НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Конструктивные элементы печей

Фундаменты

Фундаменты трубчатых печей изготавливаются из монолитного или сборного железобетона и защищаются гидроизоляцией от грунтовых вод. Фундамент каркаса печи отделяется от зоны высоких температур слоем защитной теплоизоляции из обычного керамического кирпича. Это обусловлено тем, что при температурах 300 – 400 ºС цемент в бетоне утрачивает кристаллизационную влагу и подвергается разрушению.

Металлический каркас

Металлический каркас трубчатой печи - это пространственная рама, которая обрамляет стены печи. Именно каркас воспринимает нагрузку от веса трубных змеевиков, подвесного свода, гарнитуры, кровли, а в печах последних конструкций – и от стен печи, поэтому геометрия каркаса со опорными поверхностями стоек совпадает с наружной формой печи. Каркас собирается из плоских ферм или рам, устанавливаемых на фундамент.

Схемы конструкций каркасов трубчатых печей:
из простых балок	со стойками из балок и фермой для свода	из ферм на шарнирных опорах

При больших габаритах печей каркасные стойки закрепляются к установочным плитам посредством шарниров, что гарантирует свободное восприятие деформаций от действия температуры. Нижние пояса ферм используются, чтобы подвешивать кирпичи свода и трубы потолочного экрана. На верхние пояса монтируется кровля из листов асбоцемента. К стойкам каркаса посредством кронштейнов крепятся трубы и кирпичи боковых стен. Все детали стального каркаса находятся вне зоны повышенных температур, а для защиты выполнена обмуровка и нанесена тепловая изоляция.

Комплектующими элементами крайних ферм являются трубные решетки и ретурбендные камеры.

На трубную решетку двумя концами организовано опирание печных труб с установленными на них ретурбендами-двойниками. При температурах менее 800 °С метарильное исполнение решеток - серый чугун СЧ 21-40, при температурах до 1000 °С материал – жаростойкий чугун и при температурах свыше 1000 °С деталь изготавливается из жаропрочной стали. Решетки тщательно крепятся к несущим элементам каркаса.

Ретурбендная камера - это стальной короб с открывающимися дверками. Чтобы сократить тепловые потери, а также предотвратить деформацию, на внутреннюю поверхность дверок наносится слой тепловой изоляции. Внутри камер размещены ретурбенды - устройства для разъёмного соединения печных труб в неразрывный змеевик. Герметичность соединений труб достигается применением развальцовки. Конструкция ретурбендов должна обеспечивать:

• герметичность соединения и прочность печных труб
• возможность вскрытия труб для из замены
• незначительное гидравлическое сопротивление
• доступность для очистки от отложений кокса.

По конструктивному исполнению ретурбенды бывают различными, например, двухтрубными (рисунок ниже), угловыми и пр.

По способу производства различаются кованые и литые ретурбенды. В литых ретурбендах пробки прижимаются к гнезду посредством нажимного болта и траверсы, которая вставляется в проушины корпуса.

Необходимо отметить, что ретурбенды имеют сложную конструкцию, вызывают повышенные тепловые и гидравлические потери, а надежность в эксплуатации оставляет желать лучшего. На момент времени в эксплуатаируемых печах проводится постепенная целенаправленная замена ретурбендов приварные двойники («калачи»), которые гораздо надежнее и проще в конструкции.

	Чтобы закрепить трубные решетки конвекционной камеры, которая состоит из отдельных секций, по торцам печей монтируются рамы, крепящиеся к элементам ферм с помощью сварки. Трубные решетки представляют собой опоры конвекционных труб, обычно выполняются из чугунного литья и в отдельных случаях покрываются тепловой изоляцией. Промежуточные трубные решетки камеры конвекции для высокотемпературных условий изготавливаются из стали 40Х9С2Л. Самая нижняя из секций решетки монтируется на фундамент и снабжена для этого специальными лапами. Трубные решетки снабжены выступами для увеличения опорной площади под трубы. В каждом отверстии под трубу присутствует кольцевой паз, уплотняемый посредством укладки асбестового шнура. Чтобы предохранить решетки от прогорания их покрывают изолирующим слоем, который удерживается крючьями, приваренными к решетке или посредством нанесения торкрет раствора, приготовленного из шамотного порошка, изоляционного материала и глины.
Крайняя трубная решетка конвекционной камеры		Промежуточная составная трубная решетка конвекционной камеры

Стены

Стены вместе с обмуровкой, выполняют функцию герметизации печи, а также формируют поверхности для установки экранов радианных труб и отражения радиантной энергии. Они должны характеризоваться прочностью при высоких температурах, герметичностью и низкой теплопроводностью. В печах ранних конструкций стены бфли изготовлены из 3-х слоёв:

• внутренний слой, который подвергается высокотемпературному воздействию, выложен огнеупорным кирпичём;
• средний слой выполнен из изоляционного кирпича;
• наружный слой формируется из стандартного керамического кирпича с повышенной прочностью.

Общая толщина подобных стен значительно (700 мм и более), но несмотря на это они не долговечны, достаточно быстро подвергаются расслаиванию и разрушению.

Проще и надежнее однослойные стены, которые возводятся из огнеупорного кирпича соединямого кладочным раствором из шамотного порошка и огнеупорной глины. Стены современных трубчатых печей собираются из огнеупорных блоков различной геометрической формы на болтах и стержнях, которые крепятся к каркасу печи. На блоках предусмотрены выступы и впадины (шип-паз) благодаря которым обмуровка не нужлается в кладочном растворе, а блоки с легкостью переносят температурные деформации, компенсируя их в интервале зазоров. Толщина подобных стен достигает 250 мм.

Вертикальные стены печей беспламенного горения целиком или в определенной части собраны из керамических панелей самих горелок. Уплотнением между горелками является прокладка или шнур из асбеста.

В индивидуальных случаях эксплуатируются печи с монолитной футеровкой из жаропрочного бетона, которые отличаются простотой и не высокой стоимостью, однако жаропрочность требует изучения и накопления опытных данных.

Долговечность блочных огнеупорных стен при прочих равных условиях определяется качеством уплотнения температурных швов.

Температурные швы в обмуровке печи:
на прямом участке	на углу кладки	на сопряжении с перевальной стенкой

Ширина температурных швов определеяется из расчета 5 – 6 мм на один погонный метр шамотной кладки. Диаметр асбестового шнура, который укладывается в шов должен превышать ширину шва не менее чем на 5 мм.

Нижнюю часть (под) печи формируется трёхслойным:

• нижний слой выкладывается простым кирпичём на бетонную основу без кладочного раствора;
• второй слой выкладывается обычным кирпичем на растовре из смеси цементна и глины;
• третий (самый верхний) слой выполняется из огнеупорного кирпича, укладываемого на ребро, с шамотно-глиняным раствором.

Подвесные своды

Ключевыми требованиями, которые предъявляются к подвесным сводам, являются долгая эксплуатационная пригодность и герметичность.

Срок эксплуатции сводов определяется качеством кирпичей и надежностью подвесных элементов, требующих защиты от прямого воздействия пламени и высоких температур продуктов сгорания топливной смеси.

Система тампонирования швов гарантирует надежную герметичность свода и защищает штыри и крючья от прогорания. Лучшей герметичностью и длительностью эксплуатации характеризуются широко используемыена момент времени подвесные своды, которые собираются из фасонных огнеупорных блоков на зубчиках, замках или с лабиринтными сопряжениями. На рисунке справа показана конструкция подобного свода. Фасонные кирпичные блоки надевают на чугунные подвески, крепящиеся на болтах к балкам, котоыре связывают нижние пояса ферм. Сформированный из фасонных блоков подвесной свод подлежит заливке сверху раствором шамота с огнеупорной глиной и изоляции, чтобы заделать зазоры между блоками.

Конструкция свода печи

Огнеупорая футеровка и тепловая изоляция

Футеровка печей - это совокупность из огнестойких, кислотостойких, теплоизоляционных и облицовочных изделий и материалов, изолирующая рабочую камеру, в которой протекают процессы горения топлива и нагрева потоков, от контакта с внешней средой.

Футеровка защищает металлоконструкции печи, а также эксплуатационный персонал от влияния высоких температур и продуктов горения, обеспечивая требуемую герметичность в рабочей камере печей, т. е. полную изоляцию при функционировании под повышенным давлением, либо приемлемую герметичность при давлениях, сопоставимых с атмосферным.

Футеровка - один из ключевых конструктивных элементов печей, дающий возможность выполнения высокотемпературных теплотехнических и термотехнологических процессов в топочной среде при воздействии механических нагрузок с неизменностью в течение продолжительного времени геометрической конфигурации рабочей камеры, строительной и механической прочности.

В большом количестве печей футеровка выполняется из фасонных шамотных кирпичей со следующими значениями огнеупорности:

• 1730 °С - класс А;
• 1670 °С - класс Б;
• 1580 °С - класс В.

Большое количество различных форм огнеупорных кирпичей (до 80 типоразмеров) весьма усложняет устройство обмуровки, из-за чего в новых печах все чаще используется блочная обмуровка из железобетона и жаростойкого бетона.

Для печей, имеющих металлический каркас, используются крупные блоки массой 0,5 т и более, которые монтируются с использованием грузоподъёмной техники, и небольшие блоки весом до 50 кг, укладываемые вручную.

В мировой практике возведения трубчатых печей однозначно наблюдается тенденция перехода от массивной кирпичной огнеупорной обмуровки к более лёгким теплоизоляционным и жароупорным блокам.

Конструктивно блок собирается из теплоизоляционных плит, которые защищаются со стороны точного пространства слоем жаростойкого бетона. Значительное снижение массы обмуровки благоприятствует внедрению новых конструкций трубчатых печей с облегченным каркасом.

Огнеупорной обмуровке надлежит соответствовать следующим требованиям:

• обеспечивать длительную функциональность печей в течение 6 - 8 лет;
• обеспечивать условия интенсивной теплоотдачи в радиантных камерах печи для того, чтобы снизить теплопотери во внешнюю среду и обеспечить нормируемые санитарно-гигиенические условия для работы эксплуатационного персонала;
• исключать подсосы воздуха в камеру конвекции, топку, боров печи и газоходы;
• обладать приемлемой прочностью и термостойкостью, чтобы функционировать при значительных температурных колебаниях в топке;
• иметь наименьшую возможную массу и хорошую пригодность к ремонту, требующую минимальных расходов;
• затраты на материалы и их монтаж должны быть финансово обоснованы.

ВНИПИтеплопроектом разработаны рецептуры, методы изготовления и монтажа различных марок легкого бетона устойчивого к высоким температурам, используемого для футерования топочных пространств печей облегченных конструкций в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Использование такой футеровки возможно при отсутствии агрессивной среды и абразивных частиц в продуктах сгорания топливной смеси при температуре в объёме печи не превышающей 1200 °С.

По причине не очень высокой механической прочности легкий бетон, устойчивый к высоким температурам, используется в качестве самонесущей конструкции, на которую не воздействуют дополнительные нагрузки. В печах допускается применение однослойных и многослойных панелей. Толщина футеровочного слоя одной панели не более 250 мм. Размеры и конфигурация панели зависит от конструкции печи, мест установки в ней горелочных устройств и определяется с учётом способов доставки изделия к месту производства работ, производства работ по монтажу и ремонту. Крупные панели усиливаются металлическим основанием. Существует возможность футерования печи укладкой легкого жаростойкого бетона непосредственно на ее металлический кожух.

Максимально-допустимые габариты железобетонных панелей:

• без жесткой арматуры - 1000x1000 мм;
• с каркасом из уголков - 1500х2000 мм;
• с металлическим основанием - не более 2500х3000 мм.

При устройстве футеровочного покрытия для уменьшения размеров раскрытия усадочных трещин выполняются усадочные швы глубиной 20 мм и шириной 3 мм, на расстоянии друг от друга 0,6-0,8 м. Чтобы избежать выпадения раствора из швов панелей применяются различные конструктивные способы: уменьшение ширины шва в сторону поверхности с большей температурой нагрева, либо выполнение пазов в боковой части панели. Ширина шва между панелями 20-40 мм.

Элементы технологического оборудования, которые проходят через футеровку (патрубки, штуцера), крепятся к кожуху печи или к металлическому основанию панели.

Чтобы соединять отдельные слои многослойных панелей между собой используются металлические и керамические анкеры, крепящиеся к основанию панелей. Анкеры устанавливают с шагом не превышаюзщим 0,35-0,5 м и фиксируют к металлическому основанию электросваркой.

Сборка жаростойкой печной панельной футеровки должна производится так, чтобы все нагрузки, в том числе нагрузка от веса панелей и температурных усилий, воздействовали на металлоконструкцию каркаса и кожуха. Чтобы уменьшить ширину раскрытия трещин на поверхности панелей с большей тепературой нагрева, последние подвергают армированию с использованием металлических сеток из проволоки диаметром 3-4 мм, шагом 0,1х0,1 м или 0,!5х0,!5 м, защищаемых слоем бетона толщиной 20-30 мм. Панели с армирующей сеткой при выполнении монтажа устанавливаются на двухслойные консольные пояса из жаростойкого бетона, являющиеся несущими элементами футеровки, котоыре передают усилия от массы панелей на кожух аппарата.

Футеровка может не быть подвесной, если она наносится в виде стены (для ровных стен ниже 1500 мм и стен вертикальных цилиндрических печей), и подвесной, если блоки с выступами, фиксируются в вертикальном положении стержнями, а в горизонтальной плоскости — балками, закрепленными к каркасу печи.