Газообразные горючие ВЭР
Рассмотрим основные принципы использования газообразных горючих отбросных газов на примере сажевого производства. Технологическая схема получения сажи, необходимой для производства резины, представлена на рис. 4 [3].
Сырье – масло специальных сортов подогревается в подогревателе и поступает в реактор с температурой ~300 °С. Подогрев осуществляется за счет теплоты уходящих из реактора газов. В реакторе при температуре 1400 °С происходит разложение сырья. Температура поддерживается за счет сжигания в камере сгорания природного газа либо дизельного топлива. В реакторе сжигание осуществляют при коэффициенте подачи топлива a<0,25, т.е. ниже границы сажевыделения. Чтобы не происходило реагирование сажи с СО2 и Н2О при медленном охлаждении продуктов – осуществляют закалку продуктов реакции, впрыскивая воду и охлаждая газы до 700°С. Воздух высокого давления, подаваемый на распыливание продукта, греют до 450 °С, воздух низкого давления, подаваемый на сжигание газа, подогревают до 350 °С. Температура газовзвеси после подогревателя сырья составляет 450 °С. Перед рукавными фильтрами ее охлаждают до 250 ° за счет впрыска воды. На 1 кг углерода образуется от 40 до 60 м3 сажевых газов следующего состава: Н2 = 7-8 %; СО = 6-7 %; СН4 = 0,5-0,7 %; О2 = 2-3 %; СО2 = 2 %; N2 = 40 %; Н2О = 40 %. Теплота сгорания газов данного состава составляет 1,5-2,1 МДж/м3, т.е. находится на пределе устойчивости горения. Если сконденсировать влагу, т.е. охладить газовзвесь после рукавных фильтров до 50-60 °С, то теплота сгорания газов повысится ~ в 1,54-2 раза, но при этом мелкодисперсная сажа попадет в сточные воды. Из каждого килограмма сырья (в том числе технологического топлива) в реакторе образуется 6,5-8,2 м3 сажегазовой смеси.
Рис. 1.1. Технологическая схема производства сажи [2]:
1 – теплообменник; 2 - сырьевой насос; 3 – печь для подогрева сырья; 4 - фильтр;
5 – реактор; 6 – подогреватель воздуха высокого давления; 7 - подогреватель воздуха низкого давления; 8 – подогреватель сырья; 9 - циклон; 10 – рукавные фильтры;
11 – котел-утилизатор; 12 – форсунка для подачи воды, 13 – вентиляторы
Низкокалорийные газы сажевых производств сжигают в пакетно-конвективных котлах (ПКК), выпускаемых Белгородским заводом энергетического машиностроения (Б3ЭМ). Котлы имеют предтопок, в котором сажевый газ сжигается совместно с природным газом (либо мазутом). Воздух, поступающий на горелки, подогревают до 350 °С. Для сжигания отбросных газов используют специальные горелки, обеспечивающие совместное сжигание отбросного и природного газов. Единичная мощность горелок по сажевому газу доведена до 7,5-9,3 МВт. Наибольшая мощность горелки с учетом сжигания резервного топлива составляет 17,3 МВт. Выгорание сажи составляет 99 % в пределах предтопка даже при содержании сажи до 3 г/м3. При снижении нагрузки температура в предтопке падает до 1000-1050 °С и не обеспечивается выгорание сажи. Для полного выгорания сажи требуется обеспечить время пребывания частиц сажи в течение 1,5 с при температуре 1150-1200 °С.
Теплота сгорания сажевого газа при известном его составе рассчитывается по выражению:
,МДж/м3.(1.1)
Количество природного газа, подаваемого в предтопок для обеспечения устойчивого горения, может быть рассчитано либо по заданной теплоте сгорания смеси сажевого и природного газа, либо по заданной температуре газов в предтопке.
Расчет по заданной теплоте сгорания смеси.
Заданными являются теплота сгорания сажевого газа 
, теплота сгорания природного газа Qпр и теплота сгорания их смеси Qсм. Доля природного газа х, подаваемого на 1 м3 сажевого газа, рассчитывается из уравнения теплового баланса
. (1.2)
Расчет по заданной температуре устойчивого горения.
Заданными являются состав и теплота сгорания сажевого и природного газа, а также минимальная температура устойчивого горения tг в факеле, которую принимают обычно примерно равной 1150-1300 °С. По известному составу рассчитывают энтальпии сажевого Iг и природного Iпр газов при температуре tг. Считая, что вся теплота, вводимая в теплоизолированный предтопок, переходит в энтальпию продуктов сгорания, можно записать тепловой баланс в следующем виде:
. (1.3)
Расчет энтальпий продуктов сгорания при известных объемах продуктов сгорания проводят по следующим выражениям:
, (1.4)
где энтальпия теоретического количества продуктов сгорания, кДж/ м3:
, (1.5)
а энтальпия теоретически необходимого количества воздуха, кДж/ м3:
. (1.6)
Область применения котлов ПКК расширяется, их используют в нефтехимической промышленности за печами выжига катализатора, в сланцеперерабатывающей промышленности для сжигания забалластированных газов [2]. В сланцеперерабатывающей промышленности состав газов меняется во времени и составляет: Н2 = 6,2-10 %; СО = 3,1-4 %; СН4 = 1,25-3,6 %; СmHn = 0,77-1,1 %; О2 = 0,38-2 %; СО2 = 16,2-17,7 %; N2 = 22,1-31,6 %; Н2О » 30 %. Теплота сгорания газов может снижаться до 1,9 МДж/м3 за счет присутствия воды в капельно-жидких компонентах. Трудность сжигания этих газов обусловлена нестабильностью состава. Для сжигания газов, содержащих капельно-жидкую фракцию, предложена специальная горелка (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Горелка для сжигания газов, содержащих жидкие фракции [3]:
1 – улиткообразный корпус; 2 – тангенциальный патрубок; 3 – цилиндрическая труба;
4 – внутренняя поверхность; 5 – перфорированная обечайка; 6 – желоб; 7 – форсунка;
8 – радиальная труба; 9 - сопло
Горелочное устройство работает следующим образом. Газы, содержащие вязкие капельно-жидкие компоненты во взвешенном состоянии, подаются в улиткообразный корпус 1 тангенциальным патрубком 2 и цилиндрической трубой 3, где в результате закручивания потока крупные капли жидкости тормозятся и оседают на внутренней поверхности 4 перфорированной обечайки 5 с выпускными отверстиями. Под действием силы тяжести они стекают в желоб 6, откуда подаются в форсунку 7, подключенную к радиальной трубе 8. На выходе из форсуночного сопла 9 жидкие компоненты распыливаются, испаряются и сгорают в потоке газовоздушной смеси. Сепарация жидкой фазы и ее дожигание вместе с газами позволяет стабилизировать работу горелки, поскольку сепарация, сбор и подача жидкой фазы с постоянным расходом обеспечивает более равномерную подачу топлива.
Большинство топок для сжигания низкокалорийных газов представляют собой адиабатно изолированные камеры [3]. Установка для сжигания сильно забалластированных газов для выжигания сажи на катализаторах (Alcorn bustion) представлена на рис. 1.3. Для выжигания используют циклонный предтопок, перед которым предварительно смешивают воздух и отбросные газы.
Отбросные газы поступают в камеру сгорания 1 по трубе 2 и каналу 3. Воздух нагнетается в эту камеру вентилятором. Из кольцевого коллектора 4 воздух поступает в смеситель 5 через отверстия 6 и непосредственно в камеру 1 через отверстия 7. Процесс горения локализуется в камере 1 и в камере догорания 8. Физическое тепло отбирается от продуктов сгорания в трубчатом теплообменнике 9, в котором можно осуществлять подогрев воды или других теплоносителей, например нефтепродуктов, поступающих в реактор для каталитического крекинга. Предварительный разогрев камеры сгорания до температуры выше 940 °С и осуществляется путем сжигания вспомогательного топлива (высококалорийного газа или мазута) в горелках 10.
| Рис. 1.3. Установка для сжигания сильно забалластированных газов, образующихся при выжигании сажи на катализаторах: 1 – камера сгорания; 2 – труба, 3 – канал; 4 - кольцевой коллектор; 5 – смеситель; 6, 7 – отверстия для выхода воздуха; 8 - камера догорания; 9 - трубчатый теплообменник; 10 - горелка |
