Модернизация узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО 'Аммофос'

Модернизация узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО 'Аммофос'

ВВЕДЕНИЕ

Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т. д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и т. д.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века.

Основным видом серосодержащего сырья для производства серной кислоты остается сера, доля которой постепенно будет увеличиваться с ожидающимся ростом производства самой серы и переводом колчеданных сернокислотных систем на серу. В настоящее время в России эксплуатируются сернокислотные установки на сере и пирите по схеме двойного и одинарного контактирования (последние с химической очисткой выхлопных газов), максимальная производительность которых 500-620 тыс. т/год на сере. Эти установки, в основном, построены в 70-80-е годы. Физический износ некоторых из них составляет 90 %, поэтому они характеризуются высокими энергетическими затратами в основном производстве [1].

С 1992 по 2002 гг. фактически в России не было пущено ни одной новой сернокислотной системы, а существующие системы имеют высокую степень износа оборудования [2]. Вместе с тем объемы вырабатываемой природной и газовой серы позволяют применять ее как сравнительно дешевое и высококачественное сырье. Поэтому переход сернокислотных систем на серу отвечает требованиям, предъявляемым к производству современным уровнем развития науки и техники.

Для сернокислотных систем, работающих на сере, в НИУИФ разработан и внедрен новый котло-печной агрегат РКС 95/4,0-440, который в настоящее время функционирует на ОАО "Аммофос" и ООО "Балаковкие минеральные удобрения". Особенностью данного агрегата является то, что сжигание серы и получение пара происходит в одном аппарате. Паропроизводительность составляет 95 т/ч [3, 4]. Опыт эксплуатации данных котлов показал, что основными недостатками их являются: пониженная паропроизводительность, усложнение схемы регулирования температуры газового потока на входе в контактный аппарат [4], неоптимальное конструктивное оформление газохода байпаса. Устранение недостатков возможно в рамках модернизации котлов данного типа.

Целью данной работы является определение направлений модернизации узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО "Аммофос", а также обоснование возможности и эффективности данной модернизации.

Для реализации данных целей были поставлены следующие задачи:

–       выполнить аналитический обзор литературных данных;

–       определить направления возможной модернизации агрегата РКС;

–       рассчитать основное и вспомогательное оборудование;

–       разработка вопросов безопасности и охраны окружающей среды для проектируемого объекта;

–       обосновать экономическую эффективность предлагаемых решений.

Актуальность выбранной темы обусловлена ее практической значимостью, т. е. потребностью производства в высокоэффективной технике.

 

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Целью данного аналитического обзора является рассмотрение недостатков существующих котло-печных агрегатов для сжигания серы и определение возможных вариантов устранения этих недостатков.

.1 Опыт эксплуатации реконструированных сернокислотных систем на сере с использованием энерготехнологических котлов РКС

Реконструкция и пуск в эксплуатацию сернокислотных систем СК-600/1 и СК-600/2 на ОАО "Аммофос" г. Череповец осуществлены в июле 2003 года и в октябре 2004 года соответственно. Анализ работы печных отделений СК-600/1,2, проведенный специалистами НИУИФ, показал следующие недостатки действующих агрегатов РКС [4]:

1)      Снижение паропроизводительности до 90 т/ч, что может быть связано с понижением температуры воздуха, подаваемого в циклонные топки на сжигание серы; понижением температуры газа, поступающего в контактный узел после 1-го моногидратного абсорбера; пониженной концентраций SO₂ в исходном газе; повышенным гидравлическим сопротивлением парового тракта от барабана-сепаратора котла до коллектора перегретого пара; возможностью утечки части питательной воды после экономайзера 1-ой ступени через запорную арматуру; неточностями замера температуры.

2)      Неполное выгорание серы в пределах топки и догорание ее в испарителях котла, что влияет на снижение температуры топочных газов на входе в испарители.

)        Склонность к разрушению футеровки.

4)      Организация "холодного" воздушного байпаса не обеспечивает требуемую температуру газа перед первым слоем контактного аппарата.

5)      Газоход от котла к контактному аппарату подвергается температурным деформациям, в результате чего возможно разрушение компенсаторов газохода.

6)      Неудовлетворительное определение температуры газа после топок из-за неудачного расположения термопар.

Для устранения указанных недостатков необходима модернизация котла РКС 95/4,0-440.

.2 Конструкции топок для сжигания серы

Сжигание серы в сернокислотном производстве осуществляют в топках в распыленном состоянии. Наиболее совершенными и производительными являются циклонные и форсуночные (камерные) топки. Данные топки классифицируют по нескольким признакам: по типу установленных форсунок и их расположению в топке; по наличию (отсутствию) экранов внутри топочной камеры; по исполнению (горизонтальные и вертикальные); по расположению входных отверстий для подачи воздушного дутья; по устройствам для перемешивания потоков воздуха с парами серы; по оборудованию для использования тепла горения серы; по количеству камер [5].

Более совершенными являются циклонные топки. Достоинства топок данной конструкции [5, 6]: тангенциальный ввод воздуха и серы обеспечивает равномерное сжигание серы в топке за счет лучшей турбулизации потоков; возможность получения концентрированного технологического газа (до 18 % об. SO₂); высокое тепловое напряжение топочного пространства (4,6×10⁶ Вт/м³); объем аппарата уменьшается в 30-40 раз по сравнению с объемом факельной форсуночной печи при такой же производительности; постоянная концентрация SO₂; простое регулирование процесса горения серы и его автоматизация; малая затрата времени и горючего материала на разогрев и пуск топки после длительной остановки (5-6 ч); меньшее содержание оксидов азота после топки в технологическом газе, так как в топке газ имеет большую скорость и малое время пребывания в зоне высоких температур.

Основные недостатки топок данной конструкции связаны с высокими температурами, развиваемыми в процессе горения. Из-за возникающей неравномерности и локальных перегревов возможно растрескивание футеровки и сварных швов, что приводит к разгерметизации оборудования и вынужденной остановке. Кроме того, при остановках возникают дополнительные температурные деформации, способствующие разрушению футеровки. Неудовлетворительное распыление серы приводит к проскоку ее паров в котел, а следственно к коррозии аппаратуры, непостоянству температур на входе в испарители котла. Все это обусловливает необходимость применения огнеупорной (жаростойкой) футеровки.

Расплавленная сера может поступать в топку через форсунки с осевым или тангенциальным расположением или же самотеком (под напором воздуха). При осевом расположении форсунок зона горения находится ближе к периферии, при тангенциальном - ближе к центру, благодаря чему уменьшается действие высоких температур на футеровку [6].

.3 Форсунки для распыления жидкой серы

Различают следующие способы диспергирования жидкостей [7, 8, 9]: гидравлическое; механическое; пневматическое; акустическое; ультразвуковые; вибрационное и др.

Гидравлические форсунки по принципу действия делятся на: струйные; с соударение струй; ударно-струйные; центробежные; центробежно-струйные; пульсационные. Механические форсунки по способу подвода жидкости бывают: с непосредственной подачей жидкости на рабочий элемент; погружные. Пневматические форсунки делятся на: форсунки низкого давления (избыточное давление распыливающего агента до 10 кПа); форсунки высокого давления (от 100 до 1000 кПа и более). Комбинированные форсунки: сочетание пневматических и гидравлических (пневмогидравлические) позволяет получить распыл с дисперсными характеристиками, не уступающими полученными при пневматическом распылении, но при значительно меньших затратах энергии.

В табл. 1 представлены достоинства и недостатки разных типов форсунок.

Таблица 1

Сравнительная характеристика форсунок

Достоинства	Недостатки
Гидравлические форсунки
1. Просты по оформлению	1. Грубое и неоднородное дробление
2. Самые экономичные по потреблению энергии (2-4 кВт на диспергирование 1 т жидкости)	2. Трудность диспергирования высоковязких жидкостей
	3. Трудность регулирования расхода при заданном качестве дробления
Механические форсунки
1. Возможность дробления высоковязких и загрязненных жидкостей	1. Сложность изготовления рабочих элементов и их эксплуатация
2. Возможность регулирования производительности распылителя без существенного изменения дисперсности	2. Энергоемкость (15 кВт на 1 т жидкости)
	3. Дорогие в изготовлении
	4. Наличие движущихся частей
Пневматические форсунки
1. Малая зависимость качества диспергирования от расхода жидкости	1. Большой расход энергии (50-60 кВт на 1 т жидкости)
2. Возможность диспергирования высоковязких жидкостей и жидкостей, загрязненных твердыми частицами	2. Необходимость в диспергирующем агенте (обычно сжатый воздух) и оборудования для его сжатия и подачи
3. Надежность эксплуатации
4. Более тонкое и однородное дробление, чем при гидравлическом распылении
Акустические распылители
1. Более тонкое и однородное дробление, чем при пневматическом распылении	Распылители (конструктивное соединение источника колебаний-генератора-излучателя и устройства для подачи жидкости) сложнее
2. Более экономичны и перспективны, чем пневматические
Электростатические и ультразвуковые распылители
Высокая дисперсность распыла	1. Дорогостоящее и сложное для обслуживания оборудование
	2. Малая производительность форсунок (0,5-6,0 кг/ч)
	3. Высокая энергоемкость

Комбинированные распылители позволяют получить такие характеристики распыла, которые не возможно получить одним из методов.

Серные форсунки должны обеспечить тонкое и равномерное распыление жидкой серы; хорошее смешение ее с воздухом в самой форсунке или за нею; быстрое регулирование расхода жидкой серы с сохранением необходимого соотношения ее с воздухом; устойчивость определенной формы и длины факела; прочность, простоту конструкции, надежность и удобство эксплуатации [6].

Для диспергирования серы обычно используют гидравлические центробежные форсунки (механические) и пневматические серные форсунки [6, 10].

Гидравлические форсунки разбрызгивают серу под давлением, которое создается насосом, нагнетающим расплавленную серу по трубопроводу к форсунке. На рис. 1 показана гидравлическая форсунка для диспергирования серы.

Рис. 1. Форсунка гидравлического действия со спиральным завихрителем: 1 - центральный вал; 2 - спираль для создания вращательного движения потока; 3 - игольчатый клапан; 4 - диафрагма; 5 - колпачковая гайка; 6 - трубка для подачи серы; 7 - паровая рубашка; 8 - фланец; 9 - шпильки с гайками для перемещения центрального вала.

Для завихрения серы в данной форсунке применяют завихрители со спиральными вкладышами. Червяк завихрителя может быть одно-, двух- и трехходовым, что влияет на величину распыляемых частичек. В завихрителе создается турбулентно-вращательное движение, и жидкая сера впрыскивается в печь через суженное сечение наконечника форсунки под увеличенным напором; распыление ее улучшается.

В форсунках пневматического действия жидкая сера, поступающая самотеком из напорного бака, распыляется сжатым воздухом или паром. Чтобы обеспечить свободное поступление жидкой серы, напорный бак устанавливают на высоте 4-5 м над уровнем форсунок. Воздух, предварительно подогретый до 150-200 °С, очищенный от пыли и осушенный, подают в форсунку под давлением 4-6 ат. Жидкую серу подают по кольцевому серопроводу 2, обогреваемую паром. Воздух для распыления серы вводят по центральной трубе 1. Производительность такой форсунки 20 т в сутки жидкой серы, расход воздуха ~100 м³ на 1 т серы.

.4 Патентный обзор

Изобретения в области распыления жидкостей форсунками направлены, как правило, на повышение равномерности орошения, уменьшение образования оксидов азота, повышение качества распыления, повышение дисперсности, интенсификацию процесса горения, увеличение угла раскрытия факела. Однако редко удается совместить все усовершенствования в одной конструкции. Ниже рассмотрены форсунки, которые возможно применить для диспергирования жидкой серы в циклонные топки.

На рис. 2 представлена механическая форсунка для распыления жидкого топлива или распыления жидкости в факел топочного устройства [11].

Рис. 2. Механическая форсунка с винтовым завихрителем и шайбой

Форсунка содержит ствол 1 для подачи жидкости и головку 2 с установленными в ней винтовым завихрителем 3, шайбой 4 и вытеснителем 5.

Данное изобретение направлено на повышение эффективности работы форсунки за счет создания на выходе из форсунки равномерного факела распыления. Благодаря тому, что завихритель выполнен винтовым, а шайба установлена относительно торцевой поверхности завихрителя с осевым зазором, образующим радиальный канал, потоки жидкости, выходящие из канавок завихрителя, направляются от периферии к центру. При этом происходит резкое увеличение их скорости в соответствии с формулой

W_Ц=W_П×(R_П/R_Ц),

где W_Ц и W_П - тангенциальные скорости в центре и на периферии; R_П и R_Ц - радиусы движения жидкости в центре и на периферии. Резкое увеличение скорости создает большие градиенты между скоростями жидкости, выходящей из канавок завихрителя, и жидкости, расположенной между канавками, а это приводит к быстрому выравниванию скоростей после поворота жидкости в отверстии шайбы и равномерному истечению из отверстия головки.

На рис. 3 представлена двухсопловая форсунка, основное назначение которой связано с уменьшением образования оксидов азота в продуктах сгорания топлив [12].

Рис. 3. Двухсопловая форсунка.

Двухсопловая форсунка содержит топливный патрубок 1, корпус 2, регулирующую гайку 3, центральную камеру 4 закручивания, отверстия 5 для перепуска топлива, распределительную шайбу 6, периферийную камеру 7 закручивания, регулирующую шайбу 8, осевое сопло 9 и кольцевое сопло 10.

Снижение выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлив в топливоиспользующих установках, включая паровые и водогрейные котлы, достигается тем, что центральная камера закручивания установлена с возможностью продольного перемещения, ее осевое сопло выполнено диффузорным и с выходным срезом, выступающим за выходной срез кольцевого сопла, а периферийная камера закручивания выполнена с геометрической характеристикой, превышающей в 2-3 раза геометрическую характеристику центральной камеры закручивания.

Данная форсунка за счет организации двух независимых топливных факелов позволяет реализовать способ двухстадийного сжигания топлива, обеспечивающий снижение выбросов оксидов азота. При этом в каждом из факелов по их объему создаются разные поля концентраций топлива и окислителя.

На рис. 4 представлена форсунка, которая может быть использована для повышения качества распыливания [13].

Рис. 4. Форсунка с золотником.

Форсунка содержит наружную топливоподающую трубу 1 с выходным соплом 2 и предсопловой камерой 3 закручивания с тангенциальными каналами 4 в боковой стенке 5 и внутреннюю подвижную трубу 6, скрепленную с золотником, выполненным в виде двух втулок 7 и 8, коаксиально размещенных по обе стороны боковой стенки 5 камеры 3 закручивания. На внешней поверхности наружной втулки 7 выполнены дистанционирующие винтовые или продольные ребра 9.

Распыливаемая жидкость из трубы 1 через тангенциальные каналы 4 подается в предсопловую камеру 3 и истекает через сопло 2 в виде полого конуса. Расход жидкости из трубы 1 регулируется поступательно перемещаемым золотником, конструкция которого не позволяет жидкости отклоняться от тангенциального направления при движении в тангенциальных каналах 4, что обеспечивает хорошее качество распыливания жидкости во всем диапазоне регулирования золотником проходного сечения тангенциальных каналов 4.

Указанный режим распыливания жидкости может быть использован для распыливания жидкого топлива в топках паровых котлов, а также для распыливания жидкости во всех подобных устройствах, требующих хорошего качества распыливания жидкости при широком диапазоне регулирования расхода.

На рис. 5 изображена пневматическая форсунка для повышения качества распыления, снижения удельного расхода распылителя и интенсификации процесса горения [14].

Рис. 5. Пневматическая форсунка.

Пневматическая форсунка содержит камеру смещения 1 и сопловой насадок 2, которые стянуты накидной гайкой 3. Сопла 4 насадка направлены под углом 10.90° к торцевой поверхности камеры 1. В торце камеры смещения 1, у ее боковой поверхности, выполнены отверстия 7 ввода топлива, а в центре осевой канал 8 ввода распылителя. В боковой стенке камеры смешения имеются тангенциальные каналы 9 ввода распылителя, которые с отверстиями 7 ввода топлива сгруппированы парами, причем продольная ось каналов 9 наклонена под углом, не превышающем 45° к плоскости торцевой стенки и пересекает ее в зоне, ограниченной площадью соответствующего отверстия 7 ввода топлива. Дополнительные тангенциальные каналы 10 ввода распылителя расположены под углом 10.30° к торцевой поверхности и имеют направление закрутки противоположное направлению закрутки каналов 9. Между рядами тангенциальных каналов 9 и 10 установлена диафрагма 11 с диаметром d' центрального отверстия, составляющим 0,4.0,7 диаметра D камеры смешения, а перед сопловым насадком - диафрагма 12 с диаметром d" центрального отверстия, составляющим 0,5...0,8 диаметра D. Поверхность камеры смещения 1 выполнена рельефной (углубления 5 и бороздки 6).

Цель изобретения достигается тем, что в форсунке, содержащей цилиндрическую камеру смещения с торцевой стенкой и сопловым насадком, снабженную отверстиями ввода топлива, выполненными в торцевой стенке по ее периферии и тангенциальными каналами ввода распылителя, выполненными в боковой стенке камеры, отверстия ввода топлива и тангенциальные каналы ввода распылителя сгруппированы парами, причем последние выполнены с продольной осью, наклоненной к плоскости торцевой стенки под углом, не превышающем 45°, и пересекающей ее в зоне, ограниченной площадью соответствующего отверстия ввода топлива.

.5 Футеровки циклонных топок

С целью защиты от высоких температур, химического, механического и другого воздействия металлический корпус топок оснащают огнеупорной футеровкой. Для футеровки циклонных топок, как правило, используют кирпичи или бетон. Требования к кирпичной кладке топок, особенно расположенных горизонтально, довольно высоки. Локальные трещины, сколы, выпадения отдельных кирпичей приводят к разрушению значительных участков футеровки, особенно в верхней части. Бетонные футеровки лишены этих недостатков.

Огнеупорные бетоны активно вытесняют традиционные формованные огнеупоры (кирпичи) в различных отраслях промышленности. Благодаря интенсивному развитию технологии производства огнеупорных бетонов все чаще футеровку выполняют монолитной [15, 16]. Основными преимуществами бетонной футеровки по сравнению с кирпичной [15]:

1)      Исключается использование кирпичей, в том числе фасонных и клиновых, удовлетворяющих жестким требованиям к размерам и кривизне, которые дефицитны в настоящее время.

2)      Бетонная футеровка не требует операции резки и шлифования кирпичей.

)        Сохранение геометрии при эксплуатации.

)        Значительно более высокая газоплотность.

)        Исключение перегрева и прогаров, циркуляции горячих газов, что обеспечивается полным прилеганием бетона к металлическому корпусу.

)        Упрощение локального ремонта.

)        Более большой выбор, чем кирпичей.

)        Возможность использования легковесного бетона (уменьшает массу футеровки).

Циклонная топка котла РКС футерованы муллитокорундовым кирпичом марки МКС-72.

Модернизация существующих футеровок (как кирпичных, так и выполненных из бетона) позволяет увеличить срок их службы и продолжительность межремонтного пробега, уменьшить затраты на содержание и ремонт.

В настоящее время предложение футеровочных бетонов достаточно обширно. Из всего многообразия предлагаемых бетонов с учетом положительного опыта ведущих фирм в этой области производства выбраны огнеупорные смеси ООО «Алитер-Акси» четырех серий с очень широким диапазоном свойств: температура применения - до 1800°С, плотность - от 0,5 до 3,1 г/см³, прочность - до 200 Н/мм². содержание Аl₂О₃ - до 99 %. Выбор обусловлен возможностью использования данных смесей для высокотемпературных топок, в которых сжигаются газы, содержащие серу.

Классификация огнеупорных смесей, выпускаемых фирмой "Алитер-Акси" представлена в табл. 2.

Таблица 2

Огнеупорные смеси фирмы "Алитер-Акси"

Легковесные	(плотность менее 1,6 г/см3)	АЛАКС
Плотные	(плотность более 2 г/см3)
	С высоким содержанием цемента (цемент > 15 %; CaO > 4 %)	АЛКОР
	Со средним содержанием цемента (цемент > 8-12 %; 2,5% < CaO < 4%)	АЛИТ
	Низкоцементные (цемент 3-5 %; 1 % < CaO < 1,5 %)	АЛКОРИТ
	Ультранизкоцементные (цемент < 3 %; CaO < 1 %)	АЛКОРИТ

Из бетонных смесей для футеровки циклонных высокотемпературных топок наиболее рационально применение низкоцементной смеси АЛКОРИТ-85/06 с низким содержанием CaO, высокой температурой применения (см. табл. 3)

Таблица 3

Технические характеристики бетонов АЛКОРИТ

Наименование смеси	Массовая доля Al2O3 (CaO), %	Предел прочности при сжатии, H/мм2		Плотность после обжига при 800°С, г/см3	Температура применения, °С	Основной заполнитель
		через 3 суток после формования	после обжига при 800°С
АЛКОРИТ-75/1,0	75 (0,9)	20	50	2,4	1650	боксит
АЛКОРИТ-85/1,0	85 (1,0)	30	120	2,9	1600	боксит
АЛКОРИТ-85/0,6	85 (0,6)	20	80	2,9	1700	боксит
АЛКОРИТ-96	96 (1,5)	70	120	3,1	1600	корунд
АЛКОРИТ-99	99 (1,0)	10	40	3,1	>1700	корунд

.6 Возможность повышения температуры воздуха на входе в топку

Предварительный подогрев воздуха перед подачей его на сжигание серы в топку позволит повысить температуру топочных газов на входе в испарительные блоки котла, и, следовательно, дополнительное тепло будет использовано для получения пара. Таким образом, предварительный подогрев воздуха прямо повлияет на паропроизводительность котла.

Температура в топке согласно [5] не должна превышать 1300°С. Иначе быстро выходит из строя футеровка, и, кроме того, наблюдается повышенное образование оксидов азота, которые загрязняют продукционную серную кислоту и выбрасываются в атмосферу с отходящими газами. Максимальная температура газов, выходящих из топки, определится на основании теплового баланса топки и испарителей котла.

Выводы. Таким образом, проведенный аналитический обзор позволяет сделать следующие выводы:

1)      эксплуатируемые котло-печные агрегаты РКС 95/4,0-440 обладают пониженной паропроизводительностью по сравнению с проектными значениями;

2)      для восстановления паропроизводительности необходим предварительный подогрев воздуха перед подачей его в топку;

)        циклонные топки наиболее эффективны для сжигания жидкой серы;

)        интенсификация процесса горения в циклонных топках возможна путем изменения их конструкции, замены форсунок и способа подачи жидкой серы и воздуха в топку;

)        для диспергирования жидкой серы в циклонных топках используются гидравлические и пневматические форсунки, а улучшение качества распыла возможно за счет изменения конструкции форсунки;

)        срок службы и надежность эксплуатации агрегата возможно увеличить заменой футеровочного материала.

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

На основании проведенного аналитического обзора литературных данных по рассматриваемой теме можно сделать выбор наиболее эффективного оборудования.

.1 Направления модернизации агрегата

Отмеченные в аналитическом обзоре недостатки энерготехнологических котлов РКС 95/4,0-440 (неполное выгорание серы в топке и догорание ее в испарителях, пониженная паропроизводительность, склонность к разрушению футеровки, неудовлетворительное качество распыла) возможно устранить с помощью следующих технических решений:

1)      Замена форсунок (улучшение качества распыления, увеличение дисперсности и равномерности распыла, интенсификация процесса горения).

2)      Предварительный подогрев воздуха перед подачей его в топку.

)        Замена футеровки топки с кирпичной на бетонную (увеличение срока служба агрегата, увеличение эффективного фонда времени работы оборудования, возможность повышения температуры технологического газа в топке с одновременным повышением концентрации SO₂ до максимального значения (12 % об.) на входе в контактный аппарат, и соответственно увеличение количества тепла, утилизируемого в испарительных блоках котла).

)        Добавление дополнительного ряда сопел подачи воздуха в топочное пространство циклонов (поддержание равномерного горения, снижение сопротивления топки).

)        Компенсация потерь давления по газоходам системы.

2.2 Обоснование выбора форсунок

В базовом агрегате установлены гидравлические центробежные форсунки с винтовым завихрителем, существенным недостатком которых является грубая дисперсность распыла. Дисперсность распыла влияет на время физико-химических процессов, протекающих в каплях серы (прогрев, испарение, горение). Грубая дисперсность требует большого времени на все стадии процесса горения. Чтобы увеличить дисперсность распыла, необходимо применить другой тип форсунок, например, пневматические, или изменить конструкцию имеющихся. На основании проведенного аналитического обзора для осуществления поставленных целей модернизации выбраны: центробежные форсунки (рис. 2 и 4). Именно эти конструкции соответствуют предъявляемым требованиям.

Внедрение центробежных форсунок новой конструкции приведет к:

1)      Интенсификации горения за счет уменьшения диаметра капель, что позволит при прежних размерах агрегата увеличить время пребывания высокотемпературных газов в топке.

2)      Полному выгоранию серы в пределах топки и постоянству температур газов на входе в испарители котла.

Внедрение пневматических форсунок в конечном итоге приведет к тем же результатам, но в большей степени. Однако неизбежно повышение энергозатраты на распыление, что скажется на увеличении себестоимости. В основном это связано с необходимостью сжатия воздуха.

.3 Обоснование подогрева воздуха перед подачей его в топку

Как было сказано выше, подогрев воздуха повлияет на увеличение паропроизводительности агрегата. В системе утилизируется тепло с получением энергетического пара высоких параметров t=440°С и Р=4,0 МПа. Стоимость 1 Гкал пара составляет в среднем для ОАО "Аммофос" 161,21 руб. Чем выше параметры пара, тем больше его теплосодержание в Гкал. Подогрев воздуха можно осуществлять в паровых калориферах паром с t=158°С и Р=0,6 МПа. Соответственно теплосодержание данного пара меньше, чем перегретого до t=440°С. Поэтому затраты на подогрев воздуха должны быть меньше, чем стоимость получаемого пара. Данное утверждение будет проверено впоследствии расчетом.

.4 Обоснование выбора материала для футеровки аппарата

Для циклонных топок характерны высокие температуры, агрессивность образующихся газов, неравномерность температур, высокие скорости потоков и малое время пребывания газа в топочном пространстве. Кирпичная футеровка чувствительна к неравномерности температур. Выбор кирпичей ограничен, и достаточно сложно выполнять футеровку ими в труднодоступных местах. Бетонная футеровка менее чувствительна к неравномерности температур, кроме того, локальный ремонт бетонной футеровки легче, чем кирпичной. По всем требованиям бетонная футеровка удовлетворяет применению в циклонных топках, так как она обеспечивает достаточную прочность, стойкость к высоким температурам и агрессивным средам. Из бетонных смесей для футеровки циклонных высокотемпературных топок наиболее рационально применение низкоцементной смеси АЛКОРИТ-85/06 с низким содержанием CaO, высокой температурой применения (см. табл. 3). Замена футеровки с кирпичной на бетонную сократит сроки ремонтов (дополнительная годовая выработка продукции), позволит увеличить межремонтные перерывы и срок службы агрегата, что приведет к увеличению эффективного фонда времени работы оборудования.

Один день простоя сернокислотного агрегата вызывает потери продукционной кислоты в размере 75,95×24=1822,8 т. Себестоимость одной тонны серной кислоты в среднем составляет 312,8 руб/т, таким образом, себестоимость произведенной за день продукции (дополнительной за год) составит 312,8×1822,8=570171,84 руб/сут.

Кроме того, возникает возможность повышения концентрации SO₂ в технологическом газе на входе в контактный аппарат до максимального значения (12 % об.) с одновременным увеличением температуры в топке (для более полного использования тепла горячих газов в испарителях). На практике процесс ведут при температурах, не превышающих 1300°С [5]. В топке базового агрегата согласно нормам технологического режима температура газа после переходной камеры не должна превышать 1170°С [17], поэтому имеется возможность увеличения температуры. Таким образом, выбор типа футеровки обусловлен ее характеристиками, сроком службы и параметрами технологического процесса.

Итак, предлагаемые решения по модернизации агрегата должны обеспечить следующие экономические результаты:

1)      уменьшение себестоимости продукции за счет увеличения паропроизводительности (пар - возвратный отход производства);

2)      снижение затрат на ремонт футеровки;

)        дополнительная годовая выработка продукции за счет увеличения эффективного фонда времени работы оборудования.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ГОТОВОГО ПРОДУКТА

Сырьем для производства серной кислоты по "короткой" схеме, реализованной на ОАО "Аммофос" является сера техническая комовая (газовая гранулированная), воздух, вода. Промежуточным продуктом является диоксид серы SO₂, конечный продукт - техническая серная кислота. Для получения пара используется питательная вода.

Сера. Сера, используемая в качестве сырья для производства серной кислоты контактным методом, по физико-химическим показателям должна соответствовать требованиям и нормам ГОСТ 127-93 к технической комовой [18].

Таблица 4

Требования к качеству серы

Наименование сырья	Государственный или отраслевой стандарт, технические условия	Показатели по стандарту, обязательные для проверки	Регламентируемые показатели
Сера техническая комовая сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990  Сера газовая гранулированная  сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990	ГОСТ 127.1-93	Массовая доля серы сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990	не менее, % 99,98 99,95 99,90
		Массовая доля золы  сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990	не более, % 0,02 0,03 0,05
		Массовая доля кислот в пересчете на серную кислоту  сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990	не более, %  0,0015 0,003 0,004
		Массовая доля органических веществ сорт 9998 сорт 9995 сорт 9990	не более, % 0,01 0,03 0,06
		Массовая доля мышьяка сорт 9998, сорт 9995, сорт 9990	не более, % 0,0000
		Массовая доля селена сорт 9998, сорт 9995, сорт 9990	не более, % 0,000
		Массовая доля воды (ГОСТ 127.1-93) сорт 9998, сорт 9995, сорт 9990	не более, % 0,2
		Массовая доля воды (ТУ 51-31323949-57-2000) сорт 9998, сорт 9995, сорт 9990	не более, % 0,5

Содержание серы, золы, кислотности и мышьяка даны по отношению к сухому веществу. Содержание влаги задано по отношению к весу сухой серы.

При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Твердая сера существует в двух кристаллических аллотропных формах - ромбической и моноклинной. Их свойства представлены в табл. 5.

Таблица 5

Свойства модификаций серы

Свойства	Ромбическая сера	Моноклинная сера
Молекулярная масса, кг/кмоль	32,064
Плотность, г/см3	2,07	1,95
Область устойчивости, °С	ниже 95,6	95,6-119,3
Температура плавления, °С	112,8	119,3

Сера отличается малой теплопроводностью, очень плохо проводит электрический ток, практически нерастворима в воде. Плавление серы сопровождается увеличением ее объема (примерно на 15 %). При 120°С расплавленная сера представляет собой желтую легкоподвижную жидкость, вязкость которой изменяется с повышением температуры. При температуре выше 160°С сера темнеет и при 190°С превращается в темно-коричневую вязкую массу. С дальнейшим повышением температуры вязкость массы уменьшается и около 300 °С расплав серы вновь становиться легкоподвижным. Температура кипения серы 444,6°С. Температура горения серы в воздухе 224-261 °С. Теплота парообразования при Т_кип и атмосферном давлении равна 287,4 кДж/кг. Температура воспламенения чистой серы в воздухе 248-261 °С [5, 6, 10, 19].

Воздух. Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [% об.]: N₂ - 79,0, О₂ - 21,0. На стадию сжигания серы подается осушенный воздух из сушильной башни. Содержание влаги не более 0,01 % об [10].

Вода питательная. Питательная вода, поступающая в систему для генерации пара энергетических параметров должна удовлетворять требованиям РД 24.032.01-91.

Кислота серная техническая. Продукция должна удовлетворять требованиям ГОСТ 2184-77 "Кислота серная техническая" [17].

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Процесс горения - сложный комплекс химических и физических явлений. В топочном устройстве приходится иметь дело со сложными полями скоростей, концентраций и температур, которые трудно поддаются точному математическому описанию.

Горение распыленной серы во многом зависит от условий взаимодействия и сгорания отдельных капель. Эффективность процесса горения определяется временем полного сгорания каждой отдельной частички серы.

Даже этот простейший случай весьма сложен из-за многообразия физико-химических процессов, происходящих при сжигании топлива. Горению серы, которое происходит только в газовой фазе, предшествует испарение серы, смешение ее паров с воздухом и прогрев смеси до температур, обеспечивающих необходимую скорость реакций. Поскольку интенсивное испарение с поверхности капли начинается лишь при определенной температуре, каждая капля жидкой серы должна быть нагрета до этой температуры. Очевидно, чем выше эта температура, тем больше времени (при прочих равных условиях) потребуется для прогрева капли. Когда над поверхностью капли образуется горючая смесь паров серы и воздуха предельной концентрации и температуры, происходит воспламенение [6].

Процесс горения капли серы зависит от условий обжига (температура и относительная скорость газового потока) и физико-химических свойств жидкой серы (наличие в сере твердых зольных примесей, битумов и др.) и состоит из отдельных последовательных стадий: 1) смешение капель жидкой серы с воздухом; 2) прогрев этих капель и испарение; 3) термическое расщепление паров серы; 4) образование газовой фазы и воспламенение ее; 5) горение газовой фазы.

Перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают почти одновременно и параллельно. В результате прогрева капля жидкой серы начинает испаряться; пары серы диффундируют к зоне горения, где при высокой температуре начинают активно реагировать с кислородом воздуха. Происходит процесс диффузионного горения серы с образованием диоксида серы. При высоких температурах скорость химической реакции окисления серы больше скорости физических процессов. Поэтому общая скорость процесса горения определяется процессами массо- и теплоотдачи (протекает в диффузионном режиме).

Молекулярная диффузия определяет спокойный, сравнительно медленный процесс горения, турбулентная - значительно ускоряет его. С уменьшением размера капель сокращается время их испарения. Мелкое распыление частиц серы и равномерное их распределение в воздушном потоке увеличивает поверхность контакта, облегчает нагрев и испарение частиц.

Согласно [20], при горении каждой единичной капли в составе факела следует различать три периода: инкубационный, интенсивного горения и период догорания. При горении капли с ее поверхности, как было показано экспериментально, происходят выбросы пламени, напоминающие собой солнечные - протуберанцы. В отличие от обычного диффузионного обнаруженный вид горения с выбросами языков пламени с поверхности горящей капли получил название взрывного горения.

Горение капли серы в диффузионном режиме осуществляется путем испарения молекул серы с поверхности капли. Скорость испарения зависит от физических свойств жидкости и температуры окружающей среды (определяется характеристикой скорости испарения). В чисто диффузионном режиме сера горит в первом и третьем периодах. Взрывное же горение капли наблюдается только во втором периоде, когда идет интенсивное горение.

Продолжительность периода интенсивного горения капли серы пропорциональна кубу начального диаметра капли. Это вызвано тем, что взрывное горение является следствием процессов, протекающих в объеме капли.

Характеристика скорости горения К вычисляется по формуле [20]:

,                                                     (1)

где К - характеристика скорости горения капли, мм²/с; d_Н - начальный диаметр капли, мм; t - время полного сгорания капли, с.

Характеристика скорости горения капли К равна сумме характеристик диффузионного и взрывного горения и определяется по следующим выражениям [20, 21, 22]:

,                                                  (2)

,                             (3)

,                                          (4)

,                             (5)

где К_ВЗ, К_ДИФ - константы взрывного и диффузионного горения соответственно, мм²/с; К - константа скорости горения при температуре Т₁=1073 К (800 °С), мм²/с; Р - давление, МПа; К_Т2 - константа скорости горения при температуре отличной от Т₁, мм²/с; Е_А - энергия активации, равная 7850 Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль×К; Т₁, Т₂ - температуры, К.

Таким образом, основными условиями эффективного горения жидкой серы являются: подвод всего необходимого количества воздуха к устью факела, мелкое и равномерное распыливание жидкой серы, турбулентность потока, высокая температура.

В результате исследований [6] была определена зависимость интенсивности испарения жидкой серы от скорости газа и температуры, при которой происходит испарение. Сравнение значений интенсивности испарения жидкой серы и скорости горения говорит о том, что интенсивность горения не может превысить интенсивность испарения при температуре кипения серы. Это подтверждает правильность механизма горения, по которому сера сгорает только в парообразном состоянии.

Константа скорости окисления паров серы (реакция окисления протекает по уравнению второго порядка):

,                                       (6)

где С_S - объемная концентрация паров серы (ко времени t от начала опыта); С_О2 - объемная концентрация кислорода (ко времени t от начала опыта); К - константа скорости реакции.

Сжигание происходит с выделением большого количества тепла по реакции:

,5S_2(газ)+O_2(газ)=SO_2(газ) , DН = - 362,43 кДж/моль.                          (7)

Интенсивность процесса горения определяется скоростью горения факела распыленной серы в топке. Установлено, что капли серы диаметром менее 100 мкм сгорают в диффузионном режиме, а более 100 мкм - во взрывном. На участке 100-160 мкм время горения капель не увеличивается [21]. На рис. 4 представлена зависимость времени горения капель серы от начального диаметра.

Рис. 6. Зависимость времени горения t (с) капель серы от начального диаметра d₀ (мм).

Для интенсификации процесса горения целесообразно распыливать серу на капли диаметром 130-200 мкм или получать диаметром менее 90 мкм, что требует затрат дополнительной энергии [21]. Получить такую дисперсность с помощью установленных в базовом агрегате центробежных форсунок невозможно, поэтому необходима замена форсунок.

Таким образом, установлены следующие особенности горения серы:

) эффективность процесса горения серы определяется временем полного сгорания каждой ее капли [6];

) процесс горения капли состоит из отдельных последовательных стадий: смешение капель жидкой серы с воздухом; прогрев этих капель и испарение; термическое расщепление паров серы; образование газовой фазы и воспламенение ее; горение газовой фазы. Причем перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают почти одновременно и параллельно [6];

) время прогрева капли t_прог определяет длительность подготовки ее к горению и зависит от температуры и начального диаметра капель [5];

) время испарения t_исп существенно зависит от температуры. Для мелких капель оно значительно меньше времени их пребывания в топочной камере [5];

) при высоких температурах скорость химической реакции окисления серы больше скорости физических процессов [6];

) капли диаметром менее 0,1 мм сгорают в диффузионном режиме, а более 0,1 мм - во взрывном [21].

Таким образом, общая скорость процесса горения определяется процессами массо- и теплоотдачи [6].

5. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В настоящее время серную кислоту получают двумя способами: контактным и нитрозным. В качестве сырья для производства серной кислоты используют различные серосодержащие вещества, основными из которых являются сера и серный колчедан. В качестве базового варианта для проектирования в данной работе выбрана технологическая схема № 2 производства серной кислоты из серы, реализованная на ОАО "Аммофос".

Данная схема имеет следующие преимущества по сравнению с другими:

–       большая производительность (620 тыс. т/год) по сравнению со схемами, работающими на колчедане (до 320 тыс. т/год);

–       отсутствие отделения очистки печного газа от пыли;

–       отсутствие твердых отходов;

–       возможность получения печного газа с большим содержанием SO₂, по сравнению с обжиговым газом полученным из колчедана.

К недостаткам выбранной схемы следует отнести: пониженную паропроизводительность агрегата, понижение концентрации SO₂ в газе, выходящем из котла. Проектируемая схема отличается от базовой узлом сжигания жидкой серы и схемой подвода воздуха к топке.

Преимущества проектируемой схемы связаны с решаемыми задачами модернизации, а именно: проектной паропроизводительностью (95 т/ч), предварительный подогрев воздуха перед топкой, получение технологического газа с максимальной концентрацией SO₂ 12 % об., возможной для данной схемы.

Технологическая схема печного отделения сернокислотного производства представлена на рис. 7.

Из расходного сборника 1 жидкая сера поступает в промежуточный сборник 2, откуда двумя погружными насосами 10, 11, один из которых резервный, подается в серные форсунки на распыление. Давление серы перед форсунками 0,3-0,7 МПа. Температура в сборниках поддерживается в пределах 135-140 °С за счет обогрева их паром.

Осушенный в сушильной башне воздух нагнетателем 12 подается в агрегат 5 на сжигание серы. В схеме предусмотрен блок калориферов 3, где осушенный воздух подогревается до температуры 140°С. Перед калориферами температура воздуха составляет 40-90 °С. Нагрев воздуха ведется насыщенным водяным паром с температурой 158°С и давлением 0,6 МПа. Избыточное давление воздуха перед топкой составляет 45-50 кПа.

Сжигание жидкой серы в количестве 5-18 м³/ч производится в агрегате РКС-95/4,0 в 2-х циклонных топках 4, соединенных с котлом переходной камерой. На сжигание в РКС-95/4,0 поступает жидкая фильтрованная сера с температурой 135-145 ^оС. При сжигании серы в серных топках образуется газ с содержанием диоксида серы (SО₂) 11,5-12,0 %.

Регулирование температуры газа на выходе из котла-утилизатора 5 производится дроссельной заслонкой на горячем байпасе, которая пропускает газ из камеры догорания циклонных топок, а также холодным байпасом, перепускающим часть воздуха мимо котло - печного агрегата в газоход после котла.

Энерготехнологический агрегат водотрубный с естественной циркуляцией, типа РКС-95/4,0, одноходовой по газу предназначен для охлаждения сернистых газов при сжигании жидкой серы и выработки перегретого пара с температурой 430-450 °С при давлении 3,7-3,9 МПа.

Котел-утилизатор состоит из следующих основных узлов: барабана с внутрибарабанным устройством, испарительного устройства с конвективным пучком, трубчатого охлаждаемого каркаса, топки, состоящей из двух циклонов и переходной камеры, портала, каркаса под барабан. Температура газа после топок перед котлом повышается в новых условиях до 1250^оС. Охлаждение высокотемпературных газов происходит в испарительной части котла, в результате чего температура газа снижается до 390-420 ^оС. Охлажденный сернистый ангидрид направляется на последующую стадию производства серной кислоты - окисление в контактном аппарате.

Топка предназначена для сжигания до 25 т/ч жидкой серы. Топка состоит из 2-х циклонов, расположенных относительно друг друга под углом 110^о и переходной камеры. Каждый циклон представляет собой конструкцию из 2-х соосно расположенных цилиндрических корпусов. Внутренний корпус диаметром 2600 мм свободно опирается на опоры, приваренные к внешнему корпусу диаметром 3000 мм и имеет возможность свободного температурного перемещения. Наружный корпус опирается на катковые пружинные опоры. В кольцевое пространство, образованное внутренним и внешним корпусом, вводится воздух, который затем через сопла поступает в камеру сгорания. Сера подается в топку при помощи 8 серных центробежных форсунок с винтовым завихрителем (по 4 на каждом циклоне). Сжигание серы происходит в закрученном газовоздушном потоке. Завихрение потока достигается тангенциальным вводом воздуха в топочный циклон через воздушные сопла, расположенные на циклоне в 2 ряда. Количество воздуха регулируется заслонками с электроприводом на каждом воздушном сопле 1 ряда. Сопла второго ряда выполнены без заслонок.

Для растопки котла топочные циклоны оборудованы газомазутными горелками 6, 7 (по 1 на каждом циклоне). Переходная газовая камера предназначена для направления газового потока из горизонтальных циклонов в вертикальный газоход испарительного устройства.

6. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

Основным аппаратом печного отделения является энерготехнологический котел РКС 95/4,0-440, составной частью которого служит циклонная топка. Узел подачи жидкой серы состоит из форсунок и подводящих трубопроводов. Для расчета основного и вспомогательного оборудования необходимо составление материальных и тепловых балансов.

Цель расчета: определить количество воздуха, требующегося для сжигания серы, определить количество и состав печного газа на выходе из циклонной топки.

Материальный баланс составлен сначала на 1 т очищенной серы. Расчет материального баланса произведен по уравнению реакции:

S_(ж) + O_2(г) = SO_2(г) , DН<0                                            (8)

Образованием SO₃ и NO_x пренебрегаем.

Условие материального баланса: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).

,                                                         (9)

где  - сумма масс всех реагентов на входе в систему;  - сумма масс всех продуктов на выходе из системы; n, m - число исходных реагентов и продуктов реакции соответственно.

Схема потоков представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема потоков топки котла

Молярные массы исходных веществ и продуктов реакции рассчитаны с точностью до целых. Количество элементарной серы, поступающей в топку G_S=1000 кг.

Масса и объем образующегося диоксида серы определены по формулам:

,                                  (10)

,                                    (11)

где  и  - молярные массы SO₂ и серы, равные 64 и 32 соответственно, кг/кмоль;  - мольный объем газа при нормальных условиях.

.

.

Объем печного газа при концентрации SO₂ 12 % об.:

,                                             (12)

где j - концентрации SO₂ в печном газе, % об.

.

Содержание кислорода в печном газе определено по уравнению [19]:

.                                                   (13)

Количество кислорода в печном газе:

,                                           (14)

,                                      (15)

где - концентрация кислорода в печном газе, % об.;  - молярная масса кислорода.

.

Содержание азота в печном газе:

,                                      (16)

,                                       (17)

где  - молярная масса азота.

.

.

Количество сухого воздуха, необходимое для сжигания серы:

,                                         (18)

где  - содержание азота в воздухе.

.

Количество кислорода, поступающего с воздухом в топку:

,                                              (19)

,                                     (20)

.

.

Объем кислорода, требующийся по стехиометрии реакции для сжигания серы, численно равен объему образующегося диоксида серы, т. е. 700 м³, тогда объем воздуха равен 700/0,21=3333,33 м³.

Коэффициент избытка воздуха определен по формуле:

,                                                  (21)

, - практический и теоретические расходы воздуха, м³.

.

Часовая производительность производства по серной кислоте 75,95 т/ч. Производительность по очищенной сере котло-печного агрегата согласно нормам технологического режима [17] равна 24870 кг/ч. Пересчет материального баланса циклонной топки на часовую производительность представлен в табл. 6.

Таблица 6

Материальный баланс циклонной топки на часовую производительность 24,870 т/ч по сжигаемой сере

	Вещество	Масса, кг	n, кмоль	Объем, м3	% об.
ПРИХОД	сера	24870	777,19	-	-
	Воздух, в том числе:
	кислород	43522,50	1360,08	30465,75	21,0
	азот	143261,56	5116,48	114609,25	79,0
	Всего:	186784,06	6476,56	145075,00	100
	ИТОГО:	211654,06	7253,75	145075,00	-
РАСХОД	Печной газ, в том числе:
	диоксид серы	49740,00	777,19	17409,00	12,0
	кислород	18652,50	582,89	13056,75	9,0
	азот	143261,56	5116,48	114609,25	79,0
	ИТОГО:	211654,06	6476,56	145075,00	100,0
Дебаланс		0	777,19	0	-

Предлагаемая модернизация не влияет на материальные потоки, т. е. не изменяет материальный баланс стадии сжигания серы. При расчете материального баланса определено количество осушенного воздуха, необходимого для сжигания серы и получения технологического газа с концентрацией SO₂ 12,0 % об. Расход воздуха равен 145075м³ (н. у.). Воздух на стадию сжигания серы подается в избытке для обеспечения требуемой концентрации SO₂. Коэффициент избытка воздуха равен 1,75.

Расход технологического газа численно равен расходу воздуха 145075м³ (н. у.). Состав технологического газа на выходе из топки (на входе в 1 ступень контактного аппарата), % об.: SO₂ - 12, SO₃ - 0, O₂ - 9, N₂ - 79. Концентрация SO₂ 12,0 % об. является максимально допустимой для подачи в контактный аппарат. Объем жидкой серы, поступающей на сжигание в топку:

,                                                 (22)

m - масса жидкой серы, кг; r_S - плотность жидкой серы при температуре 140 °С, равная 1787,6 кг/м³.

.

Необходимые значения технологических параметров подтверждаются расчетом.

7. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНС

.1 Тепловой баланс циклонной топки до модернизации

Цель расчета: определение потоков тепла, вносимых в зону реакции и выносимых из реактора, определение температуры печного газа на выходе из циклонной топки, т. е. на входе в испарительные блоки котла.

Расчет теплового баланса агрегата до и после модернизации выполнен в среде MathCad. Ниже представлено описание методики расчета теплового баланса до модернизации с подстановкой в формулы реальных значений величин. В прил. 1 представлены основные программные модули, составляющие модель расчета теплового баланса в среде MathCad.

Условие теплового баланса:

,                                    (23)

где  - суммарный приход тепла в систему, кДж; - суммарный расход тепла из системы, кДж.

В развернутом виде условие теплового баланса для рассматриваемого случая выражается формулой:

,                            (24)

где Q₁ - физическое тепло, вносимое в систему с расплавленной серой, кДж; Q₂ - физическое тепло осушенного воздуха, кДж; Q₃ - тепло экзотермической реакции горения серы в паровой фазе, кДж; Q₄ - тепло, необходимое для прогрева капель жидкой серы до температуры кипения, кДж; Q₅ - тепло, необходимое для испарения жидкой серы, кДж; Q₆ - физическое тепло, отводимое с технологическим газом, кДж; Q₇ - потери тепла в окружающую среду, кДж.

Горение серы происходит по реакции:

,5S_2(г)+O_2(г)=SO_2(г) , DН = -362,43 кДж/моль.               (7)

Расчет прихода тепла. Физическое тепло, вносимое в систему с расплавленной серой, определено по формуле:

,                                               (25)

где m=24870 кг - масса расплавленной серы; c=1,036 - средняя теплоемкость жидкой серы при температуре t, кДж/(кг×К) [10, с. 42]; t=140°С - температура расплавленной серы.

.

Тепло, поступающее с воздухом, нагретым до 40°С, найдено по формуле (25), где m=186784,06 кг - масса осушенного воздуха; c - средняя теплоемкость воздуха при 40°С, равная 1,000 кДж/(кг×К) [19, с. 473]; t - температура воздуха, равная 40°С.

.

Тепло экзотермической реакции горения серы в паровой фазе (7), определено по закону Гесса:

,                                     (26)

где  - стандартная энтальпия образования SO₂, [23];  - стандартная энтальпия образования S₂, кДж/моль [23].

.

Тепловой эффект реакции при температуре 1170 °С (1443 К) рассчитан по уравнению Кирхгофа:

,                                        (27)

где  - тепловой эффект реакции при температуре Т, кДж;  - изменение истинных изобарных мольных теплоемкостей веществ, участвующих в реакции, определяемое по формуле:

,                             (28)

где , , , ' определяются по формулам:

,                                   (29)

,                                  (30)

,                                   (31)

,                                  (32)

где n_j, n_i - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции при конечных и исходных веществах соответственно.

Значения коэффициентов a,b,c,c' для исходных и конечных веществ [23] приведены в табл. 7.

Таблица 7

Коэффициенты в уравнении регрессии

Вещества	a	b	c'
S2	36,11	1,09×10-3	-3,51×105
O2	31,46	3,39×10-3	-3,77×105
SO2	46,19	7,87×10-3	-7,70×105

Тогда

,

,

,

,

,

Тогда тепло экзотермической реакции горения:

,                                              (33)

где n - количество вещества серы, поступающее на горение, моль.

.

Общий приход тепла составляет

.                                          (34)

.

Расчет расхода тепла.

Тепло, необходимое для прогрева капель жидкой серы до температуры кипения, определено по формуле:

,                                  (35)

где m=24870 кг - масса расплавленной серы; c - средняя теплоемкость жидкой серы в интервале температур t₁ - t_кип, кДж/(кг×К) [10, с. 42]; t_кип=444,6°С - температура кипения серы; t₁=140°С - температура жидкой серы, поступающей на сжигание в топку.

Средняя температура .

Теплоемкость жидкой серы при  равна 1,099 кДж/кг×К [10, с. 42].

.

Тепло, необходимое для испарения жидкой серы, определено по формуле:

,                                           (36)

где m=24870 кг - масса расплавленной серы, переходящей в паровую фазу;

 - удельная теплота испарения жидкой серы [5, с. 92].

.

Приняты потери тепла в окружающую среду равными 5 % от прихода тепла, тогда эта статья расхода составит:

.                                       (37)

.

Физическое тепло печного газа определено как разность:

.                                  (38)

Температуру газа на выходе из топки определяем методом последовательных приближений следующим образом. Принимаем температуру печного газа равной 1170°С. Далее рассчитываем среднюю теплоемкость печного газа при данной температуре и определяем точное ее значение t_ВЫХ. Если  расчет заканчиваем и оставляем температуру печного газа равной t_ВЫХ . Если Dt³1°С, то расчет повторяем. В MathCad этот метод реализуется с помощью встроенной функции root.

 .                                             (39)

Теплоемкости компонентов газовой смеси определены по эмпирическим формулам, кДж/(кмоль×К):

,                             (40)

,                                               (41)

.                                 (42)

Найденные значения с, кДж/(кмоль×К) (кДж/(м³×К)) указаны ниже:

SO₂                                                          50,88 (2,272)

О₂                                                            33,37 (1,490)

N₂                                                            31,45 (1,404)

Теплоемкость смеси газов рассчитана по правилу аддитивности:

,                                           (43)

где с_i - теплоемкости компонентов газовой смеси, кДж/(м³×К); N_i - мольная доля компонента в смеси, % об.

.

Тогда

, Dt>>1°С, следовательно, расчет необходимо повторить, принимая t_ВЫХ=1180°С. В результате последовательных приближений получено t=1175°С. При этом .

Тогда

.

Значения величин потоков тепла сведены в табл. 8.

Таблица 8

Тепловой баланс циклонной топки до модернизации на часовую производительность 24,870 т/ч по сере

ПРИХОД				РАСХОД
Потоки тепла	МДж	кВт	%	Потоки тепла	МДж	кВт	%
Q1	3607,14	1001,98	1,24	Q4	8325,37	2312,60	2,87
Q2	7514,01	2087,23	2,59	Q5	7147,64	1985,46	2,47
Q3	278629,63	77397,12	96,16	Q6	259790,24	72163,96	89,66
-	-	-	-	Q7	14487,54	4024,32	5,00
ИТОГО:	289750,79	80486,33	100	ИТОГО:	289750,79	80486,33	100

Из табл. 8 видно, что основную долю в приходе тепла в топку составляет поток 3, т. е. тепло, выделяющееся при горении паров серы (96,16 %). Основную долю в расходе тепла составляет поток 6, т. е. физическое тепло уходящего технологического газа (89,66 %). Для контактного окисления температура газа должна быть не выше 420°С, поэтому для охлаждения газового потока до требуемой температуры его направляют в испарительные блоки котла, где происходит утилизация избыточного тепла и одновременное образование энергетического пара. Предварительный подогрев воздуха изменит соотношение потоков тепла в приходе и расходе, поэтому необходимо рассчитать тепловой баланс на новые условия.

.2 Тепловой баланс модернизированного агрегата

Так как одним из направлений предлагаемой модернизации является восстановление проектной паропроизводительности агрегата с 90 т/ч до 95 т/ч за счет предварительного подогрева воздуха, то возникает необходимость определения температуры, до которой нужно нагревать воздух.

Последовательность определения следующая: 1) расчет температуры технологического газа на входе в испарители котла; 2) расчет теплового баланса для определения температуры воздуха, подаваемого в топку.

.2.1 Расчет температуры технологического газа на входе в испарители котла

Уравнение теплового баланса испарителей котла имеет вид:

,                  (44)

где V_П.Г.=145075 - объемный расход печных газов согласно материальному балансу, нм³/ч; с_П.Г.=1,485 - теплоемкость печных газов при средней температуре 0,5×(t_Н+t_К)=835°С, кДж/м³×К; t_Н, t_К - начальная и конечная температуры печных газов соответственно, °С; h=0,98 - коэффициент, учитывающий потери тепла в испарителях; G_П=95000, G_В=95000 - новая производительность по пару и питательной воде соответственно, кг/ч; r=1715 - удельная теплота парообразования, кДж/кг [24]; с_В=4,76- теплоемкость питательной воды при средней температуре, кДж/кг×К [24]; t_Н.П., t₀ - температуры насыщенного пара и питательной воды соответственно, °С. В расчетах принято, что в испарителях получается насыщенный пар с давлением Р=4,0 МПа и температурой t_Н.П. =249,2°С. Согласно нормам технологического режима [17]: средняя температура питательной воды t₀=230°С, температура газов на входе в 1-й слой контактного аппарата t_К=420°С. Теплоемкость печных газов найдена по формулам (40)-(43).

Решение уравнения (44) относительно t_Н в символьном виде:

.                                   (45)

.

Дальнейший расчет произведен с учетом, что t_Н=1250°С.

.2.2 Расчет теплового баланса агрегата после модернизации

Цель расчета: определение потоков тепла, вносимых в зону реакции и выносимых из реактора, определение температуры воздуха на входе в циклонную топку. Расчет выполнен по методике, аналогичной методике расчета теплового баланса базового агрегата. Однако вместо температуры печных газов методом последовательных приближений определяется температура воздуха на входе в топку. Модель и программные блоки представлены в прил. 1. В результате моделирования получен график зависимости температуры печного газа от температуры воздуха, подаваемого в топку (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость температуры печного газа tpg3(tV) от температуры воздуха tV, подаваемого в топку (°С).

По рис. 9 видно, что температуре печных газов 1250°С соответствует температура воздуха 140°С. Тепловой баланс циклонной топки после модернизации представлен в табл. 9.

Таблица 9

Тепловой баланс циклонной топки после модернизации

ПРИХОД				РАСХОД
Потоки тепла	МДж	кВт	%	Потоки тепла	МДж	кВт	%
Q1	3607,14	1001,98	1,17	Q4	8325,37	2312,60	2,70
Q2	26818,12	7449,48	8,69	Q5	7147,64	1985,46	2,32
Q3	278179,94	77272,20	90,14	Q6	277701,94	77139,43	89,99
-	-	-	-	Q7	15430,26	4286,18	5,00
ИТОГО:	308605,20	85723,67	100	ИТОГО:	308605,20	85723,67	100

Сравнение тепловых балансов до и после модернизации (табл. 8 и 9), показывает, что доля потока Q₂ (физическое тепло подогретого воздуха) в общем приходе тепла выросла с 2,59 % до 8,69 %, абсолютное увеличение Q₂ составило DQ₂=7449,48-2087,23=5362,25 кВт, а доля потока Q₆ (физическое тепло печного газа) в расходе тепла увеличилась с 89,66 % до 89,99 %. На 7,06 % увеличилось значение Q₆, за счет дополнительного тепла увеличится выработка энергетического пара.

8. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

К основному технологическому оборудованию узла сжигания жидкой серы относится топка и форсунки, а также испарительные блоки котла. Для расчета основных размеров топки в новых условиях необходимо знать диаметр капель серы, поэтому расчет основного технологического оборудования целесообразно начать с расчета форсунок. В проекте рассчитаны форсунка базового агрегата и 2 варианта проектируемых форсунок. На основе сравнения основных характеристик выбран наиболее оптимальный вариант.

.1 Расчет центробежной форсунки базового агрегата

В базовом агрегате установлена центробежная форсунка с винтовым завихрителем (шнековая). Исходные данные для расчета: производительность по жидкой сере G=2-3 т/ч, давление жидкой серы перед форсункой Р=0,3-0,7 МПа, кинематическая вязкость жидкой серы n=4,34×10^-6 м²/с, радиус сопла R₃=4,5 мм, длина сопла 3 мм, число тангенциальных каналов n=1, радиус камеры завихрения R₁=18 мм. Параметр q=40° Угол наклона тангенциальных каналов к оси форсунки d=76°. Размеры тангенциального канала а´b=6´7 мм.

Расчет выполнен в 2 этапа по методике, предложенной Пажи Д.Г. и Галустовым В.С. [7], и заключается в определении корневого угла факела и КПД форсунки. Первый этап. Расстояние от оси форсунки до оси тангенциальных каналов найдено по формуле:

R_ВХ=R₁-(d_вх/2),                                          (46)

где d_ВХ - диаметр входного тангенциального канала, а для шнековой форсунки - эквивалентный диаметр прямоугольного тангенциального канала:

,                                       (47)

где а, b - размеры тангенциального канала, мм.

.

.

Вспомогательный параметр к₁ определен по формуле:

,                                             (48)

.

Площадь сечения прямоугольных тангенциальных каналов выражается формулой:

.                                             (49)

.

Главный параметр относительно камеры закручивания:

,                                        (50)

где =0,7 - приближенное значение коэффициента расхода тангенциальных каналов [7].

.

Число Рейнольдса:

.                                            (51)

По величине lg(Re)=lg(1619802)=6,21 из графика на рис. 14 б [7] найден коэффициент трения жидкости о стенки камеры закручивания x=0,005. Относительный радиус b₁=0,7t=0,7×0,26=0,182. Главный параметр относительно камеры закручивания с учетом трения жидкости о ее стенки:

.                          (52)

.

Главный параметр относительно сопла . Из табл. 1 [7, с. 27] по найденному значению Z_* для q=40° и t=0,26 найден b₃=0,73. Из графика на рис. 9 б [7, с. 23] a=0,96. Относительный радиус b₁=atb₃=0,96×0,26×0,73=0,182. Из графика на рис. 14 а [7, с. 40] e=0,93. Главный параметр форсунки относительно камеры закручивания с учетом вязкости жидкости:

.                                                  (53)

.

Коэффициент расхода форсунки относительно камеры закручивания:

.                                    (54)

.

Второй этап. Объемный расход серы определен по формуле:

,                                              (55)

где Пр_S=3000 кг/ч - производительность по сере; r - плотность жидкой серы, кг/м³.

.

,                                     (56)

где c - периметр поперечного сечения тангенциальных каналов, равный 26×10^-3 м; n=1 - число тангенциальных каналов; n - кинематическая вязкость серы.

, lg(Re_П)=lg(11473)=4,06.

На графике (рис. 13 а [7, с. 39]) найден коэффициент расхода тангенциальных каналов m^*_ВХ=0,72. Расчетный коэффициент расхода тангенциальных каналов рассчитан из выражения:

,                               (57)

.

Главный параметр форсунки относительно камеры закручивания определен по формуле (50):

.

Число Рейнольдса для камеры закручивания:

,                                (58)

, lg(Re)=lg(1983043)=6,30, по графику (рис. 14 б [7, с. 40]) найдено lg1000x=0,7, тогда x=0,005. Главный параметр относительно камеры закручивания с учетом трения жидкости о ее стенки (52):

.

Главный параметр относительно сопла . Из табл. 1 [7, с. 27] по найденному значению Z_* для q=40° и t=0,26 получим b₃=0,74. Из графика на рис. 9 б [7, с. 23] получаем a=0,97. Относительный радиус b₁=atb₃=0,97×0,26×0,74=0,187. Из графика на рис. 14 а [7, с. 40] находим e=0,93. Главный параметр форсунки относительно камеры закручивания с учетом вязкости жидкости (53):

.

Коэффициент расхода форсунки относительно камеры закручивания (54):

.

или по отношению к соплу:

.                                                 (59)

.

Корневой угол факела определен следующим образом: а) главный параметр форсунки относительно сопла с учетом вязкости жидкости ; б) относительная длина сопла l_с=l_с/R₃=3/4,5= =0,67; в) корневой угол факела определен по формуле:

,                              (60)

где

.

.

.

То есть при давлении Р=0,3 МПа корневой угол факела равен 67°. Расчет при Р=0,7 МПа дает угол 71°. Отсюда видно, что изменение давления серы перед форсункой незначительно влияет на корневой угол факела.

Коэффициент скорости жидкости в форсунке:

,                                        (61)

.

Относительная осевая скорость жидкости на входе в сопло форсунки:

,                                          (62)

.

Средний поверхностный диаметр капель серы в циклонных топках согласно [5, 25] составляет 0,1 мм. Гидравлический КПД форсунки определяется по формуле:

.                                              (63)

.

КПД потерь энергии в форсунке:

.                                                (64)

.

.2 Расчет проектируемых форсунок

Для расчета выбраны форсунки, которые представлены на рис. 2 (1 вариант) и рис. 4 (2 вариант), как наиболее отвечающие поставленным требованиям.

Цель расчета: определение основных характеристик проектируемых форсунок и размеров их дозирующих элементов, выбор оптимального варианта. Так как базовая форсунка имеет распыл с диаметром капель 100 мкм, то для интенсификации процесса горения целесообразно уменьшить диаметр капель. Для этого необходимо выполнить расчет форсунок на заданный спектр распыливания по методике [26], что возможно осуществить по формуле Розина-Раммлера [26]:

,                                       (65)

где R - массовая доля капель в струе, диаметр которых больше di, %; di - текущий диаметр капель; dk - постоянный диаметр капель при R=36,79 %; n - постоянное число, согласно [26] n=2-4.

Из формулы (65) находим dk:

.                                              (66)

Расчет выполнен на следующие условия: в спектре распыливания форсунки должно быть не более 10 % капель по весу размером более 100 мкм, откуда для n=2 dk=66 мкм, n=3 dk=76 мкм, n=4 dk=81 мкм. Наибольший dk соответствует n=4. Таким образом, в дальнейших расчетах принимаем dk=81 мкм.

Исходные данные для расчета основных характеристик и размеров дозирующих элементов: производительность по жидкой сере G=3000 кг/ч; давление жидкой серы перед форсункой Р_СР=0,45 МПа; плотность жидкой серы при температуре 140°С r=1788 кг/м³; кинематическая вязкость жидкой серы n=4,34×10^-6 м²/с; параметр q=30°; корневой угол факела 80°.

Объемный расход серы .

Расчет центробежной форсунки проводим в 2 этапа по методике, предложенной в [7]. 1 этап расчета. Для величины корневого угла 80° по рис. 20 [7, с. 53] находим m_с=0,25. Площадь поперечного сечения сопла:

,                                             (67)

.

Тогда радиус сопла будет равен

,                                                 (68)

.

Принимаем по конструктивным соображениям число тангенциальных каналов n=1, t=0,5, длина сопла lc=R₃=5 мм, длина камеры закручивания lk=2×R₃=2×5=10 мм, угол наклона тангенциальных каналов к оси форсунки d=80°. Тогда радиус камеры закручивания

.                                                (69)

.

Приближенное значение коэффициента расхода тангенциальных каналов =0,7. По m_с=0,25 и t=0,5 при q=30° из графика на рис. 9 (д) [7, с.25] определяем приблизительное значение главного параметра форсунки А_*Z=1,3.

Диаметр тангенциального канала определяем по формуле:

.                      (70)

.

Расстояние от оси форсунки до оси тангенциальных каналов (46):

.

Тогда вспомогательный параметр к₁ (48):

.

этап расчета. Принимаем размер тангенциальных каналов а=0,009 м. Из формулы (47) находим другой размер b=0,013 м.

Критерий Рейнольдса для прямоугольных тангенциальных каналов (56):

, lg(Re_П)=lg(6866)=3,84.

На графике (рис. 13 а [7, с. 39]) находим коэффициент расхода тангенциальных каналов m^*_ВХ=0,72. Площадь сечения входных каналов по формуле (49):

.

Расчетный коэффициент расхода тангенциальных каналов находим из выражения (57):

.

Главный параметр форсунки относительно камеры закручивания определяем по формуле (50):

.

Относительный радиус b₁=0,72t=0,72×0,5=0,36.

Число Рейнольдса камеры закручивания:

,                                (71)

,

lg(Re)=lg(17442)=4,24, по графику (рис. 14 б [7, с. 40]) находим lg1000x=1,5, тогда x=0,032. Относительная длина камеры закручивания:

,                                                (72)

.

Главный параметр камеры закручивания с учетом трения жидкости о ее стенки (52):

.

Главный параметр относительно сопла . Из табл. 1 [7, с. 27] по найденному значению Z_* для q=30° и t=0,5 получим b₃=0,49. Из графика на рис. 9 б [7, с. 23] получаем a=0,93. Относительный радиус b₁=atb₃=0,93×0,5×0,49=0,23. Из графика на рис. 14 а [7, с. 40] находим e=0,94. Главный параметр форсунки относительно камеры закручивания с учетом вязкости жидкости (53):

.

Коэффициент расхода форсунки относительно камеры закручивания (54):

 или по отношению к соплу (59):

.

Расход жидкости через форсунку:

.                                       (73)

.

Корневой угол факела определяем следующим образом по формуле (60):

а) главный параметр форсунки относительно сопла с учетом вязкости жидкости ;

б) относительная длина сопла l_с=l_с/R₃=5/5=1; ; в) корневой угол факела:

.

Расчет показал, что найденные размеры дозирующих элементов форсунки обеспечивают необходимый расход, а корневой угол факела совпадает с заданным, поэтому корректировка размеров не требуется.

Коэффициент скорости жидкости в форсунке (61):

.

Гидравлический КПД форсунки определяется по формуле (63):

.

КПД потерь энергии в форсунке (64):

.

Повторяем расчет для форсунки 2. Исходные данные те же, но количество тангенциальных каналов n=4, угол d=90°, тангенциальные каналы круглого сечения. Полученные характеристики форсунок и размеры дозирующих элементов сведены в табл. 10.

Таблица 10

Сравнительная характеристика форсунок

Характеристика	Базовая форсунка	1 вариант	2 вариант
Диаметр капель dk, мкм	100	80	80
Корневой угол факела 2j, °	70	80	80
Производительность G, т/ч	2-3	2-3	2-3
Гидравлический КПД hГ, %	0,89	5,6	3,4
КПД потерь энергии hП, %	99,1	94,4	96,6
Диаметр сопла DC, мм	9	10	10
Диаметр камеры закручивания Dк.з., мм	36	20	20
Угол наклона тангенциальных каналов d, °	76	80	90
Количество тангенциальных каналов n	1	1	4
Тип завихрителя	Винтовой		-
Длина камеры закручивания lk, мм	-	10	10
Угол входа жидкости в сопло q, °	40	30	30
Длина сопла lc, мм	3	5	5

Данные табл. 10 позволяют выбрать оптимальный вариант форсунки. Выбрана форсунка 1 варианта, так как при одинаковых диаметре капель, корневом угле, производительности и некоторых других характеристиках, форсунка 1 имеет больший гидравлический КПД и соответственно меньшие потери энергии, т. е. форсунка 1 варианта более экономична.

.3 Расчет основных размеров топки после модернизации

Объем циклонных топок для сжигания серы, как правило, определяют по величине теплового напряжения топочного пространства, но в данном методе не учитывается время физических процессов. Поэтому, чтобы установить полноту выгорания серы, необходимо производить дополнительные расчеты. В общем случае расчет объемов аппаратов непрерывного действия производится через время пребывания реакционной массы в аппарате [27]. Однако при нахождении времени пребывания газа в циклонной топке возникают трудности, обусловленные сложностью процесса горения.

Для расчета основных размеров топки была разработана математическая модель времени пребывания газа в циклонной топке [28, 29].

Модель представлена следующими выражениями:

,                                                         (74)

 или ,                                (75)

,                                                (76)

где В - вспомогательный коэффициент; d_Н - начальный диаметр капель серы, мм; a, b, c - коэффициенты, зависящие от температуры. Средние значения их, найденные в пакете Mathcad с помощью функции expfit, в интервале температур 1000-1300 °С равны 47,631, 171,521 и 56,729 соответственно.

Лимитирующей стадии процесса горения серы, протекающего в диффузионном режиме, принят прогрев капель [5, 6]. Следовательно, время пребывания газа в топке не может быть меньше t_прог (74). На основании предположения, что время прогрева в N раз превышает время сгорания единичных капель, получена формула (75). Для аппроксимации значений коэффициента N выбрана функция вида (76).

Время сгорания единичных капель t_сгор может быть рассчитано по известной зависимости [20]:

,                                              (77)

где К - константа скорости горения, мм²/с.

Модель реализована в среде MathCad. Программные модули представлены ниже.

Блок ввода исходных данных.

Расход серы GS=24870 кг/ч, концентрация диоксида серы в печном газе f=12 % об., температура процесса t=1250°С, давление процесса P=0,146 МПа, размеры сопел подачи воздуха a´b=0,14´0,9 м, количество сопел N=3, начальный диаметр капель dn=0,08 мм, постоянная C=35,7 [22], температура базовая T0=800°С, давление при нормальных условиях P0=0,101 МПа, универсальная газовая постоянная R=8,314 Дж/моль×К, энергия активации Ea=7850 Дж/моль, молярная масса серы MS=32 кг/кмоль.

Блок определения объемного расхода газов при реальных условиях.

Расчетный блок выполнен в виде функции пользователя Rashod(GS,f,t,P).

Определяющими параметрами являются расход серы GS, концентрация диоксида серы в печном газе f, температуры t и давления Р газов.

Блок расчета константы горения.

Расчетный блок выполнен в виде функции пользователя Ksum(P,T0,t).

Определяющими параметрами являются давление P и температура t процесса.

Блок расчета времени прогрева капель серы.

Расчетный блок выполнен в виде функции пользователя vremprog(dn,t,P).

Определяющими параметрами являются давление P и температура t процесса, а также диаметр капель серы dn.

Блок расчета основных размеров топки и степени выгорания серы.

Расчетный блок выполнен в виде функции пользователя

StepVyig(GS,f,t,P,a,b,N,dn,C,tpreb).

Определяющими параметрами являются расход серы GS, концентрация диоксида серы в печном газе f, температуры t и давления Р газов, размеры сопел a´b, количество сопел N, константа С, время пребывания газов в топке tpreb, диаметр капель серы dn. Время пребывания газов в топке tpreb определяется на основе выражения (74).

Тепловое напряжение топки в целом до модернизации рассчитываем по формуле:

,                                       (78)

где Q_ПРИХ - приход тепла в топку, кВт; V_ТОП - объем топки, м³.

.

После модернизации .

Результаты моделирования

Результаты моделирования топок базового и модернизированного агрегатов представлены в табл. 11.

Таблица 11

Результаты моделирования циклонной топки

Параметр сравнения	Базовый агрегат	Топка после модернизации
Диаметр капель серы, мм	0,10	0,08
Объемный расход газов при реальных условиях, м3/с	147,35	155,52
Время пребывания газов в топке, с	0,39	0,24
Объем топочного пространства, м3	62,22	37,28
Площадь сечения циклона, м2	3,78	2,84
Диаметр топочного пространства циклона, м	2,08	1,9
Длина топочного пространства циклона, м	3,81	2,66
Скорость газов в циклоне, м/с	19,51	27,4
Степень выгорания серы, %	340	375
Площадь сечения переходной камеры, м2	10,06	7,27
Диаметр топочного пространства переходной камеры, м	3,58	3,04
Высота топочного пространства переходной камеры, м	3,62	3,04
Скорость газов в переходной камере, м/с	14,6	21,4
Диаметр пережима, м	1,70	0,95
Толщина футеровки, м	0,26	0,28

Полученные размеры топки округлены по ГОСТу 9617-76 и представлены в табл. 12.

Таблица 12

Размеры топки до и после модернизации

Размер	Базовая топка	Топка после модернизации
Диаметр внутреннего корпуса циклона*, м	2,6	2,5
Длина внутреннего корпуса циклона*, м	4,2	3,6
Диаметр внешнего корпуса циклона, м	3,0	3,0
Длина внешнего корпуса циклона, м	4,55	4,0
Диаметр внутреннего корпуса переходной камеры*, м	4,1	3,8
Высота внутреннего корпуса переходной камеры×, м	3,84	3,6
Диаметр внешнего корпуса переходной камеры, м	4,5	4,5
Высота внешнего корпуса переходной камеры, м	4,04	4,0

* - с учетом толщины футеровки топочного пространства.

Сравнение размеров топки позволяет сделать вывод, что диаметры циклонов и переходной камеры до и после модернизации отличаются незначительно, поэтому замена топки на новую не целесообразна ввиду дополнительных капитальных вложений на изготовление и монтаж. Базовая топка в новых условиях обеспечит полное выгорание серы в пределах топочного пространства без догорания в испарительных блоках. Это становится возможным благодаря большему объему топочного пространства и соответственно большему времени пребывания газа в топке по сравнению с требуемым. Полное выгорание серы в топке позволит поддерживать температуру топочных газов на входе в испарители котла постоянной (1250°С), что особенно важно для их устойчивой работы.

.4 Расчет толщины футеровки топки

Футеровку топки предлагается выполнить из высокоогнеупорного корундового бетона. Для этих целей выбран низкоцементный бетон АЛКОРИТ-85/06, который имеет плотную низкопористую структуру, затрудняющую проникновение агрессивных газов в поры футеровки, обладает большой стойкостью к высоким температурам и коррозии. При этом содержание CaO минимально. Температура применения не менее 1700°С и теплопроводность при средней температуре 500°С l_ИЗ=2,2 Вт/(м×К) [16].

Циклонная топка состоит из внутреннего и наружного корпусов. Котел является газоплотным, т. е. в пространство между корпусами подается воздух, который затем поступает в топочное пространство. Воздух охлаждает корпуса и уменьшает потери тепла в окружающую среду [5, 30]. Футеруется внутренний корпус со стороны топочного пространства. Толщину футеровки рассчитываем по методике, изложенной в [31].

Удельный тепловой поток определяем по формуле:

,                                           (79)

где a_В - коэффициент теплоотдачи от стенки корпуса к воздуху, Вт/м²×К; t_Н=500°С - температура наружной поверхности футерованного корпуса согласно [30]; t_В=140°С - температура воздуха (см. тепловой баланс).

В начале рассчитываем коэффициенты теплоотдачи от стенки корпуса к воздуху a_В и от среды в аппарате к футеровке a_С.

Пространство между корпусами представляет собой кольцевой канал. Эквивалентный диаметр кольцевого канала определяем по формуле:

,                                                (80)

где D=3,600 - внутренний диаметр внешнего корпуса, м; d=2,616 - внешний диаметр внутреннего корпуса, м.

.

Объемный расход воздуха в воздушном пространстве одного циклона определяем по формуле:

,                                               (81)

где р₀, V₀, Т₀ - давление, объем, температура при нормальных условиях; р, V, Т - давление, объем, температура при реальных условиях.

.

Скорость воздуха в воздушном пространстве между корпусами циклона определяем по формуле:

,                                          (82)

где  - расход воздуха при средней температуре в воздушном пространстве, м³/с; D₂ - внешний диаметр воздушного пространства, м; D₁ - внутренний диаметр воздушного пространства, м.

.

Плотность воздуха при заданных условиях определяем по формуле:

,                                                  (83)

где G - массовый расход воздуха в 1 циклон, кг/с.

.

Значение критерия Рейнольдса находим по формуле:

,                                              (84)

где w - скорость, м/с; d_э - эквивалентный диаметр сечения, м; r - плотность воздуха, кг/м³; m=0,0238×10^-3 Па×с - вязкость воздуха при температуре 140°С [24].

. Развитый турбулентный режим.

Критерий Нуссельта согласно [24] равен:

 ,                                (85)

где e_l - коэффициент, зависящий от соотношения длины и диаметра канала и L/d_э=4/0,984=4,065 и равный согласно [24] e_l=1,06.

.

Коэффициент теплопроводности воздуха при 140°С равен l=0,03605 Вт/м×К. Коэффициент теплоотдачи a_В определяем из критерия Нуссельта по формуле:

.                                          (86)

.

Тогда удельный тепловой поток:

.

Определяем коэффициент теплоотдачи от среды в аппарате к футеровке a_с для случая движения газа по прямому каналу круглого сечения.

Сначала определяем режим движения газа в аппарате, для этого вычисляем значение критерия Рейнольдса по формуле (84): Re=278740. Развитый турбулентный режим, тогда критерий Нуссельта равен:

 ,                                (87)

где Рr - критерий Прандтля для газов. Будем считать газовую смесь двухатомной, поэтому Pr=0,72 [24, с. 152].

Коэффициент e_l зависит от соотношения L/D=4,55/2,08=2,2 e_l=1,1.

.

Коэффициент теплопроводности газов при 1300°С равен l=0,113 Вт/м×К [24]. Коэффициент теплоотдачи от среды в аппарате к футеровке a_с определяем из критерия Нуссельта по формуле (86):

.

Толщину футеровки определяем по формуле:

,                                      (88)

где t_с=1300°С - температура рабочей среды в аппарате.

, тогда толщина футеровки . Ниже приведена сравнительная характеристика футеровки базового и проектируемого агрегата.

Таблица 13

Сравнительная характеристика футеровки топки до и после модернизации

Характеристики сравнения	Базовый агрегат	Проектируемый агрегат
Материал футеровки	Муллитокорундовый кирпич марки МКС-72	Высокоогнеупорный корундовый бетон АЛКОРИТ-98
Толщина, мм	260	280
Температура применения, °С	>1700	>1700
Предел прочности при сжатии, Н/мм2	30	70
Плотность после обжига при 800°С, г/см3	1,9	2,9
Теплопроводность при средней температуре 500°С, Вт/(м×К)	1,63-3,26	2,2
Температура начала размягчения, °С, не ниже	1500

Диаметр топочного пространства циклона с новой футеровкой D=2,6-2×0,28=2,04 м.

.5 Аэродинамическое сопротивление топки

Изменение температуры воздуха на входе в топку, температуры топочных газов, диаметра топочного пространства и др. вызовут изменение аэродинамического сопротивления топки, поэтому необходимо провести расчет сопротивления. Для компенсации роста сопротивления топки под влиянием перечисленных выше факторов предлагается установка дополнительных сопел подачи воздуха в зону горения серы. Тогда последовательность расчета будет следующей:

1)  Определение коэффициента сопротивления топки до модернизации;

2)      Расчет дополнительных сопел подачи воздуха;

)        Расчет коэффициента сопротивления топки после модернизации;

)        Расчет аэродинамического сопротивления топки после модернизации.

.5.1 Определение коэффициента сопротивления топки до модернизации

Согласно [32] при увеличении числа тангенциальных вводов воздуха, расположенных по периметру камеры резко падает ее сопротивление. Основными конструктивными параметрами циклонной камеры, определяющими ее аэродинамику, являются соотношение площадей сечений ввода и камеры и соотношение площадей сечений выхода (пережима) и камеры.

Согласно [32] суммарный коэффициент сопротивления циклонной камеры выражается формулой:

,                                      (89)

где =1785,42 - перепад давления в камере, Па [17]; r - плотность среды, кг/м³; w_ПРИВ - приведенная скорость воздуха, отнесенная к полному сечению циклонной камеры, м/с:

,                                        (90)

где Q - расход воздуха через сопла (для одного циклона), м³/с; F_ЦИКЛ - площадь сечения циклона, м² (табл. 11).

Из материального баланса расход воздуха V_В=145075 нм³/ч. Переведем данный расход к реальным условиям по формуле (81):

.

.

Размеры сопел базовой топки a´b=0,14´0,9 м, количество сопел 3, тогда скорость воздуха в соплах:

,                                             (91)

где F_ВХ=0,378 - площадь входного сечения сопел, м².

.

Плотность среды:

.

.

.5.2 Расчет дополнительных сопел подачи воздуха

Принимаем скорость воздуха в соплах 40 м/с, а в пережиме, что соответствует нормам [30], определяем площадь сечения вводов воздуха

Расход воздуха в новых условиях t=320°С, P=146000 МПа, определенный по формуле (81), равен Q=30,375 м³/с. Таким образом, увеличение расхода воздуха составит 30,375-29,351=1,024 м³/с. Принимаем скорость воздуха в дополнительных соплах равной 40 м/с, тогда из формулы (91) площадь сечения этих сопел:

.

Принимаем количество сопел 3, размер а=0,07 м, тогда размер b=0,12 м.

Суммарная площадь сечения вводов воздуха через сопла 1 и 2 рядов:

.

.5.3 Расчет коэффициента сопротивления топки после модернизации

Коэффициент сопротивления топки пропорционален площади входного сечения сопел воздуха [32]:

.                                                  (92)

Тогда, преобразуя данное выражение, получаем:

.                                       (93)

.

.5.4 Расчет аэродинамического сопротивления топки после модернизации

После модернизации топки диаметр топочного пространства циклона составит 2,04 м, температура воздуха в соплах t=320°С. Сопротивление топки согласно формуле (89):

.                                  (94)

.

Как видно, полностью компенсировать повышение DР установкой дополнительных сопел не удается. Увеличение сопротивление топки после модернизации составит 1810,03-1785,42=24,61 Па или 2,55 мм вод. ст.

Расчет основного оборудования позволил: выбрать оптимальный вариант новых форсунок; оставить размеры топки без изменения (для повышения полноты выгорания серы); определить толщину новой футеровки (280 мм), повышение аэродинамического сопротивление агрегата после модернизации и предложить решения по компенсации выросшего сопротивления. Для расчета размеров топки составлена математическая модель времени пребывания газов в циклонных топках. Модель реализована в среде MathCad.

9. РАСЧЕТ И ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

К вспомогательному оборудования узла сжигания жидкой серы относятся калориферы, пароперегреватели и экономайзеры котла, газоходы.

.1 Расчет калорифера

Для нагревания воздуха перед топкой возможно использование теплообменные устройства различных типов (паровые и электрокалориферы, кожухотрубные теплообменники и др.). Наибольшее распространение получили паровые калориферы различных конструкций. Это объясняется широкой доступностью энергоносителя, развитой поверхностью теплообмена, низким гидравлическим сопротивлением по воздушному потоку и стоимостью; температура воздуха не превышает 190°С [33, 34].

Предварительно выбираем калорифер типа ВНП. Основной задачей расчета калорифера является определение его площади поверхности нагрева.

Площадь поверхности теплообмена определяем по формуле:

,                                                 (95)

где Q - расчетное количество теплоты, необходимой для нагрева воздуха с учетом потерь, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К); Dt_ср - средний температурный напор, °С. Потери теплоты принимаем равными 5 %, тогда расчетное количество теплоты, необходимой для нагрева воздуха:

,                                           (96)

где - увеличение количества тепла поступающего с воздухом согласно тепловому балансу топки.

Q=1,05×5362250=5630363 Вт.

Коэффициент теплопередачи К для паровых калориферов определяем по формуле [34]:

,                                      (97)

где ur - массовая скорость потока в живом сечении, кг/(м²×с):

,                                              (98)

где G - массовый расход подогреваемого воздуха, G=186784,06 кг/ч или 51,88 кг/с; F_СВ - площадь живого сечения по воздуху, для выбранного калорифера F_СВ=2,488 м² для одного ряда, для двух рядов F_СВ=4,976 м².

.

Тогда при ur=10,43 кг/(м²×с) коэффициент теплопередачи:

.

Зададимся давлением греющего пара: Р_гр.п.=0,6 МПа. По табл. LVII [24, с. 533] определяем температуру греющего пара t_{гр. п.}=158°С, плотность r=2,614 кг/м³. Так как пар конденсируется, то температура пара остается неизменной в процессе теплообмена. Теплоносители в калорифере движутся перекрестным током. Для приближенного определения среднего температурного напора используем формулу:

,                                        (99)

где Dt_б, Dt_м - большая и меньшая разности температур на концах калорифера, °С.

Температурная схема:

°С     -        158°С

40°С  ®      140°С

Dt_б =118°С           Dt_м =18°С

.

Площадь поверхности теплообмена определяем по формуле (95):

.

Для обеспечения необходимой площади поверхности нагрева нужно установить последовательно несколько калориферов в ряд, при этом изменятся расчетные величины. Число блоков калорифера n:

,                                         (100)

где F_ТАБЛ - справочное значение поверхности теплообмена для данной модели калорифера, м².

.

Меняя подобным образом F_ТАБЛ при неизменном F_РАСЧ, получаем, что минимальное количество блоков калориферов равно 8, что соответствует типу ВНП123-412-01АУ3. Если блоки располагаются в 2 ряда, то в одном ряду по 4 калорифера.

Гидравлическое сопротивление калорифера воздушному потоку согласно [34]:

.                                      (101)

.

Так как в установке 8 калориферов, то общее гидравлическое сопротивление блоков будет равно DР_к=8×98,49=788 Па. Сопротивление входа и выхода калориферов, как правило, мало по сравнению сопротивлением блоков, поэтому принимают запас по сопротивлению в 5-10 %. С учетом этого DР_К=1,05×788=830 Па.

Из теплового баланса расход греющего пара равен:

,                                                  (102)

где Q - тепло, полученное воздухом в калорифере, кДж; G₂ - расход греющего пара, который необходимо определить, кг/с; r=2095 кДж/кг - удельная теплота парообразования (табл. LVII [24, с. 533]).

.

Удельный расход греющего пара определяем по формуле:

,                                        (103)

где  - производительность системы по моногидрату, т/ч.

.

На основании проведенных расчетов по каталогу [35] подбираем калорифер ВНП123-412-01АУ3 со следующими техническими характеристиками:

площадь поверхности нагрева                                   172,9 м²

площадь живого сечения

по воздуху                                                                            2,488 м²

по теплоносителю                                                      0,020618 м²

число калориферов                                                     8

число рядов                                                                2

масса                                                                                    355 кг.

.2 Проверочный расчет схемы утилизации тепла

Составными частями котла РКС 95/4,0-440 являются выносные пароперегреватели и экономайзеры 1 и 2 ступени. Схема утилизации тепла представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема утилизации тепла: 1 - котло-печной агрегат; 2 - барабан котла; 3,6 - пароперегреватель; 4,5 - экономайзеры.

Пароперегреватель 1-ой ступени (поз. 6) и экономайзер 1-ой ступени (поз. 5) объединены в один блок, пароперегреватель 2-ой ступени (поз. 3), и экономайзер 2-ой ступени (поз. 4) размещены в отдельных блоках [17].

Повышение паропроизводительности агрегата до проектных значений (до 95 т/ч с 90 т/ч) обусловливает необходимость проверочного расчета пароперегревателей и экономайзеров. Данный расчет сводится к определению температуры газового потока на выходе из перечисленных аппаратов.

9.2.1 Проверочный расчет пароперегревателя и экономайзера 1 ступени

Тепловой баланс данного блока аппаратов выражается:

,         (104)

где 0,98 - коэффициент, учитывающий потери тепла в аппарате; =117362 - объемный расход конвертированного газа, нм³/ч [17]; с=1,341 - средняя теплоемкость конвертированного газа, кДж/м³×К [24]; t_ВХ, t_ВЫХ - температура газа на входе и выходе аппарата соответственно, °С; 4,19 - коэффициент для перевода ккал в кДж; G_П=95000, G_В=100000 - расход перегретого пара и питательной воды соответственно, кг/ч;  - энтальпии перегретого пара при соответствующих температурах  [10];  - энтальпия питательной воды при соответствующих температурах  [24];  - температуры перегретого пара на выходе и входе в аппарат, °С [17];  - температуры питательной воды на выходе и входе в аппарат, °С [17].

Температура газа на выходе аппарата будет

.                      (105)

.

Согласно нормам технологического режима [17] t_ВЫХ=135-145 °С, таким образом, температура газа на выходе из аппарата соответствует норме.

9.2.2 Проверочный расчет экономайзера 2 ступени

Расчет выполнен по формуле, полученной также из теплового баланса экономайзера 2 ступени:

,                                   (106)

где t_ВХ, t_ВЫХ - температура газа на входе и выходе аппарата соответственно, °С; G_В=100000 - расход питательной воды, кг/ч;  - энтальпия питательной воды при соответствующих температурах  [10];  - температуры питательной воды на выходе и входе в аппарат, °С [17]; 0,98 - коэффициент, учитывающий потери тепла в аппарате; =134013 - объемный расход конвертированного газа, нм³/ч [17]; с=1,341 - средняя теплоемкость конвертированного газа, кДж/м³×К [24].

.

Согласно нормам технологического режима [17] t_ВЫХ=250-260 °С, таким образом, температура газа на выходе из аппарата соответствует норме.

9. 2. 3. Проверочный расчет пароперегревателя 2 ступени

Расчет выполнен по формуле, полученной также из теплового баланса экономайзера 2 ступени:

,                                   (107)

где t_ВХ, t_ВЫХ - температура газа на входе и выходе аппарата соответственно, °С; 4,19 - коэффициент для перевода ккал в кДж; G_П=95000 - расход перегретого пара, кг/ч;  - энтальпии перегретого пара при соответствующих температурах  [10];  - температуры перегретого пара на выходе и входе в аппарат, °С [17]; 0,98 - коэффициент, учитывающий потери тепла в аппарате; =136599 - объемный расход конвертированного газа, нм³/ч [17]; с=1,511 - средняя теплоемкость конвертированного газа, кДж/м³×К [24].

.

Согласно нормам технологического режима [17] t_ВЫХ=440-460 °С, таким образом, температура газа на выходе из аппарата соответствует норме.

.3 Расчет дополнительной изоляции топки и воздухопровода

Модернизация предполагает повышение температуры топочных газов и предварительный нагрев воздуха, поэтому с целью уменьшения тепловых потерь топки и воздухопровода на участке от калориферов до топки необходимо выполнить дополнительную тепловую изоляцию указанных мест. Расчет толщины тепловой изоляции осуществляется по методики расчета футеровки (см. п. 8. 4.).

Результаты расчета следующие: толщина тепловой изоляции топки 40 мм, воздухопровода 15-20 мм, материал изоляции - минеральная вата.

.4 Снижение сопротивления газоходов печного отделения

В сернокислотных системах большая доля снижения давления газа приходится на фасонные элементы газоходов и входы-выходы аппаратов. Затраты энергии могут быть снижены, если перед этими элементами или после них предусматривать конусные переходы [36]. Предлагаемая в данной работе модернизация вызовет необходимое увеличение сопротивления системы (топка, блоки калориферов), поэтому для снижения DР возможно установить конусные переходы на фасонные элементы, в частности, повороты на 90°.

В статье [36] предлагается график для расчета снижения сопротивления и увеличения расхода металла.

Рис. 11. Показатели фасонных элементов газоходов с конусными переходами.

На рис. 11: х - отношение диаметров конусного перехода, у - отношение металлозатрат, z - отношение потерь давления. 1 и 2 - у и z для поворота на 90°, 3 и 4 - у и z для разветвления на 180°.

Причем , , , где D_ф, D - диаметры газоходов до и после увеличения; G_ф, G - масса металла в узле газохода до и после увеличения; DР_ф, DР - перепад давления до и после увеличения [36]. Таким образом, чтобы снизить сопротивление элемента в 2 раза (z=0,5), необходимо диаметр отвода увеличить в 1,28 раза. При этом расход металла возрастет в 1,37 раза [36].

Согласно технологической схеме в печном отделении эксплуатируются газоходы: подвода воздуха от сушильной башни к циклонной топке, отвода печных газов от котла к контактному аппарату, байпасной линии. Значения D_ф и D представлены в табл. 14.

Таблица 14

Значения диаметров фасонных частей трубопроводов

Место расположения поворота в системе	Диаметр отвода, м
	Dф	D
трубопровод подачи воздуха непосредственно у котла	1,80	2,30
трубопровод подачи воздуха в калориферы 1 ряда	1,50	1,92
трубопровод подачи воздуха в калориферы 2 ряда	1,50	1,92
газоход между котлом и контактным аппаратом	2,40	3,07

Превышение D=2,6 м не рекомендуется [36], поэтому на газоходе между котлом и контактным аппаратом установка конусных переходов не оправдана.

Сопротивление отвода круглого сечения определяется по формуле:

,                                            (108)

где x=1 - коэффициент сопротивление отвода круглого сечения [10]; r - плотность среды, кг/м³; w - скорость среды в трубопроводе, м/с.

.

В табл. 15 представлены рассчитанные значения расход воздуха Q, плотность r, скорость потока w, сопротивление DР для рассматриваемых поворотов.

Таблица 15

Значения расчетных величин

Место расположения поворота в системе	Расход воздуха Q, м3/с	Плотность r, кг/м3	Скорость, м/с	Сопротивление DР, Па
трубопровод подачи воздуха непосредственно у котла	32,065	1,618	12,61	128,59
трубопровод подачи воздуха в калориферы 1 ряда	16,033	1,618	9,08	66,66
трубопровод подачи воздуха в калориферы 2 ряда	16,033	1,618	9,08	66,66
ИТОГО:	-	-	-	261,91

После установки конусных переходов сопротивление снизится наполовину 261,91×0,5=130,96 Па.

.5 Суммарное повышение сопротивления системы

Суммарное повышение сопротивления системы газоходов и аппаратов печного отделения определяем по формуле:

,                               (109)

где =25 Па - увеличение сопротивления топки; =830 Па - сопротивление блоков калориферов; =131 Па - снижение сопротивления системы газоходов.

.

Дополнительные затраты электроэнергии на транспортировку газа по системе находим по формуле, кВт×ч/год:

,                                    (110)

где t=24×340=8160 - время работы оборудования, ч/год; V_Г=6476,56 - расход газа, кмоль/ч; h=0,6 - КПД газодувки.

.

На 1 тонну моногидрата

,                                         (111)

где G_МНГ=620000 т/год - производительность системы по моногидрату.

.6 Пересчет паропроизводительности котла

Для пересчета паропроизводительности котла из т/ч в Гкал/т используем формулу:

,                                            (112)

где G - паропроизводительность агрегата, кг/ч; Н=789,8 - энтальпия пара при заданных условиях, ккал/кг [10]; Пр=75,95 - производительность агрегата по серной кислоте, т/ч.

.

До модернизации паропроизводительность равна 0,858 Гкал/т. Таким образом, повышение паропроизводительности в результате модернизации составит 0,99-0,858=0,132 Гкал/т.

Для обеспечения нормальной работы основного оборудования в данном разделе было рассчитано и выбрано вспомогательное оборудование: блоки калориферов. Проведен проверочный расчет схемы утилизации тепла составными элементами котла, установлено, что технологические параметры после модернизации будут соответствовать нормам технологического режима.

10. МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Повышение температуры воздушной и газовой сред в аппарате требует проверочного расчета корпусов топки на прочность в новых условиях.

.1 Основные расчетные параметры

Материал корпусов топки сталь 12Х18Н10Т. Для проведения механического расчета циклонной топки необходимо определить и выбрать рабочие и расчетные параметры, соответствующие новым условиям (табл. 16).

Так как аппарат состоит из двух корпусов, то расчетные и рабочие параметры будут различны.

Таблица 16

Параметр	Внешний корпус	Внутренний корпус
Температура среды, °С	350	1300
Расчетная температура стенки корпуса, °С	350	500
Рабочее давление, МПа	0,05	0,05
Расчетное давление, МПа	0,07	0,07
Условное давление, МПа	0,1	0,1
Пробное давление, МПа	0,2	0,2

Схема аппарата представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема аппарата: 1 - внешний корпус циклона; 2 - внутренний корпус циклона; 3 - внутренний корпус переходной камеры; 4 - внешний корпус переходной камеры.

Циклонная топка состоит из 2 циклонов и переходной камеры. Каждый циклон представляет собой 2 соосные цилиндрические обечайки, а переходная камера также состоит из двух соосных цилиндрических обечаек. Сбоку циклонов имеется торцевые плоские приварные крышки с отверстиями. В переходной камере имеется плоское приварное днище без отверстий.

Топка относится ко второй категории опасности, так как ПДК(SO₂)=10 мг/м³, тогда коэффициент, учитывающий условия эксплуатации аппарата h=0,9 [37]. Аппарат работает под внутренним избыточным давлением.

Из [38] выбираем нормативные допускаемые напряжения для стали марки 12Х18Н10Т.

Таблица 17

Температура, °С	Нормативное допускаемое напряжение s×, МПа	Допускаемые напряжение [s], МПа
500	127	81
350	144	102

Данные табл. 17 используем для расчета на прочность элементов корпуса.

. 2. Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением

Толщину стенки определяем по формулам:

,                                                 (113)

,                                                            (114)

где P_R=0,07 - расчетное давление, МПа; D - внутренний диаметр цилиндрической обечайки, мм; [s] - допускаемое напряжение, МПа; j_р=1 - коэффициент прочности сварного шва [27]; с=1 - прибавка к толщине, учитывающая коррозию и другие факторы, мм.

.

.

Согласно [39] толщину стенок футерованных корпусов следует брать не менее 8 мм для обечаек с диаметром более 2 м для обеспечения достаточной жесткости конструкции. В базовом агрегате толщина стенки равна 8 мм, следовательно, условие прочности соблюдается.

Допускаемое избыточное давление определяем по формуле:

.                                       (115)

, значит, в новых условиях условие прочности соблюдается. Аналогично рассчитаны s и [Р] для остальных корпусов. Полученные данные сведены в табл. 18.

Толщины днищ и крышек выбраны на основании табл. 14.10 [38]. Для обечайки D=2600 мм и D=3000 мм s=6-16 мм. Для обечайки D=4100 мм и D=4500 мм s=6-20 мм.

Таблица 18

Толщины стенок корпусов и допускаемые избыточные давления циклонной топки

Элемент корпуса	Толщина стенки корпуса s, мм		Допускаемое избыточное давление [Р], МПа
	Внешний корпус	Внутренний корпус	Внешний корпус	Внутренний корпус
Циклон	8	8	0,41	0,435
Переходная камера	10	10	0,364	0,355
Торцевая крышка циклона	15	15	-	-
Днище переходной камеры	10	10	-	-

Прочностные расчеты показали, что толщину стенок, днищ и крышек после модернизации агрегата возможно оставить прежней. При этом условие прочности полностью соблюдается.

11. АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА

Основными параметрами сернокислотного производства, замеряемыми с помощью общепромышленных средств контроля, являются: температура (газовых и жидких сред), давление и разрежение по газовому тракту, расход (газа и жидкости), уровень жидких сред [40].

Модернизация узла сжигания жидкой серы предполагает установку нового оборудования (блоки калориферов) и изменение технологических параметров (температура воздуха на входе в топку, температура газов в топке и переходной камере). Этим обусловлена необходимость в разработке дополнительной схемы автоматизации и выборе приборов контроля и регулирования.

Принципиальная схема автоматизации блока калориферов приведена на рис. 13.

Рис. 13. Принципиальная схема автоматизации блока подогрева воздуха перед топкой

Согласно данной схеме автоматическому контроля и регулированию подлежат следующие параметры: расход пара и конденсата, температура пара и конденсата, давление пара, температура воздуха после калориферов на входе в топку. Сигнализации подлежит температура воздуха на входе в топку после калориферов. Регулирующее воздействие вносится изменением расхода теплоносителя, т. е. пара [41]. Для этого на линии подачи пара в калориферы установлен регулирующий вентиль.

Изменившиеся нормы технологического режима приведены в табл. 19. Данные значения определены ранее расчетом или приняты.

Таблица 19

Нормы технологического режима после модернизации

Поток реагентов	Наименование технологических показателей
	Расход	Температура	Давление
Осушенный воздух после калориферов перед топкой	100000-160000 м3/ч	135-145 °С	46-50 кПа
Газ в топке и переходной камере котла	-	не более 1250°С DН.П.=25°С	-
Пар на нагрев воздуха в калориферах	9-10 т/ч	143-158 °С	0,4-0,6 МПа
Конденсат пара	9-10 м3/ч	100-130 °С	0,3-0,5 МПа

Остальные параметры контролируются и регулируются по уже существующей схеме. Средства контроля температуры в топке котла смогут работать после модернизации без замены, так как удовлетворяют новым требованиям.

Для контроля и регулирования параметров выбраны следующие приборы [42] (табл. 20).

Таблица 20

Средства контроля и регулирования

Точка контроля и регулирования	Контролируемый или регулируемый параметр	Средство контроля, входящее в комплект	Пределы измерения	Шкала	Класс точности	Погрешность измерения
1	2	3	4	5	6	7
Воздух после блока калориферов	Температура	Термоэлектрический преобразователь ХА, материал чехла 12Х18Н10Т КТХА 01.07-С10-И-10-1200.	-	-	-	±1,5 °С
		Контроллер Simatic S7-300	0; 200 °С	0.5 %	±1,0 °С
Пар перед калориферами	Температура	Термопреобразователь сопротивления ТСПТ 101 Pt100-А4-10	-	-	А	±0,48 °С
		Контроллер Simatic S7-300	0; 200 °С	0-200 °С	0.5 %	±1,0 °С
	Давление	Преобразователь Siemens Sitrans P, ser. Z 7MF1563	0; 1 МПа	0-1,0 МПа	0,5%	±0,005 МПа
		Simatic S7-300	0; 1 МПа	0-1,0 МПа	0.5 %	±0,005 МПа
Пар перед калориферами	Расход	Диафрагма камерная. Преобразователь разности давлений "Сапфир-22ДД"	-	-	-	-
		Simatic S7-300	0; 17,5 т/ч	0-17,5 т/ч	0,5%	±0,2 т/ч
Конденсат пара после калориферов	Температура	Термопреобразователь сопротивления ТСПТ 101 Pt100-А4-10			А	±0,57 °С
		Контроллер Simatic S7-300	0; 200 °С	0-200 °С	0.5 %	± 0,5 °С
	Давление	Преобразователь Siemens Sitrans P, ser. Z 7MF1563	0; 1 МПа	0-1,0 МПа	0,5%	±0,005 МПа
		Simatic S7-300	0; 1 МПа	0-1,0 МПа	0.5 %	±0,005 МПа
	Расход	Диафрагма камерная. Преобразователь разности давлений "Сапфир-22ДД"	-	-	-	-
		Simatic S7-300	0; 20 м3/ч	0-20 м3/ч	0,5%	± 0,2 м3/ч

Для всех параметров показание в ЦПУ, регистрация на ПК каждые 2 секунды.

Описание контура регулирования температуры воздуха на выходе из блока калориферов. На вход калорифера подается воздух из сушильного отделения с температурой 40-90 °С в зависимости от времени года и условий работы сушильной башни. На выходе необходимо поддерживать постоянное значение температуры воздуха 140°С. Для этого сигналы от датчика (термопары) поступают в микроконтроллер, который формирует управляющий сигнал на исполнительный механизм мембранного устройства (регулирующий вентиль), который изменяет расход пара в калориферы. Преимуществом данной схемы автоматизации является простота устройства, надежность эксплуатации, сравнительно небольшое количество приборов, использование ЭВМ для показаний и регистрации.

Таким образом, разработана дополнительная схема автоматизации, включающая контур регулирования температуры воздуха на выходе из блока калориферов и контроля параметров пара и конденсата. При этом не возникла необходимость замены действующих средств контроля и регулирования параметров котла и топки.

12. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

.1 Общая характеристика безопасности печного отделения сернокислотного производства ОАО "Аммофос"

Безопасность - это состояние деятельности, при которой с определенной вероятностью исключаются потенциальные опасности, влияющие на здоровье человека.

Полная безопасность труда человека в производственной среде определяется тремя факторами безопасности: оборудования, технологического процесса и трудового процесса. Эти три составляющие образуют общую систему безопасности и связаны между собой.

Повышение или понижение параметров технологии приводит к возникновению опасных и вредных факторов, и труд становится опасным. Неисправность в оборудовании образует материальный или технический фактор опасности производства. Безопасность трудового процесса зависит от условий труда и квалификации персонала [43].

В печном отделении сернокислотного производства происходит сжигание жидкой серы в топке энерготехнологического котла РКС с одновременным получением перегретого пара высоких параметров t=440°С и Р=4 МПа. Агрегат работает при высоких температурах (до 1300°С в топке и 420°С на выходе из испарителей котла) под небольшим избыточным давлением (45-50 кПа). На выходе из котла газ содержит до 12 % об. SO₂. Розжиг котла осуществляют с помощью сжигания природного газа. Отделение насыщенно трубопроводами жидкой серы, пара различных параметров, горячей воды и др.

На основании «Правил безопасности при использовании неорганических жидких кислот и щелочей» ПБ 09-596-03 производство контактной серной кислоты отнесено к химически опасным производственным объектам. При нарушениях технологического режима и авариях может возникнуть опасность выделения вредных веществ (диоксида серы, триоксида серы, природного газа, оксида углерода, водорода) и проливов серной кислоты, в результате чего может появиться возможность отравления, возможность возникновения химических и термических ожогов.

.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Анализ опасных и вредных производственных факторов необходим для определения их воздействия на человека и выбора мероприятий и средств защиты.

Опасным производственным фактором называется фактор, воздействие которого на работающего приводит к травме или другому резкому ухудшению здоровья. Вредным производственным фактором называется фактор, воздействие которого на работающего приводит к профессиональному заболеванию или снижению работоспособности [44]. В табл. 21 и 22 представлены результаты анализа опасных и вредных факторов печного отделения.

Таблица 21

Анализ опасных производственных факторов печного отделения

Наименование операций (оборудования), создающих опасность	Характеристика и вид опасного фактора	Вид воздействия на человека	Мероприятия и средства защиты
1	2	3	4
Сборники жидкой серы (перелив сборников, разгерметизация оборудования, возгорание жидкой серы)	Разлив жидкой серы с возможностью возгорания	Термические ожоги жидкой серой	Соблюдение правил эксплуатации емкостного оборудования, автоматический контроль уровня сборников, автоматическая подача пара под крышку емкостей для ликвидации возгорания, использование защитных очков и спецодежды
Котел-утилизатор (разрыве коммуникаций пара и горячей воды)	Выделение пара и горячей воды	Термические ожоги	Соблюдение технологического режима, своевременный ремонт, автоматическая сигнализация, использование спецодежды
Котел-утилизатор (утечки природного газа при розжиге, погасание пламени в горелке)	Взрыв природного газа при розжиге, пожар	Травмы различной степени тяжести, вплоть до летального исхода	Отсечка природного газа на топку, соблюдение правил розжига топок (при розжиге обязательно пользоваться очками), средства автоматического пожаротушения
Нарушение герметичности трубопроводов природного газа	Выделение природного газа	Острое отравление	Применение противогазов ПШ-1, ПШ-2, отсечка трубопровода и прекращение подачи газа
Нарушения плотности газоходов, аппаратов, арматуры, возгорание серы	Выделение SO2	Отравление, острое отравление, опровождающееся отеком легких и расширением сердца, хронические заболевания органов дыхания	Защита с помощью фильтрующих противогазов марки "БКФ", респиратор РПГ-67 с патронными фильтрами марки "КД", защитные очки. Соблюдение графика планово-предупредительных ремонтов
Электрооборудование (приводы насосов)	Поражение электрическим током	Ожоги и разрывы тканей, общее поражение всего организма	Периодическая проверка наличия заземления и исправности изоляции токоведущих устройств и проводов, использование спецодежды, спецобуви, резиновых перчаток
Сборники и трубопроводы жидкой серы	Накапливание зарядов статического электричества	Возможна механическая травма вследствие рефлекторной реакции на ток	заземление корпуса и металлоконструкций к очагу заземления, заземление трубопроводов каждые 30 метров по всей протяженности к очагам заземления, скорость серы в серопроводах не более 1м/с

Анализ опасных производственных факторов показал, что наибольшую опасность в печном отделении создает система розжига котла, которая предполагает использование природного газа. В результате утечки природного газа или срыва пламени в топке может произойти взрыв. Чтобы избежать этого линия подачи газа на розжиг котла оборудуется автоматическими отсечными клапанами.

Таблица 22

Характеристика вредных производственных факторов

Наименование фактора	Величина показателя			Влияние на жизнедеятельность человека	Мероприятия и средства защиты
	по нормам	фактически	факт норма
1	2	3	4	5	6
1. Температура воздуха, 0С: холодный период теплый период	-15 15…28	-15…-20 20…28	- -	Местное или общее охлаждение организма, причина обморожение и простудных заболеваний В теплый период - перегрев организма	Спецодежда, защита временем, рациональный питьевой режим
2. Относительная влажность, %	15-75	45-70	-	-	-
3. Скорость движения воздуха, м/с	0,4-0,5	1	-	Увеличение теплопотерь организма и при отрицательных температурах сильное охлаждение	Утепленная одежда, защита временем
4. Температура поверхностей, 0С	£60	£60	-	-	-
5. Интенсивность теплового облучения, Вт/м2	£ 140	30-50	-	-	Дополнительная теплоизоляция, экранирование, спецодежда
6. Концентрация SO2 в воздухе рабочей зоны, мг/м3	£10	возможно превышение ПДК в 1,1-3 раза	-	Отравление, острое отравление, сопровождающееся отеком легких и расширением сердца	Защита с помощью фильтрующих противогазов марки "БКФ", респиратор РПГ-67 с патронными фильтрами марки "КД", защитные очки
7. Уровень шума, дБА	£80	50-80	-	Оказывает раздражающее действие, утомление и при продолжительном действии (несколько лет) приводит к частичной или полной потери слуха.	Звукоизолирующий кожух оборудования. Применение средств защиты для органов слуха
8. Уровень вибрации, дБ	£92	£92	-	Возможно развитие вибрационной болезни (при общей вибрации), зрительные расстройства, нарушение кровоснабжения	Пружинные опоры циклонной топки, уравнительный газоход котла для снижения вибраций

Данные табл. 22, показывают, что наиболее вредными факторами в печном отделении являются: температура воздуха в холодный период года, скорость движения воздуха на открытой площадке, превышение ПДК SO₂ в воздухе рабочей зоны. Для снижения вредного воздействия данных факторов необходимо использование спецодежды, противогазов "БКФ", респираторов РПГ-67.

.3 Комплексная оценка тяжести труда

На основании проведенного анализа опасных и вредных производственных факторов возможна комплексная оценка тяжести труда аппаратчика участка обжига в печном отделении сернокислотного производства.

Тяжесть труда - характеристика трудового процесса, отражающая преимущественную нагрузку на опорно-двигательный аппарат и функциональные системы организма (сердечно-сосудистую, дыхательную и др.), обеспечивающие его деятельность. Тяжесть труда характеризуется физической динамической нагрузкой, массой поднимаемого и перемещаемого груза, общим числом стереотипных рабочих движений, величиной статической нагрузки, формой рабочей позы, степенью наклона корпуса, перемещениями в пространстве [44].

Исходя из гигиенических критериев, условия труда подразделяются на 4 класса: оптимальные, допустимые, вредные и опасные [44].

Категория тяжести труда рассчитывается на основании интегральной оценки биологически значимых факторов производственных условий. Под биологически значимыми факторами понимают такие факторы труда, которые с наибольшей вероятностью влияют на формирование определенных реакций (нормальных, граничных, патологических) организма работающего человека. Каждый биологически значимый фактор оценивают в баллах от 1 до 6 по [45]. Категория тяжести труда определяется по следующим данным:

·   I категория     - до 18 баллов;

·   II категория   - 19,7 - 33,0 балла;

·   III категория - 34,4 - 45,0 балла;

·   IV категория - 45,7 - 53,0 балла;

·   V категория   - 53,9 - 58,5 балла;

·   VI категория - 58,9 - 60,0 балла.

Были выбраны следующие факторы, получившие максимальную оценку более 2 баллов:

1)      Скорость движения воздуха на открытом воздухе - 3 б;

2)      Вредные химические вещества 3-4 кл. опасности (SO₂) - 3 б;

)        Продолжительность непрерывной работы в течение суток (до 12 ч) - 3 б;

)        Рабочая поза и перемещение в пространстве - 3 б;

)        Температура воздуха на рабочем месте на открытом воздухе в холодный период - 5.

Фактическая продолжительность действия фактора 5 составляет 360 ч из 720 ч, поэтому фактическая оценка фактора 5 равна 5×360/720=2,5 б.

Интегральная оценка условий труда производится по формуле:

 ,                        (116)

где И_т - интегральная оценка тяжести труда, балл; X_опр - фактический фактор, получивший наибольшую оценку в баллах; - сумма баллов всех i-тых фактических биологически значимых факторов без X_опр; n - количество производственных факторов.

.

И_Т=44,5 баллов соответствует 3 категории тяжести. В этих условиях, соответствующих граничному состоянию организма, незначительно снижаются производственные показатели. Нормальные условия отдыха достаточно быстро устраняют эти последствия.

.4 Пожарная безопасность

Пожарная безопасность предусматривает обеспечение безопасности людей и сохранения материальных ценностей предприятия на всех стадиях его жизненного цикла (научная разработка, проектирование, строительство и эксплуатация).

Основными системами пожарной безопасности являются системы предотвращения пожара и противопожарной защиты, включая организационно-технические мероприятия. Требуемый уровень обеспечения пожарной безопасности людей с помощью указанных систем должен быть не менее 0,999999 предотвращения воздействия опасных факторов в год в расчете на каждого человека.

В соответствии с НПБ 105-03 категория взрывопожарной опасности помещений и зданий печного отделения Г, т. е. это производство по обработке несгораемых веществ и материалов в горячем раскаленном или расплавленном состоянии [44].

Возможные причины и источники загорания: загорание в сборниках и хранилищах жидкой серы, огневые и газоопасные работы, разгерметизация серопроводов, утечка природного газа.

В печном отделении предусмотрены следующие противопожарные мероприятия: при загорании серы в хранилище предусмотрена автоматическая подача пара под крышку емкостей; электрооборудование, работающее в контакте с серой, запроектировано во взрывозащищенном исполнении; все металлические части машин, кожухи, сборники, серопроводы заземляются с целью предотвращения накопления статического электричества, также предусмотрена молниезащита; диаметры серопроводов приняты с учетом скорости в них не более 1 м/с; производственные, вспомогательные и служебные помещения должны быть обеспечены первичными средствами пожаротушения (вода со смачивателями, пена, порошок ПФ, огнетушители воздушно-пенные, ящиками с песком, асбестовыми одеялами и т.п.); все средства пожаротушения, пожарное оборудование и инвентарь должны содержаться в исправном состоянии и находиться на видных местах, к ним должен быть обеспечен свободный доступ. Для оперативного извещения пожарной охраны о возникновении пожара в местах постоянного пребывания технологического персонала установлены прямые телефоны с диспетчером пожарной части.

.5 Электробезопасность

Производственные помещения печного отделения входит в группу особо опасных помещений по опасности поражения электрическим током. Напряжение, используемое в цехе, 380/220 В, сопротивление заземляющего устройства для электроустановок 4 Ом. Все необходимое оборудование заземлено.

Жидкая сера относится к веществам-диэлектрикам, способным в данном оборудовании или транспортном устройстве подвергаться электризации с образованием опасных потенциалов. Основные технические мероприятия по защите от статического электричества и вторичных проявлений молнии: заземление корпуса и металлоконструкций к очагу заземления, заземление трубопроводов каждые 30 метров по всей протяженности к очагам заземления, скорость серы в серопроводах не более 1 м/с. Разряды атмосферного электричества способны вызвать взрывы, пожары, разрушение зданий и сооружений. Все вводы в цех (трубопроводы, кабели) заземляются. Для защиты от прямых ударов молнии пользуются стержневыми молниеприемниками, установленными на площадках аппаратов.

.6 Анализ и оценка возможных чрезвычайных (аварийных) ситуаций

Анализ чрезвычайных (аварийных) ситуаций позволит избежать аварий и ЧС, а также определить действия персонала по их предотвращению.

Таблица 23

Анализ и оценка возможных чрезвычайных (аварийных) ситуаций

Вид или проявление  аварийного состояния	Возможные последствия развития аварийного состояния	Действия персонала по предотвращению аварии
Прекращение подачи электроэнергии	Остановка оборудования	Включение резервных генераторов
Подача серы на форсунки котло-печного агрегата при отсутствии подачи воздуха	Забивание теплообменных поверхностей серой, забивание катализатора слоев контактного аппарата. Залив циклонных топок и обмуровки серой.	Остановка оператором серных насосов при отсутствии подачи воздуха. Автоматическая остановка насоса при остановке нагнетателя
Снижение уровня воды в барабане котла ниже 150 мм от "0" водомерного стекла.	Прекращение циркуляции в испарительных элементах котла, прогар труб испарительной части.	Блокировка нагнетателя воздуха и подачи серы на форсунки.
Коррозионный механический износ, повреждение аппаратуры	Срыв задания работ Ущерб окружающей среде	Применение антикоррозийных покрытий. Своевременный ремонт, регулярная проверка поверхностей аппаратуры
Разгерметизация трубопровода	Отказ оборудования Срыв задания работ Ущерб окружающей среде	Ремонт и замена частей трубопровода

Анализ показал, что с помощью оперативных действий персонала возможно избежать возникновения чрезвычайных (аварийных) ситуаций или снизить последствия развития аварийного состояния.

12.7 Охрана окружающей среды

Охрана окружающей среды - это комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов.

В печном отделении имеются следующие загрязнения биосферы:

-        химическое (периодические выбросы в атмосферу дымовых газов, образующихся при розжиге котла; суммарный объем отходящих газов 60534 нм³/ч, температура 420-450 °С, состав выброса: NO_Х - не более 150 мг/м³; СО - не более 625 мг/м³);

-        энергетическое (тепловое, связанное с инфракрасным излучением от котло-печного агрегата, шум, вибрации).

Снижение энергетического воздействия возможно при использовании надежной тепловой изоляции, экранировании источников шума и динамическом гашении вибраций.

При ремонте котла накипь, образующуюся на испарительных трубках, удаляют путем промывки разбавленными растворами кислот (HCl). Образующиеся растворы солей нейтрализуют содой или известью и удаляют в отвалы.

Производство не имеет технологических стоков, твердых отходов. Принят замкнутый цикл водооборота. Продувочные воды собираются в сборники и направляется в цикл водооборота. Кондесат насыщенного и перегретого пара направляется на ПЭФК.

Для предупреждения залповых выбросов вредных веществ в атмосферу необходимо соблюдать следующие правила эксплуатации оборудования:

–       правила пуска отдельных аппаратов и всего производства в целом после окончания строительства объекта и во время дальнейшей эксплуатации производства;

–       графики осмотра, планово-предупредительного и капитального ремонта;

–       правила остановки оборудования на короткое и длительное время;

–       применять для ремонта оборудования материалы соответствующего качества;

–       не допускать внеплановых остановок оборудования;

–       нормы технологического режима и требования технологического регламента;

–       не допускать внесения изменений в аппаратурное оформление и конструкцию аппаратов без согласования с проектной организацией;

Таким образом, в данном разделе приведена общая характеристика безопасности печного отделения сернокислотного производства. Установлены наиболее опасные и вредные производственные факторы, указаны мероприятия для их снижения. Рассмотрены вопросы пожарной и электробезопасности, приведены мероприятия по устранению (предотвращению) влияния вредных и опасных факторов, а также средства защиты. Проведен анализ возможных чрезвычайных (аварийных) ситуаций. В расчетной части выполнена комплексная оценка тяжести труда аппаратчика участка обжига. Рассмотренные меры по безопасному ведению технологического процесса должны обеспечить безопасные условия труда в производстве, защиту окружающей среды, и сократить вредное влияние производственных факторов на человека. обжига. Рассмотрены вопросы охраны окружающей среды.

13. ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Предлагаемая модернизация узла сжигания жидкой серы в печном отделении сернокислотного производства ОАО "Аммофос" связана с установкой нового оборудования (блока калориферов), заменой футеровки топки, заменой форсунок, заменой некоторых фасонных частей воздухопровода. С технологической стороны модернизация направлена на увеличение паропроизводительность агрегата, компенсацию потерь давления в системе газоходов. Кроме того, замена футеровки позволит увеличить срок службы агрегата, межремонтные перерывы, а также снизить продолжительность ремонтов. С экономической стороны предлагаемая модернизация вызовет уменьшение себестоимости продукции за счет увеличения паропроизводительности и дополнительной годовой выработки продукции за счет увеличения эффективного фонда времени работы оборудования, снижение затрат на ремонт футеровки (экономия средств, направляемых на приобретение огнеупорных материалов, оплату ремонтов).

В результате модернизации изменятся следующие технико-экономические показатели производства: годовая мощность производства по основной продукции (серная кислота) и попутной продукции - пару; потребность в энергоресурсах; годовой выпуск продукции на одного рабочего и в конечном итоге себестоимость продукции. При этом неизменными останутся: часовая производительность агрегата и системы по основной продукции, численность основных и вспомогательных рабочих, расходные коэффициенты сырья и материалов на 1 т серной кислоты.

.1 Организация ремонтов котла РКС и эффективный фонд времени работы оборудования

Замена футеровки топки позволит увеличить межремонтные перерывы, а также снизить продолжительность ремонтов. Согласно [46] для котлов предусмотрены текущие (ТР) и капитальные (КР) ремонты, а для циклонных топок техническое обслуживание (ТО) и капитальный ремонт (КР). Периодичность и продолжительность данных работ приведена в табл. 24.

Таблица 24

Нормативы периодичности обслуживания и ремонта

Оборудование	Периодичность, мес (для КР лет)			Продолжительность простоя, ч
	ТО	ТР	КР	ТО	ТР	КР
Котел	-	6	5	-	115	289
Топка	2	-	4	24	-	624

Согласно табл. 24 за год выполняются 2 ТР котла по 115 ч каждый и 6 ТО топки по 24 ч каждый. Причем ТО топки совмещается с ТР котла, и тогда суммарное время остановок на ТР и ТО составляет 4×24+115×2=326 ч.

За 10 лет (нормативный срок службы котло-печного агрегата) на КР котел необходимо останавливать 2 раза. Одновременно проводится КР топки, продолжительность которого превышает продолжительность КР котла. Тогда суммарное время остановок на КР составляет 624 ч в расчете на 5 лет. Продолжительность капитального ремонта кирпичной футеровки котло-печных агрегатов в среднем составляет 10 сут, для новой футеровки (бетонной) продолжительность примерно в 2 раза меньше, т. е. 5 сут (120 ч) [15]. Следовательно время остановок на капитальный ремонт Т_КР =624-120=504 ч/5 лет или 100,8 ч/год.

Эффективный (плановый) годовой фонд времени работы оборудования Т_ЭФ определяется по формуле:

,                                 (117)

где Т_Н - номинальный период (время работы по графику работ предприятия), равный для непрерывного производства 365 дн; Т_ППР - плановый фонд простоя оборудования в течение года для ремонтов по графику планово-предупредительных ремонтов, дн; Т_ПК - время простоя для ремонта коммуникаций, дн.

Т_ЭФ=365×24-100,8-326=8333,2 ч.

До модернизации Т_ЭФ=340×24=8160 ч. Увеличение Т_ЭФ после модернизации составит 8333,2-8160=173,2 ч.

.2 Расчет капитальных вложений на модернизацию

Капитальные вложения - один из важнейших технико-экономических показателей любого нововведения и наряду со снижением себестоимости продукции имеет решающее значение при оценке экономической эффективности модернизации.

Стоимость оборудования после модернизации определена по формуле:

,                           (118)

где С_ДО - балансовая стоимость оборудования до модернизации, р.; Ц_ПР - стоимость вновь проектируемых узлов и деталей, р.; З_М - затраты на монтаж вновь устанавливаемых узлов и деталей, р. (13,5 %) [47]; З_Д - затраты на демонтаж аннулируемых узлов и деталей, р. (4 %) [47]; С_Л - ликвидационная стоимость узлов и деталей, аннулируемых при создании нового оборудования, р.

Затраты на демонтаж и монтаж определяются процентом от стоимости монтируемого оборудования. Балансовая стоимость действующего оборудования (С_ДО) в расчетах принята на основе бухгалтерского расчета предприятия, Ц_ПР рассчитана на основе средних цен на оборудование и материалы. Ликвидационная стоимость С_Л определена следующим методом: для демонтируемых узлов, реализуемых как металлом - по цене металлолома; для деталей и узлов, которые могут быть использованы в производстве - по их стоимости с учетом процента износа.

Капитальные вложения на модернизацию равны:

.                                     (119)

Балансовая стоимость котло-печного агрегата равна Ф_ВОССТ=104 916 610 руб. Остаточная стоимость на 31 декабря 2006 г составила Ф_ОСТ=82 377 172 руб. Износ, начисленный к концу декабря 2006 г, равен И=22 539 438 руб. Таким образом, С_ДО=82 377 172 руб.

Стоимость внедряемого, демонтируемого оборудования и затраты на монтаж, демонтаж представлены в табл. 25.

Таблица 25

Капитальные вложения при модернизации

Наименование оборудования, внедряемого в модернизации	Цена за единицу, руб	Количество	Суммарная цена, руб
Форсунки центробежные	10 500	8 шт	84 000
Калорифер ВНП123-412-01АУ3	46 620	8 шт	372 960
Футеровка бетонная АЛКОРИТ -85/06	20 300	121,5 т	2 466 450
Повороты газоходов	51,2	4066 кг	208 180
ИТОГО:			3 131 590
КИПиА
Термоэлектрический преобразователь ХА, материал чехла 12Х18Н10Т КТХА 01.07-С10-И-10-1200.	2 000	2 шт	4 000
Термопреобразователь сопротивления ТСПТ 101 Pt100-А4-10	780	4 шт	3 120
Преобразователь Siemens Sitrans P, ser. Z 7MF1563	5 600	4 шт	22 400
Диафрагма камерная	3 750	4 шт	15 000
Продолжение табл. 25
Преобразователь разности давлений "Сапфир-22ДД"	12 400	4 шт	49 600	14 200	4 шт	56 800
ИТОГО:			150 920
ИТОГО ОБОРУДОВАНИЕ И КИПиА:			3 282 510
Затраты на монтаж нового оборудования			443 139
Стоимость демонтируемого оборудования
Футеровка МКС-72	16 100*	73,37 т	1 181 257
Форсунки центробежные базовые	9 500	8 шт	76 000
Заменяемые повороты газоходов	7 050	2,97 т	20 939
ИТОГО:			1 278 196
Затраты на демонтаж оборудования			51 128
Капитальные затраты на модернизацию			2 498 581

* - с учетом износа и степени пригодности для дальнейшего использования.

Тогда

.

.

.3 Амортизация основных фондов

Амортизацией называется постоянное перенесение стоимости основных фондов на готовый продукт. Амортизация осуществляется в целях накопления средств для последующего полного или частичного восстановления основных фондов. Она учитывается в себестоимости продукции в виде амортизационных отчислений от стоимости основных фондов. Амортизационные отчисления используют на полное восстановление (реновацию) основных фондов [48]. Годовая сумма амортизационных отчислений А_Г, начисленная по остаточной стоимости (в руб.):

,                                           (120)

где Ф_ОСТ - остаточная стоимость ОПФ, руб; Н_А - норма амортизационных отчислений, %.

Амортизационные отчисления производятся по нормам амортизации. Норма амортизации Н_А - это отношение суммы годовых амортизационных отчислений к первоначальной стоимости ОПФ, выраженное в процентах [48]. Норма амортизации для оборудования сернокислотного производства на ОАО "Аммофос" составляет 10 %. Тогда до модернизации (базовый агрегат):

.

После модернизации:

.

Увеличение амортизационных отчислений 8487575,3-8237717,2=249858,1 руб. Месячные амортизационные отчисления 249858,1/12=20821,5 руб.

.4 Пересчет годовой мощности производства

Производственная мощность предприятия, цеха, участка - это способность закрепленных за ними средств труда (технологической совокупности машин, оборудования и производственных площадей) к максимальному выпуску продукции за год (сутки, смену) в соответствии с установленной специализацией, кооперированием производства и режимом работы [49].

При расчете производственной мощности предприятия принимается максимально возможный плановый (эффективный) годовой фонд времени работы оборудования. Для агрегатов непрерывного действия (химические агрегаты) плановый (эффективный) фонд времени рассчитывается по формуле (117).

Производственная мощность предприятия определяется по мощности основных (ведущих) производственных единиц: цехов, участков. Производственная мощность цехов, участков определяется по мощности основного технологического оборудования: агрегатов, установок, групп оборудования и т. д. Ведущим отделением сернокислотного производства является печное, а ведущим оборудованием печного отделения - энерготехнологический котел.

Расчета производственной мощности осуществляем по формуле:

,                                        (121)

где N=1 - число единиц оборудования данного вида; Т_ЭФ=8333,2 - плановый эффективный фонд времени работы единицы оборудования, ч; П_Ч=75,95 - почасовая производительность оборудования, т/ч.

.

Увеличение годовой мощности (дополнительная годовая выработка) составит 632906,5-620000=12906,5 т.

13.5 Себестоимость продукции

Себестоимость продукции - это выраженные в денежной форме текущие затраты предприятия на производство и реализацию продукции. Себестоимость продукции является важнейшим показателем, в котором отражаются все успехи и недостатки производственно-хозяйственной деятельности предприятия [48].

При планировании, учете и анализе себестоимости составляющие ее виды затрат объединяются по какому-либо общему признаку в ограниченное число групп, т. е. производится классификация затрат, составляющих себестоимость продукции.

Классификация затрат по статьям калькуляции представляет собой деление по производственному назначению и месту возникновения в процессе производства и реализации продукции, носит рекомендательный характер и включает следующие типовые затраты [48]: сырье и материалы; возвратные отходы (вычитаются); покупные изделия, полуфабрикаты и услуги производственного характера сторонних предприятий и организаций; топливо и энергия на технологические нужды; затраты на основную заработную плату производственных рабочих; дополнительная заработная плата производственных рабочих; единый социальный налог; расходы на подготовку и освоение производства; расходы на содержание и эксплуатацию оборудования; общепроизводственные расходы; общехозяйственные расходы; прочие производственные расходы; потери от брака; внепроизводственные расходы.

Классификация по калькуляционным статьям расходов служит основой для разработки калькуляции себестоимости отдельных видов продукции, работ и услуг, всей товарной продукции предприятия.

По зависимости от изменения объема производства затраты делятся на условно-переменные и условно-постоянные. К условно-переменным относятся затраты, общий абсолютный размер которых на весь выпуск изменяется прямо пропорционально изменению объема продукции, но остается неизменным по отношению к единице продукции или же незначительно изменяется при изменении объема производства, но не в прямой пропорции. Это затраты на сырье, материалы, топливо, энергию для технологических целей, заработную плату основных производственных рабочих-сдельщиков [50].

К условно-постоянным относятся затраты, абсолютный размер которых на весь выпуск продукции остается постоянным или изменяется в незначительной степени при изменении объема выпуска (например, заработная плата производственных рабочих-повременщиков, подавляющая часть накладных расходов). Следовательно, эти затраты на единицу продукции изменяются в обратно пропорциональной зависимости и являются таким образом, в случае роста объема производства, источником снижения себестоимости продукции [50].

В зависимости от объема включаемых затрат на промышленном предприятии выделяют следующие виды себестоимости: цеховую; производственную; полную.

Цеховая себестоимость продукции включает затраты всех цехов, связанных с изготовлением данной продукции. Производственная себестоимость охватывает расходы предприятия в целом на производство продукции и рассчитывается путем прибавления к цеховой себестоимости общепроизводственных и других расходов. Полная себестоимость продукции содержит затраты предприятия на производство и реализацию продукции и исчисляется путем прибавления к производственной себестоимости внепроизводственных расходов [49].

Определение затрат по отдельным статьям калькуляции основано на нормативном расчете прямых затрат на изготовление продукции и распределении косвенных расходов на себестоимость конкретных видов продукции [48, 49, 50].

Затраты на сырье и материалы рассчитываются путем умножения нормы расхода данного ресурса на его цену. К результату прибавляют транспортно-заготовительные расходы и вычитают стоимость возвратных отходов по цене их реализации (использовании).

Аналогично материалам исчисляются затраты по статье "Топливо и энергия на технологические нужды" - путем умножения нормы расхода топливно-энергетических ресурсов на единицу продукции на соответствующие цены.

Затраты на основную заработную плату производственных рабочих определяются умножением заработной платы отдельных работников на их количество и суммированием полученных значений. В эту же статью включаются доплаты по сдельно-премиальным системам оплаты труда и премии рабочим-повременщикам. Дополнительная заработная плата производственных рабочих включается в себестоимость пропорционально основной.

Единый социальный налог берется по установленной норме (26 %) от основной и дополнительной заработных плат.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования могут распределяться на себестоимость следующими способами: с помощью сметных ставок (расчет производится по фактически отработанным коэффициентам машино-часов); прямым расчетом; пропорционально основной заработной плате основных производственных рабочих.

Общепроизводственные (цеховые) расходы распределяются по отдельным видам продукции пропорционально основной заработной плате производственных рабочих. Общехозяйственные расходы распределяются между себестоимостями различных видов продукции, аналогично цеховым расходам.

Прочие производственные расходы могут распределяться двумя методами: прямо включаться в себестоимость соответствующего вида продукции; распределяться между отдельными видами продукции пропорционально их производственной себестоимости.

Внепроизводственные расходы распределяются на себестоимость отдельных видов продукции пропорционально их производственной себестоимости.

Себестоимость серной кислоты рассчитана на весь выпуск за год и на 1 т. Базовая калькуляция себестоимости приведена в табл. 26.

Таблица 26 Калькуляция себестоимости серной кислоты до модернизации

Годовой выпуск, т/год					620000
Статья расхода	Ед. изм.	Цена, руб	На весь выпуск		На 1 т
			Кол.	Сумма, тыс. руб.	Кол.	Сумма, руб.
1	2	3	4	5	6	7
1. Сырье и материалы
Сера	т	711,36	208940	148631,56	0,337	239,73
Всего по ст. 1				148631,56		239,73
2. Вспомогательные материалы
Сода кальцинированная	кг	2,12	33480	70,98	0,054	0,11
Контактная масса	кг	37,29	62000	2311,98	0,1	3,73
Известь строительная	кг	0,73	24118	17,61	0,0389	0,03
Всего по ст. 2				2400,56		3,87
3. Топливо на технол. цели
Газ природный	тут	700	12400	8680,00	0,02	14,00
Всего по ст. 3				8680,00		14,00
4. Энергия на технол. цели
Вода питательная	м3	8,25	855600	7058,70	1,38	11,39
Вода оборотная	м3	0,237	30008000	7111,90	48,4	11,47
Электроэнергия	кВт×ч	0,85	32116000	27298,60	51,8	44,03
Пар (Р=0,6 МПа; Т=158оС)	Гкал	150	8060	1209,00	0,013	1,95
Технологическая вода (речная)	м3	0,77	148800	114,58	0,24	0,18
Всего по ст. 4				42792,77		69,02
5. Основная и  дополнительная зарплата	руб			3174,40		5,12
6. Единый социальный налог	руб			825,34		1,33
7. Расходы на содержание  и эксплуатацию оборудования
Амортизация оборудования	руб			3788,20		6,11
Текущий и капитальный ремонт	руб			22561,80		36,39
Всего по ст . 7	руб			26350,00		42,50
8. Цеховые расходы	руб			15655,00		25,25
9. Попутная продукция  (вычитается): пар КУ	Гкал	161,21	531960	85757,27	0,858	138,32
10. Цеховая себестоимость	руб			162752,37		262,50
11. Общезаводские расходы	руб			27900,00		45,00
12. Внепроизводственные расходы	руб			9300,00		15,00
13. Полная себестоимость	руб			199952,37		322,50

При расчете себестоимости продукции после модернизации учтены: изменившиеся расходные коэффициенты на электроэнергию (52,44 вместо 51,8 кВт×ч/т), пар Р=0,6 МПа и t=158°С (0,097 вместо 0,013 Гкал/т). Выход пара составит 0,99 вместо 0,858 Гкал/т. Значения вычислены ранее в п. 9.1, 9.5, 9.6. Новая себестоимость дана в табл. 27. Себестоимость без учета увеличения мощности приведена в прил. 2.

Таблица 27 Калькуляция себестоимости серной кислоты после модернизации с учетом увеличения годовой мощности

Годовой выпуск, т/год					632906,54
Статья расхода	Ед. изм.	Цена, руб	На весь выпуск		На 1 т
			Кол.	Сумма,  тыс. руб.	Кол.	Сумма, руб.
1	2	3	4	5	6	7
1. Сырье и материалы
Сера	т	711,36	213289,504	151725,62	0,337	239,73
Всего по ст. 1				151725,62		239,73
2. Вспомогательные материалы
Сода кальцинированная	кг	2,12	34176,95	0,054	0,11
Контактная масса	кг	37,29	63290,65	2360,11	0,1	3,73
Известь строительная	кг	0,73	24620,06	17,97	0,0389	0,03
Всего по ст. 2				2450,54		3,87
3. Топливо на технол. цели
Газ природный	тут	700	12658,13	8860,69	0,02	14,00
Всего по ст. 3				8860,69		14,00
4. Энергия на технол. цели
Вода питательная	м3	8,25	873411,03	7205,64	1,38	11,39
Вода оборотная	м3	0,237	30632676,5	7259,94	48,4	11,47
Электроэнергия	кВт×ч	0,85	33189619	28211,18	52,44	44,57
Пар (Р=0,6 МПа; Т=158оС)	Гкал	150	61391,9	9208,79	0,097	14,55
Технологическая вода (речная)	м3	0,77	151897,57	116,96	0,24	0,18
Всего по ст. 4				52002,51		82,16
5. Основная и дополнительная зарплата	руб			3174,40		5,02
6. Единый социальный налог	руб			825,34		1,30
7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
Амортизация оборудования	руб			4038,06		6,38
Текущий и капитальный ремонт	руб			22561,80		35,65
Всего по ст . 7	руб			26599,86		42,03
8. Цеховые расходы	руб			15655,00		24,74
9. Попутная продукция (вычитается): пар КУ	Гкал	161,21	626577,47	101010,55	0,99	159,60
10. Цеховая себестоимость	руб			160283,41		253,25
11. Общезаводские расходы	руб			27900,00		44,08
12. Внепроизводственные расходы	руб			9300,00		14,69
13. Полная себестоимость	руб			197483,41		312,03

Таким образом, снижение себестоимости серной кислоты произойдет за счет увеличения годового объема выпуска серной кислоты и паропроизводительности агрегата.

.6 Расчет эффективности капитальных вложений

Экономическая эффективность - это результативность производственной деятельности, представляющая собой соотношение между социально-экономическими результатами и затратами живого овеществленного труда, ресурсами, выражающими достигнутый уровень развития производительных сил и степени их использования [48].

Виды экономической эффективности: общая (абсолютная) экономическая эффективность производства; сравнительная эффективность. Сравнительная эффективность определяется при отборе наиболее оптимального (эффективного) варианта, решения научно-технической и организационной разработки или инженерного решения.

Экономический эффект определяется по формуле:

,                                    (122)

где Е_Н=0,33 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений в химической промышленности; К_М - дополнительные капитальные вложения на модернизацию, руб; DП - увеличение прибыли, определяемое по формуле, руб:

,                                   (123)

где С₁ - себестоимость продукции базового агрегата, руб/т; С₁ - себестоимость продукции после модернизации, руб/т; Q₂ - годовой выпуск продукции после модернизации, т/год.

.

.

Фактический срок окупаемости капитальных вложений рассчитывается по формуле:

,                                        (124)

где  - нормативный срок окупаемости, для химической промышленности равный 3 года.

, т. е. фактический срок окупаемости капитальных вложений составит 4,6 мес. Сводная таблица технико-экономических показателей до и после модернизации представлена ниже.

Таблица 28

Технико-экономические показатели производства

Технико-экономические показатели	Значение
	до  модернизации	после  модернизации
Годовая мощность производства по серной кислоте, т/год	620000	632907
Паропроизводительность агрегата, т/т	1,09	1,25
Удельные затраты электроэнергии, кВтч/т	51,8	52,44
Потребность производства в паре Р=0,6 МПа, t=158 С, Гкал/т	0,013	0,097
Годовой выпуск продукции на одного рабочего, т/чел	9687,5	9889,2
Себестоимость серной кислоты, руб/т	322,5	312,03
Увеличение прибыли за год, руб.	-	6 631 365
Годовой экономический эффект, руб.	-	5 799 338
Дополнительные капитальные вложения, руб.	-	2 498 581
Фактический срок окупаемости капитальных вложений, месс.	-	4,6

Данные табл. 28, свидетельствуют, что предлагаемая модернизация экономически оправдана, так как приведет к снижению себестоимости серной кислоты, увеличению годовой мощности производства и выработки пара энергетических параметров. Срок окупаемости капитальных вложений составит 4,6 мес.

Заключение

В данном дипломном проекте выполнен аналитический обзор литературных источников и патентной информации, на основании чего были определены недостатки действующих агрегатов и сформулированы основные направления модернизации: замена форсунок, предварительный подогрев воздуха перед подачей его в топку, замена футеровки топки с кирпичной на бетонную, добавление дополнительного ряда сопел подачи воздуха в топочное пространство циклонов, компенсация потерь давления по газоходам системы.

Далее выполнено технико-экономическое обоснование предлагаемых решений модернизации. Установлено, что модернизация должна в конечном итоге привести к снижению себестоимости серной кислоты за счет увеличения паропроизводительности и годовой мощности производства.

Рассмотрены характеристика сырья, материалов и готовой продукции, а также физико-химические основы процесса горения серы, на основании чего выделены основные закономерности горения серы.

Для проектирования выбрана технологическая схема № 2 производства серной кислоты из серы, реализованная на ОАО "Аммофос".

Рассчитан материальный баланс циклонной топки. Предлагаемая модернизация не влияет на материальные потоки, т. е. не изменяет материальный баланс стадии сжигания серы.

Выполнен расчет теплового баланса до и после модернизации. Определена температура воздуха для подачи его в топку (140 °С) и дополнительное количество тепла, которое утилизируется с образованием пара высоких параметров.

Расчет основного оборудования позволил:

–       выбрать оптимальный вариант новых форсунок;

–       оставить размеры топки без изменения (для повышения полноты выгорания серы);

–       определить толщину новой футеровки (280 мм), повышение аэродинамического сопротивление агрегата после модернизации и предложить решения по компенсации выросшего сопротивления.

Для расчета размеров топки составлена математическая модель времени пребывания газов в циклонных топках. Модель реализована в среде MathCad.

Для обеспечения нормальной работы основного оборудования было рассчитано и выбрано вспомогательное оборудование: блоки калориферов. Проведен проверочный расчет схемы утилизации тепла составными элементами котла, установлено, что технологические параметры после модернизации будут соответствовать нормам технологического режима.

Механические расчеты подтвердили, что условие прочности сохраняется.

Для автоматического управления новым оборудованием разработана схема автоматизации и подобраны соответствующие приборы, средства контроля и регулирования.

В разделе "Безопасность жизнедеятельности" приведена общая характеристика безопасности печного отделения сернокислотного производства, установлены наиболее опасные и вредные производственные факторы, указаны мероприятия для их снижения. Рассмотрены вопросы пожарной и электробезопасности, приведены мероприятия по устранению (предотвращению) влияния вредных и опасных факторов, а также средства защиты. Выполнена комплексная оценка тяжести труда аппаратчика участка обжига. Рассмотрены вопросы охраны окружающей среды.

В разделе "Экономика и организация производства" рассчитана экономическая эффективность капитальных вложений на модернизацию (5 799 338 руб), срок окупаемости проектных решений составит 4,6 мес., себестоимость серной кислоты после модернизации (312,03 руб), дополнительная годовая выработка (12907 т/год), приведены основные технико-экономические показатели производства.

Таким образом, поставленные перед проектированием задачи удалось решить в полном объеме.

Предлагаемую модернизацию возможно осуществить на действующем производстве в рамках капитального ремонта оборудования печного отделения в сернокислотной системе № 2.

модернизация печной агрегат сжигание

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Сущев В.С., Филатов Ю.В. Состояние и перспективы развития производств серной кислоты // Реферативный журнал "Химия. Технология неорганических веществ и материалов". - М.: ВИНИТИ, 2003. - № 1. - С. 2.

2.       Семагина А.Н. Экологические проблемы основной химической промышленности // Реферативный журнал "Химия. Технология неорганических веществ и материалов". - М.: ВИНИТИ, 2005. - № 7. - С. 1.

.        Игин В.В. и др. Ресурсо- и энергосберегающие технологии серной кислоты // Реферативный журнал "Химия. Технология неорганических веществ и материалов". - М.: ВИНИТИ, 2004. - № 6. - С. 1.

.        Филатов Ю.В. и др. Опыт эксплуатации реконструированных сернокислотных систем на сере с использованием энерготехнологических котлов РКС-95/40 // Мир серы, N, P и K. - 2005. - № 2. - С. 9 - 17.

.        Васильев Б.Т., Отвагина М.И. Технология серной кислоты. - М.: Химия, 1985. - 384 с.

.        Шварцштейн Я.В., Кузьмин Г.А. Получение сернистого газ из элементарной серы. М.: Химия, 1972. - 160 с.

.        Пажи Д.Г., Корягин А.А., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. - М.: Химия, 1975. - 200 с.

.        Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256 с.

.        Пажи Д.Г., Галустов В.С. Распылители жидкостей. - М.: Химия, 1979. - 216 с.

.        Справочник сернокислотчика / Под ред. К.М. Малина. - М.: Химия, 1971. - 744 с.

.        Пат. 2105242 Российская Федерация, МПК7 F 23 D 11/04. Механическая форсунка/ Гудымов Э.А. и др.; заявитель и патентообладатель АООТ "Научно-исследовательский и проектный институт азотной промышленности и продуктов органического синтеза". - № 94017103/63; заявл. 10.05.94; опубл. 20.02.98, Бюл. № 5. - 3 с. : ил.

.        А. с. 1536161 СССР, МКИ3 F 23 D 11/04. Форсунка / Н.А. Юхтин (СССР). - № 3974027/24-06; заявл. 10.11.85; опубл. 15.01.90, Бюл. № 2. - 3 с.: ил.

.        А. с. 1800229 СССР, МКИ3 F 23 D 11/04. Двухсопловая форсунка/ Г.Н. Гольдин и И.И. Стриха (СССР). - № 4874427/06; заявл. 15.10.90; опубл. 07.03.93, Бюл. № 9. - 3 с.: ил.

.        Пат. 2079783 Российская Федерация, МПК7 F 23 D 11/10. Пневматическая форсунка / Л.В. Калашников, Г.Л. Калашников. - № 93003565/06; заявл. 28.01.93 ; опубл. 20.05.97. - 6 с. : ил.

.        Денисов Д.Е. и др. Огнеупоры (жаростойкие) бетоны для предприятий нефтепереработки и нефтехимии // Химия и технология топлив и масел. - 2004. - № 4. - С. 21-24.

.        Денисов Д.Е., Жидков А.Б. Топки с футеровкой из огнеупорного бетона // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2006. - № 5. - С. 17-19.

.        Временный технологический регламент производства серной кислоты ОАО "Аммофос" (Технологическая система СК-600) № 210-2.

.        Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. 1. - СПб.: АНО НПО "Мир и семья", АНО НПО "Профессионал", 2002. - 988 с.

.        Амелин А.Г. Технология серной кислоты. - М.: Химия, 1971. - 496 с.

.        Сера как сырье для производства серной кислоты (свойства, способы получения, подготовка серы и кинетика ее горения). Васильев Б. Т., Шемякин А.П., Добросельская Н.П. Обзор. Инф. Серия Минеральные удобрения и серная кислота. - М.: НИИТЭХИМ, 1985. - 45 с

.        Шелякин А.П. и др. Горение капель серы и переход диффузионного горения во взрывное // Журнал прикладной химии. - 1984. - № 4. -С. 919-921.

.        Шелякин А.П. и др. Горение диспергированной жидкой серы в циклонной камере под давлением // Журнал прикладной химии. - 1980. - № 4. -С. 813-816.

.        Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. - СПб.: "Иван Федоров", 2003. - 240 с.

.        Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов / Под ред. П.Г. Романкова. - Л.: Химия, 1981.-560 с.

.        Шелякин А.П., Дорман Е.И. Распыливание жидкой серы механическими форсунками // Химическая промышленность. - 1976. - № 6. - С. 55 - 57.

.        Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. - Л.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

.        Основы проектирования химических производств: Учебник для вузов / Под ред. А.И. Михайличенко. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. - 332 с.

.        Котенко В.А., Аксенчик К.В., Левин Н.В. Моделирование времени пребывания газа в циклонных топках для сжигания серы // Материалы и технологии ХХI века: Сборник статей V Международной научно-технической конференции. - Пенза: АНОО "Приволжский Дом знаний", 2007. - С. 133 - 135.

.        Котенко В.А., Аксенчик К.В., Левин Н.В. К вопросу определения времени пребывания газа в циклонных топках для сжигания серы // Качество науки - качество жизни "Quality of a science - quality of life": Материалы 3-й Международной научно-практической конференции: 26-27 февраля 2007 г. - Тамбов: ОАО "Тамбовполиграфиздат", 2007. - С. 244 - 246.

.        Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. - Л.: Химия, 1975. - 432 с.

.        Рейсхфельд В.О., Еркова Л.Н. Оборудование производств основного органического синтеза и синтетических каучуков. - Л.: Химия, 1974. - 440 с.

.        Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах // Под ред. Г.Ф. Кнорре. - М. - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958. - 330 с.

.        Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 2002. - Т. 1. - 400 с.

.        Маньковский О.Н. И др. Теплообменная аппаратура химических производств. Инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1976. - 368 с.

.        Теплотехнический справочник. Т. 2 / Под общ. Ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1976. - 896 с.

.        Новожилов В.Н. Пути снижения гидравлического сопротивления газоходов сернокислотной системы // Химическая промышленность. - 2002. - № 12. - С. 49. - 53.

.        Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

.        Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического оборудования: Справочник. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - Т. 1. - 852 с.

.        Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. - М.: Высш. шк., 1986. - 280с.

.        Автоматизация управления сернокислотным производством / Бернштейн И.М., Васильев Б.Т., Голант А.И. И др. - М.: Химия, 1975. - 248 с.

.        Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учеб. для техникумов. - М.: Химия, 1985. - 352 с.

.        Теплоэнергетика и теплотехника: Справочник в 4 кн. Книга вторая. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / Под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 564 с.

.        Кукин П.П., Лапин В.А., Подгорных Е.А. и др. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (охрана труда). Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1999. - 317 с.

.        Безопасность труда в химической промышленности / Под ред. Л.К. Марининой. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 528 с.

.        Кудрявцева Л.Ю. БЖД. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям. Череповец: ЧГУ, 2000. 30 с.

.        Система технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий химической промышленности. - М.: Химия, 1986. - 352 с.

.        Методические указания к расчету экономической эффективности курсовых и дипломных проектов. - Череповец: ЧГУ, 2003. - 18 с.

.        Экономика предприятия: Учеб. для вузов / Под ред. П.П. Табурчака и В.М. Тумина. - Ростов н/Д: Феникс, 2002. - 320 с.

.        Экономика химической промышленности / Под ред. В.Л. Клименко. - Л.: Химия, 1990. - 286 с.

.        Организация, планирование и управление химическим предприятием: Учебник для вузов / Под ред. С.К. Давидович. - Л.: Химия, 1982. - 368 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Программные модули теплового баланса циклонной топки в среде "MathCad"

Тепловой баланс топки до модернизации

Блок инициализации исходных данных

Массовый расход серы, кг/ч ; теплоемкость серы при температуре tS, кДж/кг×К ; температура жидкой серы на форсунки, °С ; температура воздуха, °С ; теплоемкость жидкой серы при температуре 362,3 °С ; температура кипения серы, °С ; теплота испарения серы, кДж/кг ; концентрация диоксида серы в печном газе, % об. ; задаваемая температура печного газа, °С ; потери тепла в окружающую среду, % от прихода тепла ; количество исходных веществ n:=3; количество конечных веществ l:=3; температура процесса, °С .

Состав печных газов, % об.: диоксид серы , кислород ; азот.

Матрица стехиометрических коэффициентов исходных и конечных веществ:

Матрица коэффициентов уравнения регрессии для теплоемкостей исходных веществ:

Матрица коэффициентов уравнения регрессии для теплоемкостей конечных веществ:

Матрица стандартных энтальпий образования исходных и конечных веществ, кДж/моль:

Блок математической модели изменения теплоемкости химического превращения

Блок предназначен для расчета DС_Р участников реакции.

. Блок математической модели энтальпии химического превращения

Блок предназначен для расчета теплового эффекта химической реакции при реальных условиях. Вычисленное значение равно .

Блок расчета объема печного газа

Блок предназначен для расчета объема печных газов при н. у., образующихся при сжигании в топке заданного количества серы. Результат равен нм³/ч.

Блок расчета массы сухого воздуха, подаваемого в топку

Блок предназначен для расчета массы сухого воздуха, поступающего в топку. Масса воздуха равна кг/ч.

Блок расчета тепловых потоков теплового баланса

Физическое тепло жидкой серы

Блок расчета теплоемкости сухого воздуха

Блок предназначен для расчета теплоемкости воздуха. кДж/кг×К.

Физическое тепло осушенного воздуха

Тепло экзотермической реакции горения серы

Суммарный приход тепла в топку

Тепло, требующееся для нагрева серы до температуры кипения

Тепло испарения серы

Тепловые потери

Физическое тепло печных газов

Модель средней теплоемкости печного газа

Блок предназначен для расчета теплоемкости печных газов по правилу аддитивности.

Блок итерационного расчета температуры печного газа

Расчет температуры и теплоемкости печного газа

Физическое тепло печных газов при рассчитанной температуре

Блок формирования матрицы результатов моделирования

Результаты моделирования теплового баланса

Матрица DATA(mS) содержит значения потоков тепла в кДж: Q₁, Q₂, Q₃, Q_ПРИХ, Q₄, Q₅, Q₆, Q₇, Q_РАСХ соответственно.

Тепловой баланс топки после модернизации

Программные модули те же, что и в тепловом балансе до модернизации. Отличие заключается в блоке итерационного расчета температуры воздуха (вместо блока итерационного расчета температуры печного газа):

Начальное приближение температуры воздуха, °С .

Блок итерационного расчет температуры воздуха

°С.

Исследование зависимости температуры печных газов от температуры воздуха

Для получения графической зависимости, представленной на рис. 9, изменяли значение температуры воздуха tV в интервале 40 - 140 °С с шагом в 20 °С. В результате были получены следующие значения температуры печных газов, °С.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Калькуляция себестоимости серной кислоты после модернизации без учета увеличения годовой мощности

Годовой выпуск, т/год					620000
Статья расхода	Ед. изм.	Цена, руб	На весь выпуск		На 1 т
			Кол.	Сумма,  тыс. руб.	Кол.	Сумма, руб.
1	2	3	4	5	6	7
1. Сырье и материалы
Сера	т	711,36	208940	148631,56	0,337	239,73
Всего по ст. 1				148631,56		239,73
2. Вспомогательные  материалы
Сода кальцинированная	кг	2,12	33480	70,98	0,054	0,11
Контактная масса	кг	37,29	62000	2311,98	0,1	3,73
Известь строительная	кг	0,73	24118	17,61	0,0389	0,03
Всего по ст. 2				2400,56		3,87
3. Топливо на технол. цели
Газ природный	тут	700	12400	8680,00	0,02	14,00
Всего по ст. 3				8680,00		14,00
4. Энергия на технол. цели
Вода питательная	м3	8,25	855600	7058,70	1,38	11,39
Вода оборотная	м3	0,237	30008000	7111,90	48,4	11,47
Электроэнергия	кВт×ч	0,85	32512800	27635,88	52,44	44,57
Пар  (Р=0,6 МПа; Т=158оС)	Гкал	150	60140	9021,00	0,097	14,55
Технологическая вода (речная)	м3	0,77	148800	114,58	0,24	0,18
Всего по ст. 4				50942,05		82,16
5. Основная и дополнительная зарплата	руб			3174,40		5,12
6. Единый социальный налог	руб			825,34		1,33
7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
Амортизация оборудования	руб			4038,06		6,51
Текущий и капитальный ремонт	руб			22561,80		36,39
Всего по ст . 7	руб			26599,86		42,90
8. Цеховые расходы	руб			15655,00		25,25
9. Попутная продукция (вычитается): пар КУ	Гкал	161,21	613800	98950,70	0,99	159,60
10. Цеховая себестоимость	руб			157958,08		254,77
11. Общезаводские расходы	руб			27900,00		45,00
12. Внепроизводственные расходы	руб			9300,00		15,00
13. Полная себестоимость	руб			195158,08		314,77