книги / Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса

ка. В связи с этим представляет интерес комбинированный способ нагрева углеродистых веществ до оптимальной температуры непо­ средственным контактом горячих газов с коксом, а затем нагрев в нейтральной среде, с применением для этой цели или электрокальцинатора или аппарата с излучающими стенками с движу­ щимся слоем кокса [196J. В этом случае общие потери кокса мо­ гут быть снижены до минимально возможных величии (15—20%). В обоих этих вариантах предварительная секция контактирования кокса с дымовыми газами достигается*в кипящем слое. Поэтому необходимо обосновать температуру в кипящем слое.

При низкой температуре предварительного нагрева увеличивает­ ся требуемая поверхность излучающих стенок камеры или наблю­ дается повышенный расход электроэнергии, а при высокой начи­ нают играть заметную роль вторичные реакции взаимодействия С02 и Н20 с коксом. Оптимальной следует считать такую темпе­ ратуру, при которой (при допустимых величинах поверхности или расхода электроэнергии) угар кокса от вторичных реакций и крат­ ность дымовых газов (отношение количества дымовых газов к ко­ личеству прокаливаемого ими кокса) имеют минимальные значе­ ния.

Ниже описываются результаты расчета угара и кратности ды­ мовых газов при различных температурах нагрева кокса. При расчете приняты следующие допущения: кокс нагревается дымо­ выми газами, полученными при сжигании пропана; расчет ведет­ ся на условный выход 1 кг прокаленного кокса, с учетом его угара

и потерь тепла за счет восстановления С02 и Н20, содержащихся

вдымовых газах. Глубина этих реакций определяется температу­ рой и временем контакта газов с коксом; при определении степени разложения С02 и Н20 для различных температур время контак­

та принято равным 1 с (что соответствует скорости газов 0,7 м/с

и Н20, расходуемых на вторичные реакции, количество поглощае­

„ ______ ______ _

А “ 2 6 5 - 129асо2 +170ан2о

где gli — энтальпия кокса; t — температура его нагрева.

На рис. 76 приведены значения угара кокса при непосредствен­ ном контакте его с дымовыми газами в кипящем слое в зависимо­ сти от температуры нагрева. Из кривой рис. 76 следует, что опти­ мальной температурой нагрева кокса является 1000—1050 °С, кото­ рой соответствует угар 1,0—2,0%. Кратность дымовых газов в этом случае составляет 1,5—1,6 кг/кг. С учетом этих данных при расче­

те кипящего слоя комбинированных аппаратов температура приня­ та равной 1000°С.

В нижних частях комбинированных аппаратов кокс переме­ щается в движущемся слое, который можно представить как си­ стему из коксовых частиц, разделенных газовыми прослойками. Теплопередача в движущемся коксовом слое обусловливается кон­ векцией, контактной теплопроводностью, передачей тепла через га­ зовую прослойку и радиацией.

Естественная конвекция газов возникает из-за наличия темпе­ ратурного градиента по высоте слоя. Роль конвекции в осуществле­

В общем случае Ярад является составной частью эффективного коэффициента теплопроводности ХЭф, который по предварительным

и испытана опытная установка по прокаливанию и обессериванию нефтяного кокса в комбинированном аппарате (кипящий слой и из­ лучающие стенки), изображенная на рис. 74 [196]. На установке были проверены режимы прокаливания малосернистого кокса Фер­ ганского НПЗ при 1000—1400 °С и обессеривания сернистого кокса Ново-Уфимского НПЗ при 1450—1500 °С. Основные показатели процесса прокаливания и обессеривания кокса в аппарате с

кипящим 'слоем и излучающими стенками приведены ниже:

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 электроиагрева 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 кВт-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*

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 опытио-промыш- леииой установки прокаливания, состоящей, в основном, из сле­ дующих блоков: подготовки сырья для облагораживания; собст­ венно процесса облагораживания; охлаждения и утилизации теп­ ла раскаленного кокса; хранения и транспортирования облагоро­ женного кокса.

Сырой малосернистый кокс размером 0—25 мм с установки за­ медленного коксования поступает через сырьевой бункер 1 и шне­ ковый питатель 2 в сушилку барабанного типа 3. Сушка сырого кокса производится путем сжигания дымовых газов в печи дожи­ та 19. Высушенный кокс при 70—100 °С без дробления или после 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 ных потоках кокса и дымовых 'Г-азов. Температура по секциям пе­ чи 12 распределяется следующим образом:

Для получения в I секции температуры 950 °С в нее подается воздух на дожиг летучих веществ и окиси углерода. В топку пе­ чи 12 газодувкой 18 подается воздух, который предварительно на­ гревается до 800 °С в воздухоподогревателе 20, расположенном в печи дожита 19. В нижней части прокалочной печи 12 находится узел охлаждения кокса. Охлажденный до 120 °С кокс направляется скребковым транспортером 13 через промежуточный бункер 14 на ленточный транспортер и далее в бункеры 6 и 7 склада готовой продукции.

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 про-, калочную 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 ожижающего 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 гания части кокса в III секции и удаления сернистых соединений в IV секции. Содержание в нефтяных коксах влаги и летучих, за­ 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 дожига между секциями миогосекционного 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

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 зывается на тепловом режиме топочной камеры вследствие близ­ ких значений теплот сгорания серы до SO2 и углерода до СО. Рас­ ход кокса (в III секции) в качестве топлива зависит от темпера­ туры поступающего в топку материала и от конечной температуры нагрева (1200—1300 °С для малосернистых коксов, 1450—1500 °С для сернистых). Материал до поступления в камеру горения нагре­ вается за счет использования тепла топочных газов в многосехциоиных аппаратах. Чем больше секций в реакторе» тем полнее утилизируется это тепло, тем меньше расход кокса как топлива. С другой стороны, чрезмерное увеличение числа секций приводит к усложнению и удорожанию стоимости нагревательного аппарата. 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 СОг, содержащееся в теплоносителе, полностью восстанавливается; вос­ становления Н20 по реакции (3) не происходит, так как прокален­ ный при температурах выше 1000 °С кокс содержит незначительное количество водорода (менее 0,5 вес. %). Следовательно, паров воды в зоне высоких температур практически не будет.

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 многосекциониый аппарат, предназначенный для нагрева дымовыми газами углеродистых ве­ ществ с минимальным угаром.

Предложено [23, 174] уравнение для определения числа ступе­ ней контактирования (л) нагревательного аппарата при условии идеального перемешивания и завершенного теплообмена

соответственно газа-теплоносителя и нагреваемого материала, °С:

174] потоков), ккал-кг потока/(кг-°С-кг топлива); gT, gbl — расход газового потока и материала. Для нашего случая gbl — количество кокса, облагораживаемого продуктами сгорания, кг/кг топлива; gT— масса топочных газов, образующихся при сжигании 1 кг угле­ рода кокса, кг потока на 1 кг топлива; сг, см— соответственно теплоемкости потоков, ккал/(кг-°С).

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

мW(l -ttr*)£ + (i_ iF )£

рассчитать температуру поступающего в топочную камеру углеро­ дистого материала и отходящих дымовых газов при заданном чис­ ле ступеней и отношении валовых теплоемкостей. Ранее [163] для

нахождения и /£ задавались значением температуры одного из потоков и при помощи расчетов проверяли принятую величины, на что требовалось весьма много времени.

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