Воздухоподогреватели трубчатых печей

В целях экономии топлива трубчатые печи укомплектовывают воздухоподогревателями для подогрева воздуха, ко­торый используют для сжигания топлива. При подаче нагретого воздуха к горелкам процесс горения топлива интенсифицируется, увеличивается температура топочных газов и возрастает передача тепла к трубчатым змеевикам излучением. Подогрев воздуха выгоден еще и потому, что по­зволяет сжигать топливо с минимальным избытком воздуха и уменьшить образование диоксида серы из топлива, содержащего сернистые соеди­нения. При небольшом коэффициенте избытка воздуха (1, 05-1, 07) толь­ко 3% диоксида серы переходит в триоксид, в то время как при 1, 2 происходит окисление до 20% диоксида серы. Чтобы уменьшить корро­зию оборудования, содержание кислорода в продуктах сгорания не дол­жно превышать 0, 5-1, 5%.

По сравнению с котлами-утилизаторами воздухоподогреватели обла­дают преимуществами: более простой конструкцией, они менее сложны и более безопасны в эксплуатации. Однако и для их применения требу­ются значительные капитальные вложения, которые обусловлены необ­ходимостью иметь большую теплообменную поверхность и использовать для изготовления аппаратов коррозионностойкие дорогостоящие мате­риалы. Кроме того, применение в печном агрегате воздухоподогревате­ля приводит к снижению конечной температуры уходящих из печи то­почных газов, росту аэродинамического сопротивления в дымовом трак­те, а также уменьшению тяги в печи. Для ее повышения необходимо либо устанавливать достаточно мощные дымососы, либо сооружать более вы­сокую дымовую трубу, футерованную кислотостойкими материалами.

Воздухоподогреватель нормально эксплуатируется, если температура поверхности нагрева выше точки росы уходящих дымовых газов на 10-15°С. В этом случае удается избежать конденсации влаги на охлаж­денных элементах конструкции ап­парата и образования диоксида серы. Температура точки росы за­висит от содержания серы в котель­ном топливе и сероводорода в про­изводственном газе. При содержании в котельном топ­ливе 1% серы температура точки росы топочных газов повышается до 130 °С; с увеличением содержания серы на один процент эта температура возрастает приблизительно на 4 °С. При сжигании башкирских мазутов (4% серы) температура точки росы составляет 148-152 °С. Для мазутов, которые содержат сернистые соединения, указанную температуру можно снизить, если на сжигание по­давать небольшой избыток воздуха. Уменьшение подачи воздуха с 1, 47 до 1, 07 сопровождается понижением температуры точки росы топочных газов с 145 до 126 °С.

Несовершенство конструкции горелок печей и котлов для сжигания топлива и недостаточная герметичность топок не позволяют пока рабо­тать при малых избытках воздуха. Поэтому считают, что температура трубок воздухоподогревателей должна быть выше температуры точки росы агрессивных дымовых газов, т.е. не ниже 130 ° С. Для этого приме­няют предварительный или промежуточный подогрев холодного возду­ха или специальные схемы компоновок поверхности нагрева. Имеются аппараты, конструктивно оформленные так, что поверхность теплооб­мена со стороны дымовых газов значительно больше, чем со стороны атмосферного воздуха, поэтому секции воздухоподогревателей компо­нуют из труб с разным коэффициентом оребрения, увеличивающимся к холодному концу (к месту входа холодного воздуха), и таким образом температура стенки труб приближается к температуре дымовых газов. По такому принципу сконструированы воздухоподогреватели Башоргэнергонефти из чугунных ребристых и ребристо-зубчатых труб с хоро­шими эксплуатационными показателями.

На предприятиях в блоке с печами эксплуатируются воздухоподогре­ватели следующих типов:

- трубчатые рекуперативные (ВТР) конструкции Гипронефтемаша (ВНИИнефтемаша), работающие с циркуляцией части нагретого воздуха;

- стальные трубчатые конструкции Гипронефтезаводов (ВНИПИнеф-ти) с предварительным подогревом атмосферного воздуха в калорифе­рах горячей водой или отработанным паром;

- комбинированные из чугунных ребристых и ребристо-зубчатых труб конструкции Башоргэнергонефти.

Воздухоподогреватель типа ВТРвключает в себя две вер­тикальные трубчатые секции, размещаемые на общей раме. Трубки сек­ций изготовлены из углеродистой стали, имеют размер 51х 1, 5 мм и длину 5 м. Сверху на каждой секции смонтирован переточный короб, верхняя крышка которого состоит из шести частей, легко открывающихся при чистке труб. Поскольку воздухоподогреватель является двухсекционным, условия работы трубок улучшаются. При нагреве исключаются коробление тру­бок и высокие температурные напряжения в местах соединения их с труб­ной решеткой; кроме того, обеспечивается правильное соотношение меж­ду скоростями топочных газов и воздуха при относительно небольшой длине трубок. К секциям обеих сторон присоединены раструбы. На вход ном раструбе, внутри которого имеются распределительные элементы, крепится смесительная камера.

Топочные газы подводятся в нижнюю часть секции, по вертикально расположенным трубкам поступают в короб, затем движутся во вторую секцию и направляются в дымоходы. Холодный воздух воздуходувкой нагнетается сначала в смесительную камеру, где смешивается с горячим воздухом рециркуляции, нагреваясь до 80 °С, а затем по распределитель­ным элементам раструба равномерно проходит в межтрубное простран­ство секций. Нагретый топочными газами воздух выходит через раструб на противоположной стороне в воздуховод, поступает в коллектор и да­лее к горелкам. Часть горячего воздуха (до 40%) через патрубок по байпасному воздуховоду направляется воздуходувкой на рециркуляцию.

Количество подаваемого рециркулята в зависимости от температуры окружающего воздуха должно изменяться так, чтобы температура сте­нок воздухоподогревателя была не ниже 130 °С. Это достигается автома­тическим регулированием через поворотную заслонку, снабженную ис­полнительным механизмом, электрическая схема которого соединена с термопарой, установленной на поверхности трубок воздухоподогревате­ля. При температуре атмосферного воздуха ниже -15 °С часть подавае­мого дутьевым вентилятором холодного воздуха должна направляться в печь, минуя воздухоподогреватель, по резервной байпасной воздушной линии, где имеется заслонка, открываемая при необходимости вручную. Той же линией следует пользоваться при растопке печи для быстрого разогрева трубки воздухоподогревателя.

При конструировании воздухоподогревателя ВТР исходили из усло­вий: скорость топочных газов 10 м/с; скорость воздуха 5 м/с; температура топочных газов 400 °С (на входе) и 200 °С (на выходе); температура на выходе из воздухоподогревателя 215 " С; температура окружающего воз­духа 15 °С; расчетный коэффициент теплопередачи 23, 2 Вт/(м²-К); коли­чество рециркулируемого воздуха 40% от объема воздуха, проходящего через воздухоподогреватель.

Потери напора в воздухоподо­гревателе ВТР составляют: по га­зовому тракту 1, 2 кПа, по воздуш­ному - 0, 8 кПа, по линии рецирку­ляции 0, 5 кПа. Расчеты показыва­ют, что эти потери значительно меньше, чем в воздухоподогрева­телях других конструкций при той же мощности. Наличие больших местных сопротивлений приводит к необходимости включать в схе­мы обслуживания воздухоподог­ревателей дутьевые воздуходувки и дымососы.

Принципиально иное решение, связанное с подогревом воздуха топоч­ными газами, предложено в воздухоподогревателе конструкции Башорг-энергонефти. Секции аппарата собраны из чугунных труб двух типов: ребристых (оребрение только с внешней стороны) и ребристо-зуб­чатых (с внешней стороны оребрение, с внутренней - зубцы). Секции из чугунных труб компонуются так, чтобы теплообменная поверхность со стороны топочных газов была в несколько раз больше, чем со стороны холодного воздуха. Это позволяет иметь повышенную температуру стен­ки со стороны топочных газов (выше точки росы) и избегать конденса­ции серной кислоты.

Воздухоподогреватель - двухходовой аппарат по топочным газам и четырехходовой по воздуху. Топочные газы входят снизу в часть аппара­та, состоящую из секций ребристо-зубчатых труб, поднимаются по межтрубному пространству и затем опускаются по секциям экономайзерных труб. Воздух, двигаясь противотоком к газам, входит сначала в нижнюю секцию этих труб, потом переходит в вышележащую секцию 'и далее поступает последовательно в верхнюю и нижнюю секции из реб­ристо-зубчатых труб.

Опытные образцы воздухоподогревателя конструкции Башоргэнер-гонефти испытывались на одном из НПЗ. Результаты испытаний подтвер­дили ранее выполненные расчеты и показали достаточную надежность аппаратов в эксплуатации. Однако широкое применение их на нефтепе­рерабатывающих заводах сдерживается вследствие значительных габа­ритных размеров и большой массы конструкции, трудностей очистки от отложений, больших аэродинамических потерь напора, сложности и тру­доемкости ремонта.

Достаточной надежностью эксплуатации обладает воздухоподогрева­тель фирмы " Дека", позволяющий охлаждать дымовые газы до 110-120 °С. В первой по ходу дымовых газов секции установлены чу­гунные трубы четырехугольной формы с оребрением наружной и внут­ренней поверхностей. Во второй секции установлены чугунные трубы только с наружным оребрением. Низкотемпературная секция аппара­та состоит из боросиликатных стек­лянных труб, отличающихся малым коэффициентом термического рас­ширения и стойкостью к резким из­менениям температуры. Трубы опи­раются на чугунные решетки. Гнез­да решетки, куда вставлены трубы, уплотнены тефлоновыми манжета­ми. В свою очередь, чугунные решет­ки защищены листовым тефлоном в зоне, имеющей температуру, близ­кую к температуре точки росы дымо­вых газов. В период эксплуатации воздухоподогревателя трубы перио­дически промывают водой, темпера­тура которой отличается приблизи­тельно на 100 °С от рабочей темпе­ратуры материала труб. По данным фирмы, срок службы аппарата 10-20 лет.

Для повышения температуры стенки трубы воздух предварительно подогревают в калориферах горячей водой или паром низкого давления. Это дает возможность снизить температуру уходящих дымовых газов до 170-180°С без конденсации влаги, что позволяет иметь высокий тепло­вой КПД печи (90%). Следует заметить, что применение калориферов не всегда экономически оправданно, так как требуется вводить теплоно­ситель со стороны, отчего степень утилизации тепла дымовых газов сни­жается. Воздух можно подогревать технологическими потоками продук­тов, если их тепло не предназначено для других целей. В частности, для подачи в трубчатые печи можно использовать воздух, нагретый до тем­пературы 80-100 °С в аппаратах воздушного охлаждения (типа АВО). Та­кое решение позволяет предотвратить (или значительно уменьшить) кор­розию основных элементов конструкции воздухоподогревателей и снизить энергозатраты на 2%. Для этого необходимо объединить АВО с печами в один блок, что возможно только на стадии проектирования установки.

Разработка и внедрение агрегатов, являющихся одновременно холо­дильниками технологических потоков и подогревателями воздуха для печей, дает возможность снизить капитальные затраты, сделать установ­ку более компактной и сократить расход энергоресурсов. Тенденция к увеличению единичных мощностей трубчатых печей делает неэкономич­ным применение трубчатых воздухоподогревателей, теплообменная по­верхность которых возрастает до огромных размеров. Более перспектив­ными представляются применяемые в промышленности регенеративные воздухоподогреватели с вращающимся ротором, перемещающейся лен­той и движущимся теплоносителем.

Во ВНИИнефтемаше, ВНИПИэнергопроме, ИГАН Украины и дру­гих организациях разрабатываются конструкции трубчатых печей и воз­духоподогревателей, работающих по принципу термосифонов (тепловых труб). Они обладают рядом преимуществ. Передача тепла осуществляет­ся в результате кипения теплоносителя (например, воды) в секциях, кон­тактирующих с дымовыми газами, и его конденсации в секциях, омывае­мых воздухом.

При этом сопротивление газового и воздушного трактов возрастает незначительно и нет необходимости в применении мощных вентилято­ров и дымососов. Важным достоинством такого воздухоподогревателя является то, что температура стенки тепловой трубы (при квалифициро­ванном выборе конструктивных характеристик и заполнении тепловой трубки теплоносителем) во время работы поддерживается значительно выше точки росы, что создает условия для надежной эксплуатации аппа­рата в коррозионной среде. В отличие от воздухоподогревателей обыч­ных конструкций, где сквозная коррозия труб приводит к перетоку части воздуха в дымовые газы, разрушение стенки тепловой трубы мало отра­жается на работоспособности аппарата. При этом незначительно умень­шается поверхность теплопередачи.

Во вторичном контуре, кроме подогрева воздуха, подаваемого в тех­нологические печи, можно подогревать воду для горячего водоснабже­ния, а при необходимости - генерировать пар. Один из первых воздухопо­догревателей на тепловых трубах смонтирован на установке Л-35.-11/600 Новополоцкого НПЗ.

В экономическом отношении все рассмотренные воздухоподогрева­тели почти равноценны. В настоящее время для печей большой единич­ной мощности, по-видимому, наиболее рационально применять возду­хоподогреватели регенеративного вращающегося типа с предваритель­ным подогревом воздуха. На основе проведенного обследования печи, оснащенной таким агрегатом, сделан вывод, что годовой эффект от его использования в 1, 5 раза выше по сравнению с трубчатыми рекуперато­рами.

Оптимизация систем утилизации тепла дымовых газов и определение области применения теплоиспользующей аппаратуры различных типов требует дальнейшей проработки, так как стоимость ее составляет от 15 до 30% от стоимости сооружения печи [7].