Конструкции типовых трубчатых печей и основные показатели их работы

Кубовые трубчатые печи (рисунок 180), которые еще сохранились в первоначальном своем виде на многих нефтегезоперерабатывающих заводах, являются старейшим типом радиантно-конвективных печей.

В радиантной секции печей такого типа трубами покрыты только своды и стены, параллельные расположению пламени. На двух других стенах в верхней половине размещены горелки. Под радиационной секции выложен огнеупорным кирпичом, который не подвергается коррозии. Кирпич укладывается на балках таким образом, чтобы через щели между ней могли проходить продукты сгорания. В конвективной секции обычно размещается оборудование для орошения труб водой, которое при остановке печи используется для удаления части осадка, растворимого в воде; подача и отвод воды должны быть спроектированы таким образом, чтобы вода не соприкасалась с огнеупорной футеровкой.

Рисунок 180 - Кубовая трубчатая печь: 1 – горелки; 2 - радиантная секция; 3 - под с отверстиями; 4 - осадительная камера; 5 - конвективная секция; 6 - труба выхода дымовых газов

Трубчатая печь типа А₂Б2 (рисунок 181) - узкокамерная с верхним отводом дымовых газов, центральным горизонтальным экраном и излучающими стенами из панельных беспламенных горелок. Горелки расположены во фронтальных стенах радиантных камер по пять рядов в каждой стене, образуя два противоположных излучающих блока. Между излучающими стенками установлен трубный экран двустороннего облучения. Трубный экран может быть двухрядным, однорядным, однорядным и двухрядным с переменным шагом. С целью обеспечения независимого регулирования теплопроизводительности для горелок каждого ряда предусмотрен свой газовый коллектор. В зависимости от длины труб радиантной камеры, которая имеет два исполнения (с кладкой из подвесного шамотного кирпича и футеровкой из легковесного жароупорного кирпича), печи изготавливают пяти типоразмеров. Печи данного типа предусматривают беспламенное сжигание чистого обессеренного газа.

Рисунок 181 - Трубчатая печь типа А₂Б2:1 – футеровка; 2 – каркас; 3 – змеевик; 4 - предохранительное и смотровое окно; 5 - беспламенная горелка; 6 - лестничная площадка

Трубчатая печь типа А₂В2 - узкокамерная с верхним отводом дымовых газов, центральным горизонтальным экраном, настильного веерного сжигания газового топлива. Конструкции печей А₂Б2 и А₂В2 аналогичны и отличаются только излучающими стенами. В печах типа А₂В2 излучающая стена из беспламенных горелок заменена веерными горелками, которые расположены в два яруса на фронтальных стенах радиантных камер и образуют два противоположных излучающих блоки. Трубный экран может быть двухрядным, однорядным и двухрядным с переменным шагом. Отличительной особенностью печей этого типа является то, что они могут работать на топливном газе переменного состава.

Трубчатые печи узкокамерные с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб типа Б имеют следующие разновидности: беспламенного горения (одно-и двухкамерные) - ББ1, ББ2 (рисунок 182); беспламенного горения с резервным жидким топливом (одно-и двухкамерные) - БР1, БР2, с вертикальным свободным пламенем и подовым горелками (одно-и двухкамерные) - БС1, БС2, с настилочным пламенем (одно-и двухкамерные) - БН1, БН2.

Рисунок 182 - Трубчатая печь типа ББ2: 1 - радиантные трубы; 2 - конвективные трубы; 3 – горелки

Печи типа ВС - узкокамерная секционная с верхним отводом дымовых газов и вертикальными трубами змеевика, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива (рисунок 183).

Комбинированные форсунки установлены в поде печи, обслуживание горелок с двух сторон. Вертикальные трубы радиантного змеевика расположены во всех четырех стенах радиантных камеры, а между ними - двухрядные экраны двустороннего облучения. Над каждой радиантной камерой расположена конвективная камера прямоугольного сечения с горизонтальными гладкими трубами. В крайних секциях у стен радиантных трубы размещены в один ряд. Печи футерованы жаропрочным бетоном. Предусмотрено четыре типоразмера этих печей, каждый типоразмер отличается количеством одинаковых радиантных камер. В многосекционных трубчатых печах радиантные камеры отдельных секций объединены в общем корпусе.

Рисунок 183 - Трубчатая печь типа ВС:1 - конвективная камера; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - предохранительное окно; 4, 7 - смотровые окна; 5 – футеровка; 6 – каркас; 8 – форсунка; 9 - лестничная площадка; 10 - дымовая труба

Узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными экранами типа Г имеют несколько видов исполнения. Печи типа ГС - узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными двух-или четырехтрубными экранами, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива (рисунок 184). Комбинированные форсунки установлены в один ряд в поду печи в шахматном порядке. При горении топлива образуется стена вертикальных факелов, излучающих тепло сырьевым змеевикам, расположенным на кронштейнах у стен топки с огнеупорной кладки. Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, благодаря чему на общем фундаменте можно установить рядом две однокамерные печи, и таким образом создать двухкамерную печь (тип ГС2). Дымовые газы отводятся вверх в конвективную камеру, которая находится над радиантных. Каркас печей изготовлен из металлических рам. Для наблюдения за состоянием змеевиков в радиантных камерах и для розжигания горелок есть смотровые окна. На торцевых и боковых стенах печей расположены выхлопные окна. Предусмотрено семь типоразмеров печей с крупноблочной футеровкой из легковесного жароупорного бетона.

Рисунок 184 - Трубчатая печь типа ГС: 1 – форсунка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - змеевик конвективных труб;, 4 - подогреватель воздуха; 5 - дымовая труба; 6 - лестничная площадка; 7 – футеровка; 8 - каркас

Печи типа ГН - узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными экранами в двух радиантных камерах, коробчатого, объемно-настилочного сжигания комбинированного топлива (рисунок 185).

При выполнении печи по варианту I форсунки расположены в два ряда на фронтальных стенах под углом 45 °. По оси печи расположена настильная стена, разделяющая печь на две одинаковые камеры с независимым температурным режимом, на которую настилаются наклонные факелы комбинированного топлива. По варианту II форсунки расположены ярусами на фронтальных стенах, а двухрядный горизонтальный экран - по оси печи. Тепло к экранам передается от фронтальных стен, на которые настилаются факелы веерных горелок. Конвективная камера печи находится над радиантной. Каркас печи изготовлен из металлических рам. Для наблюдения за состоянием змеевиков в радиантных камерах и для розжигания горелок предназначены смотровые окна. На торцевых и боковых стенах печей расположены выхлопные окна. В этих печах предусмотрено факельное сжигание жидкого и газообразного топлива в комбинированных горелках, расположенных в поду печи. Цилиндрическая камера радиации установлена ​​на столбчатом фундаменте для обслуживания горелок, которые создают свободный вертикальный факел. Обслуживание горелок печи производится с двух сторон. Футеровка печей двух вариантов: легкий огнеупорный вермикулитокерамзитобетон на глиноземистый цемент и шамотный кирпич. Предусмотрено семь типоразмеров печи.

Рисунок 185 - Трубчатая печь типа ГН: 1 – форсунка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - настильная стенка; 4 - змеевик конвекционных труб; 5 - дымовая труба; 6 - лестничная площадка; 7 – футеровка; 8 – каркас

Печь типа ГД-2 - двухкамерная, с двухрядным центральным экраном, с настильным вертикальным факелом и зонным подводом воздуха по высоте топки (форсунки ротационные) (рисунок 186).

Узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и зональным регулированием величины теплоотдачи имеют два исполнения - беспламенного горения с резервным жидким топливом (ЗР) и с дифференцированным подводом воздуха по высоте факела (ЗД - рисунок 187).

Рисунок 186 - Трубчатая печь типа ГД: 1 – форсунка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - змеевик конвекционных труб; 4 - дымовая труба; 5 - лестничная площадка; 6 – футеровка; 7 – каркас

Рисунок 187 - Трубчатая печь типа ЗД:1 – форсунка; 2 - каналы для подвода воздуха; 3 - змеевик радиантных труб; 4 - змеевик конвективных труб; 5 - дымовая труба; 6 - лестничная площадка; 7 – футеровка; 8 – каркас

Цилиндрические трубчатые печи с боковой кольцевой конвективной камерой и вертикальным расположением радиантных и конвективных труб типа К проектируются в двух исполнениях. Печь типа КС - цилиндрическая трубчатая печь с боковой кольцевой конвективной камерой и вертикальным расположением радиантных и конвективных труб, встроенным подогревателем воздуха, свободного вертикально-факельного сжигания топлива (рисунок 188). Комбинированные форсунки расположены в поду печи. Печь типа КС' отличается от печи типа КС расположением форсунки, установленной не в центре, а смещенной в сторону входа продукта. На стенах радиационной камеры установлены однорядный или двухрядный настенный трубный экран. Конвективный змеевик, также как и воздухоподогреватель, набираются секциями и располагаются в кольцевой камере конвекции, установленной соосно с цилиндрической радиантных камерой. Отвод газов сгорания - через дымовую трубу и сборник газа.

Рисунок 188 - Трубчатая печь типа КС:1 – горелка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - змеевик конвективных труб; 4 – каркас; 5 – футеровка; 6 - подогреватель воздуха; 7 - шибер.

Печь типа КД - цилиндрическая трубчатая печь с боковой кольцевой конвективной камерой конвекции и вертикальным расположением радиантных и конвективных труб, встроенным подогревателем воздуха, дифференцированным подводом воздуха по высоте факела, настильным сжиганием комбинированного топлива (рисунок 189). Конструктивное исполнение печи - с дымоходом, установленным на печи и с отдельно стоящим дымоходом. Комбинированные горелки расположены в поду печи. Оси горелок наклонены в сторону рассекателя-распределителя, установленного в центре печи. Рассекатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настилочные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Рассекатель выполняет следующие функции: делит объем радиантной камеры на четыре автономных зоны теплообмена, что позволяет осуществлять дифференцированный подвод тепла по длине радиантного змеевика; является поверхностью настила факелов горелок, которые имеют стабильную толщину, что позволяет приблизить трубные экраны к горелкам и сократить объект Объем камеры. В печи осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Первичный воздух (около 70% объема) подается принудительно к горелкам, а остальные - по высоте настила, для чего в кладке граней расположены каналы прямоугольного сечения, а в каркасе рассекателя - отдельные воздуховоды, количество которых вдвое превышает количество граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером. Двухстадийное сжигание топлива дает возможность растянуть факелы по высоте граней и повысить равномерность излучения по высоте радиантных труб.

Конвективный змеевик, как и воздухоподогреватель, набирают секциями и размещают в кольцевой камере конвекции, расположенной соосно с цилиндрической радиантных камерой. На стенах радиантной камеры установлены однорядные настенные экраны, а между радиантных камерами - двухрядные радиальные экраны двустороннего облучения. Отвод газов сгорания - через дымовую трубу и сборник газа.

Рисунок 189 - Трубчатая печь типа КД:1 – вентилятор; 2 – каркас; 3 - дымовая труба; 4 - подогреватель воздуха; 5 - конвективный змеевик; 6 - радиантный змеевик; 7 – футеровка

В многокамерной радиантно-конвективной трубчатой ​​печи типа Р с несколькими радиантных камерами и общей конвективной камерой, вертикально расположенными трубами и горизонтальным факелом (рисунок 190) трубчатые змеевики в камерах расположены вертикально и могут быть двухпоточными и многопоточными. Соседние радиантные камеры разделены боковыми экранами из двухрядных змеевиков. В некоторых случаях между трубами соседних экранов могут быть установлены огнеупорные раздельные стены. Во фронтальных стенах камер смонтированы комбинированные форсунки, факелы от которых направлены горизонтально к противоположным стенам, где есть канал для отвода продуктов сгорания топлива в конвективную камеру. Конвективная камера разделена промежуточными стенами на три хода для более эффективного удаления продуктов сгорания топлива. Змеевики конвективной камеры выполнены из гладких и оребренных труб. Каркас состоит из отдельных рам, футеровка - из огнеупорного кирпича или сборных панелей легкого огнеупорного перлитобетон. Применение нескольких секций, которые работают параллельно и независимо друг от друга, позволяет значительно повышать тепловую мощность агрегата, интенсифицировать процесс и увеличивать продолжительность межремонтного периода технологической установки, так как отдельные секции печи могут быть отключены для ремонта или очистки без остановки всей установки.

Рисунок 190 - Трубчатая печь типа Р: 1 - радиантная камера; 2 - конвективная камера; 3 - змеевик радиантных труб; 4 - змеевик конвективных труб; 5 - окно для отвода продуктов сгорания из радиантной камеры; 6 - канал для дымовых газов

Печи типа СС - секционные с горизонтально расположенным змеевиком, отдельно конвекционным камерой, встроенным подогревателем воздуха и свободным вертикально-факельным сжиганием топлива (рисунок 191). Трубный змеевик каждой секции состоит из двух или трех транспортабельных пакетов заводского изготовления. Змеевик каждой секции самонесущий и устанавливается непосредственно на поду печи. Стены топки собирают из легких рам. Комбинированные форсунки расположены в поду печи в один ряд по четыре горелки в каждой секции.

Рисунок 191 - Трубчатая печь типа СС:1 – вентилятор; 2 - конвективная камера; 3 - лестничная площадка; 4 - газоход; 5,6 - предупредительное и смотровое окно; 7 - радиантный змеевик; 8 - трубная решетка; 9 – каркас; 10 - дымовая труба

Цилиндрические трубчатые печи типа Ц конструируют в нескольких исполнениях. Печь типа ЦС - цилиндрическая с вертикальным расположением труб змеевика в одной радиантной камере, свободным вертикально-факельным сжиганием комбинированного топлива (рисунок 192). Комбинированные форсунки расположены по поду печи. На стенах радиантной камеры установлены однорядные или двухрядные настенные трубные экраны. Печь типа ЦС' отличается от печи типа ЦС тем, что форсунка установлена ​​не в центре, а смещена в сторону входа продукта. Отвод газов сгорания - через дымовую трубу, установленную на печи, в сборник газа. Предусмотрено два исполнения печей этого типа: радиантная (без конвективной камеры) и радиантно-конвективная (с конвективной камерой). В радиантных печах к шифру добавляется буква Р. Трубы размещаются на поду и своде печи с таким расчетом, чтобы при нагревании они не могли деформироваться, и только большие трубы укрепляются посередине. Цилиндрическая камера радиации установлена ​​на столбчатом фундаменте для удобства обслуживания газовых горелок, размещенных в поду печи. Радиантный змеевик собран из вертикальных труб на приваренных калачах. Змеевики упираются на под печи, вход и выход продукта осуществляется сверху. Радиантная секция представляет собой стальной цилиндр, выложенный изнутри изоляционным материалом, иногда огнеупорной футеровкой и помещена в стальной кожух. Прямо над радиантной секцией расположена конвективная и дальше съемная стальная дымовая труба. Если на установке расположен блок печей, то дымовые газы выводят через отдельно расположенную трубу, соединенную с печами газоходами.

Рисунок 192 - Трубчатая печь типа ЦС: 1 – форсунка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 – каркас; 4 – футеровка; 5 - змеевик конвективных труб; 6 - шибер; 7 - дымовая труба

Печь типа СД - цилиндрическая с вертикальным расположением труб змеевика в радиантной камере, с дифференциальным подводом воздуха, настилочным сжигания комбинированного топлива (рисунок 193).

Внутри печи в центре расположен рассекатель-распределитель в виде пирамиды с вогнутыми гранями. Грани есть настилочные стены для факелов форсунок. Рассекатель-распределитель создает несколько зон теплообмена в камере радиации, что позволяет регулировать теплонапряженность поверхности трубчатого змеевика по его длине. Металлический каркас рассекателя-распределителя футерован шамотным кирпичом. Внутренняя полость его разбита на отдельные воздуховоды, при этом расход воздуха, проходящего по ним, можно регулировать шиберами. В кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней сделаны каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха из воздуховодов к настилочному факелу каждой грани. В кладку закладываются металлические анкеры из проволоки, расположенные по вертикальной стене каркаса-рассекателя. Комбинированные форсунки расположены в поду печи. Оси их наклонены в сторону рассекателя-распределителя. Трубчатые змеевики радиантной камеры - настенные и подвесные. Подвесные змеевики подвешиваются тягами в конусном переходнике корпуса печи. Основным экраном радиантной камеры являются настенные змеевики.

Печь снабжена камерой конвекции или шахтного типа с горизонтально расположенными трубчатыми змеевиками, или кольцевого типа с вертикально расположенными змеевиками. Змеевики камеры конвекции обслуживаются через отверстия в каркасе, которые закрываются съемными крышками.

Печь типа ЦГ - цилиндрическая с горизонтальным расположением труб змеевика в радиантных камере.

Рисунок 193 - Трубчатая печь типа СД: 1 - конвективная камера; 2 - предупредительное окно; 3 - смотровое окно; 4 - змеевик радиантных труб; 5 – футеровка; 6 – каркас; 7 - камера для подвода вторичного воздуха; 8 - футеровка рассекателя-распределителя; 9 – воздуховод; 10 - рассекатель-распределитель, 11 – форсунка; 12 – воздуходувка

На действующих установках нефтегазопереработки широко распространены шатровые печи типа Ш (рисунок 194), которые в настоящее время отнесены к печам устаревшей конструкции.

Печь состоит из двухпоточных камер радиации и одной общей конвекционной камеры с нижним отводом дымовых газов, имеет одну или чаще два радиантных секции со сводом, наклоненным от центра к наружной стене, в которой горизонтально установлены форсунки. Трубы в радиантной секции заключены на поду и на своде. В печи на стенах радиантной камеры имеются муфели, в которых размещаются форсунки. Горение топлива практически завершается в муфельном канале, и в топку поступают раскаленные продукты сгорания. Из-за высоких удельных затрат металла и огнеупоров и низкой эффективности эксплуатации строительство двухскатных печей прекращено, вместо них строятся более эффективные трубчатые печи.

Рисунок 194 - Трубчатая печь типа Ш: 1,2 - радиантные камеры; 3 - конвективная камера; 4 - потолочные трубы; 5 - подовые трубы; 6 - каркас печи; 7 – форсунки; 8 - шахты для подачи воздуха; 9 – труба

Для характеристики трубчатой ​​печи наиболее важны следующие основные показатели:

- производительность печи - количество сырья, подаваемого в печь для нагрева в единицу времени. На современных установках производительность по нефти достигает 1000 тонн / час.

- тепловая мощность печи определяет то количество тепла, которое может быть воспринято сырьем в печи. Тепловая мощность современных печей составляет 7-60 МВт, а на больших установках достигает 100 МВт.

- теплонапряженность поверхности нагрева характеризуется количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности труб за единицу времени. Чем больше тепловая напряженность поверхности нагрева, тем меньших размеров нужна 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. При перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет примерно 45-60 кВт/м², в печах замедленного коксования - 25-35 кВт/м². Для конвекционных труб теплонапряженность составляет в среднем 10-20 кВт/м².

- тепловая напряженность топочного пространства соответствует количеству тепла, которое выделяется при сгорании топлива в единицу времени на единицу объема топочного пространства. В современных трубчатых печах эта величина составляет примерно 50-100 кВт/м³ и определяется возможностью размещения необходимой радиантной поверхности в камере сгорания, а не процессом горения топлива.

- коэффициент полезного действия трубчатой ​​печи представляет собой отношение полезно использованного тепла к общему количеству тепла, выделенного при сгорании топлива. К.п.д. печи зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих продуктов сгорания и качества тепловой изоляции печи. Современные трубчатые печи имеют к.п.д. в пределах 0,65-0,85.