Для методических целей при обучении студентов-технологов методу исследования работоспособности ХТС исследуются все-таки части всей технологии [54]. И это связано с тем, что студент технологического института за два года обучения в магистратуре просто физически не успевает исследовать всю технологию. Кроме того, у студентов слабая компьютерная подготовка.
Практический смысл работы [54] заключался в следующем. Технологи ОАО «Капотня» в рыночных условиях решили увеличить экономическую эффективность глубокой переработки нефти тем, чтобы отапливать печной агрегат не только природным газом, а смесью с углеводородными газами, получаемыми в самой установке. Конечно, расход дорогого природного газа уменьшается, но одновременно создается положительная обратная связь, которая только уменьшит вероятность работоспособности.
В [54] удалось исследовать работоспособность только части установки
«Висбрекинга» - печной агрегат. Единственным заданным параметром была температура битума на выходе из печи. Вероятность работоспособности получилась равной 0,55. Эта величина получена при условии, что отопление печи производится природным газом из общезаводского газового коллектора. Использование углеводородных газов из самой технологии еще больше уменьшит работоспособность установки. Следовательно, вероятность работоспособности всей системы будет только меньше, и этот результат не противоречит практике эксплуатации действующей установки.
Может быть, исследовать работоспособность части ХТС имеет смысл в оценке вероятности работоспособности всей ХТС сверху (сама оценка не корректна, т.е. заведомо завышена) или в быстроте получения информации о риске для инвестора.
4.1 Линия производства керамзитового песка в двухзонных печах псевдоожиженного слоя мощностью 50 тыс. м3 / год [55]
Керамзитовый песок необходим для производства уникального строительного материала - керамзитобетона. Это вполне актуальная современная проблема. Состав его на 1 м3 готового бетона следующий: 0,95 м3 керамзитового гравия, 0,25 м3 керамзитового песка, 250 кг цемента и 0,200 м3 воды. Следовательно, из 1 м3 хорошего (насыпной вес не более 400 кг/м3) керамзитового песка можно сделать 4 м3 легкого бетона. При грамотном выполнении всех работ по получению этого бетона получают блоки, плиты и т.д. с плотностью не более 900 кг/м3, т.е. легче воды. Малая плотность этого бетона определяет высокие теплофизические свойства, а сильная адгезия керамзита с цементом обеспечивает большую прочность. Эксперименты показали еще и большую морозостойкость, равную 40 - 50 (это число смен зима - лето). Для Севера и Сибири лучшего стройматериала и не придумать, особенно в условиях вечной мерзлоты.
Промышленность производства керамзитового гравия была хорошо развита в СССР, а вот производства керамзитового песка по существу не было. Была единственная установка в пос. Смышляевка под г. Самара, на опыте ее эксплуатации ВНИИСтром им. П.П. Будникова (пос. Красково, М. О.) разработал типовой проект. Министерство строительных материалов СССР планировало построить 28 установок по этому проекту, предполагая удовлетворить потребность СССР в этом продукте.
Начальник технического отдела одного из главков Министерства стройматериалов СССР понял прагматический смысл нашего исследования вероятности работоспособности ХТС как определение доли работоспособных установок среди всех тиражированных. Был заключен договор с нашей лабораторией на исследование работоспособности типовой установки производства керамзитового песка мощностью 50 тыс.м3 / год.
Суть технологии производства керамзитового песка состоит в следующем [56-58]. Частицы глины нагреваются при температуре 350 - 400 0С и выдерживаются при этих условиях, пока не уйдет свободная и адсорбированная влага из пор и трещин частицы. Далее частица направляется в высокотемпературную газовую среду 1000 - 11000С. Здесь в частице происходит образование пара воды за счет кристаллизационной воды минералов глины, одновременно идет процесс пиролиза углеродсодержащих веществ, которые всегда есть в минеральном природном сырье.
За счет высокой температуры масса глины приходит в пиропластическое состояние, а поверхность частиц просто оплавляется. Парогазовая фаза увеличивает свой объем из-за высоких температур, и вся масса частицы вспучивается, ее объем формируется с участием множества мельчайших газовых пузырьков.
Если теперь такую частицу грамотно [56], т.е. с учетом фазовых превращений глины, охладить, то получаем пористую в объеме и гладкую (без трещин) поверхность частицы. Насыпной вес таких частиц удавалось доводить до 250 - 300 кг / м3 (это и есть высшая марка керамзитового песка).
Для каждого месторождения глины в СССР проводилось исследование на предмет проверки пригодности ее для производства керамзитовых песка и гравия на специальной опытно-промышленной установке ВНИИСтрома (после соответствующих лабораторных исследований). Отметим важное обстоятельство: сколько месторождений глины – столько оказалось и групп параметров ведения процесса вспучивания, включая температуру.
Промышленная технология состоит из 4х переделов: подготовка глиняной крошки необходимой влажности и дисперсного состава, термоподготовка зернистого материала, обжиг при высокой температуре и, последнее, охлаждение керамзитового песка. Сразу скажем, что подготовкой глиняной крошки при анализе работоспособности исследуемой установки мы не занимались, хотя и не выпускали из поля своего внимания. На рис. 4.1 представлена технологическая схема установки производства керамзитового песка.
Рис. 4.1. Технологическая схема ХТС производства керамзитового песка.
Ц - циклоны, ТП - термоподготовка, ЗО - зона обжига, Хол-к - холодильник псевдоожиженного слоя, ПТ - пневмотранспорт готового продукта, ГК - глиняная крошка из цеха подготовки сырья, пр. газ - природный газ, Д - дымосос, Б - байпас дымовых газов вокруг ТП.
Во всех переделах используется псевдоожиженный слой со всеми его достоинствами и недостатками.
4.1.1 Множество заданных параметров состояло из следующих элементов:
1. Давление в зоне термоподготовки должно быть чуть меньше атмосферного на 2-3 мм. вод. ст. Это связано с тем, что загрузка сырцовой глиняной крошки осуществляется внасыпь прямо с ленточного транспортера в желоб, вставленный в приемный штуцер зоны термоподготовки. Если давление в зоне термоподготовки станет избыточным, то дымовые газы вместе с пылью начнут с большой скоростью выходить из загрузочного штуцера и воспрепятствуют загрузке зернистого материала в установку. При малом разряжении в зоне термоподготовки атмосферный воздух засасывается через штуцер, помогая загрузке. Правда, при этом происходит разбавление дымовых газов, уменьшение их температуры, увеличение объемного расхода через дымосос и, следовательно, увеличивается потребляемая мощность и затраты на электроэнергию. Но простота и надежность загрузки на предприятиях невысокой культуры производства победили стремление к эффективности.
2. Число псевдоожижения в зоне термоподготовки. В этой зоне должно быть достаточно интенсивное движение частиц глины, чтобы нагретая и подсушенная глина исправно поступала самотеком в переток и далее в зону обжига. Если псевдоожиженный слой в зоне термоподготовки “заляжет” или будет слабо “кипеть”, то зернистый материал не пойдет в переток и далее в зону обжига. Температура в последней возрастет, частицы глины начнут слипаться и образовывать монолит (операторы печи говорят “варится козел”). Одновременно, с приостановкой выгрузки и непрерывной загрузке сырья, высота слоя в зоне термоподготовки растет, и это вызовет увеличение давления в зоне обжига и, следовательно, уменьшение расхода воздуха в зону обжига. Псевдоожиженный слой в ней тоже может “залечь” и “козел” неизбежен.
3. Температура в зоне термоподготовки определяется технологами экспериментально для каждого месторождения глины. Если эту температуру превысить, то частицы зернистого материала будут пересушены, тогда не хватит паро-газовой фазы для вспучивания. На выходе из установки пойдет брак: спеченые частицы типа дробленого кирпича (технологи называют этот материал керамлитом). Одновременно в зону обжига пойдет более горячий материал, что вызовет рост температуры в этой зоне, опять грозит “козел”.
Если эту температуру в зоне термоподготовки занизить относительно номинальной, то частицы глины будут влажнее и холоднее и, попадая в зону обжига с высокой температурой, подвергаются тепловому удару. Происходит процесс термического дробления частиц, увеличивается пылеобразование, т.е. перевод сырья в пыль, которую никто не знает, куда девать.
4. Максимальный размер частиц в уносе из зоны термоподготовки. Суть дела в том, что исходная глиняная крошка имеет полидисперсный состав с максимальным размером 5 мм. Если увеличится расход дымовых газов из зоны обжига и из холодильника (см. технологическую схему на рис. 4.1), то увеличится расход и размер уносимой пыли из термоподготовки. Следовательно, изменится фракционный состав псевдоожиженного слоя и в зоне термоподготовки и в зоне обжига (он в среднем укрупнится). Фракционный состав сильно влияет на гидродинамику псевдоожижения и его изменения чреваты все тем же “козлом”.
5. Температура в зоне обжига. Разрешенный диапазон отклонения ее от номинала (10000С - 1100 0С) составляет ± 50 0С для лучших глин СССР (Смышляевское месторождение под г. Самара). Если выйти из разрешенного диапазона направо - “козел”, налево – «керамлит».
6. Число псевдоожижения в зоне обжига. Разработчики технологии требуют высокую подвижность частиц в зоне, чтобы исключить слипание оплавленных частиц и изменения фракционного состава в слое. Это число по требованию технологов должно быть больше 3, т.е. совпадает с общими рекомендациями при псевдоожижении.
7. Природный газ подается в псевдоожиженный слой зоны обжига через специальную подовую горелку (см. рис. 4.2).
Рис. 4.2. Гидродинамическая обстановка в окрестности подовой горелки псевдоожиженного слоя зоны обжига.
XФ - диаметр факела струи (максимальный), LФ - длина струи, h - шаг между горелками на подине зоны обжига, ®..... - траектории движения частиц в факеле.
Она представляет собой систему равномерно по площади подины расположенных горелок типа труба в трубе (на рис. 4.2 это не показано) [58]. По центральной трубке с соплом на конце подается природный газ, а по кольцевому каналу - воздух на горение и псевдоожижение. Для интенсификации процесса смешения газа с воздухом создается большая разность линейных скоростей истечения [58].
Главная забота здесь - сжечь природный газ в самом псевдоожиженном слое, а не над ним или в газоходах за слоем (и такое нередко в подобных системах).
Газовоздушная струя из одной горелки имеет некоторые размеры: по горизонтали - диаметр факела (максимальный) и по вертикали - высоту струи. Здесь заданный параметр - диаметр факела струи должен быть равным шагу между горелками с точностью ± максимальный размер частиц. Иными словами, факелы соседних струй должны касаться друг друга.
Если размер факела больше шага между горелками, то факелы сливаются на какой-то высоте слоя. Образуется большой пузырь с горизонтальным размером во всю печь (2,5 - 3 м), который заполнен смесью природного газа с воздухом. Далее происходит взрыв, и все, что есть над взрывом, выносится из зоны обжига. Поэтому технологи (не зная этого механизма выбросов) предусмотрели футерованный циклон за зоной обжига (см. рис. 4.1).
Если размер факела меньше упомянутого шага, то между струями образуются столбы неподвижных частиц, которые обрушиваются в струю, и попадают в зону локально высоких температур, оплавляются - “козел” неизбежен.
8. Следующий заданный параметр тоже относится к гидродинамике струй в псевдоожиженном слое. Оказывается [59], если длина струи превосходит половину высоты слоя, то струя пробивает слой, природный газ начинает сгорать над слоем или даже в газоходах печи. В первом случае образуется плавающая корка из оплавленных частиц, далее она падает на горелки и вновь неизбежен “козел”. Самое главное, при этом уменьшается температура самого слоя, так как газ сгорает вне слоя – нарушается основа технологии.
Если же длина струи меньше половины высоты слоя, то каждая горелка начинает генерировать газовые пузыри с начальным размером, равным диаметру факела струи. Эти пузыри наполнены смесью природного газа с воздухом, а потому начинают взрываться стохастично по объему слоя. При каждом таком взрыве окружающие частицы с большой линейной скоростью разлетаются во все стороны. Если размягченная и слегка оплавленная частица на большой скорости попадает на раскаленную футеровку печи, то в своей массе они образуют на футеровке этакий настыль (операторы говорят - “лепешку”). Эти лепешки обрушиваются на горелки зоны обжига, назревает “козел”.
Если же после взрыва пузыря раскаленные частицы налетают на саму горелку, то часть из них просто закрывается, отключается. Уменьшается расход природного газа и воздуха; слой остывает и перестает кипеть. Операторы опытно-промышленной установки во ВНИИСтроме при испытаниях вспучивания глины немедленно отключали природный газ и останавливали процесс, если в выходной течке появлялись “лепешки”.
9. Другой заданный параметр относится к системе воздухораспределения подовой горелки. Дело в том, что через кольцевую щель каждой горелки (а их в промышленной печи порядка 102) может просыпаться зернистый материал в систему распределения воздуха и просто ее забивать. Чтобы не останавливать процесс для очистки (как правило, вручную) системы воздухораспределения, необходимо реализовать условие: скорость воздуха на выходе из кольцевого канала горелки должна быть больше скорости витания для самой крупной фракции псевдоожиженного слоя. Тогда просыпь частиц любого размера исключена.
10. Следующие заданные параметры относятся к процессу охлаждения вспученных и оплавленных с поверхности частиц глины. Охлаждать частицы надо таким образом, чтобы не образовывались трещины на поверхности. Дело в том, чтобы после созревания бетона вода не смогла пройти вглубь частиц, так как зимой вода замерзнет и разрушит частицу и окружающий бетон. Короче говоря, керамзитовый наполнитель бетона резко увеличивает морозостойкость (число смен зима - лето), если частицы наполнителя (гравия и песка) не имеют трещин.
Оказывается [56], при охлаждении частиц минералы в глине совершают фазовые превращения с изменением объема. Поэтому для большинства глин, из которых можно делать керамзит, при охлаждении их необходимо выдерживать примерно 15 - 20 минут при температурах 900 0С, 6000С, 4000С. Тогда фазовые превращения минералов проходят в равновесном режиме, и трещины не образуются. Следовательно, холодильник в установке должен быть трех секционный. Габариты каждой секции должны обеспечить необходимое время пребывания, а термические условия должны соответствовать указанным выше. Тогда на выходе из холодильника не будет брака.
11. Все три секции холодильника должны работать в развитом режиме псевдоожижения, т.е. число псевдоожижения должно быть больше 2. Если слой частиц заляжет хоть в одной секции холодильника, то, в конце концов, прекратится выгрузка из зоны обжига, высота слоя в ней начнет расти, что изменит всю гидродинамику и приведет к козлообразованию.
В рассматриваемой технологической схеме на рис. 4.1 добиться устойчивой работы холодильника, а, следовательно, всей установки довольно трудно. Из схемы видно, что один напорный вентилятор работает в параллель и на охлаждение и на пневмотранспорт. Стоит произойти пульсации и подать на пневмотранспорт чуть меньше частиц, как расход воздуха в трубе пневмотранспорта возрастет, а, следовательно, расход воздуха на псевдоожижение в холодильниках уменьшится, слои там “залягут”, выгрузка из холодильника вообще прекратится и.... все встало. Если же пульсация расхода частиц в пневмотранспорт увеличилась, то сопротивление потоку воздуха возрастет, а расход его уменьшится. Это вызовет образование «пробки» в трубе пневмотранспорта и одновременно увеличение расхода воздуха в холодильник кипящего слоя (увеличивается унос частиц). Надо скорее переводить установку на холостой режим и отлаживать крайне неустойчивую гидродинамику разветвленных сетей. Это один из примеров воздействий одного процесса на все части системы, на ее работоспособность. А практически пришлось поставить к установке еще одного оператора, который бегал по цеху от одной задвижки к другой, отлаживая расходы воздуха потребителям, или вышибал пробку из трубы пневмотранспорта.
12. Еще один заданный параметр обусловлен ТУ на дымосос: температура отходящих дымовых газов должна быть не более 250 0С, и тогда завод-изготовитель гарантирует длительную эксплуатацию дымососа.
13. Последний заданный параметр имеет экологическое значение. Количество пыли, извергаемой из установки в атмосферу с дымовыми газами должно соответствовать некоторым нормативам, иначе “зеленые” будут беспощадно штрафовать все производство. Кроме того, запыленность дымовых газов сокращает срок эксплуатации дымососа из-за эрозии металлических лопаток и корпуса дымососа.
Итого: 13 заданных параметров. При этом легко видеть, какие из них образуют химико-технологическое подмножество, какие - процессные, какие относятся к оборудованию, а какие - экологические. Обращаем внимание на то обстоятельство, что большинство заданных параметров связаны с гидродинамикой, и это еще раз подтверждает тезис: гидродинамика первична, остальные процессы вторичны. Правильность этого тезиса прочувствовали все те, кто хоть раз участвовал в пусковых работах промышленных установок: как только удавалось отладить гидродинамику и гидравлику, так сразу установка начинает нормально работать.
Обращаем внимание, какова должна быть глубина и детальность научных исследований, экспериментальных наблюдений и в области вспучивания глин, и в гидродинамике псевдоожиженного слоя, и в теории струйного истечения в псевдоожиженный слой, и в теории смешения газов, их горения, теории тепло-массообмена. Вот уж действительно, заниматься работоспособностью и надежностью систем можно только эрудитам, стоя на плечах гигантов.
