Владимир Иванович Ивановский
Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы
2.5.Основные причины забивания труб воздухоподогревателей.
Учитывая, что проблема закупоривания труб воздухоподогревателей касается всех заводов техуглерода, необходимо определить причины этого явления.
Как известно из зарубежных источников, во избежание отложения техуглерода на внутренних поверхностях труб воздухоподогревателей нужно поддерживать температуру стенок труб не ниже 220°С. Однако практика показала, что забивание труб происходит и при более высокой температуре стенок /2.7.1./стр85. Температура стенок труб воздухоподогревателя определяется из основного уравнения теплообмена:
, где
tст – температура стенки.
tг и tв – соответственно температуры газов и воздуха.
αв и αг—коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха и со стороны газов в вт/(м²×град).
Чем меньше соотношение αв/αг, тем температура стенки ближе к температуре углеродогазовой смеси и наоборот, чем выше это соотношение, тем ниже температура стенки. Расчёты коэффициентов теплоотдачи производятся с применением критериев подобия – Рейнольдса(Re), Нуссельта(Nu), Прандтля(Pr). Используются различные коэффициенты и номограммы. Понятно, что коэффициенты теплоотдачи сложно определить, да и точность результата нельзя гарантировать. На практике определение коэффициентов теплоотдачи не обязательно. Нужно знать основные параметры от которых они зависят. По данным/2.7.4./ коэффициент теплоотдачи может быть определён по следующей расчётной формуле:
α=(1,163×А ∙(w𝛠d)⁰⁸/d) вт/(м²∙град),
где w и 𝛠 фактическая скорость и плотность движущегося газа (воздуха), определяемые по средней его температуре;
d– приведённый диаметр, м;
А – поправочный множитель.
Значение А определяется по графику (рис.16), а значение выражения (w𝛠d)⁰⁸ по номограмме (рис. 17), приведённых в приложении.
Из формулы ясно, что чем выше скорость воздуха и его плотность, тем выше коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха (αв), тем больше тепла отнимается от наружной поверхности трубы и тем ниже температура её стенки. Понятно, что наиболее низкая температура стенок труб будет в тех зонах воздухоподогревателей, где подаётся холодный воздух с температурой 10–40°С. (плотность 1,247– 1,128 кг/м3) и высокой скоростью (15–20м/сек.). Такими зонами являются участки ввода холодного воздуха в воздухоподогреватели ПВ–185, ВПВ–235, ПВ–74 ( 92), ПВ–125, ВПВ–250. Поступление холодного воздуха при этих условиях приводит к локальному понижению температуры стенок первых рядов труб по ходу движения воздуха. После того, как эти трубы частично или полностью закупорятся техуглеродом, создадутся условия для охлаждения следующих рядов труб. Локальные (местные) коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха αв могут значительно отличаться от средних значений этих коэффициентов в подогревателях, что в значительной мере определяет локальное понижение температуры стенок труб воздухоподогревателей, что способствует отложению техуглерода на внутренней поверхности труб. Из приведённой расчётной формулы следует, что для того, чтобы понизить коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха и увеличить температуру стенок труб в зонах подачи воздуха в подогреватели, нужно уменьшить скорость воздуха (w), понизить плотность воздуха (𝛠) и увеличить диаметр труб (d). Чтобы уменьшить скорость воздуха в локальных зонах нужно часть воздуха подать в другие зоны воздухоподогревателя. В случае подогревателей ПВ–74(92) и ПВ–125 не сложно организовать подачу воздуха не через один, а через 3 или 4 патрубка, расположенных на одном уровне. В результате скорость воздуха в зонах его подачи уменьшится пропорционально количеству патрубков, соответственно понизятся локальные (местные) коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха (αв) и повысится температура стенок труб в местах ввода воздуха. В конечном итоге уменьшатся отложения техуглерода на внутренних поверхностях труб подогревателей. Дополнительные патрубки можно установить и на подогревателе ПВ185, как это показано на Рис 2.6. Рис. 2.6.
Как показано на Рис2.6. дополнительно к основному патрубку подачи воздуха можно установить один или два воздушных патрубка, что приведёт к уменьшению скорости воздуха в зоне его основной подачи, повышению температуры стенок труб и, как следствие, уменьшению отложений техуглерода в трубах воздухоподогревателя. Как известно, в воздухоподогревателях фирмы ALSTOM воздух для равномерного охлаждения как нижней трубной решётки, так и начального участка трубного пучка подаётся по нескольким трубопроводам (Рис 3.2). При этом для охлаждения трубной доски подаётся только 20% воздуха, поступающего в воздухоподогреватель. Основная часть воздуха (80%) поступает противотоком непосредственно в воздухоподогреватель.
Рис.2.7. 
Рассматривая систему воздушного охлаждения нижней трубной доски (решётки) воздухоподогревателя фирмы ALSTOM и известные данные об эксплуатации этого подогревателя можно прийти к выводу, что даже равномерное распределение воздуха по периметру трубного пучка и низкой скорости воздуха в местах его подачи в камеру для охлаждения нижней трубной решётки, полностью избежать отложений техуглерода в трубах подогревателя не удаётся. Из камеры для охлаждения трубной решётки воздух по отдельной трубе поступает в основной воздушный поток внутри подогревателя /Рис.2.1./. Камеру для охлаждения нижней трубной доски в технической литературе называют сдвоенной трубной решёткой, а также двойным дном.
Специалисты Омского завода технического углерода для уменьшения отложений на внутренней поверхности труб высокотемпературных воздухоподогревателей использовали систему предварительного подогрева воздуха. Впервые такая система была внедрена на ОЗТУ ещё в 1976 году. В результате предварительного нагрева воздуха до 130–150⁰С. удалось повысить конечную температуру его подогрева на 130–190⁰С. и исключить отложения техуглерода на поверхности труб основного воздухоподогревателя (ПВ–88), что до внедрения двухстадийной системы подогрева приводило к забиванию труб ПВ–88 техуглеродом и вырыванию их из трубной доски/2.7.1.стр. 78,79/. В последующем эта система была использована в 1997году при внедрении первого высокотемпературного воздухоподогревателя и применяется в настоящее время/2.7.1./стр.79/.
Что касается теоретического обоснования целесообразности применения предварительного подогрева воздуха перед подачей в высокотемпературные подогреватели, то это определяется температурами стенок труб рекуператоров при различных соотношениях αв/αг и при различных температурах на входе в подогреватели. Расчёты производятся по формуле: tг-tст/tст-tв=αв/αг.
При соотношении αв/αг=2, что может иметь место только при локальных (местных) условиях в зонах подачи воздуха в высокотемпературный воздухоподогреватель температура стенок труб в локальной зоне составит при температуре воздуха 20⁰С. и температуре газов перед подогревателем 950⁰С.: 950-tст/tст-20=2,0 950-tст=-2tст-40 990=3tст tст=330. При подогреве воздуха до 300⁰ температура стенок труб составит 516⁰С. При соотношении αв/αг=1,0 температура стенок труб при температуре воздуха 20⁰С. составит 485⁰С., а при температуре воздуха 300⁰С.– 625⁰С. Понятно, что при температуре стенок труб 625⁰С. отложение техуглерода на них не может происходить. Впрочем, и без теоретических выкладок понятно, что при повышении температуры воздуха, подаваемого в рекуператор, температура стенок труб неизбежно повысится.
Особые сложности возникают с каркасным техуглеродом серий 500 и 600, склонность к отложениям которых на внутренних поверхностях труб подогревателей значительно выше, чем у протекторных марок техуглерода серий 100, 200 и 300. Причины этого могут быть связаны как с наличием на поверхности техуглерода серий 500 и 600 полиароматических углеводородов (ПАУ), так и склонностью частиц техуглерода этих серий к коагуляции и адгезии к металлу. В подогревателях фирмы ALSTOM, применяемых для этих серий техуглерода обязательно используется систематическая паровая продувка (одновременно продувается 10% трубок струями пара со сверхзвуковой скоростью под давлением 10бар, тогда как в подогревателях, используемых для подогрева воздуха при получении техуглерода протекторных марок, продувка труб призводится периодически. При применении воздухоподогревателей ПВ185, а также их новых модификаций (ПВ–185М, ПВ–180), имеющих небольшой наружный диаметр труб ( 42–48мм), для уменьшения отложений в трубах подогревателей техуглерода серий 500 и 600 нужно использовать те же способы, что и для протекторных марок техуглерода, то есть предварительный подогрев воздуха и равномерное распределением воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель. В зимний период температура воздуха, поступающего в технологические цеха ОЗТУ, может иметь отрицательные значения (-8⁰С. рис2.9.), поэтому в производстве каркасных марок техуглерода большое значение имеют газоохладители, в которых производится первая стадия подогрева воздуха. Первоначально газоохладители, разработанные специалистами ВНИИТУ, предназначались для естественного охлаждения углеродогазовой смеси за счёт передачи тепла от углеродогазовой смеси атмосферному воздуху через металлические стенки аппарата для понижения температуры и уменьшения влагосодержания углеродогазовой смеси перед подачей её в фильтры улавливания. Для повышения эффективности газоохладителей Ярославский завод техуглерода посредством установки дополнительных рубашек организовал принудительную подачу воздуха в эти аппараты для нагрева его и подачи как в подогреватели ПВ‑53, так и камеры обогрева сушильных барабанов/2.7..2/стр223-224. На Омском ЗТУ воздушные рубашки на газоохладители были установлены несколько позднее и только в производстве каркасных марок техуглерода. Рубашки газоохладителей были обвязаны последовательно, то есть вся поверхность газоохладителя использовалась для нагрева воздуха, поступающего в подогреватель предварительного подогрева воздуха ПВ–74. Однако ожидаемого результата получить не удалось. Сначала температура воздуха составляла 103–110⁰С., но затем постепенно снижалась, что указывало на отложения техуглерода на поверхности газоохладителя. Особенно это сильно проявлялось в холодное время года. При понижении температуры воздуха на выходе из газоохладителя ниже 80⁰С. начиналось забивание труб в подогревателе ПВ–74, а затем и в подогревателе ПВ–185. Отсюда понятно, что в производстве каркасных марок техуглерода прежде всего нужно принимать меры для повышения температуры нагрева воздуха в рубашках газоохладителей для того, чтобы обеспечить конечную температуру подогрева воздуха в пределах 630–650⁰С. Следует отметить, что газоохладители используются на ОЗТУ с 1997-го года и при их полной замене необходимо изменить конструкцию газоохладителей для обеспечения нагрева воздуха до 150–200⁰С. Такие конструкции в настоящее время известны.
2.6. Заключение.
2.6.1. Воздухоподогреватели с внутренним диаметром труб 33–50мм, вопреки сложившемуся мнению зарубежных специалистов, могут использоваться для высокотемпературного нагрева воздуха, подаваемого в реакторы для получения технического углерода, что подтверждается многолетней практикой использования таких подогревателей на Омском заводе технического углерода. Обязательным условием при этом является предварительный подогрев воздуха до 150 – 250⁰С. перед подачей его в высокотемпературный воздухоподогреватель. ( рис.2.2; рис.2.3.; рис.2.4.). Это необходимо для предотвращения отложений техуглерода на внутренних поверхностях труб подогревателей. Необходимо отметить также, что чем меньше диаметр труб, используемых в воздухоподогревателях, тем выше их эффективность. Масса таких подогревателей при одинаковой температуре подогрева воздуха значительно меньше массы подогревателей, в которых применяются трубы большого диаметра(>80мм).
2.6.2. Приобретение воздухоподогревателей фирмы Alstom в настоящее время нецелесообразно, так как срок окупаемости такого подогревателя значительно превысит срок его службы (разд.2.1.1.). Следует отметить также, что температура подогрева воздуха при получении протекторных марок техуглерода в таком подогревателе обычно составляет 800⁰С., что достигается при двухстадийной системе подогрева воздуха Омского ЗТУ.
Следует отметить, что температура подогрева воздуха в отечественной металлургической промышленности, где в основном и применяются металлические рекуператоры, не превышала в тот период времени 500⁰С., не смотря на наличие специализированных организаций по проектированию и изготовлению воздухоподогревателей. /2.7.7./ стр. 544.
2.6.3. В производстве протекторных марок техуглерода целесообразно организовать первичный подогрев воздуха в рубашках газоохладителей до 150–200⁰С.,что позволит повысить конечную температуру подогрева воздуха, подаваемого в реакторы. Отложения техуглерода протекторных марок на внутренних поверхностях газоохладителей маловероятны. Воздух, нагретый в газоохладителе до 150–200⁰С., сначала нужно подать в прямоточную секцию ВПВ–235, затем в подогреватель ПВ–74(92), и далее в противоточную секцию ВПВ–235. При такой схеме подачи воздуха и подъёме температуры углеродогазовой смеси перед ВПВ–235 до 980–1000⁰С. температура воздуха, поступающего в реактор должна увеличиться до 830–860⁰С.
2.6.4. Подогреватели предварительного подогрева воздуха (ПВ74, ПВ92) нужно заменить на подогреватели с большими диаметрами труб, тем более, что трубы 89x4 имеют даже несколько меньший вес, чем применяемые в подогревателях ПВ–74 и ПВ–92 трубы 76x5. Подогреватели ПВ74 эксплуатируются 15 лет, а после демонтажа могут использоваться для подогрева воздуха, подаваемого в камеры обогрева сушильных барабанов.
2.6.5. Наиболее сложной проблемой является использование подогревателей с малым диаметром труб для подогрева воздуха, подаваемого в реакторы для получения техуглерода каркасных марок (серий 500 и 600) в связи с высокой склонностью этих марок техуглерода к налипанию на поверхность металлических труб. Поэтому, прежде всего нужно значительно уменьшить отложения техуглерода в трубах подогревателей ПВ74 и ПВ185. Одной из мер может быть подача воздуха в подогреватель ПВ74 прямотоком, как это показано на рис.2.2. По этой схеме воздух подаётся в зону, где газы имеют более высокую температуру, что снижает вероятность забивания труб в зоне подачи холодного воздуха. Сразу можно отметить, что воздух следует подать как минимум через два патрубка, как это указано в разделе 2.5. С учётом опыта эксплуатации этой схемы целесообразно на первой стадии подогрева воздуха предусмотреть установку подогревателя ПВ–92 и обвязать его по прямоточной схеме. При этом температура воздуха на входе в ПВ–92 (на выходе из газоохладителя) должна составлять не менее 120⁰С. На второй стадии подогрева установить подогреватель заводской конструкции ПВ–220, обеспечивающий нагрев воздуха до 700⁰С. (рис.2.8, 2.9). При необходимости обеспечения нагрева воздуха до 750 – 780⁰С. нужно на второй стадии установить подогреватель типа ПВ–185 с учётом усовершенствований, применённых при разработке подогревателя ВПВ–235. Воздухоподогреватель нужно изготавливать из жаропрочных сталей 20Х25Н20С2 или 20Х23Н18. Необходимо также устранить переток воздуха из прямоточной секции в противоточную, как это сделано на подогревателе ВПВ–235.
Схема прилагается (рис.2.8.). 
Подогреватель ПВ–220(215) может быть изготовлен из воздухоподогревателя ВПВ–250 с разрушенной нижней решёткой. Подобный подогреватель, изготовленный из воздухоподогревателя ВПВ–270, применялся на ОЗТУ и обеспечивал нагрев воздуха до 700⁰С. (рис.2.9.). рис.2.9.
Как понятно из приведённых рисунков подогреватели ПВ–230 и ПВ–220 не имеют двойного дна, поэтому температура перед подогревателями поддерживается в пределах 840–860⁰С., а конечная температура подогрева воздуха составляет 690–710⁰С. По данным зарубежных специалистов двойное дно нужно применять только при температуре подогрева воздуха более750⁰С./2.7.3./ Расчётная температура стенок труб