Каталитические реакторы для дожигания отходящих газов

Батура П. И.

Для очистки промышленных газовых выбросов от органических примесей и вредных сернистых соединений применяют различные методы: абсорбционные, термические, адсорбционные, каталитические и комбинированные. Наиболее перспективные — термические и каталитические методы обезвреживания органических примесей в газовых выбросах химических, коксохимических, металлургических заводов и других предприятий. Они надежны, дешевы и достаточно эффективны [1—3].

Процессы глубокого термокаталитического окисления проводят в специальных реакторах, которые обычно работают в двух режимах: стационарном и нестационарном. Термокаталитические реакторы производительностью 5, 10 и 25 тыс. м3/ч разрабатывает Институт газа АН УССР. Они отличаются компактностью, простотой в изготовлении и надежностью.

Реактор представляет собой конструкцию башенного типа, включающую многоходовой трубчатый воздухоподогреватель — рекуператор, встроенный смешивающий воздухоподогреватель и газовую горелку, в верхней части размещена каталитическая камера (рис. 1). Реактор оборудован системой КИПиА, позволяющей выполнять по заданной программе пусковые и остановочные операции, а также поддерживать оптимальный тепловой режим с соблюдением требований безопасности. Реакторы производительностью 5 и 10 тыс. м3/ч с платиновым катализатором внедрены и успешно работают [4].

В Дзержинском филиале НИИОгаза (г. Дзержинск Горьковской обл.) выполнены работы по обезвреживанию газов от окислительных колонн синтеза жирных кислот [5]. Установка производительностью 25—30 тыс. м3/ч включает двухполочный реактор и два теплообменника. Температура газов в I ступени 190—200, во II 240— 450 °С, а на выходе из слоев катализатора достигает соответственно 250—450 и 330—580 °С. Высота слоя катализатора 300—350 мм, линейная скорость потока газов приблизительно 1 м/с, степень очистки после II ступени 99 %.

Имеются данные о реакторе, работающем в нестационарном режиме, т. е. в режиме переключения направления потока реакционной смеси. В таком реакторе можно проводить обезвреживание разбавленных органических выбросов и оксида углерода [6, 7]. На рис. 2 представлен реактор с катализатором на сетке, предназначенный для окисления метанола [8].

Самым простейшим аппаратом является реактор с неподвижным слоем катализатора (рис. 3). Однако в нем трудно равномерно распределить поток газов и избежать градиентов температуры по слою катализатора, а также предотвратить разложение реагентов на перегретых участках при снижении скорости реакции на ненагретых. Более сложен полочный реактор с несколькими слоями катализатора (рис. 4). В нем поток газа лучше распределяется и охлаждается между слоями, причем можно вводить горячий и холодный газ, а в разных слоях поместить разные катализаторы; кроме того, можно избирательно заменять слой дезактивированного контакта и поддерживать различную температуру в слоях.

В работе [9] приведены результаты моделирования каталитического реактора очистки отходящих газов лакокрасочного производства. В газах концентрация органических примесей не превышала 500 мг/м3 (циклогексан, н-ксилол, пентан и др.). Даны рекомендации по выбору оптимального режима и экономики процесса. Основные данные: сопротивление системы не более 4 кПа, высота слоя катализатора 50—200 мм; температура процесса 425—450 °С, скорость газа в реакторе 0,6 м/с, время контакта 0,12 с.

Реактор производительностью 50 тыс. м3/ч разработан Дзержинским филиалом НИИОгаза и серийно изготовляется заводом химического машиностроения (г. Пенза). Его диаметр 500 мм, высота 2200 мм.

Рис. 1. Термокаталитический реактор:

1— входные патрубки; 2 — выходной канал; 3 — теплообменник; 4 — газовая горелка; 5 —катализатор

Рис. 2. Реактор с катализатором в виде сетки:

1—сетка; 2—люк и смотровое окно; 3— термопары; I, II—соответственно вход и выход газов

Рис. 3. Реактор с неподвижным слоем катализатора:

1—газораспределитель; 2—камера смешения; 3—катализатор; 4— решетка; 5 — термопары; I—ввод газов; II—очищенные газы

Рис.4. Полочный реактор:

1-опорная сетка; 2-слой катализатора; I-ввод газов; II-ввод холодного воздуха; III-очищенные газы

Институтом газа АН УССР совместно с конструкторским бюро и мастерскими опытного производства разработана установка, действующая на комбинате печати “Радянська Україна”. Основные данные реактора: объем катализатора 0,4 м3, температура процесса 380 °С, сопротивление 1,8 кПа; габариты 3,5*3,5*8 м, масса установки до 6 т.

Рис. 5. Реактор с двухкольцевым размещением катализатора:

1— корзины с катализатором; 2 — внутреннее кольцо с катализатором; I, II—соответственно вход и выход газов; III—выгрузка катализатора; IV—загрязненные газы

Минский конструкторско-технологический экспериментальный институт разработал простейшие реакторы УСК-39, УСК-41 и др. На рис. 5 показан реактор с двухкольцевым размещением катализатора конструкции Дзержинского филиала НИИОгаза. В этом же институте создан реактор для дожигания газов от сушильных камер окрасочных линий машиностроительных заводов (рис. 6). Подача газов осуществлена по кольцевому каналу, где они смешиваются с дымовыми газами от сжигания жидкого или газообразного топлива.

Рис. 6. Реактор:

1—катализатор; 2—воздухораспределитель; 3—горелка, 4 — распределитель газов; I—ввод газов; II—очищенные газы; III—топливо

Рис. 7. Каталитический реактор:

1—катализатор; 2—панельные горелки; 3—кожухотрубчатый теплообменник; I—природный газ; II, III—соответственно выход и вход газов

В аппарате Гипрогазоочистки (рис. 7) газы поступают в трубное пространство теплообменника и далее в реактор, где смешиваются с дымовыми газами сжигания топлива в панельных горелках, проходят через слой катализатора, а затем через межтрубное пространство теплообменника сбрасываются в атмосферу. Аппараты, представленные на рис. 6 и 7, прошли промышленные испытания и хорошо зарекомендовали себя в рабочих режимах.

Наиболее многочисленны реакторы со встроенными рекуператорами тепла типа ТКВ. Технические характеристики таких реакторов приведены в работе [10].

Подобные аппараты применяют в Польше; они разработаны Проектным бюро охраны природы “Проат” (рис. 8). В Германии создан реактор типа КВ, в корпусе которого размещен слой катализатора и теплообменник (рис. 9). Разработано пять типоразмеров таких реакторов производительностью от 5 да 25 тыс. м3/ч. Иногда рекуператор тепла примыкает к реактору. Такие установки имеются в ФРГ и Англии. В Венгрии, Франции и США внедрены установки с верхней подачей газа по кольцевым каналам [11].

Рис. 8. Реактор типа ТКВ:

1—горелка; 2—отражатель; 3—катализатор; I—ход газов; II—топливо; III—очищенные газы

Рис. 9. Реактор типа КВ:

1—катализатор; 2—теплообменник; 3—горелка; I—загрязненные газы; II—очищенные газы; III-топливо

Имеются данные о работе опытно-промышленной установки для очистки газов, которая разработана в Ленинградском технологическом институте совместно с Институтом катализа СО АН СССР. Температура в слое катализатора достигает 450—500 °С.

Таким образом, каталитический способ очистки газовых выбросов от органических примесей внедрен в различных отраслях промышленности. Однако большинству реакторов присущи недостатки: периодичность работы, низкая производительность, отсутствие пылеочистных устройств и высокая стоимость [12].

Компактный и экономичный реактор для каталитического дожигания отходящих газов разработан в нашем институте (рис. 10).

Рис. 10. Изотермический реактор:

8 — вал, 9, 10 — опоры, 11— завихритель воздуха, 12 — опорное кольцо, 13 — направляющая опорного кольца, I—вход газов, II—загрузка катализатора, III—выход очищенных газов, IV—выгрузка катализатора

Это аппарат циклонного типа с радиальным вводом газа, в котором сплошная центральная труба предназначена для вывода газа, прошедшего через слой катализатора 5 и отдавшего свое тепло, например, воде теплообменника 6. Внутри центральной трубы с образованием кольцевого зазора, ограниченного ее стенкой, обечайкой корзины 2, кольцом 3 и крышкой 4, установлена корзина с катализатором и примыкающий к ней трубчатый теплообменник 6; обечайки корзин 2 и 7 перфорированы. В таком реакторе одновременно протекают три процесса: очистка газов от пыли в поле центробежных сил и на гофрах внутренней обечайки корзины 7; каталитическое окисление органических примесей в слое катализатора и, наконец, утилизация тепла.

Капитальные затраты на строительство подобных реакторов, как правило, на 15—20 % меньше, степень очистки газов от пыли на 1,5—1,8 % выше. Совмещенный реактор можно разместить на площади 60—70 м2, а промышленный реактор такой же производительности (например, 20 тыс. м3/ч) требует не меньше 120 м2. Замену катализатора можно производить с помощью запорного устройства без остановки реактора. На основании лабораторных исследований подобраны дешевые катализаторы: марганцевая руда, марганцевый агломерат и меднохромовый контакт. Реактор рекомендован для внедрения на опытной установке шахты и на химическом заводе.

Список литературы

1. Термокаталитические реакторы для очистки газов // Каталожный листок / Химнефтемаш. М.: ЦИНТИ, 1984.— 84 с.

2. А. с. 1060214 СССР. Реактор для проведения каталитических процессов / А. М. Сычева, В. С. Генкин, С. И. Мельников, Н М. Дюрик и др. // Открытия. Изобретения. 1983. № 46. С. 18, 19.

3. Беляков Б. П., Исаков И. Г., Шейко А. В. Термические методы обезвреживания промышленных газообразных выбросов // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. Сер. ХМ-14/ ХИНТИхимнефтемаш. 1983.— 21 с.

4. Ледокова Г. М., Попова Н. М., Сокольский Д. В. и др. Термокаталитическая очистка газовых выбросов производства пластмасс // Каталитическая очистка газов: Матер. IV Всесоюзн. конф. Ч. 2.— Алма-Ата. 1985. С. 83—88.

5. Шафранский Е. Л., Дряхлое А. С., Калинкина Л. И. и др. / Там же. С. 89—93.

6. А. с. 849594 СССР. Способ очистки отходящих газов / Г. К. Боресков, Ю. Ш. Матрос, В. Г. Луговской // Открытия. Изобретения. 1982. № 14. С. 320.

7. А. с. 882056 СССР. Способ очистки отходящих газов / Г. К- Боресков, Ю. Ш. Матрос, В. М. Пажилова и др. // Открытия. Изобретения. 1982. № 15. С. 287.

8. Катализ в промышленности / А. Слейш, У. Чоудри, Ф. Вагнер и др.: Пер. с англ, под ред В. М. Грязнова.— М.: Мир, 1986.— 291 с.

9. Дряхлое А. С., Калинкина Л. И., Жданович Н. В. и др. Об особенностях моделирования реактора санитарной очистки воздуха... // Каталитическая очистка газов: Матер. III Всесоюзн. конф. Ч. I.— Новосибирск. 1981. С. 121—128.

10. МРТ 37.056.142-82. Аппараты очистки газовых выбросов с замкнутым циклом и автономной системой управления. Унифицированные сборочные единицы.— М.: Стандарты, 1982.— 91 с.

И. Губайдулин Р. 3., Квасов А. А., Шурин Р. М. Современные аппараты каталитической очистки газовых выбросов // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. Сер. ХМ-14. / ЦИНТИхимнефтемаш. 1985.— 29 с.

12. Торопкина Г. Н., Калинкина Л. И. Технико-экономические показатели промышленной очистки газовых выбросов от органических веществ // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. / ЦИНТИхимнефтемаш. 1983. С. 4—18.