Отчёт по технологической практике на ОАО «Гомельстекло»

Процесс неполного сжигания природного газа состоит из следующих технологических операций:

• подготовка газовоздушной смеси в обьемном соотношении воздух: газ от 6,5:1 до 9,8:1, что соответствует содержанию водорода в готовой азото-водородной среде от 20 до 0,5% об.;
• неполное сжигание природного газа в слое зернистого огнеупорного материала;
• охлаждение продуктов неполного сжигания природного газа и насыщение их парами воды.

Природный газ и сжатый воздух через регуляторы расхода газа и воздуха подаются в горелку камеры сжигания, где происходит их полное смешивание.

Подготовленная газовоздушная смесь поступает сверху вниз в лобовую часть  камеры сжигания, которая изнутри футерована корундовым огнеупорным кирпичом и заполнена электрокорундовой спецкрупкой мелкой фракции от 5 до 10 мм на 60% всей высоты.

На поверхности раскаленных зерен происходит неполное сжигание газа, и в лобовой части камеры в слое зернистой насадки достигается температура от 1400 до 1600˚С. При высокой температуре и большой раскаленной поверхности контакта газовоздушной смеси с насадкой скорости реакций окисления и разложения метана велики и заканчиваются в верхней зоне слоя мелкозернистой насадки.

При этом частично происходит полное горение метана с образованием диоксида углерода и паров воды (формула 1):

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О                                          (1)

При недостатке кислорода протекают сложные процессы неполного горения, которые суммарно могут быть записаны в виде следующего выражения (формула 2):

2СН4 + 2О2+ N2  = СО2 + СО + Н2О + 3Н2 + N 2                       (2)

При этом небольшая часть остаточного кислорода (обычно десятитысячные доли процента) остаётся непрореагировавшей.

Для связывания остаточного кислорода необходимо плавное снижение температуры продуктов сжигания до (400-600)˚С. Это снижение достигается применением насадки из крупнозернистого огнеупорного материала с удельной поверхностью от 50 до 150 м²/м³, которой заполнены 40% общего обьема (нижняя часть). Этот слой активно отбирает тепловую энергию газового потока, а содержание остаточного кислорода понижается до 0,0003% и менее.

Из камеры сжигания продукты неполного сжигания с температурой (240±80)˚С поступают в испаритель, который заполнен кольцами Рашига из жаропрочной стали. В испаритель через распылитель подается водный конденсат, происходит испарение конденсата на поверхности колец, охлаждение продуктов сжигания до 230˚С и насыщение их парами воды. Охлаждение газовой смеси и насыщение ее парами воды необходимо для последующей операции конверсии монооксида углерода и очистки от него газовой смеси.

Камера сжигания представляет собой стальной цилиндр диаметром 1,2 м и высотой 2,3м, футерованный изнутри корундовым огнеупорным кирпичом.

Футеровка камеры сжигания производится только с применением корундо-муллитового огнеупорного кирпича. Футеровке подлежит днище, внутренние поверхности корпуса и съемная крышка. Для кладки используется замазка. Камера сжигания заполнена зернистым огнеупорным материалом – корундовой спецкрупкой.

На дно камеры сжигания кладут огнеупорные корундо-муллитовые брусья размером (100х100х600) мм с расстоянием между ними 80 мм. Следующий слой выкладывается кусками огнеупорного материала крупностью от 50 до 60 мм, следующий – от 30до 35 мм. Далее насыпается слой крупнозернистой насадки с размером зерен от 15 до 20 мм, которой заполнено 40% общей высоты, и далее слой мелкозернистых от 5 до 10 мм гранул, занимающий 60% общей высоты.

По центру крышки камеры сжигания расположен фланец, на котором крепится инжекционная горелка с активной воздушной струей. Важнейшей частью горелки является смеситель, по центральной части которого подается сжатый воздух, а по периферийной - природный газ. Горелка изготовлена из жаропрочной стали. Основным правилом ее эксплуатации является соблюдение очередности подачи газов: сначала включают сжатый воздух, а потом природный газ.

Испаритель конденсата соединен с камерой сжигания с помощью переходника и представляет собой стальной цилиндр диаметром 0,6 м и высотой 1,2 м, имеющий водяную рубашку охлаждения. Внутреннее пространство испарителя разделено по высоте решеткой из жаропрочной стали, верхняя и нижняя часть испарителя заполнены кольцами типа Рашига из жаропрочной стали диаметром от 25 до 50 мм. Под решеткой установлен распылитель конденсата, через который производится равномерное распыление конденсата на нижний слой колец. Испаритель имеет съемную крышку и люки в боковой поверхности для загрузки и выгрузки колец, он позволяет насыщать влагой уходящие из камеры сжигания продукты и охлаждать их до 230°С.

Продукты неполного горения природного газа с температурой (200±70)°С, насыщенные парами воды, поступают из камеры сжигания через испаритель в конвертор. Каталитическая очистка продуктов неполного сжигания природного газа от монооксида углерода происходит на поверхности катализатора НТК-Щ и НТК-4 или К-СО по реакции конверсии.

При хорошо отлаженном процессе очистка газа от монооксида углерода проходит до остаточной концентрации, не превышающей от 0,002 до 0,005% об.

За счет реакции конверсии концентрация водорода в газе увеличивается примерно вдвое.

Из конвертора продукты горения и конверсии, очищенные от монооксида углерода и обогащенные водородом, поступают в фильтр, где очищаются от уносимых частиц катализатора.

Следующая стадия процесса предназначена для охлаждения продуктов неполного сжигания и конверсии, получающихся после прохождения блока конверсии монооксида углерода, и отделения сконденсированной при охлаждении влаги.

Продукты неполного сжигания и конверсии содержат от 28 до 45% об. воды и имеют температуру около 220°С. При такой температуре невозможно вести очистку газовой смеси от Н2О и СО2. Также при указанном содержании влаги невозможна и работа адсорбентов из-за быстрого влагонасыщения цеолита и выхода его из строя в результате заполнения пор конденсированной влагой. Поэтому поток газовых продуктов необходимо охладить до 10-15˚С с максимальным отделением газообразной и конденсированной (капельной и туманообразной) влаги. Смесь газовых продуктов после прохождения блока конверсии имеет средний состав в % об.: Н2-6, N2-46, СО2-9, Н2О-39. При поступлении такой смеси в первый газоводяной холодильник эти продукты охлаждаются примерно до 60°С, и большая часть влаги конденсируется в межтрубном пространстве холодильника, стекает в нижнюю газовую полость, из нее поступает в конденсатоотводчик 1-й ступени и далее в конденсатную систему. Часть капельной влаги увлекается интенсивным газовым потоком и после выхода из первого холодильника попадает в циклонный каплеуловитель, где движется вдоль спиралеобразной панели по касательной по отношению к закругляющейся стенке. При этом за счет центробежной силы капли оседают на поверхности, укрупняются и стекают в нижнюю часть циклонного каплеуловителя, а затем перетекают в конденсатоотводчик.

Из циклонного каплеуловителя газовая смесь по специальному осевому патрубку для выхода газа направляется вверх и далее во второй газоводяной холодильник, где охлаждается до 35°С с отделением соответствующей порции влаги (как в основном холодильнике, так и в следующих за ним), которая поступает в конденсатоотводчик.

В третьем холодильнике, работающем на захоложенной воде с температурой от 5 до 10°С, происходит дальнейшее охлаждение газа до (10-15)˚С и дополнительное влагоотделение. Объем конденсирующейся здесь влаги невелик, но его значение для последующего адсорбционного процесса существенно.

Система охлаждения и влагоотделения работает в тесном взаимодействии с системой сбора и подачи конденсата, а также с блоком циркуляционного охлаждения воды, включающим в себя трубопроводы, расходный бак, насосы и фреоновые холодильные машины.

Газоводяные холодильники первой и второй ступени, предназначенные непосредственно для охлаждения газа, представляют собой обычные кожухотрубчатые теплообменники в виде цилиндра диаметром 0,7 м и высотой 3,7 м, в которых по трубкам циркулирует вода из оборотного водоснабжения, а по межтрубному пространству снизу вверх идет газовый поток.

Циклонный каплеуловитель предназначен для отделения мелких капель и туманообразных частиц влаги из газового потока. Он представляет собой цилиндрический сосуд с переменным сечением высотой около 0,7 м и диаметром 0,27 м.

Оборудование, используемое при производстве азотно-водородной смеси, сведено в таблицу 6.

Таблица 6 – Характеристика оборудования

Конденсатоотводчик предназначен для сбрасывания излишков конденсата в конденсатопровод и сборки конденсата. Он представляет собой стальной цилиндрический герметичный сосуд диаметром 0,2 м и высотой 0,38 м.

Далее идет процесс сбора и подачи водяного конденсата, предназначенный для сбора воды, получающейся при конденсации водяных паров в результате охлаждения продуктов неполного сжигания и конверсии в холодильниках блока охлаждения и влагоотделения перед адсорберами, а также в испарителе блоков сжигания.

Сборники конденсата представляют собой емкости объемом 4 м3, расположенные ниже уровня технологических агрегатов (в подвале). К ним подходит одна из ветвей конденсатопровода для слива конденсата самотеком. Емкости оборудованы электросигнализацией верхнего и нижнего предельного уровня и соединены между собой. Выходные патрубки соединяют их с насосами.

Для снабжения холодной водой газоводяных холодильников, входящих в процесс охлаждения, влагоотделения, и дополнительного охлаждения газовой смеси с целью максимального влагоотделения перед поступлением газовой смеси в адсорбер, используется блок циркуляции захоложенной воды.

В холодильных машинах используют фреон (легкоиспаряющаяся жидкость), который в процессе работы компримируется, а затем испаряется в испарителе с большим поглощением тепла и охлаждением воды до 10°С.

Частично обезвоженная путем конденсации газовая смесь (продукты неполного сжигания и конверсии) далее подвергается окончательной адсорбционной очистке от влаги и углекислого газа. Перед адсорбционной очисткой газовый поток очищается от туманообразной влаги в циклонном каплеуловителе, а затем проходит через адсорбер.

Полный цикл работы каждого адсорбера состоит из трех режимов:

• рабочего (поглощения, адсорбции);
• регенерации (десорбции);
• заполнения (выравнивания давления).

Очищенная азото-водородная смесь отводится из верхней части адсорбера и подается потребителю. Часть чистой азото-водородной смеси (до 30%) подается в другие адсорберы на продувку и заполнение. Время режима адсорбции рассчитано и экспериментально определено (около 4 мин.) таким образом, чтобы была исчерпана адсорбционная емкость цеолита при проектной производительности установки. При превышении этого времени цеолит перестает активно поглощать примеси, и в потоке газов на выходе из адсорбера появляются сверхнормативные концентрации СО2 (более 0,05 % об.).

3. Расчет материального баланса