УСТАНОВКА СЖИГАНИЯ АММИАКА

Полезная модель относится к области очистки сульфидно-аммонийных сточных вод, образующихся на нефтеперерабатывающих заводах.
На современных нефтеперерабатывающих заводах с глубокой переработкой сырья, имеющих в своем составе каталитический крекинг, гидрокрекинг, гидроочистку и другие процессы с химическим преобразованием сырья, технологические сточные воды, содержащие сероводород и аммиак, образующиеся при деструкции серо- и азотсодержащих органических соединений, направляются на локальную очистку.
После глубокой очистки технологических сточных вод, получаемый высококонцентрированный газообразный аммиак направляется на выработку аммиачной селитры, аммиачной воды или на ожижение.
При получении незначительных количеств аммиака более целесообразным является его сжигание с непосредственной утилизацией тепла дымовых газов в котле-утилизаторе для получения водяного пара. Этим снижаются энергозатраты на глубокую очистку сточных вод и исключаются трудоемкие и дорогостоящие стадии хранения, транспортирования и реализации незначительных количеств аммиака и аммиачной воды.
Известна принципиальная схема установки сжигания аммиака [1]. Установка включает линии подачи технологических сред, соединенные между собой блок концентрирования аммиака, печь (реактор) для сжигания аммиака, котел-утилизатор и дымовую трубу. Исходный аммиачный раствор, содержащий 1,5-3,0% аммиака, концентрируется с получением 15-20% пароаммиачной смеси, которая направляется на сжигание в печь с дальнейшей утилизацией тепла дымовых газов на получение водяного пара в котле-утилизаторе. Недостаток установки заключается в том, что она предназначена для сжигания пароаммиачной смеси относительно низкой концентрации, что снижает рентабельность се применения после установок глубокой очистки технологических сточных вод с получением высококонцентрированного газообразного аммиака (90-99% масс.). Также сжигание пароаммиачной смеси низкой концентрации требует увеличенного расхода топливного углеводородного газа при подаче его в печь (реактор) для поддержания температуры выше температуры самовоспламенения аммиака, составляющей 650-700°C.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является установка сжигания аммиака коксового газа [2]. Известная установка включает линии подачи пароаммиачной смеси, углеводородного газа, воздуха, химочищенной воды, линию отбора перегретого водяного пара и линию отвода дымовых газов, последовательно соединенные между собой десорбер, вертикальный циклонный реактор с горелками для ввода пароаммиачной смеси, воздуха и углеводородного газа, котел-утилизатор с пароперегревателем и экономайзером, дымосос, дымовую трубу и два дутьевых вентилятора. Кроме того, в состав известной установки могут входить деаэратор, насос, подающий химочищенную деаэрированную воду в котел-утилизатор, узел продувки с линией отбора и подачи водяного пара низкого давления в деаэратор. Десорбер предназначен для повышения концентрации аммиака в пароаммиачной смеси до 40-45% и представляет собой вертикальную колонну с внутренними массообменными устройствами. В нижнюю часть десорбера подается водяной пар, в среднюю часть - пароаммиачная смесь низкой концентрации, а на орошение, в верхнюю часть десорбера, подается аммиачная вода. Концентрированная пароаммиачная смесь сверху десорбера поступает в горелки, расположенные в средней части реактора. Реактор представляет собой вертикальную колонну, в верхней части которой расположена горелка для сжигания углеводородного газа (коксового газа), а в средней части - 9 горелок для сжигания пароаммиачной смеси. В реакторе предусмотрена возможность распределения пароаммиачной смеси и воздуха по любым из 9 горелок, В горелку, расположенную вверху реактора, подается топливный углеводородный газ, в данном случае - коксовый газ, и воздух с помощью одного из дутьевых вентиляторов. Продукты горения коксового газа сверху реактора поступают в среднюю часть реактора, где из 9 горелок поступает пароаммиачная смесь и воздух, подаваемый в горелки вторым дутьевым вентилятором. Снизу реактора отводятся дымовые газы: продукты горения коксового газа, продукты термического разложения и сжигания аммиака, водяной пар. Дымовые газы с температурой 1250°C подаются последовательно в пароперегреватель котла-утилизатора, затем в котел-утилизатор и далее в экономайзер котла-утилизатора. Из экономайзера котла-утилизатора дымовые газы дымососом подаются в дымовую трубу.
Недостаток известной установки заключается в сжигании пароаммиачной смеси с относительно низкой концентрацией аммиака (40-45%), что снижает рентабельность ее применения после установок глубокой очистки технологических сточных вод с получением высококонцентрированного (90-99% масс.) газообразного аммиака. Сжигание пароаммиачной смеси требует увеличенного расхода топливного углеводородного газа, подаваемого в реактор известной установки для поддержания необходимой температуры самовоспламенения и термического разложения аммиака.
Задача полезной модели - повышение рентабельности установки сжигания газообразного аммиака высокой концентрации (90-99% масс.).
Поставленная задача решается тем, что на установке сжигания аммиака, включающей линии подачи углеводородного газа, воздуха, химочищенной воды, линию отбора перегретого водяного пара и линию отвода дымовых газов, реактор, котел-утилизатор, дымосос и дымовую трубу, вентилятор дутьевой, деаэратор, насос, подающий химочищенную деаэрированную воду в котел-утилизатор, и узел продувки котла-утилизатора, согласно полезной модели, она снабжена линией подачи газообразного аммиака в реактор и линией для возврата на рециркуляцию части дымовых газов от дымососа в реактор, к которой подключена линия подачи воздуха, а также смесительным устройством для получения пароаммиачной смеси, соединенным с линией подачи газообразного аммиака и с линией отбора перегретого водяного пара, при этом реактор расположен горизонтально и оборудован горелкой для ввода в него газообразного аммиака и воздуха, а также по меньшей мере двумя тангенциально расположенными патрубками для ввода и распределения дымовых газов в смеси с воздухом и по меньшей мере двумя тангенциально расположенными патрубками для ввода и распределения пароаммиачной смеси.
Смесительное устройство для получения пароаммиачной смеси может быть выполнено в виде эжектора.
На линии отбора перегретого водяного пара может быть установлено редукционно-охладительное устройство, имеющее линию вывода редуцированного водяного пара, соединенную с деаэратором.
На линии подачи газообразного аммиака в реактор может быть установлен подогреватель газообразного аммиака, соединенный с линией вывода редуцированного водяного пара и имеющий линию отвода конденсата, соединенную с линией подачи химочищенной воды.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является утилизация высококонцентрированного аммиака путем его сжигания.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показана принципиальная схема предлагаемой установки сжигания аммиака сульфидно-аммонийных сточных вод.
Предлагаемая установка включает последовательно соединенные подогреватель 1 аммиака, реактор 2, котел-утилизатор 3, дымосос 4 и дымовую трубу 5, а также вентилятор дутьевой 6, редукционно-охладительное устройство 7, смесительное устройство для получения пароаммиачной смеси, выполненное в виде эжектора 8, деаэратор 9, насос 10 и узел продувки котла-утилизатора, включающий последовательно соединенные сепаратор 11 непрерывной продувки, сепаратор 12 периодической продувки и холодильник (на чертеже не обозначен). Реактор 2 оборудован основной горелкой 13 и пилотной горелкой 14, а также по меньшей мере двумя тангенциально расположенными патрубками для ввода и распределения рециркуляционных дымовых газов в смеси с воздухом и по меньшей мере двумя тангенциально расположенными патрубками для ввода и распределения паро-аммиачной смеси (на чертеже не показаны). Установка также включает входную линию 15 подачи углеводородного газа, соединенную с пилотной горелкой 14, линию 16 подачи газообразного высококонцентрированного аммиака, соединенную с основной горелкой 13 и отводом от нее (на чертеже не обозначен) - с эжектором 8 через подогреватель 1 аммиака, линию 17 подачи воздуха от вентилятора дутьевого 6 в основную горелку 13, линию 18 подачи химочищенной воды, соединенную с деаэратором 9. Деаэратор 9 соединен линией 19 подачи деаэрированной воды с котлом-утилизатором 3 через насос 10. Линия 20 ввода пароаммиачной смеси соединяет реактор 2 со смесительным устройством, выполненным в виде эжектора 8, к которому подведены отвод от линии 16 подачи газообразного аммиака и отвод от линии 21 отбора перегретого водяного пара от котла-утилизатора 3 (отводы на чертеже не обозначены). Линия 21, служащая для отбора перегретого водяного пара, соединена с редукционно-охладительным устройством 7, выход которого соединен линией 22 с деаэратором 9 и с подогревателем 1 с помощью отвода (на чертеже не обозначен) от линии 22. Линия 22 служит для вывода редуцированного водяного пара от редукционно-охладительного устройства 7. Подогреватель 1 соединен линией 23, служащей для отвода от него конденсата, с линией 18 подачи химочищенной воды. К линии 24, служащей для отвода дымовых газов и соединяющей дымосос 4 с дымовой трубой 5, присоединена линия 25 для возврата на рециркуляцию части циркуляционных дымовых газов в реактор 2. К линии 25, соединенной с реактором 2, присоединен отвод (на чертеже не обозначен) от линии 17 подачи воздуха. Подключение линии 25 к реактору 2 осуществлено с помощью по меньшей мере двух тангенциально расположенных патрубков (на чертеже не показаны) для ввода и распределения рециркуляционных дымовых газов в смеси с воздухом. Сепаратор 11 непрерывной продувки соединен линией 26 отбора продувочной воды с котлом-утилизатором 3 и линией 27 отбора пара низкого давления - с линией 22 вывода редуцированного водяного паpa. Установка имеет необходимую запорно-регулировочную арматуру (на чертеже не обозначена).
Установка работает следующим образом.
x
Газообразный высококонцентрированный аммиак (90-99% масс.), подогретый в подогревателе 1 до необходимой температуры, по линии 16 поступает в основную горелку 13 реактора 2 в смеси с воздухом, который подается в горелку 13 по линии 17 с помощью дутьевого вентилятора 6. Поддержание устойчивого горения аммиака в среде воздуха осуществляется за счет одновременной подачи в горелку 14 углеводородного газа по линии 15. Для сжигания аммиака с минимальным образованием оксидов азота (NO) процесс в реакторе 2 проводится в две стадии. На первой стадии осуществляется сжигание аммиака в среде воздуха при температуре до 1450°C (максимальная теплостойкость материала реактора - шамотного кирпича). При этом аммиак вступает в основную реакцию окисления с образованием азота и воды:
3
2
2
2
4NH+3O→2N+6НO.
Начальное содержание аммиака в смеси с воздухом поддерживается на уровне 15-28% об. (нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени).
Регулирование температуры в реакторе 2 осуществляется за счет ввода в него через тангенциально расположенные патрубки (на чертеже не показаны) части циркуляционных дымовых газов от дымососа 4 по линии 25 и подачи вторичного воздуха от вентилятора дутьевого 6 по линии 17. Благодаря нейтральным свойствам возвращаемых на рециркуляцию в реактор 2 дымовых газов и их пониженной температуре (180-195°C), процесс сжигания газообразного аммиака регулируется посредством изменения расхода дымовых газов.
x
Наряду с основной реакцией на первой стадии протекают и побочные реакции с образованием оксидов азота (NO):
3
2
2
4NH+5O→4NO+6НO;
z
2
2NO+O→2NO.
x
2
В дымовых газах окислы азота NO состоят на 95-99% из окиси азота NO и лишь на 1-5% из двуокиси азота NO.
На второй стадии осуществляется селективное некаталитическое восстановление вредных примесей оксидов азота за счет подачи в реактор 2 части дымовых газов на рециркуляцию по линии 25, вторичного воздуха по отводу (на чертеже не обозначен) от линии 17 и впрыска в реактор 2 через тангенциально расположенные патрубки (на чертеже не обозначены) подаваемой по линии 20 пароаммиачной смеси, содержащей 15-25% масс. аммиака. Пароаммиачная смесь получается в эжекторе 8 при смешении подаваемого в него по отводу (на чертеже не обозначен) от линии 16 подогретого газообразного аммиака и получаемого на установке перегретого водяного пара по отводу (на чертеже не обозначен) от линии 21.
Реакции восстановления в реакторе 2 имеют вид:
3
2
2
2
4NO+4NH+О→4N+6НО;
2
3
2
2
6NO+8NH→7N+12HO.
Восстановление оксидов азота проводится при температуре 900°C-1000°C. При температуре 1100°C и выше аммиак окисляется до NO.
Дымовые газы из реактора 2 поступают в котел-утилизатор 3 где охлаждаются до температуры 180-195°C и дымососом 4 по линии 24 направляются в дымовую трубу 5. Одновременно до 30% потока циркуляционных дымовых газов по линии 25 возвращается в реактор 2 на рециркуляцию.
В деаэраторе 9 из поступающей в него по линии 18 химочищенной воды удаляются коррозионно-агрессивные газы - кислород и свободная углекислота, после чего химочищенная вода насосом 10 по линии 19 подается в котел-утилизатор 3.
Во избежание отложения солей на стенках котла-утилизатора 3 осуществляется постоянная продувка путем отвода воды по линии 26 в узел продувки. В сепараторе 11 непрерывной продувки продувочная вода после сброса давления разделяется на насыщенный водяной пар низкого давления и конденсат, поступающий в сепаратор 12 периодической продувки. Перед сепаратором 12 давление понижается до атмосферного. Конденсат из сепаратора 12 охлаждается в холодильнике (на чертеже не обозначен) и сбрасывается в канализацию. Часть потока выработанного на установке перегретого водяного пара поступает по линии 21 в редукционно-охладительное устройство 7. После него одна часть потока редуцированного водяного пара по отводу от линии 22 подается в подогреватель 1 в качестве теплоносителя, а другая часть потока редуцированного водяного пара по линии 22 подается непосредственно в деаэратор 9. Образующийся конденсат водяного пара из подогревателя 1 по линии 23 подается в линию 18, где смешивается с потоком поступающей на установку химочищенной воды, и их смесь подается в деаэратор 9. Выпар из деаэратора 9 охлаждается охладителем выпара (охладитель на чертеже не обозначен), конденсат сбрасывается в канализацию, а газовая часть - в атмосферу.
Перегретый водяной пар давлением 1,4 МПа из котла-утилизатора 3 по линии 21 отводится либо на установку глубокой очистки технологических сульфидно-аммонийных сточных вод, что позволяет снизить ее энергетические затраты, либо в сеть завода.
Установка позволяет вторично использовать:
- водяной пар низкого давления из узла продувки, подаваемый в деаэратор 9;
- конденсат водяного пара из подогревателя 1 аммиака, который смешивается с химочищенной водой и подается в деаэратор 9.
Удельные расходы основных ресурсов на производство одной тонны перегретого водяного пара представлены в таблице 1.
Таблица 1
Удельные расходы основных ресурсов на 1 т. водяного пара
№ п/п
Статья затрат, единица измерения
Значение
1
Аммиак газообразный, кг
209,4
2
Углеводородный газ, кг
2,4
3
Вода химочищенная, кг
1020
4
Электроэнергия, кВт·ч
4,8
Перечень источников публикации
1. Харлампович Г.Д., Кудряшова Р.И. Безотходные технологические процессы в химической промышленности. - М.: Химия, 1978. С.77-78.
2. Дьяков С.Н. Исследование и разработка технологического процесса сжигания аммиака из пароаммиачных смесей очистки коксового газа. - Дисс. на соискание степени канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2003. Стр. 46-55, рис.5.