Технологические решения

Условия применения каталитического окисления, схемы реализованных проектов, требования к катализаторам

Введение

Процесс каталитического окисления — это беспламенный способ очистки газов, при котором нагретый отходящий газ с горючими примесями пропускают через слой катализатора, ускоряющий реакцию окисления. Применение катализатора позволяет проводить реакцию окисления при температурах 100−400 °С, что на 600−1000 °С ниже, чем при термическом окислении. При этом достигается высокая степень очистки до 99,99%. На выходе образуются только углекислый газ и пары воды. Реакции окисления всегда протекают с выделением тепла, поэтому часто используют способы утилизации избытка тепла или другими словами, рекуперативного обмена тепла.

Каталитическому окислению могут быть подвергнуты как неорганические, так и органические примеси, молекулы которых

состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы, галогенов (хлора, брома, йода), например, СО, NH₃, H₂, H₂S, СОS, галогенсодержащие углеводороды (CH₃Br, CH₂Cl₂ и др.) алканы, олефины, ароматические соединения, спирты, эфиры, альдегиды. Для очистки от серы и галогенов после процесса окисления от НСl/HBr/SO₂/SO₃ используют дополнительную финишную очистку путем адсорбции/абсорбции. Также используют системы предварительной очистки отходящего газа, например, от пыли, диоксида серы, ртути и др. или просто от избытка воды в отходящих газах.

В большинстве случаев в качестве катализаторов используют благородные металлы (платину, палладий и другие) или оксиды переходных металлов (оксиды меди, марганца, ванадия, хрома и т. п.).

Процесс каталитического окисления доказал свою эффективность на практике и подтвердил возможность стабильной работы со следующими общими параметрами:

Параметр	Показатель
Объем отходящего газа, нм³/ч	до 340 000
Температурный режим в реакторе, ⁰C	150 – 600
Общая концентрация горючих соединений, об. %	< 3
Содержание паров воды в исходном газе, об.%	0-50
Минимальное содержание кислорода на выходе из реактора, об.%	>0,1 – 2 в зависимости от типа катализатора
Содержание пыли, мг/нм³	< 10
Давление, атм	0,9 - 20
Линейная скорость (пустой реактор), м/c	1.1 - 8.3

Требования к катализаторам окисления

Группа требований к эксплуатации катализаторов в реакторах
Параметр	Комментарий
1. Долговечность	Срок службы от 2 до 10 лет, в среднем 3−4 года
2. Устойчивость к пиковым концентрациям, прерывистому/непрерывному режиму работы, неравномерной подаче газа	Учитывается при подборе катализатора. Пиковые концентрации могут достигать до 10 г/нм³.
3. Компактность катализатора	Есть разные решения достижения малого объема катализатора: форма, активность, давление, температура и др.
4. Стойкость к температурным перепадам	Учитывается при подборе катализатора. Катализаторы окисления малочувствительны к температурным перепадам.
5. Низкая температура эксплуатации	В основном от 150 до 600 ⁰С в зависимости от состава и условий эксплуатации
6. Низкое гидравлическое сопротивление по слою	Достигается за счет оптимизации размеров реактора и потока газа, формы и объема катализатора
7. Стабильность в работе	Проектирование и расчет катализатора должен учитывать все вероятностные режимы работы оборудования
8. Стойкость к переменному составу газа на очистку	Учитывается при проектировании и подборе катализатора
9. Минимальное истирание катализатора в процессе эксплуатации	Учитывается при проектировании и подборе катализатора
10. Сравнительно небольшая стоимость	Учитывается при проектировании и подборе катализатора
Группа требований к физико-химическим свойствам
11. Активность и селективность	Учитывается при проектировании и подборе катализатора
12. Пористая структура	В среднем более 150 м²/г
13. Стойкость к катализаторным ядам	Учитывается при проектировании и подборе катализатора. Разные катализаторы имеют разную стойкость к ядам
14. Нетоксичность	Разные катализаторы имеют разную токсичность. В основном 3 класс опасности
15. Достаточная механическая прочность	Учитывается при проектировании и подборе катализатора
16. Термостойкость	До 600 ⁰С
17. Достаточная теплопроводность	Малочувствительны

Технологические схемы реализованных проектов каталитического окисления

Принципиальные схемы установки каталитического окисления представлены на рис. 1-6. Утилизация избытка тепла от установок каталитического окисления возможна с использованием следующих вариантов:
1. Котел-утилизатор для нагрева воды или воздуха
2. Генератор пара низкого и высокого давления
3. Наличие теплообменников для нагрева входящего на очистку газа
4. Утилизация тепла через керамические теплоносители внутри реактора (регенеративное каталитическое окисление).

Рис. 1. Простейшая схема реализации технологии каталитического окисления

Рис.2. Схема реализации технологии каталитического окисления с воздуходувкой и горелкой

Рис. 3. Схема реализации технологии каталитического окисления с воздуходувкой, горелкой, теплообменником

Рис. 4. Схема реализации технологии каталитического окисления с воздуходувкой, горелкой, теплообменником и котлом-утилизатором

Рис.5. Схема реализации технологии каталитического окисления с воздуходувкой, горелкой, теплообменником и кулером

Рис.6. Схема реализации регенеративной технологии каталитического окисления

На рис. 3 отходящий газ направляется газодувкой в теплообменник, где он нагревается до температуры как правило, до 200−400°С в зависимости от состава газа и типа используемого катализатора. Далее отходящий газ проходит через слой катализатора в реакторе, где летучие химические вещества окисляются с выделением тепла и повышением температуры газа. Температура повышается пропорционально концентрациям летучих химических веществ в исходном газе.
Горячий очищенный газ проходит по вторичной стороне теплообменника, где отдает часть тепла поступающему на очистку газу. Другая часть тепла через дополнительный теплообменник используется для технологических нужд — подогрева воздуха, воды, получения пара (рис. 4, 5).
Энергоэффективность технологии каталитического окисления составляет 75−80%. Для того, чтобы процесс был автотермическим, т. е. протекающий без использования энергоносителей для подогрева, необходимое содержание летучих веществ в исходном газе должно быть не менее 2 г/нм³.

В случае более низких концентраций веществ <2 г/нм³, отходящий газ автоматически подогревается до попадания в реактор с катализатором. Подогрев может быть газовый, электрическим, паровым.

Одним из способов утилизация тепла является использование керамических теплоносителей внутри реактора (регенеративное каталитическое окисление). Общая схема представлена на рис. 6. После того, как процесс некоторое время проработал при направлении потока сверху вниз, верхний теплопоглощающий слой охлаждается, а нижний теплопоглощающий слой нагревается теплом от верхнего слоя вместе с сжигаемыми летучими органическими веществами. Затем направление потока изменяется, и загрязненный газ проходит сначала через горячий теплопоглощающий слой. Процесс регенеративного окисления подходит для газа с низкой или средней (обычно 0−5 г/нм3) концентрацией летучих органических веществ.

Получить предложение

Будем рады диалогу и сотрудничеству!

Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.