Каталитическая очистка выбросов при продувке химических цистерн: технология и перспективы
Рассмотрено решение каталитической очистки для очистки газов при продувке цистерн
Введение
Обработка порожних железнодорожных цистерн после выгрузки химических продуктов представляет собой сложную логистическую и экологическую задачу. Остатки летучих органических соединений в количестве от 30 до 200 литров при продувке цистерны горячим воздухом образуют парогазовую смесь, требующую обязательной очистки перед выбросом в атмосферу. Ключевая сложность процесса — его циклический характер: продувка длится 30 минут в час, что создает значительную неравномерность подачи газа на очистку как по объёму, так и по концентрации и составу загрязнителей. Перечень возможных веществ чрезвычайно широк — от ароматических углеводородов до спиртов, сложных эфиров и аминов.
Исходные данные на продувку цистерны
1. Общий объем котла железнодорожного вагона-цистерны 62 куб. м.
2. Остаток продукта в вагоне-цистере: 30-200 л
3. Температура парогазовой смеси: Tmax=80 °C, Tmin= - 20°C.
4. Один компонент находится в одной цистерне
5. Одна продувка 30 мин в час. Пока рассматриваем такой вариант, в дальнейшем может быть и больше.
6. Запыленности нет.
7. Требуется контроль концентраций ЛОС на выходе из установки, для сравнения с ПДК.
8. Требуемая степень очистки – не ниже 95%.
Краткое описание технологического процесса:
Порожний вагон-цистерна подается на обработку на специально оборудованное рабочее место. Перед началом обработки оператором производится монтаж технологической крышки на люк цистерны. После этого запускается процесс продувки вагона-цистерны.
В процессе продувки в вагон-цистерну нагнетается разогретый до 80 °C воздух расходом 5000 м3/ч. Отвод загрязненного воздуха из вагона-цистерны осуществляется через воздуховод диаметром 250 мм, подключенный к технологической крышке. В летнее время вагон-цистерна может быть подана на обработку разогретой до 70 °C.
2. Остаток продукта в вагоне-цистере: 30-200 л
3. Температура парогазовой смеси: Tmax=80 °C, Tmin= - 20°C.
4. Один компонент находится в одной цистерне
5. Одна продувка 30 мин в час. Пока рассматриваем такой вариант, в дальнейшем может быть и больше.
6. Запыленности нет.
7. Требуется контроль концентраций ЛОС на выходе из установки, для сравнения с ПДК.
8. Требуемая степень очистки – не ниже 95%.
Краткое описание технологического процесса:
Порожний вагон-цистерна подается на обработку на специально оборудованное рабочее место. Перед началом обработки оператором производится монтаж технологической крышки на люк цистерны. После этого запускается процесс продувки вагона-цистерны.
В процессе продувки в вагон-цистерну нагнетается разогретый до 80 °C воздух расходом 5000 м3/ч. Отвод загрязненного воздуха из вагона-цистерны осуществляется через воздуховод диаметром 250 мм, подключенный к технологической крышке. В летнее время вагон-цистерна может быть подана на обработку разогретой до 70 °C.
Технологическое решение: двухступенчатый комплекс
Технологическим решением является двухступенчатый комплекс очистки. Первая ступень — установка приема и аккумуляции газа УПАГ — служит буфером, сглаживающим неравномерности процесса. Это позволяет подавать на вторую ступень — установку каталитического окисления — газовый поток с уже стабилизированными параметрами, что критически важно для эффективной работы катализатора.
Паровоздушная смесь со стенда промывки поступает в буферный ресивер и далее компрессором дожимается в каплеотделитель, где происходит разделение газовой и жидкой фракции смеси. После этого газовая фракция компрессором подается в накопитель газа и после редуктора давления поступает на вход каталитической установки.
Жидкая фракция подается в резервуар для накопления. Туда же поступает конденсированная жидкость из буферного ресивера и накопителя газа. Жидкая фракция насосом подается в парогенератор жидких стоков для возгонки в пар и последующего смешения с воздухом подаваемым вентилятором для разбавления газовой смеси. Полученная смесь подается на вход каталитической установки очистки.
Промежуточные емкости обеспечивают сглаживание пульсаций давления, расходов газа, выравнивание концентрации и стабилизацию подачи газа на очистку.Разделение фракций позволяет снизить концентрацию ЛОС и стабилизировать загрузку каталитической установки по уровням концентрации.
Периодичность действия стенда промывки цистерн предопределяет необходимость сглаживания объемов подачи газа для очистки в каталитчиеской установке. По завершению очистки объема газовой фракции УПАГ переключается на подачу разбавленной смеси возгонов с атмосферным воздухом в установку каталитчиеского окисления. Таким образом осуществляется непрерывная работа комплекса, при этом цикл обработки цистерны включает в себя период раздельной обработки газовой и жидких фракций.
Предлагаемое решение избавит от залповых выбросов ЛОС для нейтрализации и, соответственно, позволит уменьшить номинальную мощность установки каталитической очистки. Принцип работы установки заключается в осуществлении химической реакции низкотемпературного сжигания горючих веществ (ЛОС, СО) на катализаторе, находящемуся в реакторе установки.
Подача газовой фракции будет производиться под требуемым давлением, которое обеспечит редуктор давления после резервуара газа. Жидкая фракция после парогенератора жидких стоков будет разбавлена воздухом подаваемым вентилятором. Требуемое давление в реакторе будет обеспечивать вентилятор-нагнетатель с регулируемым приводом.
При необходимости снижения температуры в реакторе система управления будет обеспечивать дополнительно разбавление подаваемого в реактор газа воздухом.
Вначале очищаемый воздух проходит по трубному пространству теплообменника, где он нагревается до требуемой на входе в реактор температуры горячим очищенным воздухом.
Далее очищаемый воздух проходит через теплообменник подогрева газа с топочной камерой, обогреваемой газовой горелкой и поступает в реактор с находящимся в нем катализатором. Очищенный газ отдает тепло теплообменнику на входе в установку, далее поступает в котле-утилизатор для нагрева воды или производства пара и удаляется через дымовую трубу.
Система подогрева газа так же используется для нагрева воздуха, забираемого из атмосферы, при разогреве каталитической установки, и в режиме ожидания. Для снижения тепловых потерь оборудование выполнено теплоизолированным.
Паровоздушная смесь со стенда промывки поступает в буферный ресивер и далее компрессором дожимается в каплеотделитель, где происходит разделение газовой и жидкой фракции смеси. После этого газовая фракция компрессором подается в накопитель газа и после редуктора давления поступает на вход каталитической установки.
Жидкая фракция подается в резервуар для накопления. Туда же поступает конденсированная жидкость из буферного ресивера и накопителя газа. Жидкая фракция насосом подается в парогенератор жидких стоков для возгонки в пар и последующего смешения с воздухом подаваемым вентилятором для разбавления газовой смеси. Полученная смесь подается на вход каталитической установки очистки.
Промежуточные емкости обеспечивают сглаживание пульсаций давления, расходов газа, выравнивание концентрации и стабилизацию подачи газа на очистку.Разделение фракций позволяет снизить концентрацию ЛОС и стабилизировать загрузку каталитической установки по уровням концентрации.
Периодичность действия стенда промывки цистерн предопределяет необходимость сглаживания объемов подачи газа для очистки в каталитчиеской установке. По завершению очистки объема газовой фракции УПАГ переключается на подачу разбавленной смеси возгонов с атмосферным воздухом в установку каталитчиеского окисления. Таким образом осуществляется непрерывная работа комплекса, при этом цикл обработки цистерны включает в себя период раздельной обработки газовой и жидких фракций.
Предлагаемое решение избавит от залповых выбросов ЛОС для нейтрализации и, соответственно, позволит уменьшить номинальную мощность установки каталитической очистки. Принцип работы установки заключается в осуществлении химической реакции низкотемпературного сжигания горючих веществ (ЛОС, СО) на катализаторе, находящемуся в реакторе установки.
Подача газовой фракции будет производиться под требуемым давлением, которое обеспечит редуктор давления после резервуара газа. Жидкая фракция после парогенератора жидких стоков будет разбавлена воздухом подаваемым вентилятором. Требуемое давление в реакторе будет обеспечивать вентилятор-нагнетатель с регулируемым приводом.
При необходимости снижения температуры в реакторе система управления будет обеспечивать дополнительно разбавление подаваемого в реактор газа воздухом.
Вначале очищаемый воздух проходит по трубному пространству теплообменника, где он нагревается до требуемой на входе в реактор температуры горячим очищенным воздухом.
Далее очищаемый воздух проходит через теплообменник подогрева газа с топочной камерой, обогреваемой газовой горелкой и поступает в реактор с находящимся в нем катализатором. Очищенный газ отдает тепло теплообменнику на входе в установку, далее поступает в котле-утилизатор для нагрева воды или производства пара и удаляется через дымовую трубу.
Система подогрева газа так же используется для нагрева воздуха, забираемого из атмосферы, при разогреве каталитической установки, и в режиме ожидания. Для снижения тепловых потерь оборудование выполнено теплоизолированным.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ГАЗООЧИСТКИ КОМПЛЕКСА ПРОМЫВКИ ЦИСТЕРН
Состав оборудования
Установка приема и аккумуляции газа УПАГ будет включать:
1. Буферный ресивер, 4 куб.м
2. Компрессор подачи газа в каплеотбойник
3. Каплеотбойник 6 куб.м
4. Компрессор подачи газа в резервуар газа
5. Резервуар газа, 25 куб.м
6. Редуктор давления
7. Емкость для сбора жидкой фракции с обогревом, 10 куб.м
8. Насос подачи жидкой фракции к парогенератору жидких стоков с конденсатором
9. Парогенератор жидких стоков для возгонки жидкой фракции
10.Трубопроводы с запорно – регулирующей арматурой
11. КИПиА
12. Металлоконструкции, площадки обслуживания
Установка каталитического окисления будет включать:
1. Реактор окисления с катализатором
2. Теплообменник подогрева газа
3. Теплообменник с горелкой с воздуходувкой для пуска установки и регулирования температуры
4. Котел-утилизатор с паро/водогрейным котлом
5. Вентилятор подачи воздуха для разбавления газовой смеси и пуска установки
6. Дымовая труба
7. Трубопроводы с запорно – регулирующей арматурой
8. КИПиА
9. Газовое хозяйство природного газа подачи на горелку
10. Металлоконструкции, площадки обслуживания
11. Модульное помещение - операторская
1. Буферный ресивер, 4 куб.м
2. Компрессор подачи газа в каплеотбойник
3. Каплеотбойник 6 куб.м
4. Компрессор подачи газа в резервуар газа
5. Резервуар газа, 25 куб.м
6. Редуктор давления
7. Емкость для сбора жидкой фракции с обогревом, 10 куб.м
8. Насос подачи жидкой фракции к парогенератору жидких стоков с конденсатором
9. Парогенератор жидких стоков для возгонки жидкой фракции
10.Трубопроводы с запорно – регулирующей арматурой
11. КИПиА
12. Металлоконструкции, площадки обслуживания
Установка каталитического окисления будет включать:
1. Реактор окисления с катализатором
2. Теплообменник подогрева газа
3. Теплообменник с горелкой с воздуходувкой для пуска установки и регулирования температуры
4. Котел-утилизатор с паро/водогрейным котлом
5. Вентилятор подачи воздуха для разбавления газовой смеси и пуска установки
6. Дымовая труба
7. Трубопроводы с запорно – регулирующей арматурой
8. КИПиА
9. Газовое хозяйство природного газа подачи на горелку
10. Металлоконструкции, площадки обслуживания
11. Модульное помещение - операторская
Горелочное устройство
Горелочное устройство комплектной поставки с соответствующей системой подачи воздуха, розжига горелки, КИПиА, блокировками и собственным контроллером управления. Обвязка горелочного устройства будет осуществлена в соответствии с действующими нормативами.
Управление горелочным устройством будет осуществляться посредством полевой шины Profibus от контроллера верхнего уровня управления каталитической установкой.
В комплект горелки входят:
Управление горелочным устройством будет осуществляться посредством полевой шины Profibus от контроллера верхнего уровня управления каталитической установкой.
В комплект горелки входят:
- Датчик контроля пламени
- Запальная горелка
- Плита монтажная
- Горелочный камень
- Местный щит управления
- Розжиг горелки от кнопки на панели щита управления, включая проверку герметичности клапанов на газопроводе, подача газа в запальную горелку, розжиг и контроль пламени запальной горелки, подача газа в основную горелку
- Поддержание соотношения газ-воздух
- Контроль безопасности горения, отключение газа в горелку (закрытие основного запорного электромагнитного клапана на газопроводе) в случае повышения или понижения давления газа сверх предельных значений, понижение давления воздуха ниже предельного, при погасании горелки, при загазованности помещения, при понижении разряжения в дымовом тракте больше допустимого или отключении электроэнергии
- Отключение горелки от кнопки на панели щита управления
- Обмен сигналами с АСУ агрегата, регулирование тепловой мощности горелки от сигналов АСУ
Система управления и автоматизация
Управление комплексом предполагается реализовать на аппаратных средствах ведущих мировых производителей. Горелочное устройство комплектной поставки включает датчик контроля пламени, запальную горелку, монтажную плиту, горелочный камень и местный щит управления.
Система управления обеспечивает:
Система управления обеспечивает:
- розжиг горелки с проверкой герметичности клапанов и контролем пламени;
- поддержание соотношения газ-воздух;
- контроль безопасности горения с автоматическим отключением газа при превышении или понижении давления, погасании горелки, загазованности помещения, понижении разряжения в дымовом тракте или отключении электроэнергии;
- обмен сигналами с АСУ агрегата и регулирование тепловой мощности горелки.
Каталитическое окисление как альтернатива термическому дожигу
Сердце технологии — процесс каталитического окисления, который предлагается как альтернатива термическому дожигу. Принципиальным отличием является применение технологии низкотемпературного каталитического дожига химических веществ на специально подобранных катализаторах для преобразования вредных соединений в пары воды, азота и углекислого газа.
Каталитический метод протекает при значительно более низких температурах (150–500 °C против 800–1300 °C при термическом сжигании), что дает ряд преимуществ.
Во-первых, снижается образование вторичных загрязнителей, в частности, монооксида углерода и оксидов азота.
Во-вторых, существенно уменьшаются энергозатраты — по расчетным данным, удельные энергозатраты на очистку газа при термическом способе примерно в три раза больше, чем при каталитическом. Кроме того, не требуется постоянный высокий нагрев газового потока, а выделяющееся при окислении тепло можно утилизировать, например, для нагрева воды через кожухотрубные теплообменники.
Принцип работы каталитической установки заключается в осуществлении химической реакции низкотемпературного беспламенного сжигания горючих веществ на катализаторе, находящемся в реакторе установки. Очищаемый воздух проходит по трубному пространству теплообменника, где нагревается до требуемой на входе в реактор температуры горячим очищенным воздухом. Далее он проходит через теплообменник подогрева газа с топочной камерой, обогреваемой газовой горелкой, и поступает в реактор с катализатором. Очищенный газ отдает тепло теплообменнику на входе в установку, затем поступает в котел-утилизатор для нагрева воды или производства пара и удаляется через дымовую трубу.
Каталитический метод протекает при значительно более низких температурах (150–500 °C против 800–1300 °C при термическом сжигании), что дает ряд преимуществ.
Во-первых, снижается образование вторичных загрязнителей, в частности, монооксида углерода и оксидов азота.
Во-вторых, существенно уменьшаются энергозатраты — по расчетным данным, удельные энергозатраты на очистку газа при термическом способе примерно в три раза больше, чем при каталитическом. Кроме того, не требуется постоянный высокий нагрев газового потока, а выделяющееся при окислении тепло можно утилизировать, например, для нагрева воды через кожухотрубные теплообменники.
Принцип работы каталитической установки заключается в осуществлении химической реакции низкотемпературного беспламенного сжигания горючих веществ на катализаторе, находящемся в реакторе установки. Очищаемый воздух проходит по трубному пространству теплообменника, где нагревается до требуемой на входе в реактор температуры горячим очищенным воздухом. Далее он проходит через теплообменник подогрева газа с топочной камерой, обогреваемой газовой горелкой, и поступает в реактор с катализатором. Очищенный газ отдает тепло теплообменнику на входе в установку, затем поступает в котел-утилизатор для нагрева воды или производства пара и удаляется через дымовую трубу.
Общий вид каталитической установки очистки отходящих газов при продувке жд цистерн
Катализатор: характеристики и особенности
В основе процесса лежит платиновый катализатор на основе оксида алюминия. Этот катализатор характеризуется высокой активностью в отношении широкого спектра ЛОС и устойчивостью к каталитическим ядам, что важно при переменном составе сырья.
В расчетах за основу взят «наихудший сценарий» с максимальным количеством органического соединения 200 литров в цистерне и наиболее сложным для окисления веществом — циклогексаном. Такой подход обеспечивает запас производительности для всего спектра возможных загрязнителей.
Основные рабочие параметры катализатора:
- температура входящих газов — 20 °C;
- концентрация органического соединения — до 70000 мг/нм³;
- степень очистки — не менее 95 % (фактически более 98 % для всех органических соединений);
- минимальная температура на входе в реактор окисления — 360 °C;
- ожидаемая температура на выходе из реактора — до 510 °C;
- объем катализатора — 1680 литров;
- срок службы — не менее 4 лет;
- объемная скорость — 12700 нм³/м³·ч;
- направление потока — сверху вниз.
Катализатор укладывается в реактор одним слоем высотой 340 мм. Перепад давления на слоях катализатора при рабочей температуре не превышает 200 мбар. Реактор имеет диаметр 2500 мм. Важно отметить, что катализатор чувствителен к таким ядам, как молекулярный хлор, бром, йод, органический силикон, фосфор, бор, германий, мышьяк, селен и теллур, однако в рассматриваемом процессе эти вещества отсутствуют.
Список взятых веществ для очистки:
- Ксилолы
- Метилбензол (толуол)
- Этилбензол
- Бензол
- Ацетальдегид
- Метилацетат
- Бутилацетат
- Винилацетат ингибированный
- Эфир метилтретбутиловый (МТБЭ)
- Присадки к минеральным маслам
- Диметиламин безводный
- Кислота уксусная
- Метилдиэтаноламин
- Триэтаноламин
- Циклогексан
- Циклогексанон
- Бутанол
- Метанол
- Изобутанол
- Спирт изооктиловый
- Спирт изопропиловый
- Спирт этиловый технический
- Тетрамеры пропилена
- Тримеры пропилена
- Дициклопентадиен
Особые случаи и риски
При работе с некоторыми веществами требуются дополнительные расчеты и меры предосторожности. Для присадок к минеральным маслам необходимо понимать точный состав, чтобы оценить возможность их окисления. При окислении азотсодержащих соединений, таких как диметиламин безводный, метилдиэтаноламин и триэтаноламин, будут образовываться оксиды азота. Однако за счет подбора специального катализатора можно снизить их количество до 10 % по массе.
Отдельную опасность представляют тетрамеры и тримеры пропилена. При нагревании эти соединения полимеризуются, что может привести к забиванию трубопроводов и, что еще более критично, к полимеризации на поверхности катализатора со снижением его активности. Для этих веществ требуется отдельный расчет и, возможно, разработка специальных мер защиты.
Заключение и выводы
Предложенное комплексное решение является технологически продвинутым и экологически ответственным, позволяя достичь нормативных показателей по выбросам и избежать залповых выбросов ЛОС. Технология каталитического окисления демонстрирует явные преимущества перед термическим дожигом: более низкие температуры, меньшее образование вторичных загрязнителей и существенно более низкие энергозатраты.
Тем не менее, успешная реализация проекта требует дальнейшей детальной проработки. Ключевыми вопросами остаются адаптация системы управления к циклической работе с переменным составом сырья, подтверждение эффективности катализатора для всего перечня веществ, включая присадки и амины, а также разработка специальных мер защиты катализатора от полимеризации при работе с тетрамерами и тримерами пропилена. При правильном подходе данная технология может стать эффективным решением экологической проблемы очистки выбросов при обработке порожних цистерн на предприятиях химической и нефтехимической промышленности.
Тем не менее, успешная реализация проекта требует дальнейшей детальной проработки. Ключевыми вопросами остаются адаптация системы управления к циклической работе с переменным составом сырья, подтверждение эффективности катализатора для всего перечня веществ, включая присадки и амины, а также разработка специальных мер защиты катализатора от полимеризации при работе с тетрамерами и тримерами пропилена. При правильном подходе данная технология может стать эффективным решением экологической проблемы очистки выбросов при обработке порожних цистерн на предприятиях химической и нефтехимической промышленности.
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.