§3. Приложение метода исследования работоспособности ХТС к установке производства керамзитового песка в кипящем слое мощностью 50000 куб. м. в год.

Описание технологии [8, 9]. На рис. 1 представлена технологическая схема анализируемой химической установки.

Технологическая схема установки производства керамзитового песка в кипящем слое

Рис 1. Технологическая схема установки производства керамзитового песка в кипящем слое мощностью 50000 куб. м. в год.

Исходная глина сначала подсушивается до некоторой влажности, далее из нее готовится дисперсный материал с максимальным размером глиняной крошки примерно 5 мм. Затем глиняная крошка подается в двухзонную печь кипящего слоя. В первой зоне - зоне термоподготовки - частицы досушиваются и нагреваются до 350-4000C и далее по перетоку направляются во вторую зону печи - зону обжига, где путем сжигания природного газа поддерживается температура 1000-11000C. В такой обстановке мелкие частицы глины приходят в пиропластическое состояние, оплавляются на поверхности. Высокая температура частиц приводит к выделению паров кристаллизационной и остатков свободной воды, одновременно происходит процесс пиролиза углеродсодержащих веществ. Образовавшиеся пары воды и пиролизные газы вспучивают частицы глины. После охлаждения в аппарате псевдоожиженного слоя поток мелкозернистого пористого материала пневмотранспортом направляется в силоса готовой продукции.

Из схемы видно, что по существу организован противоток зернистого материала и газовой фазы. Это позволяет хоть отчасти утилизировать теплоту дымовых газов из зоны обжига и горячего материала из холодильника. Заметим, что в технологическую схему не включена стадия первичной сушки материала в барабанной печи и стадия грохочения и дробления. Они работают автономно от всех следующих переделов на общий бункер готовой глиняной крошки.

Установление множества заданных параметров.

Эта процедура является первым и самым ответственным этапом алгоритма метода анализа работоспособности химико-технологической системы с точки зрения результата анализа. Действительно, если какой-то параметр, как элемент множества заданных параметров, будет упущен из рассмотрения, то расчетное значение вероятности работоспособности системы будет, очевидно, выше истинного. Инвестор выделит деньги на создание плохой химической установки и будет терпеть убытки. Напротив, если из-за перестраховки какой-то параметр будет включен во множество заданных параметров, то расчетное значение вероятности работоспособности будет заведомо меньше истинного. Инвестор испугается давать деньги на создание вообще-то надежной установки и потеряет шанс заработать проценты за кредит.

Ниже перечислим элементы множества заданных параметров. Они определяются на основании технологического регламента, сборочных чертежей нестандартного оборудования, научно-исследовательской информации и более чем 10-тилетнего опыта эксплуатации двухзонной печи кипящего слоя (пос. Смышляевка под г. Самара).

1. Влажность частиц зернистого материала на выходе из зоны термоподготовки (поток 1 из поз. А на рис. 1).

Если величина влажности выйдет из разрешенного диапазона справа, то частицы глины будут растрескиваться в зоне обжига под действием давления паров воды. Это приведет к росту пылеуноса из зоны обжига, переводу сырья в пыль, которую далее трудно утилизировать. Часовая и, следовательно, годовая производительность установки уменьшается. В промышленной печи пылеунос составлял подчас 30% от потока сырья на входе в установку.

Если влажность выйдет из разрешенного диапазона отклонений слева, т.е. материал будет пересушен, то для вспучивания не хватит парогазовой фазы. Вместо вспученных частиц на выходе из установки получим спеченные плотные частицы (керамлит), непригодные для производства легкого керамзито-бетона.

2. Температура в зоне термоподготовки (поз. А на рис. 1).

Недогрев до номинала приводит к термическому удару в зоне обжига (поз. Б на рис. 1) и дроблению глиняных частиц в пыль. Кроме того, уменьшается температура в зоне обжига, получается бракованный продукт.

Перегрев свыше номинала приводит к повышению температуры в зоне обжига и в худшем случае к козлообразованию, т.е. к аварийному состоянию и более чем суточной остановке для ликвидации последствий. При большой производительности рассматриваемой установки 3-х - 4-х суточный простой даже за год нормальной работы трудно восполнить.

3. Число псевдоожижения в зоне термоподготовки.

С уменьшением этого числа подвижность частиц в кипящем слое тоже уменьшается. При непрерывной подаче исходной глиняной крошки в зону термоподготовки (поток 0 на рис. 1) начнет расти высота слоя из-за уменьшения потока на выгрузке (поток 1 на рис. 1). Последнее обстоятельство приводит к спеку в зоне обжига. С увеличением сверх меры числа псевдоожижения в зоне термоподготовки интенсифицируется пылеунос из зоны термоподготовки, сырье будет переводиться в пыль. Кроме того, полидисперсный поток 1 (см. рис. 1) начнет укрупнятся, что вызовет изменение гидродинамической обстановки при обжиге и приведет к козлообразованию.

4. Максимальный размер частиц в уносе из зоны термоподготовки.

При высокой полидисперсности потока исходной глиняной крошки (поток 0) этот пылеунос просто неизбежен, но его следует строго контролировать. Суть дела в том, что максимальный размер частиц в пылеуносе определяет средний размер частиц в зону термоподготовки и обжига, следовательно, влияет на гидродинамическую обстановку в обеих зонах.

Увеличение этого размера сверх допустимого приводит в конце концов к спеку в зоне обжига.

5. Температура в зоне обжига.

Для глины каждого месторождения эта величина определяется экспериментально. Кроме того, тоже эспериментально определяется температурный диапазон вспучивания глины. Глина Смышляевского месторождения имеет диапазон вспучивания ±500С, а температура вспучивания - 10500С. Глины с диапазоном вспучивания ±100С просто непригодны для производства керамзита, т.к. невозможно в промышленных условиях вести процесс вспучивания в таком узком диапазоне.

Если температура в зоне обжига снизилась сверх допустимого, то установка будет выдавать бракованный продукт, если увеличилась - образуется козел в зоне. Если соотнести диапазон вспучивания ±200С с номинальным значением температуры вспучивания 10000С, то получается, что обслуживающий установку персонал должен держать температуру в зоне обжига с точностью 2%. Такое требование технологии вспучивания должно сильно уменьшать вероятность работоспособности исследуемой химико-технологической системы, т.к. оно сродни с точностью экспериментальных результатов очень хорошей физической лаборатории, но не промышленной установки.

6. Диаметр зоны циркуляции частиц вокруг струи, истекающей из комбинированной горелки в слой зернистого материала в зоне обжига [10].

В пределе этот диаметр должен равняться шагу между горелками на подине зоны обжига с точностью нескольких калибров самых крупных частиц глиняной крошки.

Если диаметр зоны циркуляции превосходит шаг между горелками, то на подине образуется сплошная газовая подушка с горизонтальным размером, соизмеримым с диаметром зоны обжига (2,5-3 м.). Такая обстановка опасна следующими явлениями. В эту газовую подушку из горелок непрерывно подается воздух и природный газ. Создается взрывоопасная концентрация и, как следствие, регулярно происходят взрывы в слое зоны обжига. Именно поэтому происходит унос частиц всех размеров (и крупных тоже), что заставило применить футерованный циклон (поз. Д на рис. 1). Другое явление - сепарация слоя в зоне обжига: тяжелые частицы слоя находятся над газовоздушной подушкой. Такая ситуация в принципе не устойчива, массы частиц падают вниз, а газы прорываются наверх в надслоевое пространство. Если смешение природного газа с воздухом слабое, то оно завершается над слоем и даже в газоходах за зоной обжига. В печи кипящего слоя бывали случаи надслоевого горения природного газа с образованием поверхностных спеков, как предтечи макроспека в зоне обжига. Температура в слое при этом падает, начинает идти брак, тогда операторы увеличивают расход природного газа в горелку. Но это не помогает: горение природного газа уходит в газоходы. Установку приходится срочно останавливать.

Если же диаметр зоны циркуляции меньше шага между горелками, то между зонами циркуляции образуются столбы из неподвижных частиц с большой неустойчивостью такого состояния: слой неподвижных частиц хочет расположиться в виде конуса с естественным углом откоса. Следовательно, столбы частиц случайно по времени и по площади подовой горелки обрушиваются в циркуляционные зоны, попадают в области высоких температур и, будучи оплавлены, слипаются в виде мелких спеков размером 15-20 мм. (как говорят операторы: «Орехи пошли»). Происходит существенное укрупнение полидисперсного слоя в зоне обжига, как следствие, нарушение гидродинамического режима и снова грозит образование крупномасштабного спека. При появлении «орехов» установку следует срочно остановить.

7. Высота факела струи, истекающей из горелок на подине зоны обжига.

Это влияет по существу на формирование высоты циркуляционной зоны вокруг струи. Этот параметр сильно зависит от фракционного состава зернистого материала [10]. Если удвоенная высота факела меньше высоты кипящего слоя, то струя не пробивает слой, истечение газов из горелки завершается пузыреобразованием, размер пузырей соизмерим с диаметром циркуляционной зоны.

Если смешение воздуха с природным газом завершается в пузырях, то появляются локальные и мощные взрывы этих пузырей, выбросы материала в надслоевое пространство (динамический унос), необходим футерованный циклон за зоной обжига печи кипящего слоя. От каждого такого взрыва пузыря неизбежно интенсивное движение оплавленных частиц в горизонтальном направлении. Это опасно не только активной эрозией футеровки зоны обжига, но и образованием настылей из частиц, спеков на поверхности футеровки в виде лепешек. С течением времени эти образования укрупняются, падают вниз на горелки, следовательно, опять грозит крупномасштабный спек.

Если удвоенная высота факела больше высоты слоя, струя из горелки пробивает слой, природный газ догорает в надслоевом пространстве, а то и в газоходах печи. Как результат, температура в слое уменьшается, установка начинает производить брак.

8. Число псевоожижения - заданный параметр.

Разработчики двухзонной печи кипящего слоя [8] считают, что число псевдоожижения в зоне обжига тоже является заданным параметром.

Это связано, по видимому, с тем, что достаточная подвижность оплавленных, пластичных частиц глины препятствует образованию спеков всех линейных масштабов.

9. Скорость истечения воздуха из кольцевого сопла горелки.

Горелки в подине зоны обжига представляют собой систему из трубы в трубе. Через кольцевое сечение нагнетается воздух на горение и псевдоожижение. Через центральное отверстие подается природный газ. Величина скорости истечения воздуха должна обеспечить условие беспровальности зернистого материала в систему воздухораспределения. В противном случае эта система заполняется глиняной крошкой, что нарушает гидродинамику в зоне обжига с обязательным образованием спека и появлением природного газа в объеме печи и ее газоходах. Установка становится взрывоопасной и ее следует немедленно остановить для чистки системы воздухораспределения. При нормальном режиме величина скорости истечения воздуха должна превосходить скорость витания самых крупных частиц кипящего слоя в зоне обжига.

10. Число псевдоожижения в холодильнике готового продукта.

Эта величина определяет подвижность частиц, нормальный режим охлаждения и, главное, стабильную выгрузку материала из холодильника. Уменьшение числа псевдоожижения в холодильнике приводит к уменьшению потока материала на выгрузке. Начинает расти высота псевдоожиженного слоя в холодильнике и, как следствие, прекращение выгрузки самотеком из зоны обжига. Снова грозит образование крупномасштабного спека и аварийной остановки.

Обращаем внимание читателя, какой объем исходной физико-химико-процессной информации, какая детальность и степень изученности процессов даже в относительно несложной по технологии установке необходима, чтобы ответить на простенький вопрос инвестора: сколько и когда?

Читать далее:
§4. Разработка физико-процессной математической модели химической технологии.
§5. Установление множества внешних воздействий на технологическую систему.

Наверх

Скачать статью в формате Word