RU2605241C2

RU2605241C2 - Method for fire cleaning of process equipment

Info

Publication number: RU2605241C2
Application number: RU2014145703/03A
Authority: RU
Inventors: Александр Филиппович Решетняк; Анастасия Олеговна Пронина; Сергей Викторович Игнатов; Олег Элиханович Велиханов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Промэлектроника" ООО "Промэлектроника"
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-12-20
Also published as: RU2014145703A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: present invention relates to chemical industry, namely, to cleaning of process equipment made from row and alloyed steels, from polymer deposits and emulsion rubber by thermal decomposition. Method involves non-oxidising heating of equipment and thermal decomposition of polymers in a reactor by products of natural gas and pyrolysis gas combustion with further decontamination of gases and carbon before discharge into the atmosphere by means of their combustion in a cyclone furnace with a preliminary stage of thermal decomposition of high-molecular polyaromatic hydrocarbons (PAHs) into low-molecular polyaromatic hydrocarbons by a high-speed burner with the flame temperature of 1,700-2,000 °C in the antechamber of a cyclone furnace, heating of equipment is performed by high-speed heat transfer medium flow in a downward direction by means of circulation circuit,while additional air is introduced into the excess heat-transfer medium discharge after the cyclone furnace. Fire cleaning of equipment is carried out at the heat transfer medium temperature of 650 °C, and in the temperature range between 400-550 °C in order to avoid valley separation of pyrolysis gas heating is carried out at a rate of 10-15 °C/h.

EFFECT: longer service life of process equipment, reduced contamination of the environment.

3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химической, металлургической и др. отраслям промышленности и может быть использовано для огневой очистки технологического оборудования от полимерных отложений и каучуков.The invention relates to the chemical, metallurgical and other industries and can be used for fire cleaning of technological equipment from polymer deposits and rubbers.

Наиболее близким к заявленному является способ получения мелкодисперсного железосодержащего продукта из разделенных водомаслоокалиносодержащих отходов (RU 2520617, опубл. 27.06.2014). Способ направлен на утилизацию водомаслоокалиносодержащих отходов металлургического производства путем термической обработки с получением мелкодисперсного железосодержащего материала, обладающего свойствами, которые позволяют применять его для конвертерного способа получения стали или в доменном производстве. Однако данная технология утилизации отходов не рассматривает проблему экологии и методы ее решения и не может быть использована для очистки оборудования от полимеров. В процессе термического разложения полимеров и каучуков образуются газы и в виде паров полициклические ароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен, который обладает токсичными, канцерогенными и мутагенными свойствами. Предельно допустимая концентрация (ПДК) бенз(а)пирена в рабочей зоне составляет 0,00001 мг/м³. Опасный для человека даже при малой концентрации из-за способности аккумулироваться в организме, бенз(а)пирен разлагается при температуре свыше 1600°С. Таким образом, температура нагрева в циклонной топке (950÷1100)°С является недостаточной для реакции разложения данного токсичного вещества.Closest to the claimed is a method of obtaining a finely dispersed iron-containing product from separated water-oil-waste-containing waste (RU 2520617, publ. 06.27.2014). The method is directed to the utilization of water-oil-scale-containing wastes of metallurgical production by heat treatment to obtain finely dispersed iron-containing material having properties that allow it to be used for the converter method of producing steel or in blast furnace production. However, this waste disposal technology does not address the problem of ecology and methods for its solution and cannot be used to clean equipment from polymers. In the process of thermal decomposition of polymers and rubbers, gases are formed and polycyclic aromatic hydrocarbons are formed in the form of vapors, including benz (a) pyrene, which has toxic, carcinogenic and mutagenic properties. The maximum permissible concentration (MAC) of benzo (a) pyrene in the working area is 0.00001 mg / m ³ . Dangerous to humans, even at low concentrations due to the ability to accumulate in the body, benz (a) pyrene decomposes at temperatures above 1600 ° C. Thus, the heating temperature in the cyclone furnace (950 ÷ 1100) ° C is insufficient for the decomposition reaction of this toxic substance.

Задача изобретения заключается в решении вопроса огневой очистки технологического оборудования из рядовых и легированных марок стали от полимерных (каучуковых) отложений при сохранении эксплуатационных свойств оборудования и обеспечении нормативных показателей выбросов в атмосферу пыли, паров и газов.The objective of the invention is to solve the problem of fire cleaning of technological equipment from ordinary and alloyed steel grades from polymer (rubber) deposits while maintaining the operational properties of the equipment and ensuring standard indicators of emissions of dust, vapors and gases.

Для решения поставленной задачи предложен способ огневой очистки технологического оборудования от полимерных отложений и каучуков, включающий безокислительный нагрев греющей средой, полученной путем сжигания природного газа и пирогаза при отсутствии избыточного кислорода (коэффициент избытка воздуха α≤1). Безокислительный нагрев исключает угар металла оборудования. Пары, газы и углерод обезвреживаются перед выбросом в атмосферу путем сжигания их в циклонной топке, предусматривающий предварительную стадию термического разложения высокомолекулярных полиароматических углеводородов (ПАУ), основным из которых является бенз(а)пирен, на более простые соединения факелом скоростной горелки с температурой (1700÷2000)°С в форкамере циклонной топки, а нагрев оборудования в реакторе осуществляют высокоскоростным потоком теплоносителя по схеме сверху вниз с помощью циркуляционного контура.To solve this problem, a method for the fire cleaning of technological equipment from polymer deposits and rubbers is proposed, including non-oxidative heating with a heating medium obtained by burning natural gas and pyrogas in the absence of excess oxygen (excess air coefficient α≤1). Oxidation-free heating eliminates metal waste equipment. Vapors, gases and carbon are neutralized before being released into the atmosphere by burning them in a cyclone furnace, which provides for a preliminary stage of thermal decomposition of high molecular weight polyaromatic hydrocarbons (PAHs), the main of which is benz (a) pyrene, into simpler compounds with a torch of a high-speed burner with temperature (1700 ÷ 2000) ° С in the prechamber of the cyclone furnace, and the equipment is heated in the reactor by a high-speed coolant flow according to the scheme from top to bottom using a circulation circuit.

Кроме того, процесс огневой очистки оборудования ведут при температуре теплоносителя до 650°С. В интервале температур изделий (400÷550)°С нагрев ведут со скоростью (10÷15)°С/ч с целью снижения скорости образования пирогаза и, следовательно, сажеобразования. Реактор представляет собой герметичную камеру, снабженную циркуляционным контуром и системой загрузки-выгрузки оборудования. В зависимости от материала и габаритов изделий, подвергаемых огневому обезвреживанию (очистке), в качестве реактора могут быть использованы садочные или проходные печи различных конструкций.In addition, the process of fire cleaning of equipment is carried out at a coolant temperature of up to 650 ° C. In the temperature range of products (400 ÷ 550) ° C, heating is carried out at a rate of (10 ÷ 15) ° C / h in order to reduce the rate of formation of pyrogas and, consequently, soot formation. The reactor is a sealed chamber equipped with a circulation circuit and a system of loading and unloading equipment. Depending on the material and dimensions of the products subjected to fire neutralization (cleaning), cages or feed-through furnaces of various designs can be used as a reactor.

Заявленный способ реализуется в установке очистки технологического оборудования, представленной на фиг. 1.The claimed method is implemented in the installation for cleaning process equipment shown in FIG. one.

Установка состоит из реактора 1, форкамер 2 циклонной топки 3, циркуляционного вентилятора 4, системы трубопроводов продуктов сгорания 5, рекуператора 6, дымососа 7, дымовой трубы 8, скоростных горелок 9, воздухопровода 10, регулирующего клапана продуктов сгорания 11, патрубка 12 подачи воздуха в циклонную топку, вентилятора 13 подачи воздуха на горение, регулирующего клапана 14 подачи воздуха на сжигание пирогаза, регулирующего клапана 15 подачи воздуха на дожигание пылевидного углерода, сажи и углеводородов перед рекуператором.The installation consists of a reactor 1, a prechamber 2 of a cyclone furnace 3, a circulation fan 4, a system of piping for the products of combustion 5, a recuperator 6, a smoke exhauster 7, a chimney 8, high-speed burners 9, an air duct 10, a control valve for the products of combustion 11, a pipe 12 for supplying air to a cyclone furnace, a combustion air fan 13, a control valve 14 for supplying air to burn pyrogas, a control valve 15 for supplying air to burn out pulverized carbon, soot and hydrocarbons in front of the recuperator.

Способ огневой очистки технологического оборудования реализуется следующим образом. Технологическое оборудование с полимерными отложениями помещают в реактор 1, герметизируют, а затем подвергают безокислительному нагреву до 600°С продуктами сгорания природного газа и пирогаза. Циркуляционным вентилятором 4 по системе трубопроводов 5 отбирают часть газов из циклонной топки 3, часть - из реактора 1, а затем подают часть газов на нагрев оборудования в реактор 1, а часть - в форкамеры 2 циклонной топки на обезвреживание. В форкамерах 2 пирогазы подвергают воздействию высокотемпературного факела (до 2000°С) скоростных горелок 9. Продукты сгорания природного газа, содержащие не более 0,5% кислорода совместно с пирогазом, в том числе с продуктами термического разложения высокомолекулярных соединений, подают тангенциально в верхнюю часть циклонной топки 3, туда же через патрубок 12 подают соосно нагретый воздух на сжигание пирогаза. Воздух на сжигание пирогаза подают вентилятором 13 через рекуператор 6 по воздухопроводу 10 в патрубок 12. Излишек тепла сбрасывают с продуктами сгорания дымососом 7 в дымовую трубу 8 через рекуператор 6. Количеством сбрасываемых дымовых газов управляют с помощью регулирующего клапана 11. Объем воздуха, подаваемого на сжигание пирогаза, регулируют по содержанию кислорода в продуктах сгорания после циклонной топки на уровне (3±5)% с помощью клапана 14, через клапан 15 подают 40% избыток воздуха для дожигания горючих компонентов.The method of fire cleaning of technological equipment is implemented as follows. Technological equipment with polymer deposits is placed in the reactor 1, sealed, and then subjected to non-oxidative heating to 600 ° C by the combustion products of natural gas and pyrogas. A circulating fan 4 through a piping system 5 takes part of the gases from the cyclone furnace 3, part from the reactor 1, and then part of the gases is supplied for heating the equipment to reactor 1, and part to the prechambers 2 of the cyclone furnace for neutralization. In prechambers 2, pyrogases are exposed to a high-temperature torch (up to 2000 ° C) of high-speed burners 9. Natural gas combustion products containing not more than 0.5% oxygen together with pyrogas, including thermal decomposition products of high molecular weight compounds, are fed tangentially to the upper part cyclone furnace 3, the same through the pipe 12 serves coaxially heated air to burn pyrogas. The air for the combustion of the pyrogas is supplied by the fan 13 through the recuperator 6 through the air duct 10 to the nozzle 12. Excess heat is discharged with the products of combustion by the exhaust fan 7 into the chimney 8 through the recuperator 6. The amount of flue gas discharged is controlled by a control valve 11. The amount of air supplied to the combustion pyrogas, is regulated by the oxygen content in the combustion products after the cyclone furnace at the level of (3 ± 5)% by means of valve 14, through valve 15, 40% excess air is supplied for afterburning of combustible components.

Заявленный способ включает несколько стадий технологического процесса. На первой стадии твердые и пастообразные отходы подвергаются безокислительному нагреву, что приводит к образованию пиролизных газов. На экспериментальных установках определен температурный интервал пиролиза полимерных отложений и эмульсионных каучуков, определены условия полного дожигания пиролизных газов. Установлено, что минимальная температура полного разложения полимерных отложений и эмульсионных каучуков составляет 600°С. В результате термографических исследований определен процент (по массе) образования пирогаза и процент твердого остатка в диапазоне температур (20÷600)°С. При нагреве до 600°С полимеры разлагаются с образованием: углерода (до 1%), паров ((70÷80)%), газов ((20÷30)%). Пары представляют собой смесь полиароматических углеводородов ПАУ (аценафтен, фенантрен, флуорантен, трифинилен, осризен, бенз(а)антрацен, бен(к)флуорантен и другие). В парах присутствует канцероген - бенз(а)пирен. В состав газов входят: азот ((20÷60)%), водород ((18÷26)%), окись углерода ((15÷20)%), двуокись углерода ((20÷23)%), метан ((4÷7)%). Огневое обезвреживание парогазовой смеси происходит в следующем порядке: сначала в форкамере в пламени скоростной горелки при температуре (1700÷1900)°С, далее в циклонной топке при температуре (1100÷1200)°С, затем перед рекуператором путем подачи 40% избытка воздуха при температуре отходящих газов (900÷1100)°С, что позволяет уничтожить 99,98% ПАУ, включая бенз(а)пирен, и обеспечивает 100% сжигание водорода, окиси углерода и метана. Выход пиролизного газа происходит лавинообразно в интервале температур (400÷500)°С, что делает необходимым увеличение расхода воздуха на горение и снижение скорости нагрева изделий для обеспечения возможности полного сжигания продуктов термического разложения полимеров. На второй стадии газы по специальному тракту отводятся в форкамеру, где подвергаются высокотемпературному воздействию (до 2000°С) факела скоростной горелки, работающей при коэффициенте избытка воздуха α=1 (когда газ и воздух подаются в стехиометрическом соотношении). Цель данного воздействия - разложение высокомолекулярных органических соединений на более простые. Заявленный способ позволяет при температуре свыше 1600°С разложить бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂), например, на фенантрен (С₁₄Н₁₀) и нафталин (C₁₀H₈) с дальнейшим их сжиганием до СО₂ и H₂O при более низких температурах. На третьей стадии пиролизные газы из форкамеры попадают в циклонную топку, где при температуре (1100÷1200)°С при заданном воздушно-топливном режиме достигается практически полное сгорание паров и газов, что было доказано опытным путем. Движение и выгорание частиц коксового остатка и сажи в циклонной топке определяется размером частиц, их состоянием - степенью пассивации глинистым веществом, а также скоростью газового потока. Сепарация частиц коксового остатка размером более 50 мкм происходит настолько быстро на стенке циклонной топки, что они не успевают сколь-нибудь заметно видоизмениться. На стенке углерод коксового остатка и сажи выгорает, омываемый высокоскоростным потоком горячих газов, имеющих температуру (1100±100)°С. Минеральная составляющая коксового остатка, основным компонентом которой является Al₂O₃, вследствие незначительного количества в виде пыли сбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. При этом содержание СО составляло (0,0012÷0,0015)%, что ниже допустимых норм и объясняется, по-видимому, плохим смешением пиролизного газа и воздуха горения в небольшом объеме камеры дожигания в проводимых экспериментальных исследованиях. Качественное дожигание пиролизного газа возможно при меньшем коэффициенте расхода воздуха за счет более рассредоточенного подвода воздуха на горение. Содержание ΝΟ_x=(0,0047÷0,005)% связано с высокими температурами в камере дожигания. Сажа и коксовый остаток образуются в количестве (0,4÷0,6)% от массы полимеров. Коксовый остаток представляет собой пористое пылевидное вещество с высокой парусностью в виде пепла, которое вместе с сажей вносится газовым потоком в циклонную топку и окисляется до углекислого газа свободным кислородом. Спектральный анализ коксового остатка показал, что содержание углерода после пиролиза полимерных отложений составляет 49%. Результаты спектрального анализа коксового остатка приведены в таблице 1.The claimed method includes several stages of the process. In the first stage, solid and paste-like wastes are subjected to non-oxidative heating, which leads to the formation of pyrolysis gases. In experimental plants, the temperature range for the pyrolysis of polymer deposits and emulsion rubbers was determined, and the conditions for the complete afterburning of pyrolysis gases were determined. It was found that the minimum temperature for the complete decomposition of polymer deposits and emulsion rubbers is 600 ° C. As a result of thermographic studies, the percentage (by weight) of the formation of pyrogas and the percentage of solid residue in the temperature range (20 ÷ 600) ° С were determined. When heated to 600 ° C, the polymers decompose to form: carbon (up to 1%), vapors ((70 ÷ 80)%), gases ((20 ÷ 30)%). Vapors are a mixture of PAH polyaromatic hydrocarbons (acenaphthene, phenanthrene, fluorantene, trifinylene, osrizen, benzo (a) anthracene, ben (k) fluorantene, and others). In pairs, there is a carcinogen - benz (a) pyrene. The gas composition includes: nitrogen ((20 ÷ 60)%), hydrogen ((18 ÷ 26)%), carbon monoxide ((15 ÷ 20)%), carbon dioxide ((20 ÷ 23)%), methane (( 4 ÷ 7)%). Fire neutralization of the vapor-gas mixture occurs in the following order: first in the prechamber in the flame of a high-speed burner at a temperature of (1700 ÷ 1900) ° C, then in a cyclone furnace at a temperature of (1100 ÷ 1200) ° C, then in front of the recuperator by supplying 40% excess air at the temperature of the exhaust gases (900 ÷ 1100) ° C, which allows you to destroy 99.98% of PAHs, including benz (a) pyrene, and provides 100% combustion of hydrogen, carbon monoxide and methane. The output of the pyrolysis gas occurs in an avalanche in the temperature range (400 ÷ 500) ° C, which makes it necessary to increase the air flow rate for combustion and reduce the heating rate of the products to enable complete combustion of the products of thermal decomposition of polymers. At the second stage, the gases are led through a special path to the prechamber, where they are exposed to the high-temperature influence (up to 2000 ° C) of the torch of a high-speed burner operating at an excess air coefficient α = 1 (when gas and air are supplied in stoichiometric ratio). The purpose of this effect is the decomposition of high molecular weight organic compounds into simpler ones. The inventive method allows for a temperature above 1600 ° C to decompose benzo (a) pyrene (C ₂₀ H _12), for example, phenanthrene (C ₁₄ H ₁₀₎ and naphthalene (C ₁₀ H ₈₎ with further combustion to CO ₂ and H ₂ O at lower temperatures. At the third stage, the pyrolysis gases from the prechamber enter the cyclone furnace, where at a temperature of (1100 ÷ 1200) ° С, with the specified air-fuel mode, almost complete combustion of vapors and gases is achieved, which was proved experimentally. The movement and fading of particles of coke residue and soot in a cyclone furnace is determined by the size of the particles, their state - the degree of passivation by the clay substance, as well as the gas flow rate. The separation of particles of coke residue larger than 50 microns occurs so quickly on the wall of the cyclone furnace that they do not have time to slightly noticeably change. On the wall, the carbon of the coke residue and soot burns out, washed by a high-speed stream of hot gases having a temperature of (1100 ± 100) ° С. The mineral component of the coke residue, the main component of which is Al ₂ O ₃ , is discharged into the atmosphere through a chimney due to a small amount in the form of dust. In this case, the CO content was (0.0012–0.0015)%, which is lower than the permissible norms and is apparently due to poor mixing of pyrolysis gas and combustion air in a small volume of the afterburner in the ongoing experimental studies. High-quality afterburning of pyrolysis gas is possible with a lower coefficient of air flow due to a more dispersed supply of air for combustion. The content ΝΟ _x = (0.0047 ÷ 0.005)% is associated with high temperatures in the afterburner. Soot and coke residue are formed in the amount of (0.4 ÷ 0.6)% by weight of polymers. Coke residue is a porous dusty substance with a high windage in the form of ash, which, together with soot, is introduced into the cyclone furnace by gas flow and is oxidized to carbon dioxide by free oxygen. Spectral analysis of the coke residue showed that the carbon content after pyrolysis of polymer deposits is 49%. The results of spectral analysis of the coke residue are shown in table 1.

Таким образом, данные, полученные в результате экспериментальных исследований, доказывают возможность полного дожигания пиролизных газов заявленным способом.Thus, the data obtained as a result of experimental studies prove the possibility of complete afterburning of pyrolysis gases by the claimed method.

Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в восстановлении технологического оборудования при минимизации негативного воздействия на окружающую среду.A new technical result achieved by the claimed solution is to restore the process equipment while minimizing the negative impact on the environment.

Движение горячих газов в реакторе и циклонной топке сверху вниз создает оптимальные условия для нагрева оборудования в реакторе, а также для сжигания пирогаза в циклонной топке.The movement of hot gases in the reactor and the cyclone furnace from top to bottom creates optimal conditions for heating equipment in the reactor, as well as for burning pyrogas in a cyclone furnace.

Во избежание существенных структурных изменений в металле при нагреве его в углеродсодержащей среде, приводящих к снижению пригодности очищаемого оборудования, экспериментально определена оптимальная температура теплоносителя в 650°С, достаточная для полного разложения полимеров, но исключающая снижение эксплуатационных свойств оборудования.In order to avoid significant structural changes in the metal when it is heated in a carbon-containing medium, leading to a decrease in the suitability of the equipment being cleaned, the optimum coolant temperature was experimentally determined at 650 ° C, sufficient for the complete decomposition of polymers, but eliminating the reduction in the operational properties of the equipment.

Таким образом, заявленный способ позволяет минимизировать негативное воздействие на окружающую среду, сохранить прочностные свойства металла и исключить возможность его пережога с образованием окалины, что обеспечивает максимальную сохранность технологического оборудования, исключает сажеобразование за счет сокращения содержания углерода в 50-100 раз при прохождении циклонной топки.Thus, the claimed method allows to minimize the negative impact on the environment, to preserve the strength properties of the metal and to exclude the possibility of burnout with the formation of scale, which ensures the maximum safety of technological equipment, eliminates soot formation by reducing the carbon content by 50-100 times during passage of the cyclone furnace.

Claims

1. A method of fire-cleaning technological equipment from polymer deposits and emulsion rubbers, including non-oxidative heating and sublimation of deposits in the reactor by the combustion products of natural gas and pyrogas with further pyrogas combustion before being released into the atmosphere by a swirl flow in a cyclone furnace with an air flow coefficient α≤1, partial selection of combustion products from the cyclone furnace into the reactor to heat the equipment and discharge excess heat carrier into the chimney, characterized in that It is a preliminary stage of thermal decomposition of high molecular weight polyaromatic hydrocarbons (PAHs), the main of which is benz (a) pyrene, to low molecular weight flare of a high-speed burner with a temperature of 1700 ÷ 2000 ° C in the prechamber of a cyclone furnace, the equipment is heated in the reactor by a high-speed coolant flow according to the diagram above down with the help of the circulation circuit, and additional air is introduced into the discharged heat carrier having a temperature in front of the recuperator of 900 ÷ 1100 ° C.

2. The method according to p. 1, characterized in that the process of fire cleaning of the equipment is carried out at a coolant temperature of up to 650 ° C.

3. The method according to p. 1, characterized in that in the temperature range of products 400 ÷ 550 ° C, the heating is carried out at a speed of 10 ÷ 15 ° C / h.