Система подогрева воздуха для производства сажи

Система подогрева воздуха для производства сажи, включающая два последовательно расположенных по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля рекуператора, первый из которых выполнен в виде трубчатого рекуператора, а второй рекуператор типа «труба в трубе» состоит из трех коаксиально расположенных труб, образующих три полости. По наружной кольцевой полости движется воздух, предварительно подогреваемый перед подачей в трубчатый рекуператор 1-ой ступени, по средней полости -высоко температурный сажегазовый аэрозоль, по внутренней - воздух для сжигания топлива в камере обогрева сушильного барабана.

Полезная модель относится к рекуперативным подогревателям газовых агентов и может быть использована в производстве сажи для подогрева воздуха.

Широкое распространение в производстве сажи получили системы рекуперативного подогрева воздуха от высокотемпературного (до 1000°С) сажегазового аэрозоля, образующегося при неполном горении углеводородов. Использование систем подогрева воздуха, включающих многокорпусные рекуперативные подогреватели, последовательно расположенные по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля, обусловлено в основном тем, что последовательное охлаждение аэрозоля позволяет применить для последующих рекуператоров стали с меньшим содержанием легирующих присадок для снижения затрат на подогрев воздуха.

Известна система рекуперативного подогрева воздуха, включающая два последовательно расположенных по ходу движения аэрозоля трубчатых рекуператора [1]. Холодный воздух поступает во 2-ой по ходу движения аэрозоля рекуператор, который состоит из прямоточной и противоточной секций, причем выход воздуха прямоточной секции соединен с входом противоточной секции. С выхода противоточной секции 2-го рекуператора воздух трубопроводом подается в 1-ый противоточный рекуператор. Недостатком системы подогрева воздуха, состоящего из 2-х последовательно соединенных трубчатых рекуператоров, является высокое гидравлическое сопротивление. Трубчатые рекуператоры, содержащие в пучке по 150÷350 труб, сложно собрать в стык без зазоров и осевого смещения труб и к значительному гидравлическому сопротивлению обоих последовательно установленных рекуператоров добавляется местное сопротивление на участке сопряжения.

Известна система рекуперативного подогрева воздуха, включающая два последовательно расположенных по ходу движения аэрозоля трубчатых рекуператора [2]. Первый по ходу трубчатый рекуператор состоит из прямоточной и противоточной секций. Холодный воздух подается во входной патрубок

прямоточной секции первого рекуператора, из которой по трубопроводу поступает на вход 2-го трубчатого рекуператора. Двигаясь противотоком по межтрубному пространству, воздух с выхода 2-го рекуператора направляется трубопроводом на вход противоточной секции первого трубчатого рекуператора.

Недостатком системы подогрева воздуха, состоящего из 2-х последовательно соединенных трубчатых рекуператоров, является высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное тем, что в газоходе, соединяющем выходную трубчатую решетку 1-го рекуператора и входную решетку 2-го, происходит падение скорости потока и, как следствие, осаждение сажи и занос входных участков части трубок 2-го рекуператора. Происходит значительное увеличение гидравлического сопротивления рекуператора и уменьшение поверхности теплообмена.

Известна система рекуперативного подогрева воздуха, выбранная в качестве прототипа и включающая два последовательно расположенных по ходу движения аэрозоля трубчатых рекуператора [3]. Первый по ходу трубчатый рекуператор состоит из прямоточной и противоточной секций. Холодный воздух подается противотоком во входной патрубок 2-го трубчатого рекуператора, из которого трубопроводом направляется на вход прямоточной секции первого рекуператора. С выхода прямоточной секции воздух по трубопроводу поступает на вход противоточной секции.

Недостатком системы подогрева воздуха, состоящего из 2-х последовательно соединенных трубчатых рекуператоров, является высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное тем, что в газоходе, соединяющем выходную трубчатую решетку 1-го рекуператора и входную решетку 2-го, происходит падение скорости потока и, как следствие, осаждение сажи и занос входных участков части трубок 2-го рекуператора. Происходит значительное увеличение гидравлического сопротивления рекуператора и уменьшение поверхности теплообмена. Работа по преодолению повышенного гидравлического сопротивления системы подогрева воздуха связана непосредственно с

затратами на электроэнергию (в цене сжатого воздуха доля затрат на электроэнергию превышает 85%), поэтому экономическая эффективность мероприятий, направленных на энергосбережение за счет рекуперации тепла, значительно обесценивается затратами на электроэнергию.

Целью данной полезной модели является снижение гидравлического сопротивления системы подогрева воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что система подогрева воздуха для производства сажи, включающая два последовательно расположенных по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля рекуператора, первый из которых выполнен в виде трубчатого рекуператора, содержащего прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной решеткой, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции, а второй рекуператор состоит из трех коаксиально расположенных труб, образующих три полости, причем выходная трубная решетка первого рекуператора соединена газоходом с входом в среднюю трубную полость второго рекуператора, а трубопровод для подачи воздуха в реактор присоединен к входу в наружную кольцевую полость второго рекуператора, которая на выходе соединена с входным патрубком прямоточной секции первого рекуператора, при этом входной патрубок внутренней трубной полости второго рекуператора соединен трубопроводом с нагнетателем воздуха, который с выхода трубной полости по трубопроводу поступает в камеру обогрева сушильного барабана на сжигание топлива.

Использование в системе подогрева воздуха 2-го рекуператора, состоящего из трех коаксиальных труб, как описано выше, позволяет снизить гидравлическое сопротивление следующим образом.

Подогрев воздуха в количестве 12000÷14000 м ³/ч до 800÷900°С при начальной температуре сажегазового аэрозоля 900÷1000°С достигается при использовании трубчатых рекуператоров с поверхностью теплообмена 300 м ² и коэффициентом теплопередачи 35÷40 Вт/(м ²×°К), изготовленных из легированных

сталей с содержанием Ni и Сr свыше 18 и 23% соответственно [4]. При этом гидравлическое сопротивление одного рекуператора составляет 20÷40 кПа, а воздух должен быть предварительно подогрет до 300÷400°С. Применение дополнительного трубчатого рекуператора, изготовленного из сталей с меньшим содержанием Ni и Сr (10 и 18% соответственно), предполагает повышение давления воздуха и, следовательно, затрат на электроэнергию. Кроме того, последовательное расположение трубчатых рекуператоров увеличивает вероятность их заноса сажей, что приводит к увеличению их гидравлического сопротивления и снижению теплопередачи.

Компоновка существующих установок для производства сажи выполнена таким образом, что после трубчатого рекуператора сажегазовый аэрозоль транспортируется к системам разделения сажи и газообразных продуктов по трубопроводу диаметром 0.9 м и длиной 40÷60 м, выполненному из легированной стали типа 12Х18Н10Т, поэтому в предлагаемой полезной модели для обеспечения подогрева воздуха до 800÷900°С на выходе из трубчатого рекуператора предварительный подогрев воздуха до температуры 300÷400°С осуществляется в низконапорном рекуператоре типа «труба в трубе», который размещен на трубопровода высокотемпературного сажегазового аэрозоля после рекуператора.

В рекуператорах типа «труба в трубе» холодный и горячий агенты движутся со скоростью 40÷50 м/с в то время как в трубчатых рекуператорах - при 120÷160 м/с. Разница в скоростях в значительной степени определяет и гидравлическое сопротивление, и коэффициент теплопередачи [5]. Коэффициент теплопередачи рекуператоров «труба в трубе» составляет 20÷25 Вт/(м²×°К), что может быть компенсировано большей поверхностью теплообмена с использованием существующего газохода.

При изготовлении 2-го рекуператора используется трубопровод аэрозоля. На наружной поверхности газохода монтируется обечайка большего диаметра из углеродистой стали и в кольцевом зазоре осуществляется предварительный подогрев воздуха до 300÷400°С.

Сопротивление рекуператоров типа «труба в трубе» при этом не превышает 5 кПа.

Завершающей стадией технологической схемы производства сажи является сушка ее гранул дымовыми газами, образующимися при сжигании вспомогательного топлива с подогретым воздухом. Подогрев этого воздуха осуществляется посредством размещения трубопровода этого воздуха внутри газохода сажегазового аэрозоля.

На фиг.1 показана система подогрева воздуха с расходом 12000÷14000 м³/ч.

На фиг.2 показана система подогрева воздуха с расходом 18000÷20000 м³/ч.

Система подогрева воздуха, показанная на фиг.1, включает два последовательно расположенных по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля - трубчатый рекуператор 1 и рекуператор типа «труба в трубе» 2.

Система подогрева воздуха, показанная на фиг.1, включает два рекуператора, последовательно расположенных по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля. Первый подогреватель воздуха выполнен в виде трубчатого рекуператора 1 и содержит прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной решеткой, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции. Рекуператор 2 состоит из трех коаксиально расположенных труб, образующих три полости. Выходная трубная решетка рекуператора 1 соединена трубопроводом с входом 3 в среднюю трубную полость рекуператора 2. Трубопровод для подачи воздуха в наружную кольцевую полость рекуператора 2 присоединен к входному патрубку 4. Выходной патрубок 5 соединен с входным патрубком 6 прямоточной секции рекуператора 1. Входной патрубок 7 внутренней трубной полости рекуператора 2 соединен трубопроводом с нагнетателем воздуха, который с выхода трубной полости по трубопроводу поступает в камеру обогрева сушильного барабана на сжигание

топлива. Для увеличения интенсивности теплообмена рекуператор 2 оборудован ребрами 8 и 9, распложенными по винтовым направляющим.

Сажегазовый аэрозоль в количестве 25000÷30000 м ³/ч с температурой 900÷1000°С поступает к нижней трубной решетке рекуператора 1. Проходя по трубам рекуператора 1, сажегазовый аэрозоль охлаждается до 700÷800°С и по трубопроводу направляется во входной патрубок 3 рекуператора 2, где продолжает охлаждаться до 550÷650°С. Воздух в количестве 12000÷14000 м³/ч, используемый для образования сажегазового аэрозоля, подается по трубопроводу от нагнетателя в патрубок 4 рекуператора 2, где подогревается до 300÷400°С. Из выходного патрубка 5 подогретый воздух поступает по трубопроводу во входной патрубок 3 трубчатого рекуператора 1, в котором нагревается до 800÷820°С. Воздух в количестве 4000÷5000 м³/ч, используемый при сушке гранулированной сажи, подается от вентилятора по трубопроводу во входной патрубок 7 рекуператора 2, где подогревается до 150÷200°С.

На фиг.2 показана система подогрева воздуха с расходом 16000÷18000 м³/ч, в котором по ходу движения сажегазового аэрозоля после трубчатого рекуператора 1 установлено рекуператор 10 типа «труба в трубе», два параллельно установленных рекуператора 2 и рекуператор 11 типа «труба в трубе» аналогичной конструкции рекуператору 10. Воздух с расходом 16000÷18000 м ³/ч, используемый в процессе сажеобразования, последовательно проходит рекуператоры 11, два параллельных рекуператора 2, затем рекуператор 10 и трубчатый рекуператор 1 и подогревается до 830÷860°С. Воздух, подогреваемый для сушки гранулированной сажи, подается в последовательно соединенные внутренние цилиндрические полости рекуператоров 2, где подогревается до 240÷300°С.

В таблице приведены сравнительные характеристики систем подогрева воздуха по прототипу и предлагаемой полезной модели.

В опыте 2 при одинаковом расходе и достигаемой температуре подогрева воздуха гидравлическое сопротивление снижено с 40 до 24 кПа в сравнении

с опытом 1. Кроме того, дополнительно подогревается воздух, используемый для сушки гранулированной сажи, до 200°С.

В опыте 3, проведенном на системе подогрева воздуха с дополнительно установленным вторым рекуператором 2 и рекуператорами 10 и 11, подогрев 18000 м³/ч воздуха составляет 840°С. При этом потеря давления возрастает до 28 кПа в основном за счет увеличения сопротивления трубчатого рекуператора 1. Кроме того, воздух, используемый для сушки гранулированной сажи, в количестве 5000 м³/ч подогревается до 280°С.

Промышленные испытания системы подогрева воздуха, проводимые на ОАО «Ярославский технический углерод» в 2004÷2005 году, позволили определить следующие его технико-экономические преимущества:

- снижение энергозатрат на воздух, используемый в процессе сажеобразования, за счет снижения гидравлического сопротивления системы подогрева воздуха;

- повышение производительности технологического процесса производства сажи на 28% за счет увеличения расхода подогретого воздуха;

- годовая экономия природного газа от подогрева воздуха на сушку гранулированной сажи составила 1.5 млн. м³.

Литература

1. Пат. RU 28538

2. Пат. RU 37818

3. Пат. RU 32871

4. Пат. RU 45513

5. Справочник химика. М., Изд. «Химия», 1966, т.5, с.366, 539

1. Система подогрева воздуха для производства сажи, включающая два последовательно расположенных по ходу движения высокотемпературного сажегазового аэрозоля рекуператора, первый из которых выполнен в виде трубчатого рекуператора, содержащего прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной решеткой, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции, отличающаяся тем, что второй рекуператор состоит из трех коаксиально расположенных труб, образующих три полости, причем выходная трубная решетка первого рекуператора соединена газоходом с входом в среднюю трубную полость второго рекуператора, а трубопровод для подачи воздуха в реактор присоединен к входу в наружную кольцевую полость второго рекуператора, которая на выходе соединена с входным патрубком прямоточной секции первого рекуператора, при этом входной патрубок внутренней трубной полости второго рекуператора соединен трубопроводом с нагнетателем воздуха, который с выхода трубной полости по трубопроводу поступает в камеру обогрева сушильного барабана на сжигание топлива.

2. Система подогрева воздуха по п.1, отличающаяся тем, что выходная трубная решетка первого рекуператора соединена газоходом сажегазового аэрозоля с входными патрубками средних кольцевых полостей 2-х параллельно установленных рекуператоров 2-й ступени, выходные патрубки которых объединены в общий газоход, а воздух, предназначенный для подачи в реактор, разделяется на 2 потока, которые направляются трубопроводами через входные патрубки в наружные кольцевые полости этих рекуператоров и объединяются на выходе общим трубопроводом для подачи на вход в прямоточную секцию первого рекуператора, при этом внутренние трубные полости подогревателей 2-й ступени соединены трубопроводом для последовательного прохождения воздуха, подаваемого в камеру обогрева сушильного барабана.

3. Система подогрева воздуха по п.1, отличающаяся тем, что на участке газохода высокотемпературного сажегазового аэрозоля между рекуператорами установлен промежуточный рекуператор типа «труба в трубе», причем вход внутренней трубы промежуточного теплообменника соединен газоходом с выходной трубной решеткой первого рекуператора, а выход - с помощью газохода с входом в среднюю кольцевую полость второго рекуператора, при этом воздух, подаваемый в реактор с выхода наружной кольцевой полости второго рекуператора, подведен трубопроводом к входу в кольцевую полость промежуточного рекуператора, с выхода которой трубопроводом подается на вход в прямоточную секцию первого рекуператора.

4. Система подогрева воздуха по п.1, отличающаяся тем, что на газоходе сажегазового аэрозоля после второго рекуператора установлен дополнительный рекуператор типа «труба в трубе», по внутренней трубной полости которого проходит сажегазовый аэрозоль, а воздух, подаваемый в реактор, направляется от нагнетателя по трубопроводу через кольцевую полость дополнительного рекуператора на вход в наружную кольцевую полость 2-го рекуператора.