CC BY
117
УДК 66.011
М. А. Тагиров (асп.), Б. С. Жирнов (д.т.н., проф.), Н. Н. Лунева (к.э.н., доц.), А. В. Сусликов (студ.), А. Р. Мусин (студ.)
Оптимальная длина барабанной вращающейся печи для активирования углеродного материала
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салават, кафедра химико-технологических процессов 453250, г. Салават, ул. Губкина, д. 22Б; тел. (34763) 35480, факс (34763) 30850, e-mail: slvvuz@yandex.ru
M. A. Tagirov, B. S. Zhirnov, N. N. Luneva, A. V. Suslikov, A. R. Musin
The optimal length of the drum rotary kiln for activated carbon material
Ufa State Petroleum Technological University, Salavat branch 22 B, Gubkin Str, 453250, Salavat, Bashkortostan; ph. (34763) 35480, fax (34763) 080350,
e-mail: slvvuz@yandex.ru
На основании экспериментальных данных проведено математическое моделирование барабанной вращающейся печи для активирования углеродного материала (нефтяного кокса). На основании расчетов: представлены составы дымовых газов на входе и выходе из печи; построены зависимости изменения температуры прокаливаемого углеродного материала и дымовых газов по длине печи; показано изменение чистого дисконтированного дохода (NPV) при изменении длины печи. Выбрана печь оптимальной длины.
Ключевые слова: активирование углеродных материалов; барабанная (вращающаяся) печь; длина печи; дымовые газы; математическое моделирование; углеродный материал; чистый дисконтированный доход.
Mathematical modeling of drum-type rotary furnace to activate the carbon material (petroleum coke) was carried out by experimental data. On the base of calculations the compositions of flue gas at the inlet and outlet of the furnace temperature was showed, dependences of calcined carbon material and the flue gases from the oven length, the change of the net present value (NPV) from the length of the oven was showed. Oven was selected by optimal length.
Key words: activation of carbon materials; length furnace flue gases; drum (rotating) oven; mathematical modeling carbon material; net present value.
Активирование представляет собой термическую обработку, при которой происходит увеличение удельной поверхности углеродсо-держащего материала, в результате чего часть продуктов неполного горения сгорает, а часть улетучивается '.
В результате действия активных составляющих дымовых газов на микроструктуру кокса изменяется его внутренняя поверхность, что приводит к активации кокса и, как следствие, оказывает значительное влияние на физико-химические свойства прокаленного кокса 2.
Поверхность нефтяного кокса делится на внутреннюю и внешнюю. В сыром коксе внутренняя поверхность значительно больше внешней, что обуславливает его высокую актив-
Дата поступления 17.01.14
ность. Дальнейшая активация нефтяных коксов может быть осуществлена измельчением кускового кокса, приводящим к увеличению внешней поверхности, или повышением микропористости кокса активными газами, способствующим увеличению удельной поверхности в десятки и сотни раз (в зависимости от активирующего газа). Например, при одной и той же степени угара кокса в случае обработки водяным паром его удельная поверхность на 15 и на 40 % выше, чем при обработке диоксидом углерода и воздухом соответственно 2.
Для активирования углеродсодержащих веществ активирующими газами применяется следующее специальное оборудование: шахтные, многополочные печи; реакторы с движущимся слоем; барабанные вращающиеся печи
и различные другие аппараты. Выбор подходящего оборудования зависит от степени дробления исходного материала и от того, в какой форме должны быть получены активированные материалы — порошкообразные, зерненные или гранулированные. Универсальными аппаратами являются барабанные вращающиеся печи, поэтому они применяются особенно часто.
Барабанные вращающиеся печи наиболее полно отвечают современным требованиям. Однородное качество по действительной и объемной плотности, низкая пористость, высокая механическая прочность углеродного материала обеспечиваются умеренной скоростью нагрева. Эффективность их прокаливания определяется конструкцией узлов и оборудованием для обработки, технологией очистки и утилизации тепла дымовых газов 3.
Целью настоящего исследования является математическое моделирование кинетики активирования углеродного материала (нефтяного кокса).
Материалы и методы исследования
Нами были проведены опыты по математическому моделированию кинетики активирования углеродного материала (нефтяного кокса) водяным паром и СО2 4'5. В работе использовалась математическя модель барабанной вращающейся печи, описанная в работах 6'7. Математическое описание печи представляет собой ячеечную модель, и, как было показано в работе,5 длина одной ячейки составляет 0.5 м.
Для уменьшения выноса коксовой пыли и увеличения выхода прокаленного кокса в современных барабанных вращающихся печах предпочтение отдается печам большого диаметра (3.5—3.9 м) 3. В данной работе приведены расчеты по математической модели для печей диаметром 3.5 м, производительностью по активированному коксу 1 т/ч. Были также выбраны следующие параметры печи: длина 4, 8, 12, 16, 20 м; конечная температура прокал-
ки 1300 оС; коэффициент избытка воздуха 1.3; температура воздуха 400 оС. В процессе активации были выбраны печи гораздо меньшей длины, т. к. нашей задачей являлось исключение процесса перестройки молекулярной структуры углеродного материала для того, чтобы поверхность развивалась за счет активации активными газами и выделения летучих веществ 2.
Тепло в печь подводилось в основном за счет сжигания топлива (метана) в отдельной топочной камере. При сжигании метана образуются активные газы, необходимые для активации углеродного материала.
Оценка эффективности инвестиций для выбора оптимальной длины печи производилась с использованием электронной программы «Расчет эффективности инвестиционных проектов» 8.
Результаты и их обсуждение
Состав используемых дымовых газов на входе в печь приведен в табл. 1. Из табл. видно, что в дымовых газах содержится 4.4% О2, 6.5% СО2 и 16.7% Н2О. При этом температура дымовых газов на входе в печь принималась равной 2090 оС.
Таблица 1
Состав дымовых газов на входе в печь
Состав газа, %
О2 N2 СО2 Н2О
4.4 72.4 6.5 16.7
Вычисленное изменение состава дымовых газов на выходе из печи при различной ее длине представлено в табл. 2.
Из данных табл. 2 видно, что количество горючих компонентов в используемых дымовых газах изменяется по длине печи. Так, при изменении длины печи от 4 до 20 м содержание оксида углерода в дымовых газах снижается от 16 до 10.7 %, количество водорода возрастает от 31 до 42 %, углеводородов (метана) — от 2.1 до 3 % соответственно.
Таблица 2
Состав дымовых газов в зависимости от длины печи на выходе
Состав газа, % Длина печи, м
4 8 12 16 20
СО 16.0 15.3 13.0 11.7 10.7
Н2 31.0 36.8 40.8 42.1 42.3
СН4 2.1 1.3 2.8 2.9 3.0
О2 2.1 1.9 1.7 1.5 1.5
N2 39.8 38.5 34.0 32.3 31.6
СО2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
Н2О 8.7 5.9 7.5 9.3 10.8
Сумма: 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Зависимость основных характеристик печи от ее длины
Таблица 3
Длина печи, м 4 8 12 16 20
Температура дымовых газов на выходе из печи, оС 492 440 342 274 233
Необходимое для получения прокаленного кокса количество дымовых газов, кг/кг 0.259 0.229 0.213 0.202 0.196
Необходимое количество топлива, кг/кг 0.0270 0.0242 0.0210 0.0192 0.0181
О
0
се &
н се Рч
а)
1
о Е—1
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
ДТг 16 А Тк 16 • Тк 12 ♦ Тк8
О Тг 12 ОТг8
ПТг4 ■ Тк4
о
10 12 14 16 Длина печи, м
Рис. 1. Изменение температуры прокаливаемого углеродного материала (Тк) и дымовых газов (Тг) в зависимости от длины печи (время прокаливания — от 4 до 16 ч)
Результаты расчетов зависимости от длины печи ее основных характеристик (параметров) - температуры дымовых газов на выходе из печи, количества топлива и дымовых газов (с составом, аналогичным приведенному в табл. 2), необходимых для получения единицы продукции, приведены в табл. 3.
Из данных табл. 3 видно, что температура дымовых газов на выходе из печи уменьшается от 490 до 230 оС с увеличением ее длины с 4 до 20 м. При этом количество дымовых газов, необходимое для получения 1кг прокаленного кокса, уменьшается с 0.259 до 0.196 кг, а количество необходимого топлива — от 0.0270 до 0.0181 кг соответственно.
Изменение расчетной температуры прокаливаемого углеродного материала и дымовых газов по длине печи приведено на графике рис. 1.
Как видно из рис. 1, профили температур дымовых газов и углеродного материала в зависимости от длины печи совпадают при одинаковом времени воздействия температуры.
Выбросы в атмосферу дымовых газов, содержащих оксид углерода и смолистые про-
дукты, создают серьезную экологическую проблему. На современных установках прокаливания защита атмосферы обеспечивается полным сжиганием дымовых газов на выходе из печи в специальных печах дожига. Тепло от сжигания используется для подогрева техно-
3
логического воздуха 3.
Для определения выбора оптимальной длины печи с точки зрения эффективности инвестиций анализировалась величина чистого дисконтированного дохода (МРУ) для печей различной длины. Как видно из рис. 2, ЫРУ имеет максимальное значение для печей длиной 8—12 м. Капитальные затраты (печь футерована огнеупорным кирпичом) при этом составляют 3840—5770 тыс. руб. Далее наблюдается снижение эффекта. Это объясняется тем, что длина печи увеличивается (материалоемкость печи растет) при неизменной загрузке, вследствие чего увеличиваются капитальные затраты на единицу продукта.
Таким образом, согласно проведенным нами расчетам, для проведения процесса активирования углеродного материала (нефтяного кокса) в барабанных вращающихся печах оптимально использование печей длиной 8—12 м.
ю л
К
Ч
>
0
5
10
15
20 25
Длина печи, м
Рис. 2. Изменение чистого дисконтированного дохода (NPV) при изменении длины печи
Литература
1. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии.— М.: Химия, 1975.- 511 с.
2. Сюняев З. И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса.- М. Химия, 1973.- 296 с.
3. Ахметов М. М. // Мир нефтепродуктов.-2011.- №3.- С.36
4. Тагиров М. А. и др. // Кокс и химия.- 2011.-№10.- С.32.
5. Муртазин Ф. Р. Кинетические исследования и моделирование реакций углеродных материалов с активными газами. Дис... канд. техн. наук. -Уфа, 1993.- 266 с.
6. Тагиров М. А. и др. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело».- 2013.- №1.-С. 349.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616210 Расчет барабанной печи для прокалки нефтяного кокса / Кугатов П. В., Муртазин Ф. Р., Тагиров М. А., Жирнов Б. С. // 2013.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614444 Расчет эффективности инвестиционных проектов / Лунева Н. Н., Левина Т. М. // 2009.
References
1. Voyutskii S. S. Kurs kolloidnoi himii [Rates of colloid chemistry]. Moscow: Khimiya Publ., 1975.- 511 s.
2. Syunyaev Z. I. Proizvodstvo, oblagorazhivanie i primenenie neftyanogo koksa [Production, refinement and use of petroleum coke]. Moscow Khimiya, 1973. 296 p.
3. Akhmetov M. M. Mir nefteproduktov. 2011. No. 3. P.36
4. Tagirov M. A. i dr. Koks i khimiya. 2011. No.10. P.32.
5. Murtazin F. R. Kineticheskie issledovaniya i modelirovanie reakcij uglerodnykh materialov s aktivnymi gazami. Dis... kand. tekhn. nauk. Ufa, 1993. 266 p.
6. Tagirov M. A. i dr. Neftegazovoe delo. 2013. No.1. P. 349.
7. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM № 2013616210. Raschet barabannoj pechi dlya prokalki neftyanogo koksa. Kugatov P. V., Murtazin F. R., Tagirov M. A., Zhirnov B. S.- 2013.
8. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM № 2009614444. Raschet jeffektivnosti investicionnyh proektov. Luneva N. N., Levina T. M.- 2009.
