автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка, исследование и реализация способов повышения эффективности работы водогрейных котлов и технологического оборудования

На правах рукописи

Горбунов Сергей Алексеевич

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ СОСНОГОРСКОГО ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ЗАВОДА)

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I о I (АР 2015

Москва-2015

005560697

005560697

Работа выполнена на кафедре Теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

кафедры Экономика и право ФГАОУ ВО «Нижегородский государственный университет имени Н.И.Лобачевского (ННГУ)», г. Нижний Новгород

Волков Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры Теплотехника и гидравлика ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет (ВятГУ)», г. Киров Шемпелев Александр Георгиевич

кандидат технических наук, профессор кафедры Термодинамика и тепловые двигатели ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина (РГУ нефти и газа)», г. Москва Шотиди Константин Харлампиевич

Ведущая организация: Филиал общества с ограниченной

ответственностью «Научно -исследовательский институт природных газов и газовых технологий (Газпром ВНИИГАЗ)», г. Ухта

Защита состоится «22 апреля 2015 г., в Ы час. 00 мин. в Малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» и на сайте: www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, с указанием адреса, телефона и заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат разослан «У<?» п*АРТд 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.07 к.т.н., доцент

Ильина И.П.

ОБЩАЯ-ХАРАКТЕРИеТИКАДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Как показывает практика, значительная доля причин, вызывающих ненадежную и неэффективную работу оборудования, обусловлена процессами образования отложений, пшамообразования, коррозии металла и связана с подготовкой воды и организацией водно - химического режима (ВХР). Статистические данные свидетельствуют о том, что больше половины аварий и значительное число эксплуатационных неполадок, происходящих на тепловых электростанциях, вызваны нарушениями водно -химического режима. Известно, что проблемы, обусловленные образованием отложений продуктов коррозии на теплопередающих поверхностях, возникают и в процессе работы технологического оборудования.

Особенно остро эта проблема стоит на предприятиях газоперерабатывающей отрасли. Опыт эксплуатации зарубежного и отечественного оборудования газоперерабатывающих заводов (ГПЗ) показывает, что основные повреждения наблюдаются в водогрейных котлах и реакторах производства печного техуглерода. В связи с тем, что основной задачей ГПЗ является переработка природного газа и газового конденсата, исторически сложилось так, что на предприятиях газоперерабатывающей отрасли не решались проблемы, связанные с обработкой воды и оптимизацией ВХР.

Кроме того, на ГПЗ не решались проблемы повторного использования очищенной воды в технологическом цикле переработки газа. При эксплуатации ГПЗ используется большое количество сточных вод, достигающих 10-14% от количества воды, поступающей на предприятие. Сточные воды ГПЗ имеют повышенную концентрацию взвешенных и коллоидных примесей, минерализацию и в большинстве случаев повышенную щелочность. По этой причине основная часть воды отводится в городские сети водоотведения и не используется для охлаждения в оборотных системах водоснабжения завода.

В настоящее время недостаточно изучены процессы образования отложений на поверхностях нагрева и отсутствуют данные об использовании комплексных соединений для подготовки охлаждающей воды в реакторах производства техуглерода. Кроме того, практическое значение имеют экспериментальные данные о применении современных флокулянтов на ГПЗ для обработки сточных вод с высокой концентрацией взвешенных и коллоидных примесей.

Поэтому изучение процессов образования отложений на поверхностях нагрева водогрейного котла и реактора газоперерабатывающего завода, разработка материалов и способов обработки воды на ГПЗ, применение которых обеспечивает надежную и экономичную работу названного оборудования, имеют большое научное и практическое значение.

Пель работы - повышение эффективности работы водогрейных котлов и технологического оборудования газоперерабатывающего завода.

Поставленная цель достигается путем изучения процесса образования отложений на теплопередающих поверхностях, разработки, исследования и реализации способов обработки воды для указанного оборудования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- изучен процесс образования отложений в водогрейном котле ЛВ и реакторе газоперерабатывающего завода в лабораторных условиях.

- разработан новый фильтрующий материал для удаления из воды коллоидных примесей на предварительных стадиях обработки воды водогрейных котлов газоперерабатывающего завода.

- разработана новая установка для коррекции ВХР системы охлаждения реакторов производства техуглерода газоперерабатывающего завода.

- разработан новый флокулянт для обработки производственных сточных вод с учетом повторного использования очищенной воды для охлаждения в реакторах газоперерабатывающего завода.

- произведена оценка экономической эффективности при использовании комплексонов для коррекционной обработки охлаждающей воды и применении очищенной воды для охлаждения в реакторах газоперерабатывающего завода.

Научная новизна работы:

1. Впервые получены экспериментальные данные по скорости образования отложений продуктов коррозии железа в стационарном режиме при составе теплоносителя для котла ЛВ и реактора.

2. Разработан новый фильтрующий материал из волокон кремнезема для удаления из воды коллоидных примесей. Показано, что степень удаления из воды коллоидных примесей при использовании нового фильтрующего материала составляет 98 %.

3. Впервые предложен метод коррекции ВХР с использованием ОЭДФ в схеме подготовки охлаждающей воды технологического процесса получения техуглерода и проведены промышленные испытания на действующем оборудовании Сосногорского ГПЗ.

4. Разработана новая установка для коррекции ВХР для двух технологически независимых линий - подпитки тепловой сети и охлаждения производства печного технического углерода. Показано, что средняя скорость образования отложений на поверхностях нагрева водогрейных котлов уменьшилась с 3,0-10"4 мм/ч (при Иа-катионировании) до 1,4-10"4 мм/ч и выход техуглерода увеличился с 142 кг/ч (при использовании необработанной охлаждающей воды) до 199 кг/ч.

5. Разработан новый флокулянт из реагентов бурый уголь, акрилонитриловое волокно и щелочь для обработки производственных сточных вод ГПЗ. Экспериментально установлено, что более высокой степенью очистки производственных сточных вод от взвешенных и коллоидных примесей среди полиакриламида и нового реагента обладает новый флокулянт.

Степень достоверности результатов и выводов: основные научные положения, изложенные в работе, достаточно полно и убедительно обоснованы результатами стендовых и промышленных исследований и опубликованы в ведущих журналах.

Методика проведения экспериментальных исследований, сопоставление полученных результатов и выводов исследований с имеющимися данными на основе других теоретических подходов, публикация и обсуждение на научных конференциях результатов работы, дают основание утверждать, что полученные данные достоверны.

Практическая ценность работы.

Выполненныев-лабораторныз^-условиях исследования позволили изучить процессы образования отложений в водогрейном котле ЛВ и реакторе на Сосногорском ГПЗ. Применение разработанных материалов и способов обработки воды апробировано на Сосногорском ГПЗ и позволяет повысить эффективность вышеназванного оборудования на 10%.

Результаты работы могут быть использованы эксплуатационными и проектными организациями для оптимизации работы ТЭЦ и котельных и выборе способов обработки технической воды.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Всероссийской молодёжной научно-практической конференции «Исследования молодёжи - экономике, производству, образованию» (Сыктывкар, С ЛИ, 20-21 апреля 2011); ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ухтинского государственного технического университета (Ухта, 2009, 2010, 2011); XI-й Международной молодежной научной конференции по проблемам энергосбережения и новым технологиям в промышленной теплоэнергетике «Севергеоэкотех-2010» (Ухта, УГТУ, 2010); научно-технической конференции по результатам теоретических и экспериментальных работ в области теплоэнергетических установок и систем «Проблемы энерго- и ресурсосбережения» (Саратов, СГТУ, 2010); I, II, III и IV ежегодной научно-практической конференции Сосногорского газоперерабатывающего завода (Сосногорск, 2008, 2009, 2010, 2011); I и IV ежегодной научно-практической конференции ООО «Газпром переработка» (Сургут, 2008, 2011); заседании кафедры теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции (Ухта, УГТУ, 2013); заседании кафедры технологии воды и топлива (Москва, МЭИ, 2012, 2013).

Личное участие автора в получении результатов.

- проведён анализ научно-технической литературы и нормативно-технической документации, позволивший установить основные тенденции оптимизации ВХР на современных ГПЗ;

- проведены экспериментальные исследования по изучению процессов образования отложений в водогрейном котле ЛВ и реакторе ГПЗ;

- при непосредственном участии автора разработаны новые материалы и способы обработки воды, автор принимал участие в промышленных испытаниях вышеуказанных материалов и способов на Сосногорском ГПЗ;

проведена статистическая обработка и анализ полученных экспериментальных результатов.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России, 11 полных текстов докладов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Основной материал изложен на 93 страницах машинописного текста, включает 22 рисунка, 20 таблиц и 26 формул. Список литературных источников включает 94 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе содержится обзор литературных данных по проблемам эксплуатации водогрейных котлов и технологического оборудования на ГПЗ, показано влияние водно-химических параметров на эффективность работы указанного оборудования.

Максимальное количество отложений образуется вблизи горелок, поэтому наибольшее число разрывов труб наблюдается именно в этой области. Это связано с тем, что с повышением толщины слоя отложений разность температур металла и воды увеличивается:

'ст

или приближенно

(1)

\лотл а2

,=^"9. (2)

где /с? и га - температуры внутренней поверхности трубы и воды, °С; 5отл - толщина отложений, м; Хотл - теплопроводность отложений, Вт/(м-К); а2 -коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К); д - тепловая нагрузка поверхности нагрева, Вт/м2.

В настоящее время отсутствуют нормативные требования к качеству воды для охлаждения в реакторах СГПЗ. Представляется, что для охлаждения в реакторах производства печного техуглерода должен использоваться такой же ВХР, как и для водогрейных котлов.

Проблема создания надежного режима работы оборудования состоит в том, что 60-70% объектов нецентрализованного энергоснабжения и технологического оборудования эксплуатируются без водоподготовки, или существующие установки водоподготовки работают крайне неэффективно. В частности на СГПЗ отсутствуют предварительная обработка воды для водогрейных котлов и подготовка воды системы охлаждения реакторов производства печного техуглерода. Поэтому в данной работе решались задачи по разработке способа обработки воды системы охлаждения реактора производства техуглерода и нового фильтрующего материала для удаления из воды коллоидных примесей на предварительных стадиях обработки воды водогрейных котлов газоперерабатывающего завода.

На газоперерабатывающих предприятиях существует проблема использования сточных вод с повышенной концентрацией взвешенных и коллоидных примесей в технологическом цикле.

В настоящее время для обработки сточных вод используются различные коагулянты и флокулянты: полиакриламид (ПА А), алюмокремниевый флокулянт — коагулянт (АКФК), праестол и другие. Современные материалы обработки производственных сточных вод дорогие в использовании и имеют недостаточную степень очистки. В связи с этим их применение на ГПЗ для обработки сточных вод с высокой концентрацией взвешенных и коллоидных примесей затруднено.

Во второй главе приведено описание водогрейного котла ЛВ и реактора производства печного технического углерода, экспериментальной установки,

методики проведения , опытов по изунению процесса образования отложений продуктов коррозии железа и результаты опытов.

В России имеется достаточно работ, посвященных исследованию процесса образования отложений в паровых котлах, эксплуатируемых на тепловых и атомных электростанциях. Широко известны работы российских ученых М.А. Стыриковича, Ю.М. Кострикина, О.И. Мартыновой, Т.Х. Маргуловой, H.H. Манькиной, Т.И. Петровой, М.И. Резникова и других, в которых рассмотрены физико - химические процессы, протекающие при генерации пара на современных мощных паротурбинных электростанциях, а также показано, что образование отложений на теплопередающих поверхностях паровых котлов является основной причиной повышения стоимости пара и электроэнергии.

Одними авторами предложена эмпирическая зависимость для расчета скорости образования отложений продуктов коррозии железа:

Лл=5,7-10-14СВ(,о-?2, (3)

где AFi - скорость образования отложений продуктов коррозии железа, мг/(см2-ч); q - тепловая нагрузка поверхности нагрева, Вт/м2; CBlFt) -

концентрация железа в воде, мг/дм3.

Другими авторами получено следующее уравнение для расчета скорости образования отложений продуктов коррозии железа:

A = k2-q-(CFe-CFep)-p-dv/di, (4)

где к2 - коэффициент пропорциональности; Cfcp - концентрация растворенного железа; р - плотность теплоносителя; v - удельный объем теплоносителя; i - энтальпия теплоносителя.

Некоторые авторы предлагают оценивать скорость образования отложений продуктов коррозии по уравнению:

¿ = 1<Г».±£.С.Ы (5)

vai \'сл )р

где ß - отношение наружного диаметра трубы к внутреннему; С -концентрация продуктов коррозии в теплоносителе; v, vM - удельные объемы теплоносителя в ядре течения и в пристенном слое соответственно; iCJ1 -энтальпия теплоносителя в пристенном слое.

Однако данные о скорости образования отложений продуктов коррозии железа в водогрейных котлах в настоящее время весьма немногочисленны и практически отсутствуют данные об оценке влияния типа ВХР на экономичность и надежность работы реактора.

отложений

1 - верхний захват; 2 - нижний захват; 3 - исследуемый образец; 4 - электроподогреватель; 5 - термопары; б - верхняя крышка; 7 - нижняя крышка; 8 - система уплотнений

Одна из задач данной работы состояла в изучении процесса образования отложений в водогрейном котле ЛВ и реакторе газоперерабатывающего завода. Для проведения опытов использовалась экспериментальная установка, представленная на рис. 1.

Опыты проводились при температуре 95 °С в стационарном режиме по следующей методике. После закрепления образца и термопар, пространство между стенкой сосуда и образцом заполнялось водой. Установка включалась в работу. Опыты проводились при разных значениях теплового потока в диапазоне от 50 кВт/м2 до 250 кВт/м2. Концентрация железа в воде изменялась от 0,1 до 1,5 мг/дм3. Время контакта образца с горячей водой составляло 120 часов. После останова стенда, образец извлекался, высушивался, определялась скорость образования отложений продуктов коррозии железа. Затем установка вновь включалась в работу для продолжения проведения опыта. В течение каждого эксперимента все химические и теплотехнические параметры поддерживались постоянными. Результаты опытов представлены в табл. 1 и 2.

Опыт показал, что наибольшее влияние на скорость образования отложений продуктов коррозии железа оказывал тепловой поток и концентрация железа в воде. Влияние других параметров на скорость образования отложений продуктов коррозии железа было незначительно.

Таблица 1

Состав отложений

Состав, %

Потери при прокаливая ии СаО MgO Fe203 Si02 Не определенн ые примеси

+0,6 0,57 4,5 92,37 0,63 1,72

Скорость образования отложений продуктов коррозии железа в стационарном режиме при температуре воды 95 °С

Теплов ой поток Время провед ения опыта рН Концент рация железа Жесткость Щелочи ость Окисля емость Взвешенн ые вещества Элеюро проводи ость Скорость образования отложений продуктов коррозии железа

ч. кВт/м2 Т ,ч ед. с*. мг/кг Ж, мг-экв/дм5 Щ„мг-экв/дм3 О, мг/дм3 В, мг/дм3 э, мкСм/см Af.< мг/см2'Ч*10"3

50 120 7,4 0,4 1,5 3,4 11,4 10,7 300,0 0,781

100 120 7,5 1,2 3,7 1,8 12,7 11,9 290,5 4,122

150 . 120 7,4 1,4 2,4 2,7 10,2 14,0 285,2 13,613

200 120 7,5 0,6 6,2 6Д 15,8 13,4 270,0 32,621

250 120 7,6 0,9 5,3 4,4 14,5 12,1 295,8 61,082

Из приведенных данных следует, что максимальное значение скорости образования отложений продуктов коррозии железа 0,061 мг/см *ч соответствует величине теплового потока 250 кВт/м2 и концентрации железа в воде 0,9 мг/дм3. Установлено, что скорость образования отложений продуктов коррозии железа в воде увеличивалась с увеличением теплового потока. Так при увеличении теплового потока от 50 до 250 кВт/м2 скорость образования отложений продуктов коррозии железа увеличивалась соответственно с 0,00078 мг/см2*ч до 0,061 мг/см ч, примерно в 78 раз. Также показано, что при концентрации железа в воде 1,4 мг/дм3 скорость образования отложений была примерно в 17 раз выше, чем при концентрации железа в воде 0,4 мг/дм .

В результате обработки экспериментальных данных в программе Mathcad 15, было выведено уравнение, показывающее зависимость скорости образования отложений продуктов коррозии железа на теплопередающей поверхности от теплового потока и концентрации железа в воде:

Аа = (-4,6094 • 10"11 • д3 + 7.8614 • 10"8 • q2 - 6.2095 • 10"4 • g + 2 • 10^) • Ст), (6)

где Ат, - скорость образования отложений продуктов коррозии железа, мг/(см2-ч); q - тепловая нагрузка поверхности нагрева, Вт/м2; C„(ft) -

концентрация железа в воде, мг/дм3.

Используя экспериментальные данные (табл. 2), были рассчитаны скорости образования отложений продуктов коррозии железа при пяти значениях теплового потока - 50, 100, 150, 200 и 250 кВт/м2 по уравнению (3). Результаты расчета приведены в табл. 3.

Рассчитанные по уравнению (3) скорости образования отложений продуктов коррозии железа хорошо согласовались с экспериментальными данными, полученными при составе теплоносителя для котла ЛВ и реактора. Поэтому был сделан вывод об универсальности предложенного уравнения (6) определения скорости образования отложений продуктов коррозии железа.

Таблица 3

Скорость образования отложений продуктов коррозии железа

Тепловой поток q, кВт/м2 Скорость образования отложений продуктов коррозии железа по результатам опыта, мг/см2-ч*10'2 Скорость образования отложений продуктов коррозии железа, рассчитанная по уравнению Ап =5,1-10-иС,т-д'> мг/см2-чПО"3 Отклонение, %

50 0,781 0,849 8

100 4,122 4,432 7

150 13,613 14,959 9

200 32,621 35,458 8

250 61,082 67,869 10

В третьей главе приведено описание технологии создания нового фильтрующего материала из волокон кремнезема для удаления из воды коллоидных примесей, результаты опытов и промышленных испытаний по изучению фильтрующих свойств нового материала.

Технология создания нового фильтрующего материала состоит в следующем. В качестве исходного фильтрующего материала был использован фильтрующий элемент из волокон кремнезема. Для обработки поверхности исходного фильтрующего материала использовали раствор, содержащий смесь хлорида алюминия (А1С13) и кремнезоль в соотношении Al:Si=3:l. Указанным составом обрабатывали поверхность исходного фильтрующего материала в течение времени," необходимого для образования геля на поверхности этого материала. Образующийся гель высушивали при температуре 100 °С - 150 °С в течение 6 часов. В результате такой обработки поверхность фильтрующего элемента из керамического материала на основе волокон кремнезема как правило была покрыта слоем, состоящим из оксигидроксидов алюминия АЮ(ОН) плотностью 3,34 г/см3 с положительным поверхностным зарядом. По предварительным расчетам потенциал поверхности ВКМ приблизительно равен 44 мВ. Полученный ВКМ из волокон кремнезема по сравнению с существующими ВКМ из волокон кварца имеет следующие преимущества: имеет более жесткую пространственную структуру, имеет большую удельную поверхность, обладает большой механической прочностью и избирательностью. Для изучения фильтрующих свойств новых фильтрующих элементов были проведены промышленные опыты. Опыты проводились на участке тепловой сети Сосногорского ГПЗ в центральном тепловом пункте цеха по переработке газа в течение осенне - зимнего отопительного периода. Продолжительность проведения опытов составляла 700 ч. Исходная концентрация коллоидных примесей в опытах колебалась от 10 до 16 мг/дм . Качество исходной воды представлено в табл. 4.

Качество исходной воды системы водоснабжения Сосногорского ГПЗ

Показатели Размерность Значения

Жесткость мг-экв/дм3 3,7

Щелочность мг-экв/дм3 3,4

Хлориды мг/дм3 34,0

Сульфаты мг/дм3 38,0

Железо мг/дм3 1,5

Кремнекислота общая мг/дм3 11,3

Кремнекислота реакционная мг/дм3 9,6

Окисляемость мг/дм3 15,8

Взвешенные вещества мг/дм3 14,0

Нефтепродукты мг/дм3 0,2

Электрическая проводимость мкСм/см 300

Вода обрабатывалась по схеме предочистки на фильтрующих модулях. Для обеспечения непрерывной подачи воды на подпитку тепловой сети во время замены трубчатых фильтрующих элементов схема обработки воды оснащалась двумя параллельными линиями, состоящими из насоса, обвязки и фильтрующего модуля.

Фильтрующий модуль (рис. 2) представлял собой герметичный корпус из трубы диметром 50 мм. Внутри корпуса устанавливался трубчатый фильтрующий элемент, представляющий собой пористую керамическую трубку из кремнезема внутренним диаметром 25 мм и длиной 2 м. Соединение трубчатого фильтрующего элемента с корпусом производилось с помощью фланцевых соединений.

Под действием рабочего давления исходная вода подавалась на вход фильтрующего модуля, проходила через пористый керамический фильтрующий элемент, поступала в пространство между корпусом модуля и трубчатым элементом и выводилась через выход фильтрующего модуля.

1 - трубчатый фильтрующий элемент; 2 - корпус; 3 - фланцевое соединение

Рабочее давление воды на входе в фильтрующий модуль составляло 0,5 МПа. Скорость фильтрования была равна 4 м/ч. Производительность фильтрующего модуля составляла 0,5 м3/ч. Опыты проводились в динамических условиях при расходе воды на подпитку тепловой сети от 0,2 до 0,5 м3/ч. В течение опыта через каждые 2 ч отбирались пробы для определения концентрации коллоидных частиц. Концентрация коллоидных частиц определялась с использованием метода выделения коллоидных частиц на трековых мембранах в аналитической лаборатории завода. При увеличении давления на входе в фильтрующий модуль до 0,7 МПа одна линия обработки воды для подпитки тепловой сети отключалась, процесс фильтрования прекращался, производилась промывка фильтрующего элемента обратным током воды и включалась в работу вторая линия обработки воды. В результате промывки с поверхности фильтрующего элемента удалялась большая часть загрязняющих примесей в дренаж. Обычно на промывку фильтрующего элемента затрачивалось около 5-и минут. В течение опыта непрерывно контролировалось давление воды на входе в фильтрующий модуль. Продолжительность одного фильтроцикла, как правило, была равна от 20 до 30 мин. Результаты промышленных опытов приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 следует, что основная масса коллоидных примесей удалялась в течение первых 16-ти фильтроциклов и степень очистки составляла 90-98%. В дальнейшем процесс замедлялся и в конце 48-го фильтроцикла степень очистки составляла 68%.

Это связано с тем, что поверхность фильтрующего элемента загрязнялась органическими примесями.

Изменение концентрации коллоидных частиц в процессе обработки воды при проведении промышленных опытов

Б, шт количество фильтроциклов Сети, МГ/ДМЗ концентрация коллоидных частиц в исходной воде Скчо, мг/дмЗ концентрация коллоидных частиц в обработанной воде степень очистки

4 12,5 0,3 98

8 11,6 0,7 94

12 12,8 1,0 92

16 12,2 1,2 90

20 11,7 1,5 87

24 11,7 2,1 82

28 11,5 2,5 78

32 12,2 2,9 76

36 12,4 3,2 74

40 12,4 3,5 72

44 12,2 3,7 70

48 11,9 3,8 68

В четвёртой главе приведено описание системы водоснабжения, технологической схемы производства печного технического углерода, схемы теплоснабжения СГПЗ, новой установки для коррекции ВХР системы охлаждения реакторов производства техуглерода и результаты промышленных испытаний.

Новая установка для коррекции ВХР с использованием ОЭДФ представлена на рис. 3.

Исходная речная вода на установку подается из напорных водоводов в бак приготовления раствора ОЭДФ объемом 15 м3. Для контроля за уровнем воды бак оснащен датчиками уровня. В баке устанавливается змеевик для подогрева воды теплом отходящих газов производства печного техуглерода. Вода подогревается до температуры 30 °С. При подогреве воды повышается растворимость ОЭДФ. Для перемешивания ОЭДФ с водой используется воздух, подаваемый из воздухопровода, и мешалка лопастного типа. Концентрация ОЭДФ определяется три раза в сутки в аналитической лаборатории завода и должна составлять 1,0 - 2,0 мг/дм3. Из бака по трубопроводу обработанная вода поступает на коллектор. Коллектор разделен на две части, что обеспечивает раздельную подачу обработанной воды по двум потокам. По одному потоку обработанная вода поступает во всасывающий трубопровод насосной установки линии подпитки тепловой сети. В состав насосной установки входят два насоса производительностью 7,5 м3/ч. Обвязка насосов осуществлена с помощью трубопроводов и арматуры. По другому потоку обработанная вода поступает во всасывающий трубопровод насосной установки линии охлаждения производства печного техуглерода. В состав насосной установки входят два насоса производительностью 25 м3/ч, обвязка которых осуществлена с помощью трубопроводов и арматуры. Далее из линии подпитки тепловой сети обработанная вода подается в обратный трубопровод тепловой сети, из линии

охлаждения производства печного техуглерода — в теплообменник с автоматическим поддержанием температуры. В теплообменнике обработанная вода паром подогревается до температуры 60 °С. Подогретая вода по трубопроводам направляется в реакторы и скрубберы и подается на форсунки для охлаждения.

11

Рис. 3. Схема установки обработки воды с использованием ОЭДФ: 1 - регулирующий клапан; 2 - манометр; 3 - обратный клапан; 4 - насос; 5 - коллектор; 6 - датчики уровня; 7 -бак для приготовления раствора ОЭДФК; 8 - мешалка; 9 - трубопровод для подвода воды; 10

- трубопровод для подвода воздуха; 11 - линия подвода ОЭДФК в бак; 12 - счетчик воды; 13

- фильтр магнитный; 14 - запорная арматура; 15 - трубопровод для подвода отходящих газов производства печного техуглерода; 16 - пароводяной теплообменник

Результаты промышленных испытаний оборудования тепловой сети Сосногорского ГПЗ в течение 6000 часов представлены в табл. 6, технологического оборудования — в табл. 7.

Из результатов проведенных испытаний видно, что средняя скорость образования отложений на поверхностях нагрева водогрейных котлов уменьшилась с 3,0-10"4 мм/ч (при №-катионировании) до 1,4-10'4 мм/ч, эффективность способа обработки воды с использованием ОЭДФ составила 98 %, а с использованием Ыа-катионитовых фильтров первой ступени - 80 %. Кроме того, расход газа за 6000 часов работы котла на воде, обработанной на №-катионитовых фильтрах, составил 343,8 тыс. м\ что на 59,6 тыс. м3 больше, чем при работе котла на воде, прошедшей коррекционную обработку. Следует также отметить, что эффективность работы подогревателя при использовании ОЭДФ составила 90 % и это значение на 10 % выше, чем при работе подогревателя на Ыа-катионированной воде.

Режимные показатели работы технологического оборудования тепловой сети Сосногорского ГПЗ

Показатель Ед. изм. При использовании Na- катионированно й воды При использовании ОЭДФ

Средняя толщина отложений в котле мм 1,86 0,82

Средняя толщина отложений в подогревателе мм 1,52 0,65

Состав отложений в котле Оксиды железа % 75 68

СаСОз, CaS04, CaSi03 15 28

MgC03, MgSi03 10 4

Состав отложений в подогревателе Оксиды железа % 80 64

СаСОз, CaSOi, CaSi03 15 28

МеСОз, MgSi03 5 8

Скорость образования отложений мм/ч 3,0-10"" 1,4 ■ 10"4

Эффективность способа обработки воды % 80 98

Среднегодовая эксплуатационная нагрузка котла Гкал/ч 0,86 0,86

Тепловая производительность котла по данным испытаний Гкал/ч 0,76 0,82

Давление газа перед горелкой котла кгс/см^ 0,47 0,35

Расход газа котла тыс. mj 343,8 284,2

Эффективность работы подогревателя % 80 90

Расход сетевой воды тепловой сети м'/ч 254,6 212,6

Скорость сетевой воды тепловой сети м/с ОД 0,3

Таблица 7

Технологический режим и параметры качества техуглерода при неполном горении природного газа

Расход природ ного газа Расход воздуха Темпера тура охлажда ющей воды Расход охлаждаю щей воды Темпера тура в реакторе Выход техуглер ода Удельная поверхно сть техуглеро да Количество минеральн ых примесей

м3/ч м3/ч °С м3/ч °С кг/ч (масс.%) м2/г мг/кг

Параметры процесса до проведения испытаний

1000 4800 10 17 1240 142 (25) 34,6 9250

Параметры процесса после проведения испытаний

1000 4800 60 14 1400 199 (35) 35,7 820

Установлено, что выход техуглерода увеличился с 142 кг/ч (при использовании необработанной охлаждающей воды) до 199 кг/ч при повышении температуры в реакторе с 1240 °С до 1400 °С. Температура в реакторе повышается за счет подогрева технологической воды в теплообменниках до 60 °С. Также установлено, что за счет использования

15

ОЭДФ для коррекции ВХР технологической линии охлаждения сажегазового аэрозоля количество минеральных примесей в техуглероде снижается с 9250 мг/кг до 820 мг/кг, а за счет уменьшения образования отложений солей жесткости на поверхностях нагрева и улучшения дисперсности распыла технологической воды сокращается расход воды на охлаждение с 17 м /ч до 14 м3/ч.

В пятой главе приведено описание технологии получения нового флокулянта для обработки производственных сточных вод ГПЗ и результаты промышленных испытаний.

В табл. 8 приводятся показатели поступающих сточных вод на очистные сооружения СГПЗ и показатели после механической очистки, полученные на основании результатов химического анализа проб, взятых из прудов дополнительного отстоя завода.

Таблица 8

Показатели химического анализа производственных сточных вод Сосногорского ГПЗ

Место отбора пробы рН среды, ед. рН Взвешенные примеси, мг/дм3 бпк5, мг/дм3 Железо общее, мг/дм3 Нефтепродукты, мг/дм

Сточная вода, поступающая на очистные сооружения 7,8 225,0 156,0 0,8 10,0

Очищенная вода после механической очистки 7,8 152,0 62,0 0,8 0,5

Из табл. 8 видно, что для производственных сточных вод Сосногорского ГПЗ характерно наличие значительной доли взвешенных и коллоидных примесей и высокая концентрация железа. Степень очистки сточных вод на существующих очистных сооружениях составляет 32 %. Для повышения очистки производственных сточных вод была поставлена задача разработать новый эффективный флокулянт.

Технология получения такого флокулянта состоит в следующем. Использовали реагенты: бурый уголь шахты «Интауголь» (ОАО «Шахта Интауголь», Республика Коми, г. Инта), отходы производства акрилонитриловых волокон филиала ООО «Саратоворгсинтез» (ЗАО «ЛУКОЙЛ - Нефтехим», г. Саратов) и щелочь КаОН. Соотношение реагентов бурый уголь, акрилонитриловое волокно и щелочь - 1:3:1,3. Производили гидролиз указанного состава при температуре 95 °С - 97°С в течение 6 часов. В результате такой обработки был получен реагент вязкой консистенции черного цвета, имеющий запах аммиака, хорошо растворимый в воде. Это продукт превращений гуминовых кислот, содержащихся в буром угле, и полиакрилонитрила. Результаты промышленных испытаний по изучению флокулирующих свойств нового флокулянта на СГПЗ представлены в табл. 9.

Зависимость концентрации взвешенных частиц в производственных сточных водах от дозы флокулянта и времени отстоя

Концентрац ия флокулянта, мг/дм3 Концентрация взвешенных частиц, мг/даг1

Оч 2ч 4ч 6ч 8ч 10 ч 12ч 14 ч 16 ч 18ч 20 ч 22 ч 24 ч

При использовании нового с локулянта

0,1 152,0 136,2 122,3 113,4 105,7 93,2 81,6 69,2 48,4 33,8 21,7 9,5 3,1

0,2 152,0 135,8 122,1 113,2 105,4 92,8 82,2 69,1 48,4 34,2 21,1 9,1 3,9

0,5 152,0 135,4 121,3 113,5 104,6 93,1 81,8 68,8 48,7 34,6 21,6 9,8 3,8

1,0 152,0 142,1 128,5 118,2 110,3 98,4 88,9 73,4 49,3 39,1 22,8 10,5 4,7

2,0 152,0 143,8 129,1 118,7 110,3 99,1 89,6 74,5 51,7 39,7 23,3 10,8 5,2

При использовании ПАА

0,1 152,0 119,8 92,6 72,3 67,8 54,4 51,1 44,4 40,1 26,8 18,4 10,2 4,2

0,2 152,0 118,5 91,3 71,5 67,5 54,6 51,6 44,9 40,2 26,7 18,8 10,4 3,9

0,5 152,0 113,1 90,2 71,6 67,2 54,8 51,6 44,7 40,1 26,6 18,6 10,2 3,9

1,0 152,0 105,8 89,7 68,6 66,3 54,2 51,2 44,4 40,1 26,2 18,1 9,8 3,5

2,0 152,0 105,4 89,4 69,3 66,1 53,9 51,1 44,3 40,3 25,8 17,8 9,6 3,1

Исследования показали, что концентрация взвешенных частиц снижается одинаково при использовании обоих флокулянтов.

Из данных табл. 8 следует, что наибольшая степень очистки сточной воды при использовании ПАА и нового флокулянта проявлялась после одних суток проведения одыта. Через 24 часа после начала проведения опыта концентрация взвешенных частиц достигала -минимальных значений (от 3,1 мг/дм3 до 5,2 мг/дм3).

Промышленные испытания показали, что при концентрации нового флокулянта 0,1 мг/дм3 и ПАА - 2,0 мг/дм3 степень очистки сточных вод составила 98 %. Минимальная добавка нового флокулянта (0,1 мг/дм3) и максимальная добавка ПАА (2,0 мг/дм3) дали одинаковую концентрацию взвешенных частиц (3,1 мг/дм3).

Из табл. 8 видно, что после введения флокулянтов почти сразу наблюдалось заметное уменьшение концентрации взвешенных частиц вследствие образования крупных хлопьев. Степень очистки сточных вод увеличивалась во времени. При увеличении концентрации нового флокулянта с 0,1 мг/дм3 до 2,0 мг/дм3 степень очистки сточных вод уменьшилась с 98 % до 96 %. При увеличении концентрации ПАА с 0,1 мг/дм3 до 2,0 мг/дм3 степень очистки сточных вод увеличилась с 97 % до 98 %. Установлено, что повышение степени очистки сточных вод может бьгть достигнуто с использованием как ПАА, так и нового флокулянта, но при разных концентрациях этих реагентов. В частности концентрация нового флокулянта примерно в 20 раз меньше концентрации ПАА.

В шестой главе приводится технико-экономический расчет эффективности использования комплексонов для коррекционной обработки

воды и нового флокулянта для очистки производственных сточных вод на Сосногорском ГПЗ.

Оценка эффективности предлагаемого варианта при использовании новых технологий на Сосногорском ГПЗ в сравнении с базовым вариантом (без использования новых технологий) основана на сопоставлении прибыли при увеличении объема производства техуглерода с 20,3 тысяч тонн в год до 21,0 тысячи тонн в год и уменьшении эксплуатационных затрат. Экономический эффект от внедрения мероприятий по повышению эффективности работы водогрейных котлов и технологического оборудования Сосногорского ГПЗ составит около 63 млн. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Приведены результаты опытов по изучению скорости образования отложений продуктов коррозии железа на экспериментальной установке в стационарном режиме при температуре воды 95 °С. Показано, что наибольшее влияние на скорость образования отложений продуктов коррозии железа оказывал тепловой поток и концентрация железа в воде.

2. Получено, что при величине теплового потока 250 кВт/м2 и концентрации железа в воде 0,9 мг/дм3 скорость образования отложений продуктов коррозии железа равна 0,061 мг/см2-ч.

3. Впервые получено уравнение для расчета скорости образования отложений продуктов коррозии железа в стационарном режиме при составе теплоносителя для котла ЛВ и реактора.

4. Разработан новый фильтрующий материал из волокон кремнезема для удаления из воды коллоидных примесей. Показано, что степень удаления из воды коллоидных примесей при использовании нового фильтрующего материала составляет 98 %.

5. Впервые предложен метод коррекции ВХР с использованием ОЭДФ в схеме подготовки охлаждающей воды технологического процесса получения техуглерода и проведены промышленные испытания на действующем оборудовании Сосногорского газоперерабатывающего завода.

7. Разработана новая установка для коррекции ВХР двух технологически независимых линий - подпитки тепловой сети и охлаждения производства печного технического углерода. Получено, что при использовании комплексоната ОЭДФ средняя скорость образования отложений на поверхностях нагрева водогрейных котлов уменьшилась с 3,0-10"4 мм/ч (при Na-катионировании) до 1,4-10"4 мм/ч. Кроме того, при использовании комплексоната ОЭДФ и повышении температуры в реакторе с 1240 °С до 1400 °С выход техуглерода увеличился с 142 кг/ч (при использовании необработанной охлаждающей воды) до 199 кг/ч.

8. Разработан новый флокулянт из реагентов бурый уголь, акрилонитриловое волокно и щелочь для обработки производственных сточных вод. Проведены испытания флокулянтов полиакриламида и нового реагента на очистных сооружениях Сосногорского газоперерабатывающего завода. Установлено, что более высокой степенью очистки производственных сточных вод от взвешенных и коллоидных примесей обладает новый флокулянт.

Показано, что-при-использпвании нгжогп флокулянта в концентрации 0,1 мг/дм3 за 24 ч концентрация взвешенных частиц в производственных сточных водах завода уменьшилась с 152,0 мг/дм3 до 3,1 мг/дм3.

9. Проведен технико-экономический расчет эффективности использования комплексонов для коррекционной обработки воды и нового флокулянта для очистки производственных сточных вод на Сосногорском ГПЗ. Показано, что при переводе системы подготовки добавочной воды теплосети от Na-катионирования к коррекционной обработке, использовании ОЭДФ для коррекции ВХР системы охлаждения производства печного технического углерода и применении нового флокулянта для очистки и повторного использования производственных сточных вод технологическом процессе завода годовой экономический эффект составляет около 63 млн. руб.

10. Результаты работы могут быть использованы для организации водно — химического режима систем теплоснабжения, а также систем охлаждения технологического оборудования, в частности реакторов на газоперерабатывающих заводах.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. В.Н. Волков, С.А. Горбунов. Современные технологии обратного осмоса и ионного обмена в системах водоподготовки теплоснабжения: эффективность и экологичность // Научно-технический журнал «Энергосбережение и водоподготовка», №4 (66), 2010, август.

2. В.Н. Волков, С.А. Горбунов. Новые материалы и технологии очистки сточных вод в системах теплоснабжения // Научно-технический журнал «Энергосбережение и водоподготовка», №2 (70), 2011, апрель.

3. Е.В. Михайленко, О.Н. Бурмистрова, С.А. Горбунов. Повышение эффективности работы теплогенерирующего оборудования за счёт использования предложенных методов предотвращения и устранения отложений с поверхностей теплообмена на примере котлов Сосногорского ГПЗ // Материалы II Всероссийской молодёжной научно - практической конференции «Исследования молодёжи - экономике, производству, образованию». - Сыктывкар, 20-21 апреля 2011.

4. Е.В. Михайленко, О.Н. Бурмистрова, С.А. Горбунов. Техническое совершенствование методов и технологий предотвращения и устранения отложений с поверхностей теплообмена котлов на примере Сосногорского ГПЗ // Материалы научно - технической конференции преподавателей и сотрудников. - Ухта, УГТУ, 20-23 сентября 2011.

5. Е.В. Михайленко, О.Н. Бурмистрова, С.А. Горбунов. Изучение практического опыта эксплуатации теплоэнергетического оборудования с различными схемами организации водно-химического режима // Материалы научно - технической конференции преподавателей и сотрудников. - Ухта, УГТУ, 20-23 сентября 2011.

6. Е.В. Михайленко, О.Н. Бурмистрова, С.А. Горбунов. Разработка новых фильтрующих материалов и процессов в целях повышения качества питательной воды теплогенерирующего оборудования // Материалы научно -

технической конференции преподавателей и сотрудников. - Ухта, УГТУ, 20-23 сентября 2011.

7. Е.В. Михайленко, О.Н. Бурмистрова, С.А. Горбунов. Разработка системы классификации вод для обеспечения надёжной работы теплогенерирующего оборудования // Материалы научно - технической конференции преподавателей и сотрудников. - Ухта, УГТУ, 20-23 сентября 2011.

8. В.Н. Волков, С.А. Горбунов. Комбинированные безреагентные технологии очистки сточных вод // Материалы научно - технической конференции. - Ухта, УГТУ, 13-15 апреля 2010.

9. В.Н. Волков, С.А. Горбунов. Анализ современных принципов и технологий водоподготовки для систем теплоснабжения // Материалы научно -технической конференции. - Ухта, УГТУ, 14-17 апреля 2009.

10. С.А. Горбунов. Разработка принципиальных основ технологической схемы оборотного водоснабжения // Материалы XI Международной молодёжной научной конференции «Севергеоэкотех-2010». - Ухта, УГТУ, 1719 марта 2010.

11. С.А. Горбунов. Эффективность перехода от систем централизованного теплоснабжения на децентрализованное на примере газифицированных регионов // Материалы XI Международной молодёжной научной конференции «Севергеоэкотех-2010». - Ухта, УГТУ, 17-19 марта 2010.

12. В.Н. Волков, С.А. Горбунов. Анализ перспективных систем децентрализованного теплоснабжения // Сборник научных трудов «Проблемы энерго- и ресурсосбережения». - Саратов, СГТУ, 2010.

13. С. А. Горбунов. Использование волокнистых керамических материалов для обработки воды // Научно-технический электронный журнал «Новое в российской электроэнергетике», № 8, 2013, август.

Подписано в печать зак. ^ Тир. 40 П.л. 1,^6

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13