Конструктивные элементы печей

Конструктивные элементы трубчатых печей отличаются большим разнообразием типов и размеров. Они постоянно совершенствуются в связи с освоением печей новых конструкций. Общими для всех печей конструктивными элементами являются: фундаменты, металлические каркасы, стены и своды, трубные змеевики, гарнитура, топливное оборудование, система топливо - воздухо- и пароснабжения, лестницы и площадки для обслуживания и ремонта, дымоходы и дымовые трубы, пароперегреватели и рекуператоры.

Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются: каркас, трубчатый змеевик, гарнитура печей, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба. Конструктивные элементы являются типовыми для всех печей (рисунок 2.73)

1 – металлический каркас; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – форсуночная амбразура; 4 – предфорсуночный тамбур; 5 – гляделка; 6, 9, 17 – трубы подового экрана, конвекционной камеры и потолочного экрана; 7 – лежка 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 труб потолочного экрана;
19 – подвески для кирпичных блоков

Рисунок 2.73 – Конструкция трубчатой двухскатной печей

Каркас.

Каркас печи несет основную нагрузку от веса труб, двойников, трубных решеток и подвесок, кровли, подвесного свода и стен печи и других деталей.

Металлический каркас представляет собой пространственную раму, обрамляющую стены печи, поэтому конфигурация каркаса соответствует наружной форме печи. В зависимости от ширины трубчатой печи основой конструкции каркаса могут служить рама, ферма, прикрепляемая к колоннам, или целая ферма (рисунок 2.74), которые опорными поверхностями стоек устанавливаются на фундамент и взаимно связываются горизонтальными связями из балок или швеллеров. Ферм может быть разное количество.

а – из простых балок; б – со стойками из балок и фермой для свода; в – из ферм; 1 – рама; 2 – стойки; 3 – ферма; 4 – верхний пояс; 5 – нижний пояс

Рисунок 2.74 – Схемы конструкций каркасов трубчатых печей

Крепление колонн к фундаменту в двух первых случаях выполняется как защемление, целые фермы закрепляют на неподвижных шарнирах, при этом считается, что температурные перемещения поглощаются вследствие упругой деформации рамы или фермы.На рисунках 2.68, 2.75, 2.76 показаны каркасы двухскатной и вертикальной печи.

Рисунок 2.75 – Двухскатная печь

Опорные стойки каждой фермы или рамы при помощи шарнирных узлов и плит крепятся к фундаменту анкерными болтами. Узлы рам крупных печей с большими пролетами ферм имеют шарнирные соединения для компенсации линейного удлинения балок, возникающего при нагреве. В малых печах шарнирные узлы рам отсутствуют, а удлинения балок компенсируются их упругой деформацией.

а)	б)
Рисунок 2.76 – Каркас двускатной печи

Фермы каркаса соединены между собой горизонтальными балками и прогонами для кровли. По нижнему поясу балок закреплены трубные подвески для продуктовых змеевиков, подвески и кронштейны для обмуровочных кирпичей (см. рисунок 2.73).

Стены.

Стены, как и вся обмуровка, предназначены для герметизации топки и камер трубчатой печи, а также образования поверхности для размещения экранов радиантных труб и отражения лучистой энергии. Стены должны быть прочными в условиях высоких температур, герметичными и обладающими незначительной теплопроводностью.

В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний слой, подверженный действию огня и раскаленных дымовых газов, выложен из огнеупорного кирпича, средний – из изоляционного кирпича или плит, наружный – из обыкновенного кирпича повышенной прочности. Хотя толщина этих стен значительна (до 0,7 м), особой долговечностью они не отличаются: сравнительно быстро расслаиваются и разрушаются.

Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуатации стены, выложенные только из огнеупорного кирпича на растворе, составленном из огнеупорной глины и шамотного порошка. Для герметизации стены снаружи штукатурят или обшивают металлическими листами.

В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огнеупорную кладку выполняют из шамотного кирпича марок А, Б и В, который имеет следующую огнеупорность: кирпич марки А – не ниже 1730 °С,марки Б – 1670 °С, марки В – 1580 °С. Исходя из того, что почти все старые печи работают в форсированных режимах, предпочтительно применение кирпича марки А.

Кирпич марок Б и В в жестких условиях эксплуатации с течением времени оплавляется, в результате толщина стен уменьшается, а под печи покрывается твердыми наростами оплавившегося шамота. В дальнейшем, при ремонтах, эти наросты удаляют с большими трудностями. Особенно недопустимо оплавление стен при наличии подовых трубных экранов.

Стены современных печей имеют блочную конструкцию (рисунок 2.77) и собираются из огнеупорного кирпича разнообразной формы. Например, обмуровку двухскатных печей выполняют из блоков более 80 фасонов и размеров. Геометрическая форма огнеупорных блоков позволяет собирать их на балках и стержнях, прикрепленных к каркасу печи. Сопряженные поверхности соседних блоков снабжены выступами и соответствующими им впадинами, которые образуют замки-лабиринты. Грани блоков, обращенные внутрь печи, гладкие и обеспечивают образование внутренней гладкой поверхности стены печи. Такая обмуровка производится без растворов и имеет большие эксплуатационные преимущества перед монолитной футеровкой, опирающейся на самостоятельный фундамент.

1 – элемент блочной футеровки (блочный кирпич); 2 – несущие горизонтальные шнеллеры; 3 – кронштейны для блоков

Рисунок 2.77 – Блочная конструкция стен трубчатых печей

Благодаря отсутствию раствора каждый блок-кирпич легко воспринимает тепловые деформации и компенсирует их в пределах зазоров в замках. Этому же способствует разгруженность кладки от собственного веса. Нагрузку от кладки почти целиком воспринимает металлический каркас печи.

Замки-лабиринты в соединениях кирпичей обеспечивают надежную герметизацию кладки, что очень важно для снижения тепловых потерь через стены и уменьшения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блочной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм). Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучающими стенами топок полностью или на отдельных участках составлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или асбестовым шнуром.

В технике кладки печей следует отметить тенденцию к применению в качестве материала для обмуровки жаростойкого бетона. Железобетонные стены печи отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью. Однако жаропрочность таких стен и их способность переносить резкие колебания температур пока еще полностью не изучены. В эксплуатации находятся печи из крупноблочного жаростойкого бетона, стены которых являются несущими. Это исключает необходимость в металлическом каркасе.

В наиболее тяжелых температурных условиях работают перевальные стены, поэтому конструктивно они должны быть более прочными и долговечными. Их толщина обычно больше толщины контурных стен.

Благодаря отсутствию раствора каждый блок-кирпич легко воспринимает тепловые деформации и компенсирует их в пределах зазоров в замках. Этому же способствует разгруженность кладки от собственного веса. Нагрузку от кладки почти целиком воспринимает металлический каркас печи.

Замки-лабиринты в соединениях кирпичей обеспечивают надежную герметизацию кладки, что очень важно для снижения тепловых потерь через стены и уменьшения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блочной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм). Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучающими стенами топок полностью или на отдельных участках составлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или асбестовым шнуром.

Основание печи выкладывается из трех слоев: нижний слой из простого кирпича стелится на бетонную постель плашмя, без раствора; второй слой – из простого кирпича на цементно-глиняном растворе; третий слой (самый верхний) – из огнеупорного кирпича, положенного на ребро, с шамотно-глиняным раствором.

Футеровка печей (рисунок 2.78) –это конструкция из огнеупорных, кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовочных материалов и изделий, ограждающая рабочую камеру, в которой протекают печные процессы, от взаимодействия с окружающей средой.

Рисунок 2.78 – Футеровка печи

Во многих печах футеровку выполняют из фасонных шамотных кирпичей с огнеупорностью: 1730 °С – класс А; 1670 °С – класс Б; 1580 °С – класс В.

Футеровка предохраняет металлоконструкции печи, а также обслуживающий ее персонал от воздействия высоких температур и печной среды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабочей камере печей, т.е. полную герметизацию при работе под высоким давлением, либо достаточную газоплотность при давлениях, близких к атмосферному.

Футеровка один из основных конструктивных элементов печей, который дает возможность осуществления высокотемпературных термотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде при наличии механических нагрузок с сохранением в течение длительного времени геометрической формы рабочей камеры, механической и строительной прочности.

Большое разнообразие огнеупорных кирпичей (до 80 типоразмеров) очень усложняет сборку обмуровки. Поэтому в современных печах все чаще применяют блочные обмуровки из жаростойкого бетона и железобетона.

Для печей с металлическим каркасом применяют блоки массой 500 кг и более, монтируемые с использованием кранов, и мелкие блоки массой 50 кг, которые укладывают вручную.

В мировой практике строительства трубчатых печей четко наметилась тенденция перехода от тяжелой кирпичной огнеупорной обмуровки к облегченным жароупорным и теплоизоляционным блокам.

Конструктивно блок комбинируется из сборных теплоизоляционных плит, защищаемых с огневой стороны слоем жаростойкого бетона. Значительное уменьшение массы обмуровки способствует распространению новых конструкций печей с облегченным каркасом.

Трубные змеевики.

Трубчатый змеевик является наиболее ответственной частью печи. Его собирают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных печных труб

Печные трубы работают в трудных условиях; они подвержены двустороннему воздействию высоких температур: изнутри – от нагреваемого сырья и снаружи – от дымовых газов и излучающих поверхностей.

Причины износа труб различны и зависят от гидравлической и теплотехнической характеристик режима эксплуатации и технологических особенностей процесса, учитывающих качество сырья. Величина износа при этом зависит от качества изготовления и металла труб. Внутренние поверхности труб подвержены коррозионному и эрозионному износам. Наибольшая коррозия наблюдается при переработке сернистых нефтей, а также нефтей, содержащих хлористые соли. Эрозионный износ обусловлен содержанием в нагреваемом сырье механических включений и большими скоростями движения среды по трубам. Особенно интенсивно изнашиваются концы труб.

В процессе эксплуатации наружные поверхности труб подвергаются износу из-за коррозии дымовыми газами, окалинообразования и прогаров.

Коррозии дымовыми газами подвержены главным образом поверхности труб первых рядов змеевика конвекционных камер, если температура сырья на входе в печь ниже 50 °С, то есть ниже наиболее вероятной температуры точки росы. При этом дымовые газы, которые непосредственно соприкасаются с поверхностями труб, охлаждаются, водяной пар в них конденсируется и, поглощая из газов сернистый ангидрид, образует агрессивную сернистую кислоту.

Окалинообразование является следствием окисления металла труб, начинающегося с их наружных поверхностей.

Под прогарами печных труб принято понимать разрывы их на некоторых участках. Всякому прогару предшествует образование на трубе отдулин – местных увеличений диаметра вследствие ползучести металла при высоких температурах и давлениях внутри трубы.

В настоящее время применяют печные трубы диаметром 60–152 мм, длиной до 18 м, толщиной стенки до 15 мм.

Применяют бесшовные катаные трубы из углеродистой стали марок 10 и 20 (при температуре до 450 °С) и из легированных сталей 15Х5М и 15Х5ВФ (при температуре до 550 °С). При более высоких температурах нагрева сырья используют трубы из жаропрочных сталей. Трубы из углеродистой стали можно применять только в неагрессивных средах.

Трубы могут соединяться в змеевики двумя способами:

а) ретурбендами – соединение производится посредством развальцовки концов труб в гнездах;

б) калачами или двойниками – соединение производится посредством сварки (рисунок 2.79).

Змеевик печи может иметь и комбинированное исполнение: в конвекционной камере или на начальном ее участке – сварной, а на всех остальных участках, испытывающих большую теплонапряженность – на ретурбендах.

Когда по условиям эксплуатации нет необходимости в систематическом вскрытии торцов труб (для чистки или ревизии), предпочтение следует отдавать сварному змеевику как наиболее простому, компактному, дешевому и надежному в работе.

Рисунок 2.79 – Печной двойник

Ретурбенды представляют собой стальные литые или кованые короба, соединяющие трубы в змеевик. Направление потока в них изменяется на прямо противоположное. Конструкция всех ретурбендов такова, что в случае необходимости может быть открыт доступ к внутренней поверхности печных труб.

В последнее время появились печи без ретурбендов и peтурбендных камер. Цельносварной трубный змеевик в таких печах размещается внутри камер и удерживается по концам, как и в промежутках, подвесками вместо трубных решеток.

Трубные змеевики по экранам радиантных камер размещаются в один или в два ряда (рисунок 2.80). При размещении в два ряда трубы одного ряда располагают в створе труб другого ряда, то есть в шахматном порядке. Шаг между трубами обычно составляет 1,7–2 наружных диаметра печной трубы.

Рисунок 2.80 – Различные конструкции трубных змеевиков

Гарнитура печей.

К гарнитуре печей относятся детали, предназначенные для удержания труб от провисания в промежутках между трубными решетками, для сборки блоков футеровки стен и подвесных сводов, а также гляделки
и предохранительные окна.

Трубные решетки применяют для удержания труб конвекционных камер (рисунок 2.81). Их крепят к специально выполненному для этой цели участку фундамента печи.

Рисунок 2.81 – Трубные решетки

Решетки конвекционных труб однокамерных печей можно с одной стороны крепить к металлоконструкциям, а с противоположной стороны заделывать в кладку перевальных стен. В местах заделки оставляют достаточные зазоры, чтобы при тепловых деформациях решетки не разрушали кладку.

Для конвекционных труб обычно достаточно надежны решетки из чугуна марки СЧ21-40, и лишь для нескольких верхних рядов, где температура среды высока, целесообразно применять решетки из жароупорной стали или ее заменителей.

Для высоких конвекционных камер решетки составляют из нескольких частей, соединенных болтами из нержавеющей стали. Нижние участки отверстий решеток снабжены приливами, увеличивающими площади опирания труб.

Подвески(рисунок 2.82).

Рисунок 2.82 – Подвески

Подвески используются для крепления труб потолочного экрана. Их прикрепляют к элементам каркаса.

Трубные подвески могут быть закрытыми и открытыми. Закрытые подвески прочнее, но для смены их в случае прогара требуется демонтаж печных труб.

Учитывая их высокую температуру в радиантной камере, подвески и кронштейны изготовляют из высоколегированных жаропрочных сталей. Для литых изделий, например, применяют сталь ЭИ316 (ЭИ319), обладающую жаростойкостью при температурах до 1000 °С в атмосфере сернистых топочных газов. Применяют также хромомарганцевоникелевые и хромомарганцевокремнистые стали.

По сравнению с печными трубами подвески находятся в более тяжелых рабочих условиях, так как они не охлаждаются потоками нефтепродуктов и нагреваются иногда до 1100 °С.В топочных газах часто содержатся большие количества сернистого газа, водяных паров, оксида углерода, водорода и других агрессивных агентов, вызывающих коррозию металла подвесок.

Так, ударная вязкость стали 20Х23Н13, из которой сделаны подвески, эксплуатировавшиеся в печах АВТ, в течение полугода снизилось более чем втрое. Исходя из условий работы подвесок, к их литью предъявляют следующие основные требования:

– подвески не должны иметь раковин, короблений, острых углов и резких переходов от одного сечения к другому;

– отверстия боковых креплений и отверстия труб должны тщательно зачищаться от литейного шлака и быть скруглены.

Кронштейны (рисунок 2.83).

Кронштейны используют для крепления труб бокового экрана. Кронштейны крепятся к элементам каркаса.

Рисунок 2.83 – Кронштейны

Гляделки(смотровые окна) (рисунок 2.84).

Гляделки, или смотровые окна, предназначены для наблюдения в процессе работы за состоянием печных труб и работой форсунок (размероми яркостью пламени).

Их изготовляют из чугуна марки СЧ 21–40 и крепят на болтах снаружи кладки к металлоконструкции печи. Для большей обзорности на участке установки гляделок в стенах печи выполняют отверстие, расширяющееся внутрь печи.

Рисунок 2.84 – Гляделки (смотровые окна)

Предохранительные (взрывные) окна (рисунок 2.85).

Предохранительные окна отличаются от гляделок большими размерами. Они предназначены для ослабления силы хлопка (взрыва) в топке печи в случае нарушения нормального режима, при ремонтах ими пользуются как лазами, через которые обслуживающий персонал проникает внутрь печи.

Рисунок 2.85 – Предохранительные окна

Крышки гляделок и предохранительных окон в рабочем состоянии должны плотно прилегать к корпусу под действием собственного веса. Для этого поверхности их сопряжения наклонены к вертикали. Крышки предохранительных окон изнутри покрывают изоляцией для предохранения от больших деформаций и потерь тепла.

Борова – это футерованные каналы для транспортирования отходящей из печей газовой печной среды до выбросных труб. Конструкции боровов типизированы, и они выбираются в зависимости от количества газовой печной среды, ее температуры и химического состава. При температуре отходящих газов до 500 °С борова футеруются глиняным кирпичом марки 75, а при более высоких температурах – шамотным кирпичом класса В или Б на шамотном растворе с несущей конструкцией из глиняного кирпича.

В них предусматривают люки-лазы для осмотра и чистки при ремонтах. Все каналы дымоходов снабжают системой паротушения.

Для регулирования тяги на дымоходах или в самом низу дымовой трубы устанавливают шиберы.

Шиберы– плоские заслонки, частично прикрывающие сечение тракта, по которому проходят дымовые газы, предназначенные для достаточно плотного отключения печей от тяговой установки, а также для достижения легкого и чувствительного регулирования количества газовой печной среды, выходящей из печи, и их давления.

При пожаре шибером прикрывают боров, что резко снижает тягу и интенсивность горения и предотвращает попадание пламени в дымовую трубу.

Шибер ставится при выходе отходящих газов из камеры печи и представляет собой чугунную, керамическую заслонку, опущенную в боров и подвешенную на тросе, перекинутом через блок с противовесом или непосредственно на барабан ручной или электрической лебедки.

Шибера в боровах для зоны с температурой дымовых газов до 600 °С выполняются из чугуна. Для зоны с температурой выше 600 °С шибера для предотвращения коробления выполняются водоохлаждаемыми или керамическими.