Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
Пар, вырабатываемый в котельных заводов техуглерода с применением в качестве топлива отходящих газов, используется как для внутренних потребностей заводов, так и поставляется другим предприятиям и организациям, в том числе и для обеспечения теплом и горячей водой жилых массивов. Большим и стабильным источником потребления пара стали электростанции, построенные в 2001–2002 годах на Ярославском и Омском заводах техуглерода, что позволило этим заводам обеспечить себя собственной электроэнергией. Ярославский ЗТУ в последние годы использует паровые турбины в качестве приводов для нагнетателей, подающих воздух в реакторы для производства техуглерода. Таким образом, в настоящее время имеются необходимые условия для более полного использования химического тепла отходящих газов за счёт реконструкции и строительства котлов, использующих в качестве топлива отходящие газы производства техуглерода. Следует отметить также, что отходящие газы производства техуглерода могут использоваться как топливо и в водогрейных котлах, которые эксплуатировались ранее на Ставропольском и Омском заводах.
3.2.2. Утилизация избыточных объёмов отходящих газов производства техуглерода.
Как уже отмечалось, из-за недостатка котлов, предназначенных для сжигания отходящих газов, а так же из-за проблем с реализацией пара, на большинстве заводов техуглерода имелся избыток отходящих газов, которые требовалось дожечь для обезвреживания вредных газов, входящих в состав отходящих газов. К таким газам относятся, прежде всего, окись углерода (СО), а также сероводород (H2S). При сжигании газов окись углерода окисляется до безвредного для человека углекислого газа (СО2), а сероводород, содержание которого в отходящих газах незначительно, переходит в менее опасный сернистый ангидрид (SO2). Предельно допустимая концентрация окиси углерода в воздухе на границе санитарно-защитной зоны заводов техуглерода составляет 5мг/нм³. Учитывая, что на воздух в местах отбора проб инспектирующими организациями могут оказывать влияние основные загрязнители атмосферы– автотранспорт и котельные ТЭЦ, работающие на угле и мазуте, заводам техуглерода необходимо обеспечить полное сжигание окиси углерода и сероводорода так, чтобы концентрация газов в источниках выбросов была ниже установленных норм. Поэтому в печах дожига газов необходимо обеспечить полное сжигание всех горючих газов, к которым относятся и окись углерода и сероводород. Сжигание отходящих газов в печах дожига сложнее, чем в котлах по ряду причин. В отличии от печей дожига газов в топки котлов подаётся нагретый воздух, что сокращает время на достижение температуры воспламенения газовоздушной смеси, а следовательно и ускоряет процесс сжигания газа. В печах дожига газов сжигается различное количество отходящих газов (в зависимости от количества работающих технологических потоков и котлов), что затрудняет их обслуживание. Тем не менее, за счёт хорошего смешения газа с воздухом в горелках, хорошей стабилизации пламени в огнеупорных каналах горелок, а также за счёт большого объёма топочного пространства в печах дожига газов обеспечиваются условия для полного сгорания отходящих газов производства техуглерода. Печи дожига газов имеют, как правило, большую производительность. Одна печь, оборудованная четырьмя стандартными горелками, может обеспечить полную утилизацию отходящих газов с двух технологических потоков.
Используются в промышленности техуглерода и другие способы сжигания отходящих газов. Так, длительное время отходящие газы дожигались на свечах. Свеча состоит из вертикальной трубы диаметром 1200 – 1400мм. и высотой 40—60м. В верхней части трубы установлены специальные горелки для сжигания низкокалорийных газов. На Омском заводе техуглерода подобная свеча использовалась в 60-х годах прошлого столетия для сжигания газов от производства активных марок техуглерода (первого в стране). Свеча была оборудована базальтовыми горелками с электроподжигом, доступ к горелкам осуществлялся по лестничным маршам (этажерке). Отходящие газы сразу же загорались от воздействия электрической дуги и устойчиво горели без отрыва пламени. Необходимо отметить, что отходящие газы с этого производства имели теплоту сгорания примерно на 20% выше, чем газы от производств лампового техуглерода, так как содержали меньше влаги из-за применения мокрой системы очистки газов. В дальнейшем отходящие газы от производства активных марок техуглерода использовались в качестве топлива в котлах котельной Омского шинного завода, а в свече дожигался только избыточный газ. Использовалась свеча и для дожига газов от производства каркасных марок техуглерода на Омском ЗТУ при ремонте печи дожига газов. Большое значение имела организация сжигания отходящих газов непосредственно на выхлопных трубах рукавных фильтров. В период внедрения этой разработки (начало 90-х годов) было доказано расчётами и подтверждено результатами анализов, что содержание вредных газов в факеле дожигаемых отходящих газов соответствует нормам, и что таким образом можно полностью дожечь газы, удаляемые из выхлопной трубы технологического потока без нанесения вреда окружающей среде. Однако инспектирующие организации согласовали сжигание газов на выхлопных трубах только при переходных режимах, то есть в периоды пуска и остановки потоков. Необходимо отметить, что сжигание отходящих газов при переходных режимах положительно сказалось на состоянии окружающей среды в санитарно-защитной зоне Омского завода технического углерода.
3.2.3. Условия обеспечения полного сгорания отходящих газов в котлах и печах дожига газов.
В котельных и печах дожига газов необходимо полностью сжечь отходящие газы, а для этого нужно создать условия для полного горения этих газов. Как известно, для протекания реакций горения необходимы: хорошее перемешивание горючих составляющих газа с кислородом воздуха, обеспечивающее их контакт, организация воспламенения смеси и обеспечение условий распространения пламени и устойчивости горения. ( Перед рассмотрением этого материала желательно ознакомиться с разделом 2.2. Основы теории горения газов, изложенные в источнике /3.7.2./).
Реакции горения. В отходящих газах производства техуглерода содержатся только четыре горючих газа. Приводим реакции (стехиометрические уравнения) горения этих газов:
Н2 + 0,5О2=Н2О; СО+05О2=СО2; Н2S+1,5O2=SO2; СН4+2О2=СО2+2Н2О. Так как горение происходит не в чистом кислороде, а в воздухе, то в обе части формулы добавляется азот, вносимый с воздухом, по соотношению N2= 79/21О2=3,76 О2.
Организация воспламенения смеси. Различают два вида воспламенения– самовоспламенение и вынужденное воспламенение (зажигание). При самовоспламенении весь объём горючей газовоздушной смеси постепенно доводится до температуры воспламенения, после чего смесь воспламеняется без внешнего теплового воздействия. (температура воспламенения отходящих газов производства техуглерода находится в пределах 600–750⁰С.).
Зажигание отличается от самовоспламенения тем, что смесь доводится до температуры воспламенения не во всём объёме, а только в небольшой части его каким-нибудь высокотемпературным источником (электрической искрой, запальником и. т. д.). В результате этого воспламенение передаётся на весь объём смеси путём распространения пламени, происходящего не мгновенно, а постепенно с определённой скоростью, зависящей от ряда факторов. В горелках выхлопных труб зажигание газов производится за счёт электрической искры, а в предтопках котлов и печах дожига газов применяются запальники, даже, если температура в предтопках выше температуры воспламенения отходящих газов (>750⁰С.). Это необходимо делать во избежание воспламенения газов хлопком.
Основным условием, обеспечивающим полное сжигание отходящих газов, является тщательное перемешивание газов с воздухом. Эффективность перемешивания в значительной степени зависит от конструкции горелок, применяемых для сжигания отходящих газов производства техуглерода. В конструкциях горелок для сжигания низкокалорийных отходящих газов производства техуглерода применён метод закручивания струй. Для закручивания струй в горелках используют тангенциальный подвод и применяют лопаточный закручиватель. На заводах техуглерода применяются горелки, как с тангенциальными подводами, так и с лопаточными завихрителями.
На Рис. 3.2. показан разрез горелки с тангенциальными подводами воздуха и газов.
Рис.3.2.
Подача воздуха производится по патрубку 500x950 (М), отходящие газы поступают по патрубку 450x900 (Л). В результате такого направления движения газов и воздуха происходит их интенсивное перемешивание и из горелки выходит подготовленная к сжиганию газовоздушная смесь, которая сразу же воспламеняется в туннеле горелки. Огнеупорный туннель является обязательным элементом горелки с предварительным смешением газов с воздухом. /3.7.2./стр.41.
На Рис.3.3. показан разрез предтопка котла ПКК–75. Фактически это топка котла. (1– горелка, 2– топка, 3– туннель, 4– огнеупорный столб). Для стабилизации процесса горения отходящих газов помимо горелочного туннеля в топке имеются огнеупорные столбы, раскалённая поверхность которых способствует стабилизации пламени.
Помимо того, что столбы имеют раскалённую поверхность, наличие их придаёт дополнительную турбулентность сжигаемой газовоздушной смеси, что способствует более полному сгоранию газов.
3.2.4. Сушка гранулированного техуглерода с использованием продуктов сгорания отходящих газов процесса производства техуглерода.
Сушку гранул техуглерода с использованием в качестве теплоносителя продуктов сгорания отходящих газов производства техуглерода начали проводить с конца 60-х годов прошлого столетия на Омском заводе технического углерода одновременно с внедрением процесса гранулирования техуглерода ПМ–50(П514). Сушка гранул техуглерода осуществлялась продуктами сгорания отходящих газов, образующимися при их сжигании в специальной топке. Из топки газы непосредственно подавались в сушильный барабан, расположенный соосно с топкой /3.7.2./ стр.207. Процесс сушки был стабилизирован только после усовершенствования сушильного барабана МАС–1200. /7.3.2./ Стр.203. Применение в качестве топлива отходящих газов объяснялось не только экономическими причинами – отходящие газы при такой схеме сушки были более безопасным топливом по сравнению с жидкими видами топлива, при применении которых происходило загорание техуглерода в барабане (природный газ был подведён к заводу только в 1991-м году). С этой технологией сушки потоки производства П514 проработали 15 лет без замены сушильных барабанов.
В связи со строительством на Омском заводе техуглерода новых цехов на всех технологических потоках были внедрены новые схемы сушки с использованием сушильных барабанов БСК–40 с камерами наружного обогрева. Проект отделения обработки техуглерода оказался неудачным, что потребовало внесения существенных изменений в процессы грануляции и сушки техуглерода. Эти изменения были разработаны и внедрены специалистами Омского завода технического углерода/3.7.2./ /стр.182; стр.208-209/ и затем внедрены и на других отечественных заводах техуглерода. При разработке и проектировании процесса сжигания газов и их эвакуации из камеры обогрева сушильного барабана также были допущены ошибки. Так, для удаления отработанных газов из камеры обогрева была предусмотрена выхлопная труба диаметром 720мм, что было совершенно недостаточно. В результате в камере обогрева и сушильном барабане создавался подпор, что приводило к выделению газов в зону обслуживания. Ситуацию усугубила ещё и подача воды в боров топки для снижения температуры топочных газов, хотя в этом не было никакой необходимости. Это ещё больше увеличило объём газов в камере обогрева. И хотя проблема эвакуации газов из камеры обогрева была решена за счёт замены выхлопных труб камер обогрева трубами DН=1050мм, в связи с пуском участка сжиженного газа было принято решение о переводе сушильных барабанов на сжиженный газ. Однако это не способствовало улучшению процессов сгорания газов в камерах обогрева сушильных барабанов. Для сжигания сжиженных газов (пропан-бутан) в камере обогрева были использованы только 4 горелки, тогда как при применении природного газа использовалось 13 горелок, за счёт чего обеспечивалось беспламенное горение газов. . Понятно, что при использовании 4-х горелок условия эксплуатации барабанов значительно ухудшились, так как наружные стенки барабанов омывались светящимися факелами с более высокой температурой, чем температура продуктов сгорания природного газа. Это в конечном итоге привело к сокращению сроков службы сушильных барабанов. Кроме того, имелись случаи разрушения камер обогрева при «хлопках» газовоздушных смесей в камерах обогрева при утечках сжиженного газа.
С 1991 года на Омском заводе техуглерода началась газификация завода, заключающаяся в замене всех видов топлива на природный газ, который был подведён к заводу. Эта замена коснулась, прежде всего, реакторов и камер обогрева сушильных барабанов. На всех камерах обогрева горелки для сжиженного газа были заменены горелками для сжигания природного газа, было также увеличено количество горелок на каждую сушильную камеру. Одновременно с этим проводилась реконструкция цеха сухой грануляции по переводу потоков цеха на мокрую грануляцию, что потребовало установки дополнительных сушильных барабанов. Реконструкция 1-го потока была завершена в 1992-м году, 4-го потока – в 1994, 2-го в 2003 году и 3-го только в 2012 году. Необходимо отметить, что на третьем потоке было заменено всё оборудование полностью. Проектирование нового потока осуществлялось заводскими службами. Из-за ограниченных сроков, отпущенных на реконструкцию этого потока, на нём не удалось осуществить сушку техуглерода с использованием отходящих газов. Сушку техуглерода отходящими газами удалось восстановить в том же году на потоке №4 Цеха № 1. По сравнению с первоначальным проектом был увеличен диаметр выхлопной трубы камеры обогрева сушильного барабана, ликвидирован подвод воды в боров топки, заменена шамотная футеровка топки, борова, распределительного коллектора и окон в камере обогрева на корундовую для обеспечения возможности сушки техуглерода природным газом при временном отсутствии отходящих газов. Были исключены из схемы и горелки, установленные в камере обогрева сушильного барабана. Объёмы топки и борова были оставлены без изменения для обеспечения полного сгорания отходящих газов.
Рис 3.4. Сушка техуглерода с применением отходящих газов производства техуглерода.
1—сушильный барабан БСК–40; 2—камера обогрева барабана; 3—заборный патрубок; 4—топка сушильного барабана; 5—боров топки; 6—Циклон-уплотнитель; 7—циклон доулавливания; 8—фильтр доулавливания; 9—элеватор; 10—турбовоздуходувка отсоса газов из сушильного барабана; 11—выхлопная труба камеры обогрева; 12—дроссель; 13—турбовоздуходувка эвакуации газов из дымовой трубы; 14—воздухоподогреватель; 15—гранулятор; 16—патрубок отсоса газов из сушильного барабана; I—трубопровод подачи воздуха в горелку топки; II—трубопровод подвода отходящих газов; III—подвод природного газа; IV—продукты сгорания отходящих газов.
На Рис.3.4. показана схема сушки техуглерода продуктами сгорания отходящих газов, образующихся при производстве техуглерода. Отходящие газы с температурой 190–220⁰С. по трубопроводу II подаются в горелку топки сушильного барабана 4, туда же по трубопроводу I подаётся воздух, нагретый в воздухоподогревателе 14 до 350–400⁰С. По трубопроводу III к горелке подводится природный газ. При обычном режиме сжигания отходящих газов природный газ может подаваться в небольших количествах для стабилизации процесса их горения, а также для повышения температуры газов, поступающих в камеру обогрева сушильного барабана. Используется природный газ также при розжиге горелки и при разогреве топки. В топке происходит полное сгорание отходящих газов, и продукты их сгорания с температурой 1100–1300⁰С. по борову 5 поступают в камеру обогрева сушильного барабана. Газы в сушильной камере равномерно распределяются по длине сушильного барабана как это показано на Рис.3.5