Назначение и принцип работы трубчатых печей

Предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности оснащены различными трубчатыми печами, предназначенными для огневого нагрева, испарения и перегрева жидких и газообразных сред, а также для проведения высокотемпературных термотехнологических и химических процессов. В трубчатых печах тепло сжигаемого топлива передается прокачиваемой через трубный змеевик жидкости или парожидкостной смеси [2,6,12,13].

Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды (обычно углеводородов) до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т.е. примерно свыше 230 °С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов.

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т.е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.

Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом.

Впервые трубчатые печи предложены русскими инженерами В.Г. Шуховым и С.П. Гавриловым.

Трубчатые печи отличаются друг от друга по конструктивным и технологическим признакам.

Не смотря на большое разнообразие конструкций печей принцип работы их во многом однотипен. Рассмотрим его на примере однокамерной односкатной трубчатой печи (рисунок 2.64). Обычно внутренний объем печи разделен полуперегородкой – перевальной стеной на две части, называемые радиантной и конвекционной камерами. В этих камерах размещены трубные змеевики, через поверхности которых осуществляется теплопередача.

 

а)	б)
в)

а) – устройство печи: 1 – камера радиации, 2 – камера конвекции; 3 – дымоход (боров); 4 – трубный змеевик радиантной камеры, 5 – футеровка; 6– форсункаб) – схема потоков: 1 и 2 – вход и выход нагреваемого продукта, 3 – дымовые газы; в) – общий вид печи.

Рисунок 2.64 – Конструкция однокамерной печи

С наклонным сводом

 

Под радиационной теплопередачей понимают поглощение лучистого тепла, под конвективной – теплопередачу путем омывания поверхностей труб дымовыми газами.

В радиантной камере основное количество тепла передается радиацией и лишь незначительное – конвекцией, а в конвекционной камере – наоборот.

Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. При этом образуется светящийся факел, представляющий собой раскаленные частицы горячего топлива, которые нагревшись до 1300–1600 °С, излучают тепло. Тепловые лучи падают на наружные поверхности труб радиационной секции и поглощаются, создавая так называемую поглощающую поверхность. Также тепловые лучи попадают и на внутренние поверхности стен радиантной камеры печи. Нагретые поверхности стен, в свою очередь, излучают тепло, которое также поглощается поверхностями радиантных труб.

При этом поверхность футеровки радиационной секции создает так называемою отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Если не учитывать потери через кладку стен, то при нормальной установившейся работе печи внутренние поверхности стен печи излучают столько тепла, сколько поглощают.

Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей – 60–80% всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное – в конвективной секции.

Трехатомные газы, содержащиеся в дымовых газах (водяной пар, двуокись углерода и сернистый ангидрид), также поглощают и излучают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.

Количество лучистого тепла, поглощаемого в радиантной камере, зависит от поверхности факела, его конфигурации и степени экранирования топки. Большая поверхность факелов способствует повышению эффективности прямой передачи тепла поверхностям труб. Увеличение поверхности кладки также способствует возрастанию эффективности передачи тепла в радиантной камере.

Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи.

Газы сгорания из камеры радиации, переваливаясь через перевальную стену, поступают в камеру конвекции. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700–900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов. Далее дымовые газы направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу.

Продукт, который необходимо нагреть, одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи.

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.

Эффективность передачи тепла конвекцией обусловлена, прежде всего, скоростью движения дымовых газов в конвекционной камере. Стремление к большим скоростям, однако, сдерживается допустимыми величинами сопротивления движению газов.

Для более тесного обтекания труб дымовыми газами и большей турбулизации потока дымовых газов трубы в конвекционных камерах размещают, как правило, в шахматном порядке. В печах некоторых конструкций применяют оребренные конвекционные трубы с сильно развитой поверхностью.

Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиантно-конвекционными, т.е. трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиантной камерах. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.

Классификация печей

Классификация печей – это упорядоченное разделение их в логической последовательности и соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связей между ними с целью определения точного места в классификационной системе, которое указывает на их свойства.

Классификация служит средством кодирования, хранения и поиска информации, содержащейся в ней.Дает возможность распространения обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практикой эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических и теплотехнических процессов.

Главными и естественными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки (рисунок 2.65).

 

Рисунок 2.65 – Классификация печей

Технологические признаки.

По технологическому назначению различают печи нагревательные и реакционно-нагревательные.

В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры.

Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300–500°С) углеводородных сред (установки АТ, АВТ, вторичная перегонка бензина, ГФУ).

Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции.

Эта группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.).

Теплотехнические признаки.

По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются на:

– конвективные;

– радиационные;

– радиационно-конвективные.

Конвективные печи.

Конвективные печи – это один из старейших типов печей. Они являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа.

Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с печами радиационными или радиационно-конвективными они требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо нагревать чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами.

Печь состоит из двух основных частей – камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени, и большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем конвекции.

Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, куда поступают сильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффициент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5–4-кратная рециркуляция остывших дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания.

Одна из конструкций конвективной печи показана на рисунке 2.66.Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере падения температуры газов соответственно равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом сохраняется постоянная объемная скорость продуктов сгорания.

 

1 – горелки, 2 – камера сгорания, 3 – канал для отвода дымовых газов,

4 – камера конвекции

Рисунок 2.66 – Конвективная печь

Радиационные печи.

В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных.

Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками благодаря тому, что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам.

Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб.

Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2–0,5. Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла.

Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место y радиационно-конвективных печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью.

Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300°С), при небольшом их количестве, при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в тех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи.