Технический углерод. Процессы и аппараты. Дополнительные материалы

Необходимо отметить, что технологические потоки по производству протекторного техуглерода ОЗТУ до конца 2004года были в основном оборудованы высокотемпературными системами подогрева воздуха, тогда как остальные российские заводы техуглерода в это время не имели таких подогревателей. Ярославский ЗТУ начал заниматься этой темой после посещения Омского завода в середине 2004-го года во время юбилея завода. На остальных заводах техуглерода до сих пор внедрение высокотемпературного подогрева воздуха полностью не проведено. Поэтому необходимо рассмотреть экономический результат от внедрения высокотемпературных воздухоподогревателей различной конструкции в современных условиях.

2.1.1. Применение воздухоподогревателя фирмы ALSTOM(SCHACK®).

На лучших заводах ведущих зарубежных фирм по производству техуглерода для высокотемпературного нагрева воздуха, используются воздухоподогреватели фирмы ALSTOM, обеспечивающие нагрев воздуха до 650, 800 и 900°С. При получении полуактивных (каркасных) марок техуглерода подогрев воздуха производится до 650°С., при получении протекторных марок техуглерода используются воздухоподогреватели, обеспечивающие нагрев воздуха до 800°С. Такой подогреватель имеет сложную конструкцию, о чём будет сказано далее. Масса его составляет 44,5т. (для сравнения масса Омского воздухоподогревателя ВПВ–235 составляет 10,5т.). Стоимость такого подогревателя (без налогов, стоимости транспортировки, стоимости монтажа) по данным за 2007 год равняется 1.35800 EURO. Фактически срок службы подогревателя составляет не более 5-ти лет.

Расчёт срока окупаемости воздухоподогревателя фирмы ALSTOM.

1.Исходные данные.

1.1. Стоимость воздухоподогевателя:

1358000 EURO ×68 = 92344тыс.руб.

1.2.Стоимость газа с НДС по состоянию на июль 2016 года – 4800руб. за 1000нм³ газа.

1.3. Расход природного газа в реактор – 1000нм³/час. Время работы реактора в течении года—7200час.

1.4 Экономия газа, используемого в реакторе при получении техуглерода, за счёт повышения температуры воздуха с 500 до 800°С. составляет 20%.

2. Расчёт.

2.1.Годовая экономия природного газа составит: (1000×0,20×7200)×4800 /1000 = 6912тыс. руб.

2.2.Общий экономический эффект от внедрения мероприятия возрастёт на 8– 10% за счёт экономии воздуха и воды. Примем увеличение экономического эффекта на 10%, тогда общий экономический эффект составит: 6912×1,1=7603тыс.руб.

2.3.Срок окупаемости мероприятия: 92344/7603=12,1 года.

Примечание: В расчёте не учитывалось увеличение производительности реактора, так как эти возможности в настоящее время исчерпаны за счёт внедрения других мероприятий, и производительность реакторов ограничивается только мощностями отделения обработки.

Произведя аналогичный расчёт для Белоруссии при стоимости природного газа для промышленных предприятий 219дол США можно убедиться, что срок окупаемости такого воздухоподогревателя составит 5,3 года. Для того, чтобы использование этого подогревателя приносило осязаемый экономический результат, его целесообразно устанавливать только на тех заводах техуглерода, которые приобретают природный газ по цене не ниже 350 EURO. Это относиться к большинству заводов EC. Что касается заводов техуглерода, находящихся в странах СНГ, и особенно в России, то приобретать подогреватели фирмы ALSTOM в настоящее время не выгодно из за низкой стоимостью природного газа, в связи с чем срок окупаемости такого аппарата превысит нормативный срок его службы.

2.1.2. Использование системы подогрева Омского завода технического углерода.

Система подогрева ОЗТУ включает высокотемпературный воздухоподогреватель ВПВ–235 и воздухоподогреватель первой ступени ПВ-74(ПВ-92). Технические характеристики их будут даны в следующем разделе. Ранее указывалась стоимость этой системы подогрева в первые годы её изготовления ремонтными службами ОЗТУ. С 2012 года подогреватель ВПВ–235 изготавливается на заводе ОЗНО (Озёрский завод нестандартного оборудования). Это связано с тем, что необходимо было улучшить качество сварки при изготовлении подогревателя. Стоимость его значительно возросла и составляет в настоящее время 12200тыс. руб. Стоимость всей системы подогрева с учётом изготовления подогревателя первой ступени (ПВ-74) на заводах техуглерода, не превысит 15000тыс. руб. Тогда срок окупаемости системы обогрева при применении её на российских заводах техуглерода составит: 15000/7603=1,97 года. Срок окупаемости этой системы обогрева при внедрении её на заводах Беларуси не превысит 10 месяцев. В связи с планируемым постоянным повышением стоимости газа в Российской Федерации эффективность мероприятий, направленных на сокращение потребления природного газа на заводах техуглерода России и Беларуси, будет только возрастать. Срок окупаемости этой системы при применении её на заводах техуглерода зарубежных фирм с учётом действующих на этих предприятиях ценах на природный газ составил бы 4–5 месяцев. Это хорошо поняли технические специалисты фирмы Colambian после посещения Омского завода технического углерода. Фирма неоднократно обращалась к собственникам завода с просьбой о продаже высокотемпературного воздухоподогревателя. При этом нужно понимать, что эти подогреватели нужны фирме Colambian для замены воздухоподогревателей с температурой подогрева воздуха 450–500⁰С., используемых до сих пор на устаревших заводах. Заводов техуглерода, использующих устаревшее оборудование, в странах западной европы ещё достаточно много. Все они находятся в сложном положении, так как реконструкция с использованием самого современного оборудования потребует замены всего оборудования заводов и увеличения территории предприятий, а к повышению технического уровня заводов за счёт частичной замены оборудования они оказались не подготовленными.

2.1.3. Подогрев воздуха при получении каркасных марок техуглерода.

На лучших зарубежных заводах по производству техуглерода для подогрева воздуха, подаваемого в реакторы при получения каркасных (полуактивных) марок техуглерода, применяются так же воздухоподогреватели фирмы ALSTOM. Как видно из рекламных материалов фирмы SHACK®(ALSTOM) и доклада James F. Geisler на 11-ой Международной конференции по техническому углероду (Рим ноябрь 2010г.) на установках по производству технического углерода для протекторного (твёрдого) техуглерода применяются, как правило, воздухоподогреватели с температурой подогрева 800°С., а для каркасного (мягкого) техуглерода используются воздухоподогреватели с температурой подогрева 650°С. И, если для производства протекторных марок техуглерода продолжается разработка и внедрение подогревателей с температурой подогрева до 900 и даже до 950°С., то при производстве каркасного техуглерода, напротив, устанавливаются ограничения по верхнему пределу нагрева воздуха, подаваемого в реактор – 800°С. Это связано с температурой возгорания техуглерода этих марок. Фактически это означает, что по соображениям техники безопасности температуру нагрева воздуха при выпуске каркасных марок техуглерода (N550, N660 и др.) нужно поддерживать не выше 750°С. Омский завод техуглерода в 2001–2004 годах основные усилия направил на подогрев воздуха, подаваемого в реакторы для получения протекторных марок техуглерода, прежде всего потому, что это даёт значительно больший экономический эффект, чем эффект от подогрева воздуха, используемого для получения каркасных марок техуглерода. Кроме того, при внедрении новых подогревателей в производстве каркасных марок техуглерода возникают дополнительные сложности в связи с высокой склонностью этих марок техуглерода (серий 500 и 600) к отложениям на внутренней поверхности труб подогревателей. В общем, это было связано с обеспечением рационального использования имеющихся ресурсов.

Конечно, принимались меры для повышения температуры подогрева воздуха в производстве техуглерода N550 и N660 без значительных затрат. Так, были установлены рубашки на газоохладители для предварительного подогрева воздуха, были установлены подогреватели ПВ–74 в качестве первой ступени подогрева воздуха, подаваемого в реакторы. В результате осуществления этих мер температура воздуха была увеличена с 500 до 630–650°С.. Однако существенного уменьшения отложений техуглерода на поверхности труб подогревателей добиться не удалось. Требовалась их периодическая очистка. Понятно, что повышение температуры воздуха оправдывало те вложения, которые были затрачены на установку ПВ–74 (срок окупаемости менее 0,5 года при увеличении температуры подогрева воздуха от 500 до600⁰С.), но в то время, как уже указывалось, гораздо выгоднее было использовать имевшиеся финансовые средства для подогрева воздуха в производстве протекторных марок техуглерода. В настоящее время для подогрева воздуха, подаваемого в реакторы для получения каркасных марок техуглерода, начинают использоваться и воздухоподогреватели фирмы “ИНЖЕНЕРИНГ“ г. Ярославль, изготавливаемые на заводе ОЗНО. Разработчик в технической документации указывает конечную температуру подогрева воздуха 700°С., что должно позволить увеличить температуру подогрева воздуха на некоторых заводах при получении каркасных марок техуглерода с 500 до 700°С. При стоимости воздухоподогревателя с учётом транспортных расходов и затрат на монтаж 22млн.руб, окупаемость воздухоподогревателя составит: 22000000/ (0,12×7200×4800)=5,3 года, где 4800 – цена за 1000нм³ газа; 7200 – количество часов работы подогревателя в течение года; 0,12тыс. нм³/час.– часовая экономия газа в реактор(120нм³/час.).

Понятно, что срок окупаемости подогревателя 5,3 года скорее всего превысит срок его службы, тем более, что температура подогрева воздуха в процессе эксплуатации будет снижаться, что понизит экономический эффект от применения подогревателя. Так, понижение температуры подогрева воздуха на 50°С. увеличит срок окупаемости аппарата до 6,4 года. Применение такого подогревателя на Омском и Ярославском заводах нецелесообразно, так как срок окупаемости подогревателя превысит срок его службы .

2.2.Технические характеристики воздухоподогревателей.

В этом разделе будут показаны технические данные различных воздухоподогревателей, используемых в промышленности техуглерода.

2.2.1. Прежде всего, нужно рассмотреть характеристики наиболее распространённых подогревателей воздуха фирмы ALSTOM. В источнике /2.3.1./ на стр. 76–77 показана схема и описание этого подогревателя. Указывается, что принципиальная конструкция его известна с начала 60-х годов прошлого века/2.7.5./ стр. 195–196. Если точнее, то в этом источнике даётся ссылка на статью 1958 года, в которой указывается, что такие подогреватели работают устойчиво, используется противоточная схема, воздух нагревается до 750°С. при температуре газов на входе в подогреватель 1200°С. Так же как и в современных конструкциях имеется двойное дно, в результате чего плита и нижние концы труб омываются холодным воздухом. Нижняя плита футеруется огнеупорным бетоном. Свободное удлинение всех труб, предохраняющее как трубы, так и плиты от напряжений из-за температурных деформаций, достигают свободным перемещением всех труб в верхней доске, уплотняя их поршневыми кольцами. В современных воздухоподогревателях фирмы ALSTOM, выпускаемых для заводов технического углерода, компенсация температурных удлинений обеспечивается за счёт установки на каждой трубе линзового компенсатора. Применяются компенсаторы так же на корпусе подогревателя и на газоходе после подогревателя, на котором устанавливается специальный пилообразный компенсатор, что способствует не только компенсации термического расширения между воздухоподогревателем и газоходом, но способствует уменьшению отложений на поверхности труб подогревателя. Предусмотрено использование паровой продувки подогревателей для удаления отложений техуглерода в трубах. Продувка осуществляется струями пара со сверхзвуковой скоростью через сопла Лаваля под давлением 10 бар. При этом, если для протекторных марок техуглерода предусматривается периодическая продувка труб, то для подогревателей, используемых в производстве каркасных марок техуглерода, предусматривается постоянная продувка при одновременной продувке 10% труб. Продувка труб производится с использованием программированного логического контроллера. Автоматизирована и подача воздуха для охлаждения нижней трубной доски. Количество воздуха для обдувки составляет 10–20% от общего объёма воздуха, подаваемого в воздухоподогреватель/2.7.6./.

На рис.2.1. схематично показан воздухоподогреватель Schack® (ALSTOM) и установка воздухоподогревателей на линиях по производству протекторного и каркасного техуглерода, откуда видна разница в габаритах подогревателей, что дополнительно указывает на существенно более низкую температуру подогрева воздуха при получении каркасных марок техуглерода. На схеме дано и краткое описание работы воздухоподогревателя.

2.2.2. Китайская компания DORIGHT Co., Ltd. Выпускает 4 серии подогревателей для нагрева воздуха на установках по производству техуглерода до 600°С., 650°С., 800°С. и 950°С. Первые две серии предназначены для установок по производству каркасного техуглерода, подогреватели с температурой подогрева воздуха до 800 и 950°С. используются при производстве протекторных марок техуглерода. Воздухоподогреватели с температурой подогрева воздуха 800 и 950°С. также как и подогреватели «ALSTOM» имеют двойное дно для охлаждения нижней трубной доски, доска также футеруется огнеупорным бетоном. Компания рекламирует новую конструкцию подогревателя, трубы которого установлены с зазором для возможности их свободного удлинения при нагревании, однако не указывается, как обеспечивается герметичность в месте входа трубы в верхнюю трубную решётку. В первых подогревателях такой конструкции для этой цели применяли поршневые кольца, о чём было сказано ранее/2.7.5./. Что касается конструкции воздухоподогревателей, используемых при получении каркасных марок техуглерода, то конструкция их не указывается в рекламных проспектах фирмы. Следует отметить, что воздухоподогреватели этой китайской компании выпускаются в основном для внутреннего потребления.

2.2.3. Воздухоподогреватель Ярославской фирмы ОО« ТЕХИНЖЕНЕРИНГ», изготавливаемый заводом ОЗНО, является упрощённой копией подогревателя ALSTOM. Подогреватель рассчитан на подогрев воздуха до 700°С. при выпуске каркасных марок техуглерода. На двух технологических потоках российских заводов такие подогреватели установлены и эксплуатируются. Для определения надёжности работы подогревателей пока недостаточно данных. Следует отметить, что в отличие от места установки подогревателей фирмы ALSTOM этот подогреватель монтируется на нисходящей ветви колонки реактора. Впервые такая установка основного воздухоподогревателя была применена на Омском ЗТУ ещё в 1976 году для повышения надёжности воздухоподогревателя/2.7.1./ стр.78.Рис.4.5. Это исключает попадание капель воды на трубную решётку подогревателя. Кроме того, движение запылённых газов по трубам в нисходящем направлении способствует уменьшению отложения пыли на внутренней поверхности труб/2.7.5./. Установка этого подогревателя на нисходящей ветви колонки реактора стала возможна благодаря тому, что масса его значительно меньше массы подогревателя фирмы ALSTOM (20т. против 44,5т.).

2.2.4. На Рис.2.2показана схема подогрева воздуха, применяемая на ОЗТУ в производстве каркасных марок техуглерода (серий 500 и 600).

Рис. 2.2.

Рассматривая температурные параметры этой системы подогрева воздуха можно сделать вывод, что происходит постепенное забивание внутренней поверхности газоохладителя и затем труб подогревателя ПВ–74. При чистых стенках газоохладителя температура воздуха после газоохладителя обычно составляет 105–115°С., а температура воздуха после ПВ–74 находится в пределах 230–260°С., что обеспечивает конечную температуру подогрева воздуха 650°С. Принципиально эта схема подогрева воздуха, подаваемого в реактор, не отличается от системы подогрева воздуха, применяемой в производстве протекторного (активного) техуглерода. Отличие, прежде всего, заключается в том, что в качестве основного подогревателя используется подогреватель ПВ–185 без изменения его конструкции и места установки, а увеличение подогрева воздуха достигается за счёт установки дополнительного подогревателя первой ступени на нисходящей ветви колонки реактора. В качестве дополнительного подогревателя применяются подогреватели ПВ–74 или ПВ–92 конструкции ОЗТУ. Общий вид подогревателя ПВ–74 показан в источнике /2.3.1/ стр.81, рис.4.8. Подогреватель ПВ–92 отличается от ПВ–74 только длиной труб и большей поверхностью нагрева. Необходимо отметить, что для улучшения компенсационных возможностей подогревателя ПВ–74 двухлинзовый компенсатор был заменён на трёхлинзовый. Как показал опыт эксплуатации воздухоподогревателей, не имеющих индивидуальных компенсаторов на каждой трубе, для компенсации температурных напряжений, возникающих в трубном пучке, необходимо на корпусе подогревателя устанавливать трёхлинзовый компенсатор. Нужен компенсатор и на газоходе после ПВ–74 (ПВ–92). Начиная с 2004-го года все воздухоподогреватели ОЗТУ изготавливаются с трёхлинзовыми компенсаторами (рис.2.3.). Следует также отметить, что при изготовлении подогревателей ремонтными службами заводов техуглерода компенсаторы следует приобретать в организациях, специализирующихся на их изготовлении, а не изготавливать на заводах, так как компенсаторы являются важнейшим элементом, обеспечивающим надёжность работы воздухоподогревателей и систем подогрева воздуха. Что касается причин осаждения техуглерода на поверхностях труб и газоохладителей, то об этом будет сказано подробно в следующих разделах, хотя и при беглом рассмотрении Рис.2.2. понятно, что начало забивания внутренней поверхности аппаратов связано с понижением температуры воздуха после газоохладителя. Только обеспечив стабильную температуру воздуха после газоохладителя на уровне 130–160°С. можно значительно снизить количество отложений на внутренней поверхности аппаратов и обеспечить их продолжительную работу без очистки труб.

2.2.5. Далее необходимо рассмотреть эксплуатируемую длительное время на Омском заводе технического углерода систему подогрева воздуха, обеспечивающую нагрев воздуха, подаваемого в реактор, до 780–820°С.

На Рис.2.3. показана схема подогрева воздуха, используемая на ОЗТУ в производстве протекторных (активных) марок техуглерода.

Если сравнить эту схему обвязки подогревателей со схемой, используемой до 2004-го года /2.7.1./ стр.80, то в данной схеме воздух сначала подаётся в подогреватель ПВ–74 и только затем в прямоточную секцию ВПВ–235. При такой обвязке снижается вероятность забивания труб ВПВ–235, так как повышается средняя температура стенок труб в прямоточной секции подогревателя ВПВ–235. Для улучшения работы данной системы подогрева воздуха целесообразно предварительно нагреть воздух в рубашках газоохладителей, что позволит увеличить конечную температуру подогрева воздуха и исключить отложения техуглерода на внутренней поверхности труб подогревателей. В связи с тем, что система подогрева воздуха Омского ЗТУ широко используется на практике (только на ОЗТУ она применяется на восьми потоках по производству протекторных марок техуглерода), будет полезно рассмотреть особенности её эксплуатации.

2.3. Условия эксплуатации воздухоподогревателей и систем подогрева воздуха Омского завода технического углерода.

Системы высокотемпературного подогрева воздуха, разработанные специалистами Омского ЗТУ, состоят из воздухоподогревателя ПВ–74, изготовленного из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т и высокотемпературного воздухоподогревателя ВПВ–235, изготовленного из жаропрочной стали 10Х23Н18. Допустимая температура применения стали 12Х18Н10Т составляет 750°С., температура применения стали 10Х23Н18 равна 1000°С.. Поэтому для изготовления высокотемпературных воздухоподогревателей и применяют такую сталь. Возможность применения других марок стали для изготовления высокотемпературных воздухоподогревателей будет рассмотрена в другом разделе.

Схема обвязки воздухоподогревателей показана на Рис.2.3.

Холодный воздух с температурой 20–70°С.(Т-4) подаётся в межтрубное пространство подогревателя ПВ–74 противотоком по отношению к движению газов, нагревается в подогревателе до 250–350°С. (Т5) и поступает в прямоточную секцию воздухоподогревателя ВПВ–235 (или ВПВ–250), где дополнительно нагревается до 350–450°С. (Т6) и направляется в основную противоточную часть ВПВ–235 (250), где нагревается до 750–820°С (Т7) и далее поступает в реактор. Нагрев воздуха осуществляется углеродогазовой смесью, которая с температурой 930—950°С. (Т1) поступает из реактора в воздухоподогреватель ВПВ–235, охлаждается в нём до 650–720°С. (Т2) и затем противотоком проходит подогреватель ПВ–74, охлаждаясь до 550–600°С.(Т3) и далее поступает в коллектор углеродогазовой смеси и направляется в аппараты улавливания после дополнительного охлаждения в газоохладителе и затем в холодильнике за счёт впрыска воды. Следует отметить, что кроме подогревателя ПВ–74 в качестве подогревателей первой ступени использовались воздухоподогреватели ПВ–92 и ПВ–125. Подогреватель ПВ–92 по сравнению с воздухоподогревателем ПВ–74 имеет большую поверхность нагрева (92м²) за счёт длины труб и более высокую температуру подогрева воздуха. Воздухоподогреватель ПВ–120 изготавливался из труб 57×3,5 и эксплуатировался в течение 3-х лет при выпуске техуглерода серий 300 и 200 без аварий, обеспечивая более высокую температуру подогрева воздуха по сравнению с ПВ–74. Однако эти подогреватели больше не изготавливались, так как, по мнению технических специалистов ОЗТУ, в подогревателях первой ступени для уменьшения отложения техуглерода в трубах необходимо в соответствии с зарубежным опытом применять трубы с внутренним диаметром не менее 80мм./2.7.1.стр.77/.

2.3.1. Контроль технологических параметров высокотемпературного подогрева воздуха.

Температура углеродогазовой смеси перед воздухоподогревателем ВПВ–235(250) должна поддерживаться в пределах 930–950°С. Учитывая важность этого параметра, измерение температуры осуществляется двумя термопарами. Термопары должны располагаться диаметрально по отношению друг к другу. При появлении расхождений в результатах измерений необходимо срочно организовать проверку термопар.

Температура углеродогазовой смеси после подогревателя ВПВ–235 должна находится в пределах 650–730°С. Значение этой температуры зависит от объёма нагреваемого воздуха и от состояния труб воздухоподогревателя. При повышении температуры после ВПВ–235(250) выше 730°С. необходимо провести продувку воздухоподогревателя продуктами полного сгорания. В случае, если продувка не даст результата, нужно останавливать реактор для проверки воздухоподогревателя.

Конечная температура подогрева воздуха должна составлять 770–830°С. при понижении температуры воздуха менее 760°С. необходимо также продуть воздухоподогреватель продуктами полного сгорания.

Понижение конечной температуры воздуха и повышение температуры углеродогазовой смеси после основного воздухоподогревателя указывают на частичное забивание труб воздухоподогревателя, вследствие чего ухудшается теплоотдача от газа к воздуху. Это приводит к тому, что воздух хуже нагревается, а газ (углеродогазовая смесь) соответственно хуже охлаждается. При этом первым признаком частичного забивания труб воздухоподогревателя является повышение температуры углеродогазовой смеси на выходе из ВПВ–235(250). Температура же воздуха будет снижаться постепенно, так как при повышении температуры после ВПВ–235, а значит и на входе в ПВ–74, повысится температура воздуха после подогревателя ПВ–74, то есть перед подогревателем ВПВ–235, что будет частично компенсировать ухудшение нагрева в самом ВПВ–235. Если температура газов после ВПВ–235 будет и далее повышаться, следует продуть систему подогрева продуктами полного сгорания. Следует учитывать и то обстоятельство, что при температуре после ВПВ–235 более 750°С. возможно нарушение целостности ПВ–74 (вырыв одной и или нескольких труб из верхней трубной доски). В этом случае происходит покраснение или прогар металла на отводе между ВПВ–235(250) и ПВ–74. Направленная струя воздуха вызывает местное горение газа. В этом случае реактор нужно немедленно остановить для замены или ремонта ПВ–74.

Аппарат ВПВ–235(250) изготавливается из жаропрочной ограниченно свариваемой стали, поэтому в процессе эксплуатации возможно нарушение сварочных швов и проникновение воздуха в газовое пространство непосредственно перед трубной доской, что может привести к горению газов перед трубной доской и даже в самих трубах. В этом случае увеличивается температура воздуха при неизменной температуре газов перед воздухоподогревателем за счёт местного горения газов непосредственно перед трубной доской. Поэтому при разности температур перед воздухоподогревателем ВПВ–235(250) и конечной температурой подогрева воздуха менее 100°С. реактор нужно остановить для проверки воздухоподогревателя ВПВ–235(250).