4.3 Энерготехнологическое комбинирование химических производств

Одним из наиболее действенных средств повышения эффективности потребления топлива является переход к комплексным энерготехнологическим методам использования топлива и извлечению всех ценных его составляющих при обязательном комбинировании энергетического процесса сжигания части топлива для производства энергоносителей с различного рода технологическими процессами. То есть энерготехнологический процесс (ЭТП) представляет собой химико-энергетическую систему (ХЭС) с двумя сопряженными целевыми функциями.

Первая – химико-технологическая функция - в основе которой лежит химический способ переработки сырья для получения заданного продукта требуемого качества.

Вторая – энергетическая – обеспечивает наиболее полное использование тепла реакции горения топлива и протекающих экзотермических реакций, а также энергии вторичных ресурсов.

С помощью ХЭС можно создавать энергетически компенсированные производства, в которых тепло экзотермических реакций (включая технологическое горение) непосредственно применяется для организации эндотермических процессов. В энергосберегающих ХЭС все более широко применяют общие энергетические процессы и устройства, позволяющие рекуперировать или трансформировать ВЭР: теплонасосные установки, абсорбционные холодильные машины, газотурбинные установки, парогенераторы и др.

Концепция ХЭС положила в основу создания современных схем и агрегатов получения аммиака, азотной и серной кислот, карбамида, метанола, этилена и других многотоннажных продуктов.

Рассмотрим организацию энерготехнологических схем на примере производства аммиака из природного газа. Функциональная схема производства аммиака представлена ниже.

Функциональная схема синтеза аммиака

Современный энерготехнологический агрегат производства аммиака практически всю энергию, необходимую в процессе, генерирует внутри технологической схемы, используя тепло экзотермических процессов паро-воздушной конверсии метана, конверсии оксида углерода, метанирования и синтеза аммиака:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – 206 кДж

СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂ – 248 кДж

СН₄ + 0,5 О₂ = СО + 2Н₂ + 35 кДж

СО + 2Н₂О = СО₂ + 2Н₂ + 41 кДж

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О + 206 кДж

N₂ + 3Н₂ = 2NН₃ + 56 кДж

Используется также в котле-утилизаторе тепло дымовых газов, выходящих из трубчатой печи. Генерируемого тепла достаточно для обеспечения агрегата механической энергией для привода компрессоров и насосов технологическим паром.

На стадии конверсии СН₄ энерготехнологическая схема в производстве аммиака, схематически показанная на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 Энерготехнологическая схема производства аммиака

1 – трубчатая печь конверсии метана; 2 – котел-утилизатор;

3 – горелка; 4 – пароперегреватель

Для сжатия и циркуляции азотоводородной смеси на стадии синтеза используют мощные турбокомпрессоры, требующие скоростного привода (паровая турбина). Пар высоких параметров обычно получают на ТЭЦ, и производство аммиака становится сильно зависимым от нее. Избежать этого можно в энерготехнологической системе. Дымовые газы после трубчатой печи конверсии метана имеют температуру более 950 ºС, и их можно использовать для выработки пара высоких параметров, но их не хватает для привода паровой турбины. Недостаток энергии восполняют сжиганием дополнительного топлива в дымовом газоходе после трубчатой печи, то есть установкой энергетического узла как элемента технологической схемы. Используют также тепло технологического газа после второй, паровоздушной конверсии метана. Тепла технологического газ, дымовых газов и дополнительной горелки как энергетического узла, достаточно, чтобы отказаться от потребления энергии извне. Таким образом, производство аммиака стало автономным по энергии.

Другой вариант организации энерготехнологической схемы производства аммиака на стадии конверсии предполагает использование тепла дымовых газов печи паровой конверсии для: а) подогрева природного газа, поступающего на паровую конверсию; б) подогрева водяного пара, идущего на паровую конверсию; в) подогрева воздуха, идущего на воздушную конверсию. Оставшееся тепло дымовых газов используется в котле-утилизаторе для получения пара.

Другой пример организации энерготехнологических схем рассмотрим на примере производства разбавленной азотной кислоты. В основе этого производства лежат экзотермические реакции:

1) 4NH₃ + 5О₂ = 4NО + 6Н₂О + 907,3 кДж

2) 2NО + О₂ = 2 NО₂ + 112,3 кДж

3) 3 NО₂ + Н₂О = 2НNО₃ + NO + 136 кДж

Принципиальная схема производства представлена на рисунке 4.11.

Рис. 4.11 Принципиальная схема производства разбавленной кислоты

1 – очистка аммиака и водуха и их смешение; 2 – окисление аммиака на катализаторе; 3,4 – охлаждение нитрозных газов с использованием теплоты процесса окисления; 5 - окисление оксида азота (II) и образование азотной кислоты; 6 – очистка (нейтрализация) отходящих газов. АмВС – аммиачно-воздушная смесь, НГ – нитрозные газы, ОГ – отходящие газы.

В основе энерготехнологической схемы производства азотной кислоты под давлением лежит утилизация тепла экзотермических реакций и потенциальной энергии сжатых газов.

С целью утилизации тепла экзотермической реакции (I) в нижней части контактного аппарата устанавливается котел-утилизатор, в котором нитрозные газы, выходящие из зоны контактирования охлаждаются от 900ºС до 170ºС и генерируются водяной пар.

В современном производстве азотной кислоты под давлением один из сырьевых компонентов - воздух сжимается в компрессоре и направляется в технологические аппараты. После всех превращений остается практически только азот как отходящий газ под давлением меньшим, чем давление воздуха после компрессора. Потенциал отходящего газа недостаточен, чтобы полностью компенсировать затраты на сжатие исходного воздуха, хотя можно его использовать для частичного возмещения затрат. Увеличить энергию отходящего газа как рабочего тела турбины можно повышением его температуры. Для этого в линию отходящего газа подают топливо - природный газ – и сжигают его с остатками кислорода. Это и есть энергетический узел (рисунок 4.12).

Но его функции не только энергетические, но и технологические. Подогрев газа нужен для очистки его от остатков оксидов азота. Используя небольшой избыток метана, создают восстановительную атмосферу в отходящем газе, и на катализаторе в реакторе очистки оксиды азота восстанавливаются до азота. После реактора очистки потенциал горячего газа достаточен для привода компрессора воздуха с помощью газовой турбины. После турбины очищенный газ может быть направлен непосредственно в выхлопную трубу. В этой схеме также использована регенерация тепла, сокращающая расходы топлива.

Рисунок 4.12 Энерготехнологическая схема производства

азотной кислоты:

Р – реактор очистки; К – компрессор; ГТ – газовая турбина; Г – горелка

Один из вариантов организации энергосберегающих технологий рассмотрен на примере энерготехнологического комбинирования производства дивинила (см. выше).