книги из ГПНТБ / Сюняев З.И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса

кипящим слоем и излучающими стенками приведены ниже:

При нагреве мелких фракций нефтяного кокса в камерных ап­ паратах (без кипящего слоя) на сланцевом комбинате в Кохтла Ярве в основном подтвердились результаты лабораторных и опыт­ ных испытаний по прокаливанию кокса. Максимальный удельный съем кокса составлял всего 6 кг/ч, т. е. в два раза ниже удельного съема, достигнутого на опытной установке, в связи с отсутствием предварительной ступени нагрева.

Пониженные потери кокса достигаются при сочетании предва­ рительного нагрева кокса до 1000 °С дымовыми газами и электро­ нагрева при высоких температурах. После предварительного нагре­ ва сырого кокса дымовыми газами до 930—940 °С расход электро­ энергии для последующего электронагрева до 1340—1455 °С нахо­ дится в пределах 370—435 кВт-ч/т. Результаты экспериментов по­ казывают, что для нагрева кокса от нуля до температуры обессе­ ривания (1500 °С) в опытно-промышленном электрокальцинаторе электроэнергии расходуется 1150 мВт-ч/т, т. е. после предваритель­ ного нагрева кокса до 930—940°С расход электроэнергии на про­ цесс обессеривания снижается примерно в 3 раза.

Следует отметить, что в опытном электрокальцинаторе и на ис­ пытанной комбинированной установке расход электроэнергии не­ сколько завышен в связи с большими тепловыми потерями поверх­ ностью кладки печи. Так, для нагрева 1 кг кокса до 1500 °С с уче­ том теплового эффекта реакций обессеривания (20 ккал/кг) тре­ буется подводить 545 ккал (0,635 кВт-ч) тепла. Обычно к. п. д.

263

промышленных электрокальцинаторов колеблется в пределах 65— 70%. Поэтому расход электроэнергии на обессеривание 1 т кокса для промышленного электрокальцинатора следует принимать рав­ ным 910—980 кВт-ч. На комбинированной опытной установке (см. рис. 75) фактический расход электроэнергии в два с лишним раза ниже этих данных, хотя к. п. д. электрической части составлял все­ го 36—58%. Потери при обессеривании сырого и предварительно прокаленного до 1000°С кокса практически совпадают. Исходя из этого, можно заключить, что в случае сырого кокса в I секции на­ грева в основном сгорают выделяющиеся из кокса углеводородные газы. При их отсутствии кокс разогревается за счет его частичного сжигания.

Необходимо отметить высокую степень обессеривания на ком­ бинированной установке нефтяных коксов (до остаточного содер­ жания серы 0,66%) при меньшем расходе электроэнергии, чем в случае использования обычных электрокальцинаторов.

Технологическая схема опытно-промышленной установки для прокаливания малосернистого нефтяного кокса

На основании теоретических разработок, результатов эксперимен­ тальных исследований и опытных испытаний была построена опыт­ но-промышленная установка для прокаливания малосернистого

264

нефтяного кокса. Огнеупорную кладку подбирали таким образом, чтобы на этой установке можно было проводить также опыты по обессериванию сернистых нефтяных коксов.

На рис. 77 приведена технологическая схема опытно-промыш­ ленной установки прокаливания, состоящей, в основном, из сле­

Сырой малосернистый кокс размером 0—25 мм с установки за­

дробления до размеров 0—12 мм в валковой дробилке 4 направ­ ляется шнековым транспортером в промежуточный бункер 5, откуда пневмотранспортом поступает в газосепаратор 9. После от­ деления в газосепараторе от транспортирующего агента (дымовых газов) коксовая мелочь через питатель поступает в верхнюю сек­ цию прокалочной печи 12. В печи кокс прокаливается горячими дымовыми газами, образующимися в результате сгорания части кокса и летучих веществ. Теплообмен осуществляется при встреч­

Дымовые газы из прокалочной печи при 950 °С проходят через коксоуловитель 15 в печь дожита 19. Горячие дымовые газы из печи 19 подаются на сушку кокса и частично на охлаждение в хо­ лодильники дымовых газов 17, после чего сбрасываются в атмо­ сферу. Коксовая пыль из коксоуловителей 15 и 16 поступает на смешение с готовым охлажденным коксом или возвращается в прокалочную печь.

Особенности опытно-промышленной установки следующие. Прокалочная печь представляет собою комбинированный реактор. Верхняя его часть, состоящая из трех секций, служит для нагрева и прокаливания кокса, а в нижней части в двух секциях кокс охлаждается холодными дымовыми газами. На каждой секции на­ грева и охлаждения поддерживается режим кипящего слоя. На установке имеется шесть реакторов. Производительность каждого реактора 2,0 т/ч кокса; один реактор является запасным (экспери­ ментальным).

В переточных устройствах, выше ввода ожнжающего агента, кокс контактируется с газом в фонтанирующем режиме. Кокс пере­ двигается сплошным слоем от места ввода газа до следующей сек­ ции, расположенной ниже. Сплошной слой в перетоке обеспечи­ вается отводной трубой соответствующей длины и профиля. Такая система передвижения кокса обеспечивает устойчивую работу печи.

Описанный реактор сочетает в себе достоинства аппаратов с ки­ пящим слоем и фонтанирующим режимом и лишен, их основных недостатков: нет распределительных подин и отсутствует пульса­ ция потока, характерная для многоступенчатых аппаратов с рас­ положением перетоков на одной центральной оси. В комбинирован­ ном реакторе соседние перетоки смещены относительно друг друга на некоторое расстояние.

Для исключения влияния влажности при отработке и всесторон­ ней проверке режима процесса проектом предусмотрен узел сушки сырого кокса. На промышленных установках коксования кокс по­ дается на склад хранения, где осуществляют его частичную сушку. Необходимость в применении специального узла сушки кокса бу­ дет определена в дальнейшем.

РАСЧЕТ И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА КОКСОВ В МНОГОСЕКЦИОННЫХ АППАРАТАХ

Общие потери кокса в многосекционном аппарате будут склады­ ваться из потерь за счет удаления влаги и летучих в I секции, сжи­

висящее от способа и режима коксования, а также условий транс­ портирования и хранения, влияет в основном на работу I секции. Расчет этой секции сводится к составлению теплового баланса с учетом теплот реакций сжигания горючих газов при наличии дожита между секциями многосекционного аппарата [18].

Расчеты показывают, что в I секции часть горючих газов (окись углерода и летучие вещества, выделяющиеся из кокса) остается неиспользованной. Полное использование химического тепла ды­ мовых газов лимитируется восстановительной реакцией образо­ вавшейся двуокиси углерода с раскаленным коксом, протекающая интенсивно при температурах выше 900—950 °С ( в зависимости от реакционной способности нефтяного кокса). Оставшуюся часть го-

266

рючих газов целесообразно дожигать в котле-утилизаторе и ис­ пользовать для нагрева до оптимальной температуры воздуха, по­ даваемого в топочную камеру, и получения водяного пара.

Различие нефтяных коксов по содержанию серы почти не ска­

для сернистых). Материал до поступления в камеру горения нагре­ вается за счет использования тепла топочных газов в многосек­ ционных аппаратах. Чем больше секций в реакторе, тем полнее

Поэтому необходимо установить оптимальное число секций и зави­ симость от него угара кокса.

Некоторые рекомендации по оптимизации числа ступеней реак­ торов были опубликованы [23, 174], но они касались частных за­ дач, отличных от рассматриваемой.

Примерно в этот же период опубликована работа [163] по вы­ бору метода расчета общих потерь нефтяного кокса в многосек­ ционных аппаратах при' контактировании кокса с дымовыми га­ зами. В этой работе при выводе формул для расчета теоретиче­ ских потерь было принято следующее допущение: при температу­ рах обессеривания порядка 1500 °С все балансовое количество С 0 2 , содержащееся в теплоносителе, полностью восстанавливается; вос­

Метод заключается в проверке расчетом заданной величины значений температуры одного из потоков (например, кокса). Одна­ ко при большом числе секций реактора расчет по такому методу трудоемок и для него требуется сложный вычислительный аппарат. Ниже излагается более простой, но не менее точный метод, позво­ ляющий быстро оценить и рассчитать миогосекциониый аппарат, предназначенный для нагрева дымовыми газами углеродистых ве­ ществ с минимальным угаром.

соответственно газа-теплоносителя и нагреваемого материала, °С:

зываемые водяным числом [51] или водяным эквивалентом [23,

Отношение валовых теплоемкостей сред W мало зависит от температуры, так как теплоемкости обоих потоков одновременно повышаются или падают с изменением температуры. Например, отношение валовых теплоемкостей при 1000 и 1500 °С для случая нагрева кокса топочными газами равно 1,05, т. е. практически можно принять W=f(t) =const.

Из теплового баланса нагревательной зоны печи можно опреде­ лить конечную температуру нагрева материала (в °С):

рассчитать температуру поступающего в топочную камеру углеро­

На рис. 78 приведены зависимости конечной температуры по­ токов от числа ступеней контактирования. Видно, что увеличение W и п для достижения высоких температур нагрева материала целесообразно, но надо учесть, что при этом пропорционально рос-

268

ту W и n увеличиваются сечение и высота аппарата. Оптимальны­ ми (см. рис. 78) следует считать /г = 3—4, и №=1—1,5; дальней­ шее же секционирование и увеличение W не дает существенного эффекта нагрева.

Рассмотрим процесс горения и тепловой режим топочной ка­ меры.

Vuело ступеней, п

Реакция горения углерода кокса в общем виде выражается уравнением

С + ~2 (1 + ос) 0 2 = (1 — а) СО + а С 0 2 + Qp

где а — стехиометрический коэффициент полноты сгорания — ра­ вен:

(1 + а) 32

/д - 2 . 1 2 С о 2

где Со2 — весовая доля кислорода в дутье.

Масса продуктов, получающаяся при сгорании 1 кг топлива, кг:

ёг = / д + 1

Масса отдельных составляющих топочных газов, кг, равна:

где C N 2 — весовая доля азота в дутье.

2 69

Из теплового баланса топочной камеры можно определить ко­ личество нагретого кокса (потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем).

пература облагораживания и теплоемкость кокса; остальные обоз­

Совместным графическим решением уравнений (31) и (37) оп­ ределяется величина W. После этого легко рассчитывается угар углерода У как доля топлива, поступающего в тоттку сырья: y=100/g-M . Подставляя значение gM из (29), находим (в % ) :

270

в промежуточных секциях многоступенчатого аппарата. Для этой

ры на кривых — число ступеней нагрева; г — температура по­ догретого воздуха, °С.

пользуется. Поэтому целесообразно включить в схему установки; облагораживания котел-утилизатор для нагрева дутья до опти­ мальной температуры и получения водяного пара;

с утилизацией тепла топочных газов и высокопотенциального физического тепла облагороженного кокса. Для этой цели из про­ межуточной секции многосекционного аппарата, имеющей темпе­

271

Д ля утилизации тепла отходящего продукта могут быть исполь­ зованы многосекционные аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем или циклонные аппараты.

Для практики одинаково важен и нагрев циркулирующего газа, и охлаждение облагороженного кокса; поэтому при расчете этого< узла следует принять валовую теплоемкость циркулирующего газа

Wn=\.

Анализ кривых рис. 79 позволяет заключить следующее: подогрев воздуха существенно улучшает показатели работы

многосекционного аппарата. Экономически обоснованной макси­ мальной температурой подогрева воздуха следует считать 1000—

табл. 29). При этом общие потери кокса, например, для замедлен­ ного коксования (летучие 11%, сера удаляемая 3%) не превысят 11+6,25(1—0,11)+3=19,55% (без учета воды в сырье), т. е. при­ мерно на 10% меньше общих потерь для этого же кокса при нагре­ ве способом, указанным в работе [163]. В дальнейшем при нагреве коксов в среде дымовых газов угар может быть несколько снижен путем использования многокаскадной топочной камеры (рис. 80). При одинаковом расходе подачи первичного воздуха в каскады то­ почной камеры с некоторым допущением можно принять, что тем­ пература по каскадам распределяется равномерно.

Ниже приведены результаты расчета угара кокса при его нагре­ ве до 1500 °С в многосекционном аппарате с трехкаскадной топоч-

272