УСТРОЙСТВО ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предлагаемое техническое решение относится к области конструкции корпуса технологических печей (ТП) и может быть использовано для ограждающих конструкций ТП переработки нефтепродуктов, паровых котлов, печей разогрева сырья. Техническое решение обеспечивает снижение расхода топлива за счет уменьшения теплового потока от корпуса ТП в окружающее пространство.
Конструкции известных ТП в той или иной степени способствуют снижению процессов теплового обмена от корпуса ТП в окружающую среду в основном за счет применения внутренней футеровки. Однако проблема снижения расхода топлива на возмещение тепловых потерь от корпуса, как следует из уровня техники, не решена. Увеличение толщины футеровки печи влечет за собой либо уменьшение внутреннего пространства печи и, как следствие, снижение производительности печи, либо увеличение наружных габаритов печи, влекущие за собой повышение стоимости ТП.
Уровень техники.
Известны трубчатые нагревательные печи по РД 3688-00220302-003-04. Трубчатая печь включает в себя:
- оборудование (змеевики продуктовые, змеевики, предназначенные для выработки и/или перегрева водяного пара, воздухоподогреватели), подвески, решетки и опоры для змеевиков;
- горелочные устройства (на газовом, мазутном или комбинированном топливе);
- гарнитуру (люки-лазы, взрывные окна, шибера);
- теплое ограждение (футеровка, теплоизоляция);
- металлоконструкции (несущие и ограждающие);
- лестницы, марши, газоходы, воздуховоды, трубопроводы, дымовые трубы;
- тягодутьевые машины (вентиляторы и дымососы).
Расчет толщины футеровки и тепловой изоляции корпуса печи, газоходов, воздуховодов и трубопроводов в пределах печи выполняют исходя из условий:
- обеспечения такого значения расчетной температуры наружной поверхности перечисленных выше элементов печи, при которой величина тепловых потерь соответствует принятому уровню технико-экономических показателей печи;
- соблюдения требований техники безопасности.
2
Расчет величины тепловых потерь через обшивку печи осуществляется при температуре окружающего воздуха, равной средней за год в районе размещения печи, и коэффициенте теплоотдачи от обшивки к воздуху 35 ккал/м⋅ч°C.
Температура наружной поверхности любого элемента печи в зоне ее обслуживания не должна превышать 60°C. Вне пределов рабочих зон и зон обслуживания печи температура наружной поверхности любого элемента печи может достигать 80°C, при средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца в районе расположения печи.
Недостатком данного решения является большие тепловые потери от корпуса печи. Например, даже при минимальной допустимой температуре поверхности технологической печи в 60°C «нормированный» расход топлива на возмещения тепловых потерь от корпуса составляет более 5% от всего расхода.
Известен патент РФ на полезную модель №130664 «Многослойная тепловая изоляция». Многослойная тепловая изоляция содержит грунтовочный слой, выполненный в виде водно-керамической композиции марки «Hot Pipe Coating», как минимум один первый теплоизоляционный слой, выполненный в виде водно-керамической композиции марки «Hot Pipe Coating», расположенный на грунтовочном слое, и последующие теплоизоляционные слои, выполненные в виде жидколатексной керамической композиции марки «Temp-Coat», расположенные друг на друге своими соответствующими поверхностями и расположенные поверхностью своего второго слоя на поверхности как минимум одного первого теплоизоляционного слоя.
Недостатками данного решения являются:
- высокий вес конструкции изоляции;
- невозможность постоянного мониторинга поверхности технологической печи под многослойным покрытием;
- сложность ремонта изоляции и малый срок службы подобного покрытия.
Из уровня техники известно множество патентов:
- RU 2304600 С2, C09B 5/02, C09B 5/08, 20.08.2007. В известном техническом решении применяют композицию, наполненную полыми микросферами, в качестве антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия трубопроводов. Изобретение относится к химической промышленности, касается создания средств, используемых при антикоррозионной защите и теплозащите различных поверхностей от перегрева, в частности металлических поверхностей, бетонных поверхностей, оштукатуренных поверхностей и других строительных конструкций из металла и бетона, эксплуатируемых в атмосфере агрессивных сред, в частности для теплоизоляции и защиты от коррозии трубопроводов, включая теплоизоляцию трубопроводов теплового и водяного снабжения.
- RU 2502763 С1, C09B 5/02, C09B 5/08, 27.12.2013 Антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие, выполненное из водно-суспензионной композиции вязкостью от 1 до 100 Па⋅с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с наполнителем - полыми микросферами 5-95 об.%
- RU 2311397 Состав для получения теплозащитного покрытия, содержащий полые керамические микросферы в качестве наполнителя, полимерное связующее, технологическую добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит полые керамические микросферы, в качестве полимерного связующего содержит латекс.
Все приведенные выше патенты относятся к области структуры и состава жидкокерамических материалов, рекомендованных авторами для тепловой изоляции, в том числе и технологических печей.
Технологические печи состоят из металлического корпуса (редко кирпичного или бетонного) и внутренней футеровки. Тепловая изоляция печи снаружи корпуса жидко-керамическими материалами и другими теплоизоляционными материалами вызывает ряд проблем.
Например, при тепловой изоляции ТП минераловатными или пенополиуретановыми покрытиями снаружи корпуса отсутствует визуальный контроль над состоянием поверхности корпуса печи. Ведомственные нормы эксплуатации пожароопасного оборудования требуют проведения постоянного визуального мониторинга состояния корпуса ТП. Увеличивается нагрузка на каркас ТП. Возрастает температура корпуса под изоляцией.
2
При тепловой изоляции ТП снаружи корпуса жидкокерамическими материалами повышается температура корпуса. Заявленный в описаниях жидкокерамических материалов коэффициент теплопроводности от 0,003 до 0,001 Вт/м°C обеспечивает термическое сопротивление слоя в 3.0 мм не менее 1,0 м°С/Вт. Такое повышение термического сопротивления последнего слоя обеспечивает повышение температуры корпуса ТП более чем на 100°С. Пропорционально возрастает и температура конструкции футеровки внутри ТП. Перегрев футеровки и обшивки корпуса ведет к уменьшению срока эксплуатации ТП.
Не проходят данные жидкие материалы и по требованиям пожарной безопасности для взрывоопасных производств.
Сущность полезной модели
Техническая задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в изменении структуры наружной поверхности корпуса ТП, обеспечивающей снижение теплоотдачи поверхности в окружающий воздух за счет уменьшения теплового излучения и конвективного теплообмена.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в снижении тепловых потерь от корпуса ТП.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство ограждающей конструкции корпуса технологической печи, содержащее корпус с каркасом и конструкцию внутренней футеровки, причем внешняя поверхность корпуса печи покрыта неоднородным по структуре покрытием, состоящим из смеси латекса и диспергированного в нем в количестве от 40 до 70 об. % вспученного перлита.
В частном случае реализации заявленного технического решения наружное защитное покрытие выполнено толщиной от 0,4 до 2,0 мм.
Краткое описание чертежей.
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленной полезной модели с использованием чертежей, на которых показано:
На фиг. 1 отражен пример ограждающей конструкции корпуса ТП для разогрева сырья.
На фиг. 2 отражен пример ограждающей конструкции корпуса ТП первичной переработки нефтепродуктов.
На фиг. 3 отражен пример ограждающей конструкции корпуса ТП для разогрева сырья с дополнительным защитным покрытием.
На фиг. 4 отражен пример ограждающей конструкции корпуса ТП первичной переработки нефтепродуктов с дополнительным защитным покрытием.
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - корпус печи; 2 - наружный каркас; 3 - сборная конструкция внутренней футеровки и тепловой изоляции; 4 - внешнее покрытие корпуса и каркаса ТП дискретным, неоднородным по структуре составом (толщиной не более 2,0 мм), например, составом из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объема всего состава).
Раскрытие полезной модели
Техническое решение относится к конструкции корпуса технологических печей (ТП) и может быть использовано для снижения энергопотребления и повышения безопасности персонала, а также для дополнительной защиты металлического каркаса ТП от неблагоприятных факторов внешней среды на предприятиях металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Конструкции известных ТП в той или иной степени способствуют снижению процессов теплового обмена от корпуса ТП в окружающую среду в основном за счет применения внутренней футеровки. Однако проблема снижения расхода топлива на возмещение тепловых потерь от корпуса, как следует из уровня техники, не решена. Увеличение толщины футеровки печи влечет за собой либо уменьшение внутреннего пространства печи и, как следствие, снижение производительности печи, либо увеличение наружных габаритов печи, влекущие за собой повышение стоимости ТП.
В предлагаемой полезной модели с наружной стороны ограждающей конструкции (корпуса) ТП нанесен (толщиной не более 2,0 мм) дискретный, неоднородный по структуре состав.
При застывании состава образуется слой сплошного покрытия с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.
Слой покрытия, образованный на поверхности корпуса, получается с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса ТП коэффициентами теплоотдачи.
При максимально допустимой толщине (не более 2,0 мм) покрытия только наличие в покрытии наполнителя позволит снизить теплоотдачу от поверхности материала. Получается не сплошная (по свойствам) поверхность. Данная структура материала имеет по сравнению со сплошной структурой более низкую теплоотдачу и теплопроводность. В то же время указанная толщина покрытия обеспечивает отсутствие перегрева металла корпуса ТП и не мешает визуальному контролю состояния корпуса. Также при этом обеспечивается ряд требований к пожарной безопасности конструкции ТП.
Примерами таких составов являются составы из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70 об. % всего состава), составы из смеси латексов и диспергированных в них вспученных перлитов (от 40 до 70 об. % всего состава) или, например, составы из смеси латексов и диспергированных в них микросфер (от 40 до 70%).
После полимеризации состава на поверхности корпуса образуется дискретный, неоднородный по структуре слой покрытия с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса ТП коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.
Минимальная толщина покрытия ограничивается «укрывистостью» используемого состава покрытия. Например, для составов, использующих в качестве наполнителя микросферы, «укрывистость» не менее 0,2 мм, для составов, использующих в качестве наполнителя вспученный перлит, «укрывистость» не менее 0,4 мм. Максимальная толщина покрытия ограничивается противопожарными нормами для особо опасных производств, то есть не более 2,0 мм.
Использование наполнителя в составе менее 40 об. %, резко снижает дискретные свойства поверхности покрытия. Использование наполнителя в составе более 70%, снижает линейное растяжение готового покрытия и, как следствие, срок службы покрытия.
Только наличие в покрытии наполнителя (от 40 до 70 об. % всего состава) позволит снизить теплоотдачу от поверхности материала. Получается несплошная (по свойствам) поверхность. Данная структура материала имеет по сравнению со сплошной структурой более низкую теплоотдачу и теплопроводность. В то же время указанная толщина покрытия обеспечивает отсутствие перегрева металла корпуса ТП и не мешает визуальному контролю состояния корпуса. Также при этом обеспечивается ряд требований к пожарной безопасности конструкции ТП.
Пример конструкции ТП для разогрева сырья отражен на фиг. 1.
Ограждающая конструкция данной ТП состоит из слоя футеровки (огнеупорный кирпич), защищенного изнутри термостойкой шпатлевкой.
Далее сборная конструкция стальной обшивки корпуса и каркаса. Стальная поверхность обшивки корпуса и каркаса обработана антикоррозийным составом и защитной эмалью. Марки и технические характеристики используемых в ТП материалов зависят от требований к условиям эксплуатации ТП, возможности поставщиков, стоимости используемых материалов и влияния на предложенное в полезной модели решение не оказывают.
Пример конструкции ТП первичной переработки нефтепродуктов отражен на фиг. 2.
Ограждающая конструкция данной ТП состоит из слоя футеровки (термостойкие минераловатные маты), защищенного изнутри термостойкой шпатлевкой, слоев тепловой изоляции из минераловатных плит. Далее конструкция стальной обшивки корпуса с каркасом. Стальная поверхность обработана антикоррозийным составом и защитной эмалью. Марки и технические характеристики используемых в ТП материалов зависят от требований к условиям эксплуатации ТП, возможности поставщиков, стоимости используемых материалов и влияния на предложенное в полезной модели решение не оказывают.
В обоих приведенных в примерах конструкциях корпуса ТП конечным элементом является стальная обшивка. Известно, что сталь имеет высокую степень тепловой отдачи. Влияния защитной окраски на снижение степени тепловой отдачи нет.
2
Коэффициент теплоотдачи - величина, характеризующая интенсивность отдачи тепла, и определяется отношением плотности теплового потока, отдаваемого поверхностью к разнице температур между поверхностью и прилегающей средой. Расчетный коэффициент теплоотдачи, СНиП 2.04.14-88 (применительно), приложение 9, равен 35 Вт/м °С.
Открытая металлическая (кирпичная или бетонная) поверхность имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Это связано с физическими свойствами используемых для корпуса ТП материалов. Задача предложенного нами решения изменить физическую структуру наружной теплоотдающей поверхности и, как следствие, снизить теплоотдачу этой поверхности, при этом не нарушить возможность визуального контроля над состоянием поверхности ТП, не допустить перегрева корпуса.
Как правило, ограждающая конструкция ТП состоит из трех основных элементов: корпуса, каркаса, обеспечивающего прочность корпуса, и внутренней конструкции футеровки (возможно с элементами тепловой изоляции). В ряде случаев функции корпуса и каркаса несет в себе усиленная конструкция футеровки, например мартеновские печи.
Таким образом, в отличие от традиционной конструкции корпуса печи, состоящего из внутренней футеровки (тепловой изоляции) и корпуса с каркасом, новая ограждающая конструкция ТП включает в себя 4 элемента: 1 - корпус, 2 - каркас, 3 - комплекс внутренней футеровки и тепловой изоляции, 4 - наружное защитное покрытие толщиной не более 2,0 мм, образованное дискретным, неоднородным по структуре составом, например, составом из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объема всего состава).
Примерами таких составов являются составы из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объема всего состава), составы из смеси латексов и диспергированных в них вспученных перлитов (от 40 до 70% объема всего состава). Или, например, составы из смеси латексов и диспергированных в них микросфер (от 40 до 70% объема всего состава).
За счет более низкой по сравнению с материалом корпуса ТП теплоотдачи и теплопроводности дополнительного покрытия ограждающей конструкции ТП, покрывающего корпус и каркас ТП, тепловые потери от корпуса и каркаса ТП в атмосферу снижаются. Таким образом, техническое решение ведет к снижению расхода топлива на возмещение потерь тепла от корпуса ТП в окружающий воздух.
Максимальная толщина защитного покрытия, равная 2,0 мм, ограничена возможностью обеспечения визуального контроля над состоянием поверхности ТП.
Ограничение объема используемого в защитном покрытии наполнителя от 40 до 70% от объема всего состава связано с тем, что при наличии менее 40 об. % наполнителя в составе снижение теплоотдачи поверхности незначительно и не окупает произведенных затрат.
При наличии более 70 об. % наполнителя в объеме состава снижается способность защитного покрытия к линейному растяжению. После остановки работы ТП подобное покрытие (с наполнителем более 70 об. %) разрушится.
Примером состава защитного покрытия может служить смесь бутадиен-стирольного латекса, акриловых полимеров, аммиака, воды и смеси наполнителей вспученного перлита, кварца, окиси цинка, двуокиси титана.
Массовая доля растворителя (воды) составляет 47%, массовая доля нелетучих веществ составляет 53%. Массовая доля нелетучих веществ состоит из 28% полимерных компонентов и 25% негорючих неорганических составляющих.
В состав нелетучей неорганической части входят оксид кремния 25%, оксид титана 28%, оксид кальция 19%, оксид цинка 20%, оксид калия 5%, оксид железа 3%.
В результате исследования характеристик сухого покрытия данного состава определено:
3
плотность покрытия - 410 кг/м;
удельная теплоемкость - 1,10 кДж/кг°C;
2
коэффициент теплоотдачи - 2,0-3,0 Вт/м°C;
горючесть покрытия - Г1.
2
Для сравнения коэффициент теплоотдачи от металлической поверхности в окружающий воздух (СНиП 2.04.14-88, применительно) равен - 35 Вт/м°C.
Сравним два варианта расчета тепловых потерь от корпуса ТП с защитным покрытием и без него.
1 вариант. Без защитного покрытия (фиг. 1).
Сопротивление теплопередачи конструкции:
в
2
α - коэффициент тепловосприятия ограждения конструкции - 50 Вт/м°C.
δ - толщина ограждения конструкции - 0,2 м.
λ - усредненный коэффициент теплопроводности всей ограждающей конструкции - 1,0 Вт/м°C.
н
2
α - коэффициент теплоотдачи от поверхности - 35 Вт/м°C.
0
2
R - расчетное сопротивление теплопередачи - 0, 25 м°C/Вт.
Тепловые потери от заданной конструкции:
t - температура среды внутри печи - 800°C.
н
t - температура наружного воздуха - 0°C.
2
q - расчетные тепловые потери - 3144 Вт/м.
2 вариант. С защитным покрытием (фиг. 3).
Примечание: для упрощения сравнительного расчета не учитываем изменение толщины ограждения конструкции и изменения теплопроводности от нанесения защитного покрытия.
Сопротивление теплопередачи конструкции:
в
2
α - коэффициент тепловосприятия ограждения конструкции - 50 Вт/м°C.
δ - толщина ограждения конструкции - 0,2 м.
λ - усредненный коэффициент теплопроводности всей ограждающей конструкции - 1,0 Вт/м°C.
н
2
α - коэффициент теплоотдачи от поверхности - 3,0 Вт/м°C.
0
2
R - расчетное сопротивление теплопередачи - 0,55 м°C/Вт.
Тепловые потери от заданной конструкции -
t - температура среды внутри печи - 800°C.
н
t - температура наружного воздуха - 0°C.
2
q - расчетные тепловые потери - 1446 Вт/м.
Изменение свойств теплоотдачи ограждающей конструкции ТП позволяет снизить тепловые потери от корпуса ТП в 2,2 раза.