Способ производства азотной контролируемой атмосферы

Изобретение относится к процессам производства и получения азотных контролируемых атмосфер, применяемых при термической обработке металлов, и может быть применено на заводах металлургической и машиностроительной промышленности. Способ включает неполное сжигание углеводородного топлива, абсорбционную очистку продуктов горения от двуокиси углерода с замкнутой системой восстановления свойств абсорбента и адсорбционную очистку от паров влаги. Производят регенерацию и охлаждение адсорбента путем продувки соответственно горячей и холодной производимой защитной атмосферой. В камеру сжигания дополнительно подают смесь углеводородного газа и технического азота. Технический азот подают в количестве 20-40% от объема производимой готовой контролируемой атмосферы. Углеводородный газ подают в количестве 4-7% от объема исходного углеводородного топлива. Изобретение позволяет удешевить процесс производства и значительно увеличить производительность процесса при сохранении качественных характеристик готовой азотной контролируемой атмосферы и при одновременном сокращении удельного расхода исходного углеводородного топлива. 1 табл.

 

Изобретение относится к процессам производства и получения азотных контролируемых (экзотермических) атмосфер, применяемых при термической обработке металлов, и может быть применено на заводах металлургической и машиностроительной промышленности.

Известен способ получения контролируемой атмосферы [1], согласно которому

- смесь природного газа и воздуха направляют в обогреваемый извне слой катализатора (например, ГИАП-3), в присутствии которого при t=1050° С происходит сгорание (конверсия природного газа с кислородом воздуха) при коэффициенте расхода воздуха α =0,25-0,50;

- образовавшиеся при этом продукты конверсии (об.%: СО=20; H₂=40; СО₂=0,1; СН₄=0,2; Н₂=0,6; N₂=39,1) направляют на предварительное охлаждение;

- часть предварительно охлажденных продуктов конверсии смешивают с азотом, содержащим до 1,0 об.% кислорода, и далее полученную смесь, дополнительно охлажденную за счет разбавления азотом, направляют на очистку от кислорода в слой катализатора (например, низкотемпературный катализатор или палладиевый);

- очищенный от кислорода на катализаторе газ смешивают с оставшейся частью предварительно охлажденных продуктов конверсии, после чего смесь окончательно охлаждают водой до t=20° С и при этом получается атмосфера, близкая по своему составу к контролируемой атмосфере богатого экзогаза.

Недостатки способа [1]:

- процесс сжигания углеводородов (природного газа) ведут при α = 0,25-0,50, т.е. процесс эндотермичен и поэтому энергоемкий (требует дополнительного подвода тепла извне и дорогостоящих никельсодержащих или палладиевых катализаторов);

- процесс получения защитной атмосферы является дорогостоящим и ненадежным, т.к. снижается содержание водорода в производимой контролируемой атмосфере, который расходуется на связывание входящего в разбавитель - азот - кислорода, во время каталитической реакции Н₂+1/2О₂ ⇔ Н₂О и тем самым увеличивается содержание влаги - вредной примеси в производимой атмосфере.

Известен способ получения контролируемой атмосферы на базе продуктов сгорания природного газа [2]. Способ состоит в том, что в освобожденные от двуокиси углерода и избытка влаги продукты сгорания природного газа, выполняющие роль газа-разбавителя, подают необходимое количество природного газа и смесь подвергают конверсии на никелевом катализаторе при температуре 1000° С. Этот способ сложен в реализации, а получаемая атмосфера имеет высокую себестоимость из-за необходимости очистки и частичной осушки продуктов сгорания, а также необходимости применения дорогостоящего никельсодержащего катализатора.

Известен способ получения контролируемой атмосферы, предотвращающей окисление и обезуглероживание металла [3]. Способ состоит в том, что углеводородное топливо сжигают с коэффициентом расхода воздуха α =0,30-0,55.

Недостатком способа является необходимость энергозатрат на подогрев воздуха или газовоздушной смеси, а также повышенный расход углеводородного топлива.

Известен способ получения контролируемой атмосферы на базе технического азота [4], согласно которому в технический азот добавляют природный газ в количестве 2,0-2,5 объема кислорода, содержащегося в техническом азоте, и полученную смесь подвергают конверсии на никелевом катализаторе. Недостатками этого способа являются ненадежность производства, необходимость применения дорогостоящего катализатора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ производства азотной контролируемой атмосферы, описанный при производстве защитной атмосферы и внедренный на агрегатах “N₂” [5, стр.156-164]. Суть данного способа заключается в неполном сжигании углеводородного топлива (природный газ сжигается при коэффициенте расхода воздуха α _в=0,90-0,95), абсорбционной очистке продуктов горения от двуокиси углерода с замкнутой системой восстановления свойств абсорбента и адсорбционной очистке от паров влаги с последующей регенерацией и охлаждением адсорбента путем продувки соответственно горячей и холодной производимой защитной атмосферой, вырабатываемой агрегатом “N₂”. Недостатками этого способа являются большие затраты на изготовление и эксплуатацию оборудования и относительно высокая себестоимость производимой азотной атмосферы.

Кроме того, недостатком способа является также и значительное увеличение расхода энергоресурсов (углеводородного топлива, электроэнергии, воды) и материалов (абсорбента - моноэтаноламина, адсорбента) при необходимости увеличения количества производимой азотной контролируемой атмосферы (повышении производительности процесса).

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе производства азотной контролируемой атмосферы, включающем неполное сжигание углеводородного топлива, абсорбционную очистку продуктов горения от двуокиси углерода с замкнутой системой восстановления свойств абсорбента и адсорбционную очистку от паров влаги с последующей регенерацией и охлаждением адсорбента путем продувки соответственно горячей и холодной производимой защитной атмосферой, согласно изобретению в камеру сжигания подают дополнительно смесь углеводородного газа в количестве, равном 4-7% от объема исходного углеводородного топлива, и технического азота, взятого в количестве 20-40% от объема производимой готовой азотной контролируемой атмосферы.

Технический результат от применения предлагаемого способа заключается в увеличении производительности получения азотной контролируемой атмосферы при сохранении ее качественных характеристик и сокращении удельного расхода углеводородного топлива за счет утилизации технического азота - побочного продукта кислородных станций, выбрасываемого в воздушный бассейн, что в конечном итоге удешевит процесс производства атмосферы.

По предлагаемому способу технический азот, содержащий 97,0% азота и 3,0% кислорода и получаемый как побочный продукт кислородных станций, смешивают с углеводородным газом в указанных выше количествах и подают в высокотемпературную зону камеры сжигания (например, в камеру сжигания агрегатов “N₂” для производства азотной контролируемой атмосферы. Температура продуктов сгорания в этой зоне на агрегатах “N₂” при α _в=0,90-0,95 составляет 1300-1400° С).

Дополнительно вводимый углеводородный газ связывается со свободным кислородом, поступающим с техническим азотом, а также с неиспользованным при горении топлива в камере сжигания кислородом воздуха; кроме того, происходит конверсия углеводородного топлива водяным паром и углекислотой, содержащимися в продуктах горения, по реакциям:

СН₄+2O₂⇔СО₂+2Н₂O

СН₄+Н₂O⇔ СО+3Н₂

СН₄+СО₂⇔2СО+2Н₂

Таким образом, в составе продуктов горения увеличивается количество восстановительных компонентов СО и Н₂.

Технический азот, поступая в камеру сжигания, увеличивает количество продуктов горения (в конечном счете, готовой азотной контролируемой атмосферы), одновременно разбавляя увеличенное количество СО и Н₂ до их величин, обусловленных паспортным составом контролируемой атмосферы агрегата “N₂”.

Регулируя количество дополнительного углеводородного газа, подаваемого в камеру сжигания, получают и поддерживают заданный состав увеличенного количества продуктов горения в зависимости от количества добавляемого технического азота и содержания в нем кислорода с тем, чтобы полученная азотная контролируемая атмосфера по составу полностью соответствовала составу заданной азотной контролируемой атмосферы, получаемой от неполного сжигания исходного углеводородного топлива без добавок технического азота и дополнительного углеводородного газа.

При увеличении количества технического азота более 40% от объема готовой производимой контролируемой атмосферы и углеводородного газа более 7% от объема исходного углеводородного топлива, подаваемых в камеру сгорания, ухудшается состав производимой контролируемой атмосферы.

С уменьшением количественного соотношения в смеси технического азота (менее 20%) и углеводородного газа (менее 4%) производство контролируемой атмосферы становится экономически нецелесообразным.

Для пояснения изложенного ниже приведены примеры осуществления способа.

Исходные данные к примерам

1. Исходный состав продуктов сгорания (например, для агрегата N₂-800П до очистки от СО₂ и осушки Н₂О), об.% (для всех примеров):

СO₂=8,80

СО=1,11

Н₂=0,87

Н₂O=20,04

N₂=69,18

Количество продуктов горения, м³/ч:

V_пг = 1431,6

Температура, ° С t=1300

Коэффициент расхода воздуха α _в=0,95

2. Состав готовой произведенной азотной контролируемой атмосферы (после очистки и осушки), об.%:

СO₂=0,10

O₂=0,005

СО=1,54

Н₂O=0,01

Н₂=1,21

N₂=остальное до 100 об.%

Количество готовой азотной контролируемой атмосферы, м³/ч:

V_г.э=1018,73

3. Состав технического азота, об.%:

N₂=97,0

O₂=3,0

Пример 1

К исходным высокотемпературным продуктам сгорания, СO₂, Н₂O, N₂, СО и Н₂, образующимся в камере сжигания агрегата N₂-800П и имеющим температуру 1300-1400° С, добавляют:

- 200 м³/ч технического азота (или ~20% от объема первоначального производимой готовой контролируемой атмосферы);

- 5 м³/ч природного газа (или ~ 4% от расхода исходного углеводородного топлива).

Состав и количество готовой азотной контролируемой атмосферы после осуществления способа (об.%):

СO₂=0,10

СО=1,67

Н₂=1,31

O₂=0,005

Н₂O=0,01

N₂=остальное до 100%

Количество, м³/ч: V_г.э=1220,73.

Пример 2

К исходным высокотемпературным продуктам сгорания одновременно добавляют:

- 300 м³/ч технического азота (или ~30% от объема первоначального производимой готовой контролируемой атмосферы);

- 7 м³/ч природного газа (или ~5,3% от расхода исходного углеводородного топлива).

Состав и количество готовой азотной контролируемой атмосферы после осуществления способа (об.%):

СO₂=0,10

СО=1,63

Н₂=1,28

O₂=0,005

Н₂O=0,01

N₂=остальное до 100%

Количество, м³/ч: V_г.э=1319,73

Пример 3

К высокотемпературным исходным продуктам сгорания одновременно добавляют:

- 400 м³/ч технического азота (или ~40% от объема первоначального производимой готовой контролируемой атмосферы);

- 9 м³/ч природного газа (или ~7,0% от расхода исходного углеводородного топлива).

Состав и количество готовой азотной контролируемой атмосферы после осуществления способа (об.%):

СO₂=0,10

СО=1,59

Н₂=1,25

O₂=0,005

Н₂O=0,01

N₂=остальное до 100%

Количество, м³/ч: V_г.э=1418,73

При увеличении добавки природного газа во всех указанных случаях состав готовой азотной контролируемой атмосферы изменится в сторону увеличения количества газов-восстановителей (СО и H₂).

Сравнительные составы атмосфер и расходы природного газа по предлагаемому способу и прототипу приведены в таблице.

Для производства 1418,73 м³/ч готовой азотной контролируемой атмосферы по действующей технологии, получаемой на агрегатах “N₂” (прототип), потребовалось бы 191,5 м³/ч природного газа, а по предлагаемому способу 144,5 м³/ч, т.е. экономия природного газа при работе только одного агрегата составит 47 м³/ч (191,5-144,5=47 м³/ч).

Таким образом, внедрение предложенного способа производства азотной контролируемой атмосферы позволит удешевить процесс производства и значительно увеличить количество производимой азотной контролируемой атмосферы при сохранении ее качественных характеристик и одновременном сокращении удельного расхода природного газа.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Авторское свидетельство СССР №965991, кл. С 21 Д 1/17, 1982 г.

2. Авторское свидетельство СССР №148079, кл. С 21 Д 1/74, 1962 г.

3. Патент Австралии №292412, кл. С10, С21, С22, 1969 г.

4. Авторское свидетельство СССР №523144, кл. С 21 Д 1 1/74, 1976 г.

5. А.А.Шмыков, Б.В.Малышев. Контролируемые атмосферы при термической обработке стали. Машгиз, 1953 г. (Агрегаты для производства защитного газа N₂-150П, N₂-300П, N₂-300ПК, N₂-800П, N₂-800ПК, N₂-1000ПК конструкции института “Стальпроект”, Москва, 1965-1993 г.).

Способ производства азотной контролируемой атмосферы, включающий неполное сжигание углеводородного топлива, абсорбционную очистку продуктов горения от двуокиси углерода с замкнутой системой восстановления свойств абсорбента и адсорбционную очистку от паров влаги с последующей регенерацией и охлаждением адсорбента путем продувки соответственно горячей и холодной производимой защитной атмосферой, отличающийся тем, что в камеру сжигания подают дополнительно смесь углеводородного газа в количестве, равном 4-7% от объема исходного углеводородного топлива, и технического азота, взятого в количестве 20-40% от объема производимой готовой азотной контролируемой атмосферы.