Способ термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства

 

Использование: для термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства, содержащих частицы сажи. Сущность изобретения: способ включает сжигание аксиального потока вспомогательного топлива с частью воздуха с получением потока высокотемпературных газов, подачу тангенциально потока смеси отходящих газов с другой частью воздуха. Вспомогательное топливо сжигают при коэффициенте расхода воздуха 1,5-2,0. Отходящие газы смешивают с другой частью воздуха при коэффициенте расхода воздуха 1,0-1,2. Отношение составляет 0,5-1,0. Рекомендуется предварительно подогревать воздух до 100-500°С. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к способам термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства, содержащих частицы сажи. Образующиеся в результате термического обезвреживания отходящих газов продукты горения могут быть использованы в качестве теплоносителя для сушки влажных гранул сажи в сушильных барабанах, для подогрева сырья технологического воздуха и в других целях.

Известен способ термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства, включающий сжигание аксиального потока вспомогательного топлива с частью воздуха, тангенциальную подачу смеси отходящих газов с другой частью воздуха, смешение аксиального потока продуктов горения вспомогательного топлива и тангенциального потока смеси отходящих газов и воздуха, воспламенение и горение горючих компонентов отходящих газов [1].

Недостаток известного способа - недостаточная полнота выгорания частиц сажи, содержащихся в отходящих газах сажевого производства.

Известен способ термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства, включающий сжигание аксиального потока вспомогательного топлива с частью воздуха (V₁) с получением потока высокотемпературных газов, подачу тангенциальным потоком смеси отходящих газов с другой частью воздуха (V₂), смешение данных потоков и сжигание горючих компонентов отходящих газов [2].

Недостаток известного способа - недостаточная полнота выгорания частиц сажи, содержащихся в отходящих газах. Для повышения эффективности сжигания в известном способе в реакционную смесь подают дополнительный поток окислителя. Однако и при этом наблюдаются недожог частиц сажи и выбросы вредных веществ в атмосферу, особенно при резком повышении концентрации сажи в отходящих газах на нестабильных, переходных режимах.

Цель изобретения - защита окружающей среды.

Способ термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства включает сжигание аксиального потока вспомогательного топлива с частью воздуха V₁ с получением потока высокотемпературных газов, подачу тангенциально потока смеси отходящих газов с другой частью воздуха V₂. Вспомогательное топливо сжигают при коэффициенте расхода воздуха α₁ = 1,5-2,0. Отходящие газы смешивают с другой частью воздуха при коэффициенте расхода воздуха α₂ =1,0-1,2, и отношение V₁:V₂составляет 0,5-1,0.

В способе термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства при величинах коэффициента расхода воздуха α₁ =1,5-2,0 концентрация свободного кислорода в продуктах горения вспомогательного топлива существенно повышается и составляет 7,0-10,5 об.%. В результате этого продукты горения вспомогательного топлива представляют собой поток высокотемпературного окислителя. Наряду со стабилизацией воспламенения и горения смеси отходящих газов с другой частью воздуха этот поток обеспечивает гарантированное дожигание частиц сажи, в том числе при резких изменениях ее концентрации в отходящих газах.

При величинах коэффициента расхода воздуха меньше 1,5 вследствие уменьшения концентрации кислорода в продуктах горения вспомогательного топлива возможен проскок несгоревшей сажи. При увеличении больше 2,0 снижается температура потока продуктов горения вспомогательного топлива, что приводит к нестабильности горения отходящих газов.

При осуществлении способа наиболее целесообразным является смешение отходящих газов с другой частью воздуха при коэффициенте расхода воздуха α₂ = 1,0-1,2, т.е. при условиях, максимально приближенных к стехиометрическим. При этом в периферийном слое тангенциального потока смеси отходящих газов с воздухом, в котором сепарируются крупные несгоревшие частицы сажи, поддерживается максимальная температура горения, что приводит к ускорению окислительных реакций и термическому обезвреживанию отходящих газов. Уменьшение α₂ ниже 1,0, и его увеличение выше 1,2 нежелательно, т.к. при этом снижается температура горения и, соответственно, скорость окислительных реакций.

Величина отношения V₁: V₂ характеризует объемное соотношение потоков продуктов горения вспомогательного топлива и продуктов горения смеси отходящих газов с другой частью воздуха. Увеличение по сравнению с прототипом величины отношения V₁:V₂ в совокупности с новыми пределами величин α₁ и α₂ обеспечивает необходимое количество высокотемпературного окислителя, при смешении с которым достигается эффективное дожигание сажевых частиц при их высокой концентрации в отходящих газах.

При величине отношения V₁:V₂ меньше 0,5 смешение потоков ухудшается и, вследствие неравномерности распределения избыточного кислорода, не обеспечивается полнота дожигания сажевых частиц. Увеличение отношения V₁:V₂ более 1,0 нецелесообразно, т.к. при этом сильно возрастают затраты на вспомогательное топливо.

Другое отличие способа состоит в том, что воздух предварительно подогревают до 100-500^оС. Благодаря этому температура продуктов горения вспомогательного топлива повышается примерно на величину предварительного подогрева воздуха и поддерживается на уровне выше необходимой для первоначального воспламенения смеси отходящего газа с воздухом при величинах коэффициента расхода воздуха α₁ значительно более высоких по сравнению с известным способом.

При температуре подогрева воздуха ниже 100^оС и при максимальной величине α₁ = 2,0 результирующая температура продуктов горения вспомогательного топлива недостаточна для воспламенения смеси отходящих газов с воздухом, что приводит к нестабильности горения и снижению степени выгорания сажевых частиц.

При температуре подогрева воздуха выше 500^оС и при минимальной величине коэффициента расхода воздуха α₁ = 1,5 результирующая температура продуктов горения вспомогательного топлива превышает 1700^оС. Пропорционально температуре увеличивается скорость реакции образования окислов азота и их содержание в продуктах горения может превысить предельно допустимую концентрацию.

На фиг. 1 схематически представлен реактор для осуществления способа термического обезвреживания отходящих газов сажевого производства, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Реактор включает соосно и последовательно установленные камеру 1 для сжигания вспомогательного топлива с аксиальной горелкой 2 и выходным соплом 3, камеру 4 горения отходящих газов с двумя тангенциальными патрубками 5 подачи смеси отходящих газов с воздухом, кольцевую перегородку 6 и камеру 7 дожигания горючих компонентов отходящих газов. Тангенциальные патрубки 5 снабжены смесителями 8 с патрубками 9 для подачи воздуха и патрубками 10 для подачи отходящих газов. Рабочие камеры реактора сформированы футеровкой 11, выполненной из огнеупорных изделий внутри корпуса 12.

Реактор работает следующим образом. В камеру 1 через горелку 2 подают вспомогательное топливо с частью V₁ используемого в процессе воздуха при коэффициенте его расхода α₁ = 1,5-2,0. Топливо сгорает с образованием высокотемпературного потока продуктов горения, который через выходное сопло 3 поступает в камеру 4 горения отходящих газов. Отходящие газы сажевого производства, содержащие частицы сажи, через патрубки 10 подают в смесители 8, в которых они смешиваются с другой частью V₂ используемого в процессе воздуха, подаваемого через патрубки 9, при коэффициенте расхода α₂ = 1,0-1,2. Отношение расходов воздуха на сжигание вспомогательного топлива и на смешивание с отходящими газами (V₁:V₂) составляет от 0,5 до 1,0.

Смесь отходящих газов с воздухом через тангенциальные патрубки 5 подается в камеру 4 горения, нагревается за счет теплоотдачи от стенок футеровки и от аксиального потока продуктов горения вспомогательного топлива, затем происходит воспламенение смеси и ее горение. За счет центробежных сил сажевые частицы из отходящих газов концентрируются у периферии камеры горения, и время их пребывания в камере горения значительно превышает время пребывания газообразных компонентов отходящих газов. По мере выгорания размер сажевых частиц уменьшается. Часть мелких, несгоревших частиц сажи захватывается потоком продуктов горения и через кольцевую перегородку 6 поступает в камеру дожигания 7. В кольцевой перегородке 6 происходит интенсивное смешение продуктов горения отходящих газов с аксиальным потоком высокотемпературных газов горения вспомогательного топлива, содержащих 7-10 об. % кислорода. Благодаря этому в камере 7 происходит полное дожигание горючих компонентов отходящих газов и гарантируется полное сгорание сажевых частиц при изменениях их концентрации в отходящих газах. Продукты полного горения из реактора для термического обезвреживания отходящих газов выводятся в атмосферу.

П р и м е р 1. В аксиальную горелку подают воздух в количестве 4300 нм³/ч и вспомогательное топливо (дизельное топливо) в количестве от 190 до 290 кг/ч. При этом коэффициент расхода воздуха α₁ варьируется в диапазоне от 1,4 до 2,1. Температура продуктов горения вспомогательного топлива при этом изменяется от 1350 до 1770^оС и концентрация свободного кислорода в продуктах горения - от 6,0 до 11,0 об.%.

Отходящие газы сажевого производства в количестве 12000 нм³/ч смешивают с воздухом в количестве 7200 нм³/ч (коэффициент расхода воздуха α₂ = 1,0) и подают в тангенциальную камеру горения. Температура отходящих газов - 200^оС. Отходящие газы сажевого производства получены в условиях переходного режима с увеличенной в 2-2,5 раза по сравнению со стационарным режимом концентрацией сажи в газах - 24 г/нм³.

В опытах поддерживали постоянным и равным 0,6 отношение расхода воздуха на сжигание вспомогательного топлива к расходу воздуха на смешивание с отходящими газами (V₁:V₂).

Результаты опытов по способу термического обезвреживания отходящих газов по сравнению с прототипом приведены в табл.1. В опытах 2-4 при величинах коэффициента расхода воздуха α₁ = 1,5-2,0 степень выгорания сажевых частиц увеличилась с 64% до 88-98%. Следует отметить, что этот результат достигнут благодаря совокупности отличительных признаков: более высокого коэффициента расхода воздуха α₁, предварительного подогрева воздуха и более высокой величины отношения V₁:V₂ по сравнению с прототипом.

При величине коэффициента расхода воздуха α₁ меньше 1,5 (опыт 1) вследствие роста температуры продуктов горения вспомогательного топлива резко увеличивается содержание в них окислов азота.

При величине коэффициента расхода воздуха α₁ больше 2,0 (опыт 5) происходит значительное снижение температуры продуктов горения вспомогательного топлива, в результате чего снижается скорость реакций окисления и, соответственно, уменьшается степень выгорания сажевых частиц и происходит их выброс в атмосферу.

П р и м е р 2. Опыты проведены при условиях, аналогичных условиям опыта 3 в примере 1. В опытах изменяли расход воздуха на смешение с отходящими газами V₂ в пределах от 6500 до 8640 нм³/ч. При этом величина коэффициента расхода воздуха α₂ варьировалась от 0,9 до 1,2. Результаты опытов приведены в табл.2.

Благодаря использованию предварительно подогретого воздуха температура горения отходящих газов с воздухом при величинах коэффициента расхода воздуха α₂ = 1,0-1,2 (опыты 7-9) значительно выше, чем в опыте по прототипу. При этом увеличивается скорость реакций окисления горючих компонентов отходящих газов и степень выгорания сажевых частиц достигает 82-98%.

При величине коэффициента расхода воздуха α₂ меньше 1,0 (опыт 6) из-за недостатка кислорода в тангенциальной камере горения снижается температура горения и уменьшается степень выгорания сажевых частиц. Увеличение α₂ выше 1,2 нецелесообразно, т.к. при этом также начинает снижаться температура горения отходящих газов с воздухом и растут энергетические затраты на подачу воздуха.

П р и м е р 3. Опыты проведены при условиях, аналогичных условиям опыта 3 в примере 1. В опытах поддерживали постоянным расход воздуха на смешение с отходящими газами V₂. Расход воздуха на сжигание вспомогательного топлива V₁ изменяли в пределах от 2900 до 7900 нм³/ч. При этом величину отношения варьировали в диапазоне от 0,4 до 1,1. Величину коэффициента расхода воздуха α₁ поддерживали постоянным путем изменения расхода вспомогательного топлива. Результаты опытов приведены в табл.3.

При величинах отношения V₁:V₂ в пределах от 0,5 до 1,0 (опыты 11-13) степень выгорания сажевых частиц составляет 92-99%.

При величине отношения V₁:V₂ меньше 0,5 (опыт 10) начинает снижаться степень выгорания сажевых частиц, что приводит к их выбросу в атмосферу.

При величине отношения V₁:V₂=1,0 обеспечивается полное выгорание горючих компонентов отходящих газов и дальнейшее его увеличение (опыт 14) ведет к росту затрат на воздух и вспомогательное топливо.

П р и м е р 4. Опыты проведены при условиях, аналогичных условиям опыта 3 в примере 1. В опытах изменяли температуру предварительного подогрева воздуха в диапазоне от 80 до 550^оС.

При температуре подогрева воздуха 100-500^оС (опыты 16-18)(табл. 4)обеспечивается высокая степень выгорания сажевых частиц и отсутствие вредных выбросов в атмосферу. При температуре подогрева воздуха ниже 100^оС (опыт 15) снижается температура продуктов горения вспомогательного топлива и, соответственно, степень выгорания сажевых частиц. При подогреве воздуха выше 500^оС вследствие роста температуры продуктов горения вспомогательного топлива увеличивается концентрация окислов азота в продуктах горения.

Использование изобретения в промышленности позволит интенсифицировать процесс сжигания отходящих газов сажевого производства, значительно сократить химический недожог частиц сажи при их высокой концентрации в отходящих газах и уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ САЖЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА путем сжигания аксиального потока топлива с частью воздуха (V₁) с получением потока высокотемпературных газов и подачи тангенциально потока смеси отходящих газов с другой частью воздуха (V₂), отличающийся тем, что, с целью защиты окружающей среды, топливо сжигают при коэффициенте расхода воздуха 1,5 - 2,0, отходящие газы смешивают с другой частью воздуха при коэффициенте расхода последнего 1 - 1,2, а отношение V₁ : V₂ = 0,5 - 1,0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух предварительно подогревают до 100 - 500^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4