Огневые нагреватели объектов промысловой подготовки нефти

На большинстве объектов промысловой подготовки нефти в качестве генераторов тепла используются различные типы трубчатых печей. На нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических заводах трубчатые печи являются основными генераторами тепла.

Трубчатые печи являются аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива в топочной камере печи.

Трубчатые печи – один из наиболее сложных видов оборудования многих технологических установок предприятий по добычи нефти, газа, нефтехимической, коксохимической и других отраслях промышленности.

В зависимости от назначения в технологической схеме производства того или иного продукта, печи могут быть подогревателями и испарителями сырья, а также высокотемпературными нагревателями, а в некоторых нефтехимических процессах (пиролиз, термокрекинг, конверсия и др.) печи служат реакторами.

Существуют различные конструкции трубчатых печей, отличающихся способом передачи тепла, количеством и формой топочных камер, числом камер в зоне радиации, расположением конвекционной камеры относительно радиантной, длиной труб, способом сжигания топлива, числом потоков нагреваемого продукта и др.

Современные трубчатые печи в основном являются радиантно-конвекционными. Они состоят из камеры радиации (топочной камеры), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло в основном за счет радиации. Радиантные трубы получают тепло не только излучением (85 – 90%), но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией).

В камере конвекции расположены конвекционные трубы, воспринимающие тепло главным образом при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева путем конвекции. В камере конвекции передача тепла осуществляется также за счет радиации трехатомных газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60 – 70% общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20 -30%; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10% тепла.

Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы, поглощая тепло. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.

Основными характеристиками трубчатых печей являются производительность печи по нагреваемому продукту, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и коэффициент полезного действия печи.

Производительность печи – это количество сырья, подаваемого в печь для нагрева в единицу времени. По пропускной способности печи делят на малые (до 300 т/сутки), средние (до 1000 т/сутки) и большие (более 1000 т/сутки).

Тепловая мощность печи – это количество тепла, воспринимаемое нагреваемым продуктом в единицу времени. По данному показателю печи делят на малые (до 3 МВт), средние (до 15 МВт) и большие (более 15 МВт). В промышленности на крупных нефтеперерабатывающих заводах используются печи тепловой мощностью от 50 до 80 МВт.

Теплонапряженность поверхности нагрева – это количество тепла, передаваемое нагреваемому продукту, через единицу поверхности змеевиковых труб в 1 м² в единицу времени (Вт/м²). Поскольку радиантные и конвекционные трубы работают в разных условиях, различают теплонапряженность радиантных труб, теплонапряженность конвекционных труб и среднюю теплонапряженность труб печи.

Величина теплонапряженности поверхности нагрева отражает эффективность передачи тепла через поверхность нагрева: чем больше тепловая напряженность поверхности нагрева, тем меньших размеров требуется печь для передачи заданного количества тепла. Однако очень высокая теплонапряженность поверхности нагрева может вызвать коксование продукта и прогар труб вследствие чрезмерного повышения температуры стенки трубы. Температура стенки трубы зависит также от температуры сырья и скорости его движения по трубам. Чем ниже температура сырья и выше скорость его движения, тем большую теплонапряженность поверхности труб можно допустить.

Вид нагреваемого продукта оказывает существенное влияние на допустимую величину теплонапряженности поверхности труб. Чем более тяжелое сырье подвергается нагреву, тем меньше допускается теплонапряженность труб. Так, при перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет 45 – 60 кВт/м², в печах замедленного коксования 25 – 35 кВт/м², при нагреве остаточных масел 20 – 25 кВт/м². Для конвекционных труб теплонапряженность составляет в среднем 10 – 20 кВт/м².

Тепловая напряженность топочного пространства – характеризует количество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени в единице объема топки (Вт/м²). Эта величина характеризует эффективность использования объема топки и определяется возможностью размещения необходимой радиантной поверхности в топочной камере, а не процессом горения топлива. В современных трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства составляет 40 – 80 кВт/м³.

Коэффициент полезного действия трубчатой печи представляет собой отношение полезного используемого тепла к общему количеству тепла, выделенному при сгорании топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих дымовых газов и качества тепловой изоляции печи. Современные трубчатые печи имеют коэффициент полезного действия в пределах 0,65 – 0,85.

6.1. Основные типы печей

На действующих объектах промысловой подготовки нефти, установках нефтегазопереработки находит применение шатровые печи и печи беспламенного горения, которые в настоящее время отнесены к печам устаревшей конструкции.

Рис. 6.1 Печь шатровая (с наклонным сводом)

Шатровые печи (рис.6.1) представляют собой двухкамерный двухскатный огневой нагреватель с естественной тягой, нижним отводом дымовых газов, отдельно вынесенной дымовой трубой. Нагреваемое сырье поступает в конвекционную камеру, расположенную в центре печи между двумя камерами радиации, и двумя (или более) потоками проходит через трубы. В печи имеются муфели, в которых размещаются форсунки для сжигания топлива. Горение топлива практически завершается в муфельном канале и в камеру радиации поступают раскаленные дымовые газы. Тепловая мощность таких печей может составлять от 7 до 60 МВт. Свод печи выполнен наклонным для выравнивания тепловых нагрузок на трубчатые змеевики потолочного экрана. Движение дымовых газов в топке - от периферии к центру. Перед входом в конвекционную камеру дымовые газы делают разворот, проходят через ряды конвекционной части змеевика, далее поступают в горизонтальный боров, по которому направляются в дымовую трубу. Дымовые трубы высотой 35 – 45 м выполнены из кирпичной кладки.

Однорядный трубчатый змеевик по потолку и поду выполнен из толстостенных труб из углеродистой или легированной стали длиной 6 – 18 м. Горизонтальное расположение труб дает возможность сравнительно легко удалять продукты из змеевика при остановках печи.

Двухскатные печи получили в свое время широкое распространение благодаря простоте устройства и обслуживания и удобству проведения ремонтных работ. Однако конструкции двухскатных печей шатрового типа громоздки, металлоемки, с низкой теплонапряженностью камер, со сравнительно низким КПД (до 0,7). Одностороннее облучение длинными факелами создает неравномерность нагрева труб по окружности и длине змеевика.

Резкий рост добычи и переработки нефти и газа привел к созданию новых высокоэффективных конструкций трубчатых печей:

▪ с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок;

▪ с настильным, объемно-настильным и вертикально факельным сжиганием топлива;

▪ с дифференцированным подводом воздуха;

▪ цилиндрических секционных;

▪ цилиндрических секционных со встроенной дымовой трубой.

Рис.6.2. Трубчатая печь беспламенного горения

Вопросами совершенствования конструкций трубчатых печей заняты ряд научно-исследовательских и проектных институтов «ВНИИнефтемаш», «Эмбанефтепроект», «Гипронефтезаводы», КБ «Саратовнефтегаз», ВМОЗ «Нефтегазмаш». «ВНИИнефтемаш» создал и осуществил внедрение в промышленность ряд типов трубчатых печей, издал каталог, позволяющий выбрать конструкцию и размеры типовой трубчатой печи для соответствующего технологического процесса.

При выборе конструкции печи можно использовать следующие условные обозначения печей: первая буква – конструктивное исполнение (Г –трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными радиантными трубами; В – трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и вертикальными радиантными трубами; Ц – цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции; К - цилиндрические трубчатые печи с кольцевой камерой конвекции; С – секционные трубчатые печи; Б – блочные трубчатые печи для нефтепромыслов); вторая буква – способ сжигания топлива (С свободный факел; Н– настильный факел; Д – настильный факел дифференциальным подводом воздуха по высоте факела). Цифра после буквенного обозначения – число радиантных камер (Р) или секций (С), в случае отсутствия цифры – однокамерный (односекционный) вариант; числитель дроби – поверхность нагрева радиантных труб, м²; в знаменателе – длина или высота радиантных труб, м.

Цифры в знаменателе показывают длину или высоту топки (в м). Например: А₂Б2 115/6 – узкокамерная трубчатая печь с центральным горизонтальным двухрядным радиационным экраном, верхним отводом дымовых газов, с излучающими стенками топки, оборудованными панельными горелками беспламенного горения, двумя радиантными камерами, с поверхностью нагрева радиантных труб, равной 115 м², длиной топки, равной 6 м.

Трубчатые печи типа ГН, ГН-2 (рис.6.3)

Печь – трубчатая коробчатая с верхним отводом дымовых газов горизонтальными настенными или центральными трубными экранами, объмно-настильного сжигания комбинированного топлива (вариант 1) или настильного газового топлива на фронтальные стены (вариант 11).

Вариант 1. Горелки расположены в два ряда на фронтальных стенах под углом 45^о. По оси печи расположена настильная стена, на которую и направлены горящие факелы. Печь ГН-2 имеет две камеры радиации, она предпочтительна для процессов, требующих «мягкий» режим нагрева (установки замедленного коксования, крекинг-процессы) с низким теплонапряжением (до 35 кВт/м²).