НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Конструктивная эволюция печей пиролиза

На сегодняшний день единственным разработанным и широко используемым промышленным методом является пиролиз в трубчатых печах. До сих пор его качественное развитие было направлено в основном на совершенствование существующих технологий. Однако, несмотря на такие достижения, как изменение конструкции змеевиков и конвективных зон печей и использование современных скоростных испарителей (ЗИА), потенциал процесса остается ограниченным, особенно при использовании сырья, склонного к увеличенному коксообразованию.

Первые пиролизные печи изначально не отличались от печей нефтепереработки: они имели два потока, а змеевики были выполнены в виде экранов. Это приводило к очень неравномерной подаче тепла и не обеспечивало высокой тепловой нагрузки на поверхность трубы. Кроме того, поскольку топливо сжигается в пламенных горелках, распределение температуры внутри печи невозможно контролировать, что приводило к частому прогоранию труб даже при низких температурах крекинга. В такой печи температура на выходе не превышает 720-760°C, коэффициент теплопередачи в змеевике составляет 650-750 Вт/(м2^К), а время пребывания потока - 2-3 секунды.

В таких печах в процессе крекинга обычно участвуют углеводородные газы, такие как этан. Для перехода на жидкое сырье необходимо отрегулировать горение топлива в печи. Для этой цели были разработаны панельные горелки без пламени, которые могут создавать непрерывную излучающую поверхность. Устанавливая змеевик на подвесках в центре топки, можно увеличить коэффициент теплопередачи в змеевике до 950-1050 Вт/(м2^К), но время пребывания потока остается достаточно большим, 1,2-1,6 секунды.

Для уменьшения времени пребывания потока в змеевике и увеличения коэффициента теплопередачи используются трубы из жаропрочной стали (X25Н20, X25Н35), полученные методом центробежного литья. Из-за более хрупкого характера этих стальных труб вместо горизонтальных змеевиков были использованы свободно подвешенные вертикальные змеевики (даже вертикальные трубы практически не имеют застойной зоны). Змеевики такой конструкции были разработаны компанией Lummus для печи SRT-I: змеевики печи SRT-I расположены последовательно в относительно узкой печной камере, над которой находится сечение конвективной зоны. Всего в печи четыре змеевика, выходы которых соединены попарно для подачи крекинг-газа в ЗИА. В печи происходит пиролиз регенерированного бензина и этановых фракций при температуре около 830°C. Перепад давления в змеевике составляет около 0,15 МПа, а время пребывания в змеевике - около 0,75 секунды. Средняя тепловая мощность составляет 8 000 Вт/м².

Некоторые компании разработали печи с двухрядными вертикальными змеевиками (Selas, KTI). Эти печи более компактны, но излучение змеевика выше.

Основные характеристики змеевика - диаметр, загрузка сырья, время пребывания и температура стенок - тесно связаны между собой. Если время пребывания уменьшается, температура поверхности стенки увеличивается. Чтобы снизить ее, необходимо увеличить удельную площадь поверхности змеевика, т.е. площадь поверхности на единицу объема. Этого можно достичь путем уменьшения диаметра трубы или разветвления змеевика.

Уменьшение диаметра трубки использовали Стоун и Вебстер (печь USC) и Келлог (миллисекундная многопоточная печь). Их змеевики имеют внутренний диаметр трубы 50 мм или меньше и представляют собой прямые трубы, соединенные на входе с коллектором, куда поступает сырье и пар. На выходе оба потока сливаются и поступают в трубу-в-трубе ЗИА. Таким образом, обеспечивается время пребывания внутри змеевика в пределах от 0,03 до 0,15 секунды. К недостаткам такой печи относятся неравномерное распределение потока в змеевиках, невозможность измерения потока каждого сырья или пара (только для пучков из 4-8 змеевиков) и невозможность измерения температуры на выходе из каждого змеевика. Трубы малого диаметра особенно чувствительны к уменьшению поперечного сечения из-за слоев грануляции, что вызывает быстрое увеличение сопротивления. Из-за неравномерной грануляции трудно сжечь весь кокс во всех трубах за короткое время.

Компании Lummus, KTI и другие решили перейти от змеевиков фиксированного диаметра к разветвленным змеевикам. Эволюция катушек SRT компании Lummus:

1. Основная катушка SRT-II состоит из труб трех диаметров.Четыре параллельных потока через трубы малого диаметра объединяются попарно и текут через трубы среднего диаметра в общую трубу. Общее время пребывания потоков в змеевике составило 0,6 секунды. Выход этилена увеличился на 1,5% (относительное значение 6%), а выход пропилена остался неизменным по сравнению с SRT-I.
2. Змеевик SRT-III имеет меньшую длину и немного меньший диаметр труб большого диаметра по сравнению со змеевиком SRT-II, что привело к увеличению выхода этилена на 1,5%, но снижению выхода пропилена на 1%.
3. Змеевик SRT-IV состоит из труб четырех диаметров, и хотя значительного сокращения времени реакции (0,35 с против 0,4 с) по сравнению с печью SRT-III не наблюдается, площадь поверхности на единицу объема змеевика значительно больше, что позволяет достичь более высоких температур при той же температуре стенок.

KTI также заменяет змеевик фиксированного диаметра на раздвоенный змеевик (так называемый "конический" змеевик), где выходная часть состоит из трубы с немного большим диаметром, чем входная часть. Это уменьшает сопротивление змеевика и повышает его чувствительность к коксу.

Первый тип катушки (GK-II) первоначально состоял из двух параллельных рядов от четырех до шести трубок, которые были объединены для получения двух выходных трубок большего диаметра. Позже змеевики стали состоять из четырех секций входных труб, состоящих из трех труб разного диаметра (GK-IV) Печи KTI характеризуются двумя рядами змеевиков, либо полностью (однопоточные), либо частично (многопоточные), с восемью (для MK) или четырьмя (для GK-II и GK-IV) змеевиками, используемыми для подачи пиролиза в подаваемую ЗИА.

Очевидно, что оптимальной печью для пиролиза сероводородной фракции в гидроконвертерном процессе с температурой кипения выше 340°C является печь голландской компании KTI, оснащенная восемью змеевиками типа GK-IV, которая может перерабатывать 21-24 т/ч тяжелого сырья при температуре до 870°C, времени контакта 0,35 с и давлении на выходе из змеевика 0. Он способен проводить пиролизную обработку при давлении 16 МПа. Выход этилена достигает 35% (включая переработанный этанол). Для переработки 78,5 т/ч сырья при разбавлении паров на 60 % установка должна быть оснащена 6 печами пиролиза с температурой выше 340 °C и печью пиролиза рециклированного этана.

Когда температура пиролиза составляет 870 °C, а время реакции менее 0,4 с, температура отходящих газов на выходе из печи должна превышать 1050 °C. Из-за высокого содержания тепла в отходящих газах к конвективной секции необходимо добавить пароперегреватель высокого давления.

Для повышения тепловой эффективности пиролизной печи необходимо снизить температуру дымового газа перед его выходом из печи в атмосферу. По этой причине КПД печи достигает 93-94% при температуре 100-120°C. Конечная температура отходящего газа ограничена точкой росы. В этом случае необходимо использовать дымоход, так как он не может создать вакуум, необходимый для естественной тяги.

Стенки камеры сгорания, в которой расположены горелки каменки KTI, покрыты металлическими пластинами. Воздух, проходящий между ними, нагревается, что приводит к высокой температуре (100°C) стенок камеры сгорания по направлению к горелкам. Расход топлива снижается на 5%. Печь оснащена мощной системой рекуперации тепла, которая позволяет увеличить КПД до 95%. Компьютерная система осуществляет мониторинг и управление топкой.