Способ обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов титано-магниевого производства

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к переработке, обезвреживанию хлорсодержащих газов, образующихся при производстве магния электролизом расплавленных солей, и к хлорной металлургии титана. Предложен способ обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов титано-магниевого производства, включающий подачу газов в факел горения углеводородного топлива, восстановление хлора в процессе горения до хлорида водорода с получением топочных газов, обработку топочных газов щелочным реагентом с получением концентрированного раствора хлорида кальция, в котором перед обработкой щелочным реагентом топочные газы охлаждают воздухом до температуры 400-800° С при скорости охлаждения 800-5000° С/сек, полученный раствор хлорида кальция очищают от примесей, упаривают и сушат. Восстановление хлора проводят при тепловой напряженности в зоне реакции 1,7-9,5 гДж/м³·час. В факел горения дополнительно вводят водяной пар и/или воду при массовом отношении хлора к суммарному содержанию водяных паров в зоне реакции, равном 2,0÷ 4,0:1. Воду предварительно перед подачей в факел горения диспергируют. Топочные газы перед обработкой щелочным реагентом дополнительно обрабатывают водой с получением соляной кислоты. Одновременно с процессом сушки хлорид кальция гранулируют в аппарате с псевдоожиженным слоем, обеспечивается поддержание высокой степени конверсии хлора при одновременном увеличении срока службы топливосжигающих устройств, а также получение товарного продукта - твердого хлорида кальция, не содержащего вредных примесей. 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к переработке, обезвреживанию хлорсодержащих газов, образующихся при производстве магния, электролизом расплавленных солей, и хлорной металлургии титана.

Известен способ обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов магниевого производства (А.С. СССР №140211, опубл. БИ №15, 1962), по которому хлорсодержащие газы подают в высокотемпературный факел горения топлива (жидкого или газообразного), после чего продукты горения, содержащие хлороводород и хлор, направляют в печь для обезвоживания карналлита (вращающуюся печь и установку кипящего слоя). Затем хлорид водорода поглощают водой, что позволяет более полно очистить газы от хлора.

Недостатками известного способа являются:

- низкая степень конверсии хлора хлорсодержащих газов в хлороводород 75-90%, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей, увеличенному расходу сорбента на очистку от неконвертированного хлора, повышенный расход электроэнергии на разложение хлорсодержащих (например, кальциевых гипохлоритных) пульп. Это обстоятельство связано с тем, что условия проведения процесса являются необходимыми, но не достаточными для обеспечения высокой 95-100% степени конверсии хлора. В частности, одним из основных условий обеспечения высокой степени конверсии хлора в хлороводород является тепловая напряженность реакционного объема зоны горения и избыток воды и/или водяных паров в реакционном объеме зоны горения;

- при очистке отходящих газов процесса обезвоживания карналлита от хлороводорода и хлора получают растворы, содержащие хлориды магния, кальция, калия, натрия, не находящие сбыта, поэтому их сливают в естественные водоемы. Переработка растворов на товарные продукты экономически нецелесообразна.

Известен способ обезвреживания отходящих хлорсодержащих газов магниевого производства (А.С. СССР №197951, опубл. БИ №13 09.06.67 г.), по которому сжигание (конверсию хлора в хлорид водорода) ведут в циклонных топках, оборудованных горелками типа “труба в трубе” при тепловой напряженности топочного пространства от 100 до 400 тыс. ккал/м³·час (0,42÷ 1,67 гДж/м³·час).

Недостатком данного способа является низкая тепловая напряженность топочного объема, что приводит к низкой степени конверсии хлора 80-90% и ухудшению технико-экономических показателей за счет дополнительных затрат, связанных с необходимостью обезвреживания непрореагировавшего (неконвертированного) хлора.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является известный (SU №1629243, БИ №7 23.02.91) способ обезвреживания хлорсодержащих газов титано-магниевого производства, включающий смешивание хлорсодержащих газов с воздухом до концентрации 200-480 г хлора на 1 м³ воздуха; подачу хлорсодержащей смеси в факел горения углеводородсодержащего топлива, восстановление в процессе горения до хлорида водорода с последующей утилизацией, восстановление осуществляют при тепловой напряженности в зоне горения 10-40 гДж/м³·час при коэффициенте расхода воздуха 1,1-1,6; утилизацию полученного хлорида водорода путем хлорирования и упаривания суспендированного известкового молока; направление продуктов горения на хлорирование оксида и карбоната кальция с получением раствора хлорида кальция.

Способ обеспечивает высокую (более 95%) степень конверсии с возможностью получения концентрированного раствора (60-70%), однако недостатками известного способа - ПРОТОТИПА - являются:

- высокие значения теплонапряженности 10-40 гДж/м³·час, что приводит к снижению срока службы топливосжигающих устройств (до 3-4 месяцев при теплонапряженности ~ 10 гДж/м³·час и до 1 месяца при 40 гДж/м³·час) и делает данный способ не приемлемым для практического применения. Условия проведения процесса обезвреживания хлора являются необходимыми, но не достаточными для ликвидации образования в топочных газах, направляемых на утилизацию, ядовитых хлорированных углевородородов, диоксинов, фуранов.

- в результате обработки топочных газов суспендированным известковым молоком получается раствор хлорида кальция (60-705 CaCl₂), содержащий от 5 до 20 г/дм³ взвешенных веществ (СаО, СаСО₃), а также ядовитые вещества - хлорированные углеводороды, диоксины, фураны, что исключает его реализацию в качестве товарного продукта. Однако следует отметить, что даже очистка раствора от примесей затрудняет реализацию растворов из-за значительных транспортных расходов (продукт содержит балласт - 30-40% масс. воды).

Задача изобретения направлена на устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в поддержании высокой степени конверсии хлора при одновременном увеличении срока службы тепливосжигающих устройств, а также в получении пользующегося спросом товарного продукта - твердого хлорида кальция, не содержащего вредных примесей.

Данный технический результат достигается тем, что предложен способ обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов титано-магниевого производства, включающий подачу газов в факел горения углевородного топлива, восстановление хлора в процессе горения до хлороводорода с получением топочных газов, обработку топочных газов щелочных реагентом с получением концентрированного раствора хлорида кальция, новым является то, что восстановление хлора проводят при тепловой напряженности в зоне горения 1,7-9,5 гДж/м³·час, перед обработкой щелочным реагентом топочные газы охлаждают до температуры 400-800° С и полученный раствор хлорида кальция очищают от примесей, упаривают и сушат.

Кроме того, газы охлаждают воздухом.

Кроме того, скорость охлаждения топочных газов составляет 800-5000° С/сек.

Кроме того, в факел горения дополнительно вводят водяной пар и/или воду при массовом отношении хлора к содержанию водяных паров, равном 2,0-04:1.

Кроме того, воду перед подачей в факел горения диспергируют.

Кроме того, топочные газы перед обработкой щелочным реагентом дополнительно обрабатывают водой с получением соляной кислоты.

Кроме того, одновременно с процессом сушки хлорид кальция гранулитруют в аппарате с псевдоожиженным слоем.

Восстановление хлора при заявляемых условиях обеспечивает степень конверсии 95-100% при сроке службы топливосжигающих устройств не менее двух лет.

Кроме того, в отходящих газах процесса обезвреживания хлора отсутствуют ядовитые вещества, такие как хлорированные углеводороды, диоксины, фураны, что позволяет производить экологически чистые товарные продукты. Проведение операций по очистке раствора хлорида кальция от взвешенных веществ, упарка, сушка и гранулирование позволяет получить, в частности, твердый гранулированный хлорид кальция, соответствующий ГОСТ 450-77.

Экспериментально установлено, что предлагаемая организация процесса обезвреживания хлорсодержащих газов титано-магниевого производства, а именно восстановление хлора при тепловой напряженности в зоне горения 1,7-9,5 гДж/м³·час при последующем быстром охлаждении воздухом до температуры 400-800° С обеспечивает ликвидацию (препятствует образованию) в отходящих газах, а соответственно в растворах и твердом хлориде кальция ядовитых хлорированных углеводородов, диоксинов, фуранов и др.

Экспериментально также установлено, что охлаждение (съем тепла отходящих топочных газов) можно провести вводом в зону горения воды и /или водяного пара. Ввод воды является фактором интенсификации сжигания хлора, поскольку ее присутствие способствует генерации радикалов Н, ОН, О, отвечающих за процесс горения. Это приводит к увеличению соотношения Н/С1 и даже открывает возможность частичной замены дорогостоящего топлива на водяной пар. Подача воды в зону горения позволит в несколько раз увеличить объем хлора, подаваемого на сжигание, что позволит снизить капитальные вложения на создание установок по обезвреживанию хлорсодержащих газов титано-магниевого производства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий пояснения по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяет установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов титано-магниевого производства, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразования для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

Примеры осуществления способа.

Хлорсодержащие газы магниевого производства с содержанием хлора 70-90% об. подают в факел горения углеводородного топлива, например природного газа, на 1 нм³ природного газа подают 10,5-20,0 нм³ воздуха, 0,5÷ 2 нм³ хлора (в пересчете на 100%). Температура в зоне реакции составляет 1010-1600° С.

Процесс горения описывается уравнением (для случая использования природного газа):

СН₄+O₂=СO₂+2Н₂O,

а процесс восстановления хлора в хлороводород:

2Н₂O+2Сl=4НСl+O₂.

Пример 1

По способу ПРОТОТИПУ

При тепловой напряженности в зоне реакции 10-40 гДж/м³·час (без охлаждения газовой смеси воздухом и без подачи водяного пара или воды в зону реакции) степень конверсии хлора в хлорид водорода составляет 95%, а срок службы топливосжигающего устройства всего 1-4 месяца. Поскольку способ ПРОТОТИП не реализован в промышленности, анализ отходящих газов, растворов хлорида кальция на содержание в них хлорированных углеводородов, диоксинов, фуранов не проводился. Однако исходя из теоретических и практических исследований (см. Н.А.Платэ, Ю.А.Колбановский. Химия в интересах устойчивого развития //8(4), 567-577, 2000) присутствие этих ядовитых веществ вполне обосновано.

Пример 2

По предлагаемому решению (охлаждение воздухом без подачи воды).

Восстановление хлора проводят при тепловой напряженности в зоне реакции 1,7-9,5 гДж/м³·час, после чего проводят быстрое охлаждение газовой смеси со скоростью 800-5000° С/сек воздухом до температуры 400-800° С. Степень конверсии хлора в хлорид водорода составила 95-100%, а срок службы топливосжигающего устройства не менее 2 лет. Полученные отходящие газы, как показали исследования, не содержат ядовитых веществ (хлорированных углеводородов, диоксинов, фуранов и др.). Это позволило переработать хлороводород, содержащийся в отходящих газах, сначала на раствор хлорида кальция, а затем на твердый хлорид кальция.

Отходящие газы, после охлаждения обрабатывают известковым молоком (100÷ 150 г/дм³ СаО) с получением раствора хлорида кальция. Раствор хлорида кальция (30-32% масс. CaCl₂), содержащий 5÷ 20 г/дм³ СаО, СаСО₃ очищают от взвешенных веществ, дополнительно упаривают до концентрации (40÷ 50% масс. СаСl₂), после чего высушивают с одновременным гранулированием в аппарате псевдоожиженного слоя. Твердый гранулированный хлорид кальция отвечает условиям ГОСТ 450-77.

Пример 3.

По предлагаемому решению (с подачей воды в зону реакции)

То же, что в примере 2, но в зону реакции подают воду и/или водяной пар при массовом отношении хлора к суммарному содержанию водяных паров 2-4:1. Это позволяет достигать высокие показатели по степени конверсии хлора (95-100%), срок службы топливосжигающих устройств - не менее 2 лет.

В отходящих газах отсутствуют ядовитые вещества. Кроме того, значительно в 2-3 раза увеличивается количество хлора, которое можно сжечь с использованием 1 нм³ природного газа.

1. Способ обезвреживания хлорсодержащих отходящих газов титаномагниевого производства, включающий подачу газов в факел горения углеводородного топлива, восстановление хлора в процессе горения до хлороводорода с получением топочных газов, обработку топочных газов щелочным реагентом с получением концентрированного раствора хлорида кальция, отличающийся тем, что восстановление хлора проводят при тепловой напряженности в зоне горения 1,7-9,5 г Дж/м³·ч, перед обработкой щелочным реагентом топочные газы охлаждают до температуры 400-800° С и полученный раствор хлорида кальция очищают от примесей, упаривают и сушат.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газы охлаждают воздухом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость охлаждения топочных газов составляет 800-5000° С/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в факел горения дополнительно вводят водяной пар и/или воду при массовом отношении хлора к содержанию водяных паров, равном 2,0-4,0:1.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что воду перед подачей в факел горения диспергируют.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что топочные газы перед обработкой щелочным реагентом дополнительно обрабатывают водой с получением соляной кислоты.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с процессом сушки хлорид кальция гранулируют в аппарате с псевдоожиженным слоем.