Технологический расчёт трубчатой печи

Содержание Введение

1. Описание конструкций аппаратов, применяемых в промышленности

1.1 Основные характеристики трубчатых печей

1.2 Обозначения трубчатых печей и их виды

2. Термотехнологические процессы, протекающие в печах

2.1 Химические превращения4

2.2 Физико-химические превращения

3. Топливно-сжигающие устройства (ТСУ) трубчатых печей

3.1 ТСУ для сжигания жидкого топлива

3.2 ТСУ для сжигания газового топлива

3.3 Комбинированные ТСУ для сжигания жидкого и газообразного топлива

4. Описание технологической схемы

5. Расчетная часть

5.1 Расчет процесса горения топлива

5.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

5.3 Выбор типоразмера трубчатой печи

5.4 Упрощенный расчет камеры радиации

5.5 Расчет диаметра печных труб

5.6 Расчет камеры конвекции

5.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

5.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы Список использованной литературы Введение Технологические печи очень широко используются практически во всех химических отраслях промышленности. В печах за счет сжигания топлива (газообразного, жидкого и комбинированного) реализуется процесс нагрева перерабатываемого продукта. Механизм теплопередачи достаточно сложен, поскольку в этих устройствах, в отличие, например, от теплообменников, значителен вклад в суммарный теплообмен лучистой (радиационной) составляющей. В некоторых случаях этот механизм теплопередачи является превалирующим. Организация движения образующихся дымовых газов в свою очередь существенно влияет на вклад в суммарный теплообмен конвективной составляющей. Поэтому проектирование печей предполагает учет характеристик топлива, расчет процесса горения с учетом гидродинамики движения дымовых газов, выбор конструкции печи, учет характеристик топливно-сжигающих устройств (ТСУ), прочностные расчеты всех элементов конструкции. Эти задачи предполагают использование весьма разнообразных знаний.

1. Описание конструкций аппаратов, применяемых в промышленности Трубчатые печи нашли самое широкое применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности. Так в нефтепереработке трубчатые печи используются для огневого нагрева и частичного испарения нефти и продуктов её переработки на установках АВТ, каталитического крекинга, риформинга и многих других. Трубчатые печи широко используются и в качестве реакционных аппаратов (установки термического крекинга, пиролиза), причем реакционные процессы могут протекать как в жидкой, так и в паровой фазах.

По способу передачи тепла потоку перерабатываемого сырья трубчатые печи можно разделить на три группы: конвективные, радиантно-конвективные и радиантные.

В конвективных печах тепло передается продукту при соприкосновении продуктов сгорания топлива с трубами, по которым прокачивается сырье. Топочная камера в печах вынесена отдельно, а трубные экраны отсутствуют. За счет конвекции передается до 80% от общего количества тепла (остальное количество тепла передается радиацией). В печах данного типа обеспечиваются более мягкие условия теплообмена (меньшая разность температур между стенкой трубы и перерабатываемым продуктом).

В печах радиантно-конвективного типа 40 — 60% всего тепла передается радиацией, а остальное — конвекцией.

В радиантных печах основная доля тепла передается радиацией. В печах этого типа стены топочной камеры покрыты экранами из радиантных труб. Тепло от факела горения передается экранам излучением. Камера конвекции имеет вспомогательное значение. Печи данного типа наиболее компактны. Основным их недостатком является высокая температура отходящих газов, что ухудшает экономические показатели печного агрегата. В зависимости от места расположения трубные экраны радиантных печей (секций) разделяются на потолочные (подвесные), боковые (фронтальные) и подовые (напольные), а в зависимости от направления подвода тепла излучением — однои двухстороннего облучения.

1.1 Основные характеристики трубчатых печей В промышленности применяются трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб от 15 до 2000 м². Теплопроизводительность печей меняется в широком диапазоне и составляет от 0,7 до 60 МВт, на крупных установках она может достигать 100 МВт. Температура и давление нагреваемой среды на входе и на выходе из печи в зависимости от типа технологического процесса также могут меняться в самых широких пределах (температура — от 70 до 900 оС, давление — от 0,1 до 30 МПа).

Допускаемая теплонапряженность поверхности нагрева зависит от вида нагреваемого продукта и скорости его движения по трубам. Чем тяжелее нагреваемый продукт, тем меньше величина допускаемой тепло напряженности (см. табл. 1). Так при перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет 45 ^ 60 кВт/м, в печах замедленного коксования — 25 -^35 кВт/м2, при нагреве масел — 10 + 20 кВт/м2. Для труб конвективных камер величина теплонапряженности составляет 10 + 20 кВт/м2. Теплонапряженность топочного пространства в современных трубчатых печах установок нефтепереработки составляет 50¹⁰⁰ кВт/м3.

КПД трубчатой печи зависит от величины коэффициента избытка воздуха, подаваемого в горелки печи, температуры отходящих продуктов сгорания топлива, качества тепловой изоляции печи и ряда других параметров. КПД современных трубчатых печей находится на уровне 0,65 + 0,93.

Табл. 1

Допускаемая теплонапряженность труб радиантных змеевиков для основных процессов нефтепереработки

Вышеприведенная классификация трубчатых печей проводится без учета конструкции трубного змеевика. Трубчатые змеевики проектируются отдельно, поскольку нормализовать для них всю совокупность производственных требований весьма затруднительно. Поэтому при разработке трубчатой печи такие узлы, как корпус с обмуровкой и теплоизоляцией, трубные решетки для поддержки труб экранов и змеевиков, газосборники и дымовые трубы разрабатываются как самостоятельные унифицированные узлы, из которых и собираются в зависимости от условий применения. Таким образом, за счет сравнительно незначительных конструктивных модификаций печей около десяти типов можно получить до ста типоразмеров печей, обеспечивающих требования самых разнообразных технологических процессов.

Для выбора и привязки типовой трубчатой печи к конкретной технологической установке необходимо в соответствии с исходными данными произвести выбор материалов, диаметров и толщин стенок труб соответствующих змеевиков, определить число потоков в змеевиках и т. д. В некоторых случаях, например для установок пиролиза, существенное значение приобретает и технология изготовления труб, в частности чистота обработки внутренней поверхности труб. Детальные методы теплового расчета трубчатых печей изложены в специальной литературе. В последние годы все большее распространение для проведения теплотехнических расчетов печей и их отдельных элементов находят специализированные программные средства (системы автоматизированного проектирования).

1.2 Обозначения трубчатых печей и их виды В настоящее время трубные печи выпускаются в соответствии с каталогом «Трубчатые печи. Типы, параметры и основные размеры». По конструктивным признакам различают печи цилиндрические, с наклонным сводом, вертикальные и др. По числу камер (радиантных и конвективных) печи подразделяются на одно-, двухи многокамерные. Расположение труб в трубных экранах также может быть горизонтальным или вертикальным. Печи разделяются и по способу организации теплообмена (печи с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок; с настильным, объемно-настильным и вертикально-факельным сжиганием топлива; с дифференцированным подводом воздуха).

В каталоге использованы следующие условные обозначения печей. Первая буква в обозначении характеризует конструктивное исполнение: Г — узко камерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными экранами; А — узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и центральным горизонтальным экраном; В — узкокамерные секционные трубчатые печи с вертикальными трубами экрана; С — секционные трубчатые печи с прямоугольно и горизонтально витым трубным змеевиком; Ц — цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции, горизонтальными трубами конвекции и вертикальными трубами радиации; К — цилиндрические печи с боковой кольцевой камерой конвекции и вертикальным расположением конвективных труб. Цифровой индекс к первой букве обозначает число рядов экрана (при однорядном экране индекс не указывается).

Вторая буква означает способ сжигания топлива: С — свободный вертикальный факел с позонным подводом воздуха по высоте факела; Н — настильный факел; Д — настильный факел с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела; Б — беспламенное горение с излучающими стенами из панельных горелок; знак (штрих) ко второй букве обозначает смещение горелок от центра в сторону входа продукта; цифры после буквенного обозначения — число радиантных камер или секций печи.

На последнем месте обозначения стоит дробь, числитель которой характеризует поверхность нагрева радиантных труб, м2; а знаменатель — длину или высоту топки, м (в большинстве случаев длина топки совпадает с длиной радиантных труб). В табл. 2 представлены условные обозначения наиболее распространенных трубчатых печей.

Табл. 2

Условные обозначения наиболее распространенных трубчатых печей

Например, А2Б2115/6 — узкокамерная трубчатая печь с центральным горизонтальным двухрядным экраном и верхним отводом дымовых газов, беспламенным горением, с излучающими стенами из панельных горелок, двумя радиантными камерами, с поверхностью нагрева радиантных труб 115 м² и длиной радиантных труб 6 м.

Схематичное изображение наиболее распространенных типов трубчатых печей показано на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальные схемы трубчатых печей с факельными горелками: а) — конвекционная печь; б) — радиантно-конвекционная печь: 1 — горелка; 2 — радиантный змеевик; 3 — конвективный змеевик; 4 — перевальная стенка; 5 — обмуровка; 6 — боров (дымоход).

На рис. 1, а) показана принципиальная схема конвекционной печи с нижним отводом дымовых газов. Обогрев труб конвективного змеевика 3 осуществляется топочными газами, образованными в результате сгорания топлива в горелках 1. Конвекционная камера разделена от топки печи перевальной стеной 4, имеющей со стороны конвекционной камеры наклонную стену. За счет увеличения площади поперечного сечения в верхней части конвекционной камеры, на входе в камеру удается разместить большее число труб, с целью обеспечения более эффективной теплоотдачи от горячих дымовых газов к трубам. На рис. 1, б) представлена схема радиантно-конвекционной печи с горизонтальными трубами змеевиков и с нижним отводом дымовых газов. Здесь радиантный змеевик 2, для более полного использования теплоты излучения от пламени факельных горелок 1, размещен вдоль обеих стен топки (настенный экран) и подвешен к верхнему своду печи (потолочный экран). Отработанные топочные газы далее проходят через конвекционную камеру, расположенную за перевальной стеной 4, где дополнительно обогревают трубы конвективного змеевика 3 и отводятся через нижний боров 6 в дымовую трубу.

Рис. 2. Принципиальные схемы многокамерных секционных печей:

а) — трехкамерная печь типа ВС3 с нижними факельными горелками и вертикальными трубами радиантной камеры в плане; б) — трехкамерная печь типа СС3 с боковыми горелками и с горизонтальными змеевиками радиантных и конвективных камер: 1 — горелки; 2 — радиантный змеевик; 3 — конвективный змеевик; 4 — обмуровка; 5 — боров (дымоход).

Для увеличения единичной тепловой мощности трубчатых печей их выполняют многокамерными или секционными. На рис. 2 представлены схемы трехкамерных печей: а) — тип ВС3 с нижним расположением факельных горелок и вертикальными трубами радиантного змеевика и б) — тип СС3 с боковыми горелками и горизонтальными змеевиками радиантного и конвективного змеевика. В многокамерных печах, кроме настенных радиантных змеевиков одностороннего облучения, имеются межкамерные одноили двухрядные радиантные экраны 2, подверженные двухстороннему облучению высокотемпературным пламенем факельных горелок, что обеспечивают более равномерный обогрев труб, увеличивая КПД печи, особенно в радиантной камере.

Рис. 3. Двухскатная двухкамерная (шатровая) печь с горизонтальными трубами радиантной и конвекционной камер: 1 — факельные горелки; 2 — трубы радиантных экранов одностороннего облучения; 3 — трубы конвективных змеевиков; 4 — перевальная стена; 5 — обмуровка; 6 — металлоконструкция (каркас) печи; 7 — нижний боров (дымоход); 8 — дымовая труба.

На рис. 3 представлена принципиальная схема двухскатной (шатровой) двухкамерной печи с двумя камерами радиации и одной конвекционной камерой. Трубы радиантных змеевиков 2 здесь имеют три экрана одностороннего облучения: фронтальный — расположен напротив горелок у перевальной стены 4, подовый (напольный) — установлен в поду печи и потолочный — подвешен на металлоконструкции 6 наклонного свода печи. Факельные горелки 1 с относительно коротким пламенем расположены в амбразурах обмуровки 5 вдоль боковых стенок печи. Это позволяет более эффективно использовать теплоту излучения горизонтального факела в радиационной камере печи. Отработанные газы, после омывания труб конвективного змеевика 3, выбрасываются в дымовую трубу 8 через нижний боров 7.

Благодаря простоте конструкции, легкости обслуживания и удобства проведения ремонтных работ, двухкамерные печи шатрового типа с факельными горелками находят широкое применение на установках АВТ, каталитического и термокрекинга, в производстве масел и других производствах. Однако основным недостатком таких печей является значительные габаритные размеры и относительно низкие теплотехнические показатели. Так размеры печи тепловой мощностью 18 МВт составляют 20¹⁵×8 м, теплонапряженность топки 60 — 95 кВт /м3. Одностороннее облучение длинными факелами создает неравномерность нагрева труб по окружности и по длине трубчатого змеевика. При форсировании режима горения возможны прогары труб. Из-за высоких удельных затрат металла и огнеупоров, а также низкого КПД (60 — 70%), их постепенно заменяют на трубчатые печи с горелками беспламенного горения.

Рис. 4. Двухкамерная трубчатая печь с горелками беспламенного горения в разрезе:

1 — металлический каркас; 2 — огнеупорная футеровка; 3 — кладка из керамических призм беспламенных горелок; 4 — панельные горелки; 5, 13 — трубы фронтового и потолочного экранов; 6 — обслуживающие площадки; 7 — гляделка; 8 — взрывное окно-лаз; 9 — навес; 10, 12 — ретурбендные камеры; 11 — трубы конвекционной камеры; 14 — кровля.

Схема типовой двухкамерная печи с беспламенными панельными горелками в разрезе представлена на рис. 4. В отличие от печей с факельными горелками данная конструкция печей имеет значительно меньшую ширину. Расположенные на боковых стенах печи газовые беспламенные горелки 4 типа ГБПш создают равномерное облучение труб фронтальных 5 и подвесных потолочных 13 экранов радиантных змеевиков, эффективно используя не только прямое тепловое излучение от раскаленных панелей, но и отраженное излучение от стен обмуровки. Хороший теплосъем и высокий КПД печи обеспечивает конвективный змеевик 11, размещенный на выходе топочных газов с радиантной камеры, откуда использованные дымовые газы через нижний боров 15 выбрасываются в дымовую трубу.

Для наблюдения за состоянием горелок и труб радиантного змеевика на торцевой стенке печи на уровне обслуживающей площадки 6 установлены взрывные окна-лазы 8, снабженные поворотными смотровыми окнами (гляделками) 7. Соединение печных труб в радиантном и конвективном змеевиках выполнено методом развальцовки их концов в специальных двойниках — ретурбендах. Для удобства обслуживания и защиты развальцовочного соединения от воздействия высоких температур, ретурбенды вынесены за пределы топки и размещены в ретурбендных камерах 10 и 12. При выходе из строя печных труб разъемное соединение с помощью ретурбендов позволяет производить замену труб без значительных капитальных затрат через соответствующие окна в ретурбендных камерах. Металлический каркас 1, повторяющий очертания наружной формы печи, устанавливается на бетонном фундаменте и несет практически всю нагрузку от основных элементов печи: трубных змеевиков, гарнитуры, кровли, обслуживающих площадок, а также кладки обмуровки 2 и подвесного свода.

На рис. 5 представлены конструкции трубчатых печей с двухрядными центральными радиантными экранами. Благодаря двухстороннему облучению центрального экрана трубы получают равномерное излучение от горелок, поэтому коэффициент облученности ф радиантных труб в этих печах близок к единице.

Рис. 5. Печи с центральными двухрядными экранами двухстороннего облучения:

а) — двухкамерная с нижним отводом дымовых газов: 1 — факельные горелки; 2 — центральный радиантный экран; 3 — конвекционный змеевик; 4 — обмуровка; 5 — воздуховод; 6 — нижний боров (дымоход);

б) — вертикальная печь с верхним отводом дымовых газов: 1 — инжекционные беспламенные горелки со сферической излучающей чашей; 2 — центральный радиантный экран; 3 — конвективный змеевик; 4 — обмуровка; 5 — металлоконструкция; 6 — газоход;

На рис. 5, а) двухстороннее облучение труб двухрядного центрального экрана производится расположенными сверху газовыми горелками 1 со свободным нисходящим факелом. Кроме основного излучения от пламени горелок здесь происходит дополнительный обогрев труб центрального экрана за счет отраженного излучения нагретых пламенем боковых стенок обмуровки печи. Горячие топочные газы после радиантной камеры проходят через нижнюю конвекционную камеру 3 и отводятся через нижний боров 6 в дымовую трубу.

На рис. 5, б) для двухстороннего облучения центрального двухрядного радиантного экрана 2 использованы беспламенные инжекционные газовые горелки со сферической излучающей чашей 1, расположенные по всей высоте боковых стенок топки. Достоинством такой компоновки печи является возможность поддержания оптимального температурного режима по высоте радиантного экрана за счет регулирования расхода газа, подводимого к горелкам. После обогрева труб верхнего конвективного змеевика 3, отработанные топочные газы отводятся в газосборник 6 для выброса в дымовую трубу.

Рис. 6. Многокамерная трубчатая печь типа Р в разрезе: 1 — горелка; 2 — камера конвекции; 3 — конвективный змеевик; 4 — канал топочных газов; 5 — окно для отвода продуктов сгорания топлива; 6 — радиантная камера; 7 — смотровое окно; 8 — металлический каркас.

Устройство многокамерной трубчатой печи типа Р в разрезе показана на рис. 6. Печи данной конструкции применяют для нагрева газосырьевой смеси в высокотемпературных процессах каталитического риформинга и гидроочистки. Печь состоит из трех камер радиации 6 с вертикальными трубчатыми змеевиками, печные трубы которых соединены друг с другом сварными калачами. Между смежными камерами радиации расположены двухрядные боковые радиантные экраны двухстороннего облучения. В некоторых случаях между трубами соседних экранов могут быть установлены огнеупорные разделительные стены. Во фронтальных стенах печи смонтированы комбинированные горелки 1 типа ФГМ, факелы от которых направлены горизонтально к противоположным стенам, где имеется канал 5 для отвода продуктов сгорания топлива в камеру конвекции. Змеевики камеры конвекции выполнены трехходовыми для интенсификации теплоотдачи от отходящих дымовых газов за счет высоких скоростей их омывания, а также имеют наружное оребрение (или ошиповку) труб 3 для дополнительной турбулизации потока. Металлический каркас печи 8 состоит из отдельных рам, футеровка — из огнеупорного кирпича или сборных панелей из легкого огнеупорного перлитобетона. За счет реализации указанных мер в многокамерных печах типа Р обеспечиваются следующие теплотехнические характеристики:

Тепловая мощность — 46 МВт;

Среднедопускаемая тепло напряженность радиантных труб — 40 кВт/м2.

Для высокопроизводительных установок АВТ ВНИИнефтемашем разработаны узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов типа Г. Указанный тип печей отличается большой единичной мощностью, имеет два исполнения — ГС (рис. 7) и ГН (рис.8).

Рис. 7. Узкокамерная горизонтальная печь со свободным факелом горения типа ГС: 1 — смотровое окно; 2 — футеровка; 3 — радиантный и конвекционные змеевики; 4 — металлический каркас; 5 — люк-лаз; 6 — вертикальные горелки; 7 — выхлопные предохранительные окна.

В печах марки ГС (исполнение I) со свободным вертикальным факелом (рис. 7) радиантные и конвекционные змеевики расположены горизонтально, газомазутные вертикальнофакельные горелки 6 типов ГИК и ФГМ смонтированы в шахматном порядке в поде радиантной камеры. При горении топлива образуется стена вертикальных факелов, излучающих тепло сырьевым змеевикам радиантной камеры 3, расположенным на кронштейнах у стен топки. Огнеупорная панельная и блочная футеровка 2 выполняется из легковесного огнеупорного вермикулитокерамзитобетона на глиноземистом цементе, либо выкладывается из шамотного кирпича и собирается на металлическом каркасе 4. Дымовые газы отводятся вверх, проходят через змеевик 9 конвекционной камеры и через газосборник 8 ход выбрасываются в отдельно стоящую дымовую трубу.

Тепло производительность печей ГС составляет 14,7 — 57,6 МВт, средняя теплонапряженность радиантных труб, выполненных из труб размером 152*8 мм — 40,6 кВт/м2.

В узкокамерных печах типа ГН (исполнение II) с настильным пламенем (рис. 8) комбинированные горелки 6 типа ФП-2 для объемно-настильного сжигания топлива расположены в боковых стенах печи с двух сторон под углом 45°. Факел, образованный при горении топлива, настилается с двух сторон на огнеупорную настильную стену 3, расположенную в центре печи, от которой тепло излучается к настенным радиантным экранам 2 одностороннего облучения. Настильная стена делит камеру радиации на две камеры с независимым температурным режимом. Топочные газы отводятся вверх через камеру конвекции 7 в металлический сборник, футерованный изнутри легким огнеупорным бетоном, откуда сбрасываются в дымовую трубу, смонтированную на каркасе печи. Футеровка 4 печи выполнена аналогично печи ГС и собирается на металлическом каркасе 5. Подовые блоки изготовляются из жаростойкого бетона с шамотным заполнителем на портландцементе.

Рис. 8. Узкокамерная горизонтальная печь с настильным факелом горения типа ГН: 1 — дымоход; 2 — радиантный и конвективный змеевики; 3 — центральная настильная стена; 4 — обмуровка; 5 — металлический каркас; 6 — амбразура горелки.

Каркасы печей ГС и ГН изготовлены из металлических рам, соединенных сваркой или на болтах. Для наблюдения за состоянием змеевиков в радиантных камерах и для розжига горелок имеются смотровые окна 1 (рис. 7). На торцевых и боковых стенах печей расположены выхлопные окна 5, используемые также как люки-лазы для доступа персонала внутрь печи при остановках и ремонтах.

Тепопроизводительность печей ГН составляет 7,4 — 23,7 МВт, средняя тепловая напряженность радиантных труб — 35 кВт/м2.

Цилиндрические печи типа Ц проектируются с нижним расположением горелок в поду печи с факельным сжиганием жидкого или газообразного топлива. Они занимают относительно небольшие площади и выпускаются в двух исполнениях — ЦС и ЦД. В печах типа ЦС (рис. 9) комбинированные горелки марок ФГМ, ГИК, ГЭКВ образуют свободный вертикальный факел горения, составляющий примерно 2/3 высоты трубчатого радиантного змеевика 5, расположенного вертикально. Цилиндрическая камера радиации, образованная из огнеупорной футеровки 3, поддерживаемой металлическим каркасом 4, установлена на столбчатом фундаменте из бетона или металлических конструкций высотой не менее 2 м для удобства обслуживания горелок, узел управления которыми расположен под подом печи. Корпус печи стальной сварной, огнеупорная футеровка выполнена из торкретбетона. Радиантный змеевик 5, сваренный из печных труб и калачей, получает двухстороннее излучение непосредственно от факела пламени и от отраженного от обмуровки излучения. Для наблюдения за состоянием радиантных труб и факела горения на нижней части топки установлены смотровые окна 7, а на на верхней площадке обслуживания — люк-лаз 2. Конвективный змеевик 1, состоящий из пучка горизонтальных труб, омывается отходящими дымовыми газами перед их выбросом в дымовую трубу.

Рис. 9. Цилиндрическая печь ЦС со свободным факелом горения: 1 — камера конвекции; 2 — люк-лаз; 3 — футеровка; 4 — металлический каркас; 5 — радиантный змеевик; 5 — факельная горелка; 7 — смотровое окно.

Характеристики печи типа ЦС несколько ниже, чем у печей типа Г и составляют:

Теплопроизводительность 3,9 — 17,2 МВт;

Теплонапряженность радиантных труб — 35 кВт/м2.

Цилиндрическая печь типа ЦД с дифференциальным распределением пламени (рис. 10), в отличие от печи ЦС, в камере радиации имеет центральный рассекатель-распределитель 4 в виде пирамиды с четырьмя вогнутыми гранями (возможны печи и с тремя гранями). Грани представляют собой настильные стены для факелов горелок 5 типа ГЭВК, устанавливаемых в поду печи. Рассекатель-распреде-литель создает несколько зон теплообмена в камере радиации, что позволяет регулировать теплонапряженность трубчатого змеевика 1 по его длине. Металлический каркас рассекателя-распределителя футерован шамотным кирпичом. Внутренняя полость его разбита на отдельные воздуховоды 3, при этом расход воздуха, проходящего по ним, можно регулировать с помощью шиберов. В кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней сделаны каналы 6 прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха от дутьевых вентиляторов 7 к настильному факелу каждой грани. Это позволяет регулировать длину факела горения, обеспечивая более равномерное распределение тепловых потоков по длине трубчатых змеевиков индивидуально в пределах каждой грани, а также повысить среднюю теплонапряженность поверхности радиантных труб на 20 — 30% и уменьшить возможность отложения кокса на внутренней поверхности труб.

Трубчатые змеевики 1 камеры радиации настенные, собраны из печных труб с калачами и подвешены тягами к конусному переходнику корпуса печи 2. Они являются основным экраном камеры радиации. Конвективные змеевики 8, установленные в верхней части печи, выполнены либо шахтными, с горизонтальным расположением труб, либо кольцевого типа с вертикально размещенными трубами Рис. 10. Цилиндрическая трубчатая печь типа ЦД с центральным рассекателем-распределителем: 1 — радиантный змеевик; 2 — корпус; 3 — воздуховод от дутьевого вентилятора; 4 — рассекатель-распределитель; 5 — факельная горелка.

Характеристика трубчатых печей типа ЦД:

Теплопроизводительность 22,0 — 36,5 МВт;

Средняя теплонапряженность радиантных труб -40,6 кВт/м2.

2. Термотехнологические процессы, протекающие в печах Термотехнологические процессы состоят из химических (изменение химического состава) и физико-химических (изменение структуры) превращений исходных материалов.

2.1 Химические превращения Химические реакции, протекающие в печах, разделяются на простые и сложные, одностадийные и многостадийные. Если химическое превращение может быть описано одним стехиометрическим уравнением, то оно относится к простым и, как правило, к одностадийным реакциям. Для описания сложных реакций необходимо уже несколько стехиометрических и кинетических уравнений. Наиболее часто в печах химических отраслей промышленности проводятся реакции:

• разложения (за счет теплового воздействия сложные химические соединения распадаются на более простые);

• обменного разложения (из одной пары молекул исходных веществ за счет обмена ионами образуется другая пара веществ):

• окислительно-восстановительные реакции.

Как уже отмечалось, многие химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (выделением или поглощением тепла). Тепловой эффект для изохорного и изобарного процессов не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Кинетические закономерности химических превращений в печных агрегатах зависят от природы реагирующих веществ, от температурных условий проведения процесса, а также от гидродинамических условий, в которых протекает реакция (в особенности для газообразных и жидких сред), и от условий подвода (отвода) тепла, т. е. от конструкции печного агрегата.

2.2. Физико-химические превращения К физико-химическим превращениям относятся процессы изменения агрегатного состояния и кристаллической структуры вещества, подвергаемого обработке. Наиболее часто в печах из процессов первой группы используются:

• Плавление — процесс перехода кристаллического твердого вещества в жидкое состояние. Плавление протекает при постоянной температуре (W), величина которой зависит от природы вещества и от внешнего давления.

• Испарение — процесс перехода вещества из жидкого в парообразное. Для однокомпонентных систем процесс протекает при постоянной температуре. Температура фазового перехода (*исп.) также зависит от природы вещества и от внешнего давления. Многокомпонентные жидкости характеризуются постепенным переходом из жидкого состояния в газообразное, сопровождающимся ростом температуры парожидкостной системы, составы образующихся фаз определяются при этом условиями парожидкостного равновесия. Поэтому многокомпонентные жидкости характеризуются точками начала и конца кипения. Эти точки, полученные при постоянном давлении, используются, например, в качестве характеристик фракционного состава нефтяных фракций.

3. Топливно-сжигающие устройства (ТСУ) трубчатых печей Для выработки тепловой энергии в печах всех типов сжигается топливо, для чего применяются специальные топливносжигающие устройства (ТСУ). Наибольшим разнообразием харастеризуются ТСУ, применяемые именно в трубчатых печах, хотя ТСУ для других типов печей имеют с ними много общего. Основными требованиями к ТСУ являются:

• обеспечение заданных режимов горения;

• экономичность распыливания (для жидкого топлива);

• полнота сжигания;

• малый уровень шума;

• технологичность изготовления, монтажа и ремонта.

Конструкции ТСУ, используемые в промышленных печах, характеризуются чрезвычайным разнообразием. ТСУ классифицируются по виду сжигаемого топлива на жидкостные (мазутные), газовые и комбинированные (газомазутные). В нефтеперерабатывающей промышленности большинство трубчатых печей оборудовано комбинированными газомазутными горелками. ТСУ для сжигания жидкого топлива называют также форсунками, а для сжигания газообразного топлива — горелками.

3.1 ТСУ для сжигания жидкого топлива Жидкое топливо (мазут) горит в печах только после его перехода в парообразное состояние, поскольку температура его воспламенения выше, чем температура кипения. Поэтому он подается на сжигание в печь в распыленном состоянии. Для распыливания топлива используется перегретый водяной пар и подогретый воздух. Для нормальной работы форсунок, работающих на мазуте, его вязкость перед форсункой не должна превышать 3 оВУ (вязкость условная), а температура распыливающего пара должна превышать температуру насыщения паров воды не менее чем на 15 + 20 оС. Соответствующие значения температур приведены в табл. 3, 4.

Табл. 3

Рекомендуемая температура нагрева мазута перед форсункой, оС

Табл.4

Температура насыщения водяного пара в зависимости от избыточного давления

При распыливании мазут рассеивается в топочной камере в виде тумана. По способу подвода энергии различают форсунки с механическим распыливанием (давление создается в мазуто — проводе перед форсункой) и форсунки с воздушным или паровым распыливанием. Для улучшения качества распыла в форсунках нередко используется закрутка потока мазута (центробежные форсунки). При этом обеспечивается более тонкий распыл и меньший разброс капелек по размеру. Принципиальные схемы мазутных форсунок приведены на рис.11

Рис. 11. Принципиальные схемы мазутных форсунок: (1) — прямоструйная форсунка на давление 1 ^ 2 МПа; (2) — центробежная форсунка с тангенциальным подводом горючего; (3) — центробежная форсунка со специальным завихрителем; (4) — ротационная форсунка; (5) и (6) — форсунки с распыливающей средой (водяной пар, воздух) высокого (5) и низкого (6) давления;

А — горючее; Б — воздух; В — пар.

3.2 ТСУ для сжигания газового топлива Для сжигания газового топлива в печах применяются два типа горелок:

• горелки инжекционного типа, в которых газ смешивается с воздухом в смесительной камере перед входом в камеру сгорания;

• горелки, в которых газ смешивается с воздухом в самой камере сжигания.

Рис12. Принципиальные схемы горелок для сжигания газа: (1) — кинетическая инжекционная горелка среднего давления; (2) — горелка с принудительной подачей воздуха и закрученным потоком газа; (3) — диффузионная горелка с принудительной подачей воздуха и подачей газа мелкими струями: 1 — газовое сопло; 2 — регулирующая воздушная заслонка; 3 — смеситель; 4 — керамический насадок; 5 — лопаточный завихритель; 6 — газовый коллектор; 7 — обмуровка топки; А — воздух; Б — газ.

В трубчатых печах чаще используются горелки инжекционного типа, поскольку они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха. Как уже отмечалось выше, коэффициент избытка воздуха оказывает существенное влияние на эффективность работы печи, поскольку его значение определяет температуру, достигаемую в факеле горения. Принципиальные схемы конструкций газовых горелок приведены на рис. 12. Теплопроизводительность горелок регулируется изменением давления газа перед соплом инжектора.

Основным недостатком факельных горелок является нестабильность горения длинных факелов, что приводит к неравномерности распределения тепловой нагрузки на поверхности труб, из-за чего происходили местные перегревы и быстрый выход труб из строя. Для осуществления зонного регулирования температурного профиля трубчатого радиантного змеевика, когда необходимо сосредоточить лучистую энергию на фиксированных участках, рационально использование чашеобразных беспламенных газовых горелок (рис. 13) типа «Дюрадиант». Такими горелками оснащены печи зарубежных фирм «Луммус», «Стоун Вебстер» и др. Сферическая форма излучающей чаши 2, изготовленной из высокоглиноземистых огнеупоров, при определенном размещении их в топке печи дает возможность концентрировать лучистый тепловой поток на участках радиантного змеевика пиролизной печи, обеспечивая оптимальный температурный режим процесса. Отражательный колпачок 3, изготовленный из высоколегированной хромоникелевой стали Х23Н18, воспринимает всю теплоту сгорания газовоздушной смеси в камере смешения 5 горелки, равномерно распределяет лучистую энергию пламени по всей сферической поверхности чаши, одновременно препятствуя выходу пламени из камеры горения. Пример практического использования горелок данной конструкции для двухстороннего обогрева двухрядного центрального радиантного экрана представлен на рис. 4, б.

Рис. 13. Инжекционная чашеобразная газовая горелка: 1 — металлический корпус; 2 — излучающая чаша со сферической поверхностью; 3 — отражательный колпачок; 4 — тепловая изоляция; 5 — смесительная камера; 6 — инжектор; 7 — сопло подачи газа; 8 — регулятор подачи воздуха; 9 — труба подачи газа.

Высокой эффективностью характеризуется специфическая разновидность газовых горелок типа ГБПш: беспламенные панельные горелки (рис. 14). Газовоздушная смесь из камер смешения 1 в данных горелках поступает в керамические каналы малого диаметра, равномерно распределенные по всей излучающей поверхности горелки, выполненной в виде керамической плиты толщиной до 150 мм. Уже на участке канала длиной 65 — 70 мм обеспечивается полное сгорание газовоздушной смеси. Теплопередача происходит излучением от поверхности керамической плиты, образованной из нескольких рядов керамических призм 6. При двухстороннем излучении панельных горелок в радиантной камере обеспечивается равномерная теплонапряженность поверхности труб центрального экрана по всей ее длине, высоте, а также в поперечном сечении труб.

Рис. 14. Панельная беспламенная газовая горелка ГБПш: 1 — распределительная камера (короб); 2 — инжекторный смеситель газа; 3 — сопло; 4 — регулирующая заслонка; 5 — газоподводящий патрубок; 6 — керамические призмы; 7 — теплоизоляционный слой (диатомовая крошка); 8 — болт; 9 — гайка; 10 — теплоизоляционный слой (диатомовая крошка); 11 — асбестовый шнур.

3.3 Комбинированные ТСУ для сжигания жидкого и газообразного топлива Для сжигания жидкого или газообразного топлива ВНИИНефтемашем разработаны комбинированные газомазутные факельные горелки марок ФГМ — 95 ВП, ФГМ -120, ФГМ — 120 М. Они имеют высокие технико-экономические показатели, используют для распыливания нагретый в воздухоподогревателях воздух невысокого давления (не более 300 мм водного столба) и могут работать на обоих видах топлива одновременно.

Рис. 15. Комбинированная газомазутная горелка ФГМ — 120: 1 — газовый коллектор; 2 — шибер ручной регулировки воздуха; 3 — завихритель; 4 — диффузор; 5 — сопло; 6 — воздуховод; 7 — наружная труба; 8 — паромазутная головка; 9 — внутренняя труба подачи пара; 10 — газовая труба; 11 — шибер регистра; 12 — ручка шибера воздуха.

На рис. 15 представлена схема комбинированной газомазутной горелки ФГМ — 120. Горелка состоит из трех основных узлов: газового, жидкостного и воздушного. В газовый узел входит круговой газовый коллектор 1, откуда газ выходит в топку через выполненные из жаропрочной стали трубы 10 общим се- 2 ^ чением 1800 мм. Жидкостной узел состоит из паромазутной головки 8, состоящей из внутренней трубы 9 для подачи пара и наружной трубы 7 для подачи мазута или другого жидкого топлива. Водяной пар, двигаясь по внутренней трубе, подогревает движущееся в межтрубном пространстве жидкое топливо. Выходя из сопла 5 с высокой скоростью, пар обеспечивает тонкое распыливание топлива в диффузоре 4 горелки. Воздушный узел, предназначенный для подвода требуемого количества воздуха на поддержание горения в топке, состоит из первичного и вторичного потоков воздуха и элементов для их регулирования.

Первичный поток воздуха, предварительно подогретый в воздухоподогревателях печи, подается в горелку вентилятором по воздуховоду 6. Пройдя через завихрительную головку, поток воздуха закручивает выходящую из диффузора струю распыленного жидкого топлива, образуя факел горения длиной от 3 до 4 м. Подогрев воздуха позволяет интенсифицировать процесс горения и значительно увеличить тепловую производительность горелки. Вторичный воздух поступает в зону горения из атмосферы под действием разряжения в топке, через круговой шибер 2, степень открытия которого регулируется рукояткой 12. Конструкции других типов горелок отличаются от описанной модели ФГМ — 120 устройством отдельных элементов и их размерами.

Горелки ФГМ лучше приспособлены для работы в вертикальном положении (могут также действовать и в горизонтальном) при подаче на распыление топлива только пара, т. е. без использования вентиляторного воздуха.

Горелки типа ФГМ работают бесшумно и в отличие от форсунок ГНФ с паровым распылом дают более короткое стабильное пламя.

Перечень комбинированных ТСУ для сжигания как жидкого, так и газообразного топлива, по комплексу показателей соответствующих мировому уровню, приведен в табл. 5.

Табл. 5

Комбинированные ТСУ, соответствующие по комплексу показателей мировому уровню (подтверждено испытательным центром Госстандарта РФ) [3]

4. Описание технологической схемы Рисунок 16. Схема установки каталитического крекинга с пневмотранспортом катализатора потоком высокой кон-центрации: П-1 — печь; Р-1 — реактор; Р-2 — регенератор; К-1 — ректификационная колонна; К-2 — отпарная секция легкого газойля; К-3 — отпарная секция тяжелого газойля; Е-1 — газоводоотделитель; П-2 — топка под давлением; П-3 — котел-утилизатор; Б-1, Б-2 — катализаторные ем-кости; Е-2, Е-3 — гидравлические затворы, направляющие дымовые газы в атмосферу или в котел-утилизатор; Т-1 — холодильник-конденсатор; Т-2 — увлажнитель пара; Т-3 — камера охлаждения пара; Н-1 — шламовый насос; В-1, В-2, В-3 — воздуходувки; I — сырье (вакуумный газойль); II — катализатор; III — воздух; IV — дымовые газы; V — конденсат; VI — перегретый пар; VII — пар высокого давления; VIII — вода; IX — топливо; X — жирный газ; XI — нестабильный бензин; XII — легкий газойль; XIII — тяжелый газойль; XIV — катализаторный шлам.

трубчатый печь тепловой гидравлический Технологическая схема установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора и вертикальным секционированным регенератором (рис.1). Установка рассчитана на переработку дистиллята (350−500 °С) вакуумной перегонки; нефти. Сырье, нагретое в лечи П-1 до 350 °C, вводят в поток регенерированного катализатора перед его входом в реактор Р-1. Полное испарение и частичное превращение сырья происходят еще до поступления взвеси в псевдоожиженный слой, а в этом слое каталитический крекинг завершается. Отработанный катализатор уходит в нижнюю, суженную отпарную секцию-десорбер, где из пор закоксованного катализатора отпариваются летучие углеводороды.

Отпаренный закоксованный катализатор транспортируют в регенератор Р-2. Чтобы поддержать движение, в основание восходящей части линии пневмотранспорта вдувают воздуходувкой В-3 часть воздуха, направляемого в регенератор для сжигания кокса. Снижение концентрации твердой фазы на этом участке обеспечивает устойчивый транспорт отработанного катализатора. Регенерированный катализатор возвращается из регенератора Р-2 в реактор. Пары, образующиеся при контакте сырья с катализатором, снижают концентрацию твердой фазы; в результате обеспечивается движущий импульс в линии регенерированного катализатора.

В связи с переходом на цеолитсодержащие катализаторы и реакторы лифтного типа описываемый реактор также подвергся некоторой реконструкции — снизили уровень псевдоожиженного слоя и совершенствовали устройство для ввода смеси катализатора и сырья.

Пары продуктов крекинга и сопутствующий им водяной пар покидают псевдоожиженный слой реактора при 490−500 °С и ~0,18 МПа, проходят циклонные сепараторы и направляются в ректификационную колонну К-1. Основная масса катализаторной мелочи отделяется в циклонах и возвращается в псевдоожиженный слой; самые мелкие частицы пыли уносятся в ректификационную колонну и отмываются в ее нижней части циркулирующей флегмой, образуя шлам. Из колонны К-1 выходят два боковых погона. Нижний представляет собой тяжелый каталитический газойль с н. к. = 350 °C. Этот продукт можно направить на повторный кре-кинг в смеси со свежим сырьем. Верхний боковой погон — легкий каталитический газойль с пределами выкипания 195−350 °С. Бензин и газ вместе с водяным паром выходят с верха колонны К-1. В конденсаторе-холодильнике Т-1 образуются конденсаты нестабильного бензина и водяного пара, расслаивающиеся в газоводоотделителе Е-1. Нестабильный бензин и равновесный с ним жирный газ направляют в систему газофракционирования (на схеме не показана).

Для сброса катализатора из реактора и регенератора при регу-лярных и аварийных остановках имеется емкость Б-1; для подпитки системы свежим катализатором и для регулирования его уровня в реакторе предусмотрена емкость Б-2.

Газы, выходящие из регенератора при — 600 °C, содержат зна-чительные количества оксида углерода и несут большой запас теп-ла. Использование этого тепла, особенно после дожигания оксида углерода, позволяет получить в котле-утилизаторе П-3 значитель ное количество водяного пара при ~4 МПа.

Чтобы обеспечить точность регулировки отвода избыточного тепла из псевдоожиженного слоя в регенераторе Р-2, в змеевики регенератора подают не воду, а насыщенный пар из увлажнителя Т-2. Пар, перегревшийся в первой секции змеевиков, охлаждают, впрыскивая водный конденсат в камеру Т-3, до требуемой темпе-ратуры и подают во вторую секцию, где он вновь нагревается. По выходе из второй секции пар идет в паровую турбину компрессо-ра углеводородного газа, направляемого на газофракционирова-ние.

Для разогрева регенератора при пуске установки имеется топ-ка П-2, где нагревают воздух, направляемый в регенератор. Когда температура катализатора в регенераторе достигает 300 °C, топку П-2 отключают, и пода-ют топливо непосредственно в псевдоожижен-ный слой регенератора, вплоть до выхода на нормальный режим.

Скорость циркуляции катализатора регулируют, изменяя количество воздуха, подаваемого на транспортирование отработанного катализатора. Поскольку на циркуляцию катализатора влияют колебания давления в реакторе Р-1 и в регенераторе Р-2, разность давлений между этими аппаратами поддерживается постоянной при помощи автоматически регулируемой задвижки на дымовой трубе регенератора.

5. Расчетная часть

5.1 Расчет процесса горения топлива Цель данного этапа: расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

где C, H, S, O, W — соответственно содержание в топливе углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, % масс.;

кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

;

кг/кг.

Фактический расход воздуха:

где — коэффициент избытка воздуха;

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

где Wф — расход форсуночного пара;

кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

кг/кг;

кг/кг;

кг/кг;

кг/кг;

кг/кг.

Проверка осуществляется, исходя из условия: ;

3,117+1,17+0,8271+13,6896 = 18,824 кг/кг 18,825 кг/кг.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

;

м3/кг.

Расчет теплосодержания продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

где Т — температура продуктов сгорания, К;

Ci — средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кгК (их значения находим по табл.2 методом интерполяции);

кДж/кг.

Результаты расчета значений теплосодержания представим в виде таблицы.

Таблица 1

Выводы: по результатам расчетов данного этапа низшая теплотворная способность топлива составила 42 215,504 кДж/кг, количество продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого топлива — 18,825 кг/кг.

5.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива Цель этапа: кроме к.п.д. и расхода топлива рассчитать теплопроизводительность трубчатой печи (полную тепловую нагрузку), значение которой необходимо для выбора ее типоразмера.

Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

где qпол., qух., qпот. — соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

где Cт, Cв, Cф.п. — соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

tт, tв, tф.п. — температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, 0С.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и ими часто в технических расчетах пренебрегают.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

а

или ,

откуда коэффициент полезного действия трубчатой печи:

где , — соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.