УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И НАГРЕВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
INSTALLATION FOR BURNING FUEL HEATING PROCESSING MEDIA

Изобретение относится к нефтехимическому машиностроению и может быть использовано в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для крекинга мазута, а также для нагрева технологических сред (например, нефти, нефтяной эмульсии, газа, их смесей) и для других технологических процессов, требующих интенсивного подвода тепла.
Для нагрева и разложения нефти и вторичных продуктов ее переработки (в том числе при некаталитическом крекинге мазута) широко используются трубчатые печи, являющиеся в настоящее время по существу единственным типом применяемого для этих целей оборудования (Справочник нефтепеработчика. Л.: Химия, 1986, с.302; Агабеков, В.Е., Косяков В.К., Ложкин В.М. Нефть и газ. Добыча, комплексная переработка и использование. Минск, БГТУ, 2003, с.333). В таких печах дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива, отдают тепло подогреваемой среде, которая перемещается в теплообменных трубах, скомпонованных в пучки (пакеты) различной конфигурации, или размещенных по стенам топочного пространства.
Для трубчатых печей характерны существенные недостатки, основные среди которых:
- неравномерный нагрев поверхности труб и сложность регулирования температурного режима печи, приводящие к интенсивному закоксовыванию трубного пространства и, как следствие, к прогарам труб, к выводу печи из эксплуатации и к большим расходам на ее ремонт;
x
- сжигание топлива при высокой адиабатической температуре, что сопровождается интенсивным образованием вредных компонентов (СО и NO) и выбросом их в окружающую среду;
- необходимость использования в конструкции печи большого количества дорогостоящих жаропрочных сталей и сплавов, а также огнеупорных материалов;
- значительные потери тепла и повышенный расход топлива вследствие сброса дымовых газов с высокой температурой (200÷250°С);
- громоздкость конструкции, требующей больших площадей для размещения;
- высокая стоимость.
Ниже рассмотрены примеры известных вариантов выполнения трубчатых печей для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
x
Известна трубчатая печь, содержащая футерованный корпус, в котором с зазором установлены трубчатые экраны, образующие камеру сгорания, снабженную в нижней части факельной горелкой, причем в зазоре между корпусом и экранами установлены вентиляторы, с помощью которых часть охлажденных дымовых газов возвращаются в камеру сгорания, благодаря чему понижается температура горения в факеле и тем самым снижается концентрация NO в продуктах сгорания (Авторское свидетельство СССР №779381, М.кл. C10G 9/20, опубл. 1980, бюл. №42).
Основными недостатками этого технического решения являются следующие:
- экранные трубы со стороны, обращенной к камере сгорания, подогреваются от высокотемпературного источника за счет радиации от факела, а с тыльной стороны - охлажденными дымовыми газами, в результате чего снижается эффективность использования теплообменной поверхности, создаются большие температурные напряжения в материале труб, повышается опасность закоксовывания и прогара труб;
x
- поскольку предусмотрено использование факельной горелки, количество рециркулирующих в камеру сгорания охлажденных дымовых газов ограничено допустимым минимальным пределом снижения содержания кислорода в факеле, несоблюдение которого приводит к нарушению процесса устойчивого горения в факеле; поэтому невозможно значительное понижение адиабатической температуры горения, а следовательно, и существенное уменьшение количества образующихся в процессе горения вредных компонентов (СО и NO);
- при периферийном подводе охлажденных дымовых газов в камеру сгорания не может быть обеспечено равномерное распределение их в факеле; поэтому в последнем сохраняются зоны с повышенными температурами, что также приводит к образованию и выбросу в окружающую среду вредных примесей.
Известна также трубчатая печь, содержащая радиантную камеру с факельными горелками, в которой размещены трубчатые змеевики, и две параллельных конвективных камеры с трубчатыми змеевиками, причем нагреваемый продукт прокачивается вначале через змеевики радиантной камеры, а затем через змеевики конвективных камер; дымовые газы также контактируют сначала со змеевиками радиантной камеры, а затем со змеевиками конвективной камеры, после чего сбрасываются в дымовую трубу (патент RU №2202591, М.кл. C10G 9/20, опубл. 20.04.2003, бюл. №11).
Основные недостатки этого технического решения:
- перед сбросом в дымовую трубу дымовые газы отдают часть содержащегося в них тепла продукту, ранее уже частично нагретому в радиантной камере; поэтому не может быть достигнуто достаточно глубокое охлаждение дымовых газов перед сбросом, а следовательно, и эффективная рекуперация тепла, что приводит к повышенному расходу топлива;
x
- использование факельных горелок и связанное с этим проведение процесса горения при высокой адиабатической температуре приводит к высокому уровню содержания вредных примесей (СО и NO) в дымовых газах, сбрасываемых в окружающую среду.
Известна также трубчатая печь по патенту RU №2385896, М.кл. C10G 9/20, опубл. 10.04.2010, бюл. №10. Трубчатая печь содержит корпус с радиантной и отдельно расположенной конвективной камерами, в которых установлены радиантный и конвективный змеевики, горелочные устройства, дымовую трубу, соединенную с конвективной камерой, и обмуровку, причем печь дополнительно содержит лучеотражательную обечайку, расположенную между обмуровкой радиантной камеры и трубами радиантного змеевика, а в нижней части конвективной камеры дополнительно установлен змеевик.
Основные недостатки этой трубчатой печи:
x
- сжигание топлива при высокой адиабатической температуре, что сопровождается интенсивным образованием вредных компонентов (NO и СО) и выбросом их в окружающую среду;
- различные условия теплопередачи к поверхности труб радиантного змеевика, обращенной к потоку горячих дымовых газов и к лучеотражательной обечайке, что приводит к возникновению больших температурных напряжений, а также повышает вероятность закоксовывания и прожогов труб и, как следствие, - к выводу печи из эксплуатации и к большим расходам на ее ремонт;
- необходимость использования в конструкции печи большого количества дорогостоящих жаропрочных сталей и сплавов, в первую очередь для радиантного змеевика и лучеотражательной обечайки;
- большая общая материалоемкость;
- отсутствие эффективной рекуперации тепла дымовых газов (не предусмотрен подогрев воздуха перед горелкой), значительные тепловые потери и повышенный расход топлива вследствие сброса дымовых газов с высокой температурой (200÷250°С);
- большие габариты и занимаемая площадь;
- высокая стоимость.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ сжигания топлива по патенту RU №2347977 С1, М.кл. F23C 9/00 (2006.1), опубл 27.02.2009, Бюл. №6.
Данный способ предусматривает стабилизацию адиабатической температуры горения путем подмешивания части дымовых газов к воздуху, подаваемому на горелку беспламенного или каталитического типа, и рекуперацию тепла дымовых газов, выходящих из теплоприемника, за счет передачи его в теплообменном аппарате радиально-спирального типа подаваемым на горелку воздуху и топливу.
К недостаткам этого технического решения относятся следующие:
- не определен оптимальный тип теплоприемника, который обеспечивал бы наиболее эффективную передачу тепла от продуктов сгорания к нагреваемым технологическим средам;
- предусмотрено выполнение теплоприемника и теплообменного аппарата-рекуператора тепла дымовых газов только в виде раздельных аппаратов.
x
Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной установки для сжигания топлива и нагрева технологических сред, предназначенной для использования при реализации технологических процессов, требующих интенсивного подвода тепла, в том числе вместо печей огневого нагрева, повышение эффективности теплопередачи от дымовых газов к нагреваемым средам, исключение или минимизация закоксовывания теплообменной поверхности, снижение потерь тепла в окружающую среду с соответствующим уменьшением расхода топлива, минимизация вредных выбросов, в том числе NO и СО, снижение материалоемкости и стоимости (в первую очередь за счет уменьшения расхода дорогостоящих жаропрочных сталей и сплавов), уменьшение занимаемой площади.
Для решения поставленной задачи разработана установка для сжигания топлива и нагрева технологических сред, которая содержит горелку, нагреватель продукта дымовыми газами, вентилятор, воздухоподогреватель для подогрева воздуха, подаваемого на горелку, дымосос, дымовую трубу и линии подвода и отвода рабочих сред; при этом:
нагреватель продукта и воздухоподогреватель последовательно соединены по потоку поступающих из горелки дымовых газов и выполнены в виде вертикальных цилиндрических рекуперативных теплообменных аппаратов, в каждом из которых установлен по крайней мере один теплообменный блок радиально-спирального типа;
патрубок отвода дымовых газов из воздухоподогревателя присоединен к всасывающему патрубку дымососа, напорная линия дымососа разделена на два потока, причем один поток дымовых газов соединен с дымовой трубой и выбрасывается в окружающую среду, а второй поток дымовых газов подсоединен к воздушной линии перед вентилятором, напорный патрубок которого соединен с входом в воздухоподогреватель;
для сжигания топлива применена горелка беспламенного типа;
на линии, соединяющей патрубок отвода дымовых газов из воздухоподогревателя и всасывающий патрубок дымососа, дополнительно установлены охладитель дымовых газов хладоносителем от внешнего источника, снижающий их температуру до 40-50°С, и сепаратор осушки охлажденных дымовых газов с патрубком отвода выделенного конденсата для последующего использования;
на тракте дымовых газов между горелкой и нагревателем продукта, и/или между нагревателем продукта и воздухоподогревателем, и/или за воздухоподогревателем дополнительно могут быть установлены теплообменники для подогрева других рабочих сред, используемых при проведении технологического процесса;
нагреватель продукта и воздухоподогреватель могут быть объединены в вертикальный моноблочный теплообменный аппарат с единым корпусом и объединены по потоку дымовых газов, причем патрубок подвода горячих дымовых газов от горелки размещен в нижней части аппарата, патрубок отвода охлажденных дымовых газов размещен в верхней части аппарата, секция теплообменных блоков воздухоподогревателя размещена над секцией теплообменных блоков нагревателя продукта, а по нагреваемым средам секция воздухоподогревателя и секция нагревателя продукта разделены герметичными перегородками;
охладитель дымовых газов хладоносителем от внешнего источника и дополнительные теплообменники, установленные на тракте дымовых газов, выполнены преимущественно в виде теплообменных аппаратов радиально-спирального типа.
Ниже сущность предлагаемого изобретения поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 изображает принципиальную схему установки для сжигания топлива и нагрева технологических сред;
фиг.2 - общий вид моноблочного теплообменного аппарата с совмещенными в одном корпусе нагревателем продукта и воздухоподогревателем, продольный разрез.
Установка содержит горелку 1, нагреватель 2 продукта дымовыми газами, вентилятор 3, воздухоподогреватель 4 для подогрева воздуха, подаваемого на горелку 1, дымосос 5, дымовую трубу 6 и линии подвода и отвода рабочих сред 29-38. Нагреватель 2 продукта выполнен в виде вертикального цилиндрического аппарата, содержащего корпус 7 с патрубками 8 и 9 соответственно подвода и отвода нагреваемого продукта и патрубками 10 и 11 соответственно подвода и отвода дымовых газов. В корпусе 7 установлен по крайней мере один теплообменный блок 12 радиально-спирального типа; в данном примере показаны два теплообменных блока 12, последовательно соединенных между собой как по потоку дымовых газов, так и по потоку нагреваемого продукта. Воздухоподогреватель 4 выполнен в виде вертикального цилиндрического аппарата, содержащего корпус 13 с патрубками 14 и 15 соответственно подвода и отвода нагреваемого воздуха и патрубками 16 и 17 соответственно подвода и отвода дымовых газов. В корпусе 13 установлен по крайней мере один теплообменный блок 18 радиально-спирального типа; в данном примере показаны два теплообменных блока 18, последовательно соединенных между собой как по потоку нагреваемого воздуха, так и по потоку дымовых газов. Патрубок 11 нагревателя 2 и патрубок 16 воздухоподогревателя 4 соединены линией 29.
На линии 30 отвода дымовых газов из патрубка 17 воздухоподогревателя 4 последовательно установлены охладитель дымовых газов 19 с хладоносителем от внешнего источника и сепаратор 20 осушки охлажденных дымовых газов, снабженный патрубком 21 для слива отделенного конденсата и патрубком 22 для подвода осушенных дымовых газов к дымососу 5. Напорная линия 31 дымососа 5 соединена линией 32 с дымовой трубой 6, а линией 33 - с линией 34 подвода воздуха к вентилятору 3. Напорный патрубок вентилятора 3 соединен линией 35 с патрубком 14 воздухоподогревателя 4, а патрубок 15 воздухоподогревателя 4 - линией 36 с горелкой 1. Горячие дымовые газы подводятся к патрубку 10 нагревателя 2 по линии 37. Топливный газ подводится к горелке 1 по линии 38. На линии 37 подвода горячих дымовых газов от горелки 1 к нагревателю 2 установлен дополнительный теплообменник 23 для подогрева другой рабочей среды, используемой при проведении технологического процесса. При необходимости дополнительные теплообменники могут быть установлены и/или на линиях 29 и 30.
Как вариант нагреватель продукта и воздухоподогреватель могут быть объединены в один вертикальный моноблочный теплообменный аппарат с единым корпусом.
На фиг.2 показан общий вид такого аппарата, продольный разрез. Аппарат содержит единый корпус 24 с патрубками подвода и отвода нагреваемого продукта, воздуха и дымовых газов и разделен на две секции - секцию 25 нагрева продукта и размещенную над ней секцию 26 подогрева воздуха. Каждая секция содержит по одному или более (в данном случае по два) теплообменных блоков соответственно 12 и 18, патрубок 10 подвода горячих дымовых газов от горелки размещен в нижней части аппарата, патрубок 17 отвода охлажденных дымовых газов размещен в верхней части аппарата. Секции 25 и 26 объединены по потоку дымовых газов, а по нагреваемым средам разделены герметичными перегородками 27 и 28.
Установка работает следующим образом.
Топливный газ и смесь воздуха и дымовых газов, нагретая в воздухоподогревателе 4, подводятся к горелке 1 беспламенного типа по линиям соответственно 38 и 36. Горячие дымовые газы, образующиеся в горелке 1 при сжигании топливного газа, по линии 37 через патрубок 10 поступают в нагреватель 2 и, поднимаясь по аксиальным щелевым каналам теплообменных блоков 12, отдают тепло нагреваемому продукту, поступающему через патрубок 8 и противотоком опускающемуся по радиально-спиральным каналам теплообменных блоков 12. Горячий продукт отводится из нагревателя 2 через патрубок 9 для дальнейшей обработки, а частично охлажденные дымовые газы по линии 29 подаются через патрубок 16 в воздухоподогреватель 4 и поднимаются по аксиальным щелевым каналам теплообменных блоков 18, отдавая тепло смеси воздуха и охлажденных рециркулирующих дымовых газов, подаваемой вентилятором 3 по линии 35 через патрубок 14 к радиально-спиральным каналам теплообменных блоков 18 воздухоподогревателя 4. Нагретая смесь воздуха и рециркулирующих дымовых газов выводится из воздухоподогревателя 4 через патрубок 15 и по линии 36 подается к горелке 1, а дымовые газы выводятся через патрубок 17 и подаются по линии 30 в охладитель дымовых газов 19, где охлаждаются хладоносителем от внешнего источника до температуры 40-50°С. Из охладителя 19 дымовые газы поступают в сепаратор 20, в котором образовавшийся конденсат отделяется и выводится через патрубок 21 для дальнейшего использования, а осушенные дымовые газы через патрубок 22 откачиваются дымососом 5 и направляются в напорную линию 31, после чего разделяются на два потока, один из которых сбрасывается по линии 32 в дымовую трубу, а второй поток по линии 33 сбрасывается в линию 34 перед вентилятором 3 и подмешивается к воздуху, после чего образовавшаяся смесь воздуха и холодных дымовых газов направляется вентилятором 3 по линии 35 в воздухоподогреватель 4.
Если на линии 37 (и/или на линиях 29 и 30) установлены дополнительные теплообменники 23, то обеспечивается подогрев других рабочих сред, используемых в технологическом процессе.
Показанный на фиг.2 вариант установки с нагревателем продукта и воздухоподогревателем, объединенными в один вертикальный моноблочный теплообменный аппарат, работает аналогичным образом. При этом горячие дымовые газы, поступающие из горелки 1 в аппарат по линии 37, пройдя вертикальные щелевые каналы теплообменных блоков 12 секции 25 нагрева продукта, попадают непосредственно в вертикальные щелевые каналы теплообменных блоков 18 секции 26 подогрева воздуха, пройдя которые выводятся через патрубок 17 в линию 30.
Предлагаемая установка имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными техническими решениями, в том числе с огневыми печами:
- вместо дорогостоящих толстостенных теплообменных труб, используемых в трубчатых печах, в предлагаемой установке применены теплообменные поверхности радиально-спирального типа, которые формируются из тонкого листа толщ. 0,8-1,2 мм, что позволяет существенно снизить металлоемкость и стоимость установки;
- при использовании радиально-спиральных теплообменных поверхностей повышается эффективность теплопередачи от дымовых газов к нагреваемым средам, обеспечивается равномерное распределение тепловых потоков и исключается возможность местных перегревов, а также исключаются или сводятся к минимуму закоксовывание и прожоги, благодаря чему достигается повышение надежности и ресурса, увеличение межремонтных периодов и соответствующее снижение затрат на ремонт;
x
- благодаря подмешиванию к дутьевому воздуху охлажденных дымовых газов снижается адиабатическая температура горения, в результате чего исключается или минимизируется образование и сброс в окружающую среду вредных примесей, в том числе NO и СО;
- снижение адиабатической температуры горения позволяет использовать для изготовления теплообменных поверхностей менее дорогостоящие конструкционные материалы;
- использование горелки беспламенного типа обеспечивает устойчивый процесс горения, несмотря на пониженное содержание кислорода в подаваемой на горелку газовой смеси вследствие разбавления воздуха рециркулирующими дымовыми газами;
- благодаря глубокому охлаждению дымового газа существенно снижаются потери тепла, а следовательно, уменьшаются расход топлива и энергозатраты;
- дымосос работает при температурах, не превышающих 60°С, что благоприятно сказывается на условиях его работы и, как следствие, на показателях ресурса и надежности;
- выполнение охладителя дымового газа и дополнительных теплообменников по радиально-спиральному типу позволяет снизить металлоемкость и стоимость этих аппаратов;
- выполнение нагревателя продукта и воздухоподогревателя в виде единого моноблочного аппарата позволяет исключить из состава печи дымоход, соединяющий эти аппараты при раздельном их исполнении, уменьшить теплопотери, снизить металлоемкость, стоимость и занимаемые производственные площади.