Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств

Актуальность проблемы. Основной задачей в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности является ускоренное развитие отраслей по переработке нефти при одновременном снижении удельных затрат на переработку сырья. Выполнить эту задачу можно только за счет технического переоснащения предприятий путем создания и внедрения нового высокопроизводительного оборудования, а также повышения эффективности работы существующих технологических установок.

Основными аппаратами в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности являются трубчатые печи. Современная тенденция совершенствования различных трубчатых печей характеризуется созданием компактных агрегатов большой единичной мощности целевого назначения для осуществления технологичного процесса.

Приоритетными в различных отраслях по переработке нефти являются узкокамерные печи, обеспечивающие наилучшие условия по передаче тепла сырьевым змеевикам и экономному расходованию топлива. Наиболее широкое применение такие печи нашли в высокотемпературных процессахна установках пиролиза, конверсии, получения аммиака и т. д. Жесткий температурный режим в таких печах требует особого внимания к выбору систем обогрева сырьевых змеевиков. Так, в печах пиролиза сырье нагревается до температуры 830 — 860 °C, трубы — до 1000 — 1100 °C, близкой к предельно допустимой температуре по жаростойкости и жаропрочности для высоколегированных сталей типа 45X25H35CJI. Традиционно в таких печах в отечественной практике и за рубежом в системах сжигания топливного газа используются инжекционные горелки. Опыт их эксплуатации показал наличие конструктивного несовершенства, нарушение теплового режима в топках печей, приводящие к преждевременным остановам.

В диссертации предлагается новый подход к системам сжигания топлива в узкокамерных печах с использованием плоскопламенных горелок, не имеющих аналогов в мировой практике. Дается обоснование использования горелок типа АГГ в различных конструкциях трубчатых печей для решения таких вопросов как высокая технологичность, простота конструкции, экономия топлива, снижение вредных выбросов с дымовыми газами.

Цель работы заключается в разработке и исследовании новых плоскопламенных горелок типа АГГ для систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих интенсификацию теплотехнологических процессов, повышение энергоэффективности печей, обеспечение снижения уровня загрязнения воздушного бассейна, повышения надежности работы и увеличение срока службы.

Научная новизна: Поставленная цель диссертации достигнута теоретическими и экспериментальными исследованиями. Наиболее принципиальной новизной обладают следующие результаты:

1. Впервые предложена аэродинамическая схема плоскопламенной горелки типа АГГ, на новой основе позволяющая реализовать устойчивое сжигание многокомпонентных газообразных топлив, в том числе с большим содержанием водорода в настильном факеле.

2. Предложено в плоскопламенных горелках сжигание газа в диффузионном факеле. Экспериментально обоснованы соотношения между первичным и вторичным воздухом. Коэффициент расхода первичного воздуха лежит в пределах, а = 0,15−0,2.

3. Проведен теоретический анализ взаимосвязи теплообмена с аэродинамикой разомкнутого диффузионного факела. Прикорневая область, где находится первичная газовоздушная смесь, лучепрозрачна и нагрев стены топки происходит за счет излучения продуктов сгорания из рабочего пространства.

4. Установлен механизм теплообмена в развитой части плоского пламени, заполненного продуктами реакций. Вследствие возросшей вязкости горящего потока решающую роль в разогреве кладки играет трение от поступательного движения газов, усиленное тангенциальной составляющей скорости вращающегося потока.

5. Применение нового способа сжигания топлива обеспечивает равномерное распределение тепловых потоков, исключает локальные перегревы змеевиков, что обеспечивает повышение надежности и увеличения срока службы печей.

6. Экспериментально исследовано развитие факела вдоль плоской огнеупорной стенки и получено подтверждение эффективности тепловой работы печи. Интенсификация теплообмена за счет обеспечения косвенного радиационного нагрева позволяет увеличить производительность печи в тех же конструктивных размерах.

7. Теплотехнические исследования подтвердили преимущества горелок АГГ для нагрева сырья, экономного расходования топливного газа по сравнению с традиционными инжекционными горелками.

8. Разработка горелок АГТ на уровне изобретений и защита конструкций патентами РФ.

Практическая ценность и реализация работы. Результаты исследований газовых горелок АГГ использованы при разработке систем сжигания топливного газа в трубчатых печах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. В каждом конкретном случае учитывалиськонструктивная особенность печей, тепловая мощность, требования к обогреву сырьевых змеевиков, состав топливного газа и т. д.

1. В печах пиролиза установок ЭП-300 (Кстово, Салават, Ангарск) вместо 112 горелок фирмы «Хепос» (Чехия) в каждой печи установлено 24 горелки АГГ-2, по 6 штук против каждого из четырех сырьевых потоков. Топливом служит метановодородная фракция с содержанием водорода до 20%.

2. В печах установки Э-200 (завод «Этилен» г. Казань) вместо 500 горелок ГБПш в каждой первоначально были установлены горелки АГТ-6 в количестве 24 штук аналогично печам установки ЭП-300. С переходом на топливо с высоким содержанием водорода (до 80% об.) системы обогрева в этих печах реконструированы, установлены более надежные и эффективные горелки АГГ-10 в количестве 80 штук на печь.

3. На I и II очередях завода «Этилен» в печах установки ЭП-60 вместо 250 инжекционных горелок на печь смонтированы 8 горелок АГГ-9, в более же высоких печах установлены в два яруса 22 горелки АГГ-9А.

4. На газоперерабатывающем заводе ОАО «Татнефть» (г. Альметьевск) в системах сжигания топливного газа нагревательных печей установлено по 44 горелки АГГ-7 с пилотной горелкой, являющейся одновременно малой ступенью сжигания топлива.

После реконструкций трубчатых печей с использованием горелок АГТ проводился комплекс работ по теплотехническому обследованию с анализом дымовых газов по всему тракту для подтверждения качественного сжигания топлива и высокого КПД, а также замером температуры излучающих стен топок и сырьевых змеевиков с обоснованием равномерной передачи тепла сырью.

После получения положительных результатов разрабатывалась и передавалась обслуживающему персоналу «Инструкция по сборке, монтажу и эксплуатации газовой горелки (тип АГТ)», примененной в этой схеме.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором на 5-й Международной конференции молодых ученых и студентов (г. Самара, 2004 г.) — Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2005 г.) — Всероссийской студенческой олимпиаде «Оборудование нефтегазопереработки» (г. Самара, 2005 г.) — Конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (г. Барнаул, 2005 г.)-Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения» (г. Самара 2006 г.) — III Международной научно-практической конференции (г. Самара 2006 г.), 10-ой юбилейной международной конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (г. Н-Новгород, 2006 г.).

Объем диссертации. Работа состоит из 7 глав, введения и заключения, 58 рисунков, 38 таблиц и списка использованной литературы из 70 наименований.

Выводы.

1. Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств является одной из крупных технических задач, имеющих актуальное значение в современных условиях по ряду причин. Во-первых, общеизвестно, что промышленная продукция России имеет повышенную энергоемкость и при вступлении страны в ВТО будет не конкурентоспособна на мировых рынках. Во-вторых, Россия присоединилась к Киотскому протоколу и обязана развивать направления хозяйственной деятельности, обеспечивающие уменьшение техногенной нагрузки на окружающую сред, в том числе, снижение вредных выбросоь о воздушный бассейн, в высокотемпературных тепловых технологиях, потребляющих органическое топливо.

2. Указанная задача решена применительно к разработке новых технических устройств и способов организации эффективного сжигания газового топлива, систем отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих энергоэффективность технологических процессов.

Предложен новый способ организации настильного сжигания газового топлива в плоскопламенных горелках для осуществления косвенного радиационного теплообмена, в том числе, топливных газов с большим содержанием водорода.

3. Защищены патентами РФ конструкции плоскопламенных горелок типа АГГ и трубчатой печи со схемой их размещения, с помощью которых удалось обеспечить повышение энергоэффективности работы печей нефтехимии, снижение уровня загрязнения воздушного бассейна, повысить надежность работы и межремонтный пробег узкокамерных печей.

4. Проведены экспериментальные исследования формирования плоского пламени, уточнены размеры прилегающих раскаленных дисков, позволившие разработать рекомендации по размещению горелок АГГ на печах.

5. Проведен теоретический анализ взаимосвязи теплообмена с аэродинамикой разомкнутого диффузионного факела. Прикорневая область, где находится первичная газовоздушная смесь, лучепрозрачна и нагрев стены топки происходит за счет излучения продуктов сгорания из рабочего пространства.

6. Приведены методика и результаты исследования работы горелок АГГ по выбору оптимальных «зазоров» на исследовательских стендах для максимальной инжекции воздуха в первичную и вторичную камеры. Предложены конкретные размеры каналов при установке в промышленные печи. Дается обоснование выбора диаметров амбразурных втулок для подачи воздуха на горение топлива широкого фракционного состава с учетом разрежения в топках печей.

7. Преимущество систем сжигания топливного газа с горелками АГГ в трубчатых печах подтверждаются теплотехническими исследованиями при замене инжекционных горелок (отечественных и зарубежных).

8. Реализована идея увеличения производительности по этану с 8 до 11 т/ч на заводе «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез». Ужесточение теплового режима с горелками АГГ-10 при увеличении расхода топлива не привели к перегревам сырьевых змеевиков до критических значений — жаропрочности и жаростойкости. Проводятся работы по изучению возможности поднятия производительности до 12 т/ч и более, что позволит заводу значительно увеличить выпуск целевой продукции — полиэтилена.

9. Решена важная задача по интенсификации теплообмена в рабочей камере и увеличению выхода этилена в пирогазе на 3 — 4% масс, за счет сокращения длинны змеевиков в 1,5 раза (П-5, 2 очередь завода «Этилен»). Обследование печи П-5 с горелками АГТ-9А (а.с. № 2 193 730) подтвердило правильность принятого решения по реконструкции (а.с. № 2 231 713), т.к. не было отмечено перегрева материальной части печи, анализ дымовых газов по тракту подтвердил качественное сжигание и эффективное расходование топлива. Экономический эффект от реконструкции составил 26,5 млн руб. в год.

10. Обоснована целесообразность использования плоскопламенных горелок АГГ вместо инжекционных, рассматриваются причины значительного снижения выходов оксидов азота при работе этих горелок.