Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
1.6.3.В производстве каркасных марок техуглерода серий 500 и 600 использование циркониевых огнеупоров пока невозможно, так как камера горения не отделена полностью от зоны реакции в связи с аксиальной подачей сырья. Однако и применение корундовых огнеупоров с содержанием окиси алюминия 96-99% позволило на ОЗТУ достичь значительных результатов. Удалось увеличить количество природного газа, подаваемого в реактор, без риска возможности разрушения футеровки камеры горения, и довести соотношение воздух : газ до уровня близкого к стехиометрическому. В итоге при значительном снижении индекса корреляции применяемого сырья по сравнению с базовым периодом (90-е годы) от 140ед до 115-117ед. удалось сохранить выход техуглерода из сырья на прежнем уровне и даже его увеличить. Это примерно равнозначно повышению выхода техуглерода на 4-4,5% при одинаковых характеристиках сырья. Дальнейшее повышение выхода техуглерода каркасных марок возможно при разделении зон горения и реакции реакторов и использовании в камерах горения реакторов циркониевых огнеупоров. Целесообразно снова проверить радиальную подачу сырья, так как при температурах в камере горения 1840-1850 этот режим не испытывался.
1.6.4.В период с 2002 по 2012 год внедрение новых огнеупоров оказало большое влияние на снижение себестоимости техуглерода за счёт сокращения потребления сырья, воздуха, воды, электроэнергии на производство техуглерода. Кроме того, за счёт снижения объёмов образующихся газов реакции появилась возможность увеличения производительности установок по производству техуглерода на 10-12%. Всё это оказало значительнее влияние на экономические показатели и прибыль заводов техуглерода. Но главный эффект от применения новых огнеупоров – значительное сокращение расхода сырья для выпуска 1т. техуглерода. Так как для производства техуглерода имеется хронический недостаток сырья, экономия его является одним из решающих факторов для увеличения производства техуглерода. При дефиците сырья растёт и его цена и уменьшается прибыль предприятий. Возможности для экономии сырья и повышения эффективности производства за счёт применения новых огнеупоров далеко не исчерпаны. Необходимо увеличить температуру в камерах горения циркониевых реакторов до 2080-2150⁰С. Следует только добавить, что понижение температуры газов полного горения в среднем на 40⁰С. приводит к понижению выхода техуглерода на 1,0-1,2%. Внедрение циркониевых огнеупоров на заводах, производящих протекторные марки техуглерода, и повышение температуры в камерах горения реакторов ОЗТУ до 2080-2150⁰С.позволит увеличить выход техуглерода не менее чем на 3,0-3,5%, что соответствует уменьшению расхода сырья на 4,6-5,5%. Такой величиной обычно и определяется дефицит сырья.
Таким образом, дальнейшее повышение эффективности производства, связанного с применением новых огнеупоров, заключается в расширении использования циркониевых огнеупоров и повышении температуры в камерах горения действующих реакторов.
Необходимо отметить, что зарубежные заводы техуглерода начали широко использовать циркониевые огнеупоры. Это подтверждают и специалисты отечественных заводов, посетившие в последнее время заводы зарубежных фирм.
1.7. Использованная литература.
1.7.1. Ивановский В.И. Техниеский углерод. Процессы и Аппараты. Омск. 2004г.
1.7.2.Devid Stiles. Огнеупоры для высокотемпературных зон реакторов для производства технического углерода. Carbon Black World—2000.
1.7.3.Saint —Gobain Energy Systems: Carbon Black refraktories. 15/04/2011.
1.7.4.В.Ю.Орлов. А.М.Комаров. Л.А.Ляпина. Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль 2002.
1.7.5.Международная научно-техническая конференция «Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности». Тезисы докладов. Харьков 2005. В.В.Ивановский, Г.В.Бабич (ОАО«Техуглерод», г. Омск), В.В.Примаченко, В.В.Мартыненко, И.Г.Шулик, Т.Г.Гальченко (ОАО «УкрНИИО им.А.С.Бережного»,г.Харьков) Применение циркониевых огнеупоров в футеровках реакторов производства технического углерода.
1.7.6.Справочник Огнеупорные Материалы Москва Интермет Инжиниринг 2010.
1.7.7.В.С.Стариков, М.В.Темлянцев, В.В.Стариков, ОГНЕУПОРЫ И ФУТЕРОВКИ В КОВШОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. МИСИС, 2003.
1.7.8.Probst Nikolas. Техуглерод: процессы и продукция. Доклад на конференции Carbon Black World-99.
1.7.9.Ю.Е. Пивинский Неформованные огнеупоры. Кн. 1. Теплоэнергетик, 2003.
1.7.10. Исследование набивной массы из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, после эксплуатации в реакторе для производства техуглерода.
Авторы: В.В.Примаченко; В.В.Мартыненко; И.Г.Шулик; Е.Б.Протсак; Н.Г.Привалова. Украинский научно–исследовательский институт огнеупоров имени А.С. Бережного (Харьков Украина)
В.И.Ивановский; Г.В.Бабич. Омский завод технического углерода (Омск Р.Ф.) 2012.
8.Приложения.
8.1. Расчёт экономического эффекта от внедрения циркониевых огнеупоров в реакторах для производства техуглерода серий 300.
1.Исходные данные.
1.1.Минимальный годовой объём выпуска техуглерода на одном технологическом потоке–17000 т.
1.2. Температура газов в камере горения реактора:
–до внедрения 1840°С., после внедрения 1980°С.
1.3.Выход техуглерода из сырья:
– до внедрения 60%, после внедрения 63%.
1.4. Минимальный срок службы футеровки камеры горения реактора—1год.
1.5. Стоимость одной тонны циркониевой массы—569,701тыс. руб.
1.6. Количество циркониевой массы и мертеля для футеровки одного реактора
– 3,710т.
1.7. Средняя стоимость сырья–9200 руб./т.
2. Расчёт.
2.1. Экономия сырья в результате повышения выхода техуглерода составит:
17000/0,6-17000/0,63=1349т., или в денежном выражении 12410,08 тыс. руб.
2.2. Затраты на футеровку камеры горения реактора составят:
3,710×569,701=2113тыс. руб.
2.3. Срок окупаемости затрат на реконструкцию футеровки одного реактора:
2113тыс.руб./12410,8тыс.руб.= 0,17 года или 0,17x12=2,04 месяца.
2.4.Годовой экономический эффект от применения циркониевых огнеупоров
На одном реакторе составит: 12410,8-2113=10300тыс. руб. (10,3млн. руб).
При использовании вторичного сырья–огнеупорного лома, что постоянно применяется
на Омском ЗТУ, стоимость циркониевой футеровки составит:
(3,710-1,4)×569,701+(1,4×1,140)=1317,6тыс.руб.,где 1,4т.—количество тонн вторичных огнеупоров, 1140руб за тонну их стоимость.
В этом случае годовой экономический эффект составит:
12410,8-1317,6=11093тыс. руб.,срок окупаемости составит: 1317,6/12410,8 = 0,106года или
1,27месяца.
Примечание: В расчёте учтён только экономический эффект от экономии сырья при сроке
службы футеровки камеры горения реактора 1год.
05.02.2012. В.И. Ивановский.
8.2. Диаграмма состояния системы AL2O3—ZrO2.
8.3. Основные результаты балансовых испытаний. Табл.1.
2. Совершенствование рекуперативного нагрева технологических агентов.
В литературе /2.7.1./ достаточно подробно рассмотрено использование тепла газов, выходящих из реактора, для нагрева технологических агентов, используемых в процессе получения технического углерода – (воздуха низкого и высокого давления, подаваемого в реакторы, сырья, природного газа, воздуха, используемого в сушильных камерах для сжигания природного газа и отходящего газа производства). Там же показаны и конструкции рекуператоров, используемых для этих целей.
Однако, эти сведения даны по состоянию промышленности техуглерода на начало 2004 года. С тех пор прошло достаточно много времени, поэтому необходимо рассмотреть те изменения, которые произошли в этой области техники.
2.1. Экономические обоснования целесообразности повышения температуры воздуха, подаваемого в реакторы.
Как известно, температура подогрева воздуха, подаваемого в реактор, является вторым по значимости фактором повышения эффективности процесса получения техуглерода. При подогреве воздуха используется физическое тепло углеродогазовой смеси, выходящей из реактора. При увеличении температуры воздуха снижается количество газа, подаваемого в реактор, уменьшается расход воды для охлаждения углеродогазовой смеси, появляется возможность увеличения нагрузки реактора по сырью /2.7.1./, /2.7.3./. Увеличение нагрева воздуха с 500°С. до 800°С. обеспечивает экономию природного газа, используемого в реакторах, на 20%.(в источнике/2.7.1./ показан заниженный результат—14%). Кроме того это позволяет повысить нагрузку реактора по сырью до 40%. В связи с низкой стоимостью природного газа на период проведения работ по повышению температуры воздуха, подаваемого в реакторы (725 руб. за 1000нм³), основной эффект планировалось получить за счёт увеличения расходов сырья в реакторы. Целесообразность проведения работ по повышению температуры подогрева воздуха определялась стоимостью и эффективностью воздухоподогревателей, предназначенных для нагрева воздуха до 750–800°С.
Прежде всего, нужно рассмотреть эффективность рекуператоров, используемых для подогрева воздуха, подаваемого в реакторы. Это обусловлено тем, что эти воздухоподогреватели имеют высокую стоимость, так как изготавливаются из дорогой жаропрочной стали. Однако стоимость и эффективность воздухоподогревателя в значительной степени зависит от его конструкции. Понятно, что российские заводы техуглерода не могли использовать воздухоподогреватели фирмы Alstom, применяемые на заводах крупных зарубежных фирм по производству техуглерода для высокотемпературного нагрева воздуха, подаваемого в реакторы, в связи с их высокой стоимостью и металлоёмкостью. Применение такого подогревателя было бы просто убыточно/2.7.1/,стр.77. Не меняло дела и изготовление подобных воздухоподогревателей на заводах России, так как это заняло бы много времени на разработку, изготовление, и освоение таких аппаратов, причём результат мог быть и отрицательным.
Поэтому за основу конструкции высокотемпературного воздухоподогревателя был принят разработанный специалистами ВНИИТУ и применяемый на Омском заводе технического углерода воздухоподогреватель ПВ–185 (авторы – Кореняк Н.К., Бабич Г.В., Волошин Г.А., Антоненко В.Ф. и.др.). Схема и описание работы этого воздухоподогревателя показаны на стр.75 источника/2.7.1./, а также на стр.221, 222 источника/2.7.2./. ПВ–185 был надёжен в эксплуатации и обеспечивал подогрев воздуха, подаваемого в реактор, до 470-500°С. при нагрузке реактора по сырью до 3500кг/час. Такой подогреватель называют подогревателем уголкового типа, так как трубный пучёк выполнен в форме прямого угла, поэтому каждая труба может свободно удлиняться. Это позволяет изготавливать подогреватели подобного типа ремонтными службами заводов техуглерода, так как не требуется устанавливать компенсаторы на каждую трубу. Разработанные специалистами Омского ЗТУ высокотемпературные воздухоподогреватели ВПВ–235 и ВПВ–250 имели принципиальные отличия от ПВ–185. Большое значение имело устранение перетока холодного воздуха через диафрагму в зону нагретого воздуха, что существенно понижало конечную температуру воздуха в подогревателе ПВ–185 и было основным конструктивным недостатком этого подогревателя. Влияние этого конструктивного недостатка на конечную температуру нагрева воздуха показано на стр.79 источника/2.7.1/. Для обеспечения высокотемпературного нагрева воздуха и более полного использования тепла углеродогазовой смеси, выходящей из реакторов, воздухоподогреватели ВПВ–235 и ВПВ–250 изготавливаются из жаропрочной стали 10Х23Н18, выдерживающей температуру до 1100°С.,тогда как ПВ–185 изготавливался из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т, температура применения которой не превышает 750°С. Была увеличена и поверхность теплообмена новых воздухоподогревателей до 250м², так как предусматривалось значительное увеличение производительности реакторов. Существенным недостатком подогревателя ПВ185 является также периодическое забивание труб техуглеродом, особенно это проявляется при получении низкодисперсных и низкоструктурных марок техуглерода/2.7.1/. Отложения техуглерода на внутренней поверхности труб воздухоподогревателей ПВ185 значительно увеличились после проведения мероприятий по повышению выхода техуглерода из сырья, так как возросла концентрация техуглерода в реакционных газах, поступающих в воздухоподогреватели. Частично отложения техуглерода в высокотемпературных воздухоподогревателях удалось уменьшить за счёт повышения температуры углеродогазовой смеси на входе в подогреватель ВПВ–235(ВПВ–250) по сравнению с подогревателем ПВ–185 с 750–800°С. до 950°С., при этом, естественно, увеличилась и температура стенок труб, от которой зависит количество отложений техуглерода на стенках труб воздухоподогревателей./2.7.3./; /2.7.1./. Для дальнейшего повышения температуры стенок труб ВПВ–235(ВПВ–250) был осуществлён предварительный подогрев воздуха до температуры 250–300°С. в обычных трубчатых рекуператорах из стали 12Х18Н10Т. Это позволило не только снизить количество отложений на стенках высокотемпературных воздухоподогревателей, но и обеспечить конечную температуру нагрева воздуха до 750–820°С., что соответствовало уровню подогрева воздуха на заводах техуглерода ведущих зарубежных фирм. Изготовление высокотемпературных воздухоподогревателей и подогревателей предварительного подогрева воздуха производилось ремонтными службами Омского завода технического углерода. Суммарная сметная стоимость обоих подогревателей составляла 5.46млн.руб. Экономический эффект рассчитывался из условий нагрева воздуха до 700°С. и увеличении производительности реактора на 17%. Расчётный срок окупаемости мероприятия по подогреву воздуха, подаваемого в реактор, при этих условиях составлял 17,1месяца. Фактически срок окупаемости составил менее года, так как температура воздуха составила 780–820°С., а нагрузки по сырью на реактор были увеличены на 23–25%. Эффективность мероприятия подтверждается и экономией природного газа по заводу. Если экономия природного газа, используемого технологическими цехами Омского ЗТУ, составила в 2003 году 13194тыс.нм³ на сумму 9,57млн. руб., то в 2004 году эта экономия составила уже 13,1млн.руб.
Необходимо отметить, что технологические потоки по производству протекторного техуглерода ОЗТУ до конца 2004года были в основном оборудованы высокотемпературными системами подогрева воздуха, тогда как остальные российские заводы техуглерода в это время не имели таких подогревателей. Ярославский ЗТУ начал заниматься этой темой после посещения Омского завода в середине 2004-го года во время юбилея завода. На остальных заводах техуглерода до сих пор внедрение высокотемпературного подогрева воздуха полностью не проведено. Поэтому необходимо рассмотреть экономический результат от внедрения высокотемпературных воздухоподогревателей различной конструкции в современных условиях.
2.1.1. Применение воздухоподогревателя фирмы ALSTOM(SCHACK®).
На лучших заводах ведущих зарубежных фирм по производству техуглерода для высокотемпературного нагрева воздуха, используются воздухоподогреватели фирмы ALSTOM, обеспечивающие нагрев воздуха до 650, 800 и 900°С. При получении полуактивных (каркасных) марок техуглерода подогрев воздуха производится до 650°С., при получении протекторных марок техуглерода используются воздухоподогреватели, обеспечивающие нагрев воздуха до 800°С. Такой подогреватель имеет сложную конструкцию, о чём будет сказано далее. Масса его составляет 44,5т. (для сравнения масса Омского воздухоподогревателя ВПВ–235 составляет 10,5т.). Стоимость такого подогревателя (без налогов, стоимости транспортировки, стоимости монтажа) по данным за 2007 год равняется 1.35800 EURO. Фактически срок службы подогревателя составляет не более 5-ти лет.