Использование вторичных энергоресурсов: новые разработки
Исследования на предприятиях ТЭК России свидетельствуют: потенциал использования вторичных энергетических ресурсов на предприятиях нашей страны явно недостаточен.
Причин тому немало, и одна из них – недостаток информации для инженеров и руководителей о существующих технологиях и моделях оборудования. Тем не менее современное сообщество отраслевых разработчиков, отслеживая тенденции по энергосбережению и утилизации производственных отходов, генерирует новые технические решения. О некоторых из них пойдет речь в данной статье.
Уникальный котел
В энергомашиностроении особо выделяется сегмент нестандартного котельного оборудования, утилизирующий вторичные энергоресурсы – прямое и остаточное тепло технологических процессов, углеводородсодержащие жидкости и газы, сероводород, производственные отходы и стоки предприятий.
Уникальный проект реализуется в ОАО «КуйбышевАзот»: это разработка агрегата термического обезвреживания отходов производства капролактама, где щелочной производственный сток перерабатывается в топке котла во вторичный сырьевой продукт. В котле из стока освобождаются соединения натрия в виде раствора и плава, пригодных для дальнейшей обработки в цикле регенерации химического сырья. Плав и раствор натриевых соединений, вырабатываемых котлом, также может быть использован для получения сухой кальцинированной соды, для чего в составе агрегата проектом предусмотрена установка выпаривания с последующей фильтрацией и сушкой. Данный процесс – редкий пример полного цикла переработки производственных отходов внутри предприятия в готовый товарный продукт.
Экологические цели достигнуты, однако уникальность установки еще и в том, что в котле при сжигании содержащихся в стоках органических веществ выделяется тепловая энергия. Эта энергия используется в котле для производства пара. Поэтому котлоагрегат также функционирует как паровой котел. Задача энергосбережения выполнена. Цели предприятия – обеспечить экологические требования, переработать производственные отходы в готовую продукцию и получить пар для собственных нужд (либо для реализации потребителям) достигнуты максимально. Срок окупаемости внедрения энергосберегающих разработок в рамках данной технологии не превышает двух лет. Экономия на платежах за негативное воздействие на окружающую среду может сократить срок окупаемости на порядок. В нынешних условиях посткризисной экономики результат осуществления столь серьезных мероприятий обязательно повысит эффективность предприятия в целом.
Проект агрегата термического обезвреживания стоков не имеет аналогов в России и является уникальным результатом индивидуального подхода к решению многоцелевой задачи инженеров предприятия и компании-разработчика. Инициатива руководителей нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий по внедрению подобных проектов бесценна. Возможно, подобные проекты будут массово внедряться во многих отраслях промышленности.
Сероводород – котельное топливо
В последнее время активно развивается российское законодательство в области ужесточения мер экологической безопасности по воздействию на окружающую среду. Особой строкой прописываются разработка и внедрение программ по доведению объема переработки попутного нефтяного газа к 2012 году до 95 процентов. При этом на сегодняшний день нефтехимическими предприятиями утилизируется лишь 30 процентов. Сложность переработки попутного нефтяного газа заключается в наличии в его составе сероводорода (до 10 процентов). Существующие технологии очистки и сбора сероводорода в нефтеперерабатывающей промышленности нуждаются в активной модернизации.
Утилизация сероводорода, а именно сжигание его в качестве топлива в топках энерготехнологических котлов, – один из основных процессов в установках производства серы и серной кислоты. При горении 1 кубометра сероводорода выделяется 23 400 кДж теплоты; таким образом, это, безусловно, ценное топливо, но вопрос его использования ставит ряд сложнейших задач перед разработчиками и поставщиками оборудования. Немало хлопот приносит эксплуатация котлов сжигания сероводорода на нефтеперерабатывающих предприятиях в технологии процесса Клауса и установках получения элементарной серы.
Основная проблема котлов для сжигания сероводорода – это их надежность и безопасность, поскольку при термической обработке подобных газов резко снижается стойкость материалов конструкций к сероводородной коррозии. Для создания надежной и эффективной конструкции по утилизации сероводородсодержащих газов необходимо учесть ряд важнейших факторов. Исследования, проведенные ведущими разработчиками, и учет данных факторов в новых конструкциях позволяют повысить надежность и эффективность оборудования.
Негативное воздействие сероводородных и сернистых газов на металл котла, особенно в рабочей его части, серьезно влияет на срок и объем ремонта котла – фактор снижения межремонтного пробега достигает 30‑50 процентов. Даже незначительные отклонения от норм технологического режима могут привести к условиям, когда агрегат придет в аварийное состояние за несколько дней. Попросту говоря, сероводород и продукты его горения «разъедают» котел вплоть до полного разрушения. При этих условиях параллельно развиваются процессы наводороживания металла, что и вызывает охрупчивание и образование очагов разрушения конструкции.
Надежное решение
Существующие серийно выпускаемые котлы для сжигания сероводорода на производствах серной кислоты – это, в основном, двухбарабанные котлы. Связано это с тем, что специально для процесса сжигания сероводорода котлов не проектировалось, а приспосабливались уже существующие газомазутные.
При разработке первых котлов сероводородной утилизации особое внимание уделялось проблеме полноты окисления сероводорода, то есть топочным устройствам. Циклонные топки обеспечивали полноту выгорания сероводорода, но нестабильны по режиму, требуют замены футеровки при повышении температуры процесса. Разработанные конструкции охлаждаемых циклонов оказались сложными как в изготовлении, так и в эксплуатации. Исследование факельного сжигания сероводорода показало: хорошего дожигания можно добиться, если обеспечить хорошее предварительное перемешивание с осушенным, подогретым воздухом, достаточную длину факела и высокую температуру в его корне.
Cледствием всего этого явилось растворение несгоревшего сероводорода в металле топочных экранов, имеющих температуру 300 ºС, и, следовательно, сероводородное растрескивание. «Кульминацией» данного негативного процесса является аварийный останов котла, во время которого сероводород, «скопившийся» в металле котла, начинает «испаряться» обратно, за счет снижения степени растворения H2S в металле, прямо пропорциональной температуре нагрева металла. При этом возникают разрушительные напряжения в металле – до 20 МПа. Особенно интенсивное разрушение сварных соединений фронтального и ограждающих экранов топки отмечено в районе горелки.
В котлах данной модели нижний барабан в конвективной части соприкасается с дымовыми газами с температурой
800‑1200 ºС, и на его «верхней» части начинается интенсивное кипение. Паровые пузыри слипаются в пленку в верхней части барабана, потом пленка разрушается и снова образуется. Как следствие, проявляется термоциклическая усталость металла и интенсивное шламообразование, начинается шламоотделение. Металл покрывается язвами и охрупчивается, паутина трещин от сварных швов идет в обечайку барабана. Любая трещина, появившаяся в швах нижнего барабана, вызывает образование пропуска воды в горячую среду сернистого газа внутри котла, после чего начинается активное выпадение жидких сернокислых соединений, коррозия с участием которых полностью разрушает «нижние» части котла. От применения газового байпаса в сероводородном котле лучше отказаться, поскольку при открытом байпасе дымовые газы в конвективной части захолаживаются и начинается выпадение «росы» серной и сернистой кислот на трубках, их активное разрушение.
Для обеспечения полного сжигания сероводорода и предотвращения сероводородного растрескивания материала котла, а также хорошего воспламенения горючей смеси топка на 1 метр от горелки покрыта футеровкой. Недогоревший сероводород на раскаленной футеровке активно окисляется до SO2, SO3.
Под топки закрыт огнеупорным кирпичом. В котле нет слабонаклонных или горизонтальных участков, на которых возможны циркуляционные аварии из‑за расслоения потока.
Для исключения протечек продуктов горения котел снаружи закрыт наружной обшивкой, под которую подается воздух на горение. Это позволяет достичь максимального сжигания сероводорода и общего КПД котла.
Основа надежности и безопасности котла сжигания сероводорода разрабатывается именно на этапе проектирования, метод ошибок и частых ремонтов здесь неприемлем. Обязательно должны учитываться индивидуальные особенности установки. Остается пожелать предприятиям, эксплуатирующим объекты переработки сероводорода, приступить к изучению области собственных источников энергии и применению новых, прогрессивных решений.
Николай ГЕОРГИЕВСКИЙ, ООО «БалтЭнергоПроект»