Температуры самовоспламенения tв наиболее распространенных загрязняющих веществ отходящих газов промышленности

Температура воспламенения – это температура, которая должна быть достигнута или превышена в присутствии кислорода, чтобы произошло загорание. Когда температура воспламенения превышена, реакция дает больше тепла, чем теряется в окружающую среду, и горение становится самоподдерживающимся.

Метод прямого сжигания промышленных газов, содержащих органические примеси, в пламенных печах и факелах известен уже более ста лет, но широкого распространения он не получил. Чаще с целью снижения затрат ПГО сжигают совместно с твердыми и жидкими отходами промышленных производств. Однако до настоящего времени на нефтепромыслах методом прямого сжигания в факелах обезвреживается значительное количество попутного газа, хотя гораздо более экономически и экологически выгодно этот газ перерабатывать.

В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо. В качестве самостоятельного топлива могут сжигаться отходящие газы с теплотворной способностью 3,35–3,77 МДж/м³ и ниже, если они обладают повышенной температурой. Прямое сжигание газообразных отходов с использованием дополнительного топлива считают целесообразным в случаях, когда обезвреживаемые компоненты газовых выбросов могут обеспечить не менее 50% общего тепловыделения.

Однако обычно содержание горючих примесей в отходящих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топлива и утилизации тепла процесса сжигания прежде всего с целью сокращения этих затрат. Расход дополнительного топлива при сжигании таких газообразных отходов, нагретых до 50°С, составляет 25–40 кг условного топлива на 1000 м³ обрабатываемых газов.

В качестве дополнительного топлива для нейтрализации газообразных отходов чаще используют газообразное или жидкое топливо. Горючее вещество топлив состоит в основном из трех элементов – углерода, водорода и серы. Горение – это быстрое соединение кислорода с этими горючими элементами, сопровождающееся выделением тепла. Для большинства топлив важны только углерод и водород, так как содержание серы слишком мало, чтобы внести заметный вклад в выделение тепла.

Каждый процесс горения требует:

1) достаточного времени для завершения химических реакций;

2) достаточной температуры для нагрева топлива до последовательных стадий разложения и до загорания углерода и водорода;

3) достаточной турбулентности для смешивания кислорода и горючих элементов и обеспечения полного сгорания.

При горении протекают следующие основные реакции:

Углерод окисляется до диоксида углерода С + О₂ → СО₂ + тепло

Углерод окисляется до оксида углерода 2С + О₂ → 2СО + тепло

Оксид углерода окисляется до диоксида углерода

2СО + О₂ →2СО₂ + тепло

Водород окисляется до водяного пара 2Н₂ + О₂ → 2Н₂О + тепло

Сера окисляется до диоксида серы S + О₂ → SO₂ + тепло

Температура воспламенения возрастает в ряду: газообразное топливо – жидкое топливо – уголь.

Теплота сгорания, т. е. количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы топлива, зависит от соединения, которое сжигается. В идеале топливо данной массы соединяется со стехиометрическим количеством кислорода, давая продукты сгорания.

Существуют различные типы оборудования для термического обезвреживания газовых выбросов, условно их можно разделить на следующие группы:

камерные печи;

печи с использованием циклонного принципа движения газов;

регенеративные установки термического обезвреживания;

аппараты со струйным смешением;

системы обезвреживания непосредственно в технологических аппаратах (паровые котлы и т.п.).

Основными элементами систем термического обезвреживания газов являются горелки, форсунки, камеры сгорания, теплообменные устройства, вентиляторы и дымососы.

Устройство камер сгорания. Конструкция камеры сгорания предусматривает следующие необходимые элементы: линии введения всех необходимых газовых потоков, устройство для инициирования процесса (форкамера) и для смешивания горячих газов с воздухом и топочными газами с низкой теплотой сгорания. Геометрия конструкции камеры должна давать возможность удерживать влажные газы при заданной температуре в течение времени, требуемого для завершения процесса окисления. Необходимы также система контроля процесса по основным параметрам и система взрывобезопасности.

V-образные камеры сгорания. Камеры такого типа обеспечивают повышенную теплостойкость футеровки при прохождении горячих газов. Необходимые для поддержания устойчивого горения газ и сжатый воздух подаются в точку разделения потоков. Подача воздуха обычно ведется со скоростью 600–900 м/мин, что обеспечивает полноту сгорания углеводородов в топочном газе. Основным требованием следует считать автоматическое регулирование подачи горючего газа и воздуха в соответствии с изменением состава топочного газа [13].

Печи для прямого сжигания газообразных отходов. Прямое сжигание часто используется для обезвреживания газообразных отходов, содержащих вещества с неприятным запахом. В большинстве случаев требуется полное сжигание; частичное сжигание может послужить причиной появления еще более сильного запаха, чем первоначальный. Типичным примером является бутиловый спирт, обладающий слабым запахом. При окислении его до масляного альдегида, а затем до масляной кислоты наблюдается усиление запаха. Лишь полное окисление до воды и углекислого газа снимает запах.

Печь для сжигания (или разложения) неприятно пахнущих и токсичных органических примесей газообразных отходов производства жирных кислот представляет собой цилиндрическую футерованную камеру с патрубками для тангенциального подвода отбросных газов (рис.73) [17]. В переднем торце камеры по оси устанавливается горелка с осевым подводом части отработанных газов, тангенциальным подводом чистого воздуха и кольцевым под водом горючего газа. При такой конструкции печи большая часть газообразных отходов направляется в топку, а примерно 25% от общего количества прямым незакрученным потоком – по осевому подводу горелки. Тангенциальный подвод чистого воздуха обеспечивает хорошее перемешивание его с горючим газом.

Типы горелок. В зависимости от вида топлива, используемого для обеспечения высокой температуры в зоне окисления загрязняющих веществ, используются разные типы горелок.

Газовые горелки. Газообразное топливо легко смешивается с воздухом и не требует подготовки. Когда воздух и газ перемешаны до воспламенения, горение протекает путем гидроксилирования в голубом пламени. При использовании газа в качестве топлива основное требование заключается в создании с помощью компрессоров или другого оборудования в газовой магистрали давления, достаточного для прокачивания потока через расходомеры и горелку.

Диффузионная горелка достаточно простой конструкции представляет собой перфорированную трубу, установленную в потоке отходящих газов так, что газовые факелы, выходящие из отверстий, развиваются в ее аэродинамическом следе (рис.74). За счет этого обеспечивается устойчивость газового факела при высоких значениях коэффициентов избытка воздуха вплоть до а = 15–20.

В результате через горелочное устройство удается пропустить большое количество отбросных газов при незначительном расходе топливного газа. Однако при больших избытках воздуха (практически при а > 3) средняя температура газов становится ниже температуры самовоспламенения паров органических соединений, вследствие чего термоокислению будут подвержены лишь частицы, непосредственно соприкасавшиеся с факелом. В то же время такое устройство может быть эффективно использовано и при более высоких избытках воздуха, если на обезвреживание поступают горячие газовые выбросы.

Горелки с регулируемой подачей топлива. Традиционные горелки такого типа предполагают в качество дополнительного устройства компрессор или вентилятор для подачи сжатого воздуха в измерительный прибор и саму горелку. При использовании в качестве горючего материала топочных газов необходимо предусматривать стадию предварительной очистки от конденсирующихся продуктов и мелкодисперсных частиц, а также устройства для поддержания постоянного состава горючей смеси. Необходимый для поддержания горения воздух подается по специальной магистрали.

Многоструйные горелки. Многофорсуночная конструкция включает несколько трубок Вентури, за каждой из которых располагается газовая горелка. Процесс горения происходит в расширенной части трубки, необходимый кислород поступает вместе с топочными газами или подается из специальной сети. Горячие газы после этого направляются в камеру высокотемпературного воспламенения со специальной футеровкой стенок огнеупорными материалами. При достаточном количестве кислорода в топочном газе часть его через дозаторы направляется в горелки, в то время как оставшийся поток подается во внешнюю область вокруг горелки для разбавления горячих газов или их охлаждения до необходимой температуры. Разделение потоков регулируется в соответствии с теплотой сгорания и содержанием углеводородов в топочном газе. При увеличении или уменьшении скорости потока топочных газов происходит автоматическое регулирование разделения по двум каналам.

Для поддержания требуемого температурного режима в камере, предварительного воспламенения (инициирование процесса окисления) в качестве топлива могут использоваться жидкие органические отходы или нефть. Обычно температура >1100°С, что обеспечивает необходимое их распыление, испарение и воспламенение перед входом в основную камеру сгорания, где окислительный процесс завершается полностью. Для сжигания в многоструйных горелках могут использоваться топочные газы с высокой теплотворной способностью, например, с содержанием углеводородов, состав которых близок к НПВ (низший предел взрываемости) или попадает в область взрыва или выше верхнего взрывного предела. Топочные газы подаются к горелкам по отдельным газовым сетям. В случае необходимости газ подводится к горелкам по газовой магистрали. Таким образом, во многих случаях топочные газы с высоким содержанием углеводородов могут заменять природный газ в качестве топлива. Однако при этом следует строго следить за очисткой топочного газа от взвешенных твердых частиц и конденсируемых продуктов, устанавливать дополнительное оборудование для обеспечения нужного давления и предусматривать систему блокировки отдельных объемов для предотвращения распространения вспышки по газовым сетям.

Горелки с предварительным смешением. В этом случае в устройстве обеспечивается смешение топочных газов, обычного топлива и жидких органических отходов. Большим преимуществом горелок подобного типа является возможность точной дозировки отдельных компонентов. Правильный подбор условий позволяет обеспечить состав, близкий к стехиометрическому, полноту сгорания и выброс газов в атмосферу с минимальным содержанием непрореагировавших веществ. Недостатком этих устройств можно считать трудности чистки и профилактики каналов горелок и повышенную энергоемкость, из-за необходимости прокачивания смесей по трубопроводам и каналам.

Горелки для сжигания жидкого топлива. Жидкие топлива распыляют на мелкие капельки для увеличения поверхности, доступной для взаимодействия с кислородом. Эти капельки легко испаряются при температуре топки и находятся в газообразном состоянии в процессе горения. Степень диспергирования определяет количество избыточного воздуха, требующегося для обеспечения полного сгорания. Имеется два главных класса горелок для сжигания жидкого топлива: 1) горелки, в которых распыление происходит в горелке; 2) горелки, которые распыляют топливо так, что процесс распыления протекает в зоне горения.

Взаимодействие пламени горелки с топочным газом. Существует неправильное мнение о том, что непосредственный контакт пламени с потоком топочного газа приводит к разрушению углеводородов. В действительности контакт с пламенем не является определяющим для всего процесса. В камере предварительного воспламенения (форкамера) при контакте с пламенем происходит разогрев газовой смеси. После этого, попадая в камеру сгорания (вне контакта с пламенем горелки), топочный газ смешивается с кислородом и на этом этапе происходит химический процесс окисления органических соединений, причем кинетика определяется температурой и временем – это ключевые факторы для полного завершения реакции. Поэтому термин «термическое окисление» наиболее точно передает суть процесса и назначение основной камеры.

Температурный интервал 650…760°С является тем нижним пределом, при котором в камере термического окисления за практически приемлемое время («время удержания») достигается необходимая степень превращения органических соединений. Время удержания резко возрастает от долей секунды до минут при снижении температуры. Для получения максимальной трансформации углеводородов при минимальном размере камеры термического окисления требуется обеспечение полного смешения газов внутри камеры.

Если для термоокислительной печи необходимо несколько газо-горелочных устройств, их компоновку предпочтительно выполнять:

1) в вертикальных топках – на одном уровне по периметру, а при недостатке места – на нескольких уровнях в шахматном порядке;

2) в горизонтальных – на одном уровне по фронту, а при недостатке места – на этом же уровне по боковым стенам, избегая непосредственного взаимодействия встречных факелов.