Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
Н2О– 0,375/1,375= 0,2727%об. СО2– 3,0/1,375= 2,182%об.
Исходя из полученного состава влажных отходящих газов, для проверки можно рассчитать, например, теоретический расход воздуха, необходимого для обеспечения полного сгорания отходящих газов: V0в= [ 0,5(10,182+8,727)+2СН4+1,5Н2S-O2]·1/21= 9,4545 + 0,1454 + 0,2175 – 0,727 = 0,433м³/м³., что соответствует первоначально рассчитанному значению (0,595/1,375= 0,433м³/м³.). Определим также теплоту сгорания влажных (рабочих) газов: Qн= 0,126·10,282 + 0,108·8,727 + 0,238·0,145 + 0,385·0,073= 2.285,8кДж/м³. Это полностью подтверждает полученный выше результат.
Таким образом, при пересчёте показателей отходящего газа с сухой части газов на рабочий объём, уменьшается содержание газов, входящих в состав отходящих газов, плотность газов, теплота сгорания, теоретический объём воздуха, необходимый для обеспечения полного сгорания газов, уменьшаются объёмы продуктов сгорания. Это уменьшение относительное и происходит потому, что объём влажных (рабочих) газов больше, чем сухих. Не изменяются только значения температурных параметров, так как в формуле определения температуры пропорционально уменьшаются как числитель, так и знаменатель.
Расчёт процесса горения отходящих газов производства техуглерода можно производить и сразу на рабочий объём, для этого достаточно знать только состав сухой части газов и влагосодержание отходящих газов. Далее определяют состав влажных газов, их плотность, теплоту сгорания, теоретический объём воздуха для сжигания 1м³влажного отходящего газа, объёмы продуктов сгорания, жаропроизводительность, а за тем калориметрическую температуру и действительную температуру горения.
В практической работе расчётные данные являются только ориентиром для определения технологических параметров при эксплуатации теплоиспользующего оборудования. Основным параметром является расход отходящих газов. Он определяется для топки камеры обогрева сушильного барабана из теплового баланса процесса сушки техуглерода. Сложность заключается в том, что имеются погрешности в измерении расходов отходящих газов. Это связано как с переменным составом отходящих газов, так и с большими объёмами отходящих газов, что отражается на точности измерения приборов. Первоначально количество отходящих газов, подаваемых для сжигания в топку камеры обогрева сушильного барабана, определяется на основе расчёта процесса сушки техуглерода. Затем производится корректировка расходов отходящих газов, воздуха, природного газа (при его добавлении) для достижения необходимой температуры продуктов сгорания газов и обеспечения требуемого качества высушиваемого техуглерода.
В связи с тем, что в литературе по призводству техуглерода отсутствуют расчёты сушки влажного гранулированного техуглерода с использованием в качестве топлива отходящих газов производства техуглерода, рассмотрим его отдельно.
3.5. Расчёт процесса сушки техуглерода в сушильном барабане БСК– 40.
3.5.1. Исходные данные.
Количество высушиваемого техуглерода с учётом возврата G2– 3500кг/час.
Начальная влажность техуглерода U1– 50%вес.
Конечная влажность техуглерода U2 – 0,3%вес.
Температура техуглерода на входе в барабан q1– 90⁰C.
Температура техуглерода на выходе из барабана q2– 160⁰C.
Начальная температура продуктов сгорания отходящих газов, поступающих в камеру обогрева сушильного барабана Т– 1100⁰С.
Температура газов на выходе из камеры обогрева– 600⁰С.
Температура газов, поступающих в полость сушильного барабана t1– 600⁰С.
Температура газов на выходе из сушильного барабана t2 – 250⁰C.
Теплоёмкости продуктов сгорания отходящих газов в зависимости от температуры:
при 250⁰С.—С1= 1,405 кДж/( м³·град);
при 600⁰С.—С2= 1,47 кДж/( м³·град);
при 1100⁰С.—С3 1,57 кДж/ (м³·град).
Теплоёмкость водяных паров при 250⁰С. составит 1,532 кДж/( м³·град) или 1,903 кДж/(кг·град).
Теплоёмкость техуглерода Cм– 1,256 кДж/( кг/град).
Тепловые потери через стены камеры обогрева, смотровые глазки, корпус барабана, а также затраты тепла на нагрев воздуха, подсасываемого в камеру обогрева, примем в количестве 15% от расхода тепла на испарение влаги и нагрев материала.
3.5 2.Расчёт.
Количество влаги, испарённой в сушильном барабане:
W= G2·(U1-U2)/(100-U1)=3500· (50-0,3)/(100-50)= 3500·( 49,7/50)= 3479кг/час.
Количество тепла, расходуемого на испарение влаги и нагрев материала:
(Qи +Qм)= W·( 2501+1,903·t2-q1)+G2·Cм·(t2-t1) = 3479·(2501+1,903·250-90)+ +3500·1,256·(160-90) =10348114кДж/час. С учётом тепловых потерь затраты тепла составят:
10348114·1,15= 11900331кДж/час.
Определим количество тепла, передаваемого высушиваемому материалу конвекцией, то есть за счёт непосредственного контакта влажного материала и сушильных газов. Примем количество газов, необходимых для удаления паров воды из сушильного барабана, в объёме 5000нм³/час. Такой объём газов, с учётом паров воды, определён исходя из производительности турбовоздуходувки, удаляющей парогазовою смесь из сушильного барабана:
Q1= 5000·(600⁰С.·1,47-250⁰С.·1,405)= 2653750кДж/час., где 1,47 и 1,405– теплоёмкости продуктов сгорания отходящих газов при этих температурах.
Количество тепла, передаваемого влажному техуглероду контактным методом, то есть через стенки барабана составит:
Q2= 11900331– 2653750= 9246581кДж/час.
Количество газов, омывающих сушильный барабан, составит:
Vг= 9246581/(1100·1,57-600·1,47)=9246581 /845= 10943м³/час.
Количество тепла, уносимое из сушильного барабана с газами и парами воды:
Q3= 5000·1,405·250 + (3479/0,805)·1,536·250= 1756250 + 1659548= 3415798кДж/час.
Потери тепла с газами, удаляемыми из камеры обогрева через дымовую трубу:
Q4= (10943-5000)·1,47·600= 5241461кДж/час.
Общее количество тепла, затраченного в процессе сушки техуглерода:
Qобщ.= (Qи +Qм) + Q3 + Q4= 11900331 + 3415800 +5241461= 205575592 кДж/час.
Объём отходящих газов, использованных в топке камеры обогрева сушильного барабана, составит:
Qобщ./2666= 20557592/2666= 7711м³/час, где 2666 – теплосодержание влажных отходящих газов в топке камеры обогрева сушильного барабана в кДж/м³.
Количество влажных отходящих газов, сжигаемых в топке камеры обогрева, можно определить также из соотношения объёмов сжигаемых газов и образующихся продуктов сгорания этих газов: 10943/1,38= 7930м³/час отходящих газов. Разница между этими результатами составляет 2,8%, что допустимо. Примем расход отходящих газов в топку сушильного барабана 8000м³/час.
3.5.3. Пояснение к расчёту процесса сушки техуглерода.
– В качестве сушильного агента используются продукты сгорания отходящих газов следующего состава: СО– 10,182%, H2– 8,727%, N2– 50,691%, CO2– 2,18%, CH4– 0,0727%, H2S– 0,145%, O2– 0,7272%, H2O– 27,27%. Итого 100%.
Здесь указан состав влажных (рабочих) газов из приведённого выше примера.
Объём продуктов сгорания отходящих газов при сжигании их в топке с коэффициентом избытка воздуха α= 1,1 составляет в м³/м³: VCO2= 0,12435, VSO2= 0,00145, VN2= 0,8832, VO2= 0,0091, VH2O= 0,363. Итого общий объём продуктов сгорания составит 1,38м³ на 1м³ сожжённых отходящих газов.
– Количество материала, поступающего в сушильный барабан, G1 в расчёте не указано, так как это не влияет на результаты расчёта. Для справки: G1= G2 + W= =3500+3479=6479кг/час.
– Теплота испарения складывается из теплоты парообразования, равной 2501кДж/кг и теплосодержания перегретого пара при температуре его на выходе из сушилки (в этом расчёте 250⁰С.).
– Количество тепла на испарение и нагрев материала расчитаны в одном уравнении.
– Нужно учитывать, что в расчёте применяются значения как объёмной, так и массовой теплоёмкостей.
– При анализе расчёта данного процесса сушки техуглерода создаётся впечатление, что этот процесс сушки имеет низкую эффективность. Это не совсем верно, так как тепло газов, удаляемых из дымовой трубы камеры обогрева сушильного барабана, используется для нагрева воздуха, подаваемого в топку, и обогрева корпусов грануляторов, бункеров, течек и других поверхностей технологического оборудования во избежание налипания на них техуглерода /7.3.2./стр.212.
3.6. Условия безопасности при работе с отходящими газами.
Рассматривая условия безопасной эксплуатации оборудования при использовании отходящих газов производства техуглерода, необходимо учитывать, что эти газы нельзя разделять по месту нахождения их на том или ином переделе производства. Эти газы имеют определённый состав горючих компонентов и являются взрывопожароопасными с момента их выхода из реактора, то есть, после окончания процесса образования техуглерода. Рабочий состав газов (влажных газов) определяется окончательно после холодильника-испарителя, где газы охлаждаются до температуры, допустимой для аппаратов отделения улавливания, за счёт впрыска воды.
Все горючие газы в смеси с определённым количеством воздуха могут воспламеняться и взрываться. Минимальные и максимальные количества газа в газовоздушных смесях, при которых может произойти их воспламенение, называются нижним и верхним пределами взрываемости. В табл.3.2. указаны пределы взрываемости отходящих газов производства техуглерода в смеси с воздухом, а так же горючих газов, входящих в состав отходящих газов, и природного газа, применяемого в производстве техуглерода.
Необходимо отметить, что пределы взрываемости (воспламенения) отходящих газов определены расчётным путём, исходя из пределов допустимого содержания кислорода в газах, образующихся при получении техуглерода.
Таким образом, отходящие газы могут воспламеняться и взрываться, если содержание их в газовоздушной смеси превысит 47%. Если же содержание отходящих газов в газовоздушной смеси достигнет 81%, то такая смесь не горит и не взрывается из-за низкого содержания кислорода воздуха (4%). Однако данные об опасном содержании кислорода в отходящих газах производства в пределах 4–11% определялись давно. Документальных подтверждений таких испытаний нет, неизвестно, с какими отходящими газами проводились испытания, так как при получении различных марок техуглерода состав газов отличается. Поэтому в промышленности техуглерода уже длительное время максимальное содержание кислорода в отходящих газах допускается не более 2%. Тем не менее, аварии, связанные с загораниями и взрывами газов, образующихся при производстве техуглерода, происходили и вероятность их остаётся. Всё это происходило по одним и тем же причинам, связанным с повышением содержания кислорода в аппаратах и наличии в них источников огня. В данном разделе мы этого не касаемся, рассматриваться будут только требования безопасности при подаче газов в дожигательные установки и их использовании.
А требования эти просты и общеизвестны, их нужно только выполнять. Это, прежде всего, продувка трубопроводов отходящих газов и использование отходящих газов только при содержании в них кислорода менее 2,0%. Большое значение имеет и предварительный нагрев футеровки предтопков котлов и топок камер обогрева до температуры более 750⁰С. Считается, что при температурах, превышающих температуру воспламенения, смеси газов и воздуха горят при их любом объёмном соотношении/3.7.4./стр.22.
Что касается аварий и аварийных ситуаций, то они были как с камерами обогрева, так и с котлами. В источнике /3.7.5./стр.235. указывается, что при содержании в отходящих газах кислорода более 4,5% в горелках котла происходят взрывы. Наверное, раньше они и были. Однако, обычно при содержании в отходящих газах даже немного более 2,0% кислорода в горелках котлов начинается характерный шум, который объясняется проскоком пламени внутрь горелки. В этом случае необходимо принимать срочные меры для уменьшения содержания кислорода в отходящих газах.
Заключение.
Рассмотрев наиболее распространённые способы полезного использования химического тепла отходящих газов производства техуглерода можно сделать вывод, что наиболее эффективный способ использования химического тепла отходящих газов в настоящее время является обеспечение сушки техуглерода продуктами сгорания отходящих газов производства по следующим причинам:
– Усовершенствованная установка эксплуатируется более пяти лет и показала свою надёжность и эффективность, обеспечивая существенную экономию природного газа.
– Капитальные вложения не велики и быстро окупаются.
– Мероприятие не связано со сторонними потребителями пара.
3.7. Перечень использованной литературы.
3.7.1. О.Н. Брюханов, В.А. Жила
Природные и искусственные газы Москва ACADEMA 2004.
3.7.2. В.И. Ивановский Технический Углерод. Процессы и Аппараты Омск, 2004.
3.7.3. Б.С. Белосельский
Технология топлива и энергетических масел Москва Издательство МЭИ 2003
3.7.4. Использование газов в промышленных печах. Справочное руководство Л, Недра, 1967.
3.7.5. В.П. Зуев В.В. Михайлов Производство сажи. Издательство «Химия» Москва 1970
8.Приложенние.
8.1. Зависимость средней объёмной теплоёмкости продуктов сгорания от температуры.
8.2. Основные характеристики газов, применяемых в производстве техуглерода.
Наименование
Теплота
сгорания
QН,кДж/м³
Плотность
кг/м³
Пределы взрываемости в смеси с воздухом, % об.
Темпертура
воспламене-
ния, ⁰С.
Жаропроизво-
дительность,
⁰С.
Теорети-
ческий объём воздуха для полного
сгорания
газа,м³/м³
Метан СН4
35715
0,717
4,9–15,4
654–690
2040
9,52
Природный газ
35380–35800
0,72–0.75
4,9—15,4
560–800
2000–2050
9,45–9,55
Отходящие газы производства техуглерода
1900–2700
1,02–1,08
47–81 (содержание кислорода в смеси от 4 до 11%)
600–750
950–1100
0,45–0,55
Окись углерода CO
12640
1,25
12,5–74,2
610–658
2370
2,381
Водород H2
10790
0,089
4,0–74,2
530–590
2230
2,381
Сероводород H2S
23844
1,536
4,3—45,5
290—487
2530
7,14
·