Трубчатые печи являются аппаратами, предназначенными для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.
В качестве источника тепла в них используют жидкие и газообразные топлива. Широкое распространение таких печей на НПЗ перед ранее используемыми для этих целей перегонными кубами объясняется их неоспоримыми достоинствами, в частности:
- Их работа основана на принципе однократного испарения сырья (ОИ). Это обеспечивает более глубокую степень испарения при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданную степень испарения, но при более низкой температуре.
- Обладают высокой тепловой эффективностью, так как тепло одновременно передает-ся излучением и конвекцией.
- Являются компактными аппаратами, обладают высоким КПД и обеспечивают высо-
кую тепловую мощность.
- Время пребывания нагреваемого сырья в печи не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксообразования на стенках труб.
- В зоне нагрева единовременно находится небольшое количество нефтяного продукта, что снижает пожарную опасность в случае разгерметизации труб.
Рассмотрим их конструкцию на примере наиболее распространенной двухкамерной печи с наклонным сводом (рис. 8 – 9). Она состоит из двух камер радиации (топочных камер) и одной камеры конвекции. В камерах радиации сжигается топливо и в них расположены радиантные трубы в виде экрана. Они поглощает тепло, в основном за счет радиации (85 – 90 %) и только остальное за счет конвекции. В камере конвекции расположены
Рис. 8. Схема двухскатной печи с наклонным сводом:
1 – конвекционная камера, 2 – подовый экран радиантной камеры, 3 – потолочный экран
радиантной камеры, 4 – муфели (форкамеры) для форсунок, 5 – форсунки или горелки
Рис. 9. Двухскатная двухкамерная трубчатая печь (поперечный разрез):
1 – металлический каркас; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – форсуночная амбразура (форкамера); 4 – предфорсуночный тамбур; 5 – гляделка; 6, 9, 17 – соответственно, трубы подового экрана, конвекционной камеры и потолочного экрана; 7 – «лежанка» для труб подового экрана; 8 – решетка труб конвекционной камеры; 10, 11, 15 – ретурбендные камеры; 12 – металлическая обшивка стен; 13 – площадка; 14 – кровля; 16 – взрывное окно; 18 – подвески для труб потолочного экрана; 19 – подвески для кирпичных блоков
трубы, воспринимающие тепло, в основном за счет конвекции (60 – 70 %), то есть при
непосредственном соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева, и только остальное – за счет излучения топочных газов (20 – 30 %) и излучения от стенок конвекционной камеры (около 10 %). Основным уравнением, описывающим эффективность лучистого теплообмена, является закон Стефана-Больцмана:
,
где Е – интенсивность лучеиспускания; Е0 – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, ε – степень черноты тела.
Согласно этому закону основными факторами, влияющими на интенсивность лучеиспускания, являются температура и степень черноты топочных газов.
Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000 – 1200 К. Дальнейшее снижение температуры неоправданно, так как при этом радиантная поверхность будет работать с пониженной теплонапряженностью. Степень черноты топочных газов пропорциональна концентрации в них многоатомных молекул (СО2, Н2О, SО2). В отличие от них двухатомные молекулы диатермичны, то есть практически не излучают тепло. Топочные газы не имеют поверхности, поэтому излучают тепло своим объемом. Поэтому в радиантной камере используют большое количество форсунок.
Эффективность конвективного теплообмена в меньшей степени зависит от температуры топочных газов, но возрастает с повышением скорости их движения. По этой причине конвективная камера выполняется максимально узкой. Этому же способствует шахматное расположение труб при котором коэффициент теплоотдачи повышается на 20 – 30 % по сравнению с коридорным. В некоторых случаях в камере конвекции для увеличения теплоотдачи со стороны дымовых газов используются оребренные трубы. Однако они склонны к закоксовыванию и поэтому используются только при сжигании газообразного топлива.
Отработанные топочные газы покидают конвекционную камеру через специальный газоход, расположенный под печью («боров» печи) и выбрасываются в атмосферу за счет естественной тяги, создаваемой дымовой трубой (на рис. 5 – 6 условно не показана). Для повышения экономичности печи в «борове» могут быть размещены теплообменники для выработки водяного пара и нагрева воздуха, используемого для сжигания топлива.
Топливо вводится в тонко распыленном состоянии в топку при помощи форсунок.
Сюда же вводится необходимое для горения количество воздуха. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание с воздухом и более эффективное горение. Теплота сгорания расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива. Последние раскаляются и образуют светящийся факел. Воздух, необходимый для горения, подводят к устью форсунки, что способствует интенсивному горению и уменьшению дальнобойности факела.
В трубчатых печах температура факела обычно достигает 1550 – 1750 К, поэтому
интенсивно излучает тепло. В состав продуктов горения, как уже указывалось, входят трехатомные молекулы, которые излучают и поглощают тепло определенной длины волны.
Как правило, большая часть тепла воспринимается сырьем в радианной камере. Сырье чаще всего направляют сначала в камеру конвекции, а потом в камеру радиации, так как при этом достигается противоточное его движение по отношению к топочным газам (возрастает Δtср.).
Основные показатели работы трубчатых печей.
- Производительность – количество нагреваемого в печи сырья в единицу времени. Для современных печей она достигает 1000 т/ч.
- Тепловая мощность – количество тепла, воспринимаемое сырьем в печи. Для печей она колеблется от 7 до 20 МВт, а для вновь строящихся высокопроизводительных печей до 50 – 80 МВт. Печи большой мощности строят, как правило, многокамерными.
- Тепловая напряженность поверхности нагрева – количество тепла, передаваемого че-
рез единицу поверхности труб в единицу времени (кВт/м2). Она характеризует эффективность передачи тепла. Чем больше средняя теплонапряженность поверхности труб, тем меньше требуемое количество труб при заданной тепловой мощности, однако при этом возможно закоксовывание и прогар труб. При перегонке нефти теплонапряженность радианных труб составляет 45 – 60 кВт/м2, конвективных 10 – 20 кВт/м2. Допустимая теплонапряженность зависит от типа сырья и конструкции печи (равномерности распределения теплового потока от топочных газов по всем трубам).
4.Тепловая напряженность топочного пространства – количество тепла, выделяющегося в единицу времени в единице объема топочного пространства. Она достигает 40 – 80 кВт/м3. Чем выше эта величина, тем меньше требуемые габариты печи. Она ограничена, в основном, качеством материалов кладки печи.
- КПД термический – отношение полезно используемой части тепла к общему количеству тепла, выделяющемуся при сгорании топлива. В современных печах он достигает
90 % и более.
Источники потерь тепла, снижающие КПД:
- потери через теплоизоляцию. В современных печах они не превышают 2 – 3 %;
- с отработанными дымовыми газами (минимальная температура должна быть на
10 – 20 ºС выше точки росы 160 – 180 ºС);
- коэффициент избытка воздуха на сжигание топлива (α). Он должен быть минимально допустимым.
Классификация трубчатых печей.
Все конструкции трубчатых печей нормализованы. В настоящее время выпускают
более 70 типоразмеров печей с поверхностью нагрева радианных труб от 15 до 2200 м2,
наружным диаметром труб от 60 до 219 мм и длиной одной трубы от 3 до 24 м.
Трубчатые печи отличаются друг от друга:
1) формой – ширококамерные, узкокамерные, цилиндрические, кольцевые и др.;
2) относительным расположением осей факела и труб – параллельное и перпендику-
лярное;
3) расположением труб радиации и конвекции – вертикальные, горизонтальные,
винтовые и др.;
4) относительным расположением конвективной камеры к радиантной – верхнее,
нижнее, боковое, среднее;
5) способом сжигания топлива – со свободным или настильным пламенем, беспла-
менным;
6) числом секций или камер в зоне радиации;
7) длиной труб;
8) видом обмуровки – подвесной кирпич, легковесный кирпич, бетон легковесный
блочный, волокнистые и другие материалы.
Двухкамерные печи с наклонным сводом и с нижним отводом отработанных дымовых газов, приведенные на рис. 5 и 6, не обеспечивают достаточно равномерного про-
грева радиантных труб, отличаются громоздкостью, большой металлоемкостью и на но-
вых установках уже не строятся.
Более современными и эффективными являются вертикальные узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов. На рис. 10 представлена схема одной из таких печей. В ней конвекционная камера расположена над радиантной камерой, вертикальные горелки расположены в нижней части печи. Величину разряжения в печи можно регулировать при помощи заслонки в дымовой трубе. Такая печь обеспечивает более равномерный нагрев сырья и имеет меньшую металлоемкость.
На рис. 11 представлена схема вертикальной узкокамерной печи с настильным сжиганием топлива. Настильное сжигание топлива вдоль специальной стенки, расположенной в центральной зоне печи, обеспечивает равномерное распределение тепла по поверхности радиантных труб. Благодаря этому появляется возможность увеличения их средней теплонапряженности без опасения местных перегревов, закоксовывания и прогара отдельных труб.
Еще более равномерное распределение лучистого тепла достигается в вертикальных печах с беспламенным сжиганием газового топлива (рис. 12). В них тепло излучают боковые стенки печи, собранные из нескольких рядов специальных беспламенных горелок. Регулировка расхода топлива на каждый ряд горелок независимая, что позволяет управлять величиной теплонапряженности труб в различных частях радиантной камеры.
При небольших мощностях часто используют цилиндрические печи. На рис. 13 представлена цилиндрическая печь с верхним расположением конвекционной камеры, а на рис. 14 – цилиндрическая печь с кольцевой камерой конвекции. Такие печи более компактны, обладают меньшей металлоемкостью и характеризуются меньшими тепловыми потерями. Кроме того, они снабжены вертикальными радиантными трубами, которые меньше деформируются при высоких температурах и требуют минимальное количество подвесок.