Основные положения выбора гранулированного

Техническая статья
Вода
Основные положения выбора гранулированного
активированного угля для очистки конденсата
Документ №
ТP 1009
Продукт/Применение
Содержание:
1.
Введение
2.
Подготовка воды в бойлерных системах
3.
Что такое активированный уголь
4.
Эффективность работы активированных углей
5.
Эксплуатация фильтров с активированным углем
6.
Критерии для выбора марки гранулированного активированного угля
7.
Практический пример: Очистка конденсата на одном из крупнейших НПЗ.
Версия
01-10
Norit Nederland BV
8. Основные марки ГАУ Норит для очистки конденсата
9. Заключительные комментарии.
Nijverheidsweg-Noord 72
3812 PM Amersfoort
P.O. Box 105
3800 AC Amersfoort
The Netherlands
T: +31 33 46 48 911
F: +31 33 46 17 429
E: sales@norit.com
I: www.norit-ac.com
Представительство в
России:
Александр Зайцев
a.zaytsev@norit .ru
Тел. +7-495-380-08-24
Факс. +7-495-380-08-25
+7-903-615-54-36
1
Основные положения выбора гранулированного активированного угля для очистки конденсата
Преамбула.
Гранулированный активированный уголь (ГАК) часто используется для удаления из конденсатной воды
растворенных органических загрязнений. Данная статья сфокусирована на практических параметрах и
критериях выбора типа и марки активированного угля для очистки конденсата. Основными
техническими критериями являются:
• Адсорбционные свойства угля
• Гидродинамика процесса
• Механическая прочность угля
• Уровень чистоты угля (содержание в угле различных веществ)
1. Введение
Паровые бойлерные находят широкое применение в промышленности включая энергетику, пищевую
промышленность , нефтепереработку и др. Условно можно классифицировать бойлерные на системы ,
работающие при низком (до 20 бар), среднем (20 – 75 бар) и высоком (более 75 бар) давлениях. В целях
экономии расходов на производство энергии, требуется максимизировать возврат конденсата в
бойлерные. Однако, тогда, возникают задачи по удалению содержащихся в возвратном конденсатном
потоке органических загрязнений таких минеральные масла и взвешенных частиц железа.
Во многих системах очистки конденсата гранулированный активированный уголь играет определяющую
роль для удаления органических загрязнений. Далее будут рассмотрены основы процесса очистки
конденсата и подбора гранулированного активированного угля.
2. Подготовка воды в бойлерных системах
На рис. 1 показана принципиальная схема потоков в замкнутой конденсатной системе . Участки
водоподготовки предусматриваются как для очистки непосредственно конденсатного потока, так и для
очистки потока пополняющее воды. В практике существуют различные системы водоподготовки.
технологический
процесс
бойлерная
конденсатор
Сброс воды
Подготовленная
подпиточная вода
Участок подготовки
конденсата
Промежуточная
емкость
Рис. 1: Упрощенная схема замкнутой системы оборота конденсата
2
Обычно из возвратного потока конденсата (температурой 30 – 90 °С) требуется удалить растворенные
органические загрязнения и взвешенные частицы. Рисунки 2 и 3 иллюстрируют примеры участков по
очистке конденсата. Фильтр с активированным углем используется для удаления растворенных
органических загрязнений, в особенности минеральных масел. Этот фильтр защищает
непосредственно бойлерные системы или, расположенный далее, участок по очистке конденсата
ионообменными смолами от негативного влияния органических веществ (Кроме прочего,
органические вещества значительно снижают эффективность работы ионообменных смол.)
Механический
фильтр
Угольный
фильтр
Ионообменная
смола
Рис. 2: Пример схемы участка по очистке конденсата
Рис. 3: Промышленный угольный фильтр для очистки конденсата.
3
3. Что такое активированный уголь
Активированный уголь является гетеропористым углеродным адсорбентом с высокой внутренней
поверхностью, которая, как правило, варьируется от 500 м2/г до 1500 м2/г . По определению
Международного союза теоретической и прикладной химии – IUPAC поры подразделяются на:
•микропоры (диаметр <2 нм)
•мезопоры (диаметр 2- 50 нм)
•макропоры (диаметр > 50)
В коммерческих объемах активированные угли производятся из каменного угля, древесины,
кокосовой скорлупы, торфа и оливковых косточек с различными технологиями активации. Выбор
определенного вида сырья и технологии активации определяет уникальные свойства той или иной
марки активированного угля. В настоящее время на рынке существует большое количество
активированных углей с совершенно разными свойствами.
объем пор мл/мл
В практике, для определения адсорбционных свойств, используются в основном методы
основанные на поглощении жидких сред. (Например, молассовых красителей, caramel,
метиленового голубого, йода, фенола.) и газообразных сред (например, бутана, азота, паров
бензола и тетрахлорида углерода. Рис. 4 и 5 иллюстрируют различные поровые структуры
активированных углей, используемых для очистки питьевой воды, в зависимости от исходного
сырья . Рис. 4 показывает кумулятивный объем пор в зависимости от величины диаметра. Объем
пор измерялся адсорбцией бутана (микропоры и малые мезопоры) и ртутной порометрией (для
определения объема мезопор и макропор). Рис. 5 Показывает распределение мезопор , как первую
производную от данных на рис. 4.
Гранулированный каменноугольный
Гранулированный торфяной
Экструдированный кокосовый
Гранулированный древесный
Радиус пор, нм
Рис. 4: кумулятивный объем пор в зависимости от величины диаметра
(по оси ординат - суммарный объем всех пор меньше определенного диаметра по оси абсцисс).
4
dV/dLog R
Гранулированный каменноугольный
Гранулированный торфяной
Экструдированный кокосовый
Гранулированный древесный
Радиус пор, нм
Рис. 5: Распределение мезопор в гранулированных углях в единице объема слоя угля.
(Распределение мезопор , как первая производная от данных на рис. 4. )
Существуют порошковые активированные угли (ПАУ) и гранулированные активированные угли ГАУ.
ГАУ, в свою очередь подразделяются на экструдированные и молотые типы гранулированных углей
Рис. 6: Типы гранулированных углей. Экструдированный ( слева) и молотый (справа)
5
4. Эффективность работы активированных углей
Концентрация органических
веществ (минир. масел) , мг/литр
Обычно, содержание минеральных масел в конденсате должно быть уменьшено с 1 – 10 мг/л до
< 0,5 мг/л. Ключевым параметром угольного фильтра является контактное время конденсата с
активированным углем, приведенное к пустому объему слоя реактора (контактное время
рассчитывается как время необходимое для заполнения
объема эквивалентного объему
заполненного слоем активированного угля при известной величине потока конденсата). При
контактном времени 10 – 20 минут, 3 – 6 м3/час конденсата будет фильтроваться через 1 м3 слоя
активированного угля.
Период замены загрузки угля для очистки от растворенных органических загрязнений во многом
зависит от качества очищаемого конденсата (типа и концентрации удаляемых веществ), требований к
глубине очистки, и конструкции фильтра (особенно контактного времени). В практике период работы
загрузки , при условии правильной эксплуатации, составляет от 1 года до нескольких лет. Рис.: 6
показывает практический пример с данными по удалению минеральных масел с использованием
гранулированного угля Norit.
- - - - - - Конденсат до фильтра
Конденсат после фильтра
Количество отфильтрованного конденсата. (кубических метров конденсата на 1 м3 угля)
Рис. 7: Данные к практическому примеру удаления минеральных масел из конденсата
Контактное время 14 минут, Т 85 °С.
5. Эксплуатация фильтров с активированным углем
Инспекция и заполнение угольного фильтра
ГАУ поставляется в мешках, биг бегах или, в некоторых случаях, насыпом. Перед заполнением,
фильтр должен быть тщательно зачищен и проинспектирован на предмет герметичности. Как
правило, ГАУ загружается непосредственно на дренажно-распредилительное устройство при
условии, что отверстия и щели имеют правильные размеры.
Фильтр заполняется требуемым объемом ГАУ. Над слоем угля должно быть оставлено достаточное
резервное пространство для обеспечения эффективной обратной промывки, в процессе которой
объем загрузки угля увеличивается на 20 – 30%.
Более подробная информация по пуску и эксплуатации фильтров имеется в техническом
бюллетене Norit TB0041.
6
Обратная промывка фильтра.
Обратная промывка фильтров должна выполняться на регулярной основе, особенно если существенно
возрастает падение давления на фильтре. Гранулированные угли Norit промываются с 20 – 25%-ым
ростом объема загрузки в течение 10 – 15 минут. Кривая обратной промывки, пример которой
изображен на рис. 8, описывается уравнением Ричардсона и Заки.
log(v) = nelog(ϵ) + log(v*)
Рост объема загрузки, %
Рост объема загрузки угля при обратной промывке при 30°С.
Линейная скорость конденсата, м/час
Рис. 8: Кривые обратной промывки для углей Norit ROW 0,8 Supra и Norit GAC 1240 при 30°С
Падение давления на фильтре (практический пример на рис. 9) с идеально чистой загрузкой
может быть описано уравнением Ергуна
(ΔP/pv2)(D/L)(ϵ3/(1-ϵ))=36kƞ (1-ϵ)/pvD + 6fo/2
Падение давления кПа/м
Падение давления при 30°С
Линейная скорость конденсата, м/час
Рис. 9: Кривые падения давления для углей Norit ROW 0,8 Supra и Norit GAC 1240 при 30°С
7
ƞ
ΔP
p
D
L
v
k
6fo/2
ϵ
ne
v*
= вязкость фильтруемой среды (воды)
= падение давления
= плотность воды
= диаметр гидродинамических частиц
= высота загрузки угля
= линейная скорость
= константа Кармана
= коэффициент трения
= пористость слоя угля
= коэффициент расширения слоя (при обратной промывке)
= коррелированная линейная скорость
6. Критерии для выбора марки гранулированного активированного угля
•
Адсорбционные свойства
Основная задача активированного угля – удаление растворенных органических веществ (в
основном минеральных масел ). Для достижения продолжительного срока службы загрузки
требуется активированный уголь с оптимальными размером частиц и распределением пор по
размеру.
• Гидродинамические свойства
Должны учитываться линейная скорость воды при обратной промывке , а также падение давления
при заданной линейной скорости конденсата. Эти параметры определяются размером и формой
частиц активированного угля.
• Механическая прочность
Активированный уголь должен иметь достаточную механическую прочность. Механическая
прочность определяется , как прочностью непосредственно гранул, так и текстурой их поверхности
• Уровень чистоты угля
В следствие содержания в исходном сырье различных минеральных загрязнений таких как Сa и Mg, эти
загрязнения содержатся в активированных углях и вымываются из активированных углей в
процессе фильтрации. Поэтому, для более ответственных применений конденсата требуются
активированные угли промытые кислотами. Если требуется полностью исключить следы Si
(например в бойлерных среднего и высокого давления), то должен быть использован ультрачистый
уголь со специальной технологией очистки в процессе его производства. ( Norit ROY 0.8)
Вымывание Si мг/л
Вымывание Si из экструдированных углей Norit
Количество отфильтрованного конденсата. Число объемов загрузки угля.
Рис. 10: Вымывание Si из различных экструдированных углей Norit
8
7. Практический пример: Очистка конденсата на одном из крупнейших НПЗ.
(схема очистки на стр. 10)
На одном из крупнейших в Европе НПЗ производится 1000 тонн/час деминерализованной воды,
состоящей из:
• 700 тонн/час подпиточная вода (вода из общего магистрального трубопровода, удовлетворяющая
требованиям к воде для общезаводского пользования.)
•
70 тонн/час – чистый возвратный конденсат.
• 230 тонн/час –загрязненный возвратный конденсат
На возвратном потоке загрязненного конденсата используются угольные фильтры.
Очистка загрязненного конденсата
Загрязненный конденсат собирается с различных процессов и установок, использующихся на НПЗ. С
1995 года эти различные конденсатные потоки собираются, проходят очистку и возвращаются в
бойлерные. Очистка включает:
• Намывные фильтры для очистки конденсата от взвешенных частиц и нерастворенных минеральных
масел. Однако, после нескольких лет эксплуатации, поток конденсата перенаправили в обход
намывных фильтров.
• Угольные фильтры для удаления взвешенных частиц и растворенных органических веществ.
Угольные фильтры (адсорберы)
• 2 линии с 2-мя последовательными угольными фильтрами на каждой.
• Каждый фильтр содержит 35 м3 активированного угля Norit ROW 0.8 Supra
• Максимальный проектный поток конденсата: 9600 тонн/сутки.
• Средний поток конденсата: 5500 тонн/сутки
• Контактное время: 30 – 40 минут.
Мониторинг качества воды.
Загрязненный конденсат содержит 1 – 5 мг/литр органических загрязнений; Целевая очистка - до
концентрации менее 1,2 мг/литр после угольного фильтра, включая 0,6 – 0,7 мг/литр аминов,
источником которых являются пары аминов с установки аминовой очистки. Производится он-лайн
мониторинг концентрации органических загрязнений в потоке загрязненного конденсата и между
двумя угольными фильтрами.
Операционные параметры процесса.
• При повышении падения давления на угольных фильтрах, автоматически включается обратная
промывка сначала воздухом, а затем водой.
• На начальном этапе работы загрузки свежего угля, pH временно падает. Это обусловлено
преимущественной адсорбцией непротонированных аминов.
• Были замечены случаи значительного роста содержания нерастворимых органических масел. После
их адсорбции на активированном угле, масла удаляются обратной промывкой фильтров.
• Конденсат с высоким содержанием загрязнения перенаправляется на утилизацию. Это необходимо
для защиты угольных фильтров.
• Загрузка фильтра в потоке № 1 была заменена в 2000 году (после 5 лет эксплуатации). Загрузка
фильтра в потоке № 2, по ситуации на дату написания статьи не менялась (после 15 лет эксплуатации).
• Контроль уровня использования угля (загрязнений адсорбированных на угле) проводится 1 раз в 2
года.
9
Минирал.
масла
Евкости-хра
нилища
Он-лайн анализатор
Содержания органических
веществ
1 – 5 мг/л
Загрязненный
конденсат
5500 тонн/день
Подпиточная вода
700 тонн/час
CO2
Башня
2 х 2 угольных фильта
Загрузкой 35 м3
Norit Row 0,8 Supra
Катионный
иононобмен
Чистый
конденсат
70 тонн/час
анионный
иононобмен
7500
тонн/день
Катионный
иононобмен
анионный
иононобмен
0,09 микроСм/м
SiO2 =3 ppb
pH = 7,4
Электропровод. 0,4 микроСм/м
Соделжание SiO2 =3 ppb
pH = 7,3
Емкости для
Деминнирализ
. воды
фильтр смешанного
действия 3
Деминнирализ. вода
0,07 микроСм/м
SiO2 =2 ppb
pH = 6,8
10
8. Основные марки ГАУ Норит для очистки конденсата
Требования к вымыванию неорганических
соединений из активированного угля
Марка угля Норит
Стандартные требования
Norit ROW 0.8 SUPRA
Norit GAC 1240
Norit PK 1-3
Низкий уровень выделения неорганических
соединений
Norit ROX 0.8
Norit GAC 1240 PLUS
Низкий уровень выделения неорганических
соединений, включая низкое выделение соединений
кремния
Norit ROY 0.8
9. Заключительные комментарии.
Угольный фильтр является важным элементом в составе многих схем очистки конденсата.
Решения о применении активированного угля и общей схемы очистки конденсата
принимаются к каждому конкретному случаю отдельно. Выбор правильной марки угля имеет
ключевое значение.
Примечания:
Все данные и рекомендации об использовании наших продуктов даются из добрых намерений и
считаются нами верными. Тем не менее, все рекомендации даются без гарантии, т.к. использование
наших продуктов находится вне нашего контроля и, кроме того не могут считаться рекомендациями
или инициативой к нарушению каких-либо авторских прав. Предоставленная информация о качестве
продуктов актуальна на момент публикации данного материала. Тем не менее, мы стремимся к
постоянному улучшению качества и эффективности наших продуктов и оставляем за собой право
изменять показатели качества продуктов без уведомления.
Предупреждение: По вопросам безопасности и охраны здоровья просим обращаться к листам
безопасности (MSDS), которые доступны по требованию.
11