Конструкция содорегенерационных котлов

Предисловие

Учебное пособие «Содорегенерационные котлоагрегаты» предназначается для студентов всех форм обучения по специальностям 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и 140105 «Энергетика теплотехнологий».

Основную направленность содержания данного учебника авторы видят в раскрытии и анализе рабочих процессов, протекающих в СРК, что соответствует характеру подготовки специалистов как инженеров эксплуатационно – наладочного профиля.

В учебном пособии рассматриваются следующие разделы: место СРК в общем процессе производства супьфатной целлюлозы, теплофизические свойства черного щелока, технологические схемы регенерационного цикла, конструктивные особенности СРК отечественного и зарубежного производства, вспомогательное оборудование, очистка газовых выбросов содорегенерационных котлоагрегатов. Приведены рекомендации по проектированию, эксплуатации и оптимизации процессов сжигания щелоков. Рассмотрены и приведены примеры расчетов материального и теплового балансов СРК.

Значительная часть разделов пособия подготовлена на основе следующих изданий: Липовков И.З. «Содорегенерационные котлоагрегаты»; Глейзер И.Ш., Куклев Ю.И. «Повышение эффективности энерготехнологического оборудования целлюлозно-бумажного производства».

Учебное пособие сопровождается большим числом иллюстраций и принципиальных схем для лучшего усвоения материала.

Общая характеристика процесса сульфатного производства

Природная целлюлоза, или клетчатка, является основным веществом, из которого построены стенки растительных клеток. Поэтому растительное сырье разных видов служит единственным источником промышленного производства целлюлозы. Из древесных пород наибольшее применение имеют: хвойные – ель, сосна, пихта и лиственные – тополь, осина, береза, бук. Процесс производства сводится к химической обработке растительного сырья, целью которой является отделение целлюлозы от других содержащихся в растительной ткани веществ – лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров, танинов и т.п. При промышленном производстве наибольшее распространение получили сульфитный и сульфатный способы получения целлюлозы.

В сульфитном способе в качестве реагента используется так называемая сульфитная варочная кислота. Она представляет собой раствор сернистой кислоты , содержащей некоторое количество бисульфитов кальция, магния, натрия или аммония. Небеленая и беленая сульфитная целлюлоза является одними из главнейших полуфабрикатов для получения искусственного волокна и выработки газетных, типографских, писчих и целого ряда других видов бумаги.

При сульфатном способе реагентом является смесь едкого натра NaOH и сульфида натрия . В настоящее время этот способ самый распространенный из всех промышленных способов получения целлюлозы. Сульфатным способом можно перерабатывать любые древесные породы и растения. По всем показателям механической прочности сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную, полученную из той же древесины. Жесткая сульфатная целлюлоза из хвойной древесины за свою чрезвычайно высокую механическую прочность получила название крафт-целлюлозы. Сульфатная целлюлоза труднее отбеливается и размалывается, но легче проклеивается и характеризуется более высокой термостойкостью и долговечностью, чем сульфитная. Однако выход сульфатной целлюлозы из древесины при варке оказывается на 3-4 % ниже, чем сульфитной, и это обстоятельство является существенным недостатком этого способа. Общая схема производства целлюлозы из древесины по сульфатному способу (рис. 1) на современных предприятиях складывается из следующих отдельных стадий:

Рис.1. Схема производства сульфатной целлюлозы.

1. Подготовка древесины состоит из операций по выгрузке и хранению древесины, очистке ее от коры, распиловке и измельчению в щепу. Древесные отходы для утилизации направляются в корьевой котел.

2. Варка щепы. Варка происходит в периодически или непрерывно действующих варочных котлах под давлением 0, 8–1, 2 МПа и при температуре 170–180 °С. В котел подается щепа и варочный белый щелок, содержащий в качестве активного реагента смесь едкого натра и сульфида натрия (NaOH + ). После варки полученная масса направляется на промывку (на рис. не показана), где происходит отделение от сваренной целлюлозы отработанного черного щелока. Целлюлозная масса затем проходит стадии очистки (от непровара и минеральных загрязнений), облагораживания, отбелки, обезвоживания и сушки.

Отбелка целлюлозы проводится только в тех случаях, когда вырабатывается беленая целлюлоза, а облагораживание – только при производстве специальных видов целлюлозы, предназначенных для химической переработки.

Если целлюлозный завод входит в состав целлюлозно-бумажного комбината, то отпадает необходимость в обезвоживании и сушке целлюлозы, поскольку она в этом случае передается для переработки на бумажную или картонную фабрику в виде жидкой массы.

3. Кроме того, неотъемлемой составной частью сульфатного производства является регенерация щелочи из отработанных черных щелоков. Организация этого процесса является значительным шагом в развитии сульфатного производства целлюлозы, так как происходит утилизация сточных вод и контроль над ними, повышается экономичность производства за счет регенерации химикатов и использования теплоты органических компонентов черного щелока в содорегенерационном котлоагрегате (СРК).

СРК – это основной объект системы регенерации, поэтому решение вопросов связанных с его надежной, экономичной и экологически чистой работой является важнейшей задачей.

Процесс регенерации щелочи состоит из трех операций:

1. Выпаривание черного щелока до концентрации 45–60 % сухого вещества в многокорпусных выпарных аппаратах или до 65–75 % при использовании концентраторов.

2. Сжигание сгущенного щелока в содорегенерационных котлах с получением регенерированного минерального продукта в виде плава. При сжигании щелока происходят реакции карбонизации едкого натра (NaOH) и сульфида натрия () и восстановления сульфата натрия (), которые входят в состав минеральной части черного щелока. Поэтому плав состоит в основном из карбоната ( – 70 %), и сульфида натрия ( – 20 ÷ 25 %). Из СРК плав поступает в бак-растворитель, где растворяется слабым белым щелоком, образуя зеленый щелок.

3. Каустизация раствора плава (зеленого щелока) осуществляется известью (CaO) с целью перевода карбоната натрия в едкий натр. При этом протекают следующие химические реакции:

CaO + = ,

+ = 2NaOH + ↓.

Полученный в каустизационных установках крепкий белый щелок откачивается в варочный цех, а образовавшийся шлам () направляется в известеобжигательную печь для регенерации извести.

В процессе регенерации щелоков производится возмещение потерь щелочи за счет добавки в щелок перед его сжиганием сульфата натрия ().

Теплофизические свойства черного щелока

С энергетической точки зрения черный щелок следует рассматривать как низкокалорийное, влажное, высокозольное топливо. Особенно важными характеристиками для организации процессов его горения и восстановления являются: плотность, вязкость, теплота сгорания, теплоемкость.

Состав щелока. Сульфатный щелок представляет собой раствор различных органических веществ и натриевых соединений. Органическая часть включает преимущественно щелочной лигнин, имеющий полидисперсный состав, и продукты разрушения углеводов. Минеральная часть сухого остатка включает свободный гидроксид натрия (едкий натр) и натриевые соли (сульфид , сульфат и карбонат ), а так же натриевую щелочь, преобладающую в минеральной части щелока и химически сведенную с органическими веществами.

Состав сухого остатка черного щелока зависит от вида перерабатываемого сырья, выхода целлюлозы, расхода щелочи на варку и ее потерь в цикле.

Элементарный состав органической части сухого остатка (в % от массы):

- углерод - 35 - 40 %;

- водород - 1, 6 - 4, 5 %;

- сера органическая - 0, 4 - 1, 5 %;

- кислород - 16 - 21 %;

- азот N^d - 0, 1 - 0, 3 %.

Состав минеральной части, в % от массы сухого остатка:

- едкий натр,

связанный с органической частью - 15 - 24 %;

- карбонат натрия - 7 - 19 %;

- сульфид натрия ^d - 1, 5 - 7, 5 %;

- сульфат натрия - 1, 2 - 6, 5 %;

- едкий натр - 0, 5 - 3 %.

Таким образом, в состав сухой массы черного щелока входит

37 ­­- 44 % минеральных и 56 - 63 % органических веществ.

Одновременно с горением органической части щелока в его минеральной части протекают следующие основные реакции:

– карбонизация свободного и органически связанного едкого натра

2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O;

– карбонизация сульфида натрия

Na₂S+CO₂+H₂O=Na₂CO₃+H₂S;

– регенерация серы

2SO₂+O₂+2Na₂CO₃=2Na₂SO₄+2CO₂;

– восстановление сульфата натрия

Na₂SO₄+2C=Na₂S+2CO₂.

В результате горения органической массы щелока и преобразования минеральной части сжигаемого щелока в топке содорегенерационного котла образуются дымовые газы, состоящие из продуктов полного сгорания (CO₂, SO₂, H₂O) и продуктов неполного сгорания (CO, CH₄, H₂, H₂S, CH₃SH), а также плав, состоящий в основном из карбоната (), сульфида (), сульфата () натрия и едкого натра (NaOH). Сульфат натрия и едкий натр образуются в плаве в результате неполного восстановления сульфида натрия и неполной карбонизации едкого натра.

В процессе карбонизации едкого натра часть углекислого газа, образовавшегося при сгорании органического углерода, переходит в плав и, наоборот, из минеральной части щелока в газовую среду выделяются водяные пары.

В результате карбонизации сульфида натрия часть углекислого газа переходит в плав, при этом образуется сероводород, который, сгорая, образует воду и сернистый ангидрид в газовой фазе

.

При регенерации серы часть сернистого ангидрида (), образовавшегося при сгорании органической серы, переходит в плав, при этом выделяется углекислый газ.

При восстановлении сульфата из минеральной части щелока в газовую фазу выделяется часть кислорода, принимающего участие в окислении органических веществ щелока.

Все эти изменения, а также разница условий лабораторного и промышленного сжигания щелока должны быть учтены при определении элементарного состава органической массы щелока и теплоты его сгорания. Поэтому содержание в щелоке минеральной части (М) несколько отличается от зольности щелока (А), получен-ной при лабораторных исследованиях. Для определения содержания минеральных веществ пробу щелока высушивают, сжигают и прокаливают в муфельных печах. В условиях неограниченного доступа воздуха в минеральной части происходят химические преобразования. При определении зольности щелока почти вся органическая сера, содержащаяся в щелоке, и значительное количество углекислого газа, образовавшегося вследствие сгорания органического углерода, превращаются в сульфат и карбонат натрия. Поэтому масса образовавшейся золы больше массы минеральной части. Разница между зольностью A^d сухой массы щелока и содержанием минеральной части M^d может доходить до 10%.

Теплота сгорания щелока. Теплота сгорания щелока, как и других органических топлив, определяется с помощью калориметрической установки, где щелок сжигается в атмосфере кислорода.

Высшая теплота сгорания , кДж/кг, подсчитывается по следующей формуле:

где - теплота сгорания сухой массы щелока, определенная в калориметрической установке, кДж/кг;

, - содержание органической и сульфидной серы, в % от сухой массы щелока;

- степень карбонизации едкого натра, %;

- количество углекислого газа, расходуемого на полную карбонизацию едкого натра, в % от сухой массы щелока.

Методика определения степени карбонизации и комплекса изложена в разделах «Определение состава минеральной части и особенности определения элементарного состава органической части щелока» и «Материальный баланс содорегенерационного котлоагрегата по натрию и сере».

Высшая теплота сгорания рабочей массы топлива:

, кДж/кг,

где - общая влажность щелока.

Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива:

, кДж/кг.

Теплота сгорания щелока меняется в широком диапазоне, что вызвано влиянием на нее таких факторов, как породный состав древесины, режим варки, качество щепы, расход химикатов, соотношение в щелоке лигнина и продуктов разрушения углеводов, величина потерь органических компонентов в цикле и других, которые могут меняться в течение времени случайным образом. При таком подходе становится ясным разброс данных, полученных на различных предприятиях при определении теплоты сгорания щелоков.

Поскольку на теплоту сгорания оказывает влияние множество случайных факторов, эффект которых по отдельности учесть сложно, то представляется возможным рассматривать изменение теплоты сгорания щелока как совместный эффект действия указанных факторов, и применять к изучению этого вопроса метод математической статистики. В результате статистического анализа отработанного сульфатного щелока среднее значение низшей теплоты сгорания сухой массы сульфатного щелока, которое следует применять для расчетов при проектировании СРК, составляет 13250 кДж/кг.

Состав черного сульфатного щелока по результатам анализов некоторых предприятий приведен в табл.1.

Плотность. Упрощенно можно представить черный щелок как механическую смесь воды и сухого остатка, поэтому достаточно просто аналитически описать зависимость плотности щелока от содержания в нем сухого остатка:

Вязкость. Общей закономерностью для всех целлюлозных щелоков является резкое увеличение их вязкости при переходе к высоким концентрациям. Существенное различие в значениях вязкости щелоков в зависимости от вида сырья и условий варки появляется лишь при концентрации сухого остатка выше 30%.

Характеристики сульфатного щелока Таблица 1

	Наименование	Обозначение	Размерность	Предприятия
Сегежский ЦБК	Котласский ЦБК	Марийский ЦБК	Братский ЦБК
Плотность при температуре 15° С	ρ	кг/м3
Содержание сухих веществ	100 -	%		47, 3	50, 7	59, 5
Теплота сгорания сухой массы		кДж кг
Элементарный состав сухой массы щелока	Минеральная часть	Зольность		%	46, 2	49, 8	47, 11	44, 1
Минеральная часть		%	38, 1	42, 1	37, 6	38, 0
Едкий натр, связанный с органической частью		%	13, 8	15, 1	23, 3	18, 4
Едкий натр свободный		%	1, 97	1, 58	2, 95	1, 3
Карбонат натрия		%	14, 2	15, 9	5, 2	10, 9
Сульфид натрия	d	%	4, 8	7, 23	3, 3	3, 1
Сульфат натрия		%	3, 3	2, 27	2, 8	4, 27
Сера сульфидная		%	1, 97	2, 97	1, 35	1, 27
Сера сульфатная		%	0, 74	0, 51	0, 63	0, 96
Сера в золе		%	1, 7	2, 55	2, 4	2, 68
Органическая часть	Углерод		%	38, 45	36, 6	35, 27	40, 4
Водород		%	3, 47	3, 7	4, 16	3, 84
Сера органическая		%	0, 47	0, 03	0, 82	1, 18
Кислород		%	19, 72	17, 45	21, 85	19, 06
Азот		%	0, 29	0, 12	0, 3	0, 12

При одном и том же содержании сухих веществ черный сульфатный щелок, образующийся при варке древесины хвойных пород, имеет более высокую вязкость, чем щелок, образующийся при варке лиственных пород.

При высоких концентрациях и низких температурах черный щелок представляет собой чрезвычайно вязкую, слаботекучую жидкость, поэтому его следует подогревать. Положительные результаты при транспортировке и подаче щелока в топку достигаются при следующих соотношениях:

концентрация температура

55% - 105 ˚ С;

60% - 110 ˚ С;

65% - 115 ˚ С.

Теплоемкость. Теплоемкость черного сульфатного щелока слабо зависит от температуры при значениях tщ < 100 ˚ С. При этом с достаточной для инженерных расчетов точностью изобарная теплоемкость может быть вычислена по уравнению:

=4, 1-0, 027 , кДж/кг,

где - концентрация сухого остатка % по массе.

При температуре щелока выше 100˚ С рекомендуется вычислять изобарную теплоемкость по следующему эмпирическому уравнению:

=0, 41-0, 017 , кДж/кг.

Организация топочных процессов в СРК

Способ Томлинсона. На фронтовой стенке топочной камеры устанавливается одна форсунка, предназначенная для подачи щелока в топку. Форсунка приводится в движение через редуктор электродвигателем и качается в вертикальной плоскости с одновременным поворотом вокруг вертикальной оси на максимальный угол 120°. В вертикальной плоскости угол качания составляет 25-40°. Производительность котла регулируется применением в форсунке сопел различных диаметров. При этом давление щелока поддерживается на уровне 0, 28-0, 3 МПа.

Щелок набрызгивается веером крупных капель на заднюю и боковые стенки топочной камеры. Он высыхает, частично обугливается, превращаясь в сухую пористую массу, которая время от времени в виде крупных кусков отваливается от стенок и падает на под, формируя слой огарка, где и сгорает. Подсушка щелока происходит в основном на стенках топочной камеры, при этом щелок должен высохнуть до минимальной влажности за время, в течение которого форсунка совершает половину полного колебания в горизонтальной плоскости. Если щелок не успевает подсушиваться, что заметно по появлению темных пятен в слое огарка на поду, то следует расширить площадь сушки. Практически это достигается увеличением углов качания форсунки, оказывающей ключевое влияние на режим сушки щелока на стенках топки. В этой связи необходимо иметь четкие представления о форме и границах подсыхающего щелока на стенках топки. Выявлено, что угол качания форсунки в вертикальной плоскости влияет на формирование слоя щелока на задней стенке топки, а угол поворота вокруг вертикальной оси определяет форму и размеры площади слоя на боковых стенках.

На рис.2 изображена форма слоя подсыхающего щелока на стенках топки и подушки огарка на поду, которые необходимо поддерживать, при этом нижняя граница слоя должна проходить над соплами вторичного дутья.

Рис.2. Формирование слоя щелока в топке Томлинсона:

1 – фурмы третичного дутья; 2 – слой щелока на боковых экранах;

3 – фурмы вторичного дутья; 4 – слой огарка на поду топки; 5 – фурмы первичного дутья; 6 – слой щелока на заднем экране; 7 – щелоковая форсунка.

При повышении влажности щелока углы качания форсунки следует увеличить. Однако такой прием следует рассматривать как исключительный, потому что при этом возрастает вероятность уноса капель распыленного щелока.

К недостаткам этого способа следует отнести:

1. Снижение коэффициента тепловой эффективности экранов, так как часть поверхности труб покрыта слоем щелока, что снижает коэффициент теплопередачи в топке и приводит к увеличению температуры газов на выходе из нее.

2. Процесс сушки на стенах топки менее эффективен, чем в объеме топки.

3. Подсушенный щелок падает со стен к краям слоя огарка, что вызывает трудности при его формировании.

4. Падение значительной массы щелока вызывает некоторое снижение температуры в слое, что приводит к увеличению выбросов соединений восстановленной серы.

При способе Комбашн впрыскивание производится в объем топочной камеры. Мелкие частицы щелока диаметром до 2 мм под действием восходящего потока газов увлекаются в верхнюю часть топочного объема. Основная масса частиц с диаметром от 2 до 5 мм подсушивается и воспламеняется в топочном объеме и падает на под топки, образуя слой огарка - так называемую «подушку». В слое огарка происходит выгорание коксового остатка, сопровождаемое химическими преобразованиями.

Для каждого способа процессы, происходящие в топке при сжигании черного щелока, условно делятся на три стадии.

Первая стадия – подсушка щелока под действием горячих топочных газов - осуществляется после впрыскивания щелока в топку. Одновременно с подсушкой щелока происходит взаимодействие щелока с кислыми компонентами дымовых газов.

Вторая стадия – пиролиз и коксование органической части щелока - начинается при влажности меньше 15 % в объеме топочной камеры. При пиролизе выделяется значительное количество летучих органических веществ, в том числе и соединений восстановленной серы (сероводород H₂S, метилмеркаптан CH₃SH, диметилсульфид (CH₃)₂S и др.). С удалением остатков влаги скорость пиролиза органической части щелока увеличивается, и к началу третьей стадии примерно половина начального количества углерода присутствует в виде кокса.

Во время третьей стадии на поду топки происходит выжигание кокса и расплавление всех оставшихся минеральных солей. В этой стадии осуществляется восстановление сульфата натрия, добавляемого в щелок для возмещения производственных потерь химикатов. Расплавленные минеральные соли по лёткам выводятся в бак-растворитель плава.

Восстановление сульфата требует соответствующей восстановительной атмосферы, в связи с чем в нижнюю часть топочной камеры подается только часть воздуха, необходимого для горения (до 60 %). Остальной воздух вводится в среднюю часть топки, где формируется окислительная зона, необходимая для дожигания летучих органических соединений, образующихся в процессе пиролиза.

Исходя из стадийности и ступенчатости процесса сгорания и регенерации щелока во всех агрегатах, принята следующая схема организации топочного процесса.

• Воздух подводится ступенчато.

• Процесс горения протекает в основном в активной зоне топочного объема, расположенной в пределах от пода топки до уровня форсунок. При этом движение распыленного топлива и воздуха оказывается противоточным: капли щелока падают вниз навстречу восходящему потоку воздуха и продуктов сгорания.

• При испарении влаги из капель образуются хлопья сухого щелока. Наиболее мелкие частицы уносятся газовоздушным потоком в верхнюю часть топочной камеры и далее в газоходы котла. Более крупные частицы падают на под и сгорают в нижней части топки и в слое огарка.

Теоретическая температура горения жидкого щелока и стабильность факела зависят в основном от температуры воздуха, влажности щелока и коэффициента избытка воздуха. В большинстве современных агрегатов коэффициент избытка воздуха в активной зоне топочного объема близок к единице, а температура воздуха, поступающего в топку, находится в пределах 130-180 ˚ С. Рекомендуемая влажность щелока перед форсунками не более 40 %.

Средняя расчетная температура газов на выходе из зоны активного горения (примерно на уровне щелоковых форсунок) равна 1040 ˚ С. В области распыления и подсушки жидкого щелока имеет место дополнительное локальное снижение температуры, обусловленное испарением влаги. При снижении температуры горения, вследствие увеличения влажности щелока и избытка воздуха, может произойти потухание факела, что является одной из причин топочных взрывов.

Поддержание определенного температурного режима при сжигании щелоков низкой концентрации может осуществляться путем использования вспомогательного топлива (газ, мазут). Однако, как показывает опыт, такой прием не устраняет возможности нарушения стабильности факела и образования хлопков и взрывов.

Наиболее надежным методом тепловой стабилизации процессов горения следует считать повышение температуры воздуха до 300 – 400 °С.

Нарушение устойчивости процесса горения может произойти как при колебаниях расхода, так и при полном временном прекращении подачи щелока или воздуха. Особенно опасной является эксплуатация агрегата при заносе поверхностей нагрева минеральными солями, вызывающем резкое нарушение аэродинамики топочного процесса.

Отрицательной особенностью организации топочного процесса при сжигании сульфатного щелока в СРК является раздельная подача в топку влажного щелока и воздуха. Вследствие этого ухудшаются условия воспламенения распыленного щелока, и снижается интенсивность процесса горения. Периферийная подача воздуха с низкими скоростями посредством сопел малого сечения обуславливает слабое проникновение воздуха в центральную часть, где интенсивность процесса горения оказывается особенно низкой.

На поду в слое огарка происходит:

– горение коксового остатка в слое с образованием и :

,

.

(Как показали исследования, количество сгоревшего полностью углерода должно составлять порядка 30 %).

– восстановление сульфата натрия:

,

,

– карбонизация едкого натра:

,

– разложение сульфатов и карбонатов с образованием :

,

.

В топочном объеме до уровня вторичного дутья происходит в основном горение летучих соединений, выделяющихся при пиролизе частиц щелока, а также реакции карбонизации сульфида натрия и оксида натрия:

,

.

Кроме этого происходит восстановление оксида натрия, окисление паров натрия и образование едкого натра:

,

,

.

Рис. 3. Химические реакции в топке СРК.

1 – первичный воздух; 2 – нижний ярус вторичного воздуха;

3 – щелоковые форсунки; 4 – верхний ярус вторичного воздуха.

В зоне окисления происходит догорание газообразных горючих веществ:

,

.

Здесь так же происходит образование серного ангидрида и сульфата натрия:

,

,

.

В процессе варки целлюлозы образуются летучие высокотоксичные метилсернистые соединения: метилмеркаптан , диметилсульфид и диметилдисульфид .

Эти соединения выделяются при сушке и пиролизе щелока и сгорают в зоне окисления по реакциям:

,

,

.

Недостаток кислорода или ухудшенное смесеобразование приводит к неполному сгоранию соединений восстановленной серы и наличию в дымовых газах высокотоксичных дурнопахнущих соединений.

Поступающий из СРК в бак-растворитель плав состоит в основном из карбоната натрия () – 60-80 %, сульфида натрия () – 10-30%, сульфата натрия () – 10-15%, едкого натра () – 2-4%. Кроме этого в состав плава может входить тиосульфат натрия (), который образуется при увеличении температуры в присутствии соды, хлорид натрия () и силикат натрия (), содержащийся в качестве примесей в природном и техническом сульфате, добавляемом в черный щелок для восполнения потерь натрия.

Как показывает анализ химических реакций, протекающих при сжигании и регенерации щелока, сложная организация топочного процесса способствует образованию вредных серосодержащих газов (сероводорода, метилмеркаптана, диметилдисульфида) и образованию паров натриевых соединений. Увлекаемые потоком дымовых газов из топочного объема они в значительной мере влияют на загрязнение поверхностей нагрева СРК и снижают эффективность его работы.

Для обеспечения устойчивого и экономичного сжигания щелока в топках содорегенерационных котлоагрегатов необходимо довести содержание сухих веществ в щелоке как минимум до 60-65%, а потери тепла и химикатов с уходящими дымовыми газами свести к минимуму. Для этого применяют различные схемы содорегенерационных котлоагрегатов, которые увязывают с производительностью выпарных установок по количеству испаряемой влаги и содержанию сухих веществ в черном щелоке.

Выпаривание черного щелока, то есть удаление из него избытка влаги, необходимо для его эффективного сжигания в СРК. Оно может быть проведено в один или два этапа, причем первый и часто единственный этап осуществляется в многокорпусных выпарных установках, а второй, дополнительный, - в испарителях с непосредственным контактом между щелоком и теплоносителем.

На рис.4 изображена принципиальная технологическая схема СРК с газоконтактным испарителем. Из выпарной станции черный щелок, концентрированный до 55% сухих веществ, поступает в расходный бак 1. Из расходного бака транспортными насосами 2 щелок подается в смесительный резервуар 3, где происходит его смешение с уносом, осажденным в электростатическом фильтре. Для улучшения перемешивания резервуар оснащен мешалкой. Из резервуара черный щелок насосом 16 подается в бак 10, служащий для смешения черного щелока с золой, отсепарированной из газового потока в бункерах-зольниках 17. Смыв золы из бункеров осуществляется черным щелоком, рециркулирующим при помощи насосов 12. Из бака 10 черный щелок самотеком поступает в каскадный испаритель 4, где за счет непосредственного контакта с дымовыми газами происходит увеличение его концентрации до 65%.

Концентрация щелока поддерживается постоянной и регулируется изменением температуры дымовых газов перед испарителем за счет перепуска части дымовых газов, минуя экономайзер, через обводной газоход. Из каскадного испарителя концентрированный черный щелок через проточный ящик 5 поступает самотеком в бак-растворитель сульфата 9. Сульфат подается из бункера-накопителя 6 при помощи винтового питателя 7 и ленточных автоматических весов 8. Введение добавочного сульфата натрия обеспечивает восполнение потерь натрия и серы в цикле производства. Из бака-растворителя сульфата черный щелок насосами 14 через паровой подогреватель 13 направляется к щелоковым форсункам 11, впрыскивающим его в топочную камеру 18. Избыточное количество щелока рециркулирует в бак-растворитель сульфата или в ванну каскадного испарителя 4, что обеспечивает поддержание постоянного давления щелока перед форсунками и позволяет избежать недопустимого увеличения вязкости щелока вследствие снижения его температуры в щелокопроводах при временном выключении одной из форсунок. Все емкости черного щелока имеют паровые рубашки, мешальные устройства и связаны с баком опорожнения 15.

Рис. 4. Технологическая схема СРК с газоконтактным испарителем.

1 – расходный бак; 2 – транспортные насосы; 3 – смесительный резервуар;

4 – каскадный испаритель; 5 – проточный ящик; 6 – бункер-накопитель; 7 – винтовой питатель; 8 – автоматические весы; 9 – бак-растворитель суль-фата; 10 – расходный бак; 11 – щелоковые форсунки; 12 – рециркуляционные насосы; 13 – подогреватель щелока; 14, 16 – щелоковые насосы; 15 – бак опорожнения; 17 – бункер-зольник, 18 – топочная камера ­

На рис.5 изображена принципиальная технологическая схема щелокопроводов СРК без газоконтактного испарителя. Из выпарной станции черный щелок поступает в концентратор, где упаривается до 65-75 % и направляется в расходный бак 1, оборудованный мешалкой и паровым змеевиковым подогревателем. Из расходного бака транспортным насосом 2 черный щелок подается в бак-смеситель сульфата 6, который также оборудован подогревателем и мешалкой. Наряду с сульфатом в бак-смеситель системой транспортеров направляются зола, осажденная в бункерах-зольниках котла, и унос, уловленный в электростатическом фильтре. Далее черный щелок, перемешанный с сульфатом и уносом, насосом 7 подается к двум параллельным подогревателям смешивающего типа 5, где он подогревается до температуры 115 – 120°С. От подогревателей щелок поступает в распределительный коллектор, расположенный по всему периметру вокруг топки котла, из которого форсунками 4 впрыскивается в топочную камеру. Часть щелока по линии рециркуляции 3 сбрасывается в бак-смеситель сульфата 6. На прямой и обратной линиях установлены расходомеры. Температура щелока перед форсунками регулируется автоматически за счет изменения подачи пара в подогреватели. Щелоковые емкости снабжены регуляторами уровня.

Рис.5. Технологическая схема щелокопроводов СРК.

1 – расходный бак; 2 – транспортный насос; 3 – линия рециркуляции;

4 – щелоковые форсунки; 5 – подогреватели щелока смешивающего типа;

6 – бак-смеситель сульфата; 7 – щелоковые насосы.

Возможно использование комбинированной технологической схемы СРК (рис.6). Черный щелок из выпарного цеха с концентрацией 63 – 65% при температуре 90 – 100°С поступает в бак 1, где смешивается с уносом, уловленным в электрофильтре. Для обеспечения хорошего перемешивания и растворения уноса бак имеет мешалку и паровой подогрев. Одним из двух насосов 2 щелок, перемешанный с уносом из электрофильтра, подается в бак-растворитель золы 10, где он дополнительно перемешивается с золой, осажденной в бункерах котла. Зола из бункеров котла удаляется гидравлически потоком щелока. Для этого одним из двух установленных насосов 11 щелок из растворителя золы 10 направляется в бункера 12, а из них самотеком, увлекая осевшую золу, стекает обратно в растворитель.

Рис. 6. Комбинированная технологическая схема СРК.

1 – расходный бак; 2 – транспортные насосы; 3 – проточный ящик; 4 – возду-хоконтактный испаритель; 5 – бак-смеситель сульфата; 6 – бункер сульфата; 7 – щелоковые насосы; 8 – подогреватели щелока; 9 – щелоковые форсунки; 10 – бак-растворитель золы; 11 – рециркуляционные насосы;; 12 – бункеры-зольники.

Таким образом, устанавливается непрерывный контур циркуляции, обеспечивающий удаление золы из бункеров, перемешивание и растворение ее в щелоке. Для интенсификации перемешивания и растворения золы бак-растворитель оборудован мешалкой. Щелок из растворителя золы поступает в смеситель сульфата 5, куда винтовым конвейером из бункера 6 через систему взвешивания подается сульфат натрия. Уровень щелока в смесителе поддерживается автоматически. Смеситель сульфата оборудован мешалкой и паровой рубашкой. Из бака-смесителя сульфата черный щелок, одним из двух установленных насосов 7 через подогреватели 8 подается к щелоковым форсункам 9. В том случае, если концентрация черного щелока после выпарной станции оказывается ниже 60%, то схемой предусмотрена возможность его доупаривания в воздухоконтактном испарителе. Для этого щелок из бака-растворителя золы 10 направляется в воздухоконтактный испаритель 4, в котором он доупаривается горячим воздухом до концентрации 60 – 63%. Из испарителя щелок поступает в проточный ящик 3, а затем в смеситель сульфата и далее по описанной выше схеме в топку котла.

Сравнение представленных схем показывает, что доупаривание щелока в газоконтактном испарителе при определенных условиях может значительно повысить концентрацию сероводорода в дымовых газах. При газоконтактной выпарке выделение сероводорода возрастает при понижении pH щелока, вызванного абсорбцией CO₂ и SO₂ из дымовых газов:

2NaHS+CO₂+H₂O=Na₂CO₃+2H₂S↑;

2NaHS+SO₂+H₂O=Na₂SO₃+2H₂S↑;

Na₂S+CO₂+H₂O=Na₂CO₃+H₂S↑.

При этом выделению сероводорода в газоконтактном испарителе способствует повышенная концентрация остаточного сульфида натрия в черном щелоке.

Содержание сероводорода в дымовых газах при различных технологических схемах СРК:

Схема СРК: , ppm^*

- с газоконтактным испарителем 250

- с газоконтактным испарителем и высоко-

эффективным окислением щелока 25

- без газоконтактного испарителя 2

^*ppm - миллионная доля вещества (от англ. - parts per million).

Поэтому, в настоящее время технологические схемы с газоконтактными испарителями не используются. Модернизация выпарных станций с установкой концентраторов позволяет исключить каскадный испаритель из технологической схемы, что практически устраняет выбросы сероводорода, однако требует реконструкции экономайзера котлов с целью более глубокого использования тепла дымовых газов.

Каскадный испаритель. Каскадный испаритель (рис.7а) предназначен для частичного улавливания золы из газового потока и дополнительного испарения (за счет тепла отходящих газов) влаги из щелока перед его поступлением в топку. Мощные содорегенерационные котлы, как правило, оборудуются двумя или четырьмя каскадными испарителями, устанавливаемыми с правой и левой стороны котла за экономайзерами.

Рис. 7. Каскадный испаритель (а) и проточный ящик (б):

1 – ванна испарителя; 2 – ротор испарителя; 3 – трубки ротора; 4 – шкив; 5 – редуктор; 6 – натяжной ролик; 7 – желоб для прохода щелока в проточный ящик; 8 – проточный ящик; 9 – штуцер для вывода щелока; 10 – сливной патрубок; 11 – вращающийся перфорированный барабан; 12 – вал барабана; 13 – привод барабана; 14 – секционная перегородка.

Каскадный испаритель состоит из корпуса, в нижней части которого расположена ванна 1, заполненная на 2/3 высоты щелоком, и вращающегося трубчатого ротора 2. Корпус, изготовленный из листовой стали толщиной 8 – 10 мм, состоит из двух частей (нижней и верхней), соединяемых при помощи болтов. Для обеспечения прочности конструкции обе части корпуса снабжены ребрами жесткости.

Для входа и выхода, а также спуска щелока в корпусе каскадного испарителя устроены соответствующие патрубки. Для осмотра и внутренней очистки ванны предусмотрены два люка. Нижняя часть корпуса служит одновременно опорой для подшипников вала ротора. Ротор каскадного испарителя состоит из двух дисков толщиной 12 мм, между которыми развальцованы трубы диаметром 76/70 мм. Трубы роторов выполнены из нержавеющей стали. Торцы труб ротора необходимо заглушить, так как в противном случае внутри труб образуется нагар, вызывающий дисбаланс ротора. Для прочности к дискам ротора приваривают ребра жесткости из профильной стали. Для удобства монтажа ротор состоит из двух частей, соединяемых болтами. Вал, проходящий по оси ротора, вращается в роликовых подшипниках с водяным охлаждением, установленных на нижней части корпуса. В местах прохода вала через корпус установлены сальниковые уплотнения. Во избежание потерь тепла корпус каскадного испарителя снаружи покрывают тепловой изоляцией. Ротор приводится во вращение со скоростью 4 –5 об/мин электродвигателем через редуктор и цепную передачу. Испарение влаги и улавливание золы происходит следующим образом. При вращении ротора трубы периодически смачиваются щелоком в ванне и выносят его в газовую среду. Щелок, находящийся на поверхности труб, войдя в контакт с движущимся потоком дымовых газов, частично теряет влагу и уплотняется. Частицы золы прилипают к мокрой поверхности труб и таким образом улавливаются.

При помощи вращающихся труб ротора щелок постоянно перемешивается, что препятствует образованию осадка золы в нижней части ванны.

В каскадном испарителе концентрация щелока обычно повышается от 50 – 55 до 65% а.с.в. (абсолютно сухих веществ). Для поддержания постоянной плотности щелока каскадный испаритель иногда оборудуется двумя регуляторами: при низком содержании сухих веществ в щелоке первый регулятор открывает шибер для пропуска части газов мимо экономайзера, повышая при этом температуру газов до каскадного испарителя, а при переуплотнении щелока (во избежание перегрузки электродвигателя из-за повышения вязкости) второй регулятор открывает регулировочный вентиль, через который в испаритель поступает слабый черный щелок с содержанием сухих веществ 11 –15 %. Отдельные конструкции каскадных испарителей для обвода газа мимо него снабжены обводным газоходом и автоматическим шибером для регулирования количества газов, проходящих через каскадный испаритель, в зависимости от плотности щелока.

В каскадном испарителе из щелока вместе с парами улетучивается часть горючих газов (сероводород, метилмеркаптан и прочие соединения). Вследствие этого, а также увеличения зольности за счет уловленных частиц уноса, теплота сгорания сухой массы щелока за каскадным испарителем несколько снижается.

Для вывода щелока из каскадных испарителей в смеситель сульфата устанавливают проточный ящик из листового железа (рис.7б). Внутри проточного ящика для фильтрации щелока находится перфорированный барабан диаметром 300 мм с отверстиями, выполненный из кислотоупорной стали. Перфорированный барабан вращается через редуктор от электродвигателя со скоростью 7 об/мин.

Для очистки перфорированного вращающегося барабана устанавливается шабер, прижимаемый к барабану пружиной. Для продувки барабана через патрубок, приваренный к верхней части проточного ящика, и отверстия в шабере подводится пар.

Для поддержания определенного минимального уровня щелока в каскадном испарителе, проточном ящике и смесителе сульфата, являющихся сообщающимися сосудами, в проточном ящике устанавливается съемная перегородка из стальных пластин.

Поступление щелока в каскадный испаритель регулируется автоматически от импульса уровня.

Смеситель сульфата. Оборудование для смешения щелока с сульфатом натрия состоит из бункера, питателя и резервуара. Бункер сульфата изготавливается из листовой стали толщиной 6 – 8 мм и снабжается ребрами жесткости. Для просеивания сульфата часто под бункером устанавливается вибрирующее (при помощи эксцентрика) сито с ячейками 3× 3 мм, которое приводится в движение электродвигателем.

Сульфат натрия подается из бункера в резервуар при помощи дискового или шнекового питателя. Наиболее распространенный питатель состоит из цилиндрического корпуса, вращающегося диска, ножа-отсекателя и телескопической трубы. Диск питателя получает вращение от электродвигателя мощностью 1 – 2 кВт через конические шестеренки. Производительность дискового питателя регулируется измением положения ножа-отсекателя (тонкое регулирование) или телескопической трубы (грубое регулирование). Производительность шнекового питателя регулируется изменением числа оборотов электродвигателя.

Смесительный резервуар цилиндрической формы изготовляется из листовой стали толщиной 12 мм. Для улучшения смешения сульфата со щелоком смеситель оборудован вертикальной мешалкой, состоящей из вала с насаженными на него лопастями. Вал мешалки приводится в движение от электродвигателя с червячно-шестеренчатым редуктором, опорная конструкция которого расположена на верхней крышке резервуара.

На покатой плоскости верхней части смесителя имеется течка, через которую сульфат из питателя поступает в смесительный резервуар. Щелок из проточного ящика поступает на перфорированное промежуточное днище, расположенное внутри смесителя, растворяет сульфат натрия и стекает через отверстие в нижнюю часть резервуара.

Смеситель сульфата имеет соответствующие патрубки для приема щелока из проточного ящика, отвода в щелоковые насосы, опорожнения, перелива, а также для отвода образующихся газов и паров в атмосферу.

Подогреватели и насосы для подачи щелока, форсунки. Для перекачки черного щелока используются центробежные насосы с крыльчатками, изготовленными из кислотоупорной стали. Подшипники и сальники щелоковых насосов охлаждаются водой. Напор насосов для подачи щелока составляет 4 – 6 бар, а производительность всегда превышает потребность содорегенерационного котла, благодаря чему обеспечивается рециркуляция излишнего щелока в смеситель во избежание повышения в щелокопроводе вязкости щелока из-за его охлаждения. Большинство фирм поставляет насосы с приспособлениями для изменения числа оборотов, что обеспечивает регулирование их производительности. В отдельных случаях регулирование давления и количества щелока, подаваемого в форсунки, достигается изменением положения вентиля на линии рециркуляции.

Поскольку температура щелока определяет его вязкость, следует большое внимание уделять поддержанию нужной температуры щелока перед форсунками, что обеспечивает необходимую подготовку щелока к распыливанию и своевременному превращению его в огарок, а также устойчивость горения огарка на поду топки.

Для подогрева щелока используются поверхностные подогреватели, представляющие собой цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками. Внутри корпуса установлены две трубные решетки с развальцованными в них трубами. Щелок движется по трубам, а пар подается в межтрубное пространство. Сконденсировавшийся пар через конденсационный горшок отводится в сборник конденсата.

Преимущество поверхностных подогревателей по сравнению с подогревателями смешивающего типа заключается в том, что они позволяют сохранить конденсат и избежать увлажнения щелока в результате его смешения с конденсатом греющего пара. Однако эксплуатация содорегенерационных котлоагрегатов показывает, что указанные преимущества подогрева щелока в поверхностных подогревателях нельзя использовать вследствие интенсивного образования нагара на поверхности нагрева подогревателей со стороны движения щелока. Образующийся в течение 2 – 3 дней нагар резко снижает коэффициент теплопередачи подогревателя, вследствие чего подогрев щелока в нем полностью прекращается.

На рис. 8 приведен общий вид и детали подогревателя смешивающего типа. Он представляет собой цилиндр с патрубком для ввода щелока 5. Пар в подогреватель вводится при помощи двух перфорированных труб.

Рис.8. Общий вид и детали подогревателя смешивающего типа:

1 – корпус подогревателя; 2 – головка подогревателя; 3 – штуцер;

4 - перфорированная паровая труба; 5 – патрубок с фланцем;

6 – ребра жесткости; 7– опора; 8 – фланец; 9 – отверстия Ø 3 мм (15 шт.).

Отверстия в них просверлены под углом, поэтому струи пара, выходящие из них по касательной к цилиндрической поверхности труб, совершают вращательное движение и хорошо перемешивается со щелоком, что способствует быстрой конденсации пара в нем. Патрубок для отвода подогретого щелока расположен в нижней части подогревателя. Расход пара на подогрев щелока составляет примерно 42 кг на 1 т а.с.в. щелока. При этом концентрация щелока в результате смешения с конденсатом пара снижается приблизительно на 1 – 2 %.

Распыление черного щелока в топочном объеме СРК осуществляется с помощью механических форсунок грубого распыла (рис.9). Дисперсность капель щелока определяется вязкост