170175 (Реализация технологии некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота на мусоросжигательном заводе), страница 2

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 (NO_x), 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 NO_x 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 NO_x достигает 600 мг/м³ и более. В мировой практике для очистки от NO_x 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 NO_x 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 NO_x 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 NO_x на Московском мусоросжигательном заводе № 2

Твердый карбамид из хранилища с помощью винтового питателя поступает в емкость для приготовления раствора, куда одновременно подается химически очищенная вода. Приготовленный раствор карбамида по сигналу датчика уровнемера автоматически перекачивается в рабочие емкости, затем насосами-дозаторами подается в смесители. Полученная в смесителях восстановительная смесь посредством специальной распределительной системы вводится в расчетную зону топочной камеры мусоросжигательных котлов. Процесс восстановления NOх карбамидом в случаях перерасхода восстановителя, неэффективного смешения его с дымовыми газами или снижения температуры в зоне ввода восстановителя ниже оптимальных значений может сопровождаться проскоком непрореагировавшего аммиака. Содержание NH₃ в дымовых газах регламентируется и в соответствии с европейскими нормами не должно превышать 10 мг/нм³. Для контроля содержания NO_х и NH₃ в дымовых газах используются автоматические газоанализаторы GM 31 фирмы SICK (Германия), которые позволяют определять содержание каждого компонента в режиме реального времени непосредственно в газовом потоке. Процесс очистки полностью автоматизирован и управляется с помощью системы АСУТП. Эффективность очистки газов составляет от 70 до 85 % в зависимости от режима работы котлов. Концентрация аммиака в очищенных газах не превышает 10 мг/нм³ и составляет, как правило, 3–5 мг/нм³.

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 NО_x 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.