НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Оборудование трубчатых печей

Трубные змеевики

Трубные змеевики комплектуются из отдельных плетей бесшовных труб длиной от 6 до 18 м и диаметром от 60 до 219 мм. Чаще всего применяются трубы диаметром 102, 127 и 152 мм. Эти трубы стыкуются последовательно в змеевик печными двойниками различных конструкций (разборные и сварные). Разборные двойники (ретурбенды) применимы при температурном режиме не превышающем 560 °С, когда требуется механическая чистка внутренней поверхности труб от закоксованности. Из-за их низкой надежности, сложности и прочих недостатков в последние годы все чаще применяются неразборные двойники. Ввиду небольшой дистанции между печными трубами в трубных экранах, двойники нельзя произвести путём гибки, а только протяжкой труб или сваркой штампованных половин.

Печной двойник

Печной змеевик может иметь и комбинированное исполнение: в камере конвекции или на начальном ее участке - сварной, а на прочих участках, которые испытывают большую теплонапряженность - на ретурбендах.

Чистку неразборных трубных змеевиков от кокса возможно выполнить разными способами, самым эффективным из которых является метод паровоздушного выжига, заключающийся в подаче в печной змеевик воздуха, разбавленного водяным паром в пропорции 1:10. Чтобы не допустить прогара печных труб процесс выполняется в строго регламентированных температурных условиях.

Материалы печных труб

Материал труб подбирается в зависимости от температурного профиля и склонности сырья к коррозии.

В целях сокращения затрат зачастую на разных участках печи используются трубы из разных сталей. На входе сырьевой смеси, где наименьшая температура, применяется более дешевая сталь, которую по ходу движения потока в змеевике печи и его нагрева сменяют более жаростойкие стали. Самая сильная коррозия характерна для переработки сернистой нефти, а также нефтей, в которых содержатся хлориды металлов.

На установках ABT, AT, ВТ, где температурный режим работы печного оборудования стабильный и температура подогрева сырья относительно невысока, с учетом коррозионной активности нефти используют печные трубы из Сталь 10 и Сталь 20 (углеродистые стали), либо из 15Х5М и 15Х5ВФ (низколегированные сталеи). Трубы из этих материалов обладают необходимой теплоустойчивостью и не подвержены интенсивной коррозии.

На установках каталитического и термического крекинга и иных установках, где происходят процессы, которые характеризуются более высокими температурами нагрева и присутствием коррозионно активных веществ, срок эксплуатации печных труб из низколегированных сталей от 1 до 3 лет. Быстрее всего выходят из строя участки змеевика в камере радиации, где происходит отложение кокса и других осадков, а также выделяется значительный объём сероводорода. Для подобных печей ВНИИнефтемаш рекомендует использовать стали 12Х8ВФ и Х9М. По теплоустойчивости при нагреве до 550 и 600 °С сталь 12Х8ВФ не хуже известных марок сталей 15Х5М и 15Х5ВФ, а по устойчивости к коррозии в горячих средах, содержащих сероводород, превосходит их в 2÷3 раза.

Для процессов риформинга, гидроочистки и аналогичных им процессов, в которых сырье нагревается до 600 °С, используют печные трубы из сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т или безникелевую сталь 1Х12В2МФ, обладающую более высокими прочностными характеристиками, удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью.

Использование печных труб из стали 1Х12В2МФ в качестве альтернативы трубам из стали 15Х5М позволяет повысить срок эксплуатации змеевиков и уменьшить простой печей на проведение ремонтов. Трубы из сталей 15Х5М, 15Х5ВФ и 12Х8ВФ поставляются заказчикам в отожженном виде (твердость конца трубы не превышает НВ 170, чтобы иметь возможность его развальцовки в ретурбенде при сборке змеевика).

Если перечисленные трубы подвергнуть термической обработке - улучшению (стали 15Х5МУ, 15Х5ВФУ, 12Х8ВФУ), то прочностная характеристика металла возрастает на 20÷30 % и увеличивается эксплуатационный срок службы.

Исследованиями ВНИИнефтемаша показано, что для установок каталитического риформинга целесообразно применять печные трубы из стали 12Х18Н10ТС, которая отличается от стали 12Х18Н10Т несколько повышенным наименьшим соотношением титана и углерода в состоянии стабилизирующего отжига. Сталь 12Х18Н10ТС в меньшей степени склонна к межкристаллитной коррозии при повышенных температурах процессов каталитического риформинга и гидроочистки. Для секции конвекции печей этих установок используются печные трубы из стали 12Х8ВФ.

Имеет перспективы в качестве материала для печных труб сталь Х9М, наличие в которой 9 % хрома и до 1 % молибдена обуславливает высокую жаропрочность, на 20÷25 % превышающую данный показатель для стали 15Х5М, при одинаковой пластичности.

Для радиантных камер трубчатых печей на установках гидрогенизационного облагораживания дизельного топлива наиболее устойчивыми против общей коррозии считаются трубы из стали марки 12Х18Н10Т. Если необходимо экономить никельсодержащие стали, то возможно использование труб из сталей марок 12Х8ВФ, Х9М и 1Х12В2МФ. Необходимо учитывать, что использование перечисленных сталей способно оказать негативное влияние на расходные характеристики и эффективности функционирования установки, так как известны случаи выноса продуктов корродирования металла труб из змеевика на катализатор, что негативно влияет на его активность. Практикой подтверждено, что змеевики из стали марки 15Х5М функционируют на установках гидрогенизационного обессеривания более 6 лет, при этом скорость коррозионного износа достигает 0,8 мм/год. Однако при подобной скорости коррозионного износа образуется большое количество продуктов, негативно влияющих на активность катализатора, вследствие чего сокращается его межрегенерационный период. Целесообразность использования более дорогостоящей стали марки 12Х18Н10Т или сталей марок 12Х8ВФ и Х9М, имеющих меньшую стоимость, можно вяснить технико-экономическим анализом.

Алитирование хромистых сталей делает возможность значительно увеличить область их применимости при повышенных температурах в агрессивных средах, которые содержат сероводород. Стойкость к коррозии алитированных 3%-х хромистых сталей в 100%-ном сероводороде при 500÷550 °С выше данной характеристики у стали 12Х18Н10Т. Для изготовления трубчатых печных змеевиков, а также для трубопроводов обвязки и трубных пучков теплообменников в США и ряде других страна на установках гидроочистки топливных нефтепродуктов применяются алитированные трубы из стали 15Х5М вместо труб из дорогостоящей стали типа 18-8.

Наиболее уязвимыми для коррозионного поражения в рабочих условиях являются сварные стыки. Поэтому при конструировании печных змеевиков максимально уменьшают число сварных стыков, котоыре выполняются после алитирования. Основную сварку трубных змеевиков обычно выполняют до алитирования, а монтажные стыки выполняют аустенитными электродами из стали типа 18-8.

Гарнитура печей

К гарнитуре трубчатых печей следует относить:

• регистры для регулирования потока воздуха
• смотровые окна для контроля факела и состояния наружной поверхности радиантных труб
• лазы для попадания в печь при необходимости ремонта
• взрывные окна для сброса газовой среды в случае образования «хлопка» в объёме печи
• подвески
• кронштейны
• лежаки
• другие элементы.

Чтобы не допустить провисания радиантных труб применяются трубные подвески.

Подвески для труб радиантного змеевика:
открытого типа	закрытого типа	узел крепления

По конструкции трубные подвески бываю открытого и закрытого типов. Подвески закрытого типа надежнее фиксируют трубы, на при необходимости их замены потребуется вырезка труб.

Число рядов трубных подвесок определяется в зависимости от массы, габаритов трубы и условий их функционирования. Трубные подвески эксплуатируются при высоких температурах (до 1000 °С), а значит для их изготовления допустимо использование исключительно высоколегированных жаропрочные сталей 30Х24Н12СЛ и 25Х23Н7СЛ.

Чтобы крепить трубы боковых экранов, используются кронштейны, которые фиксируются к элементам каркаса.

Для сборки и фиксирования футеровочных блоков применяются разнообразные крючья, подвески и кронштейны, которые находятся за пределами зоны повышенных температур и могут быть изготовлены из обычной стали. Материальное исполнение для люков и крышек - чугун.

	Узел стены из подвесного кирпича: 1 - температурный шов
Подвеска для кирпича
Узел свода печи

Для поддержания сводов (наклонного и горизонтального) трубчатых печей и подвесных боковых кирпичных стен используются подвески и кронштейны, котоыре крепятся к балкам печного каркаса.

Подвески и кронштейны для кирпича устанавливаются за пределами зоны повышенных температур, поэтому их изготавливают из чугуна.

Гляделки, или смотровые окна, используются для визуального контроля в процессе эксплуатации состояния печных труб и функционирования горелочных устройств (форма, размер и цвет пламени).

Смотровые окна производятся из чугуна СЧ 21-40 и крепятся на болтах с внешней стороны кладки к металлоконструкции печи. Для расширения угла обзора на участке монтажа гляделок в футеровочном покрытии печи выполняется отверстие, стенки которого расширяются в стороны обзора.

Предохранительные окна имеют отличие от гляделок в больших габаритах. Они требуются, чтобы ослабить силы взрыва (хлопка) в топочном пространстве печи в случае отклонений от нормальной её эксплуатации, а при проведении ремонтов они используются как лазы, через которые ремонтный персонал попадает внутрь печи.

Крышки смотровых и предохранительных окон в рабочем положении должны герметично прилегать к корпусу за счёт собственного веса. Для этого их поверхности контакта имеют наклон к вертикали. Крышки предохранительных окон покрываются с внутренней стороны теплоизоляцией для предотвращения сильных деформаций и теплопотерь.

Каждая печь должна быть оборудована площадками, с которых производится обслуживание горелочных устройств, отглушаются трубы для чистки, а также обеспечивается доступа к смотровым окна. Если чистка труб в печи выполняется механическим способом, то должно быть оборудовано соответствующее место для обслуживания.

Оборудование для сжигания топлива

К оборудованию для сжигания топлива относятся горелки и форсунки, применяемые, соответственно, для сжигания топлива в газообраной и жидкой фазе. Их конструкция должна гарантировать хорошее диспергирование и перемешивание топливнойсмеси с воздухом, а также 100%-е сгорание топлива при наименьшем избытке воздуха. Для диспергирования жидкого топлива применяется сжатый воздух, водяной пар или механическое распыливание. В последнем случае необходима фильтрационная очистка топливной смеси и нагнетание высокого давления в топливном трубопроводе. В трубчатых печах, преимущественно, используются форсунки с воздушным и паровым диспергированием жидкого топлива. Распыливание водяным паром сопровождается большим расходом носиетля (до 0,6 т на 1 т топливной смеси). Диспергирование воздухом менее затратно и позволяет сннизить шумовые показатели, характерные для форсунок с паровым распылом.

К конструкции горелочных устройств для трубчатых печей предъявляются следующие требования:

• гарантировать стабильное устойчивое распределение тепловой энергии в объёме печи и требуемый профиль температур на всей протяженности трубчатого змеевика;
• гарантировать 100%-ое сжигание топливной смеси любого состава;
• горение должно быть стабильным во всем интервале изменения подачи газа, т.е. не должно быть отрыва факела от выходной части горелочного устройства или его проброса в смеситель;
• иметь большую индивидуальную теплопроизводительность, которая позволит устанваливать в топке лимитированное число горелочных устройств;
• отличаться простотой производства, сборки, установки в печь и доступность ремонтных работ без остановки печи;
• обеспечивать эффективный и рациональный расход топливной смеси, функционировать с наименьшим избытком воздуха (α = 1,05...1,1);
• конструкцию иметь несложную и удобную для технического сопровождения;
• обеспечить безопасность функционирования и ремонта, сохранности окружающей среды, предотвращение загрязнениями вредными веществами с топочными газами;
• функционировать без значительного шумового воздействия, отвечающешл регламентированным санитарным нормам;
• обладать потенциалом подключения в систему автоматического регулирования тепловым процессом трубчатой печи.

На момент времени в печах зачастую используются комбинированные горелки, приспособленные функционировать, как на жидкофазном, так и газообразном топливных смесях. Пример подобной горелки с паровым диспергированием топлива приведен на рисунке ниже.

Форсунка газомазутная: 1 – корпус газовый, 2 – трубка распределительная, 3 – завихритель воздуха, 4 – корпус воздушный, 5 – труба наружная, 6 – головка газомазутная, 7 – труба внутренняя, 8 – вентиль, 9 – диффузор, 10, 11 – шиберы. I – воздух от вентилятора, II – мазут, III – водяной пар, IV – воздух из атмосферы

Газомазутная форсунка состоит из 3-ёх частей: газовой, жидкофазной и воздушной. Газовая часть состоит из газового корпуса (поз.1), включающего в себя газовый коллектор, выполненный совместно с регистром атмосферного воздуха и, распределительные трубки (поз.2) для инжектирования газа в топочное пространство. Воздушная часть включает в себя корпус (поз.4), завихритель (поз.3), шибер (поз.10) на газовом коллекторе. Жидкофазная часть (мазутная форсунка) укомплектована паромазутной головкой (поз.6) и внутренней трубой (поз.7), которая заканчивается диффузором (поз.9). Расход мазута регулируется вентилем (поз.8).

Горелка функционирует следующим образом:

1. Первичный воздух от воздуходувки нагнетается через завихритель (поз.3), захватыет и завихряет мазутную смесь.
2. Вторичный атмосферный воздух для обеспечения горения попадает через окна регистра во фронтальной цилиндрической части газового корпуса и отверстия на конической образующей газового коллектора.
3. Расход вторичного воздуха регулируется шибером на газовом коллекторе и шибером, перемещающимся внутри регистра.

Жидкофазное топливо может диспергироваться низконапорным воздухом от воздуходувки, водяным паром или воздухом компремированным компрессором и нагнетаемым во внутреннюю трубу форсунки. При функционировании на газообразном топливе возможно применение воздуха, как нагнетаемого вентилятором, так самовсасываемого из атмосферы. Горелка может эксплуатироваться параллельно на жидкофазном и газоообразном топливах. Тепловая мощность горелки 2,3 МВт.

Высокоэффективными и удобными считаются беспламенные панельные горелки, которые обеспечивают 100%-е сгорание топливного газа при низком коэффициенте избытка воздуха за счёт высокой температурф в зоне горения.

Схема беспламенной панельной горелки: 1 - трубопровод для подвода газового топлива, 2 - заслонка, 3 - распылитель, 4 - смеситель, 5 - отбойник, 6 – трубка, 7 – керамический блок, 8 – теплоизоляция, 9 – корпус (короб)	Беспламенная панельная горелка (разрез): 1 – короб, 2 – смеситель, 3 – сопло, 4 – заслонка, 5 – патрубок, 6 – призмы керамические, 7 – теплоизоляция, 8 – болт, 9 – гайка, 10 – диатомитовая крош-ка, 11 – шнур асбестовый

Беспламенная панельная горелка состоит из распределительного короба (поз.1), во фронтальную часть, которого вварены трубки для подачи газовоздушной смеси. На свободные концы трубок установлены керамические призмы (поз.6), каждая с 4-мя цилиндро-коническими туннелями. Призмы формируют керамическую панель в форме квадрата габаритами 500 х 500 или 605 х 605 мм, которая служит при горении газа накопителем и излучателем тепла. Между призмами и стенкой короба смонтирован слой тепловой изоляции (поз.7) из диатомитовой крошки. К тыльной стенке короба (поз.1) крепится инжекторный смеситель горючего газа с воздухом, оснащенный соплом (поз.3) и заслонкой (поз.4).

Газ подается в сопло (поз.3) из патрубка (поз.5). Покидая сопло на высокой скорости, газ захватывает из атмосферы посредством инжекции требуемое количество атмосферного воздуха. Газовоздушная смесь, которая образовалась в смесителе (поз.2), обтекая отбойник, направляется в короб (поз.1), откуда перенаправляется по трубкам горелки.

Сжигание смеси происходит и преимущественно заканчивается в туннелях керамических элементов, куда смесь попадает из трубок. Для того, чтобы пламя из туннелей не попадало внутрь короба скорость топливной смеси в распределительных трубках должна быть выше скорости распространения пламени. В туннелях, за счёт их конической конфигурации, сохраняется равенство этих скоростей, что обеспечивает нормальную работу горелок. Горелки крепятся друг к другу болтами (поз.8) с гайками (поз.9), формируя радиационные стены печей. Расстояния между горелками герметизируются диатомитовой крошкой (поз.10) и уплотняются шнуром (поз.11), выполненным из асбеста.

Теплопроизводительностью горелок управляют изменяя подачу газа в коллектор, питающему данный ряд горелок. Потребный для горения объём воздуха регулируется заслонкой (поз.4) персонально для каждой горелки. Для газа определенного состава подобная регулировка требуется только при запуске печи, благодаря конструкции инжекционного смесителя, обеспечивающего практически неизменное соотношение объёма газа и воздуха в интервале изменения тепловой производительности горелки примерно в 2 раза.

Во время функционирования горелки поверхность керамики нагревается до 1200 - 1400 ºС и активно излучает тепло. Благодаря высокой сплошности радиации тепла, достигается увеличенная теплонапряженность труб и ее удаётся поднимать до 50 – 100 кВт/м². Однако подобные горелки применимы только для работы на газообразном топливе.

Дымовые трубы и дымоходы

Дымовая труба (рисунок справа) — это устройство, выполняющее следующие функции:

• создает требуемое разрежение в радиантной и конвекционной камерах печей;
• обеспечивает тягу, требуемую трубчатым печам для функционирования;
• приводит газовую печную среду в движение;
• отводит дымовые газы после рекуперации их тепла в атмосферу.

Дымовая труба - это ответственное инженерное сооружение, которое работает в очень тяжелых условиях сильных ветровых нагрузок, высокой температуры и разрушающего воздействия агрессивных продуктов сгорания топлива.

Трубы имеют основные конструктивные элементы:

• фундамент
• цоколь
• ствол
• оголовок
• зольное перекрытие
• бункер
• вводы боровов
• антикоррозионную защиту
• теплоизоляцию
• футеровку
• ходовую лестницу
• молниезащиту
• светофорные площадки

Сечение дымовой трубы требуется подбирать таким образом, чтобы скорость пермещения продуктов сгорания была не выше, чем допустимое значение в 4.6 м/с. Необходимая тяга в газовом объёме печи есть функция разности плотности атмосферного воздуха и плотнсоти продуктов сжигания топлива. Нормальная тяга, которую создает дымовая труба, орпеделяется её высотой, температурой продуктов сгорания топлива и температурой воздуха в районе оголовка трубы. Разрежение в объёме печи, которое создает дымовая труба, обычно находится в диапазоне от 15 до 20 мм. вод. ст.

На момент времени печные комплексы комплектуются следующими дымовыми трубами:

• из кирпича, с наибольшей высотой 150 м и предельной температурой отходящих продуктов сгорания до 800 °С;
• из железобетона, с наибольшей высотой 200 м и предельной температурой отходящих продуктов сгорания до 200 °С;
• из футерованного железобетона с тепловой изоляцией, с наибольшей высотой 200 м и предельной температурой отходящих продуктов сгорания до 500 °С;
• из футерованного металла, с наибольшей высотой 60 м и предельной температурой отходящих продуктов сгорания до 800 °С.

Ведущий проектировщик дымовых труб из кирпича и железобетона - институт ВНИПИТеплопроект.

Для отвода агрессивных продуктов сгорания из трубчатыхпечей наиболее часто используют металлические трубы из нержавеющей стали, которые собираются из отдельных царг до общей высоты в 150 м, устанавливаются на специальных опорах, что позволяет заменить любой сегмент ствола трубы при его выходе из строя.

Подавляющее большинство используемых на момент времени дымовых труб изготовлено из стали Ст3. Металлические трубы, имеющие коническую форму согласно нормалей изготавливаются высотой 30, 35 и 40 м при диаметре на выходе до 2 м и у основания — до 3,2 м. К фундаменту они фиксируются фундаментными болтами (до 16 штук).

Частота колебаний дымовых труб в потоке ветра соответствует частоте их собственных колебаний. При некоторых скоростях ветра дымовые трубы могут попадать в резонанс, из-за чего амплитуды их колебаний возрастают, что приводит к существенным динамическим напряжениям.

В нижней части дымовых труб выполняется внутренняя футеровка огнеупорным кирпичом. Высота футеровочного слоя определеяется температурой продуктов сгорания и обычно достигает не менее 10-15 м. Футеровка благоприятствует гашению колебаний стальных труб, а значит ее нужно выполнять тщательно, с наполнением пустот между ней и корпусом трубы шлаком или инфузорной землей. При качественной футеровке по всей высоте дымовой трубы необходимость в её расчаливании отсутствует и расчалки используются исключительно на время производства монтажных работ.

Условия функционирвоания дымовых труб определяются вероятной коррозией их стенок продуктами сгорания топлива, а в случае прогаров змеевиковых труб или возгорания сажи - перегревами до критических температур. На момент времени повсеместно внедряются в эксплуатацию теплостойкие трубы из железобетона. Во избежание потенциального загорания сажи, которая накапливается на стенках труб, их продувают, с определенной периодичностью, острым паром.

Агрессивные продукты сгорания, образующиеся, например, при сжигании топливных смесей, содержащих серу (угли, мазуты и т. д.). При этом сера, которая присутствует в составе топлива, окисляется до сернистого ангидрида, а часть переходит в серный андигидрид, при взаимодействии которого с водяным паром, присутствующим в отводимых продуктах горения, получаются пары серной кислоты, конденсирующиеся на поверхности стен газоходов и футеровки, и вызывающие коррозионное разрушение материалов - цементного камня в кладке.

Коррозия под действие серной кислоты вызывает дефекты, которые характеризуются следующими признаками:

• нарушением целостности защитного слоя в плитах покрытия;
• вскрытием поверхности арматуры;
• корродированием арматуры;
• коррозионным порожением поверхности стен;
• образованием неплотностей (трещин) в стенах и местах соприкосновения газоходов и трубы;
• коррозионным поражением крышек в смотровых люках и взрывных клапанах с появлением сквозных отверстий;
• выпиранием кладки с наклоном верха стен;
• падением плит перекрытия;
• нарушением целостности уплотнений в температурных швах;
• появлением грунтовой влаги в подземных газоходах по причине нарушения гидроизоляции.

Эксплуатируя дымовые трубы установок производственных предприятий и предприятий теплоэнергетики требуется регулярно контролировать состояние газоходов и дымовых труб.

При обследовании конструкций определяется прочность затяжки стяжных колец, присутствие вертикальных и горизонтальных трещин, целостность и работоспосбность молниеприемников и токоотводов, металлических конструкций светофорных площадок, ходовой лестницы и оголовка, состояние футеровочного слоя и кладки ствола трубы.

Дымоходами (боровами) соединяются выход из камеры конвекции и вход в дымовую трубу.

Борова - это футерованные каналы для перемещения отходящих из печей газообразных продуктов сгорания топлива до дымовых труб. Конструкции боровов яляются типовыми и выбираются исходя из расхода дымовых газов, их температуры и элементарного состава. При температуре дымовых газов не превышающей 500 °С футеровка борова выполняется глиняным кирпичом марки 75, а для больших температур - шамотным кирпичом класса В или Б на шамотном растворе с несущей конструкцией из глиняного кирпича.

В боровах предусматриваются люки-лазы для вищуального контроля и чистки при выполнении ремонтов. Все каналы дымоходов оснащаются системой паротушения.

Для управления тягой на дымоходах или на входе дымовой трубы устанавливаются шиберы.

Шиберы - плоские заслонки, которые частично перекрывают сечение дымового тракта и предназначены для достаточно геремтичного отключения печей от источника тяги, а также для обеспечения легкого и точного регулирования объёма газообразных продуктов сгорания, выходящих из печи, и их давления. При возгорании шибер прикрывает боров, что моментально снижает тягу и активность горения, предотвращая попадание огня в дымовую трубу.

Шибер устанавливается на выходном коллекторе отходящих газов из камеры печи и является чугунной или керамической заслонкой, которая опущена в боров и подвешена на тросе, перекинутом через блок с противовесом или напрямую на барабан лебедки (ручной или электрической).

Шибера в боровах печных камер, где температура дымовых газов ниже 600 °С изготавливаются из чугуна. Для боровов с температурой продуктов сгорания превышающих 600 °С шибера для исключения коробления выполняются с водяным охлаждением или керамическими.

Пароперегреватели и рекуператоры тепла

Пароперегреватели и рекуператоры тепла монтируются в печном дымоходе для наибольшей рекуперации тепла топочных газов. Чтобы повысить КПД трубчатой печи тепло дымовых газов направляется также на подогрев нагнетаемого в них воздуха (при увеличении температуры воздуха до 120 ºС потребный расход топлива уменьшается на 15%) в рекуператорах.