1.1. Газообразные горючие вэр

Рассмотрим основные принципы использования газообразных горючих отбросных газов на примере сажевого производства. Технологическая схема получения сажи, необходимой для производства резины, представлена на рис. 4 [3].

Сырье – масло специальных сортов подогревается в подогревателе и поступает в реактор с температурой ~300 С. Подогрев осуществляется за счет теплоты уходящих из реактора газов. В реакторе при температуре 1400 С происходит разложение сырья. Температура поддерживается за счет сжигания в камере сгорания природного газа либо дизельного топлива. В реакторе сжигание осуществляют при коэффициенте подачи топлива 0,25, т.е. ниже границы сажевыделения. Чтобы не происходило реагирование сажи с СО₂ и Н₂О при медленном охлаждении продуктов – осуществляют закалку продуктов реакции, впрыскивая воду и охлаждая газы до 700С. Воздух высокого давления, подаваемый на распыливание продукта, греют до 450 С, воздух низкого давления, подаваемый на сжигание газа, подогревают до 350 С. Температура газовзвеси после подогревателя сырья составляет 450 С. Перед рукавными фильтрами ее охлаждают до 250  за счет впрыска воды. На 1 кг углерода образуется от 40 до 60 м³ сажевых газов следующего состава: Н₂ = 78 %; СО = 67 %; СН₄ = 0,50,7 %; О₂ = 23 %; СО₂ = 2 %; N₂ = 40 %; Н₂О = 40 %. Теплота сгорания газов данного состава составляет 1,52,1 МДж/м³, т.е. находится на пределе устойчивости горения. Если сконденсировать влагу, т.е. охладить газовзвесь после рукавных фильтров до 5060 С, то теплота сгорания газов повысится  в 1,542 раза, но при этом мелкодисперсная сажа попадет в сточные воды. Из каждого килограмма сырья (в том числе технологического топлива) в реакторе образуется 6,58,2 м³ сажегазовой смеси.

Рис. 4. Технологическая схема производства активных сортов углерода:

1 – теплообменник; 2  сырьевой насос; 3 – печь для подогрева сырья; 4  фильтр;

5 – реактор; 6 – подогреватель воздуха высокого давления; 7  подогреватель воздуха низкого давления; 8 – подогреватель сырья; 9 – холодильник-ороситель; 10  циклон;

11 – рукавные фильтры; 12 – котел-утилизатор; 13 – форсунка для подачи воды

Низкокалорийные газы сажевых производств сжигают в пакетно-конвективных котлах (ПКК), выпускаемых Белгородским заводом энергетического машиностроения (Б3ЭМ). Котлы имеют предтопок, в котором сажевый газ сжигается совместно с природным газом (либо мазутом). Воздух, поступающий на горелки, подогревают до 350 С. Для сжигания отбросных газов используют специальные горелки, обеспечивающие совместное сжигание отбросного и природного газов. Единичная мощность горелок по сажевому газу доведена до 7,5-9,3 МВт. Наибольшая мощность горелки с учетом сжигания резервного топлива составляет 17,3 МВт. Выгорание сажи составляет 99 % в пределах предтопка даже при содержании сажи до 3 г/м³. При снижении нагрузки температура в предтопке падает до 1000-1050 С и не обеспечивается выгорание сажи. Для полного выгорания сажи требуется обеспечить время пребывания частиц сажи в течение 1,5 с при температуре 1150-1200 С.

Теплота сгорания сажевого газа при известном его составе рассчитывается по выражению:

,МДж/м³.(1)

Количество природного газа, подаваемого в предтопок для обеспечения устойчивого горения, может быть рассчитано либо по заданной теплоте сгорания смеси сажевого и природного газа, либо по заданной температуре газов в предтопке.

Расчет по заданной теплоте сгорания смеси.

Заданными являются теплота сгорания сажевого газа , теплота сгорания природного газаQ_пр и теплота сгорания их смеси Q_см. Доля природного газа х, подаваемого на 1 м³ сажевого газа, рассчитывается из уравнения теплового баланса

. (2)

Расчет по заданной температуре устойчивого горения.

Заданными являются состав и теплота сгорания сажевого и природного газа, а также минимальная температура устойчивого горения t_г в факеле, которую принимают обычно примерно равной 1150-1300 С. По известному составу рассчитывают энтальпии сажевого I_г и природного I_пр газов при температуре t_г. Считая, что вся теплота, вводимая в теплоизолированный предтопок, переходит в энтальпию продуктов сгорания, можно записать тепловой баланс в следующем виде:

. (3)

Расчет энтальпий продуктов сгорания при известных объемах продуктов сгорания проводят по следующим выражениям:

, (4)

где энтальпия теоретического количества продуктов сгорания, кДж/ м³:

, (5)

а энтальпия теоретически необходимого количества воздуха, кДж/ м³:

. (6)

Область применения котлов ПКК расширяется, их используют в нефтехимической промышленности за печами выжига катализатора, в сланцеперерабатывающей промышленности для сжигания забалластированных газов [2]. В сланцеперерабатывающей промышленности состав газов меняется во времени и составляет: Н₂ = 6,210 %; СО = 3,14 %; СН₄ = 1,253,6 %; С_mH_n = 0,771,1 %; О₂ = 0,382 %; СО₂ = 16,217,7 %; N₂ = 22,131,6 %; Н₂О  30 %. Теплота сгорания газов может снижаться до 1,9 МДж/м³ за счет присутствия воды в капельно-жидких компонентах. Трудность сжигания этих газов обусловлена нестабильностью состава. Для сжигания газов, содержащих капельно-жидкую фракцию, предложена специальная горелка (рис. 5).

Рис. 5. Горелка для сжигания газов, содержащих жидкие фракции [3]:

1 – улиткообразный корпус; 2 – тангенциальный патрубок; 3 – цилиндрическая труба;

4 – внутренняя поверхность; 5 – перфорированная обечайка; 6 – желоб; 7 – форсунка;

8 – радиальная труба; 9  сопло

Горелочное устройство работает следующим образом. Газы, содержащие вязкие капельно-жидкие компоненты во взвешенном состоянии, подаются в улиткообразный корпус 1 тангенциальным патрубком 2 и цилиндрической трубой 3, где в результате закручивания потока крупные капли жидкости тормозятся и оседают на внутренней поверхности 4 перфорированной обечайки 5 с выпускными отверстиями. Под действием силы тяжести они стекают в желоб 6, откуда подаются в форсунку 7, подключенную к радиальной трубе 8. На выходе из форсуночного сопла 9 жидкие компоненты распыливаются, испаряются и сгорают в потоке газовоздушной смеси. Сепарация жидкой фазы и ее дожигание вместе с газами позволяет стабилизировать работу горелки, поскольку сепарация, сбор и подача жидкой фазы с постоянным расходом обеспечивает более равномерную подачу топлива.

Большинство топок для сжигания низкокалорийных газов представляют собой адиабатно изолированные камеры [3]. Установка для сжигания сильно забалластированных газов для выжигания сажи на катализаторах (Alcorn bustion) представлена на рис. 6. Для выжигания используют циклонный предтопок, перед которым предварительно смешивают воздух и отбросные газы.

Отбросные газы поступают в камеру сгорания 1 по трубе 2 и каналу 3. Воздух нагнетается в эту камеру вентилятором. Из кольцевого коллектора 4 воздух поступает в смеситель 5 через отверстия 6 и непосредственно в камеру 1 через отверстия 7. Процесс горения локализуется в камере 1 и в камере догорания 8. Физическое тепло отбирается от продуктов сгорания в трубчатом теплообменнике 9, в котором можно осуществлять подогрев воды или других теплоносителей, например нефтепродуктов, поступающих в реактор для каталитического крекинга. Предварительный разогрев камеры сгорания до температуры выше 940 С и осуществляется путем сжигания вспомогательного топлива (высококалорийного газа или мазута) в горелках 10.