Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
Применение циркониевых огнеупоров только в зоне горения и смесительном сопле обусловлено двумя факторами. Во-первых, температура в зоне реакции не превышает 1870–1880⁰С. даже в аварийных ситуациях и применение дорогостоящих циркониевых огнеупоров не вызвано необходимостью. Во-вторых, и это главное, циркониевые огнеупоры разрушаются в восстановительной газовой среде, что и имеет место в зонах реакции реакторов в связи с наличием в газах зоны реакции окиси углерода, водорода, сероводорода. Особенно быстро разрушаются циркониевые блоки при попадании на них капель или паров сырья.
Как уже указывалось, температура в камерах горения реакторов, футерованных циркониевыми огнеупорами, достигает фактически 1990⁰С., поэтому при прекращении подачи сырья в зоне реакции реактора может превысить допустимую температуру для корундовых огнеупоров (1880⁰С.), что приведёт к их оплавлению. С учётом этого фактора, при переводе реактора на режим полного горения необходимо предварительно понизить температуру в камере горения реактора до 1600⁰с., уменьшив не только расход газа, но и расход воздуха. Следует отметить, что такую же операцию нужно проводить и при переводе на режим полного горения реакторов с камерами горения из корундовых огнеупоров. Если этого не делать, то при температуре в зоне горения реактора 1840-1870⁰С. во время перекрывания сырья температура в зоне реакции неизбежно повысится в течении какого–то времени выше 1900⁰С., так как сырьё не перекрывается мгновенно, более того это может быть значительный период времени (до полного перекрытия запорной арматуры на сырьевые форсунки). Поэтому перед остановкой реактора необходимо понизить температуру не только в камере горения, но и в зоне реакции реактора уменьшением расхода воздуха. Понижать температуру в камере горения и в зоне реакции реактора необходимо и перед заменой сырьевой форсунки. Если же температуру в зоне реакции перед заменой сырьевой форсунки оставить без изменений, то при перекрытии сырья на одну из форсунок температура в зоне реакции резко увеличиться и может превысить допустимую температуру для огнеупора. Это объясняется тем, что температура в зоне реакции зависит от соотношения воздух : сырьё и, если сократить количество сырья, подаваемого в реактор, без уменьшения количества подаваемого воздуха (например, при замене одной форсунки), то температура в зоне реакции резко повысится и будет превышать допустимую температуру для огнеупора. Правильный перевод реактора на режим полного горения, соблюдение инструкции по замене сырьевых форсунок исключают возможность оплавления футеровки реактора, однако каждое значительное изменение температурного режима сокращает срок службы огнеупора. Поэтому очень важно сократить количество переводов реакторов на режим полного горения, особенно в связи с заменой сырьевых форсунок. Для этого нужно исключить причины забивания сырьевых форсунок
Забивание сырьевых форсунок связано в основном с тремя факторами:
.Наличием механических примесей в сырье, в том числе сырого антрацена при низких температурах сырья.
2.Подачей большого количества присадки для снижения абсорбции дибутилфталата техуглерода при неравномерном распределении её в сырьевой смеси.
3.Выдвижением корпуса сырьевой форсунки непосредственно в высокотемпературный поток продуктов полного горения природного газа.
Очистка сырья от механических примесей должна производиться как до печей подогрева сырья, так и после них. Необходимость дополнительной очистки сырья после печей подогрева связана с тем, что в процессе подогрева сырья могут образовываться коксовые частицы. Несмотря на двухступенчатую очистку сырьевых смесей на сырьевом участке, не исключена возможность попадания механических примесей в трубопроводы сырья технологических цехов в результате порыва сеток фильтров сырьевого участка. Поэтому в технологических цехах установлены собственные фильтры с более мелкими ячейками сеток для очистки сырья перед подачей его в реакторы. Необходимо отметить, что только за счёт применения сетчатых фильтров полностью исключить забивание сырьевых форсунок не удаётся, так как на плохо изолированных стенках сырьевых трубопроводов, корпусах клапанов и задвижек могут отлагаться частицы сырого антрацена, которые затем периодически срываются потоком сырья и забивают форсунки. Поэтому сырьевые трубопроводы должны хорошо изолироваться и температура сырья в цеховых трубопроводах должна поддерживаться не ниже 250⁰С. Но главным условием предотвращения забивания сырьевых форсунок механическими примесями является надлежащий надзор за фильтрами очистки сырья. Нельзя допускать порыва сеток, что приводит к концентрированному выбросу механических примесей в сырьевые трубопроводы. На каждом фильтре должен измеряться перепад давления, который позволяет определить состояние сетки фильтра. Необходимо также соблюдать график замены сеток фильтров.
Подача водного раствора присадки (KCL или KOH ) в сырьевой трубопровод приводит к тому, что из водного раствора в форсунках постепенно происходит отложение сухого остатка присадки, что и приводит к забиванию сырьевых форсунок На степень забивания сырьевых форсунок оказывает влияние концентрация присадки в сырьевой смеси ( мг. присадки на кг. сырья ). Как известно, на снижение показателя адсорбция дибутилфталата техуглерода оказывают влияние ионы щелочных металлов, образующиеся в пламени. Поэтому для достижения одного и того же эффекта гидроксида калия (KOH.) требуется на одну треть меньше, чем хлористого калия (KCL.). Это объясняется тем, что в молекуле KOH содержание калия cоставляет 69,6%., тогда как в молекуле KCL только 52.5%. Таким образом, при применении KOH концентрация присадки в сырьевой смеси будет на 30% меньше, чем при использовании хлористого калия, что соответственно отразится и на степени забивания сырьевых форсунок. Кроме того, KOH частично взаимодействует с сырьём (с фенолами, содержащимися в коксохимическом сырье), что дополнительно снижает вероятность образования сухого остатка KOH в форсунках. Хлористый калий является нейтральной солью и с сырьём не взаимодействует. Определённое влияние на образование сухого остатка присадки в форсунках оказывает и концентрация присадки в водном растворе. Так, если необходимое количество присадки подавать дозировочным насосом с расходом 10 л/час, что ранее рекомендовали проектировщики, то концентрация присадки в водном растворе будет в 10 раз выше, чем при использовании насоса с расходом 100л/час (НД100).Естественно, что и вероятность образования сухого остатка в первом случае будет значительно выше. Это особенно нужно учитывать при выпуске низкоструктурных марок техуглерода, когда требуется подавать в сырьё большое количество присадки. Необходимо также принимать меры по обеспечению равномерного распределения присадки в сырьевом трубопроводе, для чего требуется устанавливать смеситель (например, диафрагменный).
Коксование и обгорание сырьевых форсунок происходит при выдвижении распылителей сырьевых форсунок непосредственно в высокотемпературный поток полного сгорания газов. Это может происходить как в результате неправильного определения длины форсунки, так в результате поверхностного износа (эрозии) смесительного сопла реактора. В этом случае длина форсунок такого реактора должна подбираться с учётом величины износа.
На рис.2 показан узел ввода сырья в реактор с сырьевой форсункой. Важным элементом узла ввода является его патрубок диаметром 48мм, смонтированный заподлицо (вровень) со смесительным соплом реактора. Корпус сырьевой форсунки должен располагаться вровень с патрубком узла ввода, как это показано на рис.2. Патрубки узлов ввода диаметром 48мм. (применяются и патрубки D=42мм.) изготавливаются из жаропрочной стали 15Х25Т, выдерживающую температуру до 1000⁰С. Корпус и распылитель сырьевой форсунки также должны изготавливаться из жаропрочной стали, однако обычно они изготавливаются из стали 12Х18Н10Т, которая выдерживает температуру только до 750⁰С., что, естественно, сокращает срок службы форсунки. Продолжительность работы форсунок без замены зависит и от расхода сырья в реактор. Чем больше сырья поступает в форсунку, тем меньше вероятность забивания и закоксовывания распылителя и выходного отверстия форсунки.
Большое значение для обеспечения необходимого срока службы футеровки камеры горения реактора имеет состояние газовой горелки. Особенно это важно при применении дорогостоящих циркониевых огнеупоров.
Общий вид горелки для реакторов высокой производительности (4500—5000кг/час) показан на рис.3. Природный газ по трубе диаметром 57мм. поступает к пальцам горелки и через отверстия в них распределяется равномерно по сечению горелочного туннеля камеры горения, где интенсивно перемешивается с горячим воздухом и сгорает. Пальцы в количестве шести штук расположены равномерно по окружности и представляют собой заглушенные с торца трубы диаметром 28мм. с отверстиями. В каждом пальце имеется по 8 сквозных отверстий различного диаметра(от2,0 до 4,2мм.) Важное значение имеет наконечник, назначение которого заключается в предотвращении обгорания торца газовой трубы. Горелки должны изготавливаться из жаропрочной стали марки 15Х25Т, которая может выдерживать температуру до 1100⁰С. Однако, на заводах, применяющих эти горелки они, как правило, изготавливаются из стали 12Х18Н10Т с температурой применения до 800⁰С., что значительно снижает их надёжность, увеличивая вероятность прогара горелок как в процессе их эксплуатации, так и при остановке реакторов. После каждой остановки реактора горелку необходимо заменить, так как после прекращения подачи газа и воздуха горелка подвергается воздействию высокотемпературной воздушной среды камеры горения, что обычно приводит к прогару металла элементов горелки. Как показывает практика, к особо опасным последствиям приводит прогар конуса горелки. В этом случае основная часть газа поступает в горелочный туннель непосредственно по трубе, полноценного смешения газа и воздуха не происходит и горение смещается в коническую часть камеры горения реактора, что может привести к растрескиванию циркониевых огнеупоров и сокращению срока их службы. Возможно в отдельных случаях смещение фронта горения в смесительное сопло реактора, что наиболее опасно, так как это может привести к оплавлению огнеупоров, находящихся непосредственно за циркониевыми блоками. Обычно в таких случаях при неизменных расходах газа и воздуха температура в камере горения понижается на 30-80⁰С. При наличии таких изменений необходимо остановить реактор и заменить горелку. При прогаре горелки площадь её проходного сечения увеличивается и при одном и том же расходе газа давление газа перед горелкой снижается. Величина падения давления зависит от степени прогара металла горелки, Но определить её можно всегда, сравнивая аналогичные режимы работы реактора в данное время и предыдущие периоды. Удостоверившись в понижении давления газа перед горелкой при неизменном расходе газа необходимо заменить горелку. Повышение давления газа перед горелкой при постоянном расходе газа указывает на то, что часть отверстий пальцев забита. Это может привести к прогару металла отдельных пальцев горелки. При повышении давления газа перед горелкой выше регламентной нормы горелку тоже нужно заменить. Следует отметить, что эта горелка используется в отрасли длительное время. Конструкция горелки разработана ещё ВНИТУ. Недостатки этой горелки указаны выше. На некоторых заводах, например, Ярославском и частично Омском используются и другие конструкции горелок, но они не обеспечивают хорошего смешения газа и воздуха. Для разработки более совершенной горелки необходимо сотрудничество со специализированными организациями, занимающимися процессами сжигания топлива. Что касается действующей горелки, то, как уже отмечалось, для её изготовления необходимо использовать жаропрочную сталь, например, марки 15Х25Т. Большое значение имеет и качество сварки наконечника с корпусом горелки.
Важнейшее значение при эксплуатации реакторов имеет контроль за состоянием стёкол и каналов пирометров. При загрязнении стекла или частичном перекрытии пирометра, измеряющего температуру в зоне горения реактора, пирометр будет фиксировать температуру ниже действительной температуры в камере горения. В этом случае нужно срочно почистить стекло или канал пирометра. Недопустимо в подобных случаях производить подъём температуры на прежний уровень увеличением расхода природного газа, так как фактические технологические параметры не будут соответствовать заданным, а в случае, если камера горения футерована корундовыми огнеупорами, это приведёт к их оплавлению. При частичном перекрытии канала или загрязнения стекла пирометра, измеряющего температуру в зоне реакции реактора, показания температуры будут также искажены в сторону уменьшения, то есть фактическая температура в зоне реакции реактора будет значительно выше той, которую показывает пирометр. В этом случае необходимо остановить реактор и прочистить канал и стекло пирометра. В противном случае эксплуатация реактора будет осуществляться фактически без контроля температуры в зоне реакции, что может привести к выпуску бракованного техуглерода или оплавлению футеровки зоны реакции реактора.
Таким образом, в этом разделе приведены основные факторы, влияющие на процесс эксплуатации огнеупоров реакторов для получения техуглерода.
6. Заключение.
1.6.1.Качество огнеупоров всегда оказывало значительное влияние на состояние и эффективность процессов получения техуглерода. С увеличением температуры применения огнеупоров возникает возможность повышения температуры как в камере горения, так и в зоне реакции реактора, что обеспечивает увеличение выхода техуглерода из сырья и даёт возможность получать новые, более дисперсные марки техуглерода.
1.6.2.За счёт применения новых огнеупоров, начиная с 2001-го года, передовые отечественные заводы техуглерода значительно сократили потребление сырья для производства протекторных марок техуглерода. Максимальный выход техуглерода из сырья был достигнут на Омском ЗТУ за счёт футеровки камер горения реакторов циркониевыми огнеупорами. Следует отметить, что качество сырья при этом было существенно ниже, чем в базовом периоде. Приходилось даже использовать сырьевые смеси с содержанием 50% мазута. Результаты сравнительных испытаний такого сырья при использовании реакторов с циркониевой и корундовой камерами горения приведены в разделе 2. Значительно ухудшилось и качество каталитического газойля за счёт добавления в газойль для получения техуглерода с установки 43-107 низкоиндексного газойля с установки 43-103. В результате индекс корреляции каталитического газойля понизился со 125-127ед. до 115-117ед. В этих условиях особенно большое значение имеет использование для футеровки камер горения реакторов циркониевых огнеупоров, обладающих наивысшей огнеупорностью. Как показали балансовые испытания, проведённые в 2005году, при использовании коксохимического сырья выход техуглерода N347 в реакторе с циркониевой камерой горения составил 66,7%, при этом использование углерода, содержащегося в сырье, составило 73,3%.Такого результата в то время не имели даже лучшие зарубежные фирмы. Если сравнивать этот результат с выходом подобного техуглерода из сырья в базовом периоде, то есть до внедрения заводом корундовых огнеупоров, то выход техуглерода увеличился в среднем на 17-18%,а экономия сырья составила 26,5-27,5;. При этом, не нужно забывать, что экономический результат от внедрения новых огнеупоров не ограничивается только экономией сырья, о чём подробно описано в разделах 2.и 3.