Энергосбережение в трубчатых печах нефтеперерабатывающих предприятий

Передача тепла конвекцией зависит и от температурного напора, т.е. от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем. Обычно эта разность температур убывает в направлении движения дымовых газов, так как температура дымовых газов снижается на большую величину, чем при этом повышается температура сырья.

При повышении температуры  сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на пять-семь градусов. Наибольший температурный напор наблюдается при входе дымовых газов в камеру конвекции, а наименьший – при их выходе. По этой причине в направлении движения дымовых газов убывает и количество тепла, поглощаемого трубами.

Доля тепла, передаваемого излучением в камере конвекции, значительно меньше, чем в камере радиации, как вследствие более низкой температуры газов, так и из-за меньшей толщины излучаемого газового потока. В камере конвекции эффективная толщина газового слоя предопределяется расстоянием между смежными рядами труб. Снижение температуры дымовых газов в направлении их движения, естественно, вызывает также и уменьшение передачи тепла излучением от них.

Конвекционные трубы, расположенные  в первых рядах по ходу дымовых  газов, получают больше тепла, как за счет конвекции, так и излучения и поэтому в отдельных случаях их теплонапряженность может быть выше теплонапряженности радиационных труб [5].

В зависимости от специфики  и вида топлива применяют печи различных конструкций и параметров. Предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности оснащены различными трубчатыми печами, предназначенными для огневого нагрева, испарения и перегрева жидких и газообразных сред, а также для проведения высокотемпературных термотехнологических и химических процессов.

Трубчатые печи различаются  по их принадлежности – использование  в условиях определенной технологической  установки. Так, большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется температурами нагрева (300-500^оС) углеводородных сред (установки АТ, АВТ, вторичная перегонка бензина, ГФУ). Другая группа печей одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.) [4].

Основными показателями, характеризующими работу трубчатой  печи, являются полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и топочного пространства, коэффициент полезного действия печи.

Важнейшей характеристикой  печи является полезная тепловая нагрузка, т.е. количество тепла, воспринимаемого  сырьем в печи (кВт или кДж/ч). На ряде действующих нефтеперерабатывающих заводов эксплуатируются трубчатые печи с полезной тепловой нагрузкой от 10 до 20 МВт. На высокопроизводительных установках тепловая мощность печей составляет 50-80 МВт.

Важным показателем, характеризующим  работу трубчатой печи, является теплонапряженность поверхности нагрева, или плотность теплового потока (Вт/м²), т.е. количество тепла, переданного через 1 м² поверхности нагрева в единицу времени.

Различают среднюю теплонапряженность труб всей печи, среднюю теплонапряженность радиационных и конвекционных труб, а также теплонапряженность отдельных участков труб (локальная). Величина тепловой напряженности поверхности нагрева характеризует, насколько эффективно передается тепло через поверхность нагрева всей печи или отдельных ее частей. Чем выше средняя теплонапряженность поверхности нагрева всей печи, тем меньше размеры печи, обеспечивающей передачу заданного количества тепла и, следовательно, тем меньше затраты на ее сооружение.

Однако чрезмерно высокая теплонапряженность поверхности нагрева может нарушить нормальную работу печи и привести к прогару труб.

Тепловая напряженность топочного  пространства характеризует количество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени  в единице объема топки (Вт/м³). Эта величина, в известной мере, характеризует эффективность использования объема топки. Размеры топки трубчатых печей во многих случаях зависят не от величины допустимого удельного тепловыделения, а от конструктивных особенностей печи и допускаемой величины теплонапряженности поверхности нагрева радиационных труб. В трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства обычно составляет 40-80 кВт/м³.

Коэффициент полезного действия трубчатой  печи есть величина, характеризующая  полезно используемую часть тепла, выделенного при сгорании топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от степени тепловой изоляции трубчатой печи. Снижение коэффициента избытка воздуха так же, как и понижение температуры отходящих дымовых газов, способствует повышению к.п.д. печи. При подсосе воздуха через неплотности кладки коэффициент избытка воздуха повышается, что приводит к снижению к.п.д. печи. Тепловой КПД современных трубчатых печей составляет 60-75%, а иногда 55% [5].

Основные направления  энергосбережения в трубчатых печах

Основные причины потерь энергии в трубчатых печах  являются: работа печей с повышенными  коэффициентами расхода воздуха  на горение и большие присосы воздуха через неплотности ограждений печи; отсутствие утилизации теплоты уходящих газов, следствием чего являются высокие температуры уходящих газов t_уг.. В результате, потери теплоты с уходящими газами на большинстве печей составляют 20-35%. При этом снижается тепловосприятие радиационной поверхности нагрева (увеличение α_т на 0,1 снижает количество тепловой энергии, передаваемой излучением, до 5%) и конвективной поверхности. Потери теплоты в окружающую среду через обмуровку при отсутствии изоляции  обычно составляют 5-8%.

Эксплуатационно-неизбежные потери топлива представляют собой  те потери топлива (теплоты топлива), снижение которых при современном развитии техники нецелесообразно с технической и технико-экономической точек зрения. В качестве условий, характеризующих границы эксплуатационно-неизбежных потерь принимаются следующие:

• коэффициент расхода воздуха в уходящих газах (с учетом возможных присосов в печи) a_уг=1,15;
• температура уходящих газов, исключающая сернокислотную коррозию хвостовых поверхностей теплоизоляционных устройств при работе на жидком топливе t_уг=160 °C;
• доля топлива, расходуемого на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду от наружных поверхностей ограждений печей (с учетом относительно высоких значений отношений объемов печей к площадям их наружных ограждений) – 1,0% от потребленного топлива.

Можно выделить четыре основных направления энергосбережения в трубчатых печах нефтеперерабатывающей промышленности:

1) Технологическое энергосбережение:

- замена устаревших энергозатратных технологических печей современными, энергоэффективными;

- четкое регламентирование качества сырья, реагентов и режимных параметров;

2) Теплотехническое энергосбережение:

 - увеличение КПД печей за счет оптимизации режимов сжигания топлива, совершенствования горелочных устройств, нанесения специальных покрытий на футеровку печи, позволяющих интенсифицировать теплообмен; использование теплоты уходящих газов для подогрева воздуха и выработки пара на собственные нужды предприятия;

3) Энергетическое энергосбережение:

 - когенерация электрической и тепловой энергии на НПЗ путем надстройки технологических печей газотурбинными установками;

4) Организационно-технические мероприятия:

- автоматизированное  управление процессом сжигания топлива в печах;

- строгое соблюдение инструкций по эксплуатации печных агрегатов, оперативный лабораторный контроль состава получаемых продуктов.

Замена устаревших энергозатратных трубчатых печей современными

Наиболее распространенные сегодня – шатровые печи, построенные в 1930-1970 гг. Основные недостатки шатровых печей – низкий КПД, высокая металлоемкость, большая занимаемая площадь, устаревшие системы управления. Состояние этих печей зачастую таково, что КПД ниже проектного на 10% и более за счет неэффективного  использования пространства топки и плохой герметизации печи. К недостаткам печи можно также отнести подземные дымоходы, зачастую заполненные водой, откачка которой увеличивает время простоя установки. Поэтому, необходимо разрабатывать и реализовывать долговременную программу постепенной замены этих печей на современные с максимальным учетом технологических особенностей каждой установки. С середины 60-х годов в нефтеперерабатывающей промышленности проектируются и широко используются вертикальные трубчатые печи с горизонтальными, вертикальными, спиральными расположениями змеевика. КПД этих печей на 10-20% выше шатровых, а материалоемкость и занимаемая площадь значительно меньше. Однако, каждая печь имеет свои индивидуальные особенности (требования по гидравлическому сопротивлению змеевика, температуре потоков, задание на утилизацию тепла и т.п.).

Таким образом, основными  путями развития проектирования и изготовления трубчатых печей нефтеперерабатываюбщей промышленности являются:

- замена печей старых  конструкций (шатровых) современными  печами новой конструкции с  учетом оптимизации условий нагрева,  ремонтопригодости;

- выбор узлов утилизации, обеспечивающих наиболее высокие  экономические показатели;

- надземная прокладка  дымоходов [6].

Интенсификация  теплообмена

Нанесения покрытия с высокой степенью черноты. Теплообмен в печах при температуре выше 700^оС осуществляется в основном радиацией. Интенсивность лучистого теплообмена между факелом или излучающими стенами и нагреваемыми трубами определяется законом Стефана-Больцмана. Приведенная степень черноты ε_пр  зависит как от степени черноты факела и/или излучающей стены, так и от степени черноты тепловоспринимающих труб. Повышение степени черноты приводит к интенсификации теплообмена, и, следовательно, к экономии топлива. Исследования показывают, что с повышением температуры степень черноты всех огнеупорных материалов снижается до ε_пр =0,5-0,7 в диапазоне температур 800-1000 ^оС. В то же время степень черноты специальных керамических покрытий на основе оксидов металлов возрастает с повышением температуры.

Искусственное повышение  степени черноты открывает широкие  возможности интенсификации теплообмена, экономии топлива и повышения  КПД печи. Кроме того, покрытие увеличивает  механическую прочность огнеупоров, в частности, его стойкость абразивному износу, и увеличивает срок службы огнеупора в 2,5-5 раз.

Температура наружной поверхности  топки обычно снижается на 3-7%. Вследствие увеличения производительности печи из-за улучшения теплообмена и сокращения времени нагрева экономия топлива может достигать 15-22%. [7]

Турбулизация сырья - высокоэффективный способ, позволяющий интенсифицировать теплообмен в трубчатых печах. Турбулизация осуществляется закачкой в горячий сырьевой поток перед поступлением его в печь небольшого количества воды (0,4-0,5% на сырье). Испарение воды со значительным увеличением занимаемого ею объема приводит к резкому возрастанию скорости сырья в печи и турбулентности режима, исключается местный перегрев. По мере движения по трубам мазут начинает испаряться и теплообмен происходит в условиях пузырькового кипения, которое сопровождается резким увеличением паровой фазы. В этот период значительно возрастает склонность мазута к коксообразованию от перегрева его пристенной пленки, несмотря на увеличение скорости движения потока парожидкостной смеси. В пленке быстро растет концентрация термически нестойких соединений – асфальтенов, предшественников кокса.

Ухудшение условий теплообмена  на участке испарения мазута определяет необходимость снижения теплонапряженности. С этой целью целесообразно увеличить диаметры труб змеевика и размещать их в подовом экране радиантной камеры. Внедрением указанного мероприятия в нагревательной печи АВТ удается снизить теплонапряженность в зоне испарения мазута до 11-17 кВт/м² и обеспечить стабильную работу змеевиков без коксования [4,8].

Промежуточный отбор паровой фазы. Анализ эксплуатации змеевиков нагревательных печей показал, что наиболее часто выходят из строя печные трубы в зоне начала участка испарения, где отложение кокса наиболее характерно. Проведенный анализ подтвердил возможность промежуточного отбора паровой фазы из змеевика нагревательной трубчатой печи. Оптимальная координата отбора паровой фазы из змеевика трубчатой печи определяется на основе математической модели по оптимизации работы трубчатой печи. По некоторым данным, путем отбора паровой фазы возможно увеличение производительности установки по сырью более чем на 10% [9].

Очистка теплообменных  поверхностей

Внутреннюю поверхность  печных труб очищают от отложений солей и кокса в основном тремя способами: механическим, паровоздушным и промывкой водой. Когда на установках прямой перегонки нефти отложения в печных трубах содержат большое количество солей и смолистых веществ, их удаляют промывкой горячей водой и продувкой водяным паром. Кокс из змеевиков печей на установках термического крекинга, пиролиза и других процессов удаляют механическим способом и паровоздушным выжигом [4].