Об использовании тепла надсмольной воды цикла газосборников для регенерации поглотительного раствора сероочистки
Канд.техн.наук А.Ф.Гребенюк, канд.техн.наук Е. И.Збыковский (ДонГТУ), Е.Л.Волков (Коксохимстанция, Украина)
Источник: Кокс и химия, 2001, № 5, с. 26-30
В связи с острым дефицитом энергоресурсов в Украине и их высокой стоимостью актуальной задачей становится разработка новых энергосберегающих технологий и совершенствование существующих процессов с целью рационального использования энергии, в том числе вторичных тепловых ресурсов. Один из энергоемких процессов в технологии улавливания химических продуктов коксования -регенерация поглотительного раствора вакуум-карбонатной сероочистки, требующая - 0,25 т пара на 1000 м3 очищаемого коксового газа. По оценкам специалистов, стоимость пара, потребляемого на регенерацию поглотительного раствора, составляет >30% общих эксплуатационных затрат в цехе сероочистки [1]. Особенность этого процесса заключается в том, что он протекает при сравнительно низкой температуре (60-65 °С) и для его реализации могут быть использованы низкопотенциальные источники тепла, имеющиеся в цехах улавливания химических продуктов коксования, в частности тепло прямого коксового газа, поступающего в газосборники коксовых батарей и в первичные газовые холодильники.
В настоящее время разработаны и освоены в коксохимическом производстве два варианта использования тепла прямого коксового газа. По первому варианту поглотительный раствор сероочистки подают из нижней части регенераторов в трубное пространство верхних секций первичных газовых холодильников с горизонтальными трубами, где он нагревается до 74-76 °С прямым коксовым газом, поступающим в межтрубное пространство при 80-82 °С. По второму варианту поглотительный раствор подают в специальные теплообменники (кожухотрубчатые, пластинчатые или спиральные), где он нагревается до 74-76 °С надсмольной водой цикла газосборников, поступающей с температурой 78-80 °С.
Первая схема использования тепла прямого коксового газа получила распространение на коксохимических предприятиях Украины и России (Авдеевский и Криворожский коксохимические заводы, Новолипецкий металлургический комбинат), вторая нашла преимущественное применение в США и некоторых других странах [2, 3].
Опыт применения первичных газовых холодильников с горизонтальными трубами для нагревания поглотительного раствора сероочистки на Авдеевском коксохимическом заводе показал, что такая схема имеет серьезные недостатки. Так, из-за усиленной коррозии трубы газовых холодильников, изготовленные из обычной стали, выходят из строя в течение 2-3 лет. Через образующиеся свищи поглотительный раствор поступает в газовый конденсат, что приводит к нарушению работы механизированных осветлителей, биохимической очистки сточных вод; затрудняет переработку смолы. За короткое время число секций с поврежденными трубами на этом заводе достигло 18, что соответствует поверхности 9 первичных газовых холодильников. Обнаружение и замена поврежденных труб требует значительных трудовых затрат [4]. Установлено, что причиной интенсивной коррозии труб ПГХ является вскипание раствора в верхних секциях из-за пониженного давления (вакуум в трубах >0,3 ат), сопровождающееся выделением "кислых" газов (Н28, НС1М, С02), а также подсос воздуха через неплотности соедине¬ний крышек распределительных камер [5]. В местах вскипания раствора происходит выпадение в осадок балластных солей, что приводит к забиванию труб и ухудшению теплообмена. Интенсивная коррозия труб способствует накоплению в растворе балластных солей и снижению его поглотительной способности.
Напротив, длительная эксплуатация опытно-промышленной установки для использования тепла надcмольной воды цикла газосборника в регенераторах поглотительного раствора сероочистки Енакиевско-го коксохимического завода показала ряд преимуществ такой схемы [2, 6, 7]. При производительности цеха сероочистки 35 тыс.м3/ч коксового газа были установлены последовательно пять кожухо-трубчатых теплообменников с общей поверхностью 2500 м2, в трубное пространство которых подавали надсмольную воду после механизированных осветлителей и отстойника в количестве 700-850 м3/ч, а в межтрубное пространство 450-500 м3/ч поглотительного раствора. В результате теплообмена температура надсмольной воды снижалась с 78-80 до 71-75 °С, а температура раствора повышалась - с 58-59 до 74-77 °С. Коэффициент теплопередачи в ко-жухотрубчатых теплообменниках достигал 488-523 Вт/(м2-°С), что в 2-2,5 раза больше, чем для первичных газовых холодильников. Следует также подчеркнуть, что объем и металлоемкость кожухотрубчатых теплообменников на единицу поверхноститеплопередачи примерно в пять раз меньше, чем у существующих газовых холодильников.
Опыт эксплуатации установки в течение нескольких лет подтвердил высокую эффективность и надежность работы теплообменников "надсмольная вода - поглотительный раствор", простоту и удобство их обслуживания. При работе установки раход пара в цехе сероочистки снизился на ~10 т/ч [6]. Важное преимущество такой схемы утилизации тепла коксового газа - это возможность ее применения на коксохимических заводах, отделения конденса¬ции которых оборудованы первичными газовыми холодильниками с вертикальными трубами.
Несмотря на указанные преимущества, схема использования тепла надсмольной воды цикла газосборников для нагревания поглотительного раствора сероочистки не получила распространения на коксохимических предприятиях Украины и СНГ. Объяснение этому - широко распространенное среди коксохимиков мнение, что охлаждение надсмольной воды, подаваемой на орошение газосборников, приводит к ухудшению охлаждения коксового газа. Поэтому, как считают, охлаждение коксового газа в газосборниках следует проводить горячей водой, так как при ее испарении поглощается значительно больше тепла, чем при нагревании.
Ошибочность такого мнения заключается в том, что не количество испаряемой в газосборнике воды определяет количество тепла, отбираемого от коксового газа, а как раз наоборот - количество испаренной воды зависит от количества тепла, передаваемого от газа к воде, и от условий массообмена между ними. Для решения этой дилеммы необходимо рассмотреть два вопроса:
-сколько тепла передается от газа к охлаждающей воде в газосборнике при данных условиях;
-какая часть этого тепла расходуется на нагревaние воды, а какая - на ее испарение.
Ответ на первый вопрос вытекает из уравнения скорости теплообмена между газом и водой:
Здесь q - плотность потока тепла из газовой фазы к поверхности капель; 
- коэффициент теплопередачи от газа к воде; tг, tв- температура соответственно газа и воды в газосборнике.
Анализ механизма теплообмена между газом и водой показывает [8], что коэффициент теплоотдачи от газа к воде однозначно определяется градиентом температур в газовом пограничном слое на поверхности капель:
где 
- коэффициент теплопроводности газовой смеси.
При наличии массообмена между газом и водой в пограничном слое возникает поперечный поток пара, скорость и направление которого зависят от соотношения давлений пара в пограничном слое и в ядре газовой фазы:
где (a - коэффициент массоотдачи в газовой фазе; tг - плотность водяного пара; Рж , Рг - давление водяного пара соответственно в пограничном слое на поверхности капель и в газовой фазе.
Если поток пара направлен от поверхности капель в газовую фазу, т.е. вода испаряется, то происходит расширение пограничного слоя, а градиент температур в нем и коэффициент теплопередачи от газа к жидкости уменьшаются. Следовательно, при испарении воды в газосборнике интенсивность переноса тепла от газа к воде снижается по сравнению с чистым теплообменом. Если поток пара направлен из газовой смеси к поверхности капель, т.е. происходит конденсация водяного пара, то толщина пограничного газового слоя на поверхности капель уменьшается, а градиент температур в нем и коэффициент теплоотдачи от газа к жидкости возрастают. Таким образом, при конденсации водяного пара в газосборнике интенсивность переноса тепла от газа к воде увеличивается по сравнению с процессом теплообмена, не сопровождающимся массообменом.
Ответ на второй вопрос: какая доля тепла, подведенного от газа к воде, расходуется на ее нагревание или испарение, может быть получен из анализа равновесия между газом и водой, поскольку на выходе из газосборника состояние этих фаз, как показывает опыт, весьма близко к равновесному [8].
Диффузионное равновесие между газом и жидкостью имеет место при условии, что давление насыщенного пара в пограничном слое на поверхности капель Р. равно парциальному давлению водяного пара в газовой смеси Рг. Поскольку первое однозначно определяется температурой воды, а второе - температурой точки росы газа, то можно утверждать, что, если температура жидкости в течение всего процесса остается меньше температуры точки росы газа (изменяющейся в течение процесса), то теплообмен между газом и водой будет сопровождаться конденсацией водяного пара и все тепло, передаваемое от газа к воде, будет расходоваться только на ее нагревание. При этом интенсивность охлаждения газа в газосборнике будет максимальной. Если же температура охлаждающей воды на входе в газосборник равна или выше температуры точки росы газа на выходе из газосборника (температуры мокрого термометра), то все тепло, передаваемое от газа к воде, будет расходоваться только на ее испарение. Интенсивность охлаждения газа при этом будет минимальной.
При других промежуточных условиях передаваемое от газа к воде тепло будет затрачиваться на ее как нагревание, так и испарение в соотношениях, которые могут быть определены совместным решением уравнений теплового и материального балансов, а также уравнений скорости тепло- и массообмеиа между фазами.
Проведенный ранее анализ [8,9] показывает, что при температуре надсмольной воды, подаваемой в газосборник, 47-50 °С (в зависимости от температуры и влагосодержания прямого коксового газа и удельного расхода надсмольной воды на орошение газосборника) охлаждение газа протекает без изменения его влагосодержания, т.е. без испарения воды или конденсации водяного пара, с максимальной интенсивностью. На выходе из газосборника температура воды составляет 68-71, а коксового газа 72-75 °С. При температуре же воды перед газосборником 84-85 °С, соответствующей температуре мокрого термометра, все тепло, передаваемое от газа к воде, расходуется на ее испарение, а температура коксового газа на выходе достигает 89-90 °С. Точка росы газа при этом составляет 83,5-84,5 °С, что соответствует степени насыщения его водяным паром 80-85%.
Сравнение двух рассмотренных режимов работы газосборника показывает, что в первом случае. т.е. при подаче в него охлажденной надсмольной воды, охлаждение газа протекает более интенсивно, благодаря чему тепловая нагрузка первичных газовых холодильников снижается в 2-2,5 раза по сравнению с обычным режимом работы газосборника.
При использовании тепла надсмольной воды для нагревания поглотительного раствора сероочистки температура воды перед газосборником будет составлять 70-72, после него 78-80 °С, а коксовый газ будет охлаждаться до 82-85 °С.
Приведенные результаты теоретического анализа подтверждаются данными, полученными при эксплуатации построенной по проекту Гипрококса опытно-промышленной установки для нагревания поглотительного раствора вакуум-содовой сероочистки Енакиевского коксохимического завода надсмольной водой газосборникового цикла [6,10]. При работе этой установки температура надсмольной воды перед газосборником снизилась до 70-71 °С, т.е. на 9 °С по сравнению с обычным режимом работы, благодаря чему температура коксового газа после газосборника снизилась до 82-85 по сравнению с 84-90 °С до включения установки. Следует при этом подчеркнуть, что за длительный период работы этойустановки не наблюдалось каких-либо осложнений с охлаждением коксового газа в газосборнике и удалением из него смолы и фусов.
Вместе с тем необходимо отметить, что при использовании тепла коксового газа по второй схеме, т.е. путем охлаждения надсмольной воды газосбор-никового цикла, потенциал его (тепла) несколько снижается по сравнению со схемой нагревания поглотительного раствора в первичных газовых холодильниках с горизонтальными трубами. Так, при отборе тепла в ПГХ температура коксового газа составляет 80-82 °С на входе и 75-76 °С на выходе, а при нагревании поглотительного раствора надсмольной водой температура ее составляет 78-80 °С на входе в теплообменники и 70-72 °С - на выходе. Это означает, что количество тепла, которое может быть использовано для нагревания поглотительного раствора по второй схеме, несколько меньше, чем по первой. Однако, как показывают расчеты и опыт эксплуатации подобных установок, оно вполне достаточно для покрытия потребностей процесса регенерации поглотительного раствора вакуум-карбонатной сероочистки, работающей по традиционной одноступенчатой схеме.
Кроме того, существует возможность увеличения количества отбираемого от надсмольной воды тепла путем снижения температуры кипения поглотительного раствора в регенераторе. Это может быть достигнуто при снижении как концентрации балластных солей в растворе, так и гидравлического сопротивления регенераторов и соответствующего увеличения вакуума в нижней части. С этой целью УХИН и Гипрококс рекомендуют при реконструкции цехов заменять в регенераторах колпачковые тарелки, гидравлическое сопротивление каждой из которых составляет ~5 мм рт.ст, металлической насадкой с развитой удельной поверхностью (150— 180 м2/м3 и более). При одинаковой эффективности работы насадочные регенераторы имеют меньшее в 2-3 раза гидравлическое сопротивление, чем тарельчатые.
Значительный интерес с этой точки зрения представляют также безнасадочные регенераторы с несколькими ступенями разбрызгивания раствора форсунками, характеризующиеся низким гидравлическим сопротивлением. Известен способ регенерации поглотительного содового раствора в полом аппарате, разделенном посредине перегородкой с отверстиями для прохода пара из нижней части в верхнюю и оснащенном форсунками для разбрызгивания раствора в каждой части [11]. Насыщенный раствор подают из серных скрубберов при 25-30 °С через форсунки в верхнюю часть аппарата, где он нагревается за счет тепла парогазовой смеси, поступающей из нижней части
2. Применяемая на коксохимических заводах Украины схема нагревания поглотительного раствора коксовым газом в первичных газовых холодильниках с горизонтальными трубами связана с частым выходом их из строя из-за усиленной коррозии и отложения солей в трубах, чистка и ремонт которых требуют больших затрат труда и времени.
3. Альтернативная схема использования тепла коксового газа нагреванием поглотительного раствора надсмольной водой цикла газосборников требует меньшего (в 3-5 раз) объема теплообменных аппаратов, отличается простотой и удобством обслуживания, позволяет улучшить охлаждение коксового газа в газосборниках и снизить тепловую нагрузку первичных газовых холодильников. Эта схема может быть реализована на всех коксохимических предприятиях, в том числе оборудованных первичными газовыми холодильниками с вертикальными трубами.
4. Некоторое снижение потенциала тепла коксового газа при нагревании раствора надсмольной водой газосборникового цикла может быть компенсировано за счет уменьшения гидравлического сопротивления регенератора и соответствующего снижения температуры кипения раствора в нем.
Список литературы
1. К Введенский П.И., Алепина М.Т., Теспенко Ф.Ф. и др. К вопросу экономики очистки коксового газа от сероводорода/ Кокс и химия. 1958. № 3. С.46^9.
2. Волков ЕМ. Использование вторичного тепла для нагревания поглотительного раствора.//Кокс и химия. 1981. № 6. С.39,40.
3. УхмыловаГС. Сероочистка коксового газа процессом Вака-сульф/ЛСокс и химия, 1997. № 1. С.43-45.
4. ЧуищевВ.М., Галушкина С.А. Металлургия и коксохимия. -Киев: Техника, 1976. С.38-42.
5. Быхало Б.И., Милютин В.И., Полторадня В.С. О сохранности и ремонте труб первичных газовых холодильников с горизонтальными трубами/ЛСокс и химия. 1981. № 5. С.52,53.
6. Волков Е.Л., Деев В.Я., Росляков Т.М. Использование тепла надсмольной воды цикла газосборника., .//Кокс и химия. 1971. № 4. С.47,48.
7. Волков ЕМ., Деев В.Я., Росляков Т.М. О работе опытно-промышленного регенератора поглотительного раствора//Кокс и химия. 1971. № 4. С.45,46.
8. Гребенюк А.Ф., Гармата Е.Ю., Коба Е.А. Влияние температуры надсмольной воды в газосборнике на охлаждение коксового газа//Кокс и химия. 1999. № 6. С.25-28.
9. Гребенюк А.Ф., Збыковский А.И,, Коба Е.А. Методика расчета материального и теплового балансов газосборника//Кокс и химия. 2000. № 6. С.32-34.
10. Волков ЕМ. О рациональном охлаждении газа в газосборниках коксовых батарей /Кокс и химия. 1983. № 7. С. 17, 18.
11. А.с. 135077 СССР. Способ регенерации содового раствора в вакуум-карбонатных сероочистках//Е. В.Романий// Б.И. 1988. №2.
