Модернизация узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО «Аммофос»

ВВЕДЕНИЕ

Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т. д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и т. д.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века.

Основным видом серосодержащего сырья для производства серной кислоты остается сера, доля которой постепенно будет увеличиваться с ожидающимся ростом производства самой серы и переводом колчеданных сернокислотных систем на серу. В настоящее время в России эксплуатируются сернокислотные установки на сере и пирите по схеме двойного и одинарного контактирования (последние с химической очисткой выхлопных газов), максимальная производительность которых 500−620 тыс. т/год на сере. Эти установки, в основном, построены в 70−80-е годы. Физический износ некоторых из них составляет 90%, поэтому они характеризуются высокими энергетическими затратами в основном производстве 1.

С 1992 по 2002 гг. фактически в России не было пущено ни одной новой сернокислотной системы, а существующие системы имеют высокую степень износа оборудования 2. Вместе с тем объемы вырабатываемой природной и газовой серы позволяют применять ее как сравнительно дешевое и высококачественное сырье. Поэтому переход сернокислотных систем на серу отвечает требованиям, предъявляемым к производству современным уровнем развития науки и техники.

Для сернокислотных систем, работающих на сере, в НИУИФ разработан и внедрен новый котло-печной агрегат РКС 95/4,0−440, который в настоящее время функционирует на ОАО «Аммофос» и ООО «Балаковкие минеральные удобрения». Особенностью данного агрегата является то, что сжигание серы и получение пара происходит в одном аппарате. Паропроизводительность составляет 95 т/ч 3, 4. Опыт эксплуатации данных котлов показал, что основными недостатками их являются: пониженная паропроизводительность, усложнение схемы регулирования температуры газового потока на входе в контактный аппарат 4, неоптимальное конструктивное оформление газохода байпаса. Устранение недостатков возможно в рамках модернизации котлов данного типа.

Целью данной работы является определение направлений модернизации узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО «Аммофос», а также обоснование возможности и эффективности данной модернизации.

Для реализации данных целей были поставлены следующие задачи:

— выполнить аналитический обзор литературных данных;

— определить направления возможной модернизации агрегата РКС;

— рассчитать основное и вспомогательное оборудование;

— разработка вопросов безопасности и охраны окружающей среды для проектируемого объекта;

— обосновать экономическую эффективность предлагаемых решений.

Актуальность выбранной темы обусловлена ее практической значимостью, т. е. потребностью производства в высокоэффективной технике.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР Целью данного аналитического обзора является рассмотрение недостатков существующих котло-печных агрегатов для сжигания серы и определение возможных вариантов устранения этих недостатков.

1.1 Опыт эксплуатации реконструированных сернокислотных систем на сере с использованием энерготехнологических котлов РКС Реконструкция и пуск в эксплуатацию сернокислотных систем СК-600/1 и СК-600/2 на ОАО «Аммофос» г. Череповец осуществлены в июле 2003 года и в октябре 2004 года соответственно. Анализ работы печных отделений СК-600/1,2, проведенный специалистами НИУИФ, показал следующие недостатки действующих агрегатов РКС 4:

1) Снижение паропроизводительности до 90 т/ч, что может быть связано с понижением температуры воздуха, подаваемого в циклонные топки на сжигание серы; понижением температуры газа, поступающего в контактный узел после 1-го моногидратного абсорбера; пониженной концентраций SO₂ в исходном газе; повышенным гидравлическим сопротивлением парового тракта от барабана-сепаратора котла до коллектора перегретого пара; возможностью утечки части питательной воды после экономайзера 1-ой ступени через запорную арматуру; неточностями замера температуры.

2) Неполное выгорание серы в пределах топки и догорание ее в испарителях котла, что влияет на снижение температуры топочных газов на входе в испарители.

3) Склонность к разрушению футеровки.

4) Организация «холодного» воздушного байпаса не обеспечивает требуемую температуру газа перед первым слоем контактного аппарата.

5) Газоход от котла к контактному аппарату подвергается температурным деформациям, в результате чего возможно разрушение компенсаторов газохода.

6) Неудовлетворительное определение температуры газа после топок из-за неудачного расположения термопар.

Для устранения указанных недостатков необходима модернизация котла РКС 95/4,0−440.

1.2 Конструкции топок для сжигания серы Сжигание серы в сернокислотном производстве осуществляют в топках в распыленном состоянии. Наиболее совершенными и производительными являются циклонные и форсуночные (камерные) топки. Данные топки классифицируют по нескольким признакам: по типу установленных форсунок и их расположению в топке; по наличию (отсутствию) экранов внутри топочной камеры; по исполнению (горизонтальные и вертикальные); по расположению входных отверстий для подачи воздушного дутья; по устройствам для перемешивания потоков воздуха с парами серы; по оборудованию для использования тепла горения серы; по количеству камер 5.

Более совершенными являются циклонные топки. Достоинства топок данной конструкции 5, 6: тангенциальный ввод воздуха и серы обеспечивает равномерное сжигание серы в топке за счет лучшей турбулизации потоков; возможность получения концентрированного технологического газа (до 18% об. SO₂); высокое тепловое напряжение топочного пространства (4,610⁶ Вт/м³); объем аппарата уменьшается в 30−40 раз по сравнению с объемом факельной форсуночной печи при такой же производительности; постоянная концентрация SO₂; простое регулирование процесса горения серы и его автоматизация; малая затрата времени и горючего материала на разогрев и пуск топки после длительной остановки (5−6 ч); меньшее содержание оксидов азота после топки в технологическом газе, так как в топке газ имеет большую скорость и малое время пребывания в зоне высоких температур.

Основные недостатки топок данной конструкции связаны с высокими температурами, развиваемыми в процессе горения. Из-за возникающей неравномерности и локальных перегревов возможно растрескивание футеровки и сварных швов, что приводит к разгерметизации оборудования и вынужденной остановке. Кроме того, при остановках возникают дополнительные температурные деформации, способствующие разрушению футеровки. Неудовлетворительное распыление серы приводит к проскоку ее паров в котел, а следственно к коррозии аппаратуры, непостоянству температур на входе в испарители котла. Все это обусловливает необходимость применения огнеупорной (жаростойкой) футеровки.

Расплавленная сера может поступать в топку через форсунки с осевым или тангенциальным расположением или же самотеком (под напором воздуха). При осевом расположении форсунок зона горения находится ближе к периферии, при тангенциальном — ближе к центру, благодаря чему уменьшается действие высоких температур на футеровку 6.

1.3 Форсунки для распыления жидкой серы Различают следующие способы диспергирования жидкостей 7, 8, 9: гидравлическое; механическое; пневматическое; акустическое; ультразвуковые; вибрационное и др.

Гидравлические форсунки по принципу действия делятся на: струйные; с соударение струй; ударно-струйные; центробежные; центробежно-струйные; пульсационные. Механические форсунки по способу подвода жидкости бывают: с непосредственной подачей жидкости на рабочий элемент; погружные. Пневматические форсунки делятся на: форсунки низкого давления (избыточное давление распыливающего агента до 10 кПа); форсунки высокого давления (от 100 до 1000 кПа и более). Комбинированные форсунки: сочетание пневматических и гидравлических (пневмогидравлические) позволяет получить распыл с дисперсными характеристиками, не уступающими полученными при пневматическом распылении, но при значительно меньших затратах энергии.

В табл. 1 представлены достоинства и недостатки разных типов форсунок.

Таблица 1

Сравнительная характеристика форсунок

Комбинированные распылители позволяют получить такие характеристики распыла, которые не возможно получить одним из методов.

Серные форсунки должны обеспечить тонкое и равномерное распыление жидкой серы; хорошее смешение ее с воздухом в самой форсунке или за нею; быстрое регулирование расхода жидкой серы с сохранением необходимого соотношения ее с воздухом; устойчивость определенной формы и длины факела; прочность, простоту конструкции, надежность и удобство эксплуатации 6.

Для диспергирования серы обычно используют гидравлические центробежные форсунки (механические) и пневматические серные форсунки 6, 10.

Гидравлические форсунки разбрызгивают серу под давлением, которое создается насосом, нагнетающим расплавленную серу по трубопроводу к форсунке. На рис. 1 показана гидравлическая форсунка для диспергирования серы.

Рис. 1. Форсунка гидравлического действия со спиральным завихрителем: 1 — центральный вал; 2 — спираль для создания вращательного движения потока; 3 — игольчатый клапан; 4 — диафрагма; 5 — колпачковая гайка; 6 — трубка для подачи серы; 7 — паровая рубашка; 8 — фланец; 9 — шпильки с гайками для перемещения центрального вала.

Для завихрения серы в данной форсунке применяют завихрители со спиральными вкладышами. Червяк завихрителя может быть одно-, двухи трехходовым, что влияет на величину распыляемых частичек. В завихрителе создается турбулентно-вращательное движение, и жидкая сера впрыскивается в печь через суженное сечение наконечника форсунки под увеличенным напором; распыление ее улучшается.

В форсунках пневматического действия жидкая сера, поступающая самотеком из напорного бака, распыляется сжатым воздухом или паром. Чтобы обеспечить свободное поступление жидкой серы, напорный бак устанавливают на высоте 4−5 м над уровнем форсунок. Воздух, предварительно подогретый до 150−200 °С, очищенный от пыли и осушенный, подают в форсунку под давлением 4−6 ат. Жидкую серу подают по кольцевому серопроводу 2, обогреваемую паром. Воздух для распыления серы вводят по центральной трубе 1. Производительность такой форсунки 20 т в сутки жидкой серы, расход воздуха 100 м³ на 1 т серы.

1.4 Патентный обзор Изобретения в области распыления жидкостей форсунками направлены, как правило, на повышение равномерности орошения, уменьшение образования оксидов азота, повышение качества распыления, повышение дисперсности, интенсификацию процесса горения, увеличение угла раскрытия факела. Однако редко удается совместить все усовершенствования в одной конструкции. Ниже рассмотрены форсунки, которые возможно применить для диспергирования жидкой серы в циклонные топки.

На рис. 2 представлена механическая форсунка для распыления жидкого топлива или распыления жидкости в факел топочного устройства 11.

Рис. 2. Механическая форсунка с винтовым завихрителем и шайбой Форсунка содержит ствол 1 для подачи жидкости и головку 2 с установленными в ней винтовым завихрителем 3, шайбой 4 и вытеснителем 5.

Данное изобретение направлено на повышение эффективности работы форсунки за счет создания на выходе из форсунки равномерного факела распыления. Благодаря тому, что завихритель выполнен винтовым, а шайба установлена относительно торцевой поверхности завихрителя с осевым зазором, образующим радиальный канал, потоки жидкости, выходящие из канавок завихрителя, направляются от периферии к центру. При этом происходит резкое увеличение их скорости в соответствии с формулой

W_Ц=W_П(R_П/R_Ц),

где W_Ц и W_П — тангенциальные скорости в центре и на периферии; R_П и R_Ц — радиусы движения жидкости в центре и на периферии. Резкое увеличение скорости создает большие градиенты между скоростями жидкости, выходящей из канавок завихрителя, и жидкости, расположенной между канавками, а это приводит к быстрому выравниванию скоростей после поворота жидкости в отверстии шайбы и равномерному истечению из отверстия головки.

На рис. 3 представлена двухсопловая форсунка, основное назначение которой связано с уменьшением образования оксидов азота в продуктах сгорания топлив 12.

Рис. 3. Двухсопловая форсунка.

Двухсопловая форсунка содержит топливный патрубок 1, корпус 2, регулирующую гайку 3, центральную камеру 4 закручивания, отверстия 5 для перепуска топлива, распределительную шайбу 6, периферийную камеру 7 закручивания, регулирующую шайбу 8, осевое сопло 9 и кольцевое сопло 10.

Снижение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлив в топливоиспользующих установках, включая паровые и водогрейные котлы, достигается тем, что центральная камера закручивания установлена с возможностью продольного перемещения, ее осевое сопло выполнено диффузорным и с выходным срезом, выступающим за выходной срез кольцевого сопла, а периферийная камера закручивания выполнена с геометрической характеристикой, превышающей в 2−3 раза геометрическую характеристику центральной камеры закручивания.

Данная форсунка за счет организации двух независимых топливных факелов позволяет реализовать способ двухстадийного сжигания топлива, обеспечивающий снижение выбросов оксидов азота. При этом в каждом из факелов по их объему создаются разные поля концентраций топлива и окислителя.

На рис. 4 представлена форсунка, которая может быть использована для повышения качества распыливания 13.

Рис. 4. Форсунка с золотником.

Форсунка содержит наружную топливоподающую трубу 1 с выходным соплом 2 и предсопловой камерой 3 закручивания с тангенциальными каналами 4 в боковой стенке 5 и внутреннюю подвижную трубу 6, скрепленную с золотником, выполненным в виде двух втулок 7 и 8, коаксиально размещенных по обе стороны боковой стенки 5 камеры 3 закручивания. На внешней поверхности наружной втулки 7 выполнены дистанционирующие винтовые или продольные ребра 9.

Распыливаемая жидкость из трубы 1 через тангенциальные каналы 4 подается в предсопловую камеру 3 и истекает через сопло 2 в виде полого конуса. Расход жидкости из трубы 1 регулируется поступательно перемещаемым золотником, конструкция которого не позволяет жидкости отклоняться от тангенциального направления при движении в тангенциальных каналах 4, что обеспечивает хорошее качество распыливания жидкости во всем диапазоне регулирования золотником проходного сечения тангенциальных каналов 4.

Указанный режим распыливания жидкости может быть использован для распыливания жидкого топлива в топках паровых котлов, а также для распыливания жидкости во всех подобных устройствах, требующих хорошего качества распыливания жидкости при широком диапазоне регулирования расхода.

На рис. 5 изображена пневматическая форсунка для повышения качества распыления, снижения удельного расхода распылителя и интенсификации процесса горения 14.

Рис. 5. Пневматическая форсунка.

Пневматическая форсунка содержит камеру смещения 1 и сопловой насадок 2, которые стянуты накидной гайкой 3. Сопла 4 насадка направлены под углом 10.90° к торцевой поверхности камеры 1. В торце камеры смещения 1, у ее боковой поверхности, выполнены отверстия 7 ввода топлива, а в центре осевой канал 8 ввода распылителя. В боковой стенке камеры смешения имеются тангенциальные каналы 9 ввода распылителя, которые с отверстиями 7 ввода топлива сгруппированы парами, причем продольная ось каналов 9 наклонена под углом, не превышающем 45° к плоскости торцевой стенки и пересекает ее в зоне, ограниченной площадью соответствующего отверстия 7 ввода топлива. Дополнительные тангенциальные каналы 10 ввода распылителя расположены под углом 10.30° к торцевой поверхности и имеют направление закрутки противоположное направлению закрутки каналов 9. Между рядами тангенциальных каналов 9 и 10 установлена диафрагма 11 с диаметром d' центрального отверстия, составляющим 0,4.0,7 диаметра D камеры смешения, а перед сопловым насадком — диафрагма 12 с диаметром d" центрального отверстия, составляющим 0,5…0,8 диаметра D. Поверхность камеры смещения 1 выполнена рельефной (углубления 5 и бороздки 6).

Цель изобретения достигается тем, что в форсунке, содержащей цилиндрическую камеру смещения с торцевой стенкой и сопловым насадком, снабженную отверстиями ввода топлива, выполненными в торцевой стенке по ее периферии и тангенциальными каналами ввода распылителя, выполненными в боковой стенке камеры, отверстия ввода топлива и тангенциальные каналы ввода распылителя сгруппированы парами, причем последние выполнены с продольной осью, наклоненной к плоскости торцевой стенки под углом, не превышающем 45°, и пересекающей ее в зоне, ограниченной площадью соответствующего отверстия ввода топлива.

1.5 Футеровки циклонных топок С целью защиты от высоких температур, химического, механического и другого воздействия металлический корпус топок оснащают огнеупорной футеровкой. Для футеровки циклонных топок, как правило, используют кирпичи или бетон. Требования к кирпичной кладке топок, особенно расположенных горизонтально, довольно высоки. Локальные трещины, сколы, выпадения отдельных кирпичей приводят к разрушению значительных участков футеровки, особенно в верхней части. Бетонные футеровки лишены этих недостатков.

Огнеупорные бетоны активно вытесняют традиционные формованные огнеупоры (кирпичи) в различных отраслях промышленности. Благодаря интенсивному развитию технологии производства огнеупорных бетонов все чаще футеровку выполняют монолитной 15, 16. Основными преимуществами бетонной футеровки по сравнению с кирпичной 15:

1) Исключается использование кирпичей, в том числе фасонных и клиновых, удовлетворяющих жестким требованиям к размерам и кривизне, которые дефицитны в настоящее время.

2) Бетонная футеровка не требует операции резки и шлифования кирпичей.

3) Сохранение геометрии при эксплуатации.

4) Значительно более высокая газоплотность.

5) Исключение перегрева и прогаров, циркуляции горячих газов, что обеспечивается полным прилеганием бетона к металлическому корпусу.

6) Упрощение локального ремонта.

7) Более большой выбор, чем кирпичей.

8) Возможность использования легковесного бетона (уменьшает массу футеровки).

Циклонная топка котла РКС футерованы муллитокорундовым кирпичом марки МКС-72.

Модернизация существующих футеровок (как кирпичных, так и выполненных из бетона) позволяет увеличить срок их службы и продолжительность межремонтного пробега, уменьшить затраты на содержание и ремонт.

В настоящее время предложение футеровочных бетонов достаточно обширно. Из всего многообразия предлагаемых бетонов с учетом положительного опыта ведущих фирм в этой области производства выбраны огнеупорные смеси ООО «Алитер-Акси» четырех серий с очень широким диапазоном свойств: температура применения — до 1800 °C, плотность — от 0,5 до 3,1 г/см³, прочность — до 200 Н/мм². содержание Аl₂О₃ — до 99%. Выбор обусловлен возможностью использования данных смесей для высокотемпературных топок, в которых сжигаются газы, содержащие серу.

Классификация огнеупорных смесей, выпускаемых фирмой «Алитер-Акси» представлена в табл. 2.

Таблица 2

Огнеупорные смеси фирмы «Алитер-Акси»

Из бетонных смесей для футеровки циклонных высокотемпературных топок наиболее рационально применение низкоцементной смеси АЛКОРИТ-85/06 с низким содержанием CaO, высокой температурой применения (см. табл. 3)

Таблица 3

Технические характеристики бетонов АЛКОРИТ

1.6 Возможность повышения температуры воздуха на входе в топку Предварительный подогрев воздуха перед подачей его на сжигание серы в топку позволит повысить температуру топочных газов на входе в испарительные блоки котла, и, следовательно, дополнительное тепло будет использовано для получения пара. Таким образом, предварительный подогрев воздуха прямо повлияет на паропроизводительность котла.

Температура в топке согласно 5 не должна превышать 1300С. Иначе быстро выходит из строя футеровка, и, кроме того, наблюдается повышенное образование оксидов азота, которые загрязняют продукционную серную кислоту и выбрасываются в атмосферу с отходящими газами. Максимальная температура газов, выходящих из топки, определится на основании теплового баланса топки и испарителей котла.

Выводы. Таким образом, проведенный аналитический обзор позволяет сделать следующие выводы:

1) эксплуатируемые котло-печные агрегаты РКС 95/4,0−440 обладают пониженной паропроизводительностью по сравнению с проектными значениями;

2) для восстановления паропроизводительности необходим предварительный подогрев воздуха перед подачей его в топку;

3) циклонные топки наиболее эффективны для сжигания жидкой серы;

4) интенсификация процесса горения в циклонных топках возможна путем изменения их конструкции, замены форсунок и способа подачи жидкой серы и воздуха в топку;

5) для диспергирования жидкой серы в циклонных топках используются гидравлические и пневматические форсунки, а улучшение качества распыла возможно за счет изменения конструкции форсунки;

6) срок службы и надежность эксплуатации агрегата возможно увеличить заменой футеровочного материала.

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ На основании проведенного аналитического обзора литературных данных по рассматриваемой теме можно сделать выбор наиболее эффективного оборудования.

2.1 Направления модернизации агрегата Отмеченные в аналитическом обзоре недостатки энерготехнологических котлов РКС 95/4,0−440 (неполное выгорание серы в топке и догорание ее в испарителях, пониженная паропроизводительность, склонность к разрушению футеровки, неудовлетворительное качество распыла) возможно устранить с помощью следующих технических решений:

1) Замена форсунок (улучшение качества распыления, увеличение дисперсности и равномерности распыла, интенсификация процесса горения).

2) Предварительный подогрев воздуха перед подачей его в топку.

3) Замена футеровки топки с кирпичной на бетонную (увеличение срока служба агрегата, увеличение эффективного фонда времени работы оборудования, возможность повышения температуры технологического газа в топке с одновременным повышением концентрации SO₂ до максимального значения (12% об.) на входе в контактный аппарат, и соответственно увеличение количества тепла, утилизируемого в испарительных блоках котла).

4) Добавление дополнительного ряда сопел подачи воздуха в топочное пространство циклонов (поддержание равномерного горения, снижение сопротивления топки).

5) Компенсация потерь давления по газоходам системы.

2.2 Обоснование выбора форсунок В базовом агрегате установлены гидравлические центробежные форсунки с винтовым завихрителем, существенным недостатком которых является грубая дисперсность распыла. Дисперсность распыла влияет на время физико-химических процессов, протекающих в каплях серы (прогрев, испарение, горение). Грубая дисперсность требует большого времени на все стадии процесса горения. Чтобы увеличить дисперсность распыла, необходимо применить другой тип форсунок, например, пневматические, или изменить конструкцию имеющихся. На основании проведенного аналитического обзора для осуществления поставленных целей модернизации выбраны: центробежные форсунки (рис. 2 и 4). Именно эти конструкции соответствуют предъявляемым требованиям.

Внедрение центробежных форсунок новой конструкции приведет к:

1) Интенсификации горения за счет уменьшения диаметра капель, что позволит при прежних размерах агрегата увеличить время пребывания высокотемпературных газов в топке.

2) Полному выгоранию серы в пределах топки и постоянству температур газов на входе в испарители котла.

Внедрение пневматических форсунок в конечном итоге приведет к тем же результатам, но в большей степени. Однако неизбежно повышение энергозатраты на распыление, что скажется на увеличении себестоимости. В основном это связано с необходимостью сжатия воздуха.

2.3 Обоснование подогрева воздуха перед подачей его в топку Как было сказано выше, подогрев воздуха повлияет на увеличение паропроизводительности агрегата. В системе утилизируется тепло с получением энергетического пара высоких параметров t=440С и Р=4,0 МПа. Стоимость 1 Гкал пара составляет в среднем для ОАО «Аммофос» 161,21 руб. Чем выше параметры пара, тем больше его теплосодержание в Гкал. Подогрев воздуха можно осуществлять в паровых калориферах паром с t=158С и Р=0,6 МПа. Соответственно теплосодержание данного пара меньше, чем перегретого до t=440С. Поэтому затраты на подогрев воздуха должны быть меньше, чем стоимость получаемого пара. Данное утверждение будет проверено впоследствии расчетом.

2.4 Обоснование выбора материала для футеровки аппарата Для циклонных топок характерны высокие температуры, агрессивность образующихся газов, неравномерность температур, высокие скорости потоков и малое время пребывания газа в топочном пространстве. Кирпичная футеровка чувствительна к неравномерности температур. Выбор кирпичей ограничен, и достаточно сложно выполнять футеровку ими в труднодоступных местах. Бетонная футеровка менее чувствительна к неравномерности температур, кроме того, локальный ремонт бетонной футеровки легче, чем кирпичной. По всем требованиям бетонная футеровка удовлетворяет применению в циклонных топках, так как она обеспечивает достаточную прочность, стойкость к высоким температурам и агрессивным средам. Из бетонных смесей для футеровки циклонных высокотемпературных топок наиболее рационально применение низкоцементной смеси АЛКОРИТ-85/06 с низким содержанием CaO, высокой температурой применения (см. табл. 3). Замена футеровки с кирпичной на бетонную сократит сроки ремонтов (дополнительная годовая выработка продукции), позволит увеличить межремонтные перерывы и срок службы агрегата, что приведет к увеличению эффективного фонда времени работы оборудования.

Один день простоя сернокислотного агрегата вызывает потери продукционной кислоты в размере 75,9524=1822,8 т. Себестоимость одной тонны серной кислоты в среднем составляет 312,8 руб/т, таким образом, себестоимость произведенной за день продукции (дополнительной за год) составит 312,81 822,8=570 171,84 руб/сут.

Кроме того, возникает возможность повышения концентрации SO₂ в технологическом газе на входе в контактный аппарат до максимального значения (12% об.) с одновременным увеличением температуры в топке (для более полного использования тепла горячих газов в испарителях). На практике процесс ведут при температурах, не превышающих 1300С 5. В топке базового агрегата согласно нормам технологического режима температура газа после переходной камеры не должна превышать 1170С 17, поэтому имеется возможность увеличения температуры. Таким образом, выбор типа футеровки обусловлен ее характеристиками, сроком службы и параметрами технологического процесса.

Итак, предлагаемые решения по модернизации агрегата должны обеспечить следующие экономические результаты:

1) уменьшение себестоимости продукции за счет увеличения паропроизводительности (пар — возвратный отход производства);

2) снижение затрат на ремонт футеровки;

3) дополнительная годовая выработка продукции за счет увеличения эффективного фонда времени работы оборудования.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ГОТОВОГО ПРОДУКТА Сырьем для производства серной кислоты по «короткой» схеме, реализованной на ОАО «Аммофос» является сера техническая комовая (газовая гранулированная), воздух, вода. Промежуточным продуктом является диоксид серы SO₂, конечный продукт — техническая серная кислота. Для получения пара используется питательная вода.

Сера. Сера, используемая в качестве сырья для производства серной кислоты контактным методом, по физико-химическим показателям должна соответствовать требованиям и нормам ГОСТ 127–93 к технической комовой 18.

Таблица 4

Требования к качеству серы

Содержание серы, золы, кислотности и мышьяка даны по отношению к сухому веществу. Содержание влаги задано по отношению к весу сухой серы.

При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Твердая сера существует в двух кристаллических аллотропных формах — ромбической и моноклинной. Их свойства представлены в табл. 5.

Таблица 5

Свойства модификаций серы

Сера отличается малой теплопроводностью, очень плохо проводит электрический ток, практически нерастворима в воде. Плавление серы сопровождается увеличением ее объема (примерно на 15%). При 120С расплавленная сера представляет собой желтую легкоподвижную жидкость, вязкость которой изменяется с повышением температуры. При температуре выше 160С сера темнеет и при 190С превращается в темно-коричневую вязкую массу. С дальнейшим повышением температуры вязкость массы уменьшается и около 300 С расплав серы вновь становиться легкоподвижным. Температура кипения серы 444,6С. Температура горения серы в воздухе 224−261 С. Теплота парообразования при Т_кип и атмосферном давлении равна 287,4 кДж/кг. Температура воспламенения чистой серы в воздухе 248−261 С 5, 6, 10, 19.

Воздух. Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [% об.]: N₂ — 79,0, О₂ — 21,0. На стадию сжигания серы подается осушенный воздух из сушильной башни. Содержание влаги не более 0,01% об 10.

Вода питательная. Питательная вода, поступающая в систему для генерации пара энергетических параметров должна удовлетворять требованиям РД 24.032.01−91.

Кислота серная техническая. Продукция должна удовлетворять требованиям ГОСТ 2184–77 «Кислота серная техническая» 17.

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА Процесс горения — сложный комплекс химических и физических явлений. В топочном устройстве приходится иметь дело со сложными полями скоростей, концентраций и температур, которые трудно поддаются точному математическому описанию.

Горение распыленной серы во многом зависит от условий взаимодействия и сгорания отдельных капель. Эффективность процесса горения определяется временем полного сгорания каждой отдельной частички серы.

Даже этот простейший случай весьма сложен из-за многообразия физико-химических процессов, происходящих при сжигании топлива. Горению серы, которое происходит только в газовой фазе, предшествует испарение серы, смешение ее паров с воздухом и прогрев смеси до температур, обеспечивающих необходимую скорость реакций. Поскольку интенсивное испарение с поверхности капли начинается лишь при определенной температуре, каждая капля жидкой серы должна быть нагрета до этой температуры. Очевидно, чем выше эта температура, тем больше времени (при прочих равных условиях) потребуется для прогрева капли. Когда над поверхностью капли образуется горючая смесь паров серы и воздуха предельной концентрации и температуры, происходит воспламенение 6.

Процесс горения капли серы зависит от условий обжига (температура и относительная скорость газового потока) и физико-химических свойств жидкой серы (наличие в сере твердых зольных примесей, битумов и др.) и состоит из отдельных последовательных стадий: 1) смешение капель жидкой серы с воздухом; 2) прогрев этих капель и испарение; 3) термическое расщепление паров серы; 4) образование газовой фазы и воспламенение ее; 5) горение газовой фазы.

Перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают почти одновременно и параллельно. В результате прогрева капля жидкой серы начинает испаряться; пары серы диффундируют к зоне горения, где при высокой температуре начинают активно реагировать с кислородом воздуха. Происходит процесс диффузионного горения серы с образованием диоксида серы. При высоких температурах скорость химической реакции окисления серы больше скорости физических процессов. Поэтому общая скорость процесса горения определяется процессами массои теплоотдачи (протекает в диффузионном режиме).

Молекулярная диффузия определяет спокойный, сравнительно медленный процесс горения, турбулентная — значительно ускоряет его. С уменьшением размера капель сокращается время их испарения. Мелкое распыление частиц серы и равномерное их распределение в воздушном потоке увеличивает поверхность контакта, облегчает нагрев и испарение частиц.

Согласно 20], при горении каждой единичной капли в составе факела следует различать три периода: инкубационный, интенсивного горения и период догорания. При горении капли с ее поверхности, как было показано экспериментально, происходят выбросы пламени, напоминающие собой солнечные — протуберанцы. В отличие от обычного диффузионного обнаруженный вид горения с выбросами языков пламени с поверхности горящей капли получил название взрывного горения.

Горение капли серы в диффузионном режиме осуществляется путем испарения молекул серы с поверхности капли. Скорость испарения зависит от физических свойств жидкости и температуры окружающей среды (определяется характеристикой скорости испарения). В чисто диффузионном режиме сера горит в первом и третьем периодах. Взрывное же горение капли наблюдается только во втором периоде, когда идет интенсивное горение.

Продолжительность периода интенсивного горения капли серы пропорциональна кубу начального диаметра капли. Это вызвано тем, что взрывное горение является следствием процессов, протекающих в объеме капли.

Характеристика скорости горения К вычисляется по формуле 20:

(1)

где К — характеристика скорости горения капли, мм²/с; d_Н — начальный диаметр капли, мм; - время полного сгорания капли, с.

Характеристика скорости горения капли К равна сумме характеристик диффузионного и взрывного горения и определяется по следующим выражениям 20, 21, 22:

(2)

(3)

(4)

(5)

где К_ВЗ, К_ДИФ — константы взрывного и диффузионного горения соответственно, мм²/с; К — константа скорости горения при температуре Т₁=1073 К (800 С), мм²/с; Р — давление, МПа; К_Т2 — константа скорости горения при температуре отличной от Т₁, мм²/с; Е_А — энергия активации, равная 7850 Дж/моль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/мольК; Т₁, Т₂ — температуры, К.

Таким образом, основными условиями эффективного горения жидкой серы являются: подвод всего необходимого количества воздуха к устью факела, мелкое и равномерное распыливание жидкой серы, турбулентность потока, высокая температура.

В результате исследований 6 была определена зависимость интенсивности испарения жидкой серы от скорости газа и температуры, при которой происходит испарение. Сравнение значений интенсивности испарения жидкой серы и скорости горения говорит о том, что интенсивность горения не может превысить интенсивность испарения при температуре кипения серы. Это подтверждает правильность механизма горения, по которому сера сгорает только в парообразном состоянии.

Константа скорости окисления паров серы (реакция окисления протекает по уравнению второго порядка):

(6)

где С_S — объемная концентрация паров серы (ко времени от начала опыта); С_О2 — объемная концентрация кислорода (ко времени от начала опыта); К — константа скорости реакции.

Сжигание происходит с выделением большого количества тепла по реакции:

0,5S_2(газ)+O_2(газ)=SO_2(газ), Н = - 362,43 кДж/моль. (7)

Интенсивность процесса горения определяется скоростью горения факела распыленной серы в топке. Установлено, что капли серы диаметром менее 100 мкм сгорают в диффузионном режиме, а более 100 мкм — во взрывном. На участке 100−160 мкм время горения капель не увеличивается 21. На рис. 4 представлена зависимость времени горения капель серы от начального диаметра.

Рис. 6. Зависимость времени горения © капель серы от начального диаметра ₀ (мм).

Для интенсификации процесса горения целесообразно распыливать серу на капли диаметром 130−200 мкм или получать диаметром менее 90 мкм, что требует затрат дополнительной энергии 21. Получить такую дисперсность с помощью установленных в базовом агрегате центробежных форсунок невозможно, поэтому необходима замена форсунок.

Таким образом, установлены следующие особенности горения серы:

1) эффективность процесса горения серы определяется временем полного сгорания каждой ее капли 6;

2) процесс горения капли состоит из отдельных последовательных стадий: смешение капель жидкой серы с воздухом; прогрев этих капель и испарение; термическое расщепление паров серы; образование газовой фазы и воспламенение ее; горение газовой фазы. Причем перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают почти одновременно и параллельно 6;

3) время прогрева капли _прог определяет длительность подготовки ее к горению и зависит от температуры и начального диаметра капель 5;

4) время испарения _исп существенно зависит от температуры. Для мелких капель оно значительно меньше времени их пребывания в топочной камере 5;

5) при высоких температурах скорость химической реакции окисления серы больше скорости физических процессов 6;

6) капли диаметром менее 0,1 мм сгорают в диффузионном режиме, а более 0,1 мм — во взрывном 21.

Таким образом, общая скорость процесса горения определяется процессами массои теплоотдачи 6.

5. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ В настоящее время серную кислоту получают двумя способами: контактным и нитрозным. В качестве сырья для производства серной кислоты используют различные серосодержащие вещества, основными из которых являются сера и серный колчедан. В качестве базового варианта для проектирования в данной работе выбрана технологическая схема № 2 производства серной кислоты из серы, реализованная на ОАО «Аммофос» .

Данная схема имеет следующие преимущества по сравнению с другими:

— большая производительность (620 тыс. т/год) по сравнению со схемами, работающими на колчедане (до 320 тыс. т/год);

— отсутствие отделения очистки печного газа от пыли;

— отсутствие твердых отходов;

— возможность получения печного газа с большим содержанием SO₂, по сравнению с обжиговым газом полученным из колчедана.

К недостаткам выбранной схемы следует отнести: пониженную паропроизводительность агрегата, понижение концентрации SO₂ в газе, выходящем из котла. Проектируемая схема отличается от базовой узлом сжигания жидкой серы и схемой подвода воздуха к топке.

Преимущества проектируемой схемы связаны с решаемыми задачами модернизации, а именно: проектной паропроизводительностью (95 т/ч), предварительный подогрев воздуха перед топкой, получение технологического газа с максимальной концентрацией SO₂ 12% об., возможной для данной схемы.

Технологическая схема печного отделения сернокислотного производства представлена на рис. 7.

Из расходного сборника 1 жидкая сера поступает в промежуточный сборник 2, откуда двумя погружными насосами 10, 11, один из которых резервный, подается в серные форсунки на распыление. Давление серы перед форсунками 0,3−0,7 МПа. Температура в сборниках поддерживается в пределах 135−140 С за счет обогрева их паром.

Осушенный в сушильной башне воздух нагнетателем 12 подается в агрегат 5 на сжигание серы. В схеме предусмотрен блок калориферов 3, где осушенный воздух подогревается до температуры 140С. Перед калориферами температура воздуха составляет 40−90 С. Нагрев воздуха ведется насыщенным водяным паром с температурой 158С и давлением 0,6 МПа. Избыточное давление воздуха перед топкой составляет 45−50 кПа.

Сжигание жидкой серы в количестве 5−18 м³/ч производится в агрегате РКС-95/4,0 в 2-х циклонных топках 4, соединенных с котлом переходной камерой. На сжигание в РКС-95/4,0 поступает жидкая фильтрованная сера с температурой 135−145 ^оС. При сжигании серы в серных топках образуется газ с содержанием диоксида серы (SО₂) 11,5−12,0%.

Регулирование температуры газа на выходе из котла-утилизатора 5 производится дроссельной заслонкой на горячем байпасе, которая пропускает газ из камеры догорания циклонных топок, а также холодным байпасом, перепускающим часть воздуха мимо котло — печного агрегата в газоход после котла.

Энерготехнологический агрегат водотрубный с естественной циркуляцией, типа РКС-95/4,0, одноходовой по газу предназначен для охлаждения сернистых газов при сжигании жидкой серы и выработки перегретого пара с температурой 430−450 °С при давлении 3,7−3,9 МПа.

Котел-утилизатор состоит из следующих основных узлов: барабана с внутрибарабанным устройством, испарительного устройства с конвективным пучком, трубчатого охлаждаемого каркаса, топки, состоящей из двух циклонов и переходной камеры, портала, каркаса под барабан. Температура газа после топок перед котлом повышается в новых условиях до 1250^оС. Охлаждение высокотемпературных газов происходит в испарительной части котла, в результате чего температура газа снижается до 390−420 ^оС. Охлажденный сернистый ангидрид направляется на последующую стадию производства серной кислоты — окисление в контактном аппарате.

Топка предназначена для сжигания до 25 т/ч жидкой серы. Топка состоит из 2-х циклонов, расположенных относительно друг друга под углом 110^о и переходной камеры. Каждый циклон представляет собой конструкцию из 2-х соосно расположенных цилиндрических корпусов. Внутренний корпус диаметром 2600 мм свободно опирается на опоры, приваренные к внешнему корпусу диаметром 3000 мм и имеет возможность свободного температурного перемещения. Наружный корпус опирается на катковые пружинные опоры. В кольцевое пространство, образованное внутренним и внешним корпусом, вводится воздух, который затем через сопла поступает в камеру сгорания. Сера подается в топку при помощи 8 серных центробежных форсунок с винтовым завихрителем (по 4 на каждом циклоне). Сжигание серы происходит в закрученном газовоздушном потоке. Завихрение потока достигается тангенциальным вводом воздуха в топочный циклон через воздушные сопла, расположенные на циклоне в 2 ряда. Количество воздуха регулируется заслонками с электроприводом на каждом воздушном сопле 1 ряда. Сопла второго ряда выполнены без заслонок.

Для растопки котла топочные циклоны оборудованы газомазутными горелками 6, 7 (по 1 на каждом циклоне). Переходная газовая камера предназначена для направления газового потока из горизонтальных циклонов в вертикальный газоход испарительного устройства.

6. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА Основным аппаратом печного отделения является энерготехнологический котел РКС 95/4,0−440, составной частью которого служит циклонная топка. Узел подачи жидкой серы состоит из форсунок и подводящих трубопроводов. Для расчета основного и вспомогательного оборудования необходимо составление материальных и тепловых балансов.

Цель расчета: определить количество воздуха, требующегося для сжигания серы, определить количество и состав печного газа на выходе из циклонной топки.

Материальный баланс составлен сначала на 1 т очищенной серы. Расчет материального баланса произведен по уравнению реакции:

S_(ж) + O_2(г) = SO_2(г), Н<0 (8)

Образованием SO₃ и NO_x пренебрегаем.

Условие материального баланса: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).

(9)

где — сумма масс всех реагентов на входе в систему; - сумма масс всех продуктов на выходе из системы; n, m — число исходных реагентов и продуктов реакции соответственно.

Схема потоков представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема потоков топки котла Молярные массы исходных веществ и продуктов реакции рассчитаны с точностью до целых. Количество элементарной серы, поступающей в топку G_S=1000 кг.

Масса и объем образующегося диоксида серы определены по формулам:

(10)

(11)

где и — молярные массы SO₂ и серы, равные 64 и 32 соответственно, кг/кмоль; - мольный объем газа при нормальных условиях.

.

.

Объем печного газа при концентрации SO₂ 12% об.:

(12)

где — концентрации SO₂ в печном газе, % об.

.

Содержание кислорода в печном газе определено по уравнению 19:

. (13)

Количество кислорода в печном газе:

(14)

(15)

где — концентрация кислорода в печном газе, % об.; - молярная масса кислорода.

.

.

Содержание азота в печном газе:

(16)

(17)

где — молярная масса азота.

.

.

Количество сухого воздуха, необходимое для сжигания серы:

(18)

где — содержание азота в воздухе.

.

Количество кислорода, поступающего с воздухом в топку:

(19)

(20)

.

.

Объем кислорода, требующийся по стехиометрии реакции для сжигания серы, численно равен объему образующегося диоксида серы, т. е. 700 м³, тогда объем воздуха равен 700/0,21=3333,33 м³.

Коэффициент избытка воздуха определен по формуле:

(21)

 — практический и теоретические расходы воздуха, м³.

.

Часовая производительность производства по серной кислоте 75,95 т/ч. Производительность по очищенной сере котло-печного агрегата согласно нормам технологического режима 17 равна 24 870 кг/ч. Пересчет материального баланса циклонной топки на часовую производительность представлен в табл. 6.

Таблица 6

Материальный баланс циклонной топки на часовую производительность 24,870 т/ч по сжигаемой сере

Предлагаемая модернизация не влияет на материальные потоки, т. е. не изменяет материальный баланс стадии сжигания серы. При расчете материального баланса определено количество осушенного воздуха, необходимого для сжигания серы и получения технологического газа с концентрацией SO₂ 12,0% об. Расход воздуха равен 145 075 м³ (н. у.). Воздух на стадию сжигания серы подается в избытке для обеспечения требуемой концентрации SO₂. Коэффициент избытка воздуха равен 1,75.

Расход технологического газа численно равен расходу воздуха 145 075 м³ (н. у.). Состав технологического газа на выходе из топки (на входе в 1 ступень контактного аппарата), % об.: SO₂ — 12, SO₃ — 0, O₂ — 9, N₂ — 79. Концентрация SO₂ 12,0% об. является максимально допустимой для подачи в контактный аппарат. Объем жидкой серы, поступающей на сжигание в топку: