Огневые нагреватели объектов промысловой подготовки нефти
На большинстве объектов промысловой подготовки нефти в качестве генераторов тепла используются различные типы трубчатых печей. На нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических заводах трубчатые печи являются основными генераторами тепла.
Трубчатые печи являются аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива в топочной камере печи.
Трубчатые печи – один из наиболее сложных видов оборудования многих технологических установок предприятий по добычи нефти, газа, нефтехимической, коксохимической и других отраслях промышленности.
В зависимости от назначения в технологической схеме производства того или иного продукта, печи могут быть подогревателями и испарителями сырья, а также высокотемпературными нагревателями, а в некоторых нефтехимических процессах (пиролиз, термокрекинг, конверсия и др.) печи служат реакторами.
Существуют различные конструкции трубчатых печей, отличающихся способом передачи тепла, количеством и формой топочных камер, числом камер в зоне радиации, расположением конвекционной камеры относительно радиантной, длиной труб, способом сжигания топлива, числом потоков нагреваемого продукта и др.
Современные трубчатые печи в основном являются радиантно-конвекционными. Они состоят из камеры радиации (топочной камеры), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло в основном за счет радиации. Радиантные трубы получают тепло не только излучением (85 – 90%), но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией).
В камере конвекции расположены конвекционные трубы, воспринимающие тепло главным образом при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева путем конвекции. В камере конвекции передача тепла осуществляется также за счет радиации трехатомных газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60 – 70% общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20 -30%; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10% тепла.
Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы, поглощая тепло. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.
Основными характеристиками трубчатых печей являются производительность печи по нагреваемому продукту, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и коэффициент полезного действия печи.
Производительность печи– это количество сырья, подаваемого в печь для нагрева в единицу времени. По пропускной способности печи делят на малые (до 300 т/сутки), средние (до 1000 т/сутки) и большие (более 1000 т/сутки).
Тепловая мощность печи– это количество тепла, воспринимаемое нагреваемым продуктом в единицу времени. По данному показателю печи делят на малые (до 3 МВт), средние (до 15 МВт) и большие (более 15 МВт). В промышленности на крупных нефтеперерабатывающих заводах используются печи тепловой мощностью от 50 до 80 МВт.
Теплонапряженность поверхности нагрева– это количество тепла, передаваемое нагреваемому продукту, через единицу поверхности змеевиковых труб в 1 м2 в единицу времени (Вт/м2). Поскольку радиантные и конвекционные трубы работают в разных условиях, различают теплонапряженность радиантных труб, теплонапряженность конвекционных труб и среднюю теплонапряженность труб печи.
Величина теплонапряженности поверхности нагрева отражает эффективность передачи тепла через поверхность нагрева: чем больше тепловая напряженность поверхности нагрева, тем меньших размеров требуется печь для передачи заданного количества тепла. Однако очень высокая теплонапряженность поверхности нагрева может вызвать коксование продукта и прогар труб вследствие чрезмерного повышения температуры стенки трубы. Температура стенки трубы зависит также от температуры сырья и скорости его движения по трубам. Чем ниже температура сырья и выше скорость его движения, тем большую теплонапряженность поверхности труб можно допустить.
Вид нагреваемого продукта оказывает существенное влияние на допустимую величину теплонапряженности поверхности труб. Чем более тяжелое сырье подвергается нагреву, тем меньше допускается теплонапряженность труб. Так, при перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет 45 – 60 кВт/м2, в печах замедленного коксования 25 – 35 кВт/м2, при нагреве остаточных масел 20 – 25 кВт/м2. Для конвекционных труб теплонапряженность составляет в среднем 10 – 20 кВт/м2.
Тепловая напряженность топочного пространства – характеризует количество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени в единице объема топки (Вт/м2). Эта величина характеризует эффективность использования объема топки и определяется возможностью размещения необходимой радиантной поверхности в топочной камере, а не процессом горения топлива. В современных трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства составляет 40 – 80 кВт/м3.
Коэффициент полезного действия трубчатой печи представляет собой отношение полезного используемого тепла к общему количеству тепла, выделенному при сгорании топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих дымовых газов и качества тепловой изоляции печи. Современные трубчатые печи имеют коэффициент полезного действия в пределах 0,65 – 0,85.
Основные типы печей
На действующих объектах промысловой подготовки нефти, установках нефтегазопереработки находит применение шатровые печи и печи беспламенного горения, которые в настоящее время отнесены к печам устаревшей конструкции.
Рис. 6.1 Печь шатровая (с наклонным сводом)
Шатровые печи (рис.6.1) представляют собой двухкамерный двухскатный огневой нагреватель с естественной тягой, нижним отводом дымовых газов, отдельно вынесенной дымовой трубой. Нагреваемое сырье поступает в конвекционную камеру, расположенную в центре печи между двумя камерами радиации, и двумя (или более) потоками проходит через трубы. В печи имеются муфели, в которых размещаются форсунки для сжигания топлива. Горение топлива практически завершается в муфельном канале и в камеру радиации поступают раскаленные дымовые газы. Тепловая мощность таких печей может составлять от 7 до 60 МВт. Свод печи выполнен наклонным для выравнивания тепловых нагрузок на трубчатые змеевики потолочного экрана. Движение дымовых газов в топке - от периферии к центру. Перед входом в конвекционную камеру дымовые газы делают разворот, проходят через ряды конвекционной части змеевика, далее поступают в горизонтальный боров, по которому направляются в дымовую трубу. Дымовые трубы высотой 35 – 45 м выполнены из кирпичной кладки.
Однорядный трубчатый змеевик по потолку и поду выполнен из толстостенных труб из углеродистой или легированной стали длиной 6 – 18 м. Горизонтальное расположение труб дает возможность сравнительно легко удалять продукты из змеевика при остановках печи.
Двухскатные печи получили в свое время широкое распространение благодаря простоте устройства и обслуживания и удобству проведения ремонтных работ. Однако конструкции двухскатных печей шатрового типа громоздки, металлоемки, с низкой теплонапряженностью камер, со сравнительно низким КПД (до 0,7). Одностороннее облучение длинными факелами создает неравномерность нагрева труб по окружности и длине змеевика.
Резкий рост добычи и переработки нефти и газа привел к созданию новых высокоэффективных конструкций трубчатых печей:
▪ с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок;
▪ с настильным, объемно-настильным и вертикально факельным сжиганием топлива;
▪ с дифференцированным подводом воздуха;
▪ цилиндрических секционных;
▪ цилиндрических секционных со встроенной дымовой трубой.
Рис.6.2. Трубчатая печь беспламенного горения
Вопросами совершенствования конструкций трубчатых печей заняты ряд научно-исследовательских и проектных институтов «ВНИИнефтемаш», «Эмбанефтепроект», «Гипронефтезаводы», КБ «Саратовнефтегаз», ВМОЗ «Нефтегазмаш». «ВНИИнефтемаш» создал и осуществил внедрение в промышленность ряд типов трубчатых печей, издал каталог, позволяющий выбрать конструкцию и размеры типовой трубчатой печи для соответствующего технологического процесса.
При выборе конструкции печи можно использовать следующие условные обозначения печей: первая буква – конструктивное исполнение (Г –трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными радиантными трубами; В – трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и вертикальными радиантными трубами; Ц – цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции; К - цилиндрические трубчатые печи с кольцевой камерой конвекции; С – секционные трубчатые печи; Б – блочные трубчатые печи для нефтепромыслов); вторая буква – способ сжигания топлива (С свободный факел; Н– настильный факел; Д – настильный факел дифференциальным подводом воздуха по высоте факела). Цифра после буквенного обозначения – число радиантных камер (Р) или секций (С), в случае отсутствия цифры – однокамерный (односекционный) вариант; числитель дроби – поверхность нагрева радиантных труб, м2; в знаменателе – длина или высота радиантных труб, м.
Цифры в знаменателе показывают длину или высоту топки (в м). Например: А2Б2 115/6 – узкокамерная трубчатая печь с центральным горизонтальным двухрядным радиационным экраном, верхним отводом дымовых газов, с излучающими стенками топки, оборудованными панельными горелками беспламенного горения, двумя радиантными камерами, с поверхностью нагрева радиантных труб, равной 115 м2, длиной топки, равной 6 м.
Трубчатые печи типа ГН, ГН-2 (рис.6.3)
Печь – трубчатая коробчатая с верхним отводом дымовых газов горизонтальными настенными или центральными трубными экранами, объмно-настильного сжигания комбинированного топлива (вариант 1) или настильного газового топлива на фронтальные стены (вариант 11).
Вариант 1. Горелки расположены в два ряда на фронтальных стенах под углом 45о. По оси печи расположена настильная стена, на которую и направлены горящие факелы. Печь ГН-2 имеет две камеры радиации, она предпочтительна для процессов, требующих «мягкий» режим нагрева (установки замедленного коксования, крекинг-процессы) с низким теплонапряжением (до 35 кВт/м2).
Рис.6.3. Трубчатая печь типа ГН
Вариант 11. Горелки расположены ярусами на фронтальных стенах. Двухрядный горизонтальный экран располагается по оси печи. Тепло к экранам передается от фронтальных стен, на которые настилаются факела веерных горелок (ГВН – 0,35, ГВН – 0,75). Данный тип горелок предназначен при реконструкции существующих печей беспламенного горения, а также в процессах средней производительности, обеспеченных газовым топливом, в том числе с большим процентом водорода.
Трубчатые печи типа ГС, ГС2 (рис.6.4)
Печь – коробчатая с верхним отводом дымовых газов, горизонтальными экранами, свободного вертикального сжигания комбинированного топлива. Горелки расположены в один ряд в поду печи. Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, что позволяет установить рядом две камеры радиации (тип ГС2).
Печи типа ГС применяются на установках атмосферной и вакуумной перегонки нефти, вторичных процессах.
Печи типа ГС2 предпочтительны на установках замедленного коксования, крекинг-процессов, где требуется нагрев нефтепродуктов с низкими значениями теплонапряженности поверхности нагрева (до 29 кВт/м2).
Рис.6.4 Трубчатая печь типа ГС
Трубчатые печи типа ВС (рис. 6.5)
Трубчатая печь типа ВС (рис.6.5) Печь – коробчатая, с вертикальным расположением труб змеевика, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Вертикальные трубы радиационного змеевика размещены вдоль по всем четырем сторонам камеры радиации. На стенах камер радиации расположены однорядные настенные экраны двустороннего освещения. Предусмотрено семь типоразмеров этих печей, каждый типоразмер отличается количеством одинаковых камер радиации. Над камерой радиации расположена камера конвекции прямоугольного сечения с горизонтальными гладкими трубами. У многосекционных трубчатых печей камеры радиации отдельных секций объединены в общем корпусе. Смежные секции отделены одна от другой двумя рядами труб радиантного змеевика двустороннего облучения. В крайних секциях у стен радиантные трубы размещены в один ряд. Газомазутные горелки расположены в поду камеры, обслуживание горелок с двух сторон.
Рис. 6.5. Трубчатая печь типа ВС
Печи футерованы легковесным жаропрочным бетоном.
Печи типа ВС установлены на установках ЛК-6-У, могут применяться на установках атмосферной перегонки нефти, вторичной переработки и т.д.
Трубчатые печи типа КС (рис.6.6)
Печи – цилиндрические с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателями вертикальными трубными змеевиками в камерах радиации и конвекции, свободного вертикально-факельного сжигания топлива.
Комбинированные горелки расположены в поду печи. На стенах камеры радиации установлен однорядный или двухрядный настенный трубный экран.
Рис. 6.6. Трубчатые печи типа КС
Конвективный змеевик, как и воздухоподогреватель набирают секциями и располагают в кольцевой камере конвекции, установленной соосно с цилиндрической радиантной камерой.
Отвод газов продуктов сгорания – через дымовую трубу, установленную на печи, и газосборник.
Трубчатая печь типа ЦС (рис. 6.7.)
Печи – цилиндрические с пристенным расположением труб змеевика в одной камере радиации, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива.
На стенах камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны. Отвод продуктов сгорания – через дымовую трубу, установленную на печи, и газосборник.
Рис. 6.7. Трубчатая печь типа ЦС.
Предусмотрено два варианта исполнения этих печей: радиантное (без камеры конвекции) и радиантно-конвективное (с камерой конвекции). В радиантных печах к шифру добавляется буква Р.
Цилиндрическая камера радиации установлена на столбчатом фундаменте для удобства обслуживания комбинированных горелок, размещенных в поду печи. Радиантный змеевик собран из вертикальных труб на приваренных калачах, упираются на под печи, вход и выход продукта осуществляется сверху.
Трубчатые печи типа ЦД4 (Рис.6.8)
Печь является радиантно-конвекционной, у которой по оси камеры радиации установлен рассекатель-распределитель в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок, установленных в поду печи.
Рассекатель-распределитель разбивает камеру радиации на несколько независимых зон теплообмена с целью возможной регулировки теплонапряженности по длине радиантного змеевика. Внутренняя полость каркаса рассекателя разбита на отдельные воздуховоды; в кладке грани рассекателя по высоте грани есть каналы для подвода вторичного воздуха к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень сгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонапряженность по высоте труб в камере радиации.
Радиантный подвесной змеевик состоит из труб, расположенных в один ряд у стен цилиндрической камеры, и имеют одностороннее облучение.
Трубчатые печи типа КД4 (Рис. 6.9)
Печи являются радиантно-конвекционными цилиндрическими четырехсекционными с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, дифференциальным подводом воздуха по высоте факела, вертикальным расположением змеевика радиантных и конвекционных труб, настильным сжиганием комбинированного топлива
Печи выполняются в двух конструктивных исполнениях: с дымовой трубой, установленной на печи или стоящей отдельно.
Комбинированные горелки расположены в поду печи с наклоном в сторону рассекателя-распределителя, установленного в центре печи.
Рассекатель имеет форму пирамиды с вогнутыми гранями, выполняющими собой роль настильной стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Рассекатель делит объем радиантной камеры на четыре автономные зоны теплообмена с возможностью осуществлять дифференцированный подвод тепла по длине радиантного змеевика; является поверхностью настила факелов горелок, имеющих стабильную толщину, что позволяет приблизить трубные экраны к горелкам и сократить объем камеры.
В печи осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Первичный воздух (около 70% объема) подается принудительно к горелкам, а остальное количество – по высоте настила через специальные каналы в кладке граней, а также через отдельные воздуховоды в каркасе рассекателя. Двухстадийное сжигание топлива дает возможность растянуть факелы по высоте граней и повысить равномерность излучения по высоте радиантных труб.
Конвективный змеевик, как и воздухоподогреватель, комплектуют секциями и размещают в кольцевой камере конвекции, расположенной соосно с цилиндрической радиантной камерой.
Рис. 6.9. Конструкция печи типа КД 4-1