CC BY
151
УДК 665.632.074.341
А. А. Эльмурзаев, Ф. Р. Исмагилов Астраханский государственный технический университет
СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ УСТАНОВКИ ПРЯМОГО ОКИСЛЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА ОТ АЭРОЗОЛЬНОЙ СЕРЫ
Обеспечение современных технологических промышленных установок эффективной системой улавливания серы имеет большое экологическое значение, т. к. способствует снижению выбросов в атмосферу сернистого ангидрида, образующегося из серы в случае дожига отходящих газов или при сжигании (для очищения от сероводорода) углеводородных газов, содержащих остаточные количества серы, в технологических печах. В случае плазмохимического разложения сероводорода необходимость полной очистки продуктов от серы имеет большое значение, особенно в случае использования полимерных мембранных аппаратов для выделения водорода из продуктов разложения.
Конденсация серы после реакционного аппарата является общепринятым методом извлечения серы, поскольку процессы получения серы в них осуществляются, как правило, выше точки росы серы. Однако конденсация паров серы сопровождается частичным образованием аэрозольной серы, что вызывает необходимость дополнительной стадии очистки [1].
Общепринятым является метод доочистки отходящих газов от сернистого тумана путем подачи газового потока при 130-140 °С в башню с кольцами Рашига. Описан также метод очистки отходящих газов установки прямого окисления сероводорода от аэрозольной серы путем подачи газа с температурой 100-120 °С в нижнюю часть конденсатора-эконозейра, заполненного кольцами Рашига и орошаемого сверху водой, где газ отмывается от чистой серы и катализатора [2].
Наиболее перспективным нам кажется способ очистки газов от аэрозольной серы путем повторного нагрева его до температуры парообразования и подачи нагретого потока через охлажденную до температуры конденсации насадку. Исследования показали, что с помощью этого способа удается сконденсировать до 87 % серы.
Нами усовершенствован этот метод, что позволило довести степень очистки до 99,2 %. Процесс сводится к изменению условий конденсации паров серы. Конденсацию предложено вести ступенчато, температуру на начальном участке по ходу газа поддерживать на уровне 170-180 °С и на остальном участке насадки - 130-150 °С. Длина начального участка насадки составляет 0,1-0,3 части всей ее длины. Повышение степени очистки объясняется следующим образом. При температуре 170-190 °С основная часть жидкой серы конденсируется, а не сконденсировавшуюся часть, имеющую наибольшую вязкость - 55,0-93,3 Пас, следует направлять на
охлаждение на последующую часть насадки с температурой 130-160 °С, которая имеет при этой температуре на поверхности пленку жидкой серы с наименьшей вязкостью.
Значительное число экспериментов по очистке газов от аэрозольной фракции по этому способу показало, что при температуре наибольшей вязкости в 170-190 °С скапливания серы на первом участке не происходит, наблюдаемую текучесть серы при этой температуре можно объяснить, если учесть конкретные условия опытов, а именно то, что конденсация серы осуществляется в среде углеводородного газа и двуокиси углерода. Это, видимо, приводит к растворению газа в сере в момент его конденсации в виде мельчайших пузырьков с образованием коллоидной системы, для которой характерна так называемая структурная вязкость [3].
Известно, что структурная вязкость коллоидной системы может иметь меньшее значение, чем раствор (расплав) индивидуального вещества. Например, вязкость серы можно изменить небольшими добавками йода, брома и, особенно, хлора. Так, добавка этих элементов в количестве 15 % в интервале температур 180-300 °С, а также добавка 0,9-1,68 % сероводорода снижают вязкость до 30-10 Пас [4].
В таблице приведены значения вязкости чистой серы при разной температуре.
Вязкость, Па-с 12 7 12 93 200 2 600 100 2
Температура, °С 120 157 159 187 300 444,6 700
В нашем случае жидкая сера с растворенным в ней природным газом некоторое время (на первом участке) имеет вязкость меньше, чем вязкость чистой серы (55-93 Пас при 170-190 °С (это значение вязкости для чистой серы), что обеспечивает ей достаточную текучесть. В то же время вязкость серы в этих условиях значительно выше, чем величина 0,013-0,0065 Пас, что обеспечивает эффективное осаждение жидкой аэрозоли серы на последующем участке насадки, поверхность которой при температуре 130-160 °С имеет пленку жидкой серы с вязкостью 0,013-0,0065 Пас.
Для получения газа, содержащего аэрозольную фракцию серы, использовали опытную установку прямого окисления сероводородсодержащего газа в кипящем слое катализатора при температуре 250 °С.
В качестве сырья использовалась смесь «кислых» газов с установки аминовой очистки с содержанием сероводорода 95 % и заводской топливный газ при объемном соотношении 1:10, что позволило поддерживать концентрацию паров серы в конденсаторе серы на нужном уровне (5,9-6,01 г/м). Газ после реактора со скоростью 0,5 м/с направляли сверху вниз в стеклянную колонку с пористой насадкой, представляющую собой шлак фракции 2-5 мм. Колонка имеет две рубашки: первая служит для охлаждения насадки до 170-190 °С по ходу газового потока, вторая - для охлаждения последующего участка до температуры 130-160 °С. В качестве охлаждающей жидкости используют 85 %-й водный раствор глицерина, подаваемый из двух термостатов. На выходе из колонки газ барботируют через склянки с толуолом для поглощения аэрозольной серы.
Степень очистки газа рассчитывается как отношение разности количества серы на входе и выходе из насадочной колонки к количеству серы на выходе.
На рис. 1 приведены данные, полученные с использованием колонок с различным соотношением длины начального и последующего участка. Видно, что оптимальная длина первого участка составляет 0,1-0,3 длины всей колонки. На участке, равном менее 0,1 длины насадки по ходу газового потока, степень очистки снижается до 95 %. Это объясняется тем, что этот участок длины насадки недостаточен для конденсации паров аэрозоля серы и создания жидкого аэрозоля серы с высокой вязкостью. На участке, равном более 0,3 длины насадки, степень очистки также уменьшается. Это связано с тем, что длина насадки последующего участка недостаточна для полного осаждения жидкой аэрозольной серы с высокой вязкостью.
Длина начального участка насадки, доли
Рис. 1. Зависимость степени очистки газа от аэрозольной жидкой серы от длины начального участка насадки: температура начального и последующего участков 170 и 140 °С соответственно; скорость потока - 0,5 м/с; концентрация аэрозоля - 5,9-6,0 г/м
Из графика на рис. 2 видно, что при температуре последующего участка ниже 130 оС степень очистки газа снижается до 96 % из-за повышения вязкости пленки жидкой серы на насадке. При температуре последующего участка длины насадки выше 160 оС также отмечается снижение степени очистки газа от жидкой аэрозольной серы до 93 %, что объясняется повышением вязкости пленки жидкой серы на насадке.
Данные рис. 3 свидетельствуют о том, что при температуре ниже 170 оС на первом участке степень очистки газа от жидкой аэрозольной серы снижается до 90 % при температуре 160 оС и до 86 % при температуре 150 оС. Это объясняется ухудшением условий конденсации серы и снижением эффективности осаждения аэрозольной серы за счет снижения ее вязкости, которая приближается к вязкости пленки жидкой серы на насадке. При температуре выше 190 оС также наблюдается снижение степени
очистки газа, что может быть объяснено ухудшением условий конденсации серы и снижением эффективности осаждения жидкой аэрозоли за счет снижения ее вязкости, которая приближается к вязкости пленки жидкой серы на насадке [5, 6].
Температура, °С
Рис. 2. Зависимость степени очистки газа от аэрозольной жидкой серы от температуры последующего участка насадки: температура начального участка - 180 оС; скорость газового потока - 0,5 м/с; соотношение длины начального и последующего участка насадки - 1 : 4
Температура, °С
Рис. 3. Зависимость степени очистки газа от температуры начального участка насадки: температура последующего участка - 130 °С; скорость газового потока - 0,5 м/с; соотношение длины начального и последующего участков насадки - 1 : 4
Результаты исследования показали, что изменение линейной скорости в пределах 0,5-1,5 м/с не оказывает заметного влияния на степень очи-
стки, которая сохраняется в пределах 90-94,2 %. Проведены также опыты по очистке газов от жидких аэрозольных фракций, пропускаемых через насадку при поддержании по всей длине одинаковой температуры (130, 150, 160 оС), т. е. при одинаковой температуре на начальном и последующем участках. В этих условиях степень очистки серы не превышает 87 %, что доказывает эффективность варьирования температуры насадки на двух участках, причем соотношение длины этих участков имеет существенное значение.
Предлагаемый способ принципиально может быть реализован в газотрубных котлах-утилизаторах, в которых производится охлаждение технологических газов в целях конденсации серы. В таких котлах в межтруб-ное пространство подается вода с выработкой технологического пара, а в дымогарные трубки - парогазовая смесь. Регулирование температуры по участкам, как это предложено, может быть практически осуществлено в двухступенчатых котлах-утилизаторах, например в котле Г-105/300БЦ. Имеются котлы с вертикальным расположением труб (В-90Б, В-460Б).
Лабораторные исследования осуществлены с учетом общепринятого положения о том, что экспериментальные данные на лабораторной установке непосредственно могут быть перенесены на аппараты большого масштаба в том случае, если эксперименты проводятся в условиях, близких к промышленным [7].
Диаметр стеклянной трубки (29 мм) близок по своей длине диаметру газовой трубки промышленных котлов-утилизаторов (32 мм), т. е. стеклянная трубка должна быть такого диаметра, чтобы она моделировала элемент промышленного аппарата. Охлаждение лабораторной трубки осуществлялось за счет применения соответствующей жидкости в рубашке, что моделирует характер теплоотвода в котлах. Скорость прохождения газа через насадку в лабораторных опытах составляла 0,5-1,5 м/с, что близко к условиям работы промышленных котлов. Использована также пористая насадка-шлак фракции 2-5 мм, которая представляет собой промышленный образец, причем по своим размерам она может быть использована для заполнения газовых труб котлов-утилизаторов.
Таким образом, исследователями предложен способ очистки газов от аэрозольной серы, который может быть реализован в газотрубных котлах-утилизаторах, используемых для охлаждения технологических газов в целях конденсации серы.
Результаты исследований могут быть перенесены на аппараты значительно большего масштаба. Нами они были использованы при проектировании малогабаритных установок для очистки промысловых газов от сероводорода.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Соркин Я. Г. Безотходное производство в нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1983.
2. Исмагилов Ф. Р. Перспективы утилизации сероводорода на НПЗ путем прямого окисления. Темат. обзор. - М.: ЦНИТЭННефтехим, 1997.
3. Рыбак Б. М. Анализ нефти и нефтепродуктов - М.: Гостоитехиздат, 1962.
4. Грунвальд В. Р. Технология газовой серы. - М.: Химия, 1992.
5. Авдеева А. В. Получение серы из газов. - М.: Металлургия, 1977.
6. Газотрубные котлы утилизаторы и энерготехнологические котлы. Отраслевой каталог. - М.: НИИ экономики, 1986.
7. Иоффе И. И., Письмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного катализа. -М.: Химия, 1992.
Получено 2.11.05
WASTE GASES PURIFICATION TECHNIQUE OF HYDROGEN SULFIDE DIRECT OXIDATION UNIT FROM SULPHUR IN AEROSOL
A. A. Elmurzaev, F. R. Ismagilov
Problems connected with the presence of hydrogen sulfide and sulphur in aerosol in gases have been examined. Purification processes of hydrogen sulfide containing gases by direct oxidation method solid catalysts as well as sulphur and hydrogen production by means of thermal and plasma-chemical hydrogen sulfide decomposition method cause the necessity to create effective methods of sulphur removal from reaction products. Therefore this problem is of great ecological importance. The technique of gases purification from sulphur in aerosol has been proposed. This method can be applied in gas-tube boilers-utilizers used for technological gases cooling with the purpose of sulphur condensation. Results of the research can be used in the design of industrial installations for sulphur production.
