ГАЗОВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ КАМЕРНЫХ ПЕЧЕЙ С ВНЕШНИМ ОБОГРЕВОМ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C10B21/04 

Изобретение относится к области коксохимической и сланцеперерабатывающей промышленности, в частности термообработке углеродных материалов, например угля, сланца и нефтяного кокса, в камерных печах с внешним обогревом.

Известны различные виды низкокалорийных отопительных газов, использующихся для обогрева камерных и коксовых печей (Справочник сланцепереработчика. Ленинград. "Химия", 1988 - с. 66: Справочник коксохимика. т.2. Издательство "Металлургия", 1965. - с.19, 225).

Данные отопительные газы являются побочным продуктом других технологических процессов. Так, например, газогенераторный газ получается при производстве сланцевой смолы полукоксованием горючего сланца в газогенераторах, доменный газ - при выплавке чугуна в доменных печах. В случае остановки или ликвидации этих производств рассматриваемые печи лишаются источника тепла, необходимого для осуществления основного процесса.

Использование собственных технологических газов, получаемых как побочный продукт, напрямую невозможно в этих конструкциях печей из-за высокой калорийности и опасности газов, содержащих более 20% углеводородов (коксовый газ) и до 70% водорода (камерный газ) (Справочник коксохимика. Издательство "Металлургия", 1965, с.11., Вишнев В.Г. и др. Опыт прокалки нефтяных коксов в камерных печах. ЦНИИТЭНефтехим, Москва, 1981). Использование таких "богатых" отопительных газов требует кардинального изменения конструкции печей (Патент RV №2039786), является сложным и дорогим техническим решением.

Наиболее близким к заявляемому по калорийности, составу и технологии использования является отопительный газ камерных печей (газогенераторный) с калорийностью 600-1000 ккал/м³, получаемый как побочный продукт при полукоксовании сланца в газогенераторах (Справочник сланцепепереработчика. Ленинград. "Химия", 1988. - с.60, 66). Газогенераторный газ содержит в своем составе горючие компоненты (Н₂S, C_nH_m, CO и Н₂) и негорючие составляющие (N₂, CО₂, О₂) и используется как низкокалорийное топливо при сжигании в отопительной системе камерных печей. Особенность таких печей - наличие регенераторов тепла с высокоразвитой огнеупорной поверхностью для подогрева низкокалорийного газа. Предварительный подогрев газа гарантирует его воспламенение при последующем соединении с воздухом. Регенераторы являются неотъемлемой конструктивной частью камерных печей.

Недостатком такой отопительной газовой смеси, как сланцевый генераторный газ, является необходимость организации специального его производства, высокозатратность и нерентабельность процесса (Нефтепереработка и Нефтехимия. №10, 2002, с.17). Сланцевый генераторный газ содержит значительное (8-10 г/м³) количество сероводорода (Справочник спанцепереработчика, 1988, с. 60-66), что делает его экологически опасным топливом. Наличие в его составе газбензина и тяжелых углеводородов (C₂ и выше) осложняет технологию обогрева печей за счет пиролиза этих примесей в регенераторах тепла с отложением пироуглерода при температурах 900°C и более.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу получения газовой смеси для отопления камерных печей с внешним обогревом является способ, описанный в SU 632294 (кл. C 01 В 2/16, 1978) и включающий сжигание природного газа и охлаждение полученных дымовых газов.

При этом сжигание углеродсодержащего материала с кислородосодержащим газом осуществляется при высоких температуре (до 1927°C) и давлении (2,1-210 атм), что значительно усложняет и удорожает процесс. Причем дальнейшее смешение продуктов сжигания с "жидким" углеводородом производится при этих же крайне жестких условиях.

Задача предлагаемого технического решения - повышение надежности и безопасности процесса.

Задача решена при использовании газовой смеси, состоящей из горючей части, включающей углеводороды, и негорючей части, включающей азот, двуокись углерода и кислород, где в качестве горючей составляющей используется природный газ, содержащий не менее 99% метана, а негорючей - дымовые продукты от его сжигания при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, причем негорючая часть дополнительно содержит водяной пар при соотношении горючей и негорючей частей 9-15 и 91-85 об.% соответственно. При этом получение данной газовой смеси, включающей сжигание природного газа и охлаждение образующихся дымовых газов, заключается в том, что используют природный газ, содержащий не менее 99% метана, который сжигают при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, а полученные дымовые газы перед охлаждением промывают водно-щелочным раствором и охлаждают до температуры не более 50°C, после чего подают на смешивание с исходным природным газом в центробежных лопастных машинах при соотношении исходного природного газа и дымовых газов 9-15 и 91-85 об.% соответственно. Причем, в качестве водно-щелочного раствора используют техническую воду гидроудаления зольных отходов от сжигания сланца, а смешение газа и дымовых продуктов осуществляют при частоте вращения в центробежных лопастных машинах не менее 1000 об/мин.

Существенным отличительным признаком предлагаемой отопительной газовой смеси является использование в качестве горючей составляющей природного газа, содержащего не менее 99% метана, искусственно разбавленного до необходимого состава дымовыми продуктами от его сжигания при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, причем негорючая часть дополнительно содержит водяной пар при соотношении горючей и негорючей частей 9-15 и 91-85 об.% соответственно.

Существенным отличительным признаком предлагаемого способа получения заявляемой газовой смеси является использование природного газа, содержащего не менее 99% метана, его сжигание при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, промывка полученных дымовых продуктов водно-щелочным раствором и охлаждением их до температуры не более 50°C, а также последующее гомогенизирующее смешение разбавителя и горючей составляющей с использованием центробежных лопастных машин при частоте вращения не менее 1000 об/мин.

Сущность и отличительные особенности заявляемой искусственной газовой смеси поясняются табл.1, где приведены компонентные составы заявленной смеси и прототипа.

Таблица 1.  Составы, об.%СоставляющаяКомпонентыЗаявленныйПрототип  интервалтипичный ГорючаяCН₄8-15102,4 C₂ и выше--1,0 Н₂+CО--14,1НегорючаяО₂0-540,7 CO₂+N₂66-857881,8 Н₂O6-98-Итого100%100% Н₂S, мг/м³--9,6

Преимуществом заявляемого состава газовой смеси является отсутствие водорода и тяжелых углеводородов. Водород является самым взрывоопасным компонентом отопительных газов, обладает высокой скоростью распространения пламени. Наличие его в составе прототипа требует сведения доли кислорода в отопительном газе камерных печей до минимума (менее 2%), что в рамках реального промышленного производства сложно и дорого ("Справочник сланцепереработчика", 1988, с. 60-66).

Трехатомные газы (Н₂O) оказывают флегматизирующее влияние на кислородсодержащие взрывоопасные газовые смеси (Рабинович М.Б. Газ и его применение в народном хозяйстве. - М.: Недра, 1974). Наличие их позволяет сузить пределы взрываемости отопительных газов и безопасно работать при большем содержании кислорода в нем.

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.044-89 верхний предел распространения пламени (ϕ^t _в) при повышении температуры до величины t определяется по формуле

ϕ^t _в=ϕ_в[1+(t-25)/800],

где t=800°C - температура подогрева газа в регенераторах камерных печей;

ϕ_в=38,7 - верхний концентрационный предел распространения пламени в воздухе, рассчитанный по методике ("Справочник сланцепереработчика ", 1988).

Для газа заявляемого состава величина ϕ^t _в составит

ϕ^t _в=38,7[1+(800-25)/800]=76,1.

Это соответствует содержанию кислорода в газовоздушной смеси

(100-76,1)-0,209=5%.

Наличие в заявляемой смеси в качестве негорючего компонента водяного пара в объеме не менее 6% позволяет поднять верхний предел по содержанию кислорода до 5%.

Наличие тяжелых углеводородов (C₂ и выше) в составе прототипа, склонных на горячих поверхностях пиролизоваться с отложением фиксированного углерода (Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. - М.: Химия, 1972), снижает срок службы печей за счет быстрого забивания насадки регенераторов тепла с нарушением гидравлического режима процесса.

Ограничение доли метана в газовой смеси 15% связано с проблемой его частичного пиролиза в огнеупорных регенераторах печей при температурах порядка 900°C (Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. - М.: Химия, 1972). Статистика использования отопительного газа с различным содержанием метана подтверждает обоснованность заявляемого предела его содержания в смеси. Срок службы регенераторов между чистками и прожиганиями резко уменьшается при доле метана выше 15%.

Таблица 2.Доля метана в газовой смеси, об.%10121522Срок службы регенераторов, дн3533306

Нижний предел содержания метана (8%) определяется минимальной теплотой сгорания отопительного газа, необходимой для его воспламенения в отопительной системе печей.

Заявляемая газовая смесь по сравнению с прототипом является также экологически более безопасной по уровню выбросов серосодержащих продуктов при ее использовании.

Таким образом, заявленные признаки непосредственно влияют на технический результат изобретения и их совокупность обеспечивает повышение надежности и безопасности эксплуатации печей.

Заявляемый способ получения газовой смеси обосновывается следующим. Охлаждение до температуры менее 50°C и водно-щелочная промывка негорючего разбавителя обеспечивают оптимальную работу центробежных газовых смесителей по энергетическим затратам и коррозионной углекислотной опасности.

Таблица 3.ПоказателиТемпература разбавителя, °C 706050401. Относительные энергетические затраты1,361,121,000,982. рН конденсата из газовой смеси    без промывки5,25,65,96,2после промывки6,56,76,96,9

Из табл.3 видно, что затраты на смешение и транспортировку отопительного газа с использованием центробежных лопастных машин резко возрастают при его температуре выше 50°C. Водно-щелочная промывка газа разбавителя позволяет стабилизировать рН конденсата газа до уровня, близкого к нейтральной реакции (рН 7,0) также при температуре 50°C и ниже.

Коэффициент избытка воздуха при сжигании природного газа 1,03-1,05 является оптимальным с точки зрения коэффициента полезного действия топочного котла.

Одним из основных эксплуатационных требований к отопительным газам является их однородность и стабильность калорийности. Заявленный способ получения газовой смеси предусматривает принудительное смешение горючей и негорючей составляющих с использованием высокоскоростных газодувных лопастных машин при частоте вращения не менее 1000 об/мин. Это позволяет при высокой разнице в плотностях у основных компонентов (CН₄ - 0,7 кг/м³, N₂ - 2,9 кг/м³, CO₂ - 1,96 кг/см³) получать однородный гомогенизированный отопительный газ.

Данные табл.4 позволяют обосновать заявленные условия принудительного смешения компонентов газовой смеси по величине разброса (%) калорийности газа по сечению газопровода (диаметром 1600 мм).

Таблица 4.СмешениеЕстественное впринудительное в газодувках при об./мин.газопроводе5008001000120095,032,018,00,00,0

Опробование предложенной отопительной газовой смеси и способы ее получения были выполнены в опытно-промышленных условиях в течение двухмесячного пробега.

Печным агрегатом, где использовалась отопительная смесь, являлся блок батарей камерных печей по прокаливанию нефтяного кокса общей мощностью 540 тонн в сутки.

В качестве горючей составляющей газовой смеси использовался природный газ по ГОСТ 5542-87, содержащий не менее 99% метана (CН₄). В качестве основы для подготовки инертного разбавителя использовались дымовые продукты от сжигания природного газа на ТЭЦ при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05.

Перед поступлением на смещение с природным газом данные дымовые продукты проходили водно-щелочную промывку (рН раствора 10-12) в форсуночном скруббере, где насыщались водяным паром и поступали в воздушные трубчатые холодильники (поверхность теплообмене 1600 м²), где охлаждались до температуры менее 50°C, а затем поступали на газодувные машины 2ТГ-80-1 с частотой вращения 1000-1050 об./мин. При этом разбавитель имел следующий состав, об.%:

N₂+CO₂ - 87,3

Н₂О - 8,2

O₂ - 4,5

Во всасывающий коллектор газодувок поступал природный газ среднего давления с калорийностью 8000 ккал/м³, и далее газодымовая смесь транспортировалась непосредственно к камерным печам под давлением 6-10 кПа (600-1000 кГс/м²).

Объем производства искусственной газовой смеси составил 18-20 тыс.м³/час. Характеристика полученной отопительной газовой смеси была следующая:

Q_н - 1020 ккал/м³

Состав, об.%:

CН₄ - 13,2

О₂ - 4,3

CО₂+N₂+Н₂О - 82,5

Горение приготовленной газовой смеси в отопительной системе камерных печей отличалось устойчивостью и однородностью факела, отсутствием копоти и избытка кислорода в продуктах горения. Удельный расход тепла на процесс по сравнению с прототипом снизился на 7-8%. Осмотр газового оборудования и всей отопительной системы подтвердил отсутствие отложений углерода, что повысило надежность эксплуатации процесса. Контроль за атмосферой на рабочих местах подтвердил полное отсутствие сернистых соединений, что говорит о повышении и экологической безопасности данного процесса.

Настоящее изобретение относится к области коксохимической и сланцеперерабатывающей промышленности и может быть использовано для отопления камерных печей с внешним обогревом. Газовая смесь состоит из природного метансодержащего газа и дымовых продуктов от его сжигания при их соотношении 9-15 и 91-85 об.%, соответственно. Сжигание природного газа, содержащего не менее 99% метана, ведут при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05. Полученные дымовые газы промывают водно-щелочным раствором. Далее их охлаждают до температуры не более 50°C и подают на смешивание с исходным природным газом в центробежных лопастных машинах при частоте вращения не менее 1000 об/мин. Изобретение повышает надежность и безопасность процесса. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Газовая смесь для отопления камерных печей с внешним обогревом, состоящая из горючей части, включающей углеводороды, и негорючей части, включающей азот, двуокись углерода и кислород, отличающаяся тем, что в качестве горючей части используют природный газ, содержащий не менее 99% метана, а негорючей - дымовые продукты от его сжигания при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, причем негорючая часть дополнительно содержит водяной пар, при соотношении горючей и негорючей частей 9-15 и 91-85 об.% соответственно.2. Способ получения газовой смеси для отопления камерных печей с внешним обогревом, включающий сжигание природного газа и охлаждение полученных дымовых газов, отличающийся тем, что используют природный газ, содержащий не менее 99% метана, его сжигание ведут при коэффициенте избытка воздуха 1,03-1,05, полученные дымовые газы перед охлаждением промывают водно-щелочным раствором, а охлаждение проводят до температуры не более 50°C, после чего подают на смешивание с исходным природным газом в центробежных лопастных машинах при соотношении исходного природного газа и дымовых газов 9-15 и 91-85 об.% соответственно.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве водно-щелочного раствора используют техническую воду гидроудаления зольных отходов от сжигания сланца.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что смешение осуществляют при частоте вращения в центробежных лопастных машинах не менее 1000 об/мин.