1

ООО «Научно-производственная компания «Кедр-89» Ханин Юрий Давидович

Гладков Дмитрий Николаевич

Оптимизация подвода тепла к змеевикам нагревательных и реакционных печей.

Трубчатые печи являются наиболее энергоемким оборудованием

установок переработки нефти, на их долю приходится до 50% общего энергопотребления предприятия, очень важна их правильная, безопасная и экономичная работа.

Кроме того, трубчатые печи потенциально огнеопасный и взрывоопасный объект, поэтому вопросы эксплуатации печей, их технического состояния, регулирования нагрева и противоаварийной защиты с каждым годом становятся все актуальнее.

В трубчатых печах сжигается топливо со значительным содержанием сернистых соединений, отсюда до 50% общезаводских вредных выбросов (SO2, SO3, NOx и др.) содержатся в продуктах сгорания, выбрасываемых дымовыми трубами печей.

Важны и экономия топлива с разумным использованием тепла отходящих дымовых газов.

В последние годы практически на всех нефтеперерабатывающих заводах России проходит замена старых нагревательных печей на новые, современной конструкции, а также реконструкция и доведение существующих печей до требований современных норм.

При проектировании трубчатых печей для нагрева нефтепродуктов в первую очередь должна реализовываться задача оптимального нагрева продукта по длине змеевика. Физические свойства потока, а также изменение фазового состояния – все это приводит к изменению теплопередачи от стенки трубы к продукту. Идеальная схема – подводить к каждому участку змеевика столько тепла, сколько поглощает поток сырья. Это исключает локальные перегревы как внутренней, так и наружной стенок труб. Здесь нужно упомянуть, что локальный перегрев приводит к образованию слоя кокса, часто к ненужному перегреву сырья с образованием газов разложения, а в дальнейшем и к прогару трубы и образованию аварийной ситуации. Таким образом, мы видим, что надежность и безопасность конструкции закладывается еще на стадии расчета и проектирования.

Особенно эти вопросы актуальны, когда проектируется печь, в которой должно нагреваться несколько технологических потоков.

В качестве примера трубчатой печи, в которой реализована схема заданного нагрева нескольких потоков сырья, является реакционная печь установки гидродеалкилирования бензола завода «Мономер» ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

В печи нагреваются три независимых технологических потока: парогазовая смесь БТК-фракции и толуола + водородосодержащий газ;

2

чистый ВСГ и теплофикационная вода. Для обеспечения высокого КПД печи и применения дутьевых горелок в печи в камере конвекции добавлен и змеевик подогрева воздуха. Такая схема размещения позволила отказаться от применения дымососа, максимально используя тягу дымовой трубы, установленной на печи. Тем не менее, во многом поэтому для обеспечения тяги приходится поддерживать высокую температуру уходящих дымовых газов, что не дает увеличить КПД печи выше 88-90%.

Для нагрева четырех независимых потоков (включая воздух) и возможности их регулирования была выбрана конструкция цилиндрической печи с кольцевой камерой конвекции, в которой дымовые газы разделяются на две ветви (полукольца), расход через которые можно регулировать шиберами. Конструкция печи приведена на рисунке 1.

Кольцевая камера конвекции имеет преимущества перед обычной

шахтной: возможность регулировки нагрева, создания нужных скоростей дымовых газов, снижения высоты обслуживания.

В центре камеры радиации устроен рассекатель-распределитель, который делит камеру радиации на 4 зоны. Теплонапряженность объема топки, теплонапряженность поверхности змеевика в этих зонах за счет сжигания разного количества топлива разная. Каждый поток сырья – БТК-фракции – последовательно нагревается в двух зонах: интенсивного и мягкого нагрева. В зоне интенсивного нагрева сжигается до 65% топлива, змеевик выполнен из стали 08Х18Н10Т; в зоне мягкого нагрева, поскольку сырье нагревается до 6300С применены трубы из дорогостоящей стали ХН32Т. За время эксплуатации коксования на внутренней поверхности труб не выявлено.

3

В печи реализована двухступенчатая подача воздуха на горение: основная часть подогретого дутьевого воздуха поступает в корпус горелки (первичный воздух), остальной воздух подается в камеру радиации в рассекатель-распределитель на уровень 3 метров от пода. Коэффициент избытка воздуха перед горелками – 0,7, в зоне подачи вторичного воздуха – 1,08. Такая схема позволяет растянуть ядро факела и снизить его максимальную температуру, что позволяет существенно снизить содержание NOx в газах сгорания – до 90 мг/нм3. Кроме того, выравнивается распределение тепла по высоте радиантных труб, уменьшается локальный перегрев, что очень важно при таких высоких температурах стенки труб.

Оптимизация подвода тепла к змеевикам актуальна при нагреве и одного

технологического потока. В качестве примера можно привести печь установки висбрекинга ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

Конструкция печи (см. рис. 2) выполнена в соответствии с требованиями базового проекта фирмы Shell. Печь включает в себя две радиантные камеры коробчатого типа с вертикальными змеевиками и подовым размещением горелок; продукты сгорания из обеих камер направляются в общую камеру конвекции с горизонтальными змеевиками. Дымовые газы собираются в газосборник и выводятся из печи через дымовую трубу установленную на общем каркасе печи. Для достижения требуемого КПД 91,8% рядом с печью предусмотрена система утилизации тепла – воздухоподогреватель. Расстояние между радиантными камерами равно 5000 мм, что соответствует нормам РФ по обеспечению пожарной безопасности.

Сырьевой змеевик – четырех поточный, выполнен из отечественных труб диаметром 114,3 мм, толщиной 8,56 мм, материал – сталь 13Х9М. Сырье вводится в верхние ряды конвективного змеевика, проходит нисходящим потоком, нагреваясь с 2700С до 3220С и поступает в первую радиантную камеру, где размещается секция нагрева сырья. Здесь сырье нагревается до 4090С в условиях относительно интенсивного теплоподвода: среднее теплонапряжение в нагревательной секции 20198 ккал/(м2ч), длина каждого потока – 339, 6 м., время пребывания – 3,22 мин. Из нагревательной секции гудрон с помощью наружных перекидок поступает во вторую радиантную камеру – сокинг секцию, где происходит частичное крекирование сырья. Длина потоков здесь такая же как и в первой секции, но поскольку тепловая мощность сокинг секции составляет 30% от мощности нагревательной секции, нагрев здесь протекает в более мягких условиях (qр=14212 ккал/(м2ч)) при сравнительно меньшем приросте температуры стенки, что существенно для динамики коксообразования. Время пребывания в сокинг секции, где сырье нагревается с 4090С до 4530С, составляет 1,78 мин. На участке с температурой от 4200С до 4530С, где происходит реакция разложения и уплотнения, время пребывания равно 1,08 мин, что соответствует практическим рекомендациям для сырья заданной коксуемости – 15%. Для повышения скорости сырьевого потока на входе в

4

змеевик подается турбулизатор (конденсат, t=900С) из расчета 0,25% масс. на сырье.

В печи установлены комбинированные дутьевые с двух ступенчатой подачей воздуха горелки фирмы Duiker: в нагревательной секции типа LN520 мощностью по 11 МВт, в сокинг секции типа LN420 мощностью 8 МВт.

Для очистки золовых отложений на оребренных трубах конвективного змеевика предусмотрена установка 8 аппаратов (по 4 аппарата в два яруса по высоте камеры) обдувки паром выдвижного типа.

5

Реконструкция печного блока установок риформинга Л-35-11/300. На многих нефтеперерабатывающих заводах эксплуатируются установки

риформинга Л-35-11/300. Основная печь П-1 данной установки, изначально не самой удачной конструкции, практически всегда перегружена и работает

6

неудовлетворительно. На ряде подобных установок нами была выполнена реконструкция печного блока с выделением в отдельную печь секции гидроочистки. Применяемая печь – цилиндрического типа, с кольцевой камерой конвекции и встроенным воздухоподогревателем. Тепловая мощность печи – около 12 Гкал/ч, КПД – 92%. Конструкция печи приведена на рисунке 3.

После вывода секции гидроочистки производится переобвязка

конвективного и радиантного змеевика печи П-1 в соответствии с тепловой нагрузкой каждой ступени риформинга. Благодаря грамотному распределению труб змеевика по секциям удается снизить и практически выровнять температуры стенки труб, устранить перегревы.

Горелки печи П-1 расположены по вертикали в каждом ряду по 6 горелок. Из-за искривления факелов вверх вследствие естественной тяги не удается добиться равномерного по высоте зеркала излучения, наблюдается подпор в потолочной области. Как правило, две верхние горелки вообще выключают из работы, перераспределяя нагрузку на оставшиеся. Мы предлагаем использовать в каждом ряду вместо 6 по 4 горелки с максимально «жестким» факелом.

КПД печей и их повышение Как известно КПД печи определяется потерями тепла, уходящего с

дымовыми газами, и внешним теплопотерями в атмосферу через обшивку печи. Соответственно, чем более холодные дымовые газы мы будем выбрасывать в атмосферу, тем выше будет КПД. Лимитирующим фактором в данном случае является температура точки росы, охлаждение газов ниже этой температуры приведет к конденсации и ускоренной коррозии. Для снижения точки росы нужно:

- использовать топливо с минимальным содержанием серы, каждый процент содержания серы в топливе поднимает точку росы на 9 оС.

7

- сжигать топливо с минимально возможным избытком воздуха, снижение избытка воздуха с 1.15 до 1.05 снизит температуру точки росы на 17 оС.

- снизить температуру в зоне горения, что достигается применением горелок с двухстадийной подачей топлива, рециркуляцией части дымовых газов в устье горелок.

Для утилизации тепла дымовых газов в основном применяются системы подогрева воздуха, подаваемого на горелки. Принципиальная схема системы подогрева воздуха приведена на рисунке 5.

8

Обмуровка В основном для теплоизоляции нагревательных печей используется

легковесный жаростойкий бетон с плотностью после сушки 750 кг/м3. Это самый простой и дешевый вариант, однако бетон такой плотности дает серьезную нагрузку на каркас печи и на фундаменты. У нас имеется положительный опыт выполнения обмуровки из пенобетона плотностью около 450 кг/м3, в настоящее время разрабатывается рецептура пористого теплоизоляционного бетона на основе жидкого стекла. При изготовлении ряда печей нами также применялись теплоизоляционные керамо-волокнистые блоки, выпускаемые ООО «РТПК» г. Екатеринбург. Блоки крепятся к обшивке печи анкерами, наполовину утопленными в теплоизоляционные блоки, что заметно снижает суммарную теплопроводность слоя в сравнении со сквозными стержнями. На рисунке 6 представлен свод печи с футеровкой блоками МКВМ.

9

В заключение – о компании НПК «Кедр-89». Научно-производственная компания «КЕДР-89» (г. Москва) была

создана в 1989г. Мы занимаемся как проектированием и изготовлением отдельных позиций оборудования – печи, колонны, теплообменники, АВО, так и строительством установок под ключ. Наша компания обладает огромным опытом и научным потенциалом для решения самых сложных комплексных задач в сфере нефтепереработки и нефтехимии. За годы работы сложились хорошо отработанные устойчивые связи с нашими партнерами:

1. Инженерный центр: - головной офис в г. Москве; - ОАО «УкрНИИхиммаш» г. Харьков; - ООО «Биметаллические сплавы» г. Москва. 2. Проектная часть: -ОАО «Укрнефтехимпроект» г. Киев, с филиалами в г. Львов, г.

Харьков, г. Северодонецк; 3. Производственная часть: -ОАО «Пензхиммаш» г. Пенза -ОАО «Пензкомпрессормаш» г. Пенза -ОАО «Павлоградхиммаш» г.Павлоград, Украина -ЗАО «Владимиртепломонтаж» г. Владимир. За последние годы нами было спроектировано и построено более 40

печей для большинства процессов нефтепереработки начиная от атмосферных установок и заканчивая установками коксования, висбрекинга, производства серы.