Трубчатые печи

Трубчатые печи являются аппаратами, предназначенными для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате. В качестве источника тепла в них используют жидкие и газообразные топлива. Широкое распространение таких печей на НПЗ перед ранее используемыми для этих целей перегонными кубами объясняется их неоспоримыми достоинствами, в частности:

1. Их работа основана на принципе однократного испарения сырья (ОИ). Это обеспечивает более глубокую степень испарения при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданную степень испарения, но при более низкой температуре.

2. Обладают высокой тепловой эффективностью, так как тепло одновременно передает-ся излучением и конвекцией.

3. Являются компактными аппаратами, обладают высоким КПД и обеспечивают высо-

кую тепловую мощность.

4. Время пребывания нагреваемого сырья в печи не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксообразования на стенках труб.

5. В зоне нагрева единовременно находится небольшое количество нефтяного продукта, что снижает пожарную опасность в случае разгерметизации труб.

Рассмотрим их конструкцию на примере наиболее распространенной двухкамерной печи с наклонным сводом (рис. 8 – 9). Она состоит из двух камер радиации (топочных камер) и одной камеры конвекции. В камерах радиации сжигается топливо и в них расположены радиантные трубы в виде экрана. Они поглощает тепло, в основном за счет радиации (85 – 90 %) и только остальное за счет конвекции. В камере конвекции расположены

Рис. 8. Схема двухскатной печи с наклонным сводом:

1 – конвекционная камера, 2 – подовый экран радиантной камеры, 3 – потолочный экран

радиантной камеры, 4 – муфели (форкамеры) для форсунок, 5 – форсунки или горелки

Рис. 9. Двухскатная двухкамерная трубчатая печь (поперечный разрез):

1 – металлический каркас; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – форсуночная амбразура (форкамера); 4 – предфорсуночный тамбур; 5 – гляделка; 6, 9, 17 – соответственно, трубы подового экрана, конвекционной камеры и потолочного экрана; 7 – «лежанка» для труб подового экрана; 8 – решетка труб конвекционной камеры; 10, 11, 15 – ретурбендные камеры; 12 – металлическая обшивка стен; 13 – площадка; 14 – кровля; 16 – взрывное окно; 18 – подвески для труб потолочного экрана; 19 – подвески для кирпичных блоков

трубы, воспринимающие тепло, в основном за счет конвекции (60 – 70 %), то есть при

непосредственном соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева, и только остальное – за счет излучения топочных газов (20 – 30 %) и излучения от стенок конвекционной камеры (около 10 %). Основным уравнением, описывающим эффективность лучистого теплообмена, является закон Стефана-Больцмана:

,

где Е – интенсивность лучеиспускания; Е ₀ – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, ε – степень черноты тела.

Согласно этому закону основными факторами, влияющими на интенсивность лучеиспускания, являются температура и степень черноты топочных газов.

Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000 – 1200 К. Дальнейшее снижение температуры неоправданно, так как при этом радиантная поверхность будет работать с пониженной теплонапряженностью. Степень черноты топочных газов пропорциональна концентрации в них многоатомных молекул (СО₂, Н₂О, SО₂). В отличие от них двухатомные молекулы диатермичны, то есть практически не излучают тепло. Топочные газы не имеют поверхности, поэтому излучают тепло своим объемом. Поэтому в радиантной камере используют большое количество форсунок.

Эффективность конвективного теплообмена в меньшей степени зависит от температуры топочных газов, но возрастает с повышением скорости их движения. По этой причине конвективная камера выполняется максимально узкой. Этому же способствует шахматное расположение труб при котором коэффициент теплоотдачи повышается на 20 – 30 % по сравнению с коридорным. В некоторых случаях в камере конвекции для увеличения теплоотдачи со стороны дымовых газов используются оребренные трубы. Однако они склонны к закоксовыванию и поэтому используются только при сжигании газообразного топлива.

Отработанные топочные газы покидают конвекционную камеру через специальный газоход, расположенный под печью («боров» печи) и выбрасываются в атмосферу за счет естественной тяги, создаваемой дымовой трубой (на рис. 5 – 6 условно не показана). Для повышения экономичности печи в «борове» могут быть размещены теплообменники для выработки водяного пара и нагрева воздуха, используемого для сжигания топлива.

Топливо вводится в тонко распыленном состоянии в топку при помощи форсунок.

Сюда же вводится необходимое для горения количество воздуха. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание с воздухом и более эффективное горение. Теплота сгорания расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива. Последние раскаляются и образуют светящийся факел. Воздух, необходимый для горения, подводят к устью форсунки, что способствует интенсивному горению и уменьшению дальнобойности факела.

В трубчатых печах температура факела обычно достигает 1550 – 1750 К, поэтому

интенсивно излучает тепло. В состав продуктов горения, как уже указывалось, входят трехатомные молекулы, которые излучают и поглощают тепло определенной длины волны.

Как правило, большая часть тепла воспринимается сырьем в радианной камере. Сырье чаще всего направляют сначала в камеру конвекции, а потом в камеру радиации, так как при этом достигается противоточное его движение по отношению к топочным газам (возрастает Δt_ср.).

Основные показатели работы трубчатых печей.

1. Производительность – количество нагреваемого в печи сырья в единицу времени. Для современных печей она достигает 1000 т/ч.

2. Тепловая мощность – количество тепла, воспринимаемое сырьем в печи. Для печей она колеблется от 7 до 20 МВт, а для вновь строящихся высокопроизводительных печей до 50 – 80 МВт. Печи большой мощности строят, как правило, многокамерными.

3. Тепловая напряженность поверхности нагрева – количество тепла, передаваемого че-

рез единицу поверхности труб в единицу времени (кВт/м²). Она характеризует эффективность передачи тепла. Чем больше средняя теплонапряженность поверхности труб, тем меньше требуемое количество труб при заданной тепловой мощности, однако при этом возможно закоксовывание и прогар труб. При перегонке нефти теплонапряженность радианных труб составляет 45 – 60 кВт/м², конвективных 10 – 20 кВт/м². Допустимая теплонапряженность зависит от типа сырья и конструкции печи (равномерности распределения теплового потока от топочных газов по всем трубам).

4.Тепловая напряженность топочного пространства – количество тепла, выделяющегося в единицу времени в единице объема топочного пространства. Она достигает 40 – 80 кВт/м³. Чем выше эта величина, тем меньше требуемые габариты печи. Она ограничена, в основном, качеством материалов кладки печи.

5. КПД термический – отношение полезно используемой части тепла к общему количеству тепла, выделяющемуся при сгорании топлива. В современных печах он достигает

90 % и более.

Источники потерь тепла, снижающие КПД:

- потери через теплоизоляцию. В современных печах они не превышают 2 – 3 %;

- с отработанными дымовыми газами (минимальная температура должна быть на

10 – 20 ºС выше точки росы 160 – 180 ºС);

- коэффициент избытка воздуха на сжигание топлива (α). Он должен быть минимально допустимым.

Классификация трубчатых печей.

Все конструкции трубчатых печей нормализованы. В настоящее время выпускают

более 70 типоразмеров печей с поверхностью нагрева радианных труб от 15 до 2200 м²,

наружным диаметром труб от 60 до 219 мм и длиной одной трубы от 3 до 24 м.

Трубчатые печи отличаются друг от друга:

1) формой – ширококамерные, узкокамерные, цилиндрические, кольцевые и др.;

2) относительным расположением осей факела и труб – параллельное и перпендику-

лярное;

3) расположением труб радиации и конвекции – вертикальные, горизонтальные,

винтовые и др.;

4) относительным расположением конвективной камеры к радиантной – верхнее,

нижнее, боковое, среднее;

5) способом сжигания топлива – со свободным или настильным пламенем, беспла-

менным;

6) числом секций или камер в зоне радиации;

7) длиной труб;

8) видом обмуровки – подвесной кирпич, легковесный кирпич, бетон легковесный

блочный, волокнистые и другие материалы.

Двухкамерные печи с наклонным сводом и с нижним отводом отработанных дымовых газов, приведенные на рис. 5 и 6, не обеспечивают достаточно равномерного про-

грева радиантных труб, отличаются громоздкостью, большой металлоемкостью и на но-

вых установках уже не строятся.

Более современными и эффективными являются вертикальные узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов. На рис. 10 представлена схема одной из таких печей. В ней конвекционная камера расположена над радиантной камерой, вертикальные горелки расположены в нижней части печи. Величину разряжения в печи можно регулировать при помощи заслонки в дымовой трубе. Такая печь обеспечивает более равномерный нагрев сырья и имеет меньшую металлоемкость.

На рис. 11 представлена схема вертикальной узкокамерной печи с настильным сжиганием топлива. Настильное сжигание топлива вдоль специальной стенки, расположенной в центральной зоне печи, обеспечивает равномерное распределение тепла по поверхности радиантных труб. Благодаря этому появляется возможность увеличения их средней теплонапряженности без опасения местных перегревов, закоксовывания и прогара отдельных труб.

Еще более равномерное распределение лучистого тепла достигается в вертикальных печах с беспламенным сжиганием газового топлива (рис. 12). В них тепло излучают боковые стенки печи, собранные из нескольких рядов специальных беспламенных горелок. Регулировка расхода топлива на каждый ряд горелок независимая, что позволяет управлять величиной теплонапряженности труб в различных частях радиантной камеры.

При небольших мощностях часто используют цилиндрические печи. На рис. 13 представлена цилиндрическая печь с верхним расположением конвекционной камеры, а на рис. 14 – цилиндрическая печь с кольцевой камерой конвекции. Такие печи более компактны, обладают меньшей металлоемкостью и характеризуются меньшими тепловыми потерями. Кроме того, они снабжены вертикальными радиантными трубами, которые меньше деформируются при высоких температурах и требуют минимальное количество подвесок.