ПЕЧЬ УСТАНОВКИ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ

Полезная модель относится к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева тяжелых нефтяных фракций в процессах замедленного коксования с конечной целью получения дополнительного количества светлых жидких нефтепродуктов и кокса.
В качестве тяжелых нефтяных жидкостей используют мазут, гудрон, вакуумный газойль, асфальты, битумы, пиролизные и сланцевые смолы, пек, тяжелые нефти, подвергающиеся реакциям крекинга, конденсации и полимеризации, в результате чего образуются газ коксования, дополнительные светлые нефтепродукты, подлежащие дальнейшей переработки или являющиеся целевым компонентом, и твердый углеродный материал - нефтяной кокс, широко используемый в химической, сталелитейной и алюминиевой отраслях.
Коксование представляет собой процесс термического крекинга, в котором один из конечных продуктов включает в себя чистый углерод, т.е. кокс. Процесс замедленного коксования был первоначально разработан для минимизации выхода на нефтеперерабатывающем заводе остаточного жидкого топлива, такого как вакуумные остатки и термические смолы, для получения кокса и углеводородов с более низкой молекулярной массой путем его крекинга. Процесс крекинга нефтяного сырья начинается в печи коксования, где в реакционной части змеевика происходят нагрев до температуры 485-510°С и частичный крекинг сырья. Нагретое в змеевике печи сырье далее поступает в коксовый барабан, где происходит основной процесс коксообразования. Одним из требований к режиму и конструкции печи коксования является создания условий, которые позволят нагревать исходное сырье с задержкой коксования до температуры крекинга без образования нежелательных отложений углерода на внутренней поверхности змеевика печи, что приводит к ограничению потока через закоксованный участок трубы и может привести к осаждению дополнительного кокса. Коксовые отложения, в свою очередь, имеют тенденцию изолировать трубу, так что для достижения заданной температуры сырья на выходе из печи требуется больше подвода тепла, и сырье должно нагнетаться при все более высоком давлении. В результате воздействия на трубы высоких температур и повышенного давления значительно увеличивается вероятность разрыва трубы и остановки установки. Из-за образования отложений кокса в змеевике печи приходится периодически останавливать работу установки и удалять кокс, образовавшийся внутри змеевика.
В этой связи основная цель при разработке конструкции печей установки замедленного коксования- добиться минимизации образования коксовых отложений, что позволяет увеличить длительность пробега печи без останова на очистку змеевика с одновременным увеличением мощности печи для обеспечения необходимых объемов сырья коксования на установке.
Используемые в настоящее время печи коксования представляют собой трубчатые конструкции, в которых исходное сырье подвергается сначала конвекционному нагреву потоком дымовых газов, а затем радиационному нагреву открытым пламенем. Как правило, трубчатая печь включает коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи, и горелки, установленные в поду печи.
Так, известна трубчатая печь коробчатой формы, содержащая камеры конвекции и радиации, при чем в камере радиации размещен змеевик, составленный из вертикальных параллельных труб, скрепленных отводами, и горелок, обогревающих трубы змеевика факелом сгорающего топлива из горелок, установленных в поду печи (каталог «Трубчатые печи», изд. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1998 г., стр. 8).
Недостатком такой печи является повышенное гидродинамическое сопротивление змеевика печи, обусловленное местным сопротивлением крутоизогнутых отводов (калачей), меняющих направление движения потока на противоположное, а также недостаточное экранирование камеры радиации из-за отсутствия труб на боковых стенах топочного пространства печи, вызывающее повышение теплонапряжения при увеличении тепловой нагрузки на печь, сопровождаемое повышением опасности закоксовывания теплопередающей поверхности и сокращением межремонтного пробега печи.
Известна цилиндрическая трубчатая печь, включающая корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи, при этом конвективный змеевик поднимается по спирали снизу вверх снаружи кольцевой перегородки, соединяется наверху печи вертикальными патрубками с радиантным змеевиком, который опускается по спирали сверху вниз внутри этой же перегородки и обогревается горелкой, размещенной в поду печи. (RU 2296926, 10.04.2007)
Недостатком этой печи является то, что в радиационной части змеевика печи, спиральная кольцевая форма змеевика способствует расслоению потока за счет центробежной силы на две части: жидкую фазу, расположенную снаружи поперечного сечения кольцевого участка трубы, и паровую фазу, прилегающую к внутренней стороне того же участка трубы, освещенной излучающей поверхностью факела горелки, которые далее движутся ламинарно. Это обстоятельство может сопровождаться кризисом теплопередачи второго рода (сухие пятна) и закоксовыванием теплопередающей поверхности, что часто является причиной остановки установки.
Известна печь, в радиационной камере которой змеевик состоит из горизонтально расположенных труб, которые подвергаются нагреву как в нижней части с помощью подовых горелок, так и в верхней части с использованием стенных горелок (RU 2568713, 20.11.2015)
Недостатком конструкции является ее технологическая сложность, вызывающая необходимость четкого регулирования нагревов локальных зон змеевика при воздействии нескольких горелок. В силу несовершенства конструкции эти печи не получили распространения в установках замедленного коксования.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция радиационной камеры, в которой змеевик состоит из горизонтально расположенных труб, обогрев осуществляется горелками, расположенными в поду печи, с двух сторон от центрально расположенного змеевика (US 005078857, 1992).
Недостатком данной конструкции является наличие коксообразования в змеевике, обусловленное его неоптимальными параметрами, что не позволяет обеспечить достаточно мощный турбулентный продуктовый поток, способный предотвратить оседание частиц кокса на внутренних стенках змеевика, являющихся центрами образования коксовых отложений.
Технической задачей, решаемой авторами, является создание конструкции трубчатой печи установки замедленного коксования, обеспечивающей повышение ее эффективности, а именно позволяющей увеличить мощность, экономичность печи и длительность ее безостановочного пробега на очистку змеевика от коксовых отложений.
В основе предлагаемого решения была положена идея разделения входящего потока на несколько (многопоточная схема), что позволяет использовать в змеевиках камер радиации труб меньшего диаметра, что требует меньших энергозатрат на нагревание и уменьшает возможность перегрева стенок змеевика, и, соответственно, уменьшению коксообразования. Было показано, что оптимальные результаты могут быть достигнуты, если использовать трубы с внутренним диаметром не более 125 мм.
2
2
Технический результат достигается путем создания трубчатой печи, включающей камеру конвекции и не менее двух камер радиации, с размещенными в них змеевиками, при этом змеевики камер радиации расположены в центре камер радиации, по обе стороны змеевика в поду печи расположены горелки, обеспечивающие плоскофакельный нагрев, а сам змеевик представляет собой параллельные горизонтальные трубы двухстороннего обогрева, соединенные отводами в районе торцевых стен, используемая конструкция змеевика должна обеспечивать среднюю плотность теплового потока 37900-47400 Вт/м, массовые скорости сырья в змеевике в диапазоне 1700-2200 кг/(м⋅с) и минимальные линейные скорости холодного сырья на входе в печь 1,5-2,0 м/с, причем межтрубное расстояние в змеевике составляет один диаметр трубы за исключением трех нижних звеньев, где межтрубное расстояние составляет 1,5-2 диаметра трубы змеевика. Для сокращения числа поворотов и достижения более равномерного движения потока целесообразно использовать змеевик с соотношением длины трубы змеевика (L) к его высоте (Н), равным L/H=2,2-2,8.
Заявляемая конструкция обеспечивает равномерное движение продукта в змеевике, делает поток более однородным, без изменения скорости потока и образования дополнительного перепада давления по змеевику при минимальном количестве отводов (поворотов). Высокие скорости сырья и, следовательно, более высокий коэффициент теплопередачи в змеевике обеспечивают оптимизацию динамики движения продуктового потока, повышают турбулентность потока и способствуют выносу микрочастиц кокса из зоны нагрева, не давая им оседать на стенках змеевика и препятствуя образованию центров кристаллизации. Меньшая длина и число труб змеевика, а также высокие скорости сырья обеспечивают минимальное время пребывания продукта в змеевике, в том числе в области температур крекинга. Вдобавок, меньшая площадь змеевика снижает материальные затраты на змеевик, уменьшая общую себестоимость печи. Увеличение межтрубного пространства для последних трех труб (по ходу сырья) до 1,5 диаметра трубы обеспечивает уменьшение теплонапряжения и, следовательно, температуры стенки труб в области максимальных температур нагрева сырья. Увеличение межтрубного расстояния в нижней части змеевика менее 1,5 диаметров не позволяет уменьшить теплонапряжение на трубы, а увеличение более двух диаметров не дает существенных преимуществ и конструктивно нецелесообразно.
Оптимальным является использование в конструкции печи не менее двух камер радиации, обеспечивая создание нескольких независимых потоков, что дает возможность производить очистку труб змеевика без останова процесса в целом (очистка змеевика на ходу), когда в одном из потоков печи нефтяное сырье заменяют на пар/воду, происходит термический выжиг кокса, при этом остальные потоки находятся в работе. Благодаря возможности очистки труб на ходу происходит существенное увеличение длительности непрерывной работы установки. К тому же, использование нескольких потоков сырья позволяет обеспечить необходимую мощность печи и требуемую загрузку сырья коксования на установке.
Общая схема печи замедленного коксования представлена на фиг. 1, фронтальный разрез печи на фиг. 2, где используются следующие обозначения:
корпус печи 1; камера радиации 2; камера конвекции 3;
трубопровод подачи продуктового потока 4; дымоход 5; перекидки 6;
змеевик камеры конвекции 7; змеевик камеры радиации 8; отводы 9; подвеска 10; горелка 11;
трубопровод отвода продуктового потока 12; съемные участки змеевика 13; система контроля 14.
Корпус печи 1 замедленного коксования содержит, как правило, две отдельные камеры радиаций 2, и общую, расположенную над ними, камеру конвекции 3. Наличие нескольких камер радиации дает возможность производить очистку труб змеевика без останова процесса в целом (очистка змеевика на ходу), когда в одном из потоков печи нефтяное сырье заменяют на пар/воду и происходит термический выжиг кокса, при этом остальные потоки находятся в работе. Установка переходит на пониженную мощность, но не выводится из работы. Благодаря возможности очистки труб на ходу происходит существенное увеличение длительности непрерывной работы установки.
Камера конвекции 3 представляет собой футерованную изнутри шахту прямоугольного сечения, снабженную трубопроводом подачи продуктового потока 4, дымоходом 5, перекидкой 6. Внутри камера конвекции 3 заполнена горизонтальными гладкими и оребренными трубами конвективной части змеевика 7, закрепленными в решетках. При этом дымовые газы печи идут снизу вверх, противотоком с сырьем, и выводятся из печи через дымоход 5, установленный на камере конвекции 3.
Змеевик камеры конвекции 7 связан с трубопроводом подачи продуктового потока 4 и посредством перекидок 6 со змеевиками камер радиации 8.
В камерах радиации 2 происходит частичный крекинг сырья. Подвод топлива и воздуха к горелкам печи осуществляется для каждой камеры отдельно, обеспечивая тем самым более равномерный обогрев труб змеевиков камер радиации 8.
Каждая камера радиации 2 представляет собой металлическую футерованную изнутри камеру коробчатой формы, в центре которой расположен змеевик камеры радиации 8 двухстороннего обогрева, состоящий из горизонтальных труб, соединенных отводами (поворотами) 9 в районах торцевых стен камеры.
Змеевик камеры радиации 8 установлен на подвесках 10. Подвеска 10 состоит из двух стоек, устанавливаемых вертикально, расположенных между двумя стойками кронштейнов, на которых «лежат» трубы змеевика 8, и элементов крепления в верхней части подвески, через которые вся конструкция крепится относительно корпуса печи 1 и имеет определенный натяг для компенсации термических расширений.
Трубы и отводы змеевиков печи имеют проходное сечение одного внутреннего диаметра, что обеспечивает равномерное движение продукта в змеевике, делает поток более однородным, без изменения ее скорости и образования дополнительного перепада давления по змеевику. Необходимое увеличение толщины стенок для отводов 9 происходит за счет увеличения наружного диаметра отвода, что обеспечивает равномерное течение потока внутри змеевика и требуемый запас прочности по толщине металла для эрозионно-механического износа при очистке труб.
Соотношение длины трубы змеевика (L) к высоте змеевика (Н) равным: L/H=2,2-2,8, обеспечивает его конструкцию с минимальным количеством отводов (поворотов).
2
За счет использования конструкции змеевика с двухсторонним обогревом, допустимое значение средней плотности теплового потока составляет 37900-47400 Вт/м, что позволяет уменьшить общую длину труб и поверхность обогрева змеевика.
2
Центральное расположение змеевика обеспечивает теплонапряжение с минимально-возможной неравномерностью обогрева труб. Оптимальным является конструкция змеевика со значением средней плотности теплового потока равным 37900-47400 Вт/м. Такое повышенное допустимое теплонапряжение позволяет уменьшить общую длину труб и поверхность змеевика.
Межтрубное расстояние в змеевике составляет один диаметр трубы за исключением трех нижних звеньев, где межтрубное расстояние составляет 1,5-2 диаметра трубы змеевика, снижая теплонапряжение и температуру трубы змеевика в этой зоне.
По обе стороны от змеевика камеры радиации 8 на равном расстоянии в поду печи расположены горелки 11, обеспечивающие плоскофакельный нагрев.
Горелки 11 расположены в поду печи симметрично по обе стороны от змеевика камеры радиации 8, снабжены воздуховодами подачи горячего дутьевого воздуха для обеспечения стабильного горения топливного газа и равномерного обогрева змеевика камеры радиации 8. Каждая горелка плоскофакельная и имеет малую тепловую мощность, не превышающую 1 МВт, при этом обеспечивает высоту пламени до 1 м.
Змеевик камеры радиации 8 связан трубопроводом отвода продуктового потока 12 с камерами коксования.
Для возможности гидромеханической и/или паровоздушной очистки труб змеевика предусмотрены съемные участки змеевика 13, а для возможности контроля температуры стенки труб змеевика печь оборудуется системой контроля 14, состоящей из поверхностных термопар конвективного и радиационного змеевика.
Установка работает следующим образом.
Перерабатываемый продукт по трубопроводу подачи продуктового потока 4 поступает в змеевик камеры конвекции 7, где подогревается подаваемыми противотоком дымовыми газами до температуры порядка 350°С, затем потоком сверху вниз по перекидкам 6 поступает в змеевики камер радиации 8.
Змеевик камеры радиации 8 подвешен на подвески 10, которые компенсируют перемещения труб при терморасширении за счет пружинно подвесной системы, в том числе на обводах труб, что позволяет сохранить точки ввода-вывода продукта неподвижными.
2
В камере радиации 2 продукт последовательно проходит по горизонтальным трубам змеевика камеры радиации 8 и соединяющим их отводам 9, нагреваясь до температуры 485-510°С. Двухсторонний обогрев змеевика камеры радиации 8 осуществляется плоскофакельными горелками 11, как правило, мощности менее 1 МВт, образующими так называемую «стену огня». При этом происходит частичный крекинг с образованием газообразных и жидких углеводородов и углерода (кокса). За счет того, что межтрубное расстояние для трех нижних звеньев змеевика камеры радиации 8 устанавливается большим по сравнению с верхней частью, удается обеспечить минимальное теплонапряжение трубы змеевика в этой зоне. За счет использования труб малого диаметра удается достичь оптимального режима движения выходящего турбулентного потока с высокой скоростью (массовые скорости сырья в змеевике в диапазоне 1700-2200 кг/(м⋅с)), что обеспечивает вынос образующихся микрочастиц кокса из змеевика радиационной камеры, и продукт поступает по трубопроводу отвода продуктового потока 12 в блок коксования.
В результате использования заявляемой модифицированной печи удается на 8-10% увеличить цикл безостановочной работы печи и время безремонтной эксплуатации установки в целом, сократить затраты на металлоемкость змеевика, тем самым снижая общую себестоимость установки, при этом обеспечить заданную мощность и требуемую загрузку сырья коксования на установке.