УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И СЕРНИСТОЙ НЕФТИ

Полезная модель относится к устройствам для обезвреживания жидких органических отходов и сернистой нефти беспламенным сжиганием в кипящем слое катализатора и может быть использовано в химической, нефтехимической, лесохимической, атомной промышленности и теплоэнергетике. В частности, предлагаемая установка может быть использована для сжигания органических отходов, содержащих соединения одного из таких элементов, как сера, фтор, хлор, фосфор.
Известен реактор для термообработки дисперсных материалов в кипящем слое катализатора (Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. - М: Наука. - 1988. - С. 294). Реактор содержит зону каталитического окисления топлива и зону термообработки дисперсного материала. Зоны в реакторе не разделены перегородками. Недостатками данного реактора являются снижение активности катализатора вследствие отравления катализатора при попадании в слой катализатора фтор-, хлор- фосфор-, и серосодержащих соединений.
Известно устройство для сжигания отходов, содержащих фосфор, в кипящем слое хемосорбента (US 4359005, F23G 7/00, 6.11.82). Устройство включает реактор, внешний источник топлива и средства для подачи топлива в реактор, средства для подачи воздуха в реактор для поддержания кипящего слоя и горения, внешний источник отходов и средства для подачи отходов, содержащих фосфор, в реактор, внешний источник и средства введения в реактор извести, известняка и/или гашеной извести, средства для нагрева и поддержания повышенной температуры кипящего слоя, преимущественно, от 750 до 950°C, а также пространства над кипящим слоем от 600 до 900°C, а также циклон, установленный на выходе из реактора для улавливания твердых частиц. При работе установки кипящий слой внутри реактора состоит из извести, фосфорсодержащих отходов и инертного фосфата кальция. Для регулирования температуры внутри реактора могут использоваться теплообменнник, контролируемая подача топлива, отходов и воздуха, а также впрыск воды. К недостаткам известного устройства можно отнести сложность управления кипящим слоем из-за переменного размера частиц, кроме того, не обеспечивается полное сгорание топлива и отходов из-за небольшого времени контакта. В описании приводятся дополнительные средства для очистки отходящего газа (фильтры, адсорберы, скрубберы).
3
Известна установка с кипящим слоем для сжигания отходов, содержащих соединения хлора (US 5379705, F23G 5/00, 10.01.95), с подачей хемосорбента для связывания образующегося ПО. Установка включает: печь газификации с 1-м кипящим слоем, состоящим по крайней мере из оксида щелочного металла (CaO), средства для подачи воздуха в кипящий слой, средства для подачи хлорсодержащих отходов, средства для вывода несгоревших частиц отходов из 1-го кипящего слоя, таким образом, отходы газифицируются и образующийся НО превращается в соль; и - печь сжигания с кипящим слоем, соединенная в нижней части с названной печью газификации таким образом, что в нее поступают газы, образующиеся при газификации отходов, и имеющая 2-й кипящий слой для сжигания этих газов; названная соль выводится из печи газификации в печь сжигания иод давлением газа; печь сжигания снабжена патрубком для загрузки карбоната щелочного металла (CaCO), образующего 2-й кипящий слой, средствами подачи воздуха во 2-й кипящий слой, а также средствами для вывода образующегося в результате сжигания оксида щелочного металла (CaO) и подачи его в 1-й кипящий слой печи газификации. Кроме того, печь сжигания может быть снабжена теплообменником, погруженным во 2-й кипящий слой. В верхней части печь сжигания снабжена средством для выхода отходящих газов.
Недостатки известного устройства: сложность управления кипящим слоем печи газификации из-за малого размера частиц хемосорбента, а также генерация вторичных загрязнений, например, оксидов азота в отходящих газах из-за окисления атмосферного азота.
Известен каталитический реактор для переработки осадков сточных вод (RU 2456248, C02F 11/06, 20.07. 2012), состоящий из вертикального корпуса с патрубками выгрузки катализатора, подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой расположен катализатор окисления или смесь катализатора и инертного материала в соотношении 10-20% и 80-90%, выше решетки последовательно размещены организующая насадка и теплообменные поверхности, корпус реактора имеет расширение в верхней части и снабжен патрубком подачи осадка сточных вод, расположенном на уровне соединения нижней и верхней расширенной части корпуса реактора.
Недостатком известного реактора является сложность его пуска, требующего отгрузки катализатора из расширенной части корпуса ниже уровня теплообменника с последующей догрузкой катализатора при выходе на рабочий режим работы реактора. Дополнительно при выгрузке и перегрузках возрастает степень истирания катализатора.
Известна установка для обезвреживания органических отходов сжиганием в кипящем слое (RU 2198024, A62D 3/00, B01J 8/18, 10.02.2003), содержащая два соединенных между собой реактора, оборудованных средствами для подачи воздуха, воздухораспределительными решетками и частично заполненные слоем твердых частиц, расположенные несоосно, при этом выход первого реактора соединен со входом второго реактора, а также средства для подачи органических отходов и средства для введения хемосорбента, по крайней мере, в один из реакторов, а также средства для улавливания и рециркуляции твердых частиц, отличающаяся тем, что первый реактор сжигания топлива в качестве твердых частиц заполнен катализатором и оборудован средствами подачи топлива и воздуха, а также системой подачи пыли катализатора, второй реактор обезвреживания отходов в качестве твердых частиц заполнен инертным материалом и оборудован средствами подачи обезвреживаемых отходов и хемосорбента, при этом вход второго реактора снабжен циклоном и бункером для сбора пыли катализатора, причем бункер для сбора пыли катализатора соединен с системой подачи пыли в первый реактор.
Недостатками известной установки являются большой расход энергии на дутьевое оборудование для поддержания в псевдоожижешюм состоянии слоя катализатора в первом реакторе и слоя инертного материала во втором реакторе, повышенный износ катализатора, сложность под/держания необходимой для обезвреживания температуры в двух реакторах, сложная система предварительного разделения органических отходов на легко окисляемые и трудно окисляемые компоненты отходов и подача их в отдельно кипящие слои инертного материала и катализатора, необходимость дополнительной очистки дымовых газов после второго реактора со слоем инертного материала от токсичных примесей в отдельном аппарате.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка обезвреживания органических отходов путем окисления кислородом воздуха в аппарате кипящего слоя с последующим улавливанием кислых газов щелочным адсорбентом (RU 2209646, A62D 3/00, B01J 8/18, 29.03.2003). Органические отходы, содержащие экстракционные смеси, предварительно разделяют на экстрагент и разбавитель введением легкопиролизуемого вытеснителя. Разбавитель окисляют в нижней части двухзонного реактора в кипящем слое катализатора при температуре 700-750°C, а окисление смеси экстрагента и вытеснителя, а также улавливание кислых газов щелочным адсорбентом проводят в верхней части двухзонного реактора в кипящем слое инертного материала при температуре 700-750°C; окисление разбавителя в кипящем слое катализатора и окисление смеси экстрагента и вытеснителя в кипящем слое инертного материала проводят попеременно. Отходящие газы дополнительно очищают от следов монооксида углерода и углеводородов на сотовом катализаторе при температуре 450-500°C. Недостатками известного способа являются необходимость дополнительной очистки дымовых газов от монооксида углерода в отдельном аппарате на сотовом катализаторе, отравление и повышенный износ катализатора, сложная система предварительного разделения органических отходов и попеременный ввод легко окисляемых и трудноокисляемых компонентов отходов в отдельно кипящие слои инертного материала и катализатора.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности работы устройства для обезвреживания органических отходов и сернистой нефти.
Технический результат - уменьшение износа катализатора, упрощение технологии обезвреживания органических отходов, в том числе сернистой нефти, снижение выбросов токсичных веществ с дымовыми газами без их дополнительного обезвреживания в отдельном аппарате.
Органические отходы и сернистую нефть обезвреживают путем окисления кислородом воздуха в аппарате кипящего слоя при температуре 700-750°C в организованном кипящем слое смеси частиц катализатора глубокого окисления веществ и инертного материала с одинаковой скоростью начала псевдоожижения при соотношение воздуха к окисляющимся органическим составляющим в нижней части слоя α=0,95-1,05 с улавливанием кислых газов щелочным адсорбентом и доокислением токсичных веществ при α=1,05-1,2 в верхней части псевдоожиженного слоя с погруженным в слой теплообменником над неизотермической решеткой, выполненной из параллельных перфорированных труб, соединенных коллектором или коллекторами с патрубком или патрубками для подачи дополнительного воздуха.
Задача решается устройством для сжигания органических отходов и сернистой нефти путем окисления кислородом воздуха с улавливанием кислых газов щелочным адсорбентом, которое состоит из реактора с вертикальным корпусом с патрубками подачи воздуха, отходов и щелочного адсорбента в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней расширенной части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и патрубками подачи отходов и адсорбента размещена газораспределительная решетка, на которой находится смесь частиц катализатора глубокого окисления и частиц инертного материала в соотношении 10% и 90%, выше которой в псевдоожиженном слое последовательно размещены организующая насадка, неизотермическая решетка и теплообменник, внутри корпуса над организующей насадкой размещена неизотермическая решетка из параллельных перфорированных труб, внутри корпуса над организующей насадкой размещена неизотермическая решетка из параллельных перфорированных труб, соединенных коллектором с патрубками для подачи дополнительного воздуха в расширенную часть корпуса реактора, а на газораспределительной решетке находится смесь частиц катализатора и инертного материала с одинаковой скоростью начала псевдоожижения.
Устройство состоит из каталитического реактора, системы охлаждения и очистки дымовых газов от пыли, систем подачи воздуха, подачи адсорбента, подачи обезвреживаемых отходов или сернистой нефти.
Схема каталитического реактора изображена на Фиг. 1.
Реактор 1 состоит из вертикального корпуса с расширением в верхней части. В корпусе предусмотрены патрубки для подачи воздуха 2 и 3, патрубок ввода отходов 4, патрубок ввода сернистой нефти 5, патрубок ввода адсорбента 6, патрубок отвода дымовых газов 7, патрубки для входа 8 и выхода воды 9 из теплообменника 10. Внутри корпуса реактора между патрубками подачи воздуха 2 и патрубками ввода адсорбента 6 расположена газораспределительная решетка 11. Над решеткой располагаются организующая насадка 12. Над насадкой расположена неизотермическая решетка 14 из
параллельных труб с отверстиями 15, соединенных коллектором или коллекторами с патрубком или патрубками для подачи дополнительного воздуха 3. Над решеткой 14 расположен теплообменник 10. На крышке корпуса реактора предусмотрен патрубок для загрузки катализатора и инертного материала 13.
x
2
5
3
2
2
4
В реактор 1 на газораспределительную решетку 11 загружается смесь катализатора ИК-12-73 и инертного материала (кварцевый или речной песок) через патрубок 13. Скорость начала псевдоожижения частиц инертного материала и частиц катализатора одинакова. Под газораспределительную решетку 11 подается воздух через патрубок 2 для псевдоожижения слоя и окисления отходов или сернистой нефти. В патрубок 3 и далее в перфорированные трубы неизотермической решетки 14 подается воздух для псевдоожижения слоя над решеткой в расширенной части корпуса реактора и обеспечения необходимого градиента температур между слоем под и над неизотермической решеткой. В теплообменник 10 подается холодная вода 8 от потребителей. Горячая вода 9 направляется на использование потребителям (теплоснабжение и горячее водоснабжение). Слой под неизотермической решеткой разогревается до температуры 300-400°C за счет подогрева воздуха внешним теплоисточником. Затем через патрубок 5 в слой подается сернистая нефть или через патрубок 4 подаются органические отходы, а через патрубок 6 щелочной адсорбент (карбонат кальция). Температура в слое доводится до температуры 700-750°C за счет окисления отходов. После достижения температуры 700°C внешний теплоисточник отключается. Температура в слое поддерживается 700-750°C за счет съема избытка теплоты окисления отходов теплообменником 10. Дымовые газы через патрубок 7 направляются на очистку от пыли в циклон и фильтр и далее сбрасываются в атмосферу. Псевдоожиженный слой организован малообъемной насадкой 12, которая разбивает крупные газовые пузыри, образующиеся в слое, и обеспечивает хороший массообмен между газом и частицами катализатора и щелочного адсорбента. Выделяющиеся при сжигании отходов кислые газы (SO, HCl, PO) связываются с частицами щелочного адсорбента CaO в сульфаты, хлориды или фосфаты кальция и улавливаются в циклоне и на фильтре. Частицы CaO образуются при разложении CaCO в нижней зоне псевдоожиженного слоя. Адсорбирующиеся на поверхности катализатора кислые газы удаляются за счет окислительно-восстановительных реакций компонентов органических топлив и кислорода воздуха в нижней зоне аппарата и далее также связываются CaO. Органические компоненты отходов или сернистой нефти окисляются на поверхности катализатора до продуктов глубокого окисления (CO и HO). В нижней зоне при стехиометрических соотношениях отходов к кислороду воздуха α=0,95-1,05 возможно образование промежуточных продуктов окисления (CO, CH и др.), которые затем доокисляются в верхней части слоя при α=1,05-1,2 за счет подвода дополнительного воздуха через патрубки 3. Степень истирания катализатора ИК-12-73 (смешанный хромит меди и магния нанесенный на оксид алюминия) существенно ниже, чем степень истирания кварцевого или речного песка - 0,4-0,5 мас. % в сутки и 0,8-1,0 мас. % в сутки, соответственно. При использовании смеси песка и катализатора в соотношении 90% песка и 10% катализатора степень истирания катализатора уменьшается до 0,02 мас. % сутки. Это позволяет существенно уменьшить загрязнение твердых продуктов обезвреживания отходов катализаторной пылью, содержащей соединения хрома.
Конструкция неизотермической решетки 14 из параллельных труб с отверстиями 15 приведена на Фиг. 2.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими примерами и иллюстрациями.
Пример 1 (прототип).
3
3
3
3
x
x
В реактор, состоящий из корпуса диаметром 80 мм в нижней части и 100 мм в верхней, загружают 2.5 л катализатора глубокого окисления органических веществ, например, ИК-12-73, с диаметром гранул 2-3 мм и 2,5 л инертного материала (кварцевый песок) с размером частиц 0.5-0.8 мм. Под газораспределительную решетку подают воздух через патрубок для псевдоожижения и окисления топлива в количестве 10 м/ч. За счет различия в размере частиц катализатора и инертного материала псевдоожиженный слой разделяется на две зоны - зона кипения катализатора (нижняя зона) и зона кипения инертного материала (верхняя зона). Внешним электроподогревателем нагревают слой катализатора до 300-400°C. Затем насосом через патрубок подают в нижнюю часть слоя керосин в количестве 0.16 кг/ч. При достижении температуры в слое 700°C в верхнюю часть слоя подают трибутилфосфат в количестве 0.22 кг/ч. Одновременно в нижнюю часть реактора вводят щелочной адсорбент (кальцит с размером частиц 50-100 мкм) в количестве 0.12 кг/ч, а электроподогреватель отключают. В верхней части слоя расположен теплообменник змеевикового типа, охлаждаемый холодной водой. Температуру в слое регулируют количеством воды, подаваемой на охлаждение в теплообменник, и поддерживают на уровне 700-750°C. Коэффициент избытка воздуха α=2.0. Содержание токсичных веществ в отходящих газах: CO - 800-1000 мг/м, NO - 5 мг/м, SO - 0 мг/м. Степень истирания катализатора составляет 0,4 мас. % в сутки.
Пример 2.
3
3
3
3
x
x
В реактор, состоящий из корпуса диаметром 80 мм в нижней части и 100 мм в верхней загружают 5 л смеси катализатора глубокого окисления органических веществ с диаметром гранул 2-3 мм и гранулы речного песка с диаметром 1-2 мм. Соотношение песка и катализатора в смеси 90% и 10%, соответственно. Под газораспределительную решетку 11 подают воздух через патрубок 2 для псевдоожижения и окисления топлива в количестве 10 м/ч. Внешним электроподогревателем нагревают слой катализатора до 300-400°C. Затем через патрубок 4 подают в слой сернистую нефть в количестве 0.76 кг/ч. При достижении температуры в слое 700°C электроподогреватель отключают. В верхней части слоя расположен теплообменник 10 змеевикового типа, охлаждаемый холодной водой. Температуру в слое регулируют количеством воды, подаваемой па охлаждение в теплообменник, и поддерживают на уровне 700-750°C. Псевдоожиженный слой организован малообъемной проволочной насадкой 12. Над насадкой в расширенной части корпуса расположен ввод дополнительного воздуха 3, соединенный через коллектор с параллельными трубами 14 с отверстиями 15. Для связывания кислых продуктов (оксидов серы) в реактор через патрубок 6 подают щелочной адсорбент (кальцит с размером частиц 50-100 мкм) при весовом соотношении кальцит/S равном 3.44. Коэффициент избытка воздуха α=1.05-1.20. Содержание токсичных веществ в отходящих газах: CO - 30 мг/м, NO - 5 мг/м, SO - 0 мг/м. Степень истирания катализатора составляет 0,02 мас. % в сутки.
Пример 3. Аналогичен примеру 2.
3
3
3
x
x
Сжигание сырой нефти проводят при коэффициенте избытка воздуха α=1.0-1.05. Содержание токсичных веществ в отходящих газах: CO - 200-400 мг/м, NO - 4 мг/м, SO - 0 мг/м. Степень истирания катализатора составляет 0,02 мас. % в сутки.
Пример 4. Аналогичен примеру 3.
3
3
3
x
x
Сжигание сырой нефти проводят в нижней части реактора при коэффициенте избытка воздуха α=1.0-1.05. В верхней части реактора за счет подвода дополнительного воздуха поддерживают коэффициент избытка воздуха α=1.05-1.20. Содержание токсичных веществ в отходящих газах: CO - 30 мг/м, NO - 4 мг/м, SO0 мг/м. Степень истирания катализатора составляет 0,02 мас. % в сутки.
Пример 5. Аналогичен примеру 4.
3
3
3
x
x
В нижнюю часть слоя подают смесь керосина и трибутилфосфата в количестве 0.16 кг/ч и 0.22 кг/ч, соответственно. Содержание токсичных веществ в отходящих газах: CO - 30 мг/м, NO - 4 мг/м, SO - 0 мг/м. Степень истирания катализатора составляет 0,02 мас % в сутки.
Как видно из приведенных примеров, предлагаемое устройство позволяет уменьшить износ катализатора, упростить технологию обезвреживания органических отходов, в том числе сернистой нефти, снизить выбросы токсичных веществ с дымовыми газами без их дополнительного обезвреживания в отдельном аппарате.