Печь беспламенного горения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Нефть, представляет собой чрезвычайно сложную смесь взаимно растворенных органических веществ. На практике нефть разделяют на фракции и группы углеводородов, подвергают обработке с целью изменения химического состава. Существуют процессы первичной и вторичной переработки нефти. К первичной переработке относятся такие процессы как ректификация, в котором нефть разделяется на фракции, различающиеся пределами выкипания.

Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

В зависимости от направления использования фракций установки перегонки нефти принято именовать топливными, масляными или топливно-масляными и соответственно этому - варианты переработки нефти.

Установки первичной переработки нефти составляют основу всех нефтеперерабатывающих заводов, от работы этих установок зависят качество и выходы получаемых компонентов топлив, а также сырья для вторичных и других процессов переработки нефти. В промышленной практике нефть разделяют на фракции, различающиеся температурными пределами выкипания. Прямую перегонку осуществляют при атмосферном или несколько повышенном давлении, а остатков - под вакуумом.

Важную роль на установках АТ и АВТ играет процесс нагрева нефти в трубчатых печах.

Трубчатые печи являются огневыми аппаратами, предназначенными для передачи тепла выделяющегося при сжигании топлива, нагреваемому продукту.

В начальный период развития нефтепереработки нагрев сырья производился в металлических кубах, обогреваемых теплом сжигаемого топлива в топке, расположенной под ними. При этом нагревали большие количества нефти, длительно находящей в зоне нагрева, что приводило к термическому ее разложению. Также имело место повышенная пожароопасность при прогаре стенки куба.

Наконец, при большом расходе металла поверхность нагрева оставалась незначительной. В связи с этим в таких аппаратах тепло сжигаемого топлива неэффективно передавалось сырью, что требовало повышенных затрат на нагрев

Поэтому трубчатые печи явились своего рода техническим новшеством, позволившим кардинальным образом решить вопросы теплопередачи во многих процессах, использующих тепло сжигаемого топлива для нагрева продукта. В настоящее время имеется большая разновидность трубчатых печей, используемых на установках первичной переработки, каталитического крекинга, каталитического риформинга, гидроочистки других процессов.

печь трубчатый топливо сжигание

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Назначение аппарата

Технологические печи - агрегаты, использующиеся на нефтеперерабатывающих заводах для нагрева технологических сред за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Технологические печи в нефтепереработке подразделяются на трубчатые печи и печи дожига газообразных, жидких или твердых отходов производства.

По способу сжигания топлива печи подразделяются на печи со свободным вертикальным факелом, с позонным подводом воздуха по высоте факела, с настильным факелом, с беспламенным горением от излучающих стен при использовании панельных горелок.

Более совершенными и экономичными являются трубчатые печи с излучающими стенками из беспламенных панельных горелок и двух сторонним облучением труб змеевика (рис. 1). Она работают на газообразном топливе, которое сжигается в горелках, выполненных в виде керамических призм (призмы являются одновременно сборными элементами стен печи). При сжигании газа в туннелях керамические плитки накаливаются и интенсивно излучают тепло на поверхность радиантных труб, расположенных в шахматном порядке на расстоянии 600-1000 мм от плиток. Монтируя панельные горелки на противоположных сторонах печи, можно облучать трубы с двух сторон. Поэтому такие печи названы печами двухстороннего облучения.

Трубчатые печи являются основными нагревательными аппаратами. Широкое распространение трубчатых печей в нефтепереработке объясняется рядом преимуществ, выгодно отличающих от других типов подогревателей.

К числу этих преимуществ относится: возможность достижения высокой эффективности теплопередачи, компактность, высокий коэффициент полезного действия, осуществление принципа однократного испарения и д.р.

1 - дымовая труба; 2 - каркас; 3 - футеровка; 4 - конвекционные змеевики; 5 - рациационные змеевики; 6 - горелки типа ГБП2а; 7 - обслуживающие лестницы и площадки

Рисунок 1 - Трубчатая печь беспламенного горения типа А2Б2

Трубчатые печи беспламенного горения за последние годы нашли широкое применение в химической, нефтехимической отраслях промышленности. В этих печах продукты в трубах нагреваются от излучения стен камеры, составленных из панельных беспламенных горелок. Они работают на газообразном топливе, причём газы должны иметь постоянный углеводородный состав, что является серьёзным недостатком печей. Печи беспламенного горения компактны, малогабаритны.

Недостатком этих печей является то, что прямым излучением охвачена только половина радиантных труб, которые, к тому же, обогреваются равномерно от сплошного зеркала излучения, последнее обстоятельство исключает возможность регулирования заданного профиля температур по длине змеевика печи, а также времени пребывания сырья в зоне крекинга и, следовательно, достижения максимального межремонтного пробега печи.

Трубчатые печи с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок целесообразно применять в следующих случаях: при использовании газообразного топлива; при большой разности температур на входе и выходе и высокой температуре нагрева продукта (до 500-900) и высоких давлениях; при малом времени пребывания продукта в змеевике; в случаях, если число регулируемых потоков по трубному змеевику для одной печи не превышает двух. Трубчатые печи беспламенного горения рекомендуют использовать для нагрева термически нестойких продуктов, например, в производстве масел, а также в процессах, где нужно регулировать нагрев по длине змеевика ( пиролизе, термическом крекинге и др.) Большое распространение они нашли в нефтехимической промышленности, например в производстве искусственного каучука. При создании печей беспламенного горения ставилась задача расширения возможностей известной конструкции при проведении термодеструктивных процессов с достижением заданных результатов в оптимальных условиях.

1.2 Конструкция аппарата

Трубчатая печь беспламенного горения состоит из конвекционной зоны и радиантной камеры , боковые стены которой выполнены из нескольких рядов радиационных горелок. Стены радиантной камеры целиком собираются из беспламенных панельных горелок и находятся на расстоянии 600-1000 мм от трубного экрана, который может быть одно- и двухрядным.

Конструкция печи представляет собой излучающие стены из беспламенных панельных горелок. Каждая горелка размером 500 х 500 х 230 мм имеет 100-169 туннелей диаметром 20мм и выполнена из керамики, которая катализирует процесс горения. Они расположены пятью рядами в каждой фронтальной стене камеры радиации. Каждый горизонтальный ряд имеет индивидуальный газовый коллектор, что создаёт возможность независимого регулирования теплопроизводительности горелок одного ряда и теплопередачи к соответствующему участку радиантного экрана. Газообразное топливо, поступающее в горелку, инжектирует необходимый для горения воздух , затем газо-воздушная смесь поступает в распределительную камеру горелки, а из неё в туннели. На 1 излучающей поверхности приходится от 400 до 1250 туннелей, столько же имеется и факелов. Но так как сгорание топлива происходит в самих туннелях, то поверхность горелки раскаляется без видимого пламени. Интенсивность теплоотдачи от излучающих стен в 2-3 раза больше, чем от факела.

В печи предусмотрена возможность работы на резервном жидком и газовом(газ, содержащий конденсат) топливе. Для этого в поду камеры радиации вдоль излучающих стен установлены резервные газомазутные горелки. Факелы этих горелок настилаются на поверхность панельных горелок и образуют сплошное зеркало излучения. При этом первичный воздух подаётся к горелкам в поду через регистры с шиберами, а вторичный - по высоте настила факела через смесители отключённых панельных горелок. Сырье, подаваемое в печь движется по последовательно соединенным трубам. Сначала оно проходит трубы , находящиеся в конвективной камере, а затем поступает в радиантные трубы. Эти трубы располагаются у перевальных стенок па полу и у свода печи.

1.3 Принцип работы аппарата

Если при горении со стабильным пламенем подмешивать в воздух для горения отходящие газы, горение происходит стабильно лишь до определенной степени. Как только эти границы пересекаются, пламя становится нестабильным, обрывается и , в конце концов, гаснет. При высоких температурах это может привести к воспламенению в пространстве печи и ведет к неполному сгоранию, поэтому состояние нестабильного горения в любом случае необходимо избегать. Тем не менее при дальнейшем увеличении скорости рециркуляции отходящих газов, при определённых условиях, опять можно достигнуть стабильной реакции. При этом газообразное топливо невидимо и бесшумно полностью реагирует и поэтому этот способ горения называется «беспламенное окисление»

Принцип беспламенного горения опирается на предварительное смешивание газов горения с дымовыми газами в таком соотношении, что даже при высоком догреве воздуха горения можно избежать таких больших температурных пиков, как во фронте пламени. Реакционная пропорция определяется по принципу смешивания между тремя элементами: топливом, воздухом и продуктами горения смешанными перед горением. Однако окисление не происходит при любом составе предварительной смеси. Необходимый состав реакционной смеси определяется фактором Kv, который обозначает отношение рециркулированного массового потока к сумме массовых потоков газообразного топлива и воздуха. При этом мы исходим от полностью достаточной молекулярной смеси перед реакцией.

Kv= _____M рец _______

(Mвоздуха + Mтоплива)

При температуре выше температуры самовоспламенения 850°С и Kv > 3 возможна реакция окисления без пламени, которая достигается благодаря высокому моменту вдуваемых газов.

 

Рисунок 2

При более высоких соотношениях предварительного смешивания максимальная адиабатическая температура существенно снижается и растет независимо от температуры догрева воздуха для горения, оставаясь ниже температуры образования NO. Вопросы стабилизации при этом не играют роли, поэтому скорость воздуха и вместе с ним мощность могут быть увеличены. На рисунке 2 представлены области стабильно горящего пламени и беспламенного окисления в зависимости от соотношения предварительного смешивания и температуры в пространстве горения.

1.4 Безопасная эксплуатация аппарата

- Печи должны быть оборудованы дежурными (пилотными) горелками, оснащенными запальными устройствами, индивидуальной системой топливоснабжения.

- Рабочие и дежурные горелки должны быть оборудованы сигнализаторами погасания пламени, надежно регистрирующими наличие пламени форсунки.

- На трубопроводах газообразного топлива к основным горелкам должны быть установлены предохранительно - запорные клапана (ПЗК), дополнительно к общему отсекающему устройству на печи, срабатывающие при снижении давления газа ниже допустимого.

- На линиях подачи жидкого топлива и топливного газа к основным и дежурным горелкам должны быть установлены автоматические запорные органы, срабатывающие в системе блокировок.

- Для многофакельных печей на трубопроводах газообразного и жидкого топлива должны быть установлены автономные регулирующие органы для обеспечения безопасности в режиме пуска.

- При размещении печей вне зданий запорные органы на общих трубопроводах жидкого и газообразного топлива должны быть расположены в безопасном месте на расстоянии не ближе 10 м от печи.

- Перед пуском печи необходимо убедиться в отсутствии каких-либо предметов в камере сгорания, дымоходах - боровах, все люки и лазы должны быть закрыты.

- В период розжига печи должны быть включены все приборы контроля, предусмотренные технологическим регламентом, и вся сигнализация.

- Перед розжигом печи, работающей на газе, необходимо проверить плотность закрытия рабочих и контрольных вентилей на всех горелках, сбросить конденсат из топливной линии. Система подачи газа должна исключать попадание конденсата в горелки.

- Розжигу дежурных горелок должна предшествовать продувка топочного пространства паром, а линии подачи газообразного топлива - инертным газом на свечу. Продувку топочного пространства, считая с момента открытия последней задвижки до момента появления пара из дымовой трубы, следует вести в течение времени, предусмотренного регламентом, но не менее 15 мин., а для многокамерных печей продувка камер сгорания - не менее 20 мин.

- Розжиг печи должен начинаться с розжига дежурных горелок. В том случае, если дежурная горелка (горелки) не разожглась (разожглись) с трех попыток, следует повторить продувку топочного пространства согласно п. 5.3.10.

- Розжиг основных горелок должен осуществляться при работающих дежурных горелках, минимальной регламентированной циркуляции сырья в змеевике и регламентированных значениях подачи топлива.

- Трубопроводы подачи топлива ко всем неработающим (в том числе и временно неработающим) горелкам должны быть отглушены.

- Печи должны быть оборудованы средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб, а также средствами автоматического отключения подачи сырья и топлива при авариях в системах змеевиков.

- Топливный газ для освобождения от жидкой фазы, влаги и механических примесей перед подачей в горелку должен предварительно пройти сепаратор, подогреватель и фильтры.

- Жидкое топливо для обеспечения необходимой вязкости и освобождения от механических примесей перед подачей в форсунку должно предварительно

пройти подогреватель и фильтры.

- В период пуска должны быть включены следующие блокировки: закрытие автоматических запорных органов дежурных горелок при понижении давления в линии топливного газа; закрытие газовых автоматических запорных органов основных горелок при повышении или понижении давления в линиях топливного газа к основным горелкам, а также при прекращении подачи в змеевик циркулирующего газа или сырья; закрытие на жидком топливе автоматических запорных органов при прекращении подачи в змеевик циркулирующего газа или сырья.

- Система блокировок и сигнализации должна обеспечивать отключение подачи топлива к дежурным и основным горелкам при:

- отклонениях параметров подачи топлива от регламентированных;

- падении объема циркуляции сырья через змеевик печи ниже допустимого;

- превышении предельно допустимой температуры сырья на выходе из печи;

- срабатывании прибора погасания пламени.

- Система противоаварийной автоматической защиты должна быть снабжена противоаварийной сигнализацией параметров и сигнализацией срабатывания исполнительных органов.

- При эксплуатации трубчатой нагревательной печи необходимо следить за показаниями контрольно - измерительных приборов, вести визуальный контроль за состоянием труб змеевика, трубных подвесок и кладки печи. При наличии отдулин на трубах, их прогаре, деформации кладки или подвесок, пропуске ретурбентов потушить горелки, прекратить подачу в печь продукта, подать в топку пар и продуть трубы паром или инертным газом по ходу продукта. Дверцы камер во время работы

печи должны быть закрыты. Необходимо вести наблюдение за установленным режимом горения, горелки должны быть равномерно нагружены, факел должен иметь одинаковые размеры, не бить в перевальную стенку и не касаться труб потолочного и подового экранов.

- Подача пара в топочное пространство должна включаться автоматически при прогаре змеевика, характеризующимся:

- падением давления в сырьевом змеевике;

- повышении температуры над перевальной стеной;

- изменением содержания кислорода в дымовых газах на выходе из печи против регламентированного.

- Параметры срабатывания блокировки по аварийному включению подачи пара в змеевик определяются проектом.

- Электроснабжение систем ПАЗ и исполнительных механизмов печи относится к особой группе I категории надежности.

- Подготовка к ремонту и проведение ремонтных работ в печи являются газоопасными работами и должны выполняться в соответствии с требованиями Типовой инструкции по организации безопасного проведения газоопасных работ.

- Перед началом продувки змеевика печи проверить, чтобы давление в змеевике печи было ниже давления пара или инертного газа, которыми будет производиться продувка.

- Подготовка к ремонту печи и установленного на ней оборудования должна выполняться в строгом соответствии с технологическим регламентом.

- При подготовке к ремонту форсунок, работающих на жидком топливе, необходимо:

- перекрыть задвижки на прямом и обратном коллекторе жидкого топлива на форсунки;

- сбросить давление с коллектора путем сжигания топлива в форсунке;

- закрыть пар к форсункам;

- сбросить давление в паровом коллекторе через форсунку или дренаж;

- поставить заглушки на входе и выходе топлива со стороны форсунки и на паровой линии.

- При подготовке к ремонту форсунок, работающих на газовом топливе, необходимо:

- перекрыть байпасную и клапанные задвижки подачи газа в печь;

- сбросить давление с коллектора путем сжигания топлива в форсунках и убедиться в отсутствии давления по манометру и воздушнику;

- поставить заглушки после клапанной и байпасной задвижек по ходу газа в печь.

- Перед открытием пробок - двойников (контрольных мест) или вскрытием фланцевых соединений подача инертного газа или пара в змеевик печи должна быть прекращена и змеевик печи охлажден. Отсутствие продукта в змеевике печи необходимо проверить путем открытия пробок контрольных двойников или вскрытием фланцевых соединений в подовом экране печи и нижней части камеры конвекции.

- Лазы в печь и подходы к ней не должны быть загромождены.

- Наблюдающий за работой людей в печи обязан:

- следить, чтобы все лазы для входа и выхода из печи были открыты;

- постоянно поддерживать связь с работающими и, в случае необходимости, оказать немедленную помощь;

- при невозможности оказать помощь лично, немедленно обратиться за помощью к ближайшим рабочим и сообщить ответственному за ведение работ.

- Рабочие, производящие очистку труб, обязаны быть в защитных очках, респираторах и касках.

- При работе внутри печи запрещается: вырубать шлак на стенках без защитных очков, разбирать кладку большими глыбами. Разборку кладки нужно вести по кирпичу, спуская их по специальному желобу.

- Работа в печи должна быть прекращена, если есть опасность обрушения кладки или обнаружено присутствие нефтепродуктов и газов.

- При заполнении топливных трубопроводов присутствие людей в топке печи запрещается.

- Зажигание форсунок и регулирование режима горения производить в защитных очках со светофильтрами, стоя сбоку от форсунки; при этом одежда должна быть плотно застегнута и обязателен головной убор.

- При зажигании форсунки, работающей на жидком топливе, поднести к ней газовый запальник, открыть поступление пара и воздуха, и после этого открыть вентиль на топливном трубопроводе у форсунки. Давление пара (воздуха) должно быть выше давления жидкого топлива не менее чем на 0,5 атм.

- При попадании в форсунки вместе с газом конденсата перекрыть вентили подачи газа на печь и сбросить конденсат в линию "газ на факел".

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет процесса горения. КПД печи

Компоненты	Объемная доля (%)	Молекулярная масса M	Объемная доля	Массовая доля
1	2	3	4	5
CH4	89,67	16	14,35	0,79
C2H6	4,4	30	1,32	0,072
C3H8	1,61	44	0,71	0,039
н-C4H10	0,66	58	0,38	0,020
CO2	0,67	44	0,29	0,016
C5H12	0,13	72	0,19	0,010
изо-C4H10	0,66	58	0,38	0,020
N2	2,2	28	0,61	0,033
Итого:	100	-	18,23	1,000

Рассчитываем теплоту сгорания по формуле (в кДж/м3):

,

Вычисляем элементарный состав газообразного топлива по уравнениям, (% масс):

Н =1

О =16

N =14

Находим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива:

L

Действительный расход воздуха:

L =L , коэффициент избытка воздуха

Тот же расход воздуха (м3) при нормальных физических условиях:

V= ,

Количество дымовых газов, образующихся при сгорании

1 кг топлива (кг/кг):

Общее количество продуктов сгорания в кг/кг:

Gкг/кг

Проверка: Gкг/кг

Объемный состав продуктов сгорания на 1 кг топлива при нормальных условиях (м3/ кг):

V

16

V

V

V

V

Суммарный объем продуктов сгорания:

V

Плотность дымовых газов при нормальных физических условиях:

Расчет теплосодержания продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

q

q

q

q

qqСоставим таблицу:

T,К	273	500	900	1300	1700	2100
q,кДж/кгК	0	4571,78	13229,7	22809,7	39527,9	43373

Построим график:

Найдем :

t

Производим расчет полезной тепловой нагрузки печи по формуле:

,

Значение G = 76320 кг/час, е - 0,24 берем из исходных данных курсового проекта

Вычислим коэффициент полезного действия печи:

,

где потери тепла в окружающую среду

qберём согласно графику ,при t= 643K,получаем qкДж/кгК

Определяем полную тепловую нагрузку печи:

Qт= Qпол/?==13254,3кВт

Часовой расход топлива:

B=кг/час

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы, были получены навыки выполнения расчета основных технических показателей печи беспламенного горения на основании исходных данных. Получены следующие результаты: КПД печи = 0,791; Полезная тепловая нагрузка печи = 8535,8кВт; Полная тепловая нагрузка печи = 13254,3кВт; Часовой расход топлива В = 421,4кг/ч.

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ахметов С.А. и др. Технология оборудование процессов переработки нефти и газа. Учебное пособие / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков, И.Р. Кузеев, М.И. Баязитов; под ред. С.А. Ахметова. - СПб.: Недра, 2006. - 868 с.

2. Бахшиян Ц.А. Трубчатые печи с излучающими стенами топок. - М.: ГОСИНТИ, 1960. - 192 с.

3. Глинков М.А. Основы общей теории печей. - М.: Метал- лургиздат, 1962. - 576 с.

4. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987. - 304 с.

5. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2-е изд., пер. и доп. - М.: Химия, 1975. - 432 с.

6. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н., Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности, Л.: Химия, 1974 г., 344 с.

7. . Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л. и др. Пиролиз углеводородного сырья. - М.: Химия, 1987. - 240 с.

8. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - 3-е издание - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677 с.

9. . Сульжик Н.И., Степанов А.В. Ресурсосбережение в нефтехимических производствах. - Киев: Нора-принт, 2000. - 340 с.

Размещено на Allbest.ru

...