Назначение и область применения печей

В современном производстве, в особенности в химических отраслях промышленности, широкое распространение получили печи самых разнообразных типов и конструкций. Стоимость печей достигает 25% от сметной стоимости технологических установок, а эффективность работы печей во многом определяет суммарную эффективность установок. Зачастую печи выступают как важнейшие элементы технологических установок (например, печи установок пиролиза). Кроме того, печные агрегаты относятся к объектам повышенной опасности, к которым предъявляются особо жесткие требования в плане обеспечения промышленной безопасности (особые условия пуска, эксплуатации и остановки, специальные нормы пассивной безопасности и т.д.).

Расчет и проектирование печных агрегатов предполагает использование самых разнообразных отраслей знаний: термодинамика, теплотехника, теплопередача, теория химических превращений, кинетика тепловых и реакционных процессов, сложно-напряженное состояние элементов конструкции при высоких температурах, специальные конструкционные материалы и многое другое.

В печах практически всех типов могут происходить как теплотехнические, так и термохимические (реакционные) процессы. Чисто теплотехнические процессы наиболее характерны для энергетических установок. В химических производствах смыслом и основным назначением печей является, как правило, тепловое воздействие на обрабатываемые материалы с целью проведения определенных реакций. При этом процессы выделения тепла при сжигании определенного топлива и передачи его к обрабатываемым материалам (или отвода от них) для термохимических процессов должны рассматриваться совместно с термическими эффектами химических реакций как единое целое.

Требования технологического процесса определяют режим работы печи, а, следовательно, температуру и состав продуктов сгорания, отводимых из печи. Теплопотребление при проведении эндотермических реакций, или тепловыделение при проведении экзотермических реакций определяется тепловыми эффектами протекающих реакций. Условия теплообмена определяют и степень превращения реагирующих веществ.

Подвод тепла к материалам, находящимся в греющей камере, достигается тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Основное влияние на процесс оказывают два последних вида теплопередачи (конвекция и излучение). Эти составляющие теплопередачи практически всегда сосуществуют, однако в определенных типах печей, или в определенных участках (камерах) отдельной печи один из видов теплопередачи может существенно превалировать над другим. Одновременно существенное влияние на процесс, протекающий в технологической печи, помимо совместности протекания различных видов теплообмена оказывают гидродинамические условия движения дымовых газов относительно обрабатываемых материалов, механизм тепловой работы футеровки и многие другие факторы. Термохимические процессы, как правило, сопровождаются изменением структуры и физико-химических свойств обрабатываемых веществ. Зачастую в процессе реакции меняется агрегатное состояние и кристаллическая структура исходного сырья. Все эти процессы по современным представлениям протекают одновременно и взаимно связаны, что должно учитываться при проектировании печей. Конструкция печи должна обеспечивать и оптимальные условия проведения технологического процесса.

Классификация печей

Химические производства характеризуются чрезвычайным разнообразием. Соответственно и печи, используемые в химической промышленности, можно классифицировать по достаточно большому числу признаков. Поэтому единой системы классификации печей на сегодняшний день не существует. Наиболее распространена классификации, в основе которой лежит производственная принадлежность печи [1] (печи нефтепереработки и нефтехимии, печи производства фосфора, печи производства и регенерации катализаторов и т.д.). В состав каждой производственной группы входят печи различных типов, отличающиеся друг от друга по целевому назначению, по способам подвода тепла, по конструкциям.

Рассматриваемая классификация выглядит следующим образом.

1. Разделение по видам производств:

· печи нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств;

· печи производства серной кислоты;

· печи производства соляной кислоты;

· печи производства фосфорной кислоты;

· печи производства плавиковой кислоты;

· печи производства соды;

· печи производства извести;

· печи производства карбида кальция;

· печи производства минеральных солей;

· печи производства минеральных пигментов;

· печи производства извести;

· печи производства фосфора;

· печи производства сероуглерода;

· печи производства катализаторов;

· печи для сжигания отходов химических производств;

· печи других производств.

2. Печи для каждого вида производств разбиваются на группы по целевому назначению. Так среди печей нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств могут быть выделены печи нагрева жидкофазного сырья для процессов первичной переработки нефти, термического крекинга, каталитического крекинга, риформинга, печи для проведения реакционных процессов в паровой фазе (пиролиз) и т.д. Соответственно в сернокислотном производстве могут быть выделены печи обжига колчедана, печи для сжигания серы, печи для сжигания сероводорода. Аналогичным образом выделяются группы печей и в других производствах.

3. Каждая из групп подразделяется на подгруппы по технологическим особенностям проводимого процесса.

3.1. По тепловому эффекту процесса, проводимого в печи:

· Печи, в которых в обрабатываемом материале протекают экзотермические реакции, причем в некоторых случаях количество выделяющегося тепла может быть достаточным для проведения процесса, а в других случаях необходим подвод (отвод) тепла.

· Печи, в которых в обрабатываемом материале протекают эндотермические реакции. В этом случае для проведения процесса необходим подвод тепла. К этой же подгруппе относятся печи с нулевыми или незначительными экзотермическими реакциями

3.2. По способу подвода тепла (для печей с нулевыми или эндотермическими реакциями):

· Печи с внутренним подводом тепла (тепло вносится непосредственно внутрь реакционного пространства);

· Печи с внешним подводом тепла (тепло вносится через стенку).

3.3. По виду источника тепла:

· Топливные печи (газообразное, жидкое, твердое или комбинированное топливо).

· Электрические (дуговые, индукционные, плазменные печи или печи сопротивления).

В рассмотренной классификации каждая из выделенных подгрупп печей может быть выполнена по разным конструкциям. В то же время с точки зрения проектирования (выбора схемы расчета, подбора унифицированных и типовых элементов) в основе классификации должна лежать именно конструкция печи.

С точки зрения конструктивных особенностей, которые в значительной мере определяются технологическими и теплотехническими условиями работы печей, могут быть выделены следующие типы печей:

· Трубчатые печи, в которых нагревательный или реакционный объем образован трубами, расположенными в огневой и /или конвективной камерах, по которым протекает обрабатываемый продукт. Продукт находится при этом в жидком (нагрев нефти, мазута), парообразном (пиролиз легкого углеводородного сырья) или двухфазном состояниях. Трубчатые печи наиболее широко распространены в нефтяной и нефтехимической отраслях промышленности.

· Печи с вращающимся барабаном (предназначены для обработки твердых материалов). Греющая (реакционная) камера представляет собой вращающийся наклонный барабан, внутри которого под действием гравитационных сил перемещается обрабатываемый материал. Подвод и отвод материала и греющего агента (топочные газы, горячий воздух) производится с торцов барабана через специальные устройства.

· Шахтные печи (предназначены для обработки твердых материалов). Реакционная камера представляет собой вертикальную шахту, в которую сверху загружается, а снизу отводится обрабатываемый материал. Перемещение материала происходит под действием гравитационных сил.

· Ретортные печи (предназначены для обработки твердых материалов). Реакционная камера представляет собой реторту, исключающую доступ воздуха внутрь камеры. Подвод тепла к материалу осуществляется через стенку камеры.

· Камерные печи (предназначены для обработки жидких или газообразных материалов). Материал вводится внутрь камеры через форсунку.

· Полочные печи (предназначены для обработки твердых материалов). Реакционная камера представляет собой одну или несколько полок, на которых лежит обрабатываемый материал.

· Тигельные и муфельные печи (предназначены для обработки твердых материалов и расплавов). В огневой камере могут быть размещены один или несколько тиглей или муфелей.

· Карусельные печи (предназначены для обработки твердых материалов). В реакционной камере размещена вращающаяся подина, на которую помещается обрабатываемый материал.

· Туннельные печи (предназначены для обработки твердых материалов). Реакционная (огневая) камера выполнена в виде горизонтального канала большой протяженности. Обрабатываемый материал передвигается по каналу на транспортерах или в вагонетках.

· Ванные печи (предназначены для обработки расплавов). Подина реакционной камеры имеет вид ванны, в которой находится обрабатываемый материал в виде расплава.

· Печи с кипящим слоем (предназначены для обработки твердых материалов). Обрабатываемый материал взвешен потоком газа внутри реакционного объема, но не перемещается в направлении движения газа. Тепловые процессы и химические превращения могут происходить как в твердой фазе (газ выступает в этом случае как теплоноситель), так и в газовой (паровой) фазе (твердая фаза выступает в качестве теплоносителя или катализатора).

· Печи с взвешенными частицами (предназначены для обработки твердых материалов). Обрабатываемый материал взвешен потоком газа внутри реакционного объема и перемещается вместе с газом.

Существуют и другие типы печей, которые могут являться как комбинациями вышеперечисленных типов, так и самостоятельными типами, которые менее распространены в сравнении с вышерассмотренными. Так для транспортировки твердых систем (катализатор, кокс) в нефтепереработке используются топки под давлением. Они представляют собой устройства для сжигания газообразного или жидкого топлива с последующим смешением продуктов реакции с атмосферным воздухом для достижения заданной температуры транспортирующего агента. Подача воздуха на сжигание и на смешение осуществляется от высоконапорных газодувок. Работа топки под давлением естественно приводит и к появлению конструктивных особенностей.

Следует также отметить, что печи представляют собой достаточно сложные агрегаты, включающие в себя помимо собственно печей и самое разнообразное вспомогательное оборудование. К нему относятся:

· устройства для сжигания топлива (топки, горелки, форсунки и т.д.);

· устройства для превращения электрической энергии в тепловую (спирали, тепловыделяющие элементы и т.д.);

· соединительные элементы и коммуникации (дымоходы, трубопроводы, дымососы);

· средства управления процессом (шиберы, задвижки, и т.д.);

· средства КИП и А.

Можно выделить и еще целый ряд вспомогательного оборудования, характерного для той или иной конструкции печи (вентиляторы и газодувки, подогреватели воздуха и топлива, механизмы загрузки и выгрузки материала и т.д.). С точки зрения использования того или иного вспомогательного оборудования может применяться и дополнительная классификация печных агрегатов. Однако, вспомогательное оборудование, как правило, рассчитывается (подбирается) по специальным методикам и нормативам.