Краткий обзор вакуумного фильтра для специальных сульфидных пен DS (часть 1)

Thread Content

Компания Changchun Dongshi Technology (Group) Co., Ltd., которая уже более десяти лет занимается областью очистки газов от серы, постоянно находится в авангарде технологического развития в этой отрасли. На протяжении многих лет компания поддерживала тесное взаимодействие и сотрудничество с высшими учебными заведениями и научно-исследовательскими институтами, совместно занимаясь промоцией научно-технических проектов. Компания думала о потребностях отрасли и решала её актуальные проблемы, преодолевая множество сложных технических задач в этой сфере. Основные продукты включают технологию десульфуризации методом влажного процесса 888, технологии высокоточной десульфуризации серии JNT, а также специальные вакуумные фильтры для обработки серных пен типа DS и элементы для передачи масс типа QYD. Среди них такие технологии, как «технология внутренних элементов для передачи масс типа QYD», «технология десульфуризации методом влажного процесса 888», «технология восстановления серы», «технология извлечения побочных солей» и «технология точной десульфуризации методом сухого процесса», уже получили **патенты**. Далее мы в основном поговорим о вакуумном фильтре специально для серной пены типа DS. Краткое описание вакуумного фильтра типа DS для обработки серной пены. Вакуумный фильтр для серной пены – это высокоэффективное устройство типа DS, разработанное компанией Changchun Dongshi Technology (Group) Co., Ltd. с учетом требований процесса десульфуризации и особенностей серной пены. Это устройство сочетает в себе функции разделения серной пены и обработки жидкости, получаемой в результате десульфуризации. В 2008 году вакуумный фильтр с сернистой пеной модели DS был признан Комитетом по энергетике и окружающей среде Китайской ассоциации охраны окружающей среды «важной новой технологией и новым продуктом для сокращения энергопотребления и выбросов в Китае». В 2009 году технология восстановления серы, разработанная компанией DS, также была признана Китайской ассоциацией промышленности азотных удобрений «технологией, способствующей развитию отрасли азотных удобрений». В настоящее время вакуумные фильтры, разработанные компанией Dongshi, широко используются в таких отраслях, как производство удобрений, коксование, фармацевтика и газовая промышленность. 2 Особенности вакуумных фильтров модели DS для процесса десульфуризации во влажном способе 2.1 Возможность снижения потребления пара Обычно содержание раствора серы в жидкости, образующейся в процессе регенерации, составляет около 90%. При непрерывном производстве серы на каждый тонну произведенной серы требуется 9 тонн раствора для десульфуризации, возвращаемого из реактора для производства серы ； После фильтрации с использованием специального фильтра типа DS для обработки серной пены содержание жидкости в осадке составляет 30%. Предполагается, что твердая часть осадка представляет собой серу в количестве 100%. Для производства 1 тонны серы требуется 1,43 тонны осадка с содержанием жидкости 30%. Следовательно, только 0,43 тонны раствора для десульфуризации попадает в котел для плавления серы вместе с осадком после фильтрации. Таким образом, при использовании специального фильтра типа DS для фильтрации перед плавлением серы количество раствора, поступающего в котел, сокращается на 8,57 тонн по сравнению с случаем прямого непрерывного плавления серы. Этот раствор обычно необходимо нагревать с температуры около 35°C до 70–90°C перед его введением в котел. Для повышения температуры этого раствора требуется 821 кг пара. Согласно полученным результатам, при использовании специального вакуумного фильтра типа DS для фильтрации серной пены удается сократить потребление пара при процессе плавления серы на 821 кг на тонну серы по сравнению с методом непрерывного плавления. Если исходить из того, что объем газа, обрабатываемого системой десульфуризации газа коксовых печей, составляет 60 000 Нм3/ч, уровень H2S на входе составляет 5000 мг/Нм3, а на выходе — не более 100 мг/Нм3, причем коэффициент восстановления серы составляет 85%, то ежедневная экономия пара будет составлять 4634 кг. 2.2 Чтобы снизить повышение температуры раствора, на производствах, где используется непрерывное восстановление серы, необходимо возвращать обратно рециркулирующую жидкость. В противном случае это приведет к значительной трате ресурсов, к тому же такой подход несовместим с требованиями охраны окружающей среды. Если сначала охладить раствор, а затем вернуть его в систему, это, конечно, хорошо, но естественное охлаждение требует много времени, оборудования и пространства; к тому же увеличивается объем раствора, что также является проблемой. Если использовать охлаждающую среду, это **повышает эксплуатационные расходы, к тому же в процессе охлаждения могут возникнуть такие проблемы, как осадок солей и засорение. Поэтому, особенно на крупных предприятиях по производству кокса, где объем газа велик и содержание H2S высоко, практически не проводится охлаждение раствора перед его возвращением в систему; большая часть раствора возвращается в систему напрямую. Это приводит к слишком высокой температуре раствора, особенно летом, что создает серьезные проблемы для работы системы. В качестве примера рассмотрим процесс десульфуризации коксового газа при объеме потока в 60 000 Нм3/ч и содержании H2S в газе 5 г/Нм3. При использовании метода непрерывной обработки сульфидов сначала газ фильтруется с помощью специального вакуумного фильтра типа DS, а затем подвергается дальнейшей обработке. В результате этого ежедневно выделяется на 48,4 тонны больше рециркулируемой жидкости. Согласно закону баланса тепла: M_тепло·C_тепло·(T2–T) = M_холодно·C_холодно·(T–T1), то:
T = (M_тепло·T2 + M_холодно·T1) / (M_тепло + M_холодно)
= (48,4×10³×353 + 1050×10³×308) / (48,4×10³ + 1050×10³)
= 310 К = 37°C
T–T1 = 37–35 = 2°C
Где: M_тепло — количество жидкости, возвращающейся в реактор ежедневно, в кг ； Mхолодный — общий объем раствора в системе: 1000 м3 × 1050 кг/м3 = 1050 × 10³ кг ； C_тепло, C_холод — это удельная теплоемкость рециркулирующей жидкости и раствора в системе соответственно; C_тепло = C_холод ； T1 — начальная температура раствора для десульфуризации: к, 308 к ； T2 — температура возвращаемой жидкости в котле для плавления серы: к, принимается 353 к ； T — температура раствора для десульфуризации после смешивания: кельвины. Из вышеизложенных расчетов следует, что по сравнению с процессом переплавки серы с использованием специального вакуумного фильтра для пены на основе серы DS, при непрерывной переплавке серы обратный поток жидкости из котла для переплавки приводит к повышению температуры раствора в системе на 2°C в течение суток. Непрерывная переработка растворенной серы, особенно летом, приводит к сильному повышению температуры в системе, что существенно влияет на её нормальную работу и может даже затруднить производство. Если использовать фильтр DS для фильтрации серной пены, а затем снова плавить серу. Проблема повышения температуры раствора исчезает. 2.3 Снижение скорости образования побочных солей. Чрезмерно высокая температура способствует образованию побочных солей; особенно при температуре выше 50°C скорость образования Na2S2O3 растет почти линейно. Температура рефлюксной жидкости в котле для плавления серы обычно находится в диапазоне 70–90°C. Хотя содержание кислорода в растворе в котле не такое высокое, как в регенерационном баке (башне), в пене серы и жидкости, выходящих из регенерационного бака, также содержится определенное количество кислорода. При высокой температуре в котле происходит очень быстрое образование Na2S2O3 в результате реакции кислорода с Na2CO3 и HS⁻ или чистой серой, находящимися в растворе. Мы неоднократно анализировали содержание Na2S2O3 на производствах с пропускной способностью 60000 Нм3/ч и содержанием H2S во входящей смеси 5000 мг/Нм3. Средний показатель содержания Na2S2O3 при анализе проб серных пен был равен 21,3 г/л, тогда как средний показатель содержания Na2S2O3 в чистой жидкости, получаемой в реакторах для плавления серы, составил 51,4 г/л. Он ежедневно восстанавливает 5,7 тонны серы; при непрерывном процессе плавления серы ежедневно выделяется не менее 51,3 тонны чистой жидкости. Если же сначала использовать фильтр типа DS для фильтрации серной пены, а затем уже плавить серу, то количество выделяемой чистой жидкости сокращается на 49 тонн. Эти 49 тонн жидкости после повторного нагревания вновь возвращаются в систему, что приводит к образованию побочной соли Na2S2O3: (51,4–21,3) × 49 т/1,05 = 1405 кг. Общий объем раствора в системе составляет 1000 м³. Следовательно, использование фильтра типа DS позволяет снизить концентрацию Na2S2O3 в всем растворе на 1405/1000 = 1,405 г/л в день. Кроме того, при возвращении большого количества рециркулирующей жидкости из котлов для плавления серы в систему происходит временное повышение местной температуры, что ускоряет побочные реакции и приводит к значительному увеличению образования побочных солей. Поэтому с использованием фильтра DS уровень образования побочных сульфидных солей при повторном плавлении снижается. 2.4 Способствование снижению потребления щелочей В последние годы как в отрасли азотных удобрений, так и в цементной промышленности при десульфуризации часто наблюдается высокий уровень потребления щелочей. Большинство руководителей производства в компаниях знают о том, что увеличение количества побочных солей приводит к повышению потребления щелочей, а также о причинах увеличения количества побочных солей, связанных с процессом плавки серы. Однако почти никто не интересуется тем, насколько велико увеличение потребления щелочи при использовании метода непрерывного восстановления серы. Когда наблюдается высокое потребление щелочи, люди пытаются найти причины в других факторах, но в итоге это приносит мало результата. В растворе системы десульфуризации, независимо от способа образования Na2S2O3, источником ионов Na+ является исключительно Na2CO3. Следовательно, на производство 1 моль Na2S2O3 тратится 1 моль Na2CO3. То есть на производство 1 кг Na2S2O3 требуется 0,67 кг Na2CO3. Например, если объем газа составляет 60 000 Нм3/ч, а концентрация H2S в входящем газе — 5000 мг/Нм3, то ежедневно можно получить 5,7 тонны серы; при этом из реактора для плавления серы выделяется не менее 51,3 тонны чистой жидкости. Концентрация Na2S2O3 в чистой жидкости выросла с 21,3 г/л до 51,4 г/л. Ежедневное увеличение потребления щелочи из-за накопления побочных солей в результате непрерывного процесса плавки серы составляет: (51,4 – 21,3) × 51,3 т/1,05 × 0,67 = 985 кг. А количество щелочи, потребляемой при фильтрации с помощью фильтра типа DS для удаления серной пены, а затем при переплавке серы в результате образования побочных солей, составляет: (51,4 – 21,3) × 2,45 т/1,05 × 0,67 = 47 кг. Это позволяет сократить потребление щелочи на 938 кг. Для предприятия с пропускной способностью 60 000 Нм3/ч и содержанием H2S в входящем газе 5000 мг/Нм3 экономия 938 кг Na2CO3 в день имеет огромное значение. 2.5 Вакуумный фильтр специально разработанный для фильтрации серной пены типа DS используется для фильтрации солей. Благодаря использованию этого фильтра удается **сократить количество побочных солей, образующихся в процессе плавления серы. Это не только снижает расходы, но и способствует охране окружающей среды. Однако в системном растворе побочные соли неизбежно присутствуют, и как бы хорошо их ни контролировать, они постепенно накапливаются. При использовании специальных фильтров для очистки серной пены типа DS уровень побочных солей значительно снижается после фильтрации по сравнению с её началом. Согласно данным нескольких пользователей, летом удается снизить уровень побочных солей на 20–30%, а зимой — на 40–50%. Ниже приведены данные одного из производителей из провинции Шаньдун: из этого следует, что часть второстепенных солей уносится в процессе фильтрации вместе с серным слоем, что способствует более эффективной фильтрации второстепенных солей в растворе. Кроме того, это подтверждается тем, что после внедрения на заводе специальных вакуумных фильтров для обработки сернистых пен DS объем отходящей жидкости сократился с 80 тонн в месяц до 60 тонн в месяц. 2.6 Расходы на эксплуатацию вакуумного фильтра специально предназначенного для обработки сернистых пен DS низкие. Потребление энергии при его работе на 90% меньше, чем у других фильтрующих устройств. В отличие от прямого непрерывного восстановления серы, энергозатраты увеличиваются лишь на незначительную сумму — расходы на электроэнергию. В обычных условиях эта фильтрация способна обрабатывать 0,6–1,2 м3/м2·ч серной пены в час. Возьмем, к примеру, упомянутое выше предприятие: объем потока газа составляет 60 000 Нм3/ч, а концентрация H2S на входе — 5000 мг/Нм3. В таком случае можно использовать фильтр модели DS-15. Его мощность составляет всего 9 кВт. Если учитывать время на очистку, то среднее время работы фильтра в день составит 16 часов. Стоимость электроэнергии за день будет равна: 9 кВт × 16 × 0,76 (местная цена на электроэнергию) = 109 юаней. Таким образом, ежедневная экономия составит примерно 2000 юаней. Сравнение характеристик специализированного вакуумного фильтра типа DS для обработки серной пены с другими фильтрующими устройствами показывает, что у фильтра типа DS имеются значительные преимущества с точки зрения степени автоматизации, энергопотребления, чистоты фильтратата, содержания влаги в фильтрате и скорости фильтрации. Сравнение характеристик вакуумных фильтров специально разработанных для обработки серной пены типа DS с другими видами фильтров приведено ниже: 3.1 По сравнению с плиточно-рамными фильтрами, хотя они и не используются широко в отрасли десульфуризации, некоторые предприятия все же применяют их. Процесс работы таких фильтров является интермитентным: загрузка, фильтрация, сброс осадка и очистка составляют один цикл работы. В настоящее время уже реализована автоматизация управления: в некоторых моделях используются системы автоматического перемещения плит, системы с помощью изогнутых рычагов для сброса осадка, системы водной промывки с использованием одного стержня, а также системы сбора жидкости с помощью переворачиваемых плит и системы PLC. Однако при использовании для фильтрации с серной пеной возникает серьезная проблема: из-за высокой вязкости серной пены материал фильтра склеивается, что требует ручного освобождения загрязнений. Кроме того, очистка фильтрующей ткани сопряжена с большими трудностями, и проблема ручной очистки так и не решается полностью. Это значительно снижает степень автоматизации и увеличивает трудоемкость работы. А вакуумный фильтр специально для серной пены типа DS под действием вакуума автоматически засасывает материал, сушит его, выгружает и осуществляет обратную промывку. После некоторого времени использования проводится очистка с помощью ультразвука в сочетании с раствором щелочи низкой концентрации. Весь процесс происходит полностью автоматически и непрерывно, без участия человека. По степени автоматизации управления, специальный вакуумный фильтр для серной пены модели DS значительно превосходит пресс-фильтры с пластинчатыми рамками. 3.2 По сравнению с центрифугами-барабанами, в промышленности десульфурации они используются реже, чем пластинчатые фильтры. Центрифуги работают за счет силы инерционной центробежности; их основным элементом является барабан, вращающийся с высокой скоростью вокруг вертикальной или горизонтальной оси. На боковых стенках барабана имеются многочисленные маленькие отверстия, а внутренняя поверхность барабана покрыта фильтрующей тканью. Вращение барабана создает центробежную силу, которая заставляет фильтрат вытекать через отверстия, в то время как серный осадок остается на фильтрующей ткани. Чем выше скорость вращения барабана, тем выше эффективность разделения. Поэтому для достижения высокой эффективности разделения необходим двигатель с большой мощностью для приведения в действие. Мощность работы центрифуги с использованием скребкового устройства модели WG---1500 составляет 25–30 киловатт. В то же время для использования вакуумной фильтрационной установки специально предназначенной для обработки серных пен модели DS достаточно площади 15 м². Для её работы требуются всего два двигателя мощностью по 2,35 киловатта; общая мощность установки не превышает 9 киловатт. Следовательно, с точки зрения энергопотребления вакуумная фильтрационная установка модели DS имеет явные преимущества. 3.3 Сравнение фильтрующих средств. В процессах прессового и центробежного фильтрации в качестве фильтрующего материала обычно используется ткань. Засорение этой ткани во время фильтрации может снизить производительность. Причинами засорения являются, с одной стороны, механическое засорение частицами серы, а с другой — накопление карбонатов и сульфатов, образующихся в результате химических реакций, на ворсинках ткани. Очистка или замена требуют значительных усилий. К тому же, поры в фильтрующей ткани легко деформируются. В вакуумных фильтрах специально предназначенных для обработки сернистых пен DS используются керамические фильтрующие пластины. Внутренняя структура имеет градиентную форму. Низкое сопротивление фильтрации, высокая прочность, отсутствие деформации; размер пор мелкий. Материал обладает гидрофильными свойствами. В процессе фильтрации между водой и гидрофильной керамикой возникает поверхностное натяжение, что создает капиллярный эффект, позволяющий жидкости постоянно заполнять поры. При создании вакуума фильтрат проходит через поры, в то время как воздух и частицы серы не могут этого сделать. Это обеспечивает отсутствие потерь под действием вакуума, значительно снижает энергозатраты и содержание влаги в материале. Кроме того, содержание твердых веществ в фильтрате также снижается. 3.4 Сравнение эффективности фильтрации. Исходя из данных многих производителей, при нормальных условиях работы содержание влаги в фильтрате, получаемом с помощью пластинчатых фильтров и центрифуг, составляет 30–40%, а содержание твердых веществ — 50 ppm ； В свою очередь, после фильтрации с помощью вакуумного фильтратора специально предназначенного для обработки серной пены типа DS, содержание воды в осадке не превышает 30%, а содержание твердых веществ в фильтрате — 30 ppm. 3.5 Сравнение производительности С точки зрения скорости фильтрации, вакуумный фильтр специально разработанный для обработки серной пены типа DS значительно превосходит плитчато-рамный фильтр и центрифугу. Производительность такого фильтра при обработке серной пены составляет 0,6–1,2 м³/м²·ч ； Производительность плиточно-рамной фильтр-пресса составляет всего 0,4–0,5 м³/м²·ч. Эффективность разделения в центрифуге определяется диаметром барабана и скоростью его вращения. Чем больше диаметр барабана, тем выше эффективность, но при этом увеличивается нагрузка, что затрудняет обеспечение прочности конструкции ； При увеличении скорости вращения эффективность разделения растет, однако это имеет свои пределы, к тому же приводит к увеличению электропотребления. Поэтому в предприятиях с крупным масштабом производства, если выбрать фильтр типа DS для обработки сернистых пен, достаточно одного устройства, тогда как для использования центрифуг потребуется две или более единиц.