Газовая смесь для отопления камерных печей с внешним обогревом и способ ее получения

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.

 

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.%
Составляющая	Компоненты	Заявленный	Прототип
		интервал	типичный
Горючая	CН4	8-15	10	2,4
	C2 и выше	-	-	1,0
	Н2+CО	-	-	14,1
Негорючая	О2	0-5	4	0,7
	CO2+N2	66-85	78	81,8
	Н2O	6-9	8	-
Итого	100%	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.%	10	12	15	22
Срок службы регенераторов, дн	35	33	30	6

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.
Показатели	Температура разбавителя, °C
	70	60	50	40
1. Относительные энергетические затраты	1,36	1,12	1,00	0,98
2. рН конденсата из газовой смеси
без промывки	5,2	5,6	5,9	6,2
после промывки	6,5	6,7	6,9	6,9

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.
Смешение
Естественное в	принудительное в газодувках при об./мин.
газопроводе	500	800	1000	1200
95,0	32,0	18,0	0,0	0,0

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.

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.