Тема лекции: Вспомогательное оборудование установок. Трубчатые печи.

Трубчатые печи. Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехимической промышленности, где они используются для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефтепродуктов. Ограниченное применение трубчатые печи находят и в химической промышленности.

Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом. Она состоит из следующих основных частей (рисунок 1.17): корпуса (кладки) 3, металлического каркаса 4, труб 2, 10, 14, форсунок 1, печной гарнитуры (трубные подвески и решетки, окна, гляделки и т.д.), дымохода 12 и дымовой трубы 13.

Корпус современной трубчатой печи состоит из двух камер – радиантной и конвекционной.

1-форсунка; 2-трубы бокового экрана радиантной камеры; 3-кладка печи;

4-каркас печи; 5-кровля печи; 6-подвесной свод; 7-трубы потолочного экрана радиантной камеры; 8-подвески; 9-трубные подвески; 10-трубы конвекционной камеры; 11-трубная решетка конвекционной камеры; 12-дымоход;

13-дымовая труба; 14-трубы подового экрана радиантной камеры.

Рисунок 1.17 - Конструктивная схема трубчатой печи.

Трубы печного змеевика, расположенные в радиантной камере, называют радиантными. Ряд радиантных труб, оси которых расположены в одной плоскости, называют экраном. В зависимости от расположения труб одного ряда различают потолочный 7, боковой 2 и подовый 14 экраны. Трубы 10 печного змеевика, расположенного в конвекционной камере, называют конвекционными. Радиантную камеру от конвекционной отделяет перевальная стенка, верхнюю часть которой называют перевалом.

Работает трубчатая печь следующим образом. Сырье, подлежащее нагреву или реакционному превращению в печи, подается в печной змеевик, сначала в конвекционные, а затем в радиантные трубы. В радиантной камере с помощью форсунок (или горелок) 1 сжигается топливо. Образующиеся дымовые газы, пройдя над перевалом, поступают в конвекционную камеру, откуда, отдав часть тепла конвекционным трубам, они через дымоход (боров) 12 поступают в дымовую трубу 13 и из нее в атмосферу.

Основная доля тепла (около 70%) передается сырью в радиантной камере. Радиантные трубы воспринимают тепло главным образом (90%) путем лучеиспускания (радиации) факела, раскаленных стенок камеры, газов и паров (СО₂; Н₂О; SO₂), присутствующих в дымовых газах, и частично (на 10%) путем конвекции от дымовых газов.

Конвекционные трубы воспринимают тепло главным образом (70%) путем конвекции от дымовых газов, а частично путем лучеиспускания от дымовых газов (25%) и стенок кладки конвекционной камеры (10%).

Движение дымовых газов через трубчатую печь обеспечивается естественной и искусственной тягой. Естественная тяга поддерживается дымовой трубой, а искусственная, применяемая значительно реже, - с помощью дымососа.

Движущая сила, необходимая для перемещения дымовых газов через трубчатый змеевик и дымоход, при естественной тяге создается вследствие разности плотностей атмосферного воздуха и дымовых газов, которые зависят в основном от их температуры. Более легкий дымовой газ вытесняется более тяжелым атмосферным воздухом. Чем выше высота дымовой трубы и температура дымовых газов, покидающих печь, тем больше естественная тяга.

При естественной тяге внутри топочной камеры печи поддерживается разрежение, равное (2¸ 5)10^-5 Мн/м²» (2¸ 5) 10^-4 кГ/см²» 2¸ 5 мм вод.ст.

Естественную тягу можно регулировать шибером, устанавливаемым в дымоходе. Скорость прохождения дымовых газов через змеевик, дымоход и дымовую трубу поддерживают на уровне 4-6м/сек.

Работу трубчатой печи характеризуют следующие основные показатели: производительность, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность и коэффициент полезного действия.

Производительность печи – количество сырья в тоннах, нагреваемого в печи в единицу времени (сутки). Производительность печей колеблется в широких пределах (от 50 до 2000т/сутки). Зависит она от многих факторов: количества змеевиков в печи, вида сырья, назначения печи (нагрев или разложение сырья), диаметра змеевика, скорости прохождения сырья внутри змеевика.

Полезная тепловая нагрузка – количество тепла, которое воспринимается сырьем в печи. Полезная тепловая нагрузка трубчатых печей лежит в пределах от 6 до 25квт (5, 2-21, 5млн кал/ч).

Теплонапряженность поверхности нагрева – количество тепла в кВт (ккал), переданного через 1м² поверхности змеевика в час. Чем выше значение теплонапряженности труб, тем более эффективно передается тепло. Однако имеются причины, которые не позволяют превышать теплонапряженность труб выше некоторой допустимой величины, зависящей от характера нагреваемого сырья, скорости его движения и качества металла труб. Чем больше термоустойчивы сырье и металл труб, чем меньше вязкость сырья и выше скорость его движения в трубах, тем большую теплонапряженность труб можно допустить.

Теплонапряженность труб тесно связана со значением температуры дымовых газов над перевальной стенкой. Эта температура обычно не превышает 850-900^оС. Более высокие температуры над перевалом приводят к местному перегреву труб.

Коэффициент полезного действия печи численно равен части общего выделившегося в печи тепла, которая полезно использована в печи. При полном сгорании топлива к.п.д. печи зависит от ее конструкции, коэффициента избытка воздуха (показывающего, во сколько раз больше подано в печь воздуха, чем это необходимо для полного сгорания топлива) и температуры дымовых газов, покидывающих печь. Для трубчатых печей к.п.д. равен 0, 6¸ 0, 85.

Радиантно-конвекционные трубчатые печи классифицируют по следующим основным конструкционным признакам:

а) конфигурации (односкатные, шатровые и цилиндрические);

б) количеству радиантных камер (однокамерные, двухкамерные и многокамерные);

в) числу потоков сырья (однопоточные и двухпоточные);

г) месту расположения конвекционной камеры (с нижним, верхним и боковым расположением конвекционной камеры);

д) способу облучения труб (печи с односторонним или двусторонним облучением труб).

Схемы основных типов трубчатых печей изображены на рисунке 1.18.

а-конвекционная печь; б-однокамерная печь с боковым расположением конвекционной камеры; в- однокамерная печь с боковым расположением конвекционной камеры; г- однокамерная печь с верхним расположением конвекционной камеры; д-вертикальная цилиндрическая печь; е-однокамерная печь беспламенного горения с панельными горелками; ж-двухкамерная двухпоточная печь с горизонтальным сводом; з- двухпоточная двухкамерная печь с наклонным сводом: 1-горелки; 2-радиантный змеевик; 3-конвекционный змеевик; 4-дымоход; 5-перевальная стенка; 6-панельные горелки.

Рисунок 1.18 - Схемы основных типов трубчатых печей.

На рисунке 1.18 а приведена схема конвекционной печи, а на рисунке 1.18 б дается схема однокамерной однопоточной печи, у которой конвекционная камера расположена сбоку. В радиантной камере устанавливаются потолочный экран и небольшой, в 3-4 трубы, боковой экран. Ось факела перпендикулярна оси труб.

Конвекционную камеру иногда помещают снизу, как это показано на рисунке 1.18 в. В этом случае печь более компактна, но доступ к трубам конвекционной камеры затруднен.

Печи этих типов были широко распространены, но из-за малой производительности они постепенно вытесняются печами других конструкций.

В нефтехимической промышленности получили распространение двухпоточные двухкамерные печи одностороннего облучения с наклонным расположением сводов; схема такой печи изображена на рисунке 1.18 з.

В последние годы начали широко использоваться трубчатые печи двустороннего облучения с излучающими стенками, разработанные Гипронефтемашем. В этих печах боковые стенки радиантной камеры составлены из беспламенных панельных горелок, которые могут создавать сплошную излучающую поверхность. Благодаря этому появилась возможность равномерного облучения труб, что позволяет получать высокие значения допустимой теплонапряженности труб. Эти печи отличаются большой компактностью и экономичностью. По сравнению с другими типами печей они требуют в 1, 5-2раза меньше металла и фасонного кирпича.

В малотоннажных производствах получили распространение компактные трубчатые печи цилиндрической формы (рисунок 1.18 д.). В этих печах радиантные трубы размещаются обычно вдоль образующей цилиндра.

Змеевик трубчатой печи составляют из прямых труб длиной от 6 до 18м. Прямые трубы соединяют в непрерывную цепочку с помощью печных двойников.

В трубчатых печах применяют бесшовные цельнотянутные трубы с наружным диаметром от 60 до 152мм. Наибольшее распространение получили трубы диаметром 102; 127 и 152мм.

Толщина труб принимается в зависимости от давления, температуры, коррозионных свойств среды и ее свойств. Обычно толщины лежит в пределах от 4 до 30мм. Для змеевиков высокого давления (больше 20Мн/м²»200кГ/см²) применяют толстостенные трубы с толщиной стенок, равной 1/3 наружного диаметра трубы.

Материал труб змеевика выбирают в зависимости от температурного режима и коррозионных свойств сырья. При переработке в печи сырья, не обладающего коррозионными свойствами, до температуры 450^оС и давления в 6 Мн/м² (60 кГ/см²) можно использовать трубы из углеродистой стали. При переработке серистого коррозионного сырья в зонах змеевика с температурой среды до 400^оС применяют трубы из хромистой стали Х5, а если эта среда нагревается в печи до 450-600^оС, то приходится применять трубы из хромомолибденовых сталей марки Х5ВФ. Для высокотемпературных процессов, идущих при температурах 650-850^оС, применяют трубы из жаропрочных сталей марок Х18Н9Т, Х23Н18, а также из феррохромистых сплавов, например сплава №2, содержащего 24-26% хрома и 4-6% алюминия.

Различные участки печного змеевика работают при весьма отличных друг от друга температурах. Поэтому змеевик обычно составляют из различных по составу материала труб. Например, в печах пиролиза начальные участки змеевика (нижние ряды конвекционных труб) работают при температурах от 20 до 400^оС, а конечные, находящиеся в радиантной камере, - от 500 до 900^оС. По этой причине в печах пиролиза первые ряды конвекционных труб составлены из углеродистых стальных (марки 20Т) труб, последние ряды конвекционных труб – из хромомолибденовых стальных (марки Х5М) труб, а материал радиантных труб – жаропрочная сталь марки Х18Н9Т.

Расстояние между осями соседних труб (шаг труб), находящихся в одном ряду, выбирается равным (1, 8¸ 2)d, где d – наружный диаметр труб.

Трубы в радиантной части обычно располагают в один ряд (однорядный экран) в связи с тем, что второй ряд труб работает с очень малой нагрузкой. Тепловосприятие (количество поглощаемого тепла) двухрядного экрана превышает тепловосприятие однорядного экрана всего лишь на 11%.

Такая малая разница в количествах поглощаемого тепла при удвоенном расходе дорогого металла делает двухрядный экран экономически нецелесообразным.

В конвекционной части печи трубы располагаются в шахматном порядке. Такое расположение труб обеспечивает большую турбулизацию потока дымовых газов, а следовательно, и большую отдачу тепла от них. Число труб в одном горизонтальном ряду конвекционного змеевика колеблется от 3 до 6. Высота камеры конвекции 3-4м. При шахматном расположении труб для обеспечения равномерного обтекания дымовыми газами каждой трубы в кладке печи делаются специальные выступы.

В некоторых конструкциях печей первые (по ходу сырья) ряды труб конвекционной части змеевика оребряют, что значительно повышает отбор тепла от дымовых газов благодаря увеличению поверхности нагрева. Ребра диаметром 2d и толщиной 4мм привариваются к трубам. Расстояние между ребрами – около 14мм.

Скорость прохождения жидких продуктов через печной змеевик назначают в пределах от 0, 5 до 3м/сек, а для газообразных продуктов – от 20 до 150м/с. Малые скорости потока сырья в трубах недопустимы из-за опасности перегара труб. Чем выше скорость потока, тем интенсивнее отводится тепло от стенок труб, тем меньше на внутренних стенках труб откладывается кокса, образующегося в результате разложения сырья.

Давление сырья на входе в печной змеевик должно превышать необходимое для проведения процесса давление на 3-6Мн/м² (30-60кГ/см²). Эта разница в давлении должна быть достаточной для определения значительных гидравлических сопротивлений, возникающих при прохождении сырья в трубах змеевика с заданной скоростью.

Скорость прохождения дымовых газов через конвекционный пучок изменяется от 3 до 4м/с. Эта скорость дымовых газов обеспечивается естественной тягой дымовой трубы.

Срок службы труб печного змеевика около 6 лет. Однако нередко трубы приходится менять в ходе эксплуатации печи значительно чаще. Это происходит по следующим причинам:

1. Из-за обрыва трубных подвесок трубы недопустимо деформируются.

2. Наружный диаметр трубы увеличивается выше допустимого предела из-за отложения кокса в каком-нибудь месте трубы. В подобных местах труба перегревается, так как кокс из-за его плохой теплопроводности препятствует хорошему отводу тепла от стенки. Прочность металла в перегретых местах падает, под внутренним избыточным давлением труба в этих местах начинает раздуваться, что влечет за собой немедленную аварийную остановку печи.

3. На наружной поверхности трубы образуется сетка трещин (явление криппа).

Появление трещин вызывается его свойством металла непрерывно деформироваться под воздействием высоких температур и напряжений, в результате чего в металле появляются трещинки. Скорость роста этих трещинок не должна выходить из заданных границ. Для нефтехимических аппаратуры допустимая скорость ползучести равна 10^-7мм/(мм× ч).

4. Появление коррозии на внутренней поверхности труб. В перерабатываемом сырье почти всегда присутствуют соединения хлора и серы, разъедающие внутреннюю поверхность труб. На нефтеперерабатывающих заводах 12 труб из 100 выходят из строя по этой причине.

5. Появление коррозии на наружной поверхности труб. Наружная поверхность труб подвержена коррозии кислородом (окислению) и сернистым ангидридом, которые содержаться в дымовых газах. Интенсивность этой коррозии зависит от состава топлива и количества воздуха, подаваемого на сжигание топлива.

Печной змеевик периодически очищают от кокса. При пиролизе пропан-этановой смеси змеевик очищают 1 раз в 4 месяца, при крекинге мазутов эту операцию повторяют значительно чаще. Трубы очищают от кокса путем его выжига. С этой целью в трубы подают паровоздушную смесь, состоящую из 1 части воздуха и 10 частей водяного пара. Выжиг ведут при температуре 650-700^оС. Предварительно печной змеевик отключают от сырьевой линии и продувают паром. Продолжительность выжига в значительной мере зависит от вида сырья, перерабатываемого в печи. В среднем, например, на выжиг кокса в печи легкого крекинга затрачивают 16-20ч.

В случае большого отложения кокса иногда приходится прибегать к механической очистке труб с помощью конического винтообразного бойка, шарнирно связанного с пневматической турбинкой. Турбинка приводится во вращение сжатым воздухом, который подводится к ней по бронированному резиновому шлангу. При таком способе чистки труб соединительные элементы труб (двойники) должны быть разъемными или с отверстиями, закрываемыми пробками.

На установке ЛК-6у применены вертикально-секционные печи. На блоке АТ имеются две печи – П-101 и П-102 (см. рисунок 1.5). Две секции печи П-101 предназначены для нагревания циркулирующей струи колонны К-101, остальные шесть предназначены для нагревания сырья, подаваемого в колонну К-102. Печь П-102 предназначена для поддержания постоянной температуры низа стабилизационной колонны К-104.

Каждая секция печи имеет радиантную и конвекционную камеры. Конвекционная камера расположена над радиантной. Радиантная камера представляет собой металлическую футерованную камеру коробчатой формы, приподнятую над землей на стойках каркаса. Продуктовый змеевик из вертикальных труб расположен вдоль всех четырех стен камеры. В поду камер расположены по четыре комбинированных газомазутных горелки типа ГЭВК-500 с паровым распылением жидкого топлива. Конвекционная камера представляет собой шахту прямоугольного сечения, заполненную горизонтальными оребренными трубами. Над конвекционными змеевиками печи П-101 имеются пароперегреватели для нагревания пара, идущего на технологические нужды.

На блоках каталитического риформинга и гидроочистки топлив тоже имеются вертикально-секционные печи. Печь П-201 (см. рисунок 1.7) предназначена для нагревания газо-сырьевой смеси перед реактором предварительной гидроочистки бензина. Печь П-202 служит для поддержания постоянной температуры в низу отпарной колонны К-201. Печь П-203 предназначена для трехступенчатого нагрева газо-сырьевой смеси, поступающей на риформинг. Печь П-204 служит для поддержания постоянной температуры низа стабилизационной колонны. Печь П-301 (см. рисунок 1.10) предназначена для нагрева газо-сырьевой смеси перед реактором гидроочистки дизельного топлива, а печь П-302 (см. рисунок 1.11) для нагрева газо-сырьевой смеси перед реактором гидроочистки керосина. Печь П-302 устроена аналогично печи П-301.

Многопоточная печь П-203 состоит из трех отдельных радиантных частей, предназначенных для нагревания смеси перед каждой из трех ступеней риформинга, и общей конвекционной камеры, предназначенной для нагревания смеси перед каждой из трех ступеней риформинга, и общей конвекционной камеры, служащей для нагревания газо-сырьевой смеси перед I ступенью. Радиантные секции I и II ступеней имеют по две камеры без разделительной стенки между ними, III ступень состоит из одной камеры. В каждой радиантной камере смонтированы по 7-9 комбинированных газо-мазутных форсунок. Тепло дымовых газов утилизируется в котлах, змеевики которых расположены в верхней части конвекционной камеры. В змеевики подают подготовленную и химически очищенную воду. Получаемый в котлах водяной пар выводят в заводскую сеть либо подают к турбине компрессора.

Печи эксплуатируют в соответствии с инструкцией. Обслуживание печей обычно ведет оператор, который должен хорошо знать устройство печей, назначение и устройство вспомогательного оборудования, топливное хозяйство, расположение вентилей и задвижек. Необходимо четко знать правила розжига печи, режим ее работы, правила регулирования температуры, давления и расхода нагреваемого продукта, строго придерживаться технологической карты, не допуская превышения указанных в ней параметров. Необходимо следить за исправностью форсунок. Подача топлива к форсункам должна осуществляться через регулирующий клапан, обеспечивающий постоянство давления топлива перед форсунками. При работе на жидком топливе следует контролировать подачу пара на распыление, следить за исправностью и чистотой взрывных окон, периодически очищать их от кокса. Необходимо контролировать состояние труб в печах через смотровые окна и по прибором в операторной (резкое колебание температуры или появление темных пятен на трубах указывает на близость прогара). Нужно следить за исправностью линии, подводящей пар к входному и выходному трубопроводам печи, и за содержанием воды в жидком топливе.

Тепловую нагрузку печи регулируют, изменяя интенсивность горения форсунок. При уменьшении нагрузки уменьшают интенсивность горения, а если этого недостаточно, отключают отдельные форсунки. При увеличении нагрузки увеличивают тягу в печи, включают неработающие форсунки, прибавляют подачу топлива и пара. Отклонения температуры от нормы могут быть вызваны закупоркой труб механическими отложениями или посторонними предметами. При этом необходимо установить дополнительный контроль за змеевиками, проверить правильность показаний термопар.

Неравномерность подачи сырья по трубам многопоточных печей определяют по показаниям термопар, расположенных на выходе каждого потока из печи, и по показаниям поверхностных термопар. В случае ненадежной работы термопар следует остановить печь, продуть змеевики и выявить причины отклонения температуры. Резко переводить печи с жидкого топлива на газовое и наоборот не следует. При значительном увеличении расхода газового топлива возрастает температура дымовых газов, в результате чего меняется нагрузка на трубы конвекционной камеры и котла-утилизатора.

Резкий рост температуры дымовых газов на перевалах печи при сохранении других показателей работы установки прежними свидетельствует об образовании кокса на внешних стенках змеевиков. Это может быть вызвано несвоевременным перекрытием подачи топлива при аварийной остановке. В этом случае усиливают контроль за состоянием печных труб, за температурой на входе и на поверхности змеевика, за эффективностью и равномерностью работы форсунок, за поддержанием нормального температурного перепада в печи.