Vojtěch Zejda 1 HODNOCENÍ A ÚDRŽBA ZAŘÍZENÍ V PROVOZU Abstrakt Tato zpráva popisuje mé působení na stáži v podniku DEZA a.s. v rámci programu OPVK 2.4. Během mé stáže jsem spolupracoval na revizi a posouzení životnosti parního kotle na provozu energetika a také jsem pracoval při výměně katalyzátoru v reaktoru v provozu ftalanhydrid. Klíčová slova Parní kotel, reaktor, ftalanhydrid 1 ÚVOD Tato zpráva pojednává o absolvované stáži ve společnosti DEZA a.s. se sídlem ve Valašském Meziříčí, která proběhla od 1. 7. do 12. 9. 2013. Tato stáž byla poskytnuta Vysokým učením technickým v Brně Fakultou strojního inženýrství oborem Procesní a ekologické inženýrství v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky. Cílem této stáže je seznámit se s danou společností a zapojit se do pracovní činnosti v podniku. 2 O SPOLEČNOSTI Společnost DEZA a.s. je výrobcem aromatických uhlovodíků a dalších chemických látek s téměř 120letou tradicí. Rozsahem svého výrobního programu patří mezi významné chemické podniky v koncernu Agrofert a také zaměstnavatele v regionu. Neustálou obnovou a modernizací používaných výrobních technologií se společnost snaží snižovat vliv výroby na životní prostředí. DEZA, a. s. plní od roku 1996 Program Odpovědné podnikání v chemii. DEZA, a. s. zpracovává vysokoteplotní černouhelný dehet a surový benzol, což jsou vedlejší produkty z koksování uhlí. Z těchto látek vyrábí celou řadu základních aromatických sloučenin určených pro další chemické zpracování. Všechny produkty se dají roztřídit do základních skupin, např. smola a dehtové oleje, naftalen, benzen a ftalanhydrid, aromatická rozpouštědla aj. Produkty této společnosti se používají především pro výrobu elektrod, barev a pigmentů, gumárenských sazí, měkčeného PVC a umělých hmot obecně, desinfekčních činidel, papíru a mnoha dalších výrobků, bez kterých si dnes už život nedokážeme představit. 1 Vojtěch Zejda, Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2 Brno 616 69 1
Tyto produkty DEZA vyváží do nejen po Evropě, ale i do vzdálených koutů světa (např. Brazílie, Jihoafrická republika). K tomuto účelu spravuje společnost vlastní námořní překladištní terminál v polském Štětíně. Obr. 1: Pohled na jeden z provozů společnosti DEZA a.s. 3 POSOUZENÍ ŽIVOTNOSTI KOTLE V PROVOZU ENERGETIKA 3. 1 Seznámení s provozem energetika: Provoz energetika má za hlavní úkol dodávat do ostatních provozů podniku všechny potřebné druhy energií. Především se jedná o: výrobu a rozvod tepla ve formě páry a horké vody Všechny provozy v podniku potřebují pro chod svých procesních zařízení tepelnou energii. V největší míře ji potřebují k otopným účelům, neboť většina zpracovávaných chemických látek má vysoký bod tuhnutí, a tak, aby je bylo možno zpracovávat, je nezbytné tyto látky stále ohřívat a udržovat je v tekutém stavu. Výroba a rozvod páry budou ještě dále popsány. výrobu, nákup a rozvod elektrické energie DEZA je napájena z rozvodné sítě venkovním vedením 110 kv a dvěma záložními vedeními 22 kv. Provoz energetika však v současnosti provozuje i dva protitlakové parní turbogenerátory o celkovém instalovaném elektrickém výkonu 16 MW. Její výroba je závislá na odběru páry a je povětšinu času dodávána do vlastního závodu a sousední společnosti CS Cabot. Pouze v zimních měsících je případný přebytek elektřiny dodáván do rozvodné sítě ČEZ Distribuce. 2
výroba a rozvod tlakového vzduchu Tlakový vzduch se na provozech spotřebovává zejména pro ovládání měřících a regulačních zařízení jednotlivých technologií. K jeho výrobě slouží centrální kompresorová stanice, která byla v roce 2010 rekonstruována. nákup a rozvod zemního plynu Zemní plyn je do závodu přiváděn dvěma nezávislými plynovody z přírodního podzemního zásobníku Štramberk a z vysokotlakého plynovodu Dub. Zemní plyn je využíván pro výrobu tepla a technologické procesy. výrobu, nákup a rozvod inertního plynu Jako inertní plyn se v Deze používá dusík. Ten se používá především z bezpečnostních důvodů pro inertizaci zásobníků a některých technologických procesů. Jeho výroba je zajištěna procesem dělení vzduchu na dělící stanici. Pro některé procesy je požadována velmi vysoká chemická čistota dusíku. Ten je získáván odpařováním kapalného dusíku z kryogenního zásobníku. Jak je z uvedeného výčtu patrné, provoz energetika představuje jeden z nejdůležitějších z provozů celého podniku. Případná odstávka tohoto provozu znamená nucenou odstávku všech zbylých provozů a tedy značné finanční ztráty. Proto všechna důležitá zařízení tohoto provozu musí být v bezvadném stavu a obsluha musí dbát na patřičnou údržbu. 3.2 Výroba tepla na provozu energetika Teplo je pro ostatní provozy dodáváno ve formě páry, nebo horké vody. Přibližně 85 % vyrobeného tepla je spotřebováno ve vlastním areálu podniku. Zbylých 15 % je dodáváno do vnějších parních rozvodů. Z nich jsou vytápěny některé obytné domy ve Valašském Meziříčí, a některé další podniky (např. Masný průmysl Krásno, a.s.). Provoz energetika v současnosti provozuje dva zdroje tepelné energie. Jedná se o teplárnu, kde jsou instalovány 3 kotle (označené K 2, K 4, K 5) o celkové produkci páry 290 t/h. Tyto kotle spalují především nakupovaný zemní plyn a v zimních měsících paliva vlastní výroby na bázi dehtových olejů. Dalším zdrojem je dopalovna TAILGAS, která spaluje nakupovaný koncový plyn (tailgas) z výroby sazí, který dodává sousední společnost CS Cabot. Stabilizace hoření je zabezpečena zemním plynem. Dopalovna má nainstalované 3 kotle (K 7, K 8, K 9), které mají celkovou produkci páry 128 t/h. 3
Obr. 2: Pohled na provoz energetika 3.3 Popis kotle K 9 a jeho revize Během stáže byla prováděna revize kotle K 9. Ten byl instalován v roce 1970 a má za sebou již 200 tisíc provozních hodin, tedy již vyčerpal 100 % svojí životnosti. V současné době není kotel v dobrém stavu, a proto bylo nutné provést jeho kontrolu a navrhnout další postup řešení, aby byla prodloužena jeho životnost. Jedná se o vodotrubý, dvojbubnový, sálavý kotel s přirozenou cirkulací vody (viz obr 3). Je navržen pro spalování zemního plynu a odpadních plynů z výroby sazí. Ve spalovací komoře ve vzdálenosti cca 3 m od hořáků je v pravé straně umístěna tryska, která do plamene vstřikuje čpavkový destilát pro snižování emisních limitů NO X. Obr. 3: Nákres kotle K 9 Stěny spalovací komory a konvenčního tahu jsou vytvořeny z membránových stěn. Zadní část druhého tahu je tvořena trubkovými hady (přehříváky) umístěnými v horizontální poloze. Dále se v tomto tahu vyskytují spádové trubky, které jsou ve vertikální poloze. Spaliny pokračují z druhého tahu převáděcím potrubí do ekonomizéru, který je tvořen z 4
horizontálních trubkových hadů. Várnice, spádové trubky a bubny společně vytváření sekci pro generování páry v kotli. Technické parametry kotle: jmenovité množství vyrobené páry: 32 t/h pracovní přetlak: 3,93 MPa jmenovitá teplota: 375 410 C palivo: zemní plyn, odpadní plyn z výroby sazí počet hořáků: 5 Během provozu se na kotli vyskytly různé závady, které musely být opraveny. Jednou z nejvýznamnějších poruch na kotli bylo poškození spádových trubek, které byly v roce 2001 kompletně vyměněny, neboť docházelo postupně k jejich praskání ve spodní části v blízkosti vyzdívky. Příčinou bylo zeslabení stěn v kritických oblastech způsobené účinky agresivních spalin a při dosažení mezní tloušťky stěny k jejich poškození. V minulém roce byl zjištěn úbytek materiálu na trubkách podlahy kotle ve spalovací komoře, které bylo kompletně vyměněno. Při opravě bylo zjištěno i zeslabení stěn trubek ve spodní části zadní stěny komory, které bylo do výšky 1 m taktéž nahrazeno novým. Další velmi často opravovanou částí je okolí místa vstřiku čpavkového destilátu, které díky své agresivní povaze způsobuje korozní úbytky na trubkách v okolí a na vyzdívce v její blízkosti a na protější stěně, která bývá opravována zhruba jednou za rok. Nikterak významná, ale velmi častá porucha vzniká na některém z trubkových svazků ekonomizéru, které je řešeno pouze jejich odstraněním a zaslepením napojení na hlavní bubny. Posouzení stavu kotle se skládalo z vizuální prohlídky, na základě které byl zhodnocen celkový stav kotle a byly určeny místa pro důkladnější prozkoumání. Touto prohlídkou byl celkový stav kotle definován jako dobrý. Jako nejzávažnější se ukázaly následující tři problémy: špatný návrh místa a geometrie vstřiku čpavkového destilátu, který se zcela nerozprašuje do plamene a dochází tak k jeho dopadání na vyzdívku spalovací komory, která je tím trvale poškozována. Dalším problémem jsou spádové trubky, které jsou všechny značně napadeny korozí (viz obr. 4) a je tedy nezbytné je pro další provoz kotle vyměnit. A jako poslední bylo navrženo kompletní přetrubkování ekonomizéru, aby bylo možno dosáhnout vyšší účinnosti a bezporuchového provozu kotle. Ze zkušeností z provozu kotle také byl podán návrh na vytvoření bezpečnostní studie, která by měla odhalit rizika, která by za provozu kotle mohly nastat. 5
Obr. 4: Korozní poškození spádových trubek Na základě obhlídky byly vytipovány části kotle, na kterých bude pomocí ultrazvuku změřena skutečná tloušťka materiálu. Porovnáním těchto hodnot s výkresovou dokumentací se zjistí úbytek materiálu na jednotlivých částech kotle za dobu svého provozu. Dále bude vypočítána minimální tloušťka těchto částí, takže po porovnání se skutečnou tloušťkou bude možné určit, zda kotel ještě bude moct být dále provozován a jakou dobu. Jedná se zejména o stěny spalovací komory se zaměřením na okolí nástřiku čpavkového destilátu, dále pak budou proměřeny tloušťky stěn trubek ve druhém tahu, trubky přehříváku a místa napojení spádových trubek a parovodního potrubí, které je nejvíce tepelně namáháno. Pro stanovení dovolených tloušťek stěn vytipovaných částí byly provedeny příslušné výpočty. Některé místa byly vypočítány analyticky pomocí membránové teorie, pro výpočet geometricky náročných míst byly použity numerické metody (viz obr. 5). Změřením tloušťek částí kotle a jejich následným vyhodnocením bylo zjištěno, že všechny části kotle vyhovují pro další provoz kotle. Jako nejkritičtější se jeví parovodní potrubí, kde bylo doporučeno opětovné přeměření při nejbližší odstávce kotle. 6
Obr.5: Deformace trubkového svazku. Vypracováním této studie byla dokončena celková revize kotle K 9. Po splnění všech doporučení lze konstatovat, že bude možno tento kotel provozovat ještě dalších 10 let, tj. 40 000 hodin. 7
4. VÝMĚNA KATALYZÁTORU NA PROVOZU FTALANHYDRID Během stáže mi byla nabídnuta možnost spolupracovat při výměně katalyzátoru na provozu ftalanhydridu, který byl během léta odstaven. Tato výměna probíhá jednou za 3 až 4 roky, a tak jsem tuto nevšední možnost využil. 4.1 Seznámení s provozem ftalanhydrid Provoz ftalanhydrid pro výrobu čistého ftalanhydridu využívá naftalenu, který vzniká při destilaci černouhelného dehtu. Směs par naftalenu a o-xylenu nebo samotného naftalenu s přebytkem vzduchu je vedena do reaktoru, kde se na katalyzátoru selektivně oxiduje za vzniku ftalanhydridu jako hlavního produktu a menšího množství vedlejších produktů. Ftalanhydrid, který je znečištěný vedlejšími reakčními produkty, desublimuje z plynné fáze v chlazených odlučovačích, ze kterých je periodicky vytavován do zásobníků surového ftalanhydridu. Koncové plyny z odlučovačů se zbytky organických látek jsou odváděny na katalytické spalování. Surový ftalanhydrid je kontinuálně čerpán přes parní ohříváky do dehydrátoru, v něm jsou odstraněny páry těkavějších složek a reakční voda. Dehydratovaný ftalanhydrid odchází do stabilizačních kolon, kde jsou pomocí dávkování přísad odstraňovány některé nežádoucí příměsi. Stabilizovaný ftalanhydrid dále kontinuálně proudí do destilační kolony, z níž je získáván čistý ftalanhydrid. Část čistého produktu se zpracuje na sousední výrobně změkčovadel, část se expeduje v kapalné formě autocisternami a zbytek tekutého ftalanhydridu se granuluje a pytluje do obalů různé velikosti. 4. 2 Technický popis reaktoru Jak bylo uvedeno, v reaktoru dojde za pomoci katalyzátoru k oxidaci par naftalenu, čímž vzniká ftalanhydrid. Protože je tato reakce velmi exotermní, je celý reaktor konstruován jako tepelný výměník. Jeho hlavní číst tvoří vertikální svazek 14 000 trubek o délce 3,7 metru. Tyto trubky jsou naplněny katalyzátorem, který tvoří především oxid titaničitý a oxid vanadičný. Tyto složky jsou nanesené na keramickém nosiči ve tvaru dutých válečků o rozměru 7x7x4 mm. V trubkovnici jsou v přesně daných množstvích nasypány 4 vrstvy s různým obsahem promotorů a odlišnými vlastnostmi. Uvnitř těchto trubek probíhá parciální katalytická oxidace při teplotách 360 390 C. Teplo vzniklé při oxidaci je odváděno solnou lázní (eutektická směs dusičnanu draselného a dusitanu sodného), a je dále využíváno pro výrobu páry o tlaku 4 MPa. Při porušení provozních podmínek může dojít o tzv. totální oxidaci, což způsobí vzplanutí nebo výbuch par v reaktoru. Aby nedošlo k destrukci reaktoru, jsou na horním a dolním víku tlakové nádoby instalovány průtržné membrány. 8
Obr. 6: Reaktor na výrobu ftalanhydridu 4.3 Popis způsobu výměny katalyzátoru reaktoru Po odstavení výroby a vychladnutí reaktoru jsou demontovány všechny kryty vstupních průlezů. Nejprve je nutné odstranit starý katalyzátor. Ten se z reaktoru dostává tak, že se z dolní části vyšroubují ze všech trubek pružinky a poté se postupně za pomoci dlouhého drátu katalyzátor vydobývá. Tato práce je velmi namáhavá, neboť pracovník je neustále v záklonu a navíc při vydobývání katalyzátoru vzniká velké množství prachu, který je zdraví škodlivý a tak je nutné používat respirátory a ochranné kombinézy. Jakmile je starý katalyzátor vysypán, tak se jednotlivě všechny trubky z horní strany vyfoukávají stlačeným vzduchem, čímž jsou zbaveny zbylého prachu a celý pracovní prostor reaktoru je takto očištěn. Hned poté se všechny trubky zavíčkovaly plastovými krytkami. Plnění reaktoru začíná opětovným nasazením pružinek do trubek. Z horní části reaktoru se pak do trubek postupně plní všechny čtyři vrstvy katalyzátoru. Ten je dodáván v igelitových pytlíkách, což představuje množství jedné vrstvy do jedné trubky. Plnění obstarává vibrační strojky, které plní vždy 5 trubek najednou. Je důležité, aby každá vrstva byla nasypána do správné výšky, což znamená nastavení správné rychlosti sypání na strojku. Samotné plnění prováděly současně čtyři týmy po dvou lidech. Jeden člen týmu doplňoval katalyzátor do sypacího strojku a odvíčkovával trubky, druhý člen pak strojek posunoval, kontroloval výšku nasypané vrstvy a trubky znovu zavíčkoval. Podle barvy víčka se poznávalo, které trubky už jsou nasypané, a které ještě ne, popřípadě které trubky jsou nasypané špatně (viz obr. 7). 9
Obr. 7: Horní trubkovnice reaktoru s plnícím strojkem. Zde konkrétně červená víčka značí prázdné trubky, žlutá jsou již naplněné a modré jsou naplněny špatně. Po naplnění celého reaktoru proběhla tlaková kontrola všech trubek a po opětovné montáži všech krytů a bezpečnostních prvků byl reaktor připraven k provozu. 5. Zhodnocení stáže Doba strávená na stáži pro mě byla velmi přínosná. Umožnila mi poznat různé procesy v rozsáhlém chemickém podniku. Důvěrně jsem se pak seznámil s činností dvou provozů a jejich technologickými postupy. Při stáži jsem spolupracoval na posouzení životnosti kotle na výrobu páry, což mi umožnilo jednak poznat jeho konstrukci a jednak jsem poznal problematiku provozu a životnosti těchto zařízení, které jsou pro provoz chemických procesů nezbytné. Dále jsem také poznal konstrukci reaktorů, problémy při jejich provozu a údržbě a zkusil si práci ve stísněném a prašném prostředí, při které byla požadována velká technologická kázeň. Na obou provozech jsem se seznámil také s bezpečností provozu různých zařízení. Čas strávený na stáži byl pro mě velkým přínosem a věřím, že byl i velkou investicí do mé budoucnosti. Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080. 10