Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
2.2.5. Далее необходимо рассмотреть эксплуатируемую длительное время на Омском заводе технического углерода систему подогрева воздуха, обеспечивающую нагрев воздуха, подаваемого в реактор, до 780–820°С.
На Рис.2.3. показана схема подогрева воздуха, используемая на ОЗТУ в производстве протекторных (активных) марок техуглерода. 
Рис.2.3.
Если сравнить эту схему обвязки подогревателей со схемой, используемой до 2004-го года /2.7.1./ стр.80, то в данной схеме воздух сначала подаётся в подогреватель ПВ–74 и только затем в прямоточную секцию ВПВ–235. При такой обвязке снижается вероятность забивания труб ВПВ–235, так как повышается средняя температура стенок труб в прямоточной секции подогревателя ВПВ–235. Для улучшения работы данной системы подогрева воздуха целесообразно предварительно нагреть воздух в рубашках газоохладителей, что позволит увеличить конечную температуру подогрева воздуха и исключить отложения техуглерода на внутренней поверхности труб подогревателей. В связи с тем, что система подогрева воздуха Омского ЗТУ широко используется на практике (только на ОЗТУ она применяется на восьми потоках по производству протекторных марок техуглерода), будет полезно рассмотреть особенности её эксплуатации.
2.3. Условия эксплуатации воздухоподогревателей и систем подогрева воздуха Омского завода технического углерода.
Системы высокотемпературного подогрева воздуха, разработанные специалистами Омского ЗТУ, состоят из воздухоподогревателя ПВ–74, изготовленного из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т и высокотемпературного воздухоподогревателя ВПВ–235, изготовленного из жаропрочной стали 10Х23Н18. Допустимая температура применения стали 12Х18Н10Т составляет 750°С., температура применения стали 10Х23Н18 равна 1000°С.. Поэтому для изготовления высокотемпературных воздухоподогревателей и применяют такую сталь. Возможность применения других марок стали для изготовления высокотемпературных воздухоподогревателей будет рассмотрена в другом разделе.
Схема обвязки воздухоподогревателей показана на Рис.2.3.
Холодный воздух с температурой 20–70°С.(Т-4) подаётся в межтрубное пространство подогревателя ПВ–74 противотоком по отношению к движению газов, нагревается в подогревателе до 250–350°С. (Т5) и поступает в прямоточную секцию воздухоподогревателя ВПВ–235 (или ВПВ–250), где дополнительно нагревается до 350–450°С. (Т6) и направляется в основную противоточную часть ВПВ–235 (250), где нагревается до 750–820°С (Т7) и далее поступает в реактор. Нагрев воздуха осуществляется углеродогазовой смесью, которая с температурой 930—950°С. (Т1) поступает из реактора в воздухоподогреватель ВПВ–235, охлаждается в нём до 650–720°С. (Т2) и затем противотоком проходит подогреватель ПВ–74, охлаждаясь до 550–600°С.(Т3) и далее поступает в коллектор углеродогазовой смеси и направляется в аппараты улавливания после дополнительного охлаждения в газоохладителе и затем в холодильнике за счёт впрыска воды. Следует отметить, что кроме подогревателя ПВ–74 в качестве подогревателей первой ступени использовались воздухоподогреватели ПВ–92 и ПВ–125. Подогреватель ПВ–92 по сравнению с воздухоподогревателем ПВ–74 имеет большую поверхность нагрева (92м²) за счёт длины труб и более высокую температуру подогрева воздуха. Воздухоподогреватель ПВ–120 изготавливался из труб 57×3,5 и эксплуатировался в течение 3-х лет при выпуске техуглерода серий 300 и 200 без аварий, обеспечивая более высокую температуру подогрева воздуха по сравнению с ПВ–74. Однако эти подогреватели больше не изготавливались, так как, по мнению технических специалистов ОЗТУ, в подогревателях первой ступени для уменьшения отложения техуглерода в трубах необходимо в соответствии с зарубежным опытом применять трубы с внутренним диаметром не менее 80мм./2.7.1.стр.77/.
2.3.1. Контроль технологических параметров высокотемпературного подогрева воздуха.
Температура углеродогазовой смеси перед воздухоподогревателем ВПВ–235(250) должна поддерживаться в пределах 930–950°С. Учитывая важность этого параметра, измерение температуры осуществляется двумя термопарами. Термопары должны располагаться диаметрально по отношению друг к другу. При появлении расхождений в результатах измерений необходимо срочно организовать проверку термопар.
Температура углеродогазовой смеси после подогревателя ВПВ–235 должна находится в пределах 650–730°С. Значение этой температуры зависит от объёма нагреваемого воздуха и от состояния труб воздухоподогревателя. При повышении температуры после ВПВ–235(250) выше 730°С. необходимо провести продувку воздухоподогревателя продуктами полного сгорания. В случае, если продувка не даст результата, нужно останавливать реактор для проверки воздухоподогревателя.
Конечная температура подогрева воздуха должна составлять 770–830°С. при понижении температуры воздуха менее 760°С. необходимо также продуть воздухоподогреватель продуктами полного сгорания.
Понижение конечной температуры воздуха и повышение температуры углеродогазовой смеси после основного воздухоподогревателя указывают на частичное забивание труб воздухоподогревателя, вследствие чего ухудшается теплоотдача от газа к воздуху. Это приводит к тому, что воздух хуже нагревается, а газ (углеродогазовая смесь) соответственно хуже охлаждается. При этом первым признаком частичного забивания труб воздухоподогревателя является повышение температуры углеродогазовой смеси на выходе из ВПВ–235(250). Температура же воздуха будет снижаться постепенно, так как при повышении температуры после ВПВ–235, а значит и на входе в ПВ–74, повысится температура воздуха после подогревателя ПВ–74, то есть перед подогревателем ВПВ–235, что будет частично компенсировать ухудшение нагрева в самом ВПВ–235. Если температура газов после ВПВ–235 будет и далее повышаться, следует продуть систему подогрева продуктами полного сгорания. Следует учитывать и то обстоятельство, что при температуре после ВПВ–235 более 750°С. возможно нарушение целостности ПВ–74 (вырыв одной и или нескольких труб из верхней трубной доски). В этом случае происходит покраснение или прогар металла на отводе между ВПВ–235(250) и ПВ–74. Направленная струя воздуха вызывает местное горение газа. В этом случае реактор нужно немедленно остановить для замены или ремонта ПВ–74.
Аппарат ВПВ–235(250) изготавливается из жаропрочной ограниченно свариваемой стали, поэтому в процессе эксплуатации возможно нарушение сварочных швов и проникновение воздуха в газовое пространство непосредственно перед трубной доской, что может привести к горению газов перед трубной доской и даже в самих трубах. В этом случае увеличивается температура воздуха при неизменной температуре газов перед воздухоподогревателем за счёт местного горения газов непосредственно перед трубной доской. Поэтому при разности температур перед воздухоподогревателем ВПВ–235(250) и конечной температурой подогрева воздуха менее 100°С. реактор нужно остановить для проверки воздухоподогревателя ВПВ–235(250).
Таким образом, во избежание вывода из строя дорогостоящего оборудования и обеспечения подогрева воздуха в пределах 750–830°С. необходимо соблюдать следующие условия:
1. Обеспечить достоверный контроль температуры углеродогазовой смеси перед высокотемпературными воздухоподогревателями ВПВ–235(250) с использованием двух термопар, расположенных на одном уровне диаметрально по отношению друг к другу(Т1). При расхождении в показаниях термопар срочно организовать их проверку. Необходимо проверить, все ли водяные форсунки в зоне закалки находятся в работе.
2. Обеспечить периодический контроль температуры газов после
воздухоподогревателей (Т2).
3. Осуществлять продувку воздухоподогревателя ВПВ–235(250) при повышении температуры газов после него (Т2) более 750°С., а также при понижении конечной температуры подогрева воздуха (Т6) менее 760°С.
4. Контролировать разницу между температурой углеродогазовой смеси перед воздухоподогревателем ВПВ–235 (Т1) и конечной температурой подогрева воздуха (Т6). При разнице этих температур менее 105°С. информировать об этом руководство цеха. При уменьшении разницы этих температур до 100°С. (например, температура газов перед ВПВ–235 составляет 930°С., а конечная температура воздуха равна 830°С.) реактор нужно останавливать для проверки воздухоподогревателя.
5. При любом переводе реактора на режим полного горения необходимо продуть систему подогрева, увеличив количество воздуха, подаваемого в реактор.
2.4. Конструктивные недостатки воздухоподогревателей, применяемых в промышленности технического углерода.
2.4.1. Начать следует с воздухоподогревателя предварительного подогрева воздуха ПВ–74. Как уже отмечалось ранее, /2.7.1./ первоначально на корпусе подогревателя предусматривалась установка двухлинзового компенсатора. Однако в связи с увеличением диаметра труб подогревателя значительно возрастает напряжение сжатия труб при нагревании, что снижает надёжность подогревателя при резких изменениях температуры углеродогазовой смеси. Поэтому в конструкцию подогревателя были внесены изменения, и двухлинзовый компенсатор был заменён трёхлинзовым. Напряжение сжатия возрастает и от массы труб, то есть, чем больше толщина труб, тем больше вероятность вырывания отдельных труб из верхней трубной решётки /2.3.5./. Это происходит при резком изменении температуры углеродогазовой смеси (при аварийных ситуациях и нарушениях инструкций по пуску и остановке реакторов.). В подогревателе ПВ–74 применены трубы 76×5, что приводит не только к ухудшению условий эксплуатации подогревателя, но и увеличивает массу подогревателя на 140кг по сравнению с применением труб 76×4 и на 210кг в случае использования труб 76×3,5, то есть на 7–10%. Тем не менее, эти подогреватели представляли собой необходимый элемент системы подогрева воздуха и совместно с подогревателем ВПВ–235 обеспечили нагрев воздуха, подаваемого в реактор, до 750–820°С. Необходимо отметить, что толщина труб выбиралась разработчиками конструкции подогревателя с учётом применения на заводе устаревшего сварочного оборудования при изготовлении подогревателей. Подогреватели ПВ–74 давно уже себя окупили и в настоящее время для дальнейшего повышения температуры воздуха, подаваемого в реакторы, требуются подогреватели предварительного подогрева с большей поверхностью нагрева, большим диаметром труб и, желательно, с применением индивидуальных компенсаторов для каждой трубы. Необходимо отметить, что увеличение диаметра труб подогревателя не обязательно приводит к увеличению их массы. Так, труба 89×4 имеет массу даже несколько меньше, чем труба 76×5. Поэтому для подогревателя предварительного подогрева воздуха целесообразно применить трубы 89×4 с внутренним диаметром 81мм, как это распространено при изготовлении подогревателей для промышленности технического углерода за рубежом/2.7.1./стр.77. Диаметр подогревателя не должен быть менее 1200мм.
2.4.2. Воздухоподогреватель ВПВ–235 – основной подогреватель в системе подогрева воздуха, подаваемого в реакторы для получения протекторных марок техуглерода. На рис. 2.4. показана схема высокотемпературного подогревателя ВПВ–235. Воздухоподогреватель ВПВ–235 состоит из корпуса, трубного пучка, перегородок, направляющих поток воздуха, входного и выходного воздушных патрубков прямоточной и противоточной секций, соединённых трубопроводом. Прямоточная и противоточная секции разделяются диафрагмой, препятствующей перетоку воздуха из прямоточной секции в противоточную во избежание понижения конечной температуры воздуха. Воздух, нагретый до 250–350°С. в подогревателе ПВ–74, направляется в прямоточную секцию воздухоподогревателя ВПВ–235, дополнительно нагревается до 350–400°С. и по соединительному трубопроводу поступает в противоточную секцию подогревателя, где нагревается до 750–820°С. Схема движения теплоносителей показана на Рис. 2.5. Более подробная информация о нагреве воздуха в системе подогрева, в том числе в воздухоподогревателе ВПВ–235, дана в разделе 2.2.(п.2.2.5.) и разделе 2.3. Главный недостаток воздухоподогревателя ВПВ–235 (также как и ВПВ–250) заключается в том, что подогреватели имеют трубы малого диаметра (Двн.33мм и 36мм соответственно), что способствует отложению техуглерода на стенках труб. Однако, отложения происходят и на трубах значительно большего диаметра (Двн.80–100мм.). Это хорошо известно из зарубежного опыта. Поэтому в воздухоподогревателях фирмы ALSTOM предусмотрена продувка труб паром со сверхзвуковой скоростью. Это сложная и дорогая система и для подогревателей типа ВПВ–235(250) не применима.
Трубы подогревателя ВПВ–235 изготавливается из жаропрочной стали 10Х23Н18, которая может эксплуатироваться при температуре до 1000⁰С., тогда как трубные решётки, диафрагма и корпус подогревателя изготавливаются из стали 20Х23Н18, температура применения которой допускается по справочникам до 1050 – 1100⁰С. В этих данных присутсвует неопределённость. Поэтому нижнюю трубную решётку желательно изготавливать из стали 20Х25Н20С2, для которой температура применения 1100⁰С. гарантируется. Кроме того эта сталь более коррозионностойкая по сравнению со сталью 20Х23Н18. Следует отметить, что сталь типа 20Х25Н20С2 с содержанием хрома 25% и никеля 20% используется за рубежом для изготовления труб воздухоподогревателей. Необходимо также отметить, что предварительный подогрев воздуха уменьшает коррозионное воздействие газовой среды на металл нижней трубной решётки и трубы воздухоподогревателя. Это объясняется тем, что температура газов в отдельных трубах в зонах подачи холодного воздуха может понизиться до 160⁰С. и ниже, что для газов, содержащих сернистые соединения, приведёт к конденсации влаги.
.
.Рис.2.5.
2.4.3. Воздухоподогреватель фирмы Alstom спроектирован и изготавливается на высоком техническом уровне и обеспечивает нагрев воздуха при получении протекторных марок техуглерода до 800–900°С. К недостаткам следует прежде всего отнести большую массу подогревателей (44,5т. составляет масса подогревателя для нагрева воздуха до 800°С.)., что требует существенных затрат на установку и обвязку воздухоподогревателя, а это дополнительно увеличивает срок его окупаемости. Наличие системы продувки труб струями пара со сверхзвуковой скоростью, а также системы регулирования подачи воздуха на обдувку нижней трубной доски усложняет обслуживание подогревателя.
2.4.4. Воздухоподогреватели Китайской фирмы DORJHT Co., Ltd. также имеет большую массу, что затрудняет их монтаж и ремонт. Подогреватели выпускаются с различным диаметром труб от 89 до 126мм. Однако проблема забивания труб остается. Компания рекламирует конструкцию подогревателя, в котором трубы свободно перемещаются в трубной решётке при температурных расширениях. Если это действительно так, такой аппарат можно приобрести при наличии гарантии обеспечения герметичности и возможности установки такого аппарата на действующих потоках.
2.4.5. Что касается воздухоподогревателя ВПВ–235, то о его недостатках уже было сказано. Два из них было исправлено. Изготовление этих подогревателей передано в специализированную организацию по изготовлению нестандартного оборудования, и в отношении качества сварочных швов не должно возникать проблем. Значительно снизились и отложения на стенках труб воздухоподогревателя за счёт предварительного подогрева воздуха перед подачей его в воздухоподогреватель ВПВ–235. Как показано на рис 2.3., воздух поступает в первую секцию ВПВ–235 с температурой 250–350°С., что повышает температуру стенок труб секции выше 600°С. При такой температуре отложений на внутренней поверхности труб не может происходить даже при диаметре труб 33–36мм. Однако, в периоды пуска и остановки технологических потоков вероятность отложения техуглерода на внутренних стенках труб воздухоподогревателя ВПВ–235 всё же остаётся.