ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель» — это крупнейшая в Российской Федерации компания по производству цветных металлов. На отечественном рынке на долю ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» приходится около 96 % всего производимого в стране никеля, 55 % меди и 95 % кобальта. Исходным сырьем для промышленного получения меди служат сульфидные руды.
В настоящее время наиболее распространенными являются автогенные процессы, совмещающие в себе обжиг, плавку и конвертирование. В этих процессах большая часть серы переходит в отходящие газы с достаточно высоким и постоянным содержанием SO2, что позволяет достаточно полно извлекать из них серу. При этом технология высокотемпературного получения элементарной серы выглядит следующим образом:
- обогащение технологического газа кислородом;
- подогрев газа до температуры воспламенения смеси природного газа с кислородом (подогрев осуществляется за счет теплоты продуктов смеси природного газа с воздухом в грелках ГГВ-350);
- разогрев технологического газа до температуры 1200–1250 °C, при которой происходит процесс высокотемпературного восстановления серы, за счет теплоты продуктов сгорания смеси природного газа и кислорода;
- высокотемпературное восстановление серы из SO2 при подаче в реактор дополнительно природного газа как восстановительного агента;
- охлаждение газов в котлах-утилизаторах Г-1030Б и Г-950 до температуры 140– 150 °C, при которой происходит конденсация элементарной серы;
- подогрев газов до температуры 220– 240 °C в реакторе-подогревателе, при которой происходит процесс каталитического восстановления серы (Клауспроцесс);
- конденсация серы в аппарате холодного катализа и доулавливание капельной серы в сероуловителе.
В отходящих газах после сероуловителя присутствуют СО, Н2, H2S, COS и туман элементарной серы, которые являются токсичными веществами, поэтому перед выбросом в атмосферу из экологических соображений они должны быть максимально окислены до менее токсичных SO2 и CO2. Окисление производится в печи дожига (ПД) при температуре более 850 °C за счет теплоты продуктов горения смеси воздуха и природного газа.
При этом соотношение «газ–воздух» на горелках должно исключать образование продуктов неполного сгорания, которые могут восстанавливать SO2 и остаточную элементарную серу до H2S и COS. Для эффективного дожига горючих и сернистых соединений избыток воздуха в ПД должен быть не менее 25 %. Основным назначением печи дожига является высокотемпературное окисление серосодержащих и горючих компонентов технологического газа, поступающего после сероуловителя или по отводному газопроводу с УМГО.
Печь дожига состоит из двух основных частей: камеры подогрева и камеры дожига цилиндрической формы, расположенных перпендикулярно друг другу. В средней части камеры дожига имеется форкамера. Внутри ПД установлены решетчатые распределительные перегородки. Все составные части ПД изнутри футерованы огнеупорным кирпичом, а снаружи стальной кожух покрыт тепловой изоляцией. На одном торце камеры подогрева установлена газовая горелка ГГРУ-2500.
Образующимися при сжигании природного газа продуктами горения осуществляется подогрев технологических газов и воздуха, поступающих на обработку в ПД. Перпендикулярно факелу горелки организован ввод вторичного воздуха. Через решетчатую перегородку смесь продуктов горения и воздуха поступает в зону смешения с технологическим газом. С противоположного торца камеры подогрева — ввод технологического газа после линии производства элементарной серы.
Движение потока технологического газа перегородкой направляется вдоль оси камеры дожига. Через боковую цилиндрическую стенку камеры подогрева вдоль оси камеры дожига организован ввод технологического газа, поступающего по обводному газоходу помимо линии производства элементарной серы. Аэродинамический режим поддерживается по технологической линии производства элементарной серы нагнетателями, расположенными в начале технологической цепочки, и дымососами, расположенными в ее конце.
Для печи дожига на предприятии отсутствуют данные о количестве технологического газа, т.к. контроль технологического процесса высокотемпературного получения элементарной серы осуществляется преимущественно на основании хроматографического анализа состава газа. Вследствие этого возникает необходимость расчета количества технологического газа после выделения из него элементарной серы при известных количествах всех остальных газовых потоках (обводной газ, природный газ, воздух), поступающих на печь дожига.
При проведении работ по совершенствованию технологии утилизации отходящих газов серного производства были определены оптимальные режимы работы печи по эффективному окислению H2S, COS, CO при наименьших эксплуатационных затратах, а также разработаны мероприятия по улучшению условий эксплуатации. По результатам испытаний составлены материальный и тепловой балансы, разработана режимная карта, выданы рекомендации по повышению надежности и экономичности работы печи.
Расчет проводился по усредненным данным без учета потерь и присосов по газовому тракту. Так как отсутствуют данные об объемах улавливаемой серы в отдельных стадиях конденсации, холодного катализа (Клаус-процесса) и сероуловителе, расчет проводился исходя из общего объема уловленной серы за смену на выходе из сероуловителя. По результатам проведенных испытаний и выполненным расчетам были предложены следующие рекомендации.
- При существующем конструктивном исполнении печи дожига наиболее оптимальным является следующий режим:
- расход газа на грелку ГГРУ-2500 необходимо поддерживать на уровне приблизительно 600 м3/ч;
- соотношение расхода газа и расхода воздуха на горелке ГГРУ-2500 — это приблизительно 1/7–1/9;
- расход газа на горелки ГГВ-500 форкамеры — примерно 300 м3/ч;
- соотношение расхода газа и расхода воздуха на горелках форкамеры — 1/10.
- Регулирование температурного режима в печи необходимо производить изменением расхода вторичного воздуха.
- Горелка ГГРУ-2500 для существующей печи дожига имеет избыточную мощность и длинный факел, вместо нее целесообразно установить короткофакельную горелку меньшей мощности.
- Существующая конструкция рабочего пространства нерациональна, т.к. имеет очень большое аэродинамическое сопротивление (в камере горения факела горелки ГГРУ-2500 — 100–120 кПа, на выходе из печи — 1000–1150 кПа), вследствие чего невозможно достичь оптимальных расходов воздуха. Наличие лишнего количества воздуха приводит к дополнительным затратам теплоты на его нагрев и к перерасходу электроэнергии на его транспорт по газовому тракту.
- Защита по разрежению установлена только на выходе из печи и не задействована в камере горения факела горелки ГГРУ-2500 и в форкамере, что не соответствует требованиям нормативно-технической документации.
- Для обеспечения возможности регулирования и дальнейшей оптимизации режима работы необходимо выполнить реконструкцию печи дожига, т.е. обводные газы завести в форкамеру; перегородку напротив горелки ГГРУ-2500 выполнить в полное сечение камеры, при этом ликвидировав перегородку на выходе камеры подогрева; установить приборы по разрежению в камере горения факела горелки ГГРУ-2500 и форкамере, показания приборов вывести на монитор оператора; ввод вторичного воздуха в камеру горения факела горелки ГГРЦ-2500 изменить на тангенциальный; а также заменить поворотную регулирующую заслонку на воздуховоде горелки ГГРЦ-2500.
