ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к установкам для нагрева газов и жидкостей, в том числе, когда этот процесс сопровождается химическими реакциями, и может найти применение в химической и нефтехимической отраслях промышленности, а также в экологических процессах термического обезвреживания отходов.
Известна трубчатая печь, включающая конвективную камеру и радиантную камеру с экранированными стенами, подовыми вертикально-факельными горелками и газоподводящими патрубками, причем последние установлены в направляющих с фиксаторами, обеспечивающих перемещение патрубков вдоль оси горелок по длине факела, а сопла направлены под углом 30-70° к оси патрубков (Патент на изобретение №1043452 РФ, МПК F27B 5/00, C10G 9/20, приоритет от 1980.02.08, опубл. 1983.09.23).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточно равномерное распределение теплонапряжения труб по длине факела, обусловленное возникновением местных перегревов отдельных участков трубного змеевика под действием пламени подовой вертикально-факельной горелки.
Известны промышленные печи пиролиза нефтепродуктов, в частности дихлорэтана. Они представляют собой стальные, вертикальные, зауженные вверху камеры, футерованные огнеупорным материалом. В печи размещен змеевик из 88 горизонтальных труб, который по ходу дихлорэтана условно делится на зоны подогрева, испарения, перегрева паров и реакции. В зонах подогрева и испарения дихлорэтан нагревается отходящими дымовыми газами.
По ходу дымовых газов печь пиролиза разделена на зоны излучения (радиантную), переходную (шоковую) и конвекции.
Зона излучения находится в расширенной части печи пиролиза, где расположены в шахматном порядке 128 горелок (64 на каждой стенке в 5 рядов по высоте). Температура в зоне излучения составляет 480-520°С.
Обогрев печи пиролиза осуществляется, как правило, с помощью газовых горелок.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится возможное увеличение температуры стенок радиантного змеевика печи пиролиза выше 650°С, что приводит к превышению допустимого предела температур потока сырья на выходе из печи и способствует значительному снижению основных технологических показателей процесса. (Флид, М.Р. Винилхлорид: химия и технология. В 2-х кн. Кн. 1 / М.Р. Флид, Ю.А. Трегер. - Москва: Калвис, 2008. - с. 509-5013).
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является трубчатая печь беспламенного горения, включающая корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи и горелки, установленные в боковых стенках печи горизонтальными рядами, причем радиантный змеевик выполнен из горизонтальных труб, размещенных в трубных решетках в два ряда вдоль оси корпуса печи, при этом беспламенные горелки сгруппированы в горизонтальные секции с раздельной подачей топлива к каждой горелке внутри секции, а вход сырья в радиантный змеевик размещен в подовой части печи (Патент на изобретение №2538754 РФ, МПК C10G 9/20, приоритет от 2013.11.18, опубл. 2015.01.10).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится значительная инерция в регулировании температуры реакционной массы в горизонтальных трубах, особенно в радиантной камере, где на выходе температура реакционной массы в трубах наибольшая, и при ее превышении внутри труб реакционная масса подвергается термической деструкции с образованием побочных примесей, а также отложений на стенке (коксообразование и другие термические загрязнения), что приводит к необходимости остановки работы печи на очистку труб и ремонт, что в совокупности обеспечивает значительное уменьшение производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции трубчатой печи беспламенного горения является увеличение производительности за счет предотвращения перегрева реакционной массы горизонтальных труб на выходе радиантного змеевика.
Поставленный технический результат достигается в трубчатой печи беспламенного горения, включающей корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи и беспламенные горелки, сгруппированные в горизонтальные секции с раздельной подачей топлива к каждой горелке внутри секции и установленные в боковых стенках печи горизонтальными рядами, причем радиантный змеевик выполнен из горизонтальных труб, размещенных в трубных решетках в два ряда вдоль центральной оси корпуса печи, а вход сырья в радиантный змеевик размещен в подовой части печи, отличающаяся тем, что на концах горизонтальных труб, установленных на выходе радиантного змеевика, закреплены стержни, выполненные из материала, обладающего эффектом памяти, к которым крепятся экраны.
Снабжение горизонтальных труб, установленных на выходе радиантного змеевика, экранами позволяет при перегреве труб, который возникает вследствие радиантного лучеиспускания и химической реакции внутри труб, перекрывать поток лучистой энергии как зонтиком, тем самым уменьшать этот поток, и снижать температуру, что предотвращает термическую деструкцию реакционной массы и образование термических отложений на стенке горизонтальных труб, а значит исключает необходимость остановки работы печи на очистку внутренней поверхности труб от этих отложений, тем самым увеличивая срок службы и производительность.
Соединение установленных на выходе радиантного змеевика горизонтальных труб с экранами на их концах с помощью стержней, обладающих эффектом памяти, позволяет обеспечить саморегулирование поверхности трубы, закрываемой экраном от лучистой энергии, в зависимости от температуры реакционной массы внутри труб за счет химической реакции и изменения потока лучистой энергии, попадающей на наружную стенку труб, что предотвращает термическую деструкцию продуктов реакции в трубах, образование термических отложений на внутренних стенках труб, приводит к увеличению срока безостановочной работы печи и увеличению производительности.
На фиг. 1 представлена однопоточная трубчатая печь беспламенного горения в разрезе, на фиг. 2 - вид А в аксонометрии на горизонтальные трубы радиантного змеевика на выходе реакционный массы из печи при нормированной регламентом температуре, на фиг. 3 - вид А в аксонометрии на горизонтальные трубы радиантного змеевика на выходе реакционной массы из печи при температуре, превышающей температуру регламента.
Печь включает коробчатый корпус 1, камеру конвекции 2 с конвективным змеевиком 3, камеру радиации 4 с радиантным змеевиком 5, трубную решетку 6, беспламенные панельные горелки 7, дымовую трубу 8, линию 9 для ввода сырья в конвективный змеевик 3, линию 10 ввода сырья из камеры конвекции 2 в камеру радиации 4 в подовой части печи 1, линию 11 вывода продуктов крекинга из печи в колонну или реактор (не показаны), первую секцию 12 беспламенных панельных горелок 7, вторую секцию 13, третью секцию 14, четвертую секцию 15, линию 16 ввода топливного газа к коллекторам секций, задвижки 17, 18, 19, 20 на газовых коллекторах 21, 22, 23, 24 первой 12, второй 13, третьей 13 и четвертой секций 15 соответственно.
Горизонтальные трубы 25 радиантного змеевика 5 на выходе реакционной массы из печи снабжены экранами 26, каждый из которых соединен по краям горизонтальной трубы 25 стержнями 27, выполненными из материала, обладающего эффектом памяти.
После пуска установки и разогрева печи на пусковом газойле в змеевик печи по линии 9 вместо пускового продукта подают сырьевую композицию (смесь гудрона с разбавителем, турбулизатором).
Поток сырья с температурой 320-380°С поступает по линии ввода 10 из конвективного змеевика 3 камеры конвекции 2 в горизонтальные трубы радиантного змеевика 5 камеры радиации 4, размещенные в трубных решетках 6 вертикально вдоль центральной оси корпуса 1 печи, где нагревается от излучения беспламенных горелок 7, установленных горизонтальными рядами в боковых стенах, сгруппированных в горизонтальные секции 12, 13, 14, 15. Размещение однопоточного или двухпоточного входа сырья по линии 10 в подовой (нижней) части печи и прохождение потоком сырья по радиантному змеевику снизу вверх последовательно через секции 12-15 панельных горелок 7, топливо к которым распределяют от общего коллектора 16, дает возможность регулировки эффективной (облучаемой) длины радиантного змеевика и профиля температуры продукта вдоль него.
По мере прохождения змеевика 5 камеры радиации в районе первой секции 12 панельных горелок 7 температуру сырьевого потока повышают по кривой второго порядка до величины разложения (крекинга) сырья (420-430°С), при этом структура потока внутри трубы также изменяется и переходит от однородной (жидкой среды) к двухфазной (газопаровой - жидкой) с дисперсно-кольцевой структурой; в районе второй секции 13 панельных горелок 7 температуру сырьевого потока поднимают предыдущим образом до 440-460°С, при этом исходное сырье разлагается (крекируется) с образованием низкомолекулярных маловязких компонентов (газ, бензин, легкий и тяжелый газойль), объем потока увеличивается по экспоненциальной зависимости, соответственно, повышается скорость потока и движение потока становится более устойчивым из-за преобладания на большей части змеевика дисперсно-кольцевой структуры потока; в районе третьей секции 14 панельных горелок 7 температуру сырьевого потока повышают плавно до 480°С, при этом в процесс крекинга вовлекаются более термоустойчивые нафтеноароматические углеводороды с дальнейшим увеличением в продуктах крекинга доли низкомолекулярных компонентов; в районе четвертой секции 15 панельных горелок 7 температуру сырьевого потока поднимают до 490-510°С и доводят конверсию сырья до заданной величины. Продукты термообработки (крекинга) выводят из печи по линии 11 в реактор или колонну (не показаны).
Вышеприведенную технологию нагрева и конверсии сырья в трубчатой печи до 9-15% (газ + бензин) применяют в процессах замедленного коксования нефтяных остатков с получением нефтяного кокса и дистиллятных продуктов - сырья для производства моторных топлив.
Для использования предлагаемой трубчатой печи в процессе печного висбрекинга нефтяных остатков с получением котельного топлива М 100 подачу топлива к панельным горелкам первой секции 12 перекрывают задвижкой 17 на линии 21, при этом эффективная (облучаемая) длина змеевика уменьшается на 25%. В районе второй секции 13 панельных горелок температуру сырьевого потока повышают по кривой второго порядка до величины крекинга сырья (420-430°С), в районе третьей секции 14 панельных горелок температуру сырьевого потока увеличивают до 440-460°С, в районе четвертой секции 15 панельных горелок температуру сырьевого потока повышают до 470-480°С и доводят конверсию сырья до заданной величины 5-12% (газ + бензин) с получением продукта заданного качества. В этом случае поток 11 перед вводом в колонну захолаживается до температуры 350-380°С «холодной струей» (квенчем).
Во всех вышеописанных случаях температура реакционной массы в горизонтальных трубах 25 радиантного змеевика 5 на выходе реакционной массы из печи дополнительно саморегулируется за счет экранирования лучистой энергии от беспламенных горелок четвертой секции 15.
Если температура реакционной массы в горизонтальных трубах 25 радиантного змеевика 5 на выходе реакционной массы не превышает температуру, установленную регламентом, экраны 26 не закрывают поверхность труб 25 (фиг. 2), при превышении этой температуры в стержнях 27, выполненных из материала, обладающего эффектом памяти, они изгибаются, поворачивая экран 26 навстречу потоку лучистой энергии, идущей от панельных горелок 7 четвертой секции 15, вплоть до полного перекрывания труб 25 от этой энергии (фиг. 3). При снижении температуры в трубах 25 стержни 27 принимают первоначальную прямолинейную форму, возвращая экраны 26, тогда лучистая энергия попадает на наружную поверхность труб 25 и обогревает их (фиг. 2).
В технике известны различные сплавы, обладающие эффектом памяти и широко используемые в различных отраслях. Так, сплав Fe-Ni (29% Ni) проявляет эффект памяти при 500°С, которая является предельной в описанном выше процессе в четвертой секции 15 (Физические эффекты в машиностроении. Справочник. - М.: Машиностроение, с. 150).
То есть, если стержни 27 будут изготовлены из сплава Fe-Ni (29% Ni), то они при 500°С будут изгибаться, как показано на фиг. 3, а при температуре ниже 500°С, сохранять прямолинейную форму и, соответственно, закрывать экранами 26 или открывать поверхность труб 25 секции 15 от лучистой энергии беспламенных горелок.
Таким образом, снабжение горизонтальных труб 25 на выходе радиантного змеевика 5 из печи экранами 26, соединенных с этими горизонтальными трубами 25 стержнями 27, выполненными из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет обеспечить саморегулирование температуры реакционной массы в горизонтальных трубах 25 на выходе радиантного змеевика, предотвратить термическую деструкцию продуктов реакции с образованием нежелательных примесей, их отложение на внутренних стенках труб 25, увеличить время работы печи без остановки для очистки труб и ремонта, а значит увеличить производительность печи.