Введение. Печи трубчатые повсеместно применяются на технологических установках и заводов нефтепереработки и нефте­химии.

Печи трубчатые повсеместно применяются на технологических установках и заводов нефтепереработки и нефте­химии.

Совершенствование многообразия трубчатых печей характеризуется их унификацией и увеличением единичной мощ­ности с целью повышения эффективности всего технологического процесса.

Трубчатые печи нефтепереработки имеют высокую проектную тепловую эффективность от сжигания топлива, надежны в эксплуатации. Обязательна полная автоматизация и контроль параметров работы.[1].

Проводятся работы по оптимизации технико-экономических показателей эксплуатируемых трубчатых печей.

Эти мероприятия позволяют снизить расход энергоресурсов (топлива и электроэнергии) [2], особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоресурсы.

Проведенные обследование работы трубчатых печей Саратовского НПЗ показало, что тепловой КПД печей на 15…20% ниже проектных показателей. Это объясняется высоким коэффициентом избытка воздуха в отходящих газах и их высокой температурой.

Этот высокий потенциал ВЭР целесообразно использовать для рекуперативного нагрева воздуха, идущего на горение. Можно также вырабатывать горячую воду или пар для использования на самом заводе.

В предлагаемом проекте дан анализ тепловой работы печей установки гидроочистки и разработано мероприятие по установке рекуперативного воздухоподогревателя из трубчатых элементов двойной циркуляции.

1 Описание трубчатых печей установки гидроочистки

Установка гидроочистки дизельного топлива НПЗ включает четыре трубчатых печи: две больших печи в блоке реакторном (П-1 и П-2) и две малых в стабилизационном блоке (П-3 и П-4).

Печь П-1 относится к шатровым: двухскатная крыша, двухпоточная по сырью, с конвективной и двумя радиантными камерами (рис. 1). Газовые атмосферные горелки типа ГГ-213 расположены на боковых сторонах (всего 16 штук). В поду имеется газоотводящий канал с шибером, тяга в котором обеспечивается дымовой трубой [3].

В печах сжигается собственный заводской топливный газ установки, очищенный от сероводорода. Имеется возможность сжигания заводского топливного газа от других установок (рис. 2).Предусмотрена подачи к печам жидкого топлива (тяжелого мазута) в качестве резервного.

Техническая характеристика проектная П-1, П-2 установки Л-24/6 представлена в таблице 1.[3]

В данном проекте разработаны энергосберегающие мероприятия только для печи П-1. Печь П2 полностью аналогична.

Рисунок 1 –Печь П-1 (П-2) установки гидроочистки

Рисунок 2 – Схема снабжения Л-24-6 горючим газом

2 Анализ технологической схемы и конструкции печи

2.1 Патентный поиск по теме проекта

Для проверки на патентную чистоту был выполнен патентный поиск по разделу нефтепереработки, в частности, по технологическим печам. В результате выявлен ряд изобретений за 1996 – 2013 годы. Работа выполнена в патентном отделе университетской библиотеки.

Выявленные изобретения и патенты по классу C10G009/20:

№ 2140435 06.2003 р/н 9810653092/03. ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАМЕННОГО НАГРЕВА НЕФТЕПРОДУКТОВ. Изобретение целесообразно использовать в нефтепереработке. Обеспечивается равномерный обогрев радиантных труб с ростом лучистого потока в радиантной секции и конвекция к трубам двух змеевиков. Это повышает тепловую мощность и снижает металлоемкости печи. Уменьшается количество вредных выбросов с уходящими газами.

№ 2135890 08.2002 р/н 96105741 89/03. НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ. Применяется для нагрева потоков технологических при нефтепереработке и в нефтехимии. Трубчатые экраны разделены на секции, соединяющиеся между собой парами с помощью наружных калачей. Улучшаются эксплуатационные характеристики трубчатой печи, облегчается обслуживание продуктовых труб печи и улучшается качество продукции.

№ 2162584 11.2006. р/н 99104561/06. ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ. Устройство предназначено для использования в нефтеперерабатывающей промышленности, а именно для утилизации теплоты отходящих от печей дымовых газов. Трубный пучок с противоточным движением теплоносителей имеет предвключенную секцию, в которую подается холодный наружный воздух прямотоком. Изобретение позволяет снизить металлоемкость, а также температуру уходящих дымовых газов, 3 ил.

Вывод: Утилизация теплоты отходящих газов трубчатых нефтеперерабатывающих печей актуальна. Отсутствуют надежные рекуперативные воздухоподогреватели, работающие на агрессивных дымовых газах.

В проекте частично использованы материалы патента №3

1. Патент 2140435 С10G009/20. Трубчатая печь для пламенного нагрева нефтепродуктов/ Федоренко В.В.: опубл. 12.06.2003, Бюл. №12.

2. Патент 2135890 С10G009/20. Нагревательная печь/ Долматов В.Л.: опубл. 27 08.2002, Бюл. №18.

3. Патент 2162584 С10G009/20. Воздухоподогреватель для утилизации тепла дымовых газов/ Сударев А.В.: опубл. 14.11.2006. Бюл. №22.

2.2 Технико – экономическое обоснование реконструкции

Проектируемая реконструкции заключается в установке в отводящем газоходе печи П-1 на гидроочистке (Л-24-6) трубчатого воздухоподогревателя.

Базовый вариант- работающая трубчатая печь без подогрева дутьевого воздуха.

Сравнение проводится по ряду показателей, позволяющим перед проектированием оценить эффективность предлагаемого проекта. Один из основных критериев принимаем срок окупаемости инвестиций в реконструкцию.

Т_ОК = К/ Δ И,

где К – капитальные затраты на реконструкцию, млн. руб.;

Δ И - экономия издержек.

Δ И = G∙ (S₁-S₂),

здесь G – производительность годовая печи, т/год;

S₁ - издержки на нагрев продукта в исходном варианте (материалы производственной практики S₁=556 руб./т)

S₂ – то же в проектном варианте (предварительные расчеты S₂=354 руб./т)

Экономия издержек (предварительная):

Δ И = 74 000 ∙ (556 – 496) ∙ 10^-6= 4, 4 млн. руб. / год.

Срок проектирования и монтажа рекуператора принят 1, 0 год.

Время окупаемости инвестиций в реконструкцию (без учета дисконта):

Т_ОК = 3, 415/ 4, 4+ 1, 0 = 1, 78 года.

Укрупненный расчет дал срок окупаемости рекуператора около 1, 8 года. Видно, что установка рекуперативного воздухоподогревателя за П-1 установки Л-24-6 экономически выгодна. Детальнее расчет технико-экономических характеристик приведен ниже.

3. Расчеты работоспособности оборудования…………………………………..

3.1 Расчет горения собственного газа заводского

Отопление печей осуществляется заводским углеводородным газом.

Теплота сгорания газа заводского:

Объем воздуха для сжигания 1м³ газа

(3.1)

Коэффициент расхода дутьевого воздуха взят α =1, 1 [4].

Объем воздуха для сжигания газа с избытком :

V_в=α V^о_в=1, 1 19, 81=21, 8 м³/м³ (3.2)

Объем продуктов сгорания:

V_СО2=0, 01 (СН₄+∑ m С_mН_n)=0, 01 (12, 6+2 28, 4+3 38+4 15, 1) =2, 44 м³/м³;

V_Н2О=0, 01 (2 СН₄+∑ n/2 С_mН_n)+0, 0161 V_в=

=0, 01 (2 12, 6+3 28, 4+4 38+5 15, 1)+0, 0161 21, 8=3, 74 м³/м³;

V_О2=0, 21 (α -1) V^о_в=0, 21 (1, 1-1) 19, 81=0, 416 м³/м³;

V_N2=0, 01 (79 V_в+N₂)=0, 01 (79 21, 8)=17, 22 м³/м³;

V_г=V_СО2+V_Н2О+V_N2+V_О2+V_SO2=2, 44+3, 74+0, 416+17, 22+0, 004=23, 9 м³/м³.

Состав массовый продуктов сгорания:

Плотность дымовых газов, кг/м³

=

= кг/м³,

где - молекулярная масса компонентов,

- процентный состав продуктов горения, %.

3.2 Расчет температуры горения собственного газа заводского

Температура теоретическая горения, ^оС

t_к=(Q_н^с+Н_гв)/(V_пс с_пс), (3.3)

здесь Н_гв=V_в с_в t_воз=21, 79 1, 305 200=5687, 3 кДж/м³– энтальпия нагретого воздуха;

с_пс- теплоёмкость газов при t= 2100 ^оС;

с_пс=(СО₂ с_СО2+О₂ с_О2+Н₂О с_Н2О+N₂ с_N2)/100=

=(10, 2 2, 44+1, 75 1, 57+15, 67 1, 98+72, 31 1, 49)/100=1, 666 кДж/(м³∙ К)

t_к=(75936, 0+5687, 3)/(23, 8 1, 666)=2063 ^оС;

С учётом коэффициента пирометрического действительная температура горения будет:

t_д=t_к η _пир, (3.4)

здесь η _пир=0, 7 – коэффициент пирометрический, [5]

t_д=2061 0, 7=1442, 8 ^оС.

3.3 Определение термического КПД печи…………………………………….

Тепловая нагрузка печи П-2 Q_полез=8, 11 МВт [3].

Тепловые потери с уходящими газами при t= 412 ^оС равны q₂=46%.

Потери через ограждения q₅=3, 9% (по летним испытаниям)

Тепловые потери от химического недожога Q₃ =0, 01 (по испытаниям).

Расчетный КПД печи

h=100-(46+4, 0+0, 01)=50, 0%. [6]

Расход топливного газа до реконструкции при α _ух =2, 5 (по испытаниям)

(3.5)

Потребление топливного газа при установке рекуператора

,

где t_max - жаропроизводительность заводского газа,

t_max = 2085…2090^оС,

С′ - отношение теплоемкостей теоретических продуктов горения для топливного газа и жидкой фракции при t _ух = 205^оC, С′ = 0, 83, [4];

К - отношение теплоемкости воздуха к средней теплоемкости теоретических продуктов сжигания для топливного газа и жидкой фракции при t _ух= 205 ^оC, К = 0, 78, [4];

В - отношение объема сухих и влажных продуктов сжигания, для заводского газа В = 0, 83, для жидкого топлива В = 0, 88, [4];

h - указывает на рост объема продуктов горения из-за разбавления их избыточным воздухом, h=1, 27 (α =1, 3), [7].

Принятое RO_{2 max} (% об.) для сжигаемого заводского газа - 13, 0.

Коэффициент полезного действия агрегата печного при рекуперативном нагреве воздуха и снижении α _ух

h= 100-å q_пот=100-(30, 6+4, 1)=65, 3%

Расход топливного газа после установки рекуператора при α _ух =1, 6

3.4 Результаты теплотехнологических испытаний трубчатых печей

В таблице 3.2 приведены проектные и реальные характеристики печей П-1, П-2 установки гидроочистки дизельного топлива.

Испытания трубчатых печей позволили выявить:

1. Загрузка по нагреваемым продуктам установки Л-24-6 ниже проектной на 27…31 % от нагрузки 102…106 м³/ч., сохранялся стабильный технологический режим при этом был стабильным.

2. Выявленные снижения температуры нагреваемого продукта укладываются в рамки регламента установки.

3. Печи работают с КПД значительно ниже проектных значений (П-2 на 29, 5 %, П-2 на 23, 1 %). Это объясняется низкой тепловой нагрузкой печей и довольно большими избытками воздуха в уходящих дымовых газах.

4. Те же факторы влияют на уменьшение температуры уходящих газов на 65…90⁰С (от проектной)

5. Горелки ГГ-215 работают с тепловой мощностью 0, 9 МВт при. их номинальной паспортной нагрузке 4, 0 МВт.

6. Отсутствует определение расхода топливного газа по печам (только общий расход). Состав и плотность заводского газа изменяются во времени, что затрудняет корректный учет и регулирование расхода газа на печи.

Таблица 4 – Проектные и фактические характеристики трубчатых печей

4 Разработка рекуперативного воздухоподогревателя с трубами двойной циркуляции

Основная проблема применения стальных рекуперативных воздухоподогревателей – сернокислотная коррозия поверхностей нагрева при высокой температуре точки росы дымовых газов, достигающей иногда 170°С. Поэтому минимальная температура стенки труб утилизатора должна быть не менее 180°.

На практике нашли способы борьбы с низкотемпературной сернокислотной коррозией подогревателей воздуха, который забирается из атмосферы довольно холодным (зимой до минус 30°).

Применяемый подогрев предварительный воздуха в паровом калорифере или электронагревателе до 80°С требует значительных затрат дорогих энергоресурсов и дополнительного оборудования, но надежную защиту от коррозии не гарантирует (имели место случаи разморозки калориферов при вынужденной остановки печи).

Применявшаяся на Саратовском НПЗ рециркуляция части уже нагретого воздуха требует монтажа системы рециркуляции с мощным вентилятором, громоздкой камеры смешения. Увеличивается объем воздуха, проходящего через рекуператор, что требует дополнительных затрат электроэнергии на его прокачку. Во время пусков остановки в воздухоподогреватель поступает холодный наружный воздух (рекуператор еще не прогрелся), что приводит к конденсации водяных паров из дымовых газов [12].

Оба метода снижают напор температур, что требует дополнительных поверхностей нагрева, увеличивающих металлоемкость и габариты воздухоподогревателей.

Срок компании воздухоподогревателя при использовании рассмотренных методов не превышает 1, 5 года.

Имеется опыт (больше зарубежный) применения воздухоподогревателей на тепловых трубах, которые дороги, сложны в эксплуатации, имеют большое термическое сопротивление теплопередачи. Их ремонт в заводских условиях проблематичен.

Наиболее удачным было применение чугунных воздухоподогреватели из ребристых труб, имеющих оребрение внутри и снаружи, разработки «БашЭнерго», которые металлоемки и имеют малую герметичность.

Можно констатировать об отсутствии надежных рекуперативных воздухоподогревателей при температуре отходящих газов печей ≤ 500°С при высокой их точке росы.

Необходима разработка альтернативного способа и конструкции рекуператора для трубчатых печей.

Температура отходящих газов от печи П-1 после модернизации составит 422 ^оС при избытке воздуха α _ух=1, 6.

Потенциал энергосбережения при объеме дымовых газов 22, 2 тыс. м³/ч, охлаждение их до 220 ^оС даст утилизировать около 1, 5 МВт теплоты [8].

Мною предлагается применить воздухоподогреватель из трубчатых элементов двойной циркуляции (смотри ниже), обеспечивающий для данных условий температуру теплообменных труб не ниже 180^оС. Потребуется заменыа атмосферных горелок на двухпроводные с дополнительной установкой вентилятора. Прямая экономия топлива от регенеративного нагрева дутьевого воздуха будет 15…18 %. Появляется возможность автоматического регулирования процесса горения и разрежения в печи, что даст дополнительное снижение расхода газа на 2-3%. Кроме того, не надо подавать пар (0, 5 т/ч) на дутьевые горелки [9].

4.1 Методика расчета рекуперативного воздухоподогревателя

Для t уходящих из рекуператора газов 220 – 250º С и имеющих точку росы > 150º С на каф. Промышленная теплотехника СГТУ разработан рекуперативный воздухоподогреватель из трубчатых элементов (как трубки Фильда, но с противоположным движением воздуха). Это позволяет повысить температуру наружной трубы, соприкасающейся с дымовыми газами.

Наружный воздух проходит во внутренней трубе, где нагревается до 76…80 º С, а затем проходит по кольцевому каналу, образованному внутренней и наружной трубками. При реальной длине элемента не более 3000мм воздух можно нагреть до 80º С только при низкой скорости его движения применяя интенсификатор конвективного теплообмена - ленточную спираль. В расчетах принималась скорость воздуха в центральной трубе 3-4 м/с с применением спирального ленточного завихрителя. Оптимальные параметры завихрителя приняты по [10].

Проведено аналитическое исследование в СГТУ по влиянию конструктивных (d₁, d₂, l) и режимных (w₁, w₂, w₃, t_в⁰, t_г) параметров на распределение температур в трубчатом элементе[10].

Выполнена серия расчетов элемента воздухоподогревателя на ЭВМ при исходных данных:

- температура входящего воздуха t⁰_в = - 12 º С;

- температура дымовых газов, омывающих элемент, 232 º С;

- скорость в центральной трубе w₁ = 3 и 4 м/с;

- скорость в кольцевом канале w₂ = 4 и 5 м/с;

- скорость газов дымовых w_Г = 8 и 11 м/с;

- диаметр внутренней трубы d₁ = 38, 50, 75 мм.

- температура нагрева воздуха t_вк = 150, 175 и 190 º С [11].

Теплопередача в трубчатом элементе имеет сложную структуру тепловых потоков [12]:

- от дымовых газов к внешней трубе

; (4.1)

- от внешней трубы к воздуху в кольцевом пространстве и к внутренней трубе

; (4.2)

- от воздуха в кольцевом зазоре и внешней трубы к внутренней

(4.3)

- от внутренней трубы к движущемуся в ней воздуху,

(4.4)

Теплота, переданная воздуху в кольцевом зазоре:

(4.5)

Степень черноты приведенная для схемы «труба в трубе»:

(4.6)

Ленточный завихритель спирального типа эффективно только при низких скоростях воздуха.

Критическое значение

(4.7)

При величине критерия Дина

, (4.8)

где d_э – эквивалентный размер канала;

D – диаметр кривизны осевой линий;

= 1, 79… 11, применяют зависимость:

(4.9)

при = 1, 79… 13 и Re > Re_кр,

(4.10)

Для повышения точности расчетов элемент трубчатый разделялся на мелкие равные участки по длине, в пределах которых принимались постояннми температура стенок центральной трубы и внешней трубы .[11]

Участки элемента рассчитывались методом итераций.

По температуре воздуха на участке центральной трубы рассчитываются , Q₁. По принятой температуре воздуха на выходе из участка в кольцевом канале и принятой находится температура воздуха на входе в участок кольцевого канала t”_В и поток теплоты Q₄. По Q₂ = Q₄ уточняется , а затем из Q₁ = Q₃ уточняется температура воздуха на выходе из участка центральной трубы t’_В и средняя температура участка . По уточненным данным расчет повторяется до выполнения условий равенства тепловых потоков на стенке внутренней трубы и стенке внешней трубы. Следующие участки рассчитываются аналогично до выполнения условия |t”_В- t’_В| < 2 º С.

Выводы по расчетному исследованию:

- уменьшение скорости во внутренней трубе w₁ увеличивает минимальную температуру наружной трубы t_ст2^min, особенно для малых диаметров внутренней трубки. Конечная температура воздуха t_ВК также растет.

- уменьшение диаметра внутренней трубы ведет к повышению температуры t_ст2^min (увеличивается коэффициент теплоотдачи и возрастает относительная площадь теплопередачи.

- Увеличение длины трубчатого элемента приводит к росту минимальной температуры стенки (растет температура нагрева воздуха во внутренней трубке.

4.4 Результаты расчета рекуператора

Рассматривались различные варианты рекуператоров: чугунные оребренные с двух сторон системы Башоргэнергонефти, трубчатые стальные гладкие с рециркуляцией ВНИИнефтемаша, трубчатые стальные ВНИПИнефти с начальным нагревом воздуха в паровых калориферах. Сравнение по ЧДД и надежности дает предпочтение воздухоподогревателю из элементов типа «труба в трубе». Результаты выполненных расчетов по разработанной программе представлены в табл. 6.

Количество элементов трубчатых, шт.

К установке принимаем две секции по 358 трубчатых элементов (чертеж формата А3).

4.5 Расчет аэродинамический воздухоподогревателя

Объем отходящих газов – 22110м³/ч

Диаметр большой (внешней) трубы – 76 мм

Длина малой (центральной) трубы – 50 мм

Длина элемента - 2, 41 м

Температура воздуха нагретого– 197 º С

Температура воздуха начальная– (-12˚ С)

Температура дымовых газов за рекуператором - 220º С

Температура газов на входе в рекуператор - 420º С