь смеситель графически разбивают по длине на i кольцевых зон таким образом, чтобы выполнялось следующее условие:

iД=l (6)

где Д — длина одной зоны, м; l — длина смесителя, м.

Если принять, что в каждой зоне все параметры потока, смеси и струи неизменны, то объем струйного компонента распределяется по зонам равномерно, т. е. если необходимо смешать компонент, А со струйным компонентом В, то объем струйного компонента в каждой зоне смесителя будет равен В/i м³/с. В то же время объем потока в той же зоне будет равен А+В/i м³/с. Следовательно, аксиальную скорость можно выразить в зависимости от начальных расходов газа и воздуха, т. е.

(7)

Решая систему уравнений (4), (5), и (7) относительно ц_i, найдем угол подъема потока в данной зоне:

(8)

Действительную скорость потока в данном сечении можно вычислить по уравнению:

(9)

Для определения диаметра отверстия струи d (м) в работе предложено выражение:

(10)

где h — средняя дальнобойность струи, м; К — коэффициент расхода, зависящий от угла атаки, структуры струи и расстояния между отверстиями, расположенными в один ряд (рис. 1.3); щ_с, щ_п — скорости истечения струи и сносящего потока, м/с; р_с, р_п — плотности струи и потока, кг/м³.

Используя выражения (9) и (10), можно найти диаметр отверстия струи в данной зоне:

(11)

Одним из важных расчетных параметров струи является ее диаметр (D_с) на расстоянии, равном дальнобойности струи h.

Рис. 1.3 Зависимость коэффициента расхода К от относительного шага между отверстиями s/d (к расчету струйного смесителя)

В литературе имеются данные о зависимости D от h и от отношения количеств движения струи и сносящего потока. Рекомендуется следующее выражение для расчета:

(12)

где V_с и V_п — средние расходы струи и сносящего потока.

Выражение (12) применимо в первом приближении для струи с углом раскрытия около 18^о, что характерно для сжигания медленно горящих газов, когда желательно использовать низкие располагаемые напоры и, следовательно, сниженные скорости в проточной части горелок.

Для реализации принципа, направленного на предельно возможное укорочение факела пламени, авторы рекомендуют применить двухфронтовое зажигание, позволяющее сократить длину факела пламени в несколько раз.

Основные условия возникновения двухфронтового эффекта заключаются в следующем. Опытным путем определено, что периферийная зона воспламенения возникает при соотношении диаметров туннеля D_т и кратера горелки D_к, равном 2−3. Приосевая зона воспламенения возникает при замкнутом течении потока в факеле. Условия разомкнутого течения определяются степенью закручивания факела и соотношением диаметров осевого стабилизатора D_ст и кратера горелки (втулочное соотношение). Закручивание потока на выходе из смесителя горелки обеспечивается лопастным завихрителем с углом наклона лопастей около 45^о. Втулочное соотношение при этом выбирают в пределах D_ст/ D_к = 0,4 — 0,5. Схематическое изображение струйного смесителя газомазутной горелки представлено на рис. 1.4.

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.

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 (щ_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. б=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.

Список используемой литературы

1. Хараз Д. И., Псахис Б. И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах. — М.: Химия, 1984. — 224 с.

2. http://www.ecotoc.ru