Трубчатые печи Стоимость печей достигает 25% от сметной стоимости технологических установок, а эффективность работы печей во многом определяет суммарную эффективность установок. Печи выступают как важнейшие элементы технологических установок (например, печи установок пиролиза). Печные агрегаты относятся к объектам повышенной опасности, к которым предъявляются особо жесткие требования в плане обеспечения промышленной безопасности.

Классификация печей Единой системы классификации печей на сегодняшний день не существует. Наиболее распространена классификации, в основе которой лежит производственная принадлежность печи (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.

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.

Классификация печей Печи каждого вида производств разбиваются на группы по целевому назначению. Для 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.

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

Классификация печей 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). По виду источника тепла: Топливные печи (газообразное, жидкое, твердое или комби-нированное топливо). Электрические (дуговые, индукционные, плазменные печи или печи сопротивления).

Классификация печей С точки зрения проектирования (выбора схемы расчета, подбора унифицированных и типовых элементов) в основе классификации должна лежать конструкция печи. С точки зрения конструктивных особенностей могут быть выделены следующие типы печей: Трубчатые печи, в которых нагревательный или реакционный объем образован трубами, расположенными в огневой (радиантнойй) 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.

Классификация печей 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.

Классификация печей 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.

Классификация печей 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.

Вспомогательное оборудование печей 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. вентиляторы и газодувки, подогреватели воздуха и топлива, механизмы загрузки и выгрузки материала и т.д.

Маркировка трубчатых печей Тип Б – печи с излучающими стенами топки, радиантной- конвекционные с горизонтальными трубами, нижним отводом дымовых газов, одной или двумя камерами сгорания и перевальной стенкой. Тип Г – обычные факельные и печи с объемно-настильным пламенем, горизонтальными трубами и верхним отводом дымовых газов. Тип З – вертикальные печи с настильным пламенем или излучачающими стенами топки, горизонтальными трубами, центральным радиантным экраном, верхней конвекционной камерой и верхним отводом дымовых газов. Тип В – печи с верхним отводом дымовых газов, вертикальным расположением труб в радиантнойй секции и горизонтальным в конвекционной, могут обозначаться ВЦ (цилиндрические) и ВС (прямоугольного сечения). Тип Ц – цилиндрические печи. Тип Р – печи каталитического риформинга. Цифрами обозначают длину труб, м, поверхность нагрева, м 2, число секций.

Виды топлива Жидкое топливо Наибольшее распространение в качестве жидкого топлива получил мазут. В соответствии с ГОСТ мазут выпускается шести марок: флотский – Ф5, Ф12, топочный – 40, 100, 200 для мартеновских печей – МП. В теплотехнических расчетах теплоемкость мазута можно принимать равной 2 к Дж/(кг×оС), коэффициент теплопроводности – 0,13 Вт/(м×оС), скрытую теплоту испарения – к Дж/кг. Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха рекомендуется принимать в пределах 1,1-1,2. При особо тонком распылении топлива и благоприятных гидродинамических условиях в камере горения коэффициент избытка воздуха может быть принят 1,05 -1,1. Давление жидкого топлива на входе в форсунку 0,2-0,5 МПа

Виды топлива Газообразное топливо преимущества: простота регулирования процесса горения при малом коэффициенте избытка воздуха; возможность подогрева топлива и воздуха перед сгоранием до высоких температур; исключение застывания топлива в подводящих коммуникациях и др. Чаще всего в качестве топлива используется природный газ, состоящий главным образом из метана. В некоторых случаях в печах используются отходящие газы конкретных технологических процессов (например, сухие газы нефтепереработки). Состав этих газов существенно зависит от вида конкретного технологического процесса. Сжиженные газы (пропан, бутан) используются существенно реже и только в экономически обоснованных случаях

Расчет горения газа

Нагрев электрическим током Нагрев х твердых и жидких материалов проводится с использованием электрического тока по методу сопротивления. В этом случае обрабатываемый материал непосредственно включается в электрическую цепь (последовательное подключение). При преодолении электрического сопротивления материала в нем выделяется тепло. Используется также преобразование электрической энергии в тепловую в газовой дуге преимущественно в газовом пространстве, разделяющем электроды, и на концах электродов. При этом могут быть использованы следующие виды нагрева: прямой (дуга горит между электродом и расплавом материала); косвенный (дуга горит между двумя электродами, а расплав находится на некотором расстоянии от дуги); комбинированный (дуга создается между шихтой и погруженным в шихту или расплав электродом); нагрев в дуговых плазмотронах (материал помещается в потоке низкотемпературной плазмы). Индукционный метод преобразования электрической энергии в тепловую. При этом выделение тепловой энергии происходит за счет индукционных токов, возникающих в расплавленном металле, помещенном в электрическое поле.

Показатели работы ТП Производительность трубчатой печи по сырью. Количество сырья, нагреваемого в аппарате в единицу времени. Измеряется в тоннах или килограммах в час. Этот параметр не может характеризовать работу печи, т.к. ее размеры и прочие характеристики зависят от количества тепла, которое необходимо передать сырью. Теплопроизводительность печи (тепловая мощность) – это количество тепла, воспринимаемого сырьем в печи в единицу времени. На современных печах тепловая мощность достигает к Вт. Тепловая мощность трубчатой печи не имеет точного значения, и может значительно возрастать с увеличением расхода топлива. Это может привести к превышению предельно допустимой величины, что вызовет снижение теплового к.п.д. и износ основных узлов печи. Тепловой к.п.д. равен отношению количества полезного тепла, воспринимаемого сырьем к полному количеству тепла, выделяемого при сжигании топлива. Его величина зависит от температуры уходящих дымовых газов, коэффициента избытка воздуха, состояния тепловой изоляции и герметичности печи и т.п. К.п.д. современных печей равен 65 – 75 %. Использование подогретого воздуха позволяет повысить к.п.д. до 90%.

Показатели работы ТП Теплонапряжение поверхности нагрева – количество тепла, переданного через единицу поверхности нагрева в единицу времени. Различают теплонапряжение труб всей печи, среднее теплонапряжение радиантных или конвекционных труб, теплонапряжение отдельных участков труб. Величина теплонапряжения характеризует степень эффективности передачи тепла поверхностью нагрева всей печи или отдельных ее участков. Чем выше теплонапряжение печи, тем меньше ее размеры. Существует максимально допускаемое и фактическое теплонапряжения радиантнойй и конвекционной поверхности нагрева. Целесообразно выравнивать теплонапряжение по всей поверхности экранных труб.

допустимые тепловые напряжения поверхности нагрева радиантных труб (к Вт/м 2): Нагревательные печи: Нагрев без испарения 46 – 58 Нагрев и испарение нефти (до 613 К) 31 – 47 То же (до 698 К) 27 – 35 Вакуумная перегонка мазута 24 – 31 Замедленное коксование 23 – 35 Каталитический крекинг 29 – 47 Каталитическое дегидрирование бутана 29 – 35 Отгонка растворителей от масел 23 – 35

допустимые тепловые напряжения поверхности нагрева радиантных труб (к Вт/м 2): Нагревательно - реакционные печи: Глубокий крекинг дистиллятного сырья 29 – 47 Легкий крекинг тяжелого и остаточного сырья 24 – 41 Легкое разложение мазута 29 – 47 Пиролиз газообразных углеводородов 23 – 47 Пиролиз бензиновых фракций 12 – 24 Среднее теплонапряжение конвекционной поверхности лежит в пределах 8 – 17.5 к Вт/м 2, на АВТ теплонапряжение поверхности конвекционных труб составляет 14.5 – 19.1 к Вт/м 2.

Показатели работы ТП Тепловое напряжение топочного пространства – количество тепла, выделяемого при горении топлива в единице объема топочного пространства в единицу времени. Величина характеризует эффективность использования объема топки. В современных трубчатых печах показатель достигает 40 – 80 к Вт/м 3, а для цилиндрических печей составляет 87 – 290 к Вт/м 3. Температура дымовых газов на перевале определяет температуру, при которой дымовые газы поступают в конвекционную камеру трубчатой печи. Она является показателем распределения тепла между радиантнойй и конвекционной камерами печи. Чрезмерно высокая температура газов на перевале свидетельствует об увеличении количества тепла, поступающего в конвекционную камеру; при этом в радиантнойй камере наблюдается повышенное коксообразование, приводящее к прогару труб. Коэффициент прямой отдачи – отношение количества тепла, переданного радиантным трубам, к общему количеству тепла, полезно выделенного при сгорании топлива в топочном пространстве.

Показатели работы ТП Коэффициент теплопередачи зависит от скорости движения дымовых газов в конвекционной камере. Расчет величины наружной поверхности труб, которая необходима для нагрева сырья до заданной температуры ведут по основному уравнению теплопередачи: где Qк – тепло, переданное в конвекционной камере. Оно определяется как разность между общим полезным теплом и теплом, переданным в радиантнойй секции. В первом приближении для расчета коэффициента теплопередачи можно использовать упрощенное выражение: в котором пренебрегают влиянием термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений. Если сырьем, нагреваемым в трубах является жидкость, то Температура дымовых газов на выходе из печи должна быть как можно ниже. В расчетах эту температуру обычно принимают на К выше температуры сырья, подаваемого в печь.

Показатели работы ТП Степень экранирования камеры сгорания – отношение экранированной поверхности стен топки к общей поверхности стен. Теплонапряжение поверхности топки – отношение общего количества тепла, введенного в топку к общей поверхности стен. В трубчатых печах эта величина составляет к Вт/м 2. Теплонапряжение эквивалентной абсолютно черной поверхности – отношение общего количества тепла, введенного в топку, к величине эквивалентной абсолютно черной поверхности. Пирометрический коэффициент – отношение температуры дымовых газов на перевале (на выходе из топки) к максимальной температуре горения. Степень использования поверхности нагрева – отношение среднего фактического теплонапряжения радиантных труб к максимально допустимому. К.п.д. теплоотдачи радиацией – отношение количества тепла, передаваемого радиацией к максимальному количеству тепла, которое может быть передано при данной температуре стенки трубы.