Области применения кислорода в промышленности и сельском хозяйстве — Газ / IPRIM.RU

Возможность использования кислорода для интенсификации технологических процессов давно привлекала внимание исследователей. Еще в 1903 г. Д.И. Менделеев высказал мысль об использовании кислорода в промышленности «для интенсификации процессов горения и металлургических». Рассмотрим кратко области применения кислорода.

1. Химическая промышленность. На химических предприятиях потребляют большие количества кислорода, который получают из атмосферного воздуха одновременно с производством чистого азота, необходимого для производства синтетического аммиака и азотной кислоты. На некоторых заводах используют кислород, получаемый в качестве побочного продукта при производстве водорода электролизом воды.

Развитие химической промышленности базируется на широком использовании в качестве основного сырья природного газа, попутных нефтяных газов и газов нефтепереработки. Благодаря этому удалось достичь резкого увеличения выпуска азотных удобрений, химических волокон, пластмасс и других синтетических материалов. Для производства ряда важных химических продуктов требуются большие количества кислорода и азота, как это видно из следующих данных:

По масштабам применения технологического кислорода и азота химическая промышленность занимает второе место после металлургии. Потребность в технологическом кислороде комбината технологическом составляет кислороде современного крупного химического комбината составляет 60-100 тыс. /ч. Использование кислорода в химии открывает дополнительные возможности интенсификации процессов, создания более компактных, высокопроизводительных агрегатов и автоматизации производства. Ниже дается краткое описание некоторых процессов, требующих для своего осуществления значительных количеств кислорода.

Газификация твердых топлив в кипящем слое. Способ непрерывной газификации в кипящем слое пригоден для низкосортных топлив — бурых углей, лигнитов и торфа. Мелкозернистое топливо находится в шахте газогенератора в непрерывном движении и взвешенном состоянии, образуя кunящий слой. Топливо загружается сверху, а дутье подается снизу. Используя паровоздушное дутье (58% пара 19% азота и 23% кислорода), вырабатывают полуводяной газ (30-33% водорода, 33-34% % окиси углерода, остальное — азот и двуокись углерода), потребляемый как сырье для производства синтетического аммиака. При парокислородном дутье (30 — 35% кислорода, остальное — водяной пар) образуется водяной газ (40 — 41% водорода, 28 — 36% окиси углерода, остальное — азот и двуокись углерода), используемый для синтеза спиртов и производства водорода

Каталитическая конверсия природного газа (метана). Этот процесс широко применяется при получении исходной азото-водородной смеси для производства синтетического аммиака и смеси водород-окись углерода, используемой для синтеза метанола, высших спиртов и альдегидов. Конверсия метана вытеснила процессы газификации кокса на химических заводах. Выработка аммиака из природного газа экономически выгодна, так как при этом снижаются капитальные затраты и себестоимость по сравнению с таковыми при потреблении кокса.

Высокотемпературная конверсия метана. Реакция частичного окисления метана без катализатора протекает при 1400-1500°С по схеме:

Получаемый газ содержит 34,7% СО и 62,0% . Одним из преимуществ высокотемпературной конверсии является высокая скорость реакции, что уменьшает размеры аппаратуры. Однако при этом способе на единицу продукта используется на 10 — 12% больше природного газа, чем при калорической конверсии. Соответственно повышается удельный расход кислорода.

Низкотемпературное окисление углеводородов попутных нефтяных газов. Попутные нефтяные газы служат сырьем для производства спиртов и альдегидов методом низкотемпературного окисления кислородом этана и пропана, содержащихся в попутных газах. Остаточные газы процесса используются для синтеза аммиака. Попутный нефтяной газ окисляют в реакторе. Таким способом получают метанол, ацетальдегид и формальдегид, а также небольшие количества этилового спирта, ацетона и др.

Получение ацетилена из природного газа. Ацетилен используют для синтеза важнейших химических продуктов: ацетальдегида, уксусной кислоты, этилового спирта, винилацетата, трихлорорэтилена, акрилонитрила и др. Ацетилен получают не только энергоемким карбидным способом, но также окислительным пиролизом метана в смеси с кислородом при 1300-1500°С по реакции:

Ацетилен, получаемый этим способом называется пиролизным. На производство 1 т пиролизного ацетилена расходуется в среднем 3600 кислорода, 6400 природного газа и 5,7 т пара.

Производство азотной кислоты. Кислород применяют в производстве разбавленной и крепкой азотной кислоты. Кислоту получают непосредственно из окислов азота так называемым прямым синтезом. Для выработки разбавленной азотной кислоты используется кислород, являющийся побочным продуктом азотных воздухоразделительных установок. Кислород интенсифицирует процесс конверсии аммиака и переработки нитрозных газов в кислоту. Крепкую азотную кислоту получают в автоклаве под давлением 50кгс/. На 1 т крепкой азотной кислоты расходуется 150 кислорода.

2. Черная металлургия. По количеству потребляемого кислорода эта часть отрасли занимает первое место. Кислород применяют в процессах получения чугуна и стали, а также для зачистки и резки металла в прокатном производстве и резки горячих слитков в установках непрерывной разливки стали. Потребность в кислороде современного крупного металлургического комбината достигает 150 — 250 тыс. /час.

В доменных печах при выплавке чугуна кислородом обогащают воздух, вдуваемый в печь для сжигания загруженного кокса и подаваемого природного газа. При сравнительно небольшом обогащении дутья кислородом (до 25-28%) удается на 15-20% увеличить производительность доменной печи при выплавке доменных ферросплавов, применять более бедные руды и снизить расход топлива при выплавке чугуна. Для доменной печи требуются очень большие количества кислорода.

Особенно эффективно использование кислорода в сочетании с природным газом в доменном производстве. В этом случае при содержании кислорода в дутье 30-35% производительность возрастает на 30%, удельный расход кокса снижается на 25 — 40%.

В мартеновских печах кислород применяют для обогащения воздуха, подаваемого в форсунки печи при выплавке стали, а также при продувке жидкого расплавленного металла с целью удаления из него углерода и вредных примесей. Кислород резко ускоряет процесс плавки, повышает производительность сталеплавильных печей, улучшает качество и снижает себестоимость стали, дает значительную экономию топлива.

В кислородно-конвертерном производстве выплавки стали применение кислорода особенно эффективно. Этот метод заключается в том, что жидкий чугун продувается технически чистым кислородом в конверторе. Кислород периодически подается в конвертор через горловину и, воздействуя на жидкий металл, окисляет углерод и примеси в металле. По сравнению с мартеновским кислородно-конвертерный способ производства стали характеризуется более высокой производительностью, меньшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Оборудование кислородно-конверторного цеха проще, чем мартеновского, что сокращает срок строительства сталеплавильных цехов. Кислородно-конвертерным способом выплавляют широкий ассортимент марок сталей, по качеству превышающих мартеновские.

В электропечах при выплавке легированных сталей применение кислорода дает большой экономический эффект.

Металлургические заводы являются также крупными потребителями 99% и 99,8% азота, используемого соответственно для продувки межконусных пространств загрузочных устройств доменных печей и для создания защитной среды при выплавке металла.

• 3. Литейное производство. Кислород вдувается в фурмы вагранок с целью улучшения процесса горения топлива и повышения температуры чугуна. Это увеличивает производительность вагранок, способствует уменьшению брака литья и дает экономию топлива. При более высокой температуре разливаемого металла облегчается получение так называемого модифицированного чугуна, обладающего повышенными прочностью и сопротивлением изгибающим и ударным нагрузкам.
• 4. Цветная металлургия. Применение кислорода для обогащения дутья при выплавке меди, цинка, никеля, свинца и других металлов интенсифицирует эти процессы, способствует повышению производительности агрегатов, увеличению выхода цветных металлов и снижению их себестоимости; дает возможным использовать более бедные руды, переработка которых прежде считалась нерентабельной. В цветной металлургии кислород используется:
• 1, при шахтной плавке свинцово-цинкового агломерата, фьюминговании шлаков и обжиге цинковых концентратов в печах с кипящем слоем;
• 2, при шахтной плавке окисленных никелевых руд, сульфат-хлорируемом обжиге никелевого огарка и непрерывным конвертировании никелевых штейнов;
• 3, при шахтной плавке медного рудного агломерата, конвертировании медных штейнов и плавке медных концентратов во взвешенном состоянии.

Применение кислорода не только повышает технико-экономические показатели процессов выплавки цветных металлов, но и улучшает условия труда рабочих, обслуживающих плавильные агрегаты, что для цветной металлургии имеет особо важное значение, так как эти процессы связаны с выделением большого количества вредных газов и паров.

Кислород в цветной металлургии открывает возможность комплексного извлечения и использования ценных продуктов, содержащихся в отходных газах.

• 5. Сварка и резка. При сварке и резке металлов применяются 98,5
• 99,7% кислород. Для газовой сварки и других процессов газопламенной обработки кислород смешивают с горючим газом с целью интенсификации процесса горения и получения пламени с высокой температурой, требующейся для быстрого нагрева и расплавления металла.

При резке кислородом стали металл нагревается по линии реза до высокой температуры газо-кислородным пламенем, затем пускается струя чистого кислорода, которая режет металл, сжигая его по узкой полосе намеченного контура резки. С помощью кислорода можно резать стальные слитки, болванки и плиты толщиной до 1200 мм и более.

Аргон , азот, кислородно-аргонную смесь и другие газовые смеси применяют при плазменно-дуговой резке, наплавке и сварке металлов.

Рисунок: 1 — форсунка; 2 — корпус горелки; 3 — камера сгорания; 4 — головка горелки; б — переходник; 6 — кожух; 7 — башмак; 8 — сопло

Огневое бурение твердых пород. Бурение производится вращающейся со скоростью 10-20 об/мин буровой штангой с укрепленной на ее конце цилиндрической горелкой, в камере которой под избыточным давлением 5 — 6 кгс/см2 сгорает керосин в смеси с газообразным кислородом. Продукты сгорания под действием внутрикамерного давления выходят в виде раскалённой струи с температурой около 3000°С через сопла горелки со сверхзвуковой скоростью (2000м/сек) и разрушают каменную породу.

Диаметр скважины от 150 до 400 мм, давление кислорода 10 кгс/см2, керосина 5 — 6 кгс/см2. Горелка выполнена из меди и охлаждается водой. Огневое бурение применяют для ускорения проходки скважин в твердых скальных породах; скорость бурения этим способом примерно в 7 раз выше, чем при ударно-катаном бурении.

6. Прочие области применения кислорода. Кислород используется в медицине, кислородно-дыхательных аппаратах при высотных полетах, для спасательных работ под землей, в микробиологии, в целлюлозно-бумажной промышленности, в цементном производстве. Кислород играет немаловажную роль и в развитии авиации и ракетной технике, являясь одним из лучших окислителей топлива в реактивных двигателях и ускорителях. Перспективным потребителем кислорода является энергетика, где кислород может применяться для повышения температуры в камерах сгорания МГД-генераторов.