СПОСОБ СУШКИ САЖИ
METHOD OF DRYING CARBON BLACK

Изобретение относится к химико-технологическим процессам и может быть использовано при сушке влажной гранулированной сажи.
3
3
3
Технологическая схема производства сажи включает процесс неполного сжигания в основном жидких углеводородов с последующим разделением газообразных продуктов реакции и сажи. Образования гранул сажи происходит при интенсивном смешении пылящей сажи с водой в соотношении ~1:1 с последующей сушкой влажной гранулированной сажи в сушильном барабане [1]. Сушка влажной гранулированной сажи осуществляется высокотемпературным дымовым газом, образующимся при сжигании углеводородного топлива и чаще всего - природного газа с теплотой сгорания около 8000 ккал/м, расход которого составляет 120÷130 м на 1 т сухой гранулированной сажи. С целью снижения затрат для сушки влажной гранулированной сажи в качестве топлива применяют газообразные продукты процесса сажеобразования с теплотой сгорания 500÷700 ккал/м. Обычно осуществляют комбинированную подачу топлива, при которой природный газ используют в качестве подсветки для повышения полноты горения сравнительно низкокалорийного отходящего газа.
Известен способ сушки влажных гранул сажи, в котором сушка осуществляется высокотемпературным дымовым газом, образующимся при сжигании предварительно осушенных газообразных продуктов сажеобразования [2]. Удаление влаги из отходящих газообразных продуктов осуществляется в скруббере орошением циркулирующей водой.
3
2
2
2
2
Для получения 4÷6 т/ч сухой гранулированной сажи необходимо произвести осушку 6000÷8000 м/ч газообразных продуктов сажеобразования с температурой около 200÷220°C, содержащих CO, SO, HS, CS и остатки неуловленной сажи. Для этой цели требуется 25÷30 т/ч охлаждающей воды, которая при циркуляции через скруббер превращается в горячую пульпу с pH 4÷5. Затраты на циркуляцию, охлаждение, нейтрализацию и утилизацию пульпы вместе с затратами на кислотостойкое оборудование системы осушки многократно превосходят экономический эффект от использования в качестве топлива осушенного газа, что является недостатком данного способа сушки.
Известен способ сушки влажной гранулированной сажи, в котором производится сжигание с воздухом топлива, включающего газообразные продукты процесса сажеобразования, с последующим разделением образовавшихся высокотемпературных газов на 2 потока, причем первый поток подается на наружный обогрев барабана, а второй - после разбавления охлажденным влажным газом, рециркулируемым из сушильного барабана, подается внутрь барабана для контакта с влажными гранулами сажи [3].
Недостатком данного способа является низкая эффективность сушки, обусловленная высокой влажностью дымового газа, просасываемого через сушильный барабан, так как влагосодержание рециркулируемого охлажденного газа, подаваемого на вход сушильного барабана, достигает 60÷65% и это приводит к уменьшению скорости испарения влаги и к снижению производительности сушильного барабана и всей технологической линии.
Известен способ сушки гранулированной сажи, выбранный в качестве прототипа, в котором наружная поверхность сушильного барабана обогревается высокотемпературным газом, образующимся при сжигании топлива, включающего газообразные продукты процесса сажеобразования, с последующей его подачей внутрь сушильного барабана для контакта с влажной гранулированной сажей, причем воздух на сжигание топлива подается с избытком 5÷10% [4].
Недостатком данного способа является низкая эффективность сушки, обусловленная высокой влажностью дымового газа, просасываемого через сушильный барабан, что снижает скорость массообмена между влажной гранулированной сажей и дымовым газом и приводит снижению производительности сушильного барабана.
Целью предлагаемого способа сушки влажной гранулированной сажи является повышение производительности сушильного барабана за счет повышения скорости удаления паров воды из слоя влажных гранул сажи при сушке дымовым газом, образующимся от сжигания топлива, включающего газообразные продукты процесса сажеобразования.
Поставленная цель достигается тем, что сушка гранулированной сажи, включающая подачу влажной гранулированной сажи в сушильный барабан, оборудованный наружной камерой, в которой внешнюю поверхность барабана обогревают дымовым газом, образующимся при сжигании топлива, включающего отходящий газ процесса сажеобразования, с последующей подачей дымового газа внутрь барабана, отличается тем, что в дымовой газ до контакта с гранулированной сажей подается дополнительный поток воздуха. Кроме того, дополнительный поток воздуха подают в количестве, при котором отношение концентрации кислорода в продуктах горения топлива к концентрации кислорода в дымовом газе на выходе из сушильного барабана находится в пределах 0.07÷0.77, а концентрация кислорода в продуктах горения топлива определяется из следующего соотношения:
2
T
где [O] - концентрация кислорода в продуктах горения топлива, %;
B
T
ОГ
Q, Q, Q - объемные расходы воздуха, углеводородного топлива и отходящего газа сажеобразования соответственно;
T
ОГ
3
3
3
K, K - удельные расходы воздуха для полного сжигания 1 м углеводородного топлива и отходящего газа сажеобразования соответственно, м/м;
2
2
[H], [CO], [HO] - концентрация водорода, оксида углерода в сухом отходящем газе сажеобразования и влагосодержание отходящего газа соответственно, %.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В общем случае производительность сушильного барабана зависит от скорости испарения воды с поверхности влажного материала и переноса в поток газов и определяется следующим соотношением [5]:
2
где U - количество влаги, испаряемой в ед. времени с 1 м поверхности;
W - скорость газа над материалом;
НАС
Г
ΔР=(P-Р) - разность давлений насыщенного водяного пара над поверхностью материала и в проходящем газе.
НАС
Как видно из уравнения (1), при постоянной скорости газа W и давлении насыщенного пара над поверхностью влажного материала Р скорость сушки U возрастает прямо пропорционально снижению парциального давления водяного пара в газе.
При продвижении горячего газа вдоль барабана происходит снижение температуры вследствие расходования тепла на испарение влаги с одновременным увеличением его влагосодержания. При этом в соответствии с уравнением (1) снижается скорость сушки вследствие уменьшения параметра переноса - разности парциальных давлений ΔР. Влагосодержание газа может достигать критического значения, при котором скорость сушки стремится к нулевому значению, ограничивая производительность сушильного барабана даже при значительных избытках тепловой энергии. Другими словами, необходимым условием высокой эффективности процесса сушки является поддержание максимальной величины параметра ΔР. И хотя использование газообразных продуктов процесса сажеобразования может существенно сэкономить углеводородное топливо, но их низкая теплота сгорания и высокое влагосодержание (35÷50%) создает, по крайней мере, 2 основные проблемы: обеспечение высокой полноты сжигания для получения максимального теплового эффекта и поддержание высокой скорости переноса пара из влажных гранул в дымовой газ с повышенным влагосодержанием.
Поскольку количество тепла, передаваемого от дымового газа к внешней поверхности барабана, пропорционально разности температуры дымового газа и стенки барабана, сжигание низкокалорийного и влажного отходящего газа процесса сажеобразования производят, используя обогащение топливной смеси природным газом и при минимально достаточном для полного сжигания избытке воздуха 5÷10%, как показано в прототипе [4]. При избытке воздуха 10% влажность дымового газа при сжигании природного газа составит 17% на входе в барабан, а при сжигании отходящего газа процесса сажеобразования ~35%. При увеличении избытка воздуха, подаваемого на горение топлива, влагосодержание дымового газа может быть снижено за счет увеличения общего объема дымового газа, но при этом снизится его температура, а следовательно, и подвод тепла через стенку барабана к слою влажных гранул сажи в барабане. Это в конечном итоге приведет к снижению производительности сушильного барабана, так как в тепловом балансе процесса сушки влажных гранул затраты тепла на нагревание и испарение воды и нагревание ее паров до температуры дымового газа превышают 94%. Подача дополнительного потока воздуха в сушильный барабан позволяет сохранить высокую температуру дымового газа в камере обогрева и скорость передачи тепла к влажным гранулам сажи и при этом обеспечить снижение влагосодержания дымового газа в сушильном барабане, а следовательно, повысить скорость отвода пара из слоя влажных гранул сажи и в конечном итоге повысить производительность процесса сушки.
Таким образом, дополнительная подача воздуха в сушильный барабан является существенным отличительным признаком, обеспечивающим исключение противоречия при оптимизации 2-х процессов - теплопередачи при подводе тепла, обеспечивающего испарение воды, и отвода тепла из слоя влажной гранулированной сажи в дымовой газ. При равной с прототипом температуре дымового газа и количестве передаваемого тепла через стенку барабана к слою влажной гранулированной сажи дополнительная подача воздуха внутрь сушильного барабана обеспечивает за счет большего суммарного объема газа меньшей влажности более высокую движущую силу процесса переноса влаги ΔР в течение всего процесса сушки, что в соответствии с уравнением (1) повышает скорость испарения влаги U, а следовательно, и производительность сушильного барабана. Очевидно также и то, что предлагаемый способ сушки обладает преимуществом и перед патентом [3], в котором высокотемпературный дымовой газ перед подачей внутрь барабана разбавляется рециркулируемым охлажденным влажным (60÷65%) дымовым газом, прошедшим сушильный барабан.
В способе сушки по прототипу дымовой газ, проходя через сушильный барабан, насыщается парами воды, но при этом состав сухой части этого газа, определяемый, например, с помощью газовой хроматографии, не изменяется. В предлагаемом способе сушки состав сухой части дымового газа после смешения с дополнительным потоком воздуха изменится, что наиболее значимо проявится в увеличении содержания кислорода, так как в воздухе содержится кислорода 21%, а в сухой части продуктов горения топлива не превышает 1÷6% в зависимости от соотношения расхода воздуха, природного газа и отходящего газа процесса сажеобразования, что позволяет обеспечить надежный контроль и управление влагосодержанием дымового газа, оказывающим существенное влияние на интенсивность переноса паров воды из слоя влажной гранулированной сажи в газовый поток.
Средняя влажность отходящего газа процесса сажеобразования составляет ~45%, а в таблице 1 приведен усредненный состав основных компонентов сухой части отходящего газ.
Усредненный состав отходящего газа процесса сажеобразования (% об.)
Таблица 1
CO<sub>2</sub>
CO
H<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
4
15
15
66
Минимально необходимое количество кислорода воздуха определяется из стехиометрических уравнений горения для природного газа (метана) и горючих компонентов отходящего газа сажеобразования:
3
3
3
3
T
ОГ
Согласно вышеприведенным уравнениям для сжигания 1 м природного газа необходимо K=2/0.21≈9.52 м воздуха, а для сжигания 1 м отходящего газа К=(0.5*15+0.5*15)/100*(1-45/100)/0.21≈0.393 м воздуха.
B
T
ОГ
Для известных значений Q, Q, Q по стехиометрическим уравнениям (2) определяется избыток воздуха и кислорода в нем, объем дымового газа и с учетом паров воды, поступающих с отходящим газом сажеобразования и образующихся в процессе горения, и вычисляется концентрация кислорода в сухом дымовом газе:
2
T
2
д
ИЗБ
Сравнив концентрацию кислорода [O] с концентрацией кислорода в дымовом газе на выходе сушильного барабана [O], можно получить оценку соотношения расходов дымового газа и дополнительного воздуха, подаваемого в сушильный барабан, и таким образом контролировать влагосодержание смешанного потока газов. Например, для дымового газа, образующегося при горении отходящих газов сажеобразования с коэффициентом избытка воздуха К=1.1, содержание свободного кислорода в сухих газах составляет 1%, а влагосодержание - 40%. При разбавлении дымового газа воздухом в соотношении 1:1 содержание кислорода в сухой части смешанного потока составит 13.5%, а влагосодержание снизится до 20%.
2
T
2
Д
Возможность определения влагосодержания дымового газа на входе в барабан по отношению величин [O]/[O] является особенно существенной в условиях, когда избыточное количество продуктов горения топлива выбрасывается из камеры обогрева через дымовую трубу, а его часть, поступающая в барабан, неизвестна.
На фиг.1 показана принципиальная технологическая схема мокрого гранулирования и сушки сажи, которая включает следующие последовательно соединенные аппараты:
- накопительный бункер 1 со шлюзовым питателем 2;
- гранулятор 3;
- воздушный патрубок 4 с регулируемой заслонкой;
- сушильный барабан 5 с заборным патрубком 6;
- наружная камера обогрева 7 с дымовой трубой 8, оборудованной регулируемой заслонкой 9;
- вентилятор 10 с регулируемой заслонкой 11;
- рукавный фильтр 12;
- вентилятор 13;
- циклон 14 со шлюзовым питателем 15.
Пылящая сажа в количестве 3-5 т/ч после разделения с газообразными продуктами процесса сажеобразования (отходящим газом) поступает в накопительный бункер 1, из которого шлюзовым питателем 2 подается в гранулятор 3, где при интенсивном перемешивании с водой в соотношении ~1:1 происходит образование влажных гранул сажи. Из гранулятора 3 влажная гранулированная сажа самотеком поступает в сушильный барабан 5. В наружной камере 7 сушильный барабан 5 обогревают высокотемпературным дымовым газом, образующимся при сжигании с воздухом топлива, включающего отходящий газ процесса сажеобразования. В качестве углеводородного топлива используют природный газ. Из наружной камеры обогрева 7 дымовой газ через заборный патрубок 6 поступает внутрь сушильного барабана 5 за счет разрежения, создаваемого вентилятором 10 в сушильном барабане 5 и камере обогрева 7. Кроме дымового газа в сушильный барабан подсасывается из атмосферы дополнительный поток воздуха через кольцевой зазор между корпусом камеры обогрева 7 и сушильным барабаном 5. При необходимости расход дополнительного потока воздуха может быть увеличен с помощью патрубка 4, оборудованного регулируемой заслонкой. Величина разрежения внутри барабана 4 и в камере обогрева 6, а следовательно, и расход дополнительно подсасываемого воздуха регулируется заслонкой 10 перед вентилятором 9, после которого производят отбор дымового газа для определения его состава.
Вентилятором 9 влажный дымовой газ при температуре 180÷250°С и влагосодержании 45÷65% направляется из барабана 4 в рукавный фильтр 11 для отделения пылящей сажи и мелких осколков, разрушившихся в процессе сушки гранул, которые вентилятором 12 по газовому транспорту подаются в циклон 13 и через шлюзовой питатель 14 выгружаются в накопительный бункер 1. Сухая гранулированная сажа с температурой 120÷140°С и влагосодержанием не более 0.5% направляется на охлаждение и складирование.
В таблице 2 приведены экспериментальные данные сравнительных испытаний прототипа и предлагаемого способа сушки влажной гранулированной сажи. В ходе опытных работ коэффициент избытка воздуха, определяемый согласно нижеприведенному уравнению, поддерживался равным 1.1:
Для оценки эффективности процесса сушки использовался показатель удельного приведенного по теплотворной способности к природному газу расхода топлива на 1 т воды.
3
В опытах 1÷3, выполненных в соответствии с прототипом, последовательно увеличивался расход воды на гранулирование при постоянном весовом соотношении 1:1 с расходом сажи. При постоянных значениях содержания влаги на входе и выходе барабана последовательное увеличение производительности приводит к снижению температуры сажи на выходе барабана и увеличению температуры дымового газа. В опыте 3 температура сажи упала ниже критической, а температура дымового газа превысила предельно допустимое значение для рукавного фильтра - 250°С. При этом содержание влаги гранулированной сажи на выходе из барабана составило 3.5% при допустимой норме не более 0.5%. Увеличение разности температур сажи и дымового газа на выходе барабана с 80°С в опыте №1 до 167°С в опыте №3 свидетельствует о снижении скорости тепло- и массопереноса между влажной гранулированной сажей и дымовыми газами. Следует отметить, что при увеличении расхода воды увеличивался и удельный приведенный расход топлива с 105.6 до 109.6 м/т воды, что свидетельствует о снижении скорости переноса влаги до критического значения, при котором даже избыточный повод тепловой энергии не позволяет получить требуемую влажность гранулированной сажи.
Экспериментальные данные сравнительных испытаний прототипа и предлагаемого способа сушки влажной гранулированной сажи.
3
3
3
2
Д
2
T
2
Д
В опытах 4÷8 приведены результаты испытаний предлагаемого способа сушки при постоянном расходе воды, как и в опыте №3-4 т/ч. Последовательное увеличение расхода дополнительного потока воздуха, подаваемого на смешение с продуктами горения топлива до подачи в сушильный барабан, с 50 м/ч до 6000 м/ч приводит к увеличению концентрации кислорода в дымовом газе [O] с 1.39 до 11.81%, снижению влагосодержания на входе барабана с 33.6 до 19.4% и выходе барабана с 58.3% до 40.4%. Отношение [O]/[O] снижается с 0.87 до 0.1, причем эффективной является величина 0.77, которая соответствует расходу дополнительного воздуха 100 м/ч, так как при нем температура сажи на выходе барабана составила 110°C, что обеспечило получение сухой гранулированной сажи.
2
T
2
Д
В опытах 9÷12 производительность сушильного барабана последовательно увеличивают до 4.3 и 4.5 т/ч. Начиная с опыта №9 часть газов после обогрева наружной поверхности барабана сбрасывается через дымовую трубу, что позволяет дополнительно снизить влажность газа за счет большего разбавления воздухом. При этом эффективным можно считать величину отношения [O]/[O]=0.07 в опыте №11, так как дальнейшее снижение этого отношения в опыте №12 до 0.06 приводит только к увеличению удельного приведенного расхода топлива.
2
T
2
Д
Таким образом, эффективное действие дополнительного потока воздуха, подаваемого на смешение с дымовым газом, достигается при отношении концентрации в продуктах горения топлива к концентрации кислорода в дымовом газе на выходе их сушильного барабана [O]/[O] в пределах 0.07÷0.77.
В опытах 13-14 приведены режимы сушки влажной гранулированной сажи с использованием в качестве топлива только отходящего газа сажеобразования. Эти условия сушки являются наиболее сложными, так как влагосодержание продуктов горения максимально и только разбавление воздухом и сброс избыточной части дымового газа позволяет провести процесс сушки при высокой производительности.
3
Использование предлагаемого способа сушки влажной гранулированной сажи позволяет решить комплексную технико-экономическую задачу - обеспечить высокую производительность сушильного барабана при одновременном снижении потребления природного газа за счет использования побочного источника тепловой энергии: производительность одного технологического потока возрастает с 20 до 25 тыс. т гранулированной сажи в год при одновременной экономии 3 млн м природного газа за счет применения в качестве топлива отходящего газа процесса сажеобразования.
Литература
1. В.Ю. Орлов, A.M. Комаров, Л.А. Ляпина. Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль, Изд. АР, 2002, с.314.
2. Пат. US 4282199, 1981.
3. Пат. US 2952921, 1960.
4. Пат. US 3102005, 1963.
5. А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. химической литературы, 1948, с.420.