Неисчерпаемый резерв. Использование вторичных энергоресурсов: новые проекты

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 на ОАО «КуйбышевАзот» – на агрегате 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 этого в составе агрегата проектом предусматривается установка выпаривания с последующей фильтрацией и сушкой. Данный процесс – редкий пример полного цикла переработки производственного отхода внутри предприятия в готовый товарный продукт.
Экологические цели достигнуты, однако уникальность установки еще и в том, что в котле выделяется тепловая энергия при сжигании содержащихся в стоках органических веществ. Эта энергия используется в котле для производства пара. Поэтому котлоагрегат также функционирует как паровой котел. Задача энергосбережения выполнена. Цели предприятия: обеспечить экологические требования, переработать производственный отход в готовую продукцию и получить пар для собственных нужд (либо для реализации потребителям) – достигнуты максимально. Срок окупаемости внедрения энергосберегающих разработок в технологии предприятия, как правило, не превышает двух лет. Экономия на платежах за негативное воздействие в окружающую среду сократит срок окупаемости на порядок. В нынешних условиях посткризисной экономики результат реализации таких 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 иметь массовый характер внедрения во многих отраслях промышленности.
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%. На сегодняшний день нефтехимическими предприятиями утилизируется лишь 30%. Сложность переработки попутного нефтяного газа проявляется за счет наличия в составе ПНГ сероводорода до 10%. Существующие технологии очистки и сбора сероводорода в нефтеперерабатывающей промышленности нуждаются в активной модернизации.
Утилизация сероводорода, а именно сжигание в виде топлива его в топках энерготехнологических котлов – один из основных процессов в установках производства серы и серной кислоты. При горении 1 куб. м сероводорода выделяется 23 400 кДж теплоты – безусловно, ценное топливо, но вопрос его использования образует круг 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 сжигания сероводорода – это их надежность и безопасность, так как при термической обработке подобных газов резко снижается стойкость материалов конструкций к сероводородной коррозии. Для создания надежной и эффективной конструкции 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 влияют на срок и объем ремонта котла: фактор снижения межремонтного пробега достигает 30–50%. 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.
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. Для полного окисления Н2S и обеспечения технологического процесса производства серной кислоты избыток воздуха должен быть строго в пределах 1,2-1,3. Циклонные топки обеспечивали полноту выгорания сероводорода, но были нестабильны по режиму, требовали 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, к сероводородному растрескиванию. 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 отмечены в районе горелки. В котлах данной модели нижний барабан соприкасается, в конвективной части, 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 образованная трещина в швах нижнего барабана вызывает образование пропуска воды в горячую среду сернистого газа внутри котла – начинается активное выпадение жидких сернокислых соединений, коррозия с участием которых полностью разрушает нижние части котла. От применения газового байпаса в сероводородном котле лучше отказаться, так как при открытом байпасе дымовые газы в конвективной части захолаживаются и начинается выпадение росы серной и сернистой кислот на трубках и 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.
Пол 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 достигнуть 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.