Утилизация танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака

УДК 621.1.016

К.С. Пронин, Н.Н. Синицын

УТИЛИЗАЦИЯ ТАНКОВЫХ И ПРОДУВОЧНЫХ ГАЗОВ ОТДЕЛЕНИЯ СИНТЕЗА ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА

В статье описана проблема утилизации танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака. Показаны существенные недостатки применяемых на предприятиях по производству аммиака способов утилизации танковых и продувочных газов. Предложен наиболее рациональный вариант переработки танковых и продувочных газов: схема отмывки от аммиака обоих потоков газов с выделением из продувочного газа водорода.

Аммиак, утилизация, танковые, продувочные, оксиды азота, гомогенная, скруббер, мембранный, водород.

This paper describes the problem of recycling of tank and purge gases of branch of synthesis of ammonia.Significant shortcomings of the recycling ways of tank and purge gases used at enterprises producing ammonia methods are shown. The most rational way of recycling of tank and purge gases such as the scheme of ammonia washing of both gas streams releasing hydrogen from the purge gas is proposed in the paper.

Ammonia, recycling, tank, purge, nitrogen oxides, homogeneous, scrubber, membrane, hydrogen.

Главными приоритетами программы развития химической промышленности являются повышение эффективности использования энергетических ресурсов и снижение негативного воздействия на окружающую среду, что достигается разработкой новых технологий и переработкой образующихся в технологическом процессе отходов. Одним из наиболее эффективных путей совершенствования технологии синтеза аммиака является утилизация продувочных и танковых газов.

При изыскании способов оптимальной утилизации газов необходимо стремиться к комплексному использованию компонентов газовых смесей с учетом их энергетических показателей. Особенно важно полное извлечение из продувочных и танковых газов аммиака как основного продукта.

Продувочные и танковые газы образуются в отделении синтеза цехов по производству аммиака в баках-расширителях, ресиверах, охладителях аммиака. Эти газы не вступают в реакции синтеза основного продукта и поэтому являются балластными компонентами. Продувочные и танковые газы помимо Н2, КН3 содержат инертные примеси (СН4, Ar, Не). Их присутствие отрицательно сказывается на ведении технологического процесса синтеза аммиака.

Как известно, производительность катализатора колонны синтеза аммиака определяется, прежде всего, его химическим состоянием, макро- и микроструктурой, размером зерен, условиями восстановления и формирования. Зависит она от давления, температуры, объемной и линейной скоростей газового потока, состава газовой фазы по основным компонентам (Ы2, Н2, КН3) и по примесям инертных газов (СН4, Ar, Не). Присутствие инертных примесей в смеси равносильно снижению общего давления, с увеличением их содержания скорость реакции уменьшается. Влияние инертных примесей на скорость реакции выражается (если отбросить второстепенные факторы) в том, что каждый процент этих примесей увеличивает эффективную мольную долю

аммиака на 2 %. А поскольку в первом приближении скорость реакции обратно пропорциональна эффективной мольной доле аммиака, то каждый процент инертных примесей уменьшает скорость реакции на 2 %.

Учитывая высокую конкурентоспособность продукции азотной промышленности на внутреннем и внешнем рынках, а также большую потребность многих стран мира в аммиаке, снижение производительности аммиачных агрегатов недопустимо.

Избавиться от инертных примесей, содержащихся в газе (начиная от природного и конвертированного газа и заканчивая синтез-газом), невозможно. И поэтому необходимо утилизировать продувочные и танковые газы, а именно: извлекать из них ценные компоненты (Ы"2, И2, КН3) и направлять их обратно в колонну синтеза для получения дополнительного количества аммиака.

Известные на настоящее время способы утилизации продувочных и танковых газов не совершенны. В связи с этим исследование процессов, протекающих при утилизации танковых и продувочных газов, а также разработка оптимального варианта переработки этих газов, является актуальной задачей.

Продувочные и танковые газы имеют следующий состав [1] (табл. 1).

Таблица 1

Состав продувочных и танковых газов, % об.

Потоки газов в сеть топливного газа Продувочный газ Танковый газ

Состав, % об. Состав, % об.

Компонентный состав H2 60,89 39,19

n2 19,83 14,34

NH3 1,41 10,75

CH4 12,70 31,06

Ar 5,17 4,66

Всего: 100,00 100,00

Технологические характеристики продувочных и танковых газов представлены в табл. 2.

В настоящее время на большинстве предприятий по производству аммиака утилизация танковых и продувочных газов, содержащих аммиак, осуществляется путем сжигания этих газов в смеси с топливным газом в печи первичного риформинга (ППР). В результате чего содержание оксидов азота в дымовых газах достигает 400 мг/м3 и выше. Количество образующихся оксидов азота также зависит от режима горения. С целью снижения выбросов оксидов азота в атмосферу с дымовыми газами из трубчатой печи предусмотрено гомогенное восстановление их аммиаком.

Метод основан на избирательном восстановлении оксидов азота аммиаком в газовой фазе в отсутствии катализатора при температуре 900+980 °С по реакциям:

6Ш + 4КН3 = 5^ + 6Н20 + 1593 кДж/моль;

6Ш2 + 8КН3 = 7^ + 12Н20 + 2931 кДж/моль.

Кроме того при температуре 900+950 °С при контакте аммиака с металлом или керамическими материалами, которые используются для футеровки поверхностей печи, возможны побочные реакции окисления аммиака кислородом:

4КН3 + 302 = 3^ + 6Н2О + 1236 кДж/моль;

4КН3 + 502 = 4Ш + 6Н2О + 759 кДж/моль;

4КН3 + 402 = 2^О + 6Н2О + 989 кДж/моль.

В качестве газа-восстановителя используются:

- танковые газы отделения синтеза;

- газообразный аммиак из линии всаса второй ступени аммиачного компрессора;

- десорбированные газы из емкости мгновенного вскипания;

- газы дистилляции отпарной колонны.

Сжигание продувочных и танковых газов в ППР

имеет ряд существенных недостатков:

1) из-за низкой калорийности этих газов возрастает расход основного (топливного) природного газа с большей калорийностью (~ 40 МДж/м3), что существенно сказывается на увеличении себестоимости производимого аммиака;

2) образование вредных оксидов азота приводит к загрязнению атмосферы, что ведет к ухудшению экологической обстановки предприятия и города;

3) очистка образовавшихся оксидов азота осуществляется подачей аммиаксодержащих газов в зону реакции, что приводит к дополнительным затратам основного продукта и, соответственно, снижению производительности [4].

Изучив и проанализировав полученные ранее данные, предлагается доработать схемы отмывки от аммиака обоих потоков газов с выделением из продувочного газа водорода [2], [3].

Предлагаемая схема описана ниже (см. рисунок).

Продувочные газы отделения синтеза агрегата аммиака в количестве 11100+11200 м3/ч с Р = 12,3+12,4 МПа и Т = 21,5 °С после редуцирующего клапана поступают на установку выделения водорода (УВВ). На УВВ продувочный газ проходит коалесцентный фильтр (1), теплообменник (2) и с Т = 80 °С и Р = 11,0 МПа поступает на мембранные модули (3, 4). В результате прохождения газа через мембраны образуется пермеат в количестве 5700+5800 м3/ч, содержащий < 91,5 % об. водорода, который возвращается в узел синтеза аммиака. Остаточный газ (ретант) в количестве 5300+5400 м3/ч с Р = 1,2+1,5 МПа и Т = 82+83 °С по существующей схеме направляется на сжигание в ППР.

Поскольку остаточный газ в своем составе содержит аммиак, предлагается направить этот поток газа не на сжигание в печь, а на смешение с потоком танкового газа, с последующей отмывкой от аммиака и разгонкой образовавшейся аммиачной воды.

Танковые газы в количестве 3800+3900 м3/ч с Р = 1,5 МПа и Т = -27,5 °С смешиваются с остаточным газом в количестве 5300+5400 м3/ч с Р = 1,2+1,5 МПа и Т = 82+83 °С (после узла редуцирования), после чего поступают в промывной скруббер (5), где поглощаются питательной водой из отделения ри-форминга агрегата аммиака.

Промывка производится в многоступенчатом скруббере (5) с охлаждением (7, 8) аммиачного раствора между ступенями абсорбции, а выделение аммиака после первой ступени скруббера осуществляется методом выпаривания аммиачного раствора, подаваемого в испаритель (12).

Образующийся газообразный аммиак с Р = 0,4+0,5 МПа выдается в сеть завода или на всас аммиачного компрессора.

Выходящие из верха скруббера не абсорбировавшиеся газы (ост. Н2,СН4, N2, Аг) подаются на сжигание в ППР.

Достоинства рассматриваемого способа:

1) возможность проведения одновременной отмывки от аммиака как танкового, так и продувочного (остаточного) газа;

2) исключается образование оксидов азота в ППР, следовательно, гомогенную очистку проводить не нужно;

Таблица 2

Технологические характеристики продувочных и танковых газов

Параметры Продувочный газ Танковый газ

Температура, °С -24,5 -27,5

Давление, МПа 25,3 1,5

Расход, тыс. м3/ч 11,2 3,9

Теплотворная способность, МДж/м3 11,3 16,9

3) снижается себестоимость готовой продукции;

4) повышается производительность агрегата за счет образования после УВВ дополнительного количества водорода, возвращаемого в узел синтеза аммиака, что в пересчете на аммиак составляет 64,4 т/сут.;

5) повышается производительность агрегата за счет образования дополнительного количества аммиака (до 3800 т/год или 10,5 т/сут.) в результате разгонки аммиачной воды;

6) повышается производительность агрегата за счет экономии газообразного аммиака в качестве газа-восстановителя в ППР (до 6600 т/г. или 18,1 т/сут.) в результате отказа от проведения гомогенной очистки.

Приведено технико-экономическое обоснование (приблизительный расчет) внедрения установки утилизации танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака.

1. Расчет капитальных вложений.

Определяем суммарную ориентировочную стоимость нового оборудования:

КНОБ. = ХК (скруббер, буферная емкость, охладитель, насос, рекуператор, испаритель, влагоотдели-тель, регулирующий клапан, запорная арматура, системы замера уровня и давления), тыс. руб.

КНОБ. = 5000 + 2000 + 2 • 1500 + 2 • 1250 + 2300 + + 2000 + 800 + 3 • 320 + 3 • 75 + 3 • 115 = 19130 тыс. руб.

Стоимость трубопроводов принимаем в размере 5 % от КН.ОБ Тогда суммарная стоимость вновь устанавливаемого оборудования равна, тыс. руб.:

К'Н.ОБ. = КН.ОБ. + 0,05 • КН.ОБ. = 19130 + 0,05 • 19130 = 20086,5 тыс. руб.

Находим затраты на монтаж нового оборудования по формуле:

ЗМ = 0,15 • К Н.ОБ^

где 0,15 - затраты, принимаемые в размере 15 % от

К Н.ОБ.

ЗМ = 0,15 • 20086,5 = 3012,975 тыс. руб.

Определяем транспортно-заготовочные затраты по формуле:

ЗТ.З. = 0,06 • К' Н.ОБ^

где 0,06 - затраты, принимаемые в размере 6 %

отК Н.ОБ.

ЗТЗ. = 0,06 • 20086,5 = 1205,19 тыс. руб.

Вычисляем затраты на специальные строительные работы по формуле:

Зс = 0,05 • К'Н.ОБ., где 0,05 - затраты, принимаемые в размере 5 % от

К Н.ОБ.

ЗС = 0,05 • 20086,5 = 1004,325 тыс. руб.

Определяем суммарное количество капитальных вложений (дополнительных) в мероприятие, КдОП., тыс. руб.:

КДОП. = К Н.ОБ. + ЗМ + ЗТ.З. + ЗС

КДОП. = 20086,5 + 3012,975 + 1205,19 + 1004,325 = = 25308,99 тыс. руб.

2. Расчет дополнительного дохода с получения дополнительного количества аммиака.

В результате проводимого мероприятия образуется дополнительное количество аммиака, равное 28,6 т/сут.

Себестоимость (С) производимого аммиака март 2013 г. составляет 5262,88 руб. за 1 т.

В течение года будет выработано дополнительное количество аммиака (0дОП), т.:

0ДОП. = 28,6 • 30 • 11 = 9438 т.,

где 28,6 - дополнительное количество вырабатываемого за сутки аммиака, т.; 30 - количество суток в месяце, сут.; 11 - количество месяцев работы агрегата в течение года, мес.

В денежном выражении (ДдОП.) это составит, тыс. руб.:

ДдОП. = 0ДОП. • С / 1000 = 9438 • 5262,88 / 1000 = = 49671,06 тыс. руб.

3. Расчет ориентировочного срока окупаемости капитальных вложений.

Приближенно срок окупаемости капитальных вложений составит, мес.:

ТОК. = КДОП. / ДДОП. = 25308,99 / 49671,06 = = 0,5 года или 6 мес.

Дисконтированный срок окупаемости будет несколько выше (порядка 1 года).

ч и X X

Л

и п X

и

X

>

<<

X 8

ю

Рисунок. Установка одновременного извлечения аммиака из продувочных и танковых газов: 1 - коалесцентный фильтр; 2 - теплообменник; 3,4- мембранный модуль; 5 - скруббер; 6 - буферная емкость; 7, 8 - охладитель; 9, 10 - насос; 11 - рекуперативный теплообменник;

12 - испаритель; 13 - влагоотделитель

Литература

1. Демиденко, И.М. Аммиак. Вопросы технологии / [И.М. Демиденко и др.]; под общ. ред. Н.А. Янковского. -Донецк, 2001.

2. Интенсификация действующего производства аммиака комплектной импортной поставки с увеличением мощности на 25 тыс. т/год (с 450 до 475 тыс. т/год). Пояснительная записка 438606-ТХ-1. - Днепродзержинск, 1986.

3. Пат. 2372567 Российская Федерация, МПК Т251 3/06. Способ извлечения аммиака из продувочных и танковых газов. Заявитель и патентообладатель ОАО «Тольят-тиазот» - № 2008111663/06; заявл. 26.03.2008; опубл. 10.11.2009, Бюл. № 31.

4. Пронин, К.С. Проблема утилизации танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака / К.С. Пронин // Научный аспект № 3-2012. - Самара, 2012. - С. 123 - 128.

УДК 621.181

Н.Н. Синицын, И.В. Сидоров, И.О. Белодонова, К.А. Шушкова

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ТЕПЛОМАССООБМЕНА

В ТОПКЕ КОТЛА

В статье рассмотрено построение математической модели расчета теплообмена при сжигании газообразного топлива с помощью программного комплекта FlowVision. Приведены результаты исследования на промышленном объекте.

Математическая модель, газообразное топливо, теплообмен в топке, температурное поле, поля скоростей, давлений, концентрации.

The paper considers the mathematical model of calculating the heat transfer in combustion of gaseous fuels with the software package FlowVision. The results of the research are presented at the industrial facility.

Mathematical model, gaseous fuels, heat transfer in the furnace, temperature field, velocity field, pressure, concentration.

Согласно Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10574-03 п. 3.11.8) горелочные устройства должны обеспечивать надежное воспламенение и устойчивое горение топлива без отрыва и проскоков пламени в заданном диапазоне режимов работы. А Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления (ПБ 12-529-03 п. 5.9.10) устанавливают, что газоиспользующие установки должны оснащаться системой технологических защит, прекращающих подачу газа в случае отклонения давления газа перед горелкой за пределы области устойчивой работы. В настоящее время в паспортах в горелке РГМГ-30, котла КВГМ-30 не указано, что они прошли приемочные испытания и, соответственно, нет пределов области устойчивой работы. Согласно ПБ 10-574-03 п. 3.11.9, аэродинамические характеристики горелок и размещение их на стенах топки должны обеспечивать равномерное заполнение топки факелом без на-броса его на стены и исключить образования застойных и плохо вентилируемых зон в объеме топки. Горелка РГМГ-30 котла КВГМ-30 часто работает в режиме, характеризующемся неоднородностью среды из-за неравномерного распределения газа по сечению воздушного потока в горелке и в факеле. Это в ряде случаев приводит не только к потерям теплоты от недожога даже при повышенных избытках воздуха в топке, но и к повреждению поверхностей нагрева труб по причине их перегрева.

В связи со сложностью комплекса аэродинамических, химических и тепловых процессов, происходящих при сжигании топлива, наиболее надежным

инструментом при создании горелочных устройств является испытание. Испытание - это экспериментальное определение качественных и количественных характеристик горелочных устройств и создаваемых ими факелов при работе горелок в стендовых или промышленных условиях. Однако с развитием ЭВМ на современном этапе развития науки и техники можно также проводить и численные эксперименты. При этих испытаниях определяются качественные характеристики горелок, выбираются лучшие режимы их работы и лучшие варианты конструкций, в наибольшей степени отвечающие требованиям технического задания на разработку. Кроме того, определяются существенные факторы, влияющие на характеристики факела. Исследовательские испытания завершаются разработкой рекомендации для создания рабочей документации опытного образца. В данной работе ставится задача исследования устойчивости работы газовой горелки на промышленном объекте и разработка рекомендации по прогнозированию устойчивой работы горелочных устройств, сжигающих газообразное топливо.

В основу метода положены закономерности процесса радиационного теплообменника в камере, заполненной излучающей средой и имеющей поверхность нагрева, обмуровку. Такой подход позволяет учесть в явном виде влияние на теплообмен ряда факторов: температуры теплоносителя, термического сопротивления, загрязняющего слоя золовых отложений и степени его черноты, селективности излучения топочных газов и т. д.

Метод расчета основывается на системе четырех