Трубчатые печи

 

Введение

 

 

Трубчатые печи — основное оборудование многих установок многотоннажных производств.

Современная тенденция совершенствования различных трубчатых печей характеризуется созданием компактных агрегатов большой единичной мощности целевого назначения для осуществления технологического процесса. Эти агрегаты отличаются высокой эффективностью использования тепла сжигаемого топлива, надежностью эксплуатации, оснащены средствами автоматического контроля и управления режимом работы.

Для сооружения и ввода в эксплуатацию новых печей и улучшения работы действующих необходимо знать конструктивные особенности печных агрегатов, их рабочие параметры, а также передовой производственный опыт технического обслуживания печей родственных предприятий. Анализ и обобщение практических и теоретических сведений о работе печей позволяют квалифицированно выполнять пуско-наладочные операции и стабильно управлять рабочими параметрами, а также получать максимальный выход целевых продуктов при минимальных затратах сырьевых и энергетических ресурсов.

Для достижения высоких технико-экономических показателей работы трубчатых печей первостепенное значение имеет решение проблем оптимизации режима их работы, обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности, организации и качественного выполнения ремонта.

Не менее важной задачей при эксплуатации печных комплексов является обеспечение их работоспособности в экстремальных условиях установленной продолжительности рабочего цикла (рабочего пробега печей), так как при внезапном выходе хотя бы одного узла возможны остановки агрегата и нарушения технологического режима всей установки. Поэтому для выяснения причин повреждений деталей и узлов и разработки мероприятий по их предотвращению особое значение приобретают обобщение практического опыта работы, анализ процессов, протекающих в печах, и характер воздействия сред на материальную часть конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     1 Технологическая часть

 

1. Сущность и назначение процесса теплообмена

 

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочной камере), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены конвекционные трубы, воспринимающие тепло главным образом при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева путем конвекции. Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы, поглощая тепло. Обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого в печи при сгорании топлива. Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000-1200 К. Снижение температуры дымовых газов до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с пониженной теплонапряженностью поверхности нагрева и требуется значительно увеличить поверхность радиантных труб. Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зависит от температуры дымовых газов. Конвекционная поверхность использует тепло дымовых газов и может обеспечить их охлаждение до температуры, при которой значение коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданным.

Если наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не является обязательным или размеры этой поверхности могут быть существенно уменьшены, то тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например для подогрева воздуха или производства водяного пара. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

Радиантные трубы получают тепло не только излучением, но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Из всего количества тепла, воспринятого радиантными трубами, значительная часть (85-90 %) передается излучением, остальное конвекцией. Наружная поверхность труб в свою очередь излучает некоторое количество тепла, т.е. имеет место процесс взаимоизлучения, однако температура поверхности труб вследствие непрерывного отвода тепла сырьем, проходящим через радиантные трубы, значительно ниже температуры других источников излучения и поэтому в итоге взаимоизлучения через поверхность радиантных труб сырью передается небольшое количество тепла.  В результате теплопередачи, осуществляемой в топочной камере, дымовые газы охлаждаются и поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более холодной поверхностью конвекционных труб (вынужденная конвекция).

В камере конвекции передача тепла осуществляется также за счет радиации трехатомных дымовых газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60–70 % общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20 – 30 %; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10 % тепла.

Основным фактором, предопределяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов, поэтому при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наибольшее значение. Это достигается размещением минимального числа труб в одном горизонтальном ряду и выбором минимального расстояния между осями труб. Однако при повышении скорости дымовых газов в камере конвекции увеличивается сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. С другой стороны, сокращение числа труб в одном горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты камеры конвекции. Это обстоятельство также предопределяет выбор допустимой скорости движения дымовых газов в камере конвекции.

Существенным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла, является способ размещения труб в камере конвекции. При расположении труб в шахматном порядке в связи с более интенсивной турбулентностью потока дымовых газов и лучшей обтекаемостью ими труб тепло передается эффективнее, чем при расположении коридорным способом. При одинаковой скорости движения дымовых газов шахматное расположение труб обеспечивает по сравнению с коридорным более эффективную (на 20-30 %) передачу тепла.

Уменьшение диаметра труб также способствует более интенсивной передаче тепла как за счет лучшей обтекаемости труб, так и в связи с возможностью более компактного их расположения, позволяющего создать более высокие скорости дымовых газов.

Передача тепла конвекцией зависит также от температурного напора, т.е. от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем. Обычно величина температурного напора убывает в направлении движения дымовых газов. Так, при повышении температуры сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на 5 – 7 °С. Наибольший температурный напор в камере конвекции наблюдается при входе дымовых газов в камеру, а наименьший при их выходе. Количество тепла, поглощаемого конвективными трубами, убывает также в направлении движения дымовых газов.

 

 

2. Физико-химические свойства нефти и газа

 

Характерным для нефтей Татарии является изменение их свойств по глубине залегания. Нефти более легкие, богатые светлыми фракциями, с меньшим содержанием серы и смол залегают в более древних девонских отложениях. Плотность нефтей южной части республики колеблется в пределах 0,8600 – 0,8700; кинематическая вязкость при 50°С – около 6 сст; содержание серы составляет 1,6 – 1,7%, силикагелевых смол 7 – 10%.

Ромашкинская нефть имеет среднюю молекулярную массу 232, температуру застывания с обработкой –42°C, без обработки 0°C. Температура вспышки в закрытом тигле 38°C, давление насыщеных паров при 38°C 436 мм рт. ст.. Содержание парафина 5,10%, температура плавления 50°C. Содержание серы 1,61%, азота 0,17%, смол сернокислотных 34%, асфальтенов 4,00%. Коксуемкость 5,30%. Кислотное число, мг КОН на 1г нефти 0,14.

Топливный газ, сжигаемый в горелках, в зависимости от способа получения существенно отличается составом, теплотой сгорания и температурой горения. Природный газ, получаемый часто попутно с нефтью и называемый в ряде случаев «жирным» газом, кроме метана, содержит значительные количества более тяжелых углеводородов (пропана, бутана, бензина, лигроина). «Сухие» или «тощие» газы, добываемые из чисто газовых месторождений, без признаков нефти обладают постоянным составом, характеризующимся большим содержанием метана (75-98%). Количество сернистых соединений в них колеблется от 0 до 1%, а иногда и до 5%. Теплота сгорания «сухого» газа обычно составляет 25 – 36 МДж/м , «жирный» газ имеет более высокую теплоту сгорания: 39 – 59 МДж/м .

Обобщенную оценку качества горючего газа дают по соотношению Н/С. При теоретически достаточном количестве воздуха чем выше Н/С, тем пламя будет более прозрачным (так как водород сгорает быстро, образуя прозрачное, с лиловым оттенком пламя, а углерод сгорает медленно ярко-желтым пламенем). Желтый цвет пламени – результат горения газообразного топлива определенной молекулярной массы. Так, пламя при сжигании бутана имеет более ярко выраженный желтый цвет, чем при горении метана. Ярко-желтым пламенем горит этилен. Считают, что если соотношение Н/С превышает 0,2, то топливо горит удовлетворительно, а при Н/С, близком к 0,1, очень трудно обеспечить нормальное сжигание топлива.

Метан имеет особо важное значение, низкая скорость распространения пламени метановоздушных смесей препятствует проникновению зоны горения в смесительную камеру горелок.

Для нефтезаводских газов, полученных из сернистого сырья, характерно значительное содержание сернистых соединений и, в частности, сероводорода. Присутствие его в нефтяном газе крайне нежелательно, так как он вызывает интенсивную коррозию и очень токсичен. Поэтому на многих заводах газы подвергают мокрой очистке растворами фенолятов, соды и др.

Теплота сгорания газов не является характеристикой, по которой можно подобрать оптимальный вид топлива. Так, оксид углерода, имеющий теплоту сгорания 12,7 МДж/м , обладает более высокой температурой горения, чем метан с теплотой сгорания 35,7 МДж/м .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Сравнительная характеристика трубчатых печей

 

На установках АВТ сооружены высокопроизводительные печи конструкции ВНИПИнефть вертикальнофакельного типа теплопроизводительностью 21 – 42 МВт. Сырьевые змеевики в радиантной камере расположены горизонтально. Топливная система укомплектована комбинированными горизонтальными горелками для сжигания мазута и топливного газа. Горелки размещены в поду топки в шахматном порядке. При горении топлива образуется стена вертикальных факелов, излучающих тепло сырьевым змеевикам, расположенным на кронштейнах у стен топки из огнеупорной кладки. Дымовые газы отводятся вверх в камеру конвекции.

Рисунок 1 – Вертикальнофакельная печь конструкции ВНИПИнефть

В печах типа ГН ВНИИнефтемаша горелки размещены с двух сторон под углом 45°. Факел, образованный при горении топлива, настилается с двух сторон на огнеупорную стенку (расположенную в центре печи), от которой тепло излучается к настенным экранам одностороннего облучения. Настильная стена делит камеру радиации на две камеры с независимым температурным режимом. Камера конвекции находится над камерой радиации.

Характеристика трубчатых печей типа ГН приведена ниже:

теплопроизводительность, МВт: 7,4 – 23,7;

средняя теплонапряженность радиантных труб, кВт/м : 35.

Поверхность нагрева, м :

радиантная (труба 152х8 мм): 150 – 475;

конвективная (труба 108х6 мм): 252 – 732;

рабочая длина радиантных труб, м: 6 – 24.

Футеровка печей типа ГН двух вариантов: легкий огнеупорный вермикулитокерамзитобетон на глиноземистом цементе (объемная масса 950 кг/м3) и шамотный кирпич.

Каркас печей изготовлен из металлических рам. Для наблюдения за состоянием змеевиков в радиантных камерах и для розжига горелок имеются смотровые окна. На торцевых и боковых стенах печей расположены выхлопные окна. Эти печи рекомендуется применять при нагреве сырья до 500°С, используя в качестве топлива газ и мазут в различных соотношениях.

В печах типа ГС ВНИИнефтемаша сырьевые двух- или четырехтрубчатые змеевики также расположены горизонтально, а газо-мазутные горелки смонтированы в шахматном порядке в поде радиантной камеры. Печи ГС обслуживают с одной стороны.

Характеристика трубчатых печей типа ГС приведена ниже:

теплопроизводительность, МВт: 14,7—57,6;

средняя теплонапряженность раднантных труб, кВт/м : 40,6.

Поверхность нагрева, м :

радиантная (труба 152X8 мм): 265 – 1050;

конвективная (труба 108X6 мм): 450 – 1785;

рабочая длина радиантных труб, м: 6 – 24.

1 – 7 – смотровые и выхлопные окна соответственно; 2 – футеровка; 3 – змеевики; 4 – каркас; 5 – люк – лаз; 6 – горелки; 8 – газосборник

Рисунок 2 – Трубчатая печь ГС

Ленгипрогазом разработаны конструкции многокамерных печей с вертикальными трубчатыми змеевиками для установок каталитического риформинга, гидроочистки и ароматизации. Вертикальное размещение труб позволяет экономить дорогостоящий жаропрочный материал для трубных подвесок. Равномерный обогрев труб по всей длине обеспечивают рассредоточенные по фронту и высоте комбинированные газо-мазутные горелки типа ФГМ-4.

Трубчатая печь имеет только одну конвекционную камеру. Сторона печи, обращенная к реакторам установки, глухая, что дает возможность размещать аппараты на небольшом расстоянии от печи. Трансферные линии трубопроводов от печи к аппаратам получаются короткими. Компенсация тепловых удлинений прямых коротких участков трансферных линий достигается гибкостью труб. Использование жаропрочного бетона в печи взамен кирпича позволяет сократить сроки строительно-монтажных работ и уменьшить затраты металла. Общая экономия стоимости строительства таких печей достигает 30%.

Чтобы предотвратить разрушение печи от взрыва, в радиантной камере установлены предохранительные клапаны: пять на своде и два на фронтальной стене. Конструкция печи компактная. Печь имеет высокий к.п.д., достигающий 83%. Опыт работы четырехкамерных печей показал надежность их в эксплуатации.

На установках АВТ, термокрекинга, каталитического крекинга, в масляном производстве и других производствах продолжают эксплуатироваться морально устаревшие конструкции печей шатрового типа. Их широкому распространению способствовали простота устройства, легкость обслуживания и удобство проведения ремонтных работ. Тепловая мощность двухскатных печей от 7 – 8 до 45 – 60 МВт.

Однако конструкция двухскатных двухкамерных печей имеет существенные недостатки. Габаритные размеры печей очень велики. Так, типовая печь тепловой мощностью 18 МВт имеет размеры 20х15х8 м. На сооружение ее требуется 218 т металла и 180 м огнеупорного кирпича. Большие размеры печи обусловлены сравнительно низкими теплотехническими показателями: теплонапряженность топки 60 – 95 кВт/м , теплонапряженность радиантных труб не выше 35 кВт/м . Одностороннее облучение факелами создает неравномерность нагрева труб по окружности и длине трубчатого змеевика. При форсировании режима горения возможны случаи прогара труб. К.п.д. печей невысок (0,6 – 0,7). Из-за высоких удельных затрат металла и огнеупоров и низкой эффективности эксплуатации строительство двухскатных печей прекращено: взамен их сооружаются более экономичные трубчатые печи.