Дизайн типовой газоочистной установки каталитического окисления ЛОС в отходящих газах
Рассмотрены основные принципы проектирования типовой каталитической установки очистки газов
Каталитическое окисление является одним из наиболее эффективных методов очистки отходящих газов от летучих органических соединений. Процесс протекает при 300–500 °C на поверхности катализатора, обеспечивая высокую степень обезвреживания без образования токсичных оксидов азота.
В статье рассмотрен типовой дизайн каталитической установки, который включет воздуходувку, теплообменник типа «газ/газ», реактор со слоем катализатора и пусковой подогреватель (газовую горелку или электронагреватель). Ключевая задача проектирования — обеспечить автотермический режим за счет тепла реакций окисления. При этом необходим тщательный расчет гидравлического сопротивления (суммарный перепад 550–600 мм вод. ст.), объема катализатора и тепловых балансов. Особое внимание уделяется выбору между газовым и электрическим нагревом, а также управлению температурой, чтобы избежать перегрева катализатора выше 500 °C.
В статье рассмотрен типовой дизайн каталитической установки, который включет воздуходувку, теплообменник типа «газ/газ», реактор со слоем катализатора и пусковой подогреватель (газовую горелку или электронагреватель). Ключевая задача проектирования — обеспечить автотермический режим за счет тепла реакций окисления. При этом необходим тщательный расчет гидравлического сопротивления (суммарный перепад 550–600 мм вод. ст.), объема катализатора и тепловых балансов. Особое внимание уделяется выбору между газовым и электрическим нагревом, а также управлению температурой, чтобы избежать перегрева катализатора выше 500 °C.
Типовая установка каталитического дожигания отходящих газов
Типовая установка каталитического дожигания отходящих газов
Описание каталитической установки
На рисунке представлена схема типовой каталитической установки. В состав установки входят теплообменник E2, горелка Y5 и корпус горелки H4, каталитический реактор R6, воздуходувка K1. Отходящий газ подается на воздуходувку K1 на входе установки. Воздуходувка обеспечивает коррекцию перепада давления в установке. После воздуходувки газ нагревается до температуры на входе реактора путем теплообмена с газами после реактора. Нагретый очищаемый воздух поступает в реактор. В реакторе очищаемый воздух проходит через слой катализатора, где происходит окисление горючих веществ до H2O, CO2. При этом за счет тепла реакций окисления происходит нагрев газа. В зависимости от состава горючих веществ повышение температуры будет составлять порядка 30 ⁰С на каждый 1 г/нм3 для углеводородов, для спиртов, кетонов, эфиров – 16-25 ⁰С на 1 г/нм3.
После этого продукты реакции из реактора проходят через теплообменник типа «газ/газ» для утилизации тепла и нагревают новую порцию очищаемого воздуха. После теплообменника очищенный воздух направляется в трубу. Часть газа 20-40% об. после реактора подвергается рециклингу, то есть смешивается с новой порцией газа, который идет на очистку.
Нагрев каталитической установки
Регулирование температуры на входе в реактор при разогреве установки и в режиме ожидания осуществляется путем изменения мощности газовой горелки Y5. Вместо газовой горелки возможно использование электронагрева. Применение нагрева имеет два задачи – это разогрев установки при запуске и поддержание требуемой температуры газа на входе в реактор в процессе эксплуатации.
Нагрев постоянно требуется, когда установка работает в неавтотермическом режиме. Требуемый нагрев может быть рассчитан по следующей формуле:
Нагрев постоянно требуется, когда установка работает в неавтотермическом режиме. Требуемый нагрев может быть рассчитан по следующей формуле:
Нагрев установки для эксплуатации в неавтотермическом режиме
F – расход потока в нм3/ч, Ср – теплоемкость в ккал/нм3/⁰C, Tc – температура при входе в реактор, С, Т2 – температура на выходе из теплообменника газов, направляемых на очистку
F – расход потока в нм3/ч, Ср – теплоемкость в ккал/нм3/⁰C, Tc – температура при входе в реактор, С, Т2 – температура на выходе из теплообменника газов, направляемых на очистку
Выбор между электрическим нагревателем и газовой горелкой зависит от экономических факторов (стоимость энергоносителей, доступность газа) и требуемой мощности. Как правило, электрический нагрев целесообразно применять до 100 Mкал/ч, свыше 100 Мкал/ч – газовая горелка. В качество топлива используется природный газ, пропан. Возможно применение других топливных газов без содержания серы. На входе предусмотрен воздухозаборник. Этот воздухозаборник используется при пуске установки для продувки и нагрева, и при останове для удаления отходящего газа из системы.
Горелочное устройство
Горелочное устройство состоит из камеры сжигания H4, горелки Y5, газоходов и воздуходувки K3. В некоторых случаях воздуходувку горелки можно исключить. Если в качестве топлива используется пропан, то соотношение с воздухом составляет 16 нм3/ (кг пропана) с учетом избытка воздуха 25%. Зная мощность горелки, можно оценить мощность воздуходувки, используя формулы ниже. В оценочных расчетах эффективность воздуходувки принимается η=0,7. Обратите внимание, что не следует превышать температуру на входе в вентилятор 100-150 °C, если это специально не учтено при проектировании. Очищенный горячий воздух от реактора или теплообменника возвращается и частично смешивается со свежим воздухом. Необходимо проверять, чтобы в смеси содержалось достаточное количество кислорода.
Формулы расчета мощности воздуходувки
Обозначения: Fa – расход в нм3/ч, Δpмм.вод.ст. – перепад давления по проекту, в мм.вод.ст., η - эффективность воздуходувки, Т – температура всасываемого воздуха, ⁰С
Обозначения: Fa – расход в нм3/ч, Δpмм.вод.ст. – перепад давления по проекту, в мм.вод.ст., η - эффективность воздуходувки, Т – температура всасываемого воздуха, ⁰С
Размер основного вентилятора каталитической установки К1
Размер основного вентилятора К1 определяется объемным расходом на входе в нм³/ч, температурой и требуемым увеличением давления. Для предварительных расчетов перепады давления установки составляют:
Таким образом, при проектировании каталитической установки, в составе которой есть теплообменник, воздуховка, горелка, реактор, необходимо выбрать общее значение перепада давления 550-600 мм вод.ст.
Компонент установки | Перепад давления, мм.вод.ст. |
Теплообменник | 200 |
Камера сгорания | 90 |
Реактор | 200 (сферический катализатор), 100 (сотовый катализатор) |
Трубопроводы и пр. | 50 |
Скоростной напор на выходе | 10 |
Суммарный перепад давления Δp | 550 |
Таким образом, при проектировании каталитической установки, в составе которой есть теплообменник, воздуховка, горелка, реактор, необходимо выбрать общее значение перепада давления 550-600 мм вод.ст.
Трубопроводы каталитической установки
Размеры трубопроводов определяются ограничениями по перепаду давления. Перепад давления в трубопроводах и арматуре может быть рассчитан с помощью обычных методов прогнозирования потерь давления. В компактной установке компромисс между стоимостью материала и перепадом давления будет достигнут при проектировании на скорость газа 20 м/с. Если расстояния значительные, необходимо выбрать меньшую скорость.
Для компенсации тепловых расширений в местах с повышенной температурой используют компенсаторы из стали. Во избежание утечек газа используют сварные соединения вместо фланцевых.
Клапаны могут быть с электроприводом, пневмоприводом или ручные. Для обеспечения автоматической работы многие клапаны должны быть оснащены дистанционным управлением. Более длительное время срабатывания электропривода по сравнению с пневмоприводом обычно является приемлемым решением. Для горячего и загрязненного воздуха рекомендуется использовать клапаны с подшипниками внешнего расположения. Трубопроводы, теплообменник и реактор должны быть изолированы как минимум 100 мм минеральной ваты.
Для компенсации тепловых расширений в местах с повышенной температурой используют компенсаторы из стали. Во избежание утечек газа используют сварные соединения вместо фланцевых.
Клапаны могут быть с электроприводом, пневмоприводом или ручные. Для обеспечения автоматической работы многие клапаны должны быть оснащены дистанционным управлением. Более длительное время срабатывания электропривода по сравнению с пневмоприводом обычно является приемлемым решением. Для горячего и загрязненного воздуха рекомендуется использовать клапаны с подшипниками внешнего расположения. Трубопроводы, теплообменник и реактор должны быть изолированы как минимум 100 мм минеральной ваты.
Приборы и КИП
Три основных контура управления:
1. Контур регулирования давления.
2. Температура на входе в катализатор
3. Байпас теплообменника
Система безопасности - блокировочная система отключения
Главный вентилятор: защита от перегрузки/недогрузки
Реактор: Высокая температура в слое катализатора
Низкая температура в слое катализатора
Газовая горелка: Пропадание пилотного пламени
Защита горелки от перегрузки/недогрузки.
Результат срабатывания блокировки:
Останов главного вентилятора.
Закрытие отсечных клапанов отходящего газа
Останов двигателя вентилятора горелки
Отсечка подачи газа
Прочая приборная оснастка:
Система управления газом в соответствии с нормативными требованиями.
Указатели температуры, точки измерения давления и отбора проб.
Теплоутилизация
Установка оснащена изоляцией толщиной 100 мм.
1. Контур регулирования давления.
2. Температура на входе в катализатор
3. Байпас теплообменника
Система безопасности - блокировочная система отключения
Главный вентилятор: защита от перегрузки/недогрузки
Реактор: Высокая температура в слое катализатора
Низкая температура в слое катализатора
Газовая горелка: Пропадание пилотного пламени
Защита горелки от перегрузки/недогрузки.
Результат срабатывания блокировки:
Останов главного вентилятора.
Закрытие отсечных клапанов отходящего газа
Останов двигателя вентилятора горелки
Отсечка подачи газа
Прочая приборная оснастка:
Система управления газом в соответствии с нормативными требованиями.
Указатели температуры, точки измерения давления и отбора проб.
Теплоутилизация
Установка оснащена изоляцией толщиной 100 мм.
Заключение
В ходе проектирования типовой установки каталитического окисления для очистки отходящих газов от ЛОС определены основные технические решения и расчетные параметры, обеспечивающие эффективную и безопасную работу системы.
Ключевым условием экономичной эксплуатации является достижение автотермического режима, при котором процесс поддерживается за счет тепла, выделяемого при окислении загрязнителей. Это требует точного расчета тепловых балансов и правильного выбора оборудования. Установлено, что критически важными элементами являются рекуперативный теплообменник для предварительного нагрева газа и система управления температурой на входе в реактор, позволяющая избежать перегрева катализатора (выше 500 °C) и обеспечить высокую степень очистки.
Расчет гидравлического сопротивления всей системы показал, что суммарный перепад давления должен находиться в диапазоне 550–600 мм вод. ст., что диктует выбор основного вентилятора и диаметров трубопроводов. Рекомендованы скорости газа в трубопроводах около 20 м/с для компактных установок и использование сварных соединений для предотвращения утечек.
При выборе источника нагрева предложен экономический критерий: электрический нагрев целесообразен при мощности до 100 Мкал/ч, а газовая горелка — при большей мощности. Также обоснована необходимость частичной рециркуляции очищенного газа для стабилизации процесса.
Наконец, для надежной и безопасной эксплуатации установки разработаны три основных контура автоматического управления (давление, температура на входе в катализатор, байпас теплообменника) и блокировочная система, которая отключает установку при критических отклонениях параметров. В целом, предложенный дизайн представляет собой сбалансированное решение, учитывающее как технологическую эффективность, так и требования промышленной безопасности.
Ключевым условием экономичной эксплуатации является достижение автотермического режима, при котором процесс поддерживается за счет тепла, выделяемого при окислении загрязнителей. Это требует точного расчета тепловых балансов и правильного выбора оборудования. Установлено, что критически важными элементами являются рекуперативный теплообменник для предварительного нагрева газа и система управления температурой на входе в реактор, позволяющая избежать перегрева катализатора (выше 500 °C) и обеспечить высокую степень очистки.
Расчет гидравлического сопротивления всей системы показал, что суммарный перепад давления должен находиться в диапазоне 550–600 мм вод. ст., что диктует выбор основного вентилятора и диаметров трубопроводов. Рекомендованы скорости газа в трубопроводах около 20 м/с для компактных установок и использование сварных соединений для предотвращения утечек.
При выборе источника нагрева предложен экономический критерий: электрический нагрев целесообразен при мощности до 100 Мкал/ч, а газовая горелка — при большей мощности. Также обоснована необходимость частичной рециркуляции очищенного газа для стабилизации процесса.
Наконец, для надежной и безопасной эксплуатации установки разработаны три основных контура автоматического управления (давление, температура на входе в катализатор, байпас теплообменника) и блокировочная система, которая отключает установку при критических отклонениях параметров. В целом, предложенный дизайн представляет собой сбалансированное решение, учитывающее как технологическую эффективность, так и требования промышленной безопасности.
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.