Трубчатые печи и их назначение.

Трубчатая печь является аппаратом для нагрева нефти и нефтепродуктов, использующим высокую температуру продуктов сгорания, образующихся при сгорании топлива в камере печи. В трубчатой печи нагреваемое сырье движется в трубах змеевика, а горячие продукты сгорания омывают трубы снаружи. Принципиальная схема вертикальной трубчатой печи представлена на рис. 8.5.1.

Рис. 8.5.1. Вертикальная трубчатая печь:

1 – каркас печи; 2 – змеевик камеры конвекции; 3 – змеевик камеры радиации; 4 – форсунки; 5 – гляделки; I – вход продукта; II – выход продукта.

Трубчатая печь имеет обычно две камеры:

1) радиантную, в которой сгорает топливо и тепло передается трубам в основном излучением от нагретых продуктов сгорания и кладки стен;

2) конвекционную, в которой тепло трубам передается главным образом при соприкосновении горячих продуктов сго­рания с трубами, т.е. конвекцией.

В целях постепенного и более равномерного нагрева сырье последовательно проходит трубы конвекционной и радиантной камер печи. Температура продуктов сгорания на выходе из радиантной камеры достаточно высока (600—900 °С).

Компактность конструкции, большая тепловая мощность в сравнении с рекуперативными теплообменниками, малая задержка продукта и связанная с этим меньшая пожарная опасность, простота обслуживания и другие показатели обусловили широкое применение трубчатых печей на предприятиях нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Классификация трубчатых печей.

По технологическому назначению различают нагревательные и реакционные трубчатые печи.

Нагревательные печи служат для нагрева и испарения сырья, при этом состав смеси не изменяется.

В реакционных трубчатых печах сырье не только нагревается до определенной температуры, но и подвергается коренным пре­вращениям, приводящим к изменению состава исходного сырья (печи пиролиза, дегидрирования, замедленного коксования и др.).

По конструктивным признакам различают печи коробчатые и цилиндрические, с наклонным сводом и вертикальные. По числу камер радиации печи могут быть одно-, двух- и много­камерными. Змеевики могут быть расположены вертикально и горизонтально. По виду отведения дымовых газов могут быть печи с естественным и принудительным отводом. При этом во втором случая применяется дымоотсос и тепло дымовых газов может быть отправлено на дополнительную регенерацию для нагрева топливного газа и т.д.

Рис. 8.6.1. Трубчатая цилиндрическая однокамерная печь:

1 – форсунки; 2 – футеровка; 3 – несущие конструкции; 4 – экранные трубы; 5 – конвекционная часть змеевика; 6, 7 – выхлопные и смотровые окна; 8 – дымоход; I и II – вход и выход нагретого продукта.

По виду сгорания топлива различают печи с объёмным горением пламени и печи беспламенного горения.

Устройство трубчатых печей.

Трубчатая печь – это строительно-технологическое сооружение, состоящее из следующих основных функциональных узлов: фундамента, каркаса, футеровки, змеевика, горелок, дымовой трубы и гарнитуры.

Фундамент печи сооружают из монолитного или сборного железобетона и конструктивно изолируют от воздействия высоких температур. На фундамент через несущие стойки каркаса печи опирается вся масса печи.

Каркас печи – основная несущая металлическая конструкция, воспринимающая нагрузки от веса огнеупорной футеровки, трубчатого змеевика, вспомогательных узлов дымовой трубы и т.д.

Конфигурация каркаса соответствует форме трубчатой печи. Опорные стойки каждой рамы каркаса анкерными болтами крепятся к фундаменту. Рамы каркаса или их узлы шарнирными соединениями крепятся между собой и допускают компенсацию линейных расширений каркаса при изменениях температуры. Сверху боковые рамы каркаса соединяются фермами, несущими кровлю печи.

Футеровка предназначена для защиты каркаса печи от воздействия высоких температур и создания вторичного теплового излучения, повышающего тепловую эффективность (к.п.д.) печи. Для снижения теплопотерь через футеровку и создания безопасных условий эксплуатации печи с внешней стороны футеровка покрывается слоем теплоизоляции.

Футеровка выполняется из фасонных огнеупорных кирпичей и специальных изолирующих материалов.

Технологический змеевик печи – это наиболее ответственная часть печи, изготовляемая из горячекатаных бесшовных труб и работающая в наиболее тяжелых температурных и коррозионных условиях.

Диаметр труб, из которых монтируется змеевик технологических печей, обычно составляет 108x6, 158x8 и 219x10 мм. Длина труб – 12-18 м, а для наиболее мощных печей – 24 м. Змеевик монтируется из таких отрезков труб с помощью свар­ных поворотных калачей или съемных ретурбендов (устройство для соединения прямых участков труб змеевика). Цельносварной змеевик проще по устройству, надежен и герметичен, а главное – он целиком помещается в топку печи или камеру конвекции, что позволяет лучше герметизировать топку и в целом печь и исключить вредные подсосы воздуха извне.

При горизонтальном расположении труб змеевика в печи они либо опираются на кронштейны, либо помещены на подвесках, прикрепленных к каркасу печи. В конвекционных камерах, где трубы змеевика собраны в вертикальный многорядный пучок, они опираются на трубные решетки, через которые пропущены трубы.

Змеевик с вертикальными трубами подвешивают к каркасу печи специальными подвесками.

В топках печей топливо сжигается с помощью специальных устройств – форсунок и горелок.

Форсунки предназначены для сжигания жидкого топлива (мазута, солярового масла и т.д.). Конструкция форсунки должна обеспечить хорошее распыление топлива и смешение его с воздухом, так как только при этих условиях можно достигнуть полного сгорания топлива.

По способу распыления жидкого топлива форсунки могут быть:

а) с паровым распылением;

б) с воздушным распылением;

в) с механическим распылением.

Рис. 8.7.1. Форсунка с воздушным распылением топлива.

На рис. 8.7.1 показана принципиальная схема форсунки с воздушным распылением. Жидкое топливо, подлежащее сжиганию, подается по трубе 1 в центральную камеру 2. Из этой камеры струя топлива вытекает в конически расширяющееся сопло 3. На выходе из сопла струя топлива разбивается на капли воздушным потоком, который через узкую щель 4 поступает из внутреннего пространства корпуса 5 форсунки. Ширину щели можно изменять, перемещая шайбу 6 с помощью тяг 7. Воздух в корпус форсунки нагнетает вентилятор через штуцер. В таких форсунках можно распылять до 600 кг/ч топлива.

Горелки предназначены для сжигания газообразного топлива (природного газа, газа нефтепереработки). По способу подвода воздуха для горения горелки подразделяются на следующие типы: диффузионные; инжекционные; с принудительной подачей воздуха.

В диффузионных горелках весь необходимый для горения воздух притекает к пламени из окружающей атмосферы. Эти горелки мало чувствительны к колебаниям давления газа, но требуют больших размеров топки, так как они образуют длинный факел.

На рис. 8.7.2 показана конструкция диффузионной горелки с жиклерами. На кольцевой раме 1 этой горелки жестко закрепляется неподвижный конический шибер 2, на конической поверхности которого имеется несколько окон. На неподвижный шибер надевается подвижной шибер 3, имеющий столько же окон. Подвижной шибер с помощью рукоятки 4 может вращаться вокруг своей оси. На центральной трубе 5 крепят коллектор 6, имеющий отверстие А для подсоединения подводящей газовой трубы. В коллектор ввинчиваются жиклеры 7, изготовленных из жаропрочной стали. Остальные детали горелки – из чугуна и стали. Работает эта горелка следующим образом. Подведенный к коллектору газ вытекает в топочное пространство через жиклеры и тут же сжигается. Необходимый для сжигания газа воздух поступает в горелку из окружающей атмосферы через окна в неподвижном и подвижном шиберах. Ширину этих окон, а следовательно, и количество поступающего в горелку воздуха можно менять с помощью вращения подвижного шибера.

Рис. 8.7.3. Конструкция беспламенной панельной горелки.

В инжекционных горелках (рис. 8.7.3) образование газовоздушной смеси частично или полностью происходит внутри горелки. Благодаря хорошему смешению воздуха и катализирующему влиянию керамических элементов горелки процесс горения почти заканчивается в туннелях. Поэтому и нет видимого факела. За это их называют беспламенными.

Расположение и число горелок (форсунок) в печи зависит от типа и общей теплопроизводительности печи. Горелки могут располагаться снизу печи, на ее боковых стенках или сверху радиантной камеры.

Дымовая труба выполняет две основные функции – создает необходимую тягу в топке печи и отводит вредные дымовые газы (содержащие оксиды углерода, азота и серы и углеводоро­ды) на большую высоту для лучшего их рассеяния в атмосфере.

Естественная тяга ΔΡ создается дымовой трубой за счет раз­ницы плотностей окружающего воздуха ρ_В и дымовых газов ρ_Г: ΔΡ = Н(ρ_В – ρ_Г ). При этом, чем больше высота трубы Н, тем выше разрежение в топке или на выходе из конвекционной камеры. Если естественная тяга, создаваемая дымовой трубой, оказывается недостаточной для создания минимально допустимого разрежения в топке – 0,1-0,2 кПа (из-за большого гидравлического сопротивления печи по газовому тракту или малой высоты трубы), то создают принудительную тягу. Для этого на потоке дымового газа после его выхода из воздухоподогревателя устанавливают дымосос (вентилятор), отсасывающий дымовой газ из печи и выбрасывающий его в дымовую трубу. Шибер дымовой трубы – это заслонка, с помощью которой регулируется сечение дымохода и соответственно тяга в топке печи.

Гарнитура трубчатой печи включает ее вспомогательные конструкционные и эксплуатационные узлы – подвески и трубные решетки для змеевика, предохранительные окна и люки-лазы, гляделки, шиберы дымоходов и др. В радиантной камере печи имеется несколько рядов (по длине труб) подвесок, предохраняющих трубы от провисания. Они подвергаются воздействию высоких (до 1100°С) температур и агрессивных дымовых газов и поэтому изготовляются из высоколегированной стали. Вертикальный змеевик в печах подвешивается за проушины верхних калачей змеевика с помощью штанг к верхним несущим балкам печи. Каждый тип подвески предусматривает возможность компенсации термического расширения труб змеевика в диапазоне температур от окружающей до рабочей.

Предохранительные окна располагают по боковым стенкам печи в один или несколько рядов (в зависимости от объема топки и высоты печи), они служат для ослабления силы взрыва при аварии в топке и предохранения печи от разрушения. Аварийная ситуация в топке может создаться, например, в результате того, что лопнет труба змеевика и в топку поступит избыточное количество горючего материала, мгновенное воспламенение которого приведет к резкому повышению давления в топке. Предохранительные окна рассчитаны на то, чтобы при повышении давления в топке выше атмосферного они открывались, выпуская избыток газов сгорания в атмосферу. Число предохранительных окон рассчитывается при проектировании печи.

Люки-лазы служат для того, чтобы обслуживающий персонал мог попасть в топку в период проведения там ремонтных работ или ревизии состояния стен топки и змеевика.

Гляделки – небольшие (50-100 мм) отверстия в крышках люков, в подовой (нижней) части печи или предохранительных окнах, закрываемые откидными или поворотными крышками. Они предназначены для систематического визуального контроля за горением форсунок, характером горения факела, для осмотра состояния топки печи в рабочих условиях и т.д.