Авторы: А.М. Добротворский (ЗАО «НПО «Ленкор», СПбГУ),
А.В. Балутов, Е.П. Денисенко, Д.А. Легостаев («НПО «Ленкор»),
А.Е. Шувалов (ООО «Балтморпроект»), А.Ф. Васецкий (НТЦ «ЭДО»).
Ответ А.В. Буканину на статью «Паровая завеса печей нефтеи газохимических предприятий. Надежность – плюс, эффективность – минус» в журнале «Химическая техника» №12, 2014 г.
В семидесятые годы прошлого века на нефтеперерабатывающих предприятиях Советского Союза стали активно внедряться комбинированные установки типа ЛК-6У, скомпонованные таким образом, чтобы значительно сократить площади, занимаемые различными технологическими процессами, и тем самым достичь ощутимого экономического эффекта за счет снижения капиталовложений. При освоении этих прогрессивных для того времени производств разрабатывались меры по защите крупнотоннажных технологических печей от случайного воздействия взрывоопасного облака при его возникновении в соседних технологических секциях.
В частности, была разработана и введена в действие «Инструкция по проектированию паровой защиты технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» , которая определяла перечень и пути решения задач по всесторонней защите печных агрегатов и по снижению вероятности возникновения аварийных ситуаций.
Обеспечение надежной работы паровых завес является одним из необходимых условий безопасной эксплуатации технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
В то же время ряд специалистов подвергает сомнению целесообразность использования паровых завес.
Так, в статье, опубликованной в журнале «Химическая техника» (2014, №12), ссылаясь на отмененные ПБ 09540–03 , автор утверждает, что подача водяного пара на завесу должна осуществляться постоянно, и (на примере технологических печей ООО «Тобольск-Нефтехим») показывает, что это влечет за собой значительные затраты энергоносителей и, как следствие, экономические потери.
Не оспаривая последнее утверждение, считаем, что оно не может быть основанием для отказа от использования паровой завесы как средства обеспечения безопасности, а должно инициировать мероприятия по оптимизации системы защиты технологических печей с учетом всех требований нормативных документов. Кроме того, следует отметить, что ни в одном нормативном документе нет утверждения о необходимости постоянного поддержания рабочего давления водяного пара в паровых завесах технологических печей. Многие специалисты, с которыми мы консультировались по данному вопросу, высказывают мнение, что включение паровой завесы осуществляется только в аварийной ситуации.
В отличие от нефтеперерабатывающей отрасли, в которой принят целый ряд специальных нормативных документов, разработанных ведущими проектными организациями (например, ВНТП 81–85, ВНТП 5–95, ВУП СНЭ ), нормативная база требований к работе предприятий нефтехимии представлена значительно меньше.
Не случайно поэтому, что требования Инструкции , а затем и ПБ 09-540–03 были применены к условиям эксплуатации химических производств ООО «Тобольск- Нефтехим». В настоящее время взамен ПБ 09-540–03 приказом Ростехнадзора №96 от 11.03.2013 г. введены в действие Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных, химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» , в которых сохранена ранее применявшаяся формулировка о принципах организации защиты трубчатых печей: «Для изоляции печей с открытым огневым процессом от взрывоопасной среды, образующейся при авариях на наружных установках или в зданиях, печи должны быть оборудованы паровой завесой или завесой в виде струйной подачи инертных газов, включающейся автоматически или дистанционно и обеспечивающей предотвращение контакта взрывоопасной среды с огневым пространством печи. …При включении завесы должна срабатывать сигнализация по месту и на щите оператора».
Организация включения паровой завесы подробно описана в «Инструкции…» . В соответствии с ней на расстоянии 10 м от защищаемой печи подлежит монтажу распределительный паровой коллектор, подключаемый к наружному паропроводу через электроприводную арматуру с ручным байпасом. Главная запорная электрозадвижка, которая может быть как закрытой, так и приоткрытой в штатном режиме работы, полностью открывается при срабатывании датчиков, сигнализирующих о превышении нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР) в рабочей зоне блока печей.
Ручная же задвижка на перфорированном трубопроводе паровой завесы всегда находится в открытом состоянии.
При нормальном ведении процесса, таким образом, подача водяного пара на паровую завесу может не осуществляться.
В случае, когда главная электроприводная задвижка на линии подачи водяного пара в штатном режиме находится в приоткрытом состоянии, перфорированный паропровод завесы постоянно находится под паром, и во избежание случайного ошпаривания обслуживающего персонала предусматривается защитный экран, предотвращающий распространение пара в нормальных условиях эксплуатации. Выбор и организация системы паровой завесы осуществляется в соответствии с требованиями Приложения Л к ГОСТ Р 12.3.047–2012 .
При пуске паровой завесы из-за мгновенного нагрева распределительного коллектора может возникнуть риск его сброса с опорных конструкций. Для того чтобы избежать такого развития событий, следует:
Для замедления нестационарных процессов нагрева коллектора и препятствования повышению давления пара не исключено применение в качестве главной отсекающей электрозадвижки арматуры, имеющей заданную низкую скорость открытия, обеспечиваемую выбором параметров привода арматуры при проектировании завесы.
Важнейшим компонентом системы паровой завесы технологических печей является группа сигнальных датчиков-газоанализаторов, с помощью которых осуществляется контроль уровня загазованности воздуха в зоне печи. В современных условиях, когда отечественная промышленность освоила выпуск высокоэффективных оптических и инфракрасных газоанализаторов, их подбор не должен вызывать каких-либо затруднений, а ложное срабатывание датчиков практически исключается. Расстановку датчиков для удовлетворения требованиям компоновки технологической установки целесообразно выполнять в соответствии с разделом 3 «Требований к установке сигнализаторов и газоанализаторов» (ТУгаз–86) . Технологическим регламентом на эксплуатацию производственного процесса необходимо определить условия, при которых происходит срабатывание датчиков довзрывных концентраций и поступает сигнал о необходимости остановки технологической печи. Оператор технологической установки также должен четко представлять, какой уровень загазованности воздуха рабочей зоны влечет необходимость остановки.
Все перечисленные выше мероприятия, по нашему мнению, должны обеспечить безопасную эксплуатацию данного вида защиты блока печей.
Система паровой завесы печей эксплуатируется уже в течение нескольких десятилетий и зарекомендовала себя как надежная и высокоэффективная мера защиты в аварийных ситуациях. Если завеса спроектирована в соответствии с действующими рекомендациями и поддерживается в работоспособном состоянии, то она способна предотвратить проникновение взрывоопасного облака к горелочным устройствам печи и/или наружным конструкциям, нагретым выше 350°C, и его воспламенение с возвратом искры к месту повреждения технологического оборудования.
В качестве примера эффективной и работоспособной системы можно привести паровую завесу печного агрегата (рис. 1–3) на Афипском НПЗ, которая обеспечивает надежную защиту на случай распространения взрывоопасного облака от внешних источников, располагающихся на территории установки (фотографии предоставлены специалистами ООО «Алитер-Акси»).
Следует отметить, что если бы паровая завеса технологических печей комбинированной установки ЛК-6УС на Ачинском НПЗ находилась в работоспособном состоянии на момент аварийной ситуации в июне 2014 г. и была своевременно включена в работу, то, вероятнее всего, развитие аварии по самому негативному сценарию можно было бы предотвратить. Утверждение, что расход водяного пара, направляемого на паровую завесу, на данной установке был недостаточным, по всей видимости, не соответствует действительности. В этом случае подача водяного пара прекратилась бы прежде всего на верхний ярус защиты, но, как показывает анализ развития аварии, на верхнем ярусе подача пара осуществлялась даже интенсивнее, чем на нижнем.
Сейчас многие ведущие специалисты отрасли увлечены проведением оценки рисков аварий на опасных производственных объектах и мониторингом рискоопасных производств, забывая при этом об элементарных способах предотвращения аварий, таких, как использование паровой завесы.
При проведении технического аудита действующих технологических производств силами специалистов нашей организации мы рекомендуем обращать особое внимание на работоспособность этого ответственного узла защиты печных агрегатов и, если возникает необходимость, то всегда советуем выполнить необходимые мероприятия по организации системы паровой завесы.
По нашему мнению, для обеспечения наибольшей эффективности работы паровой завесы, целесообразно использовать водяной пар среднего давления температурой, близкой к температуре насыщения (в условиях нефтеперерабатывающих предприятий – соответственно 0,9 МПа и 179°C).
Рис. 3. Истечение водяного пара
из перфорированного трубопровода при защите печного агрегата
В заключение можно сказать, что поддержание системы паровой завесы на технологических печах нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий является основой безопасной эксплуатации этих ответственных производственных объектов. При проектировании необходимо следовать требованиям соответствующих нормативных документов, а также учитывать особенности данной системы защиты при расчетах трубопроводов и расстановке опор. Полное открытие главной паровой электроприводной задвижки должно осуществляться по сигналу датчиков НКПР с одновременным срабатыванием звуковой сигнализации в районе печей, позволяющей осуществить эвакуацию обслуживающего персонала, находящегося в зоне работы печи. Для повышения эффективности работы паровых завес можно рекомендовать, в частности специалистам ОАО «Тобольск-Нефтехим», еще раз рассмотреть систему их организации на технологических печах предприятия, исходя из требований ГОСТ Р 12.3.47–2012, и принять ту схему защиты печей, которая по мнению специалистов будет наиболее эффективной в условиях действующих опасных производственных объектов.
4.5. Теплообменные процессы
4.5.1. Организация теплообмена, выбор теплоносителя (хладагента) и его параметров осуществляются с учетом физико-химических свойств нагреваемого (охлаждаемого) продукта в целях обеспечения необходимой теплопередачи, исключения возможности его перегрева и разложения.
4.5.2. Теплообменные процессы и теплообменное оборудование должны проектироваться и выбираться с учетом анализа возможных рисков образования взрывоопасных веществ вследствие взаимного проникновения и взаимодействия теплоносителя с технологической средой для того, чтобы предотвратить возможность возникновения аварийных ситуаций.
4.5.3. В теплообменном процессе не допускается применение теплоносителей, образующих при химическом взаимодействии с технологической средой взрывоопасные вещества.
В случае осуществления такого теплообменного процесса выбирается процесс с передачей тепла через стенку и предусматриваются методы и средства контроля и сигнализации о взаимном проникновении теплоносителя и технологического продукта, а также средства противоаварийной защиты, необходимые для безопасного проведения процесса.
4.5.4. В том случае, когда снижение уровня нагреваемой горючей жидкости в аппаратуре и оголение поверхности теплообмена могут привести к перегреву, высушиванию и разложению горючего продукта, развитию неуправляемых процессов, предусматриваются средства контроля и регулирования процесса, а также блокировки, прекращающие подачу греющего агента при понижении уровня горючего нагреваемого продукта ниже допустимого значения.
4.5.5. В поверхностных теплообменниках давление негорючих теплоносителей (хладагентов) должно превышать давление нагреваемых (охлаждаемых) горючих веществ. В случаях, когда давление негорючих теплоносителей равно или меньше давления нагреваемых (охлаждаемых) горючих веществ, следует предусматривать контроль за содержанием горючих веществ в негорючем теплоносителе.
4.5.6. В теплообменных процессах, в том числе и реакционных, в которых при отклонениях технологических параметров от регламентированных возможно развитие неуправляемых, самоускоряющихся экзотермических реакций, предусматриваются средства, предотвращающие их развитие.
4.5.7. В теплообменных процессах, при ведении которых возможны кристаллизация продукта или образование кристаллогидратов, предусматривается ввод реагентов, предотвращающих образование этих продуктов, применяются и другие меры, обеспечивающие непрерывность, надежность проведения технологических процессов и их взрывобезопасность.
4.5.8. При организации теплообменных процессов с огневым обогревом необходимо предусматривать меры и средства, исключающие возможность образования взрывоопасных смесей в нагреваемых элементах (змеевиках), топочном пространстве и рабочей зоне печи.
4.5.8.1. Противоаварийная автоматическая защита топочного пространства нагревательных печей обеспечивается:
системами регулирования заданного соотношения топлива, воздуха и водяного пара;
блокировками, прекращающими поступление газообразного топлива и воздуха при снижении их давления ниже установленных параметров, а также при прекращении электро(пневмо)снабжения контрольно-измерительных приборов и автоматики (далее - КИПиА);
средствами сигнализации о прекращении поступления топлива, а также воздуха при его принудительной подаче в топочное пространство;
средствами контроля за уровнем тяги и автоматического прекращения подачи топливного газа в зону горения при остановке дымососа или недопустимом снижении разрежения в печи, а при компоновке печных агрегатов с котлами-утилизаторами - системами по переводу на работу агрегатов без дымососов;
средствами автоматической или дистанционной подачи водяного пара или инертного газа в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб. При осуществлении каталитических процессов, применяемых в нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах, подача пара в змеевики печей не допускается.
Технические решения по противоаварийной автоматической защите топочного пространства и змеевиков при прогаре труб нагревательных печей обосновываются в проектной документации.
4.5.8.2. Противоаварийная автоматическая защита нагреваемых элементов (змеевиков) нагревательных печей обеспечивается:
аварийным освобождением змеевиков печей от нагреваемого жидкого продукта при повреждении труб или прекращении его циркуляции;
блокировками по отключению подачи топлива при прекращении подачи сырья;
средствами дистанционного отключения подачи сырья и топлива в случаях аварий в системах змеевиков;
средствами сигнализации о падении давления в системах подачи сырья.
4.5.8.3. Для изоляции печей с открытым огневым процессом от взрывоопасной среды, образующейся при авариях на наружных установках или в зданиях, печи должны быть оборудованы паровой завесой или завесой в виде струйной подачи инертных газов, включающейся автоматически или дистанционно и обеспечивающей предотвращение контакта взрывоопасной среды с огневым пространством печи.
При включении завесы должна срабатывать сигнализация по месту и на щите оператора.
4.5.9. Топливный газ для нагревательных печей должен соответствовать регламентированным требованиям по содержанию в нем жидкой фазы, влаги и механических примесей. Предусматриваются средства, исключающие наличие жидкости и механических примесей в топливном газе, поступающем на горелки.
4.5.10. При организации теплообменных процессов с применением высокотемпературных органических теплоносителей (далее - ВОТ) предусматриваются системы удаления летучих продуктов, образующихся в результате частичного их разложения.
При ведении процесса вблизи верхнего допустимого предела применения ВОТ должен устанавливаться контроль за изменением состава теплоносителя; допустимые значения показателей состава ВОТ устанавливаются в технологическом регламенте на производство продукции.
4.5.11. Сушильный агент и режимы сушки выбираются с учетом взрывопожароопасных свойств высушиваемого материала, теплоносителя и возможности снижения взрывоопасности блока.
4.5.11.1. При проведении процесса сушки в атмосфере инертного газа необходимо предусматривать автоматический контроль содержания кислорода в инертном газе на входе и (или) выходе из сушилки (в зависимости от особенностей процесса).
На случай возможного превышения допустимой концентрации кислорода предусматривается автоматическая блокировка по остановке процесса сушки и разрабатываются другие меры, исключающие возможность образования взрывоопасных смесей в аппаратуре.
4.5.11.2. Сушка горючих материалов, способных образовывать взрывоопасные смеси с воздухом, должна осуществляться в атмосфере инертного газа.
При обоснованном техническом решении проведения процесса сушки в газовоздушной среде в сушильных агрегатах предусматриваются меры, исключающие поступление взрывоопасной смеси из сушилки в нагревательное устройство обратным ходом, и меры взрывопредупреждения процесса и взрывозащиты оборудования:
оснащение устройствами, исключающими искрообразование фрикционного (удар, трение) и электрического происхождения;
поддержание режима сушки, исключающего местные перегревы, образование застойных зон, увеличение времени нахождения высушиваемого материала в области высокой температуры и отложение продукта на стенках сушильных камер;
оснащение распылительных сушилок средствами автоматического отключения подачи высушиваемого материала и сушильного агента при прекращении поступления одного из них;
оснащение сушильных агрегатов средствами автоматического регулирования температуры высушиваемого материала и сушильного агента, а также блокировками, исключающими возможность повышения температуры выше допустимых значений (отключение подачи сушильного агента, включение подачи хладагента), в целях предупреждения термодеструкции и (или) загорания горючих продуктов;
осуществление подачи хладагента (холодного газа, воды) автоматически при достижении температуры высушиваемого материала выше допустимх значений.
4.5.12. При проведении процессов сушки горючих веществ под вакуумом предусматривается подача в рабочее пространство инертного газа (продувка инертным газом) перед пуском сушилки в работу, а также при ее остановке. Продолжительность подачи инертного газа определяется с учетом конкретных условий проведения технологического процесса и устанавливается в технологическом регламенте на производство продукции. Кроме того, сушильные агрегаты оснащаются системами автоматизации, исключающими возможность включения их обогрева при отсутствии или снижении вакуума в рабочем пространстве ниже допустимого.
4.5.13. Сушильные агрегаты для сушки горючих веществ оснащаются средствами пожаротушения. Способы пожаротушения должны исключать пылеобразование, выброс горючих продуктов в окружающую среду и образование взрывоопасных смесей как в аппаратуре, так и в рабочей зоне установки.
4.5.14. Сушильные установки, имеющие непосредственный контакт высушиваемого продукта с сушильным агентом, должны оснащаться устройствами очистки отработанного сушильного агента от пыли высушиваемого продукта и средствами контроля очистки. Способы очистки и периодичность контроля устанавливаются в инструкции по эксплуатации сушильных установок.
Системы ПАЗ печей.
ОБЩИЕ ПРАВИЛА
взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств
4.5. Теплообменные процессы
4.5.8.1. Противоаварийная автоматическая защита топочного пространства нагревательных печей обеспечивается:
· средствами контроля за уровнем тяги и автоматического прекращения подачи топливного газа в зону горения при остановке дымососа или недопустимом снижении разрежения в печи,
4.5.8.2. Противоаварийная автоматическая защита нагреваемых элементов (змеевиков) нагревательных печей обеспечивается:
4.5.8.3. Для изоляции печей с открытым огневым процессом от газовой среды при авариях на наружных установках или в зданиях печи должны быть оборудованы паровой завесой, включающейся автоматически или дистанционно. При включении завесы должна срабатывать сигнализация.
Правила
Промышленной безопасности для нефтеперерабатывающих производств
ПБ 09-563-03
Трубчатые печи
5.3.1. Печи должны быть оборудованы дежурными (пилотными) горелками, оснащенными запальными устройствами, индивидуальной системой топливоснабжения.
5.3.2. Рабочие и дежурные горелки необходимо оборудовать сигнализаторами погасания пламени, надежно регистрирующими наличие пламени форсунки.
5.3.3. На трубопроводах газообразного топлива к основным горелкам должны быть установлены предохранительно-запорные клапана (ПЗК), дополнительно к общему отсекающему устройству на печи, срабатывающие при снижении давления газа ниже допустимого.
5.3.4. На линиях подачи жидкого топлива и топливного газа к основным и дежурным горелкам должны устанавливаются автоматические запорные органы, срабатывающие в системе блокировок.
5.3.5. Для многофакельных печей на трубопроводах газообразного и жидкого топлива следует установить автономные регулирующие органы, для обеспечения безопасности в режиме пуска.
5.3.6. При размещении печей вне зданий запорные органы на общих трубопроводах жидкого и газообразного топлива должны быть расположены в безопасном месте на расстоянии не ближе 10 м от печи.
5.3.7. Перед пуском печи необходимо убедиться в отсутствии каких-либо предметов в камере сгорания, дымоходах-боровах, все люки и лазы должны быть закрыты.
5.3.8. В период розжига печи должны быть включены все приборы контроля, предусмотренные технологическим регламентом, и вся сигнализация.
5.3.9. Перед розжигом печи, работающей на газе, необходимо проверить плотность закрытия рабочих и контрольных вентилей на всех горелках, сбросить конденсат из топливной линии. Система подачи газа должна исключать попадание конденсата в горелки.
5.3.10. Розжигу дежурных горелок должна предшествовать продувка топочного пространства паром, а линии подачи газообразного топлива инертным газом на свечу. Продувку топочного пространства, считая с момента открытия последней задвижки до момента появления пара из дымовой трубы, следует вести в течение времени, предусмотренного регламентом, но не менее 15 мин, а для многокамерных печей продувку камер сгорания - не менее 20 мин.
5.3.11. Розжиг печи должен начинаться с розжига дежурных горелок. В том случае, если дежурная горелка (горелки) не разожглась (разожглись) с трех попыток, следует повторить продувку топочного пространства согласно п.5.3.5.
5.3.12. Розжиг основных горелок должен осуществляться при работающих дежурных горелках, минимальной регламентированной циркуляции сырья в змеевике и регламентированных значениях подачи топлива.
5.3.13. Трубопроводы подачи топлива ко всем неработающим (в том числе и временно неработающим) горелкам должны быть отглушены.
5.3.14. Печи должны быть оборудованы средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб, а также средствами автоматического отключения подачи сырья и топлива при авариях в системах змеевиков.
5.3.15. Топливный газ для освобождения от жидкой фазы, влаги и механических примесей перед подачей в горелку должен предварительно пройти сепаратор, подогреватель и фильтры.
5.3.16. Жидкое топливо для обеспечения необходимой вязкости и освобождения от механических примесей перед подачей в форсунку должно предварительно пройти подогреватель и фильтры.
5.3.17. В период пуска должны быть включены следующие блокировки: закрытие автоматических запорных органов дежурных горелок при понижении давления в линии топливного газа; закрытие газовых автоматических запорных органов основных горелок при повышении или понижении давления в линиях топливного газа к основным горелкам, а также при прекращении подачи в змеевик циркулирующего газа или сырья; закрытие на жидком топливе автоматических запорных органов при прекращении подачи в змеевик циркулирующего газа или сырья.
5.3.18. Система блокировок и сигнализации должна обеспечивать отключение подачи топлива к дежурным и основным горелкам при:
отклонениях параметров подачи топлива от регламентированных;
падении объема циркуляции сырья через змеевик печи ниже допустимого;
превышении предельно допустимой температуры сырья на выходе из печи;
срабатывании прибора погасания пламени.
5.3.19. Все приборы, контролирующие работу печи, должны быть регистрирующими.
5.3.20. Система противоаварийной автоматической защиты должна быть снабжена противоаварийной сигнализацией параметров и сигнализацией срабатывания исполнительных органов.
5.3.21. При эксплуатации трубчатой нагревательной печи необходимо следить за показаниями контрольно-измерительных приборов, вести визуальный контроль за состоянием труб змеевика, трубных подвесок и кладки печи. При наличии отдулин на трубах, их прогаре, деформации кладки или подвесок, пропуске ретурбентов следует потушить горелки, прекратить подачу в печь продукта, подать в топку пар и продуть трубы паром или инертным газом по ходу продукта. Дверцы камер во время работы печи должны быть закрыты. Необходимо вести наблюдение за установленным режимом горения, горелки должны быть равномерно нагружены, факел должен иметь одинаковые размеры, не бить в перевальную стенку и не касаться труб потолочного и подового экранов.
5.3.22. Подача пара в топочное пространство должна включаться автоматически при прогаре змеевика, характеризующемся:
падением давления в сырьевом змеевике;
повышением температуры над перевальной стеной;
изменением содержания кислорода в дымовых газах на выходе из печи относительно регламентированного.
Параметры срабатывания блокировки по аварийному включению подачи пара в змеевик определяются проектом.
5.3.23. Электроснабжение систем ПАЗ и исполнительных механизмов печи относится к особой группе I категории надежности.
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. В трубчатых печах тепло сжигаемого топлива передается прокачиваемой через трубный змеевик жидкости или парожидкостной смеси .
Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды (обычно углеводородов) до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т.е. примерно свыше 230 °С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов.
Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т.е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.
Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом.
Впервые трубчатые печи предложены русскими инженерами В.Г. Шуховым и С.П. Гавриловым.
Трубчатые печи отличаются друг от друга по конструктивным и технологическим признакам.
Не смотря на большое разнообразие конструкций печей принцип работы их во многом однотипен. Рассмотрим его на примере однокамерной односкатной трубчатой печи (рисунок 2.64). Обычно внутренний объем печи разделен полуперегородкой – перевальной стеной на две части, называемые радиантной и конвекционной камерами. В этих камерах размещены трубные змеевики, через поверхности которых осуществляется теплопередача.
| а) | б)  |
| в)  |
|
Рисунок 2.64 – Конструкция однокамерной печи
с наклонным сводом
Под радиационной теплопередачей понимают поглощение лучистого тепла, под конвективной – теплопередачу путем омывания поверхностей труб дымовыми газами.
В радиантной камере основное количество тепла передается радиацией и лишь незначительное – конвекцией, а в конвекционной камере – наоборот.
Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. При этом образуется светящийся факел, представляющий собой раскаленные частицы горячего топлива, которые нагревшись до 1300–1600 °С, излучают тепло. Тепловые лучи падают на наружные поверхности труб радиационной секции и поглощаются, создавая так называемую поглощающую поверхность. Также тепловые лучи попадают и на внутренние поверхности стен радиантной камеры печи. Нагретые поверхности стен, в свою очередь, излучают тепло, которое также поглощается поверхностями радиантных труб.
При этом поверхность футеровки радиационной секции создает так называемою отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Если не учитывать потери через кладку стен, то при нормальной установившейся работе печи внутренние поверхности стен печи излучают столько тепла, сколько поглощают.
Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей – 60–80% всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное – в конвективной секции.
Трехатомные газы, содержащиеся в дымовых газах (водяной пар, двуокись углерода и сернистый ангидрид), также поглощают и излучают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.
Количество лучистого тепла, поглощаемого в радиантной камере, зависит от поверхности факела, его конфигурации и степени экранирования топки. Большая поверхность факелов способствует повышению эффективности прямой передачи тепла поверхностям труб. Увеличение поверхности кладки также способствует возрастанию эффективности передачи тепла в радиантной камере.
Каркас.
Каркас печи несет основную нагрузку от веса труб, двойников, трубных решеток и подвесок, кровли, подвесного свода и стен печи и других деталей.
Металлический каркас представляет собой пространственную раму, обрамляющую стены печи, поэтому конфигурация каркаса соответствует наружной форме печи. В зависимости от ширины трубчатой печи основой конструкции каркаса могут служить рама, ферма, прикрепляемая к колоннам, или целая ферма (рисунок 2.74), которые опорными поверхностями стоек устанавливаются на фундамент и взаимно связываются горизонтальными связями из балок или швеллеров. Ферм может быть разное количество.
а – из простых балок; б – со стойками из балок и фермой для свода; в – из ферм; 1 – рама; 2 – стойки; 3 – ферма; 4 – верхний пояс; 5 – нижний пояс
Рисунок 2.74 – Схемы конструкций каркасов трубчатых печей
Крепление колонн к фундаменту в двух первых случаях выполняется как защемление, целые фермы закрепляют на неподвижных шарнирах, при этом считается, что температурные перемещения поглощаются вследствие упругой деформации рамы или фермы. На рисунках 2.68, 2.75, 2.76 показаны каркасы двухскатной и вертикальной печи.
Рисунок 2.75 – Двухскатная печь
Опорные стойки каждой фермы или рамы при помощи шарнирных узлов и плит крепятся к фундаменту анкерными болтами. Узлы рам крупных печей с большими пролетами ферм имеют шарнирные соединения для компенсации линейного удлинения балок, возникающего при нагреве. В малых печах шарнирные узлы рам отсутствуют, а удлинения балок компенсируются их упругой деформацией.
 |  |
| а) | б) |
| Рисунок 2.76 – Каркас двускатной печи |
|
Фермы каркаса соединены между собой горизонтальными балками и прогонами для кровли. По нижнему поясу балок закреплены трубные подвески для продуктовых змеевиков, подвески и кронштейны для обмуровочных кирпичей (см. рисунок 2.73).
Стены.
Стены, как и вся обмуровка, предназначены для герметизации топки и камер трубчатой печи, а также образования поверхности для размещения экранов радиантных труб и отражения лучистой энергии. Стены должны быть прочными в условиях высоких температур, герметичными и обладающими незначительной теплопроводностью.
В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний слой, подверженный действию огня и раскаленных дымовых газов, выложен из огнеупорного кирпича, средний – из изоляционного кирпича или плит, наружный – из обыкновенного кирпича повышенной прочности. Хотя толщина этих стен значительна (до 0,7 м), особой долговечностью они не отличаются: сравнительно быстро расслаиваются и разрушаются.
Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуатации стены, выложенные только из огнеупорного кирпича на растворе, составленном из огнеупорной глины и шамотного порошка. Для герметизации стены снаружи штукатурят или обшивают металлическими листами.
В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огнеупорную кладку выполняют из шамотного кирпича марок А, Б и В, который имеет следующую огнеупорность: кирпич марки А – не ниже 1730 °С, марки Б – 1670 °С, марки В – 1580 °С. Исходя из того, что почти все старые печи работают в форсированных режимах, предпочтительно применение кирпича марки А.
Кирпич марок Б и В в жестких условиях эксплуатации с течением времени оплавляется, в результате толщина стен уменьшается, а под печи покрывается твердыми наростами оплавившегося шамота. В дальнейшем, при ремонтах, эти наросты удаляют с большими трудностями. Особенно недопустимо оплавление стен при наличии подовых трубных экранов.
Стены современных печей имеют блочную конструкцию (рисунок 2.77) и собираются из огнеупорного кирпича разнообразной формы. Например, обмуровку двухскатных печей выполняют из блоков более 80 фасонов и размеров. Геометрическая форма огнеупорных блоков позволяет собирать их на балках и стержнях, прикрепленных к каркасу печи. Сопряженные поверхности соседних блоков снабжены выступами и соответствующими им впадинами, которые образуют замки-лабиринты. Грани блоков, обращенные внутрь печи, гладкие и обеспечивают образование внутренней гладкой поверхности стены печи. Такая обмуровка производится без растворов и имеет большие эксплуатационные преимущества перед монолитной футеровкой, опирающейся на самостоятельный фундамент.
1 – элемент блочной футеровки (блочный кирпич); 2 – несущие горизонтальные шнеллеры; 3 – кронштейны для блоков
Рисунок 2.77 – Блочная конструкция стен трубчатых печей
В технике кладки печей следует отметить тенденцию к применению в качестве материала для обмуровки жаростойкого бетона. Железобетонные стены печи отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью. Однако жаропрочность таких стен и их способность переносить резкие колебания температур пока еще полностью не изучены. В эксплуатации находятся печи из крупноблочного жаростойкого бетона , стены которых являются несущими. Это исключает необходимость в металлическом каркасе.
В наиболее тяжелых температурных условиях работают перевальные стены, поэтому конструктивно они должны быть более прочными и долговечными. Их толщина обычно больше толщины контурных стен.
Благодаря отсутствию раствора каждый блок-кирпич легко воспринимает тепловые деформации и компенсирует их в пределах зазоров в замках. Этому же способствует разгруженность кладки от собственного веса. Нагрузку от кладки почти целиком воспринимает металлический каркас печи.
Замки-лабиринты в соединениях кирпичей обеспечивают надежную герметизацию кладки, что очень важно для снижения тепловых потерь через стены и уменьшения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блочной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм). Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучающими стенами топок полностью или на отдельных участках составлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или асбестовым шнуром.
Основание печи выкладывается из трех слоев: нижний слой из простого кирпича стелится на бетонную постель плашмя, без раствора; второй слой – из простого кирпича на цементно-глиняном растворе; третий слой (самый верхний) – из огнеупорного кирпича, положенного на ребро, с шамотно-глиняным раствором.
Футеровка печей (рисунок 2.78) – это конструкция из огнеупорных, кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовочных материалов и изделий, ограждающая рабочую камеру, в которой протекают печные процессы, от взаимодействия с окружающей средой.
 |  |
 |  |
| Рисунок 2.78 – Футеровка печи |
|
Футеровка предохраняет металлоконструкции печи, а также обслуживающий ее персонал от воздействия высоких температур и печной среды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабочей камере печей, т.е. полную герметизацию при работе под высоким давлением, либо достаточную газоплотность при давлениях, близких к атмосферному.
Футеровка один из основных конструктивных элементов печей, который дает возможность осуществления высокотемпературных термотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде при наличии механических нагрузок с сохранением в течение длительного времени геометрической формы рабочей камеры, механической и строительной прочности.
Большое разнообразие огнеупорных кирпичей (до 80 типоразмеров) очень усложняет сборку обмуровки. Поэтому в современных печах все чаще применяют блочные обмуровки из жаростойкого бетона и железобетона.
Для печей с металлическим каркасом применяют блоки массой 500 кг и более, монтируемые с использованием кранов, и мелкие блоки массой 50 кг, которые укладывают вручную.
В мировой практике строительства трубчатых печей четко наметилась тенденция перехода от тяжелой кирпичной огнеупорной обмуровки к облегченным жароупорным и теплоизоляционным блокам.
Конструктивно блок комбинируется из сборных теплоизоляционных плит, защищаемых с огневой стороны слоем жаростойкого бетона. Значительное уменьшение массы обмуровки способствует распространению новых конструкций печей с облегченным каркасом.
Трубные змеевики.
Трубчатый змеевик является наиболее ответственной частью печи. Его собирают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных печных труб
Печные трубы работают в трудных условиях; они подвержены двустороннему воздействию высоких температур: изнутри – от нагреваемого сырья и снаружи – от дымовых газов и излучающих поверхностей.
Причины износа труб различны и зависят от гидравлической и теплотехнической характеристик режима эксплуатации и технологических особенностей процесса, учитывающих качество сырья. Величина износа при этом зависит от качества изготовления и металла труб. Внутренние поверхности труб подвержены коррозионному и эрозионному износам. Наибольшая коррозия наблюдается при переработке сернистых нефтей, а также нефтей, содержащих хлористые соли. Эрозионный износ обусловлен содержанием в нагреваемом сырье механических включений и большими скоростями движения среды по трубам. Особенно интенсивно изнашиваются концы труб.
В процессе эксплуатации наружные поверхности труб подвергаются износу из-за коррозии дымовыми газами, окалинообразования и прогаров.
Коррозии дымовыми газами подвержены главным образом поверхности труб первых рядов змеевика конвекционных камер, если температура сырья на входе в печь ниже 50 °С, то есть ниже наиболее вероятной температуры точки росы. При этом дымовые газы, которые непосредственно соприкасаются с поверхностями труб, охлаждаются, водяной пар в них конденсируется и, поглощая из газов сернистый ангидрид, образует агрессивную сернистую кислоту.
Окалинообразование является следствием окисления металла труб, начинающегося с их наружных поверхностей.
Под прогарами печных труб принято понимать разрывы их на некоторых участках. Всякому прогару предшествует образование на трубе отдулин – местных увеличений диаметра вследствие ползучести металла при высоких температурах и давлениях внутри трубы.
В настоящее время применяют печные трубы диаметром 60–152 мм, длиной до 18 м, толщиной стенки до 15 мм.
Применяют бесшовные катаные трубы из углеродистой стали марок 10 и 20 (при температуре до 450 °С) и из легированных сталей 15Х5М и 15Х5ВФ (при температуре до 550 °С). При более высоких температурах нагрева сырья используют трубы из жаропрочных сталей. Трубы из углеродистой стали можно применять только в неагрессивных средах.
Трубы могут соединяться в змеевики двумя способами:
Когда по условиям эксплуатации нет необходимости в систематическом вскрытии торцов труб (для чистки или ревизии), предпочтение следует отдавать сварному змеевику как наиболее простому, компактному, дешевому и надежному в работе. 
Рисунок 2.79 – Печной двойник
Ретурбенды представляют собой стальные литые или кованые короба, соединяющие трубы в змеевик. Направление потока в них изменяется на прямо противоположное. Конструкция всех ретурбендов такова, что в случае необходимости может быть открыт доступ к внутренней поверхности печных труб.
В последнее время появились печи без ретурбендов и peтурбендных камер. Цельносварной трубный змеевик в таких печах размещается внутри камер и удерживается по концам, как и в промежутках, подвесками вместо трубных решеток.
Трубные змеевики по экранам радиантных камер размещаются в один или в два ряда (рисунок 2.80). При размещении в два ряда трубы одного ряда располагают в створе труб другого ряда, то есть в шахматном порядке. Шаг между трубами обычно составляет 1,7–2 наружных диаметра печной трубы.
 |  |
 |
|
| Рисунок 2.80 – Различные конструкции трубных змеевиков |
|
Гарнитура печей.
К гарнитуре печей относятся детали, предназначенные для удержания труб от провисания в промежутках между трубными решетками, для сборки блоков футеровки стен и подвесных сводов, а также гляделки
и предохранительные окна.
Трубные решетки
применяют для удержания труб конвекционных камер (рисунок 2.81). Их крепят к специально выполненному для этой цели участку фундамента печи.
align="bottom" width="238" height="173" border="0"> align="bottom" width="225" height="170" border="0">
Рисунок 2.81 – Трубные решетки
Решетки конвекционных труб однокамерных печей можно с одной стороны крепить к металлоконструкциям, а с противоположной стороны заделывать в кладку перевальных стен. В местах заделки оставляют достаточные зазоры, чтобы при тепловых деформациях решетки не разрушали кладку.
Для конвекционных труб обычно достаточно надежны решетки из чугуна марки СЧ21-40, и лишь для нескольких верхних рядов, где температура среды высока, целесообразно применять решетки из жароупорной стали или ее заменителей.
Для высоких конвекционных камер решетки составляют из нескольких частей, соединенных болтами из нержавеющей стали. Нижние участки отверстий решеток снабжены приливами, увеличивающими площади опирания труб.
Подвески (рисунок 2.82).
| align="bottom" width="211" height="158" border="0"> | align="bottom" width="212" height="158" border="0"> |
| align="bottom" width="215" height="162" border="0"> | align="bottom" width="217" height="162" border="0"> |
| Рисунок 2.82 – Подвески |
|
Трубные подвески могут быть закрытыми и открытыми. Закрытые подвески прочнее, но для смены их в случае прогара требуется демонтаж печных труб.
Учитывая их высокую температуру в радиантной камере, подвески и кронштейны изготовляют из высоколегированных жаропрочных сталей. Для литых изделий, например, применяют сталь ЭИ316 (ЭИ319), обладающую жаростойкостью при температурах до 1000 °С в атмосфере сернистых топочных газов. Применяют также хромомарганцевоникелевые и хромомарганцевокремнистые стали.
По сравнению с печными трубами подвески находятся в более тяжелых рабочих условиях, так как они не охлаждаются потоками нефтепродуктов и нагреваются иногда до 1100 °С.В топочных газах часто содержатся большие количества сернистого газа, водяных паров, оксида углерода, водорода и других агрессивных агентов, вызывающих коррозию металла подвесок.
Так, ударная вязкость стали 20Х23Н13, из которой сделаны подвески, эксплуатировавшиеся в печах АВТ, в течение полугода снизилось более чем втрое. Исходя из условий работы подвесок, к их литью предъявляют следующие основные требования:
Кронштейны используют для крепления труб бокового экрана. Кронштейны крепятся к элементам каркаса.
align="bottom" width="180" height="139" border="0"> align="bottom" width="184" height="137" border="0"> align="bottom" width="200" height="139" border="0">
Рисунок 2.83 – Кронштейны
Гляделки
(смотровые окна)
(рисунок 2.84).
Гляделки, или смотровые окна, предназначены для наблюдения в процессе работы за состоянием печных труб и работой форсунок (размером и яркостью пламени).
Их изготовляют из чугуна марки СЧ 21–40 и крепят на болтах снаружи кладки к металлоконструкции печи. Для большей обзорности на участке установки гляделок в стенах печи выполняют отверстие, расширяющееся внутрь печи.
Рисунок 2.84 – Гляделки (смотровые окна)
Предохранительные (взрывные) окна
(рисунок 2.85).
Предохранительные окна отличаются от гляделок большими размерами. Они предназначены для ослабления силы хлопка (взрыва) в топке печи в случае нарушения нормального режима, при ремонтах ими пользуются как лазами, через которые обслуживающий персонал проникает внутрь печи.
Рисунок 2.85 – Предохранительные окна
Крышки гляделок и предохранительных окон в рабочем состоянии должны плотно прилегать к корпусу под действием собственного веса. Для этого поверхности их сопряжения наклонены к вертикали. Крышки предохранительных окон изнутри покрывают изоляцией для предохранения от больших деформаций и потерь тепла.
Борова – это футерованные каналы для транспортирования отходящей из печей газовой печной среды до выбросных труб. Конструкции боровов типизированы, и они выбираются в зависимости от количества газовой печной среды, ее температуры и химического состава. При температуре отходящих газов до 500 °С борова футеруются глиняным кирпичом марки 75, а при более высоких температурах – шамотным кирпичом класса В или Б на шамотном растворе с несущей конструкцией из глиняного кирпича.
В них предусматривают люки-лазы для осмотра и чистки при ремонтах. Все каналы дымоходов снабжают системой паротушения.
Для регулирования тяги на дымоходах или в самом низу дымовой трубы устанавливают шиберы.
Шиберы – плоские заслонки, частично прикрывающие сечение тракта, по которому проходят дымовые газы, предназначенные для достаточно плотного отключения печей от тяговой установки, а также для достижения легкого и чувствительного регулирования количества газовой печной среды, выходящей из печи, и их давления.
При пожаре шибером прикрывают боров, что резко снижает тягу и интенсивность горения и предотвращает попадание пламени в дымовую трубу.
Шибер ставится при выходе отходящих газов из камеры печи и представляет собой чугунную, керамическую заслонку, опущенную в боров и подвешенную на тросе, перекинутом через блок с противовесом или непосредственно на барабан ручной или электрической лебедки.
Шибера в боровах для зоны с температурой дымовых газов до 600 °С выполняются из чугуна. Для зоны с температурой выше 600 °С шибера для предотвращения коробления выполняются водоохлаждаемыми или керамическими.
Дымовые трубы и газоходы.
Дымовая труба (рисунок 2.86) – это устройство, предназначенное для:
Рисунок 2.86 – Дымовая труба
Дымовые трубы обеспечивают тягу, необходимую для работы трубчатых печей.
Дымовая труба является ответственным инженерным сооружением, работающим в чрезвычайно тяжелых условиях высоких ветровых нагрузок, температуры и агрессивного воздействия дымовых газов.
Трубы имеют основные конструктивные элементы: фундамент, цоколь, ствол, оголовок, зольное перекрытие, бункер, вводы боровов, антикоррозионную защиту, теплоизоляцию, футеровку, ходовую лестницу, молниезащиту, светофорные площадки.
Диаметр дымовой трубы должен быть таким , чтобы скорость движения газов в ней не превышала допустимого значения (4–6 м/с). Требуемая тяга в газовом тракте печи обусловлена разностью плотностей атмосферного воздуха и дымовых газов. Естественная тяга, создаваемая дымовой трубой, зависит от высоты трубы, температуры дымовых газов и температуры атмосферного воздуха. Разрежение в топке печи, создаваемое дымовой трубой, обычно составляет 15–20 мм вод. ст.
Современные печные комплексы оснащаются следующими трубами:
Для выброса агрессивной печной среды из печей чаще всего применяются металлические трубы (нержавеющая сталь), собранные из отдельных царг высотой до 150 м, установленных на специальных опорных конструкциях, позволяющих заменить любую часть ствола трубы в случае выхода ее из строя.
Большая часть эксплуатируемых в настоящее время дымовых труб изготовлена из стали Ст3. Металлические трубы конической формы в соответствии с нормалями имеют высоту 30,35 и 40 м при диаметре на выходе до 2000 мм и у основания – до 3200 мм. К фундаменту они крепятся фундаментными болтами (до 16 штук).
Условия эксплуатации дымовых труб определяются возможной коррозией их тонких стенок дымовыми газами, а в случае прогаров печных труб или воспламенения сажи – перегревами до высоких температур. В настоящее время повсеместно вводятся в эксплуатацию теплостойкие железобетонные трубы. Во избежание возможного загорания сажи, накапливающейся на стенках труб, их периодически продувают острым паром.
Таким образом, для каждой печи производительность является наиболее полной ее характеристикой.
– это количество тепла, переданного в печи сырью (МВт, Гкал/ч). Она зависит от тепловой мощности и размеров печи. Тепловая нагрузка большинства эксплуатируемых печей 8–16 МВт.Перспективными являются более мощные печи с тепловой нагрузкой 40–100 МВт и более.
Коэффициент полезного действия печи характеризует экономичность ее эксплуатации и выражается отношением количества полезно используемого тепла Q пол к общему количеству тепла Q общ, которое выделяется при полном сгорании топлива.
Полезно использованным считается тепло, воспринятое всеми нагреваемыми продуктами (потоками): сырьем, перегреваемым в печи паром и в некоторых случаях воздухом, нагреваемым в рекуператорах (воздухоподогревателях).
Значение коэффициента полезного действия зависит от полноты сгорания топлива, а также от потерь тепла через обмуровку печи и с уходящими в дымовую трубу газами.
Трубчатые печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, имеют к.п.д. в пределах 0,65–0,87.
Повышение коэффициента полезного действия печи за счет более полного использования тепла дымовых газов возможно до значения, определяемого их минимальной температурой. Как правило, температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру, должна быть выше начальной температуры нагреваемого сырья не менее чем на 120…180°С.
Эксплуатационные свойства каждой печи наряду с перечисленными показателями характеризуются:
Нагревание пламенем и топочными газами относится к числу наиболее известных и давно применяемых способов нагрева. Этот способ не потерял своего значения и в настоящее время, так как позволяет осуществлять нагревание до высоких температур от 1000 до 1100 о С.
Наиболее часто топочные газы используют для нагрева промежуточных теплоносителей. Так, в котельных получают горячую воду и водяной пар, которые затем используются в теплообменной аппаратуре в качестве теплоносителей.
Однако открытое пламя и топочные газы часто используют непосредственно для нагрева горючих веществ, например в процессах перегонки нефти, крекинга, пиролиза, гидроочистки углеводородов, разгонки смол, переработки растительных масел и в других процессах.
Нагревание это осуществляется в специальных печах, в которых сжигается твердое, жидкое или газообразное топливо.
Чаще всего для этих целей используется жидкое и газообразное топливо.
Теплота сгорания передается поверхности теплообмена лучеиспусканием и конвекцией. Теплообменная поверхность в печах обычно выполняется в виде пучков труб, соединенных коллекторами, или в виде непрерывного змеевика.
Такие печи носят название трубчатых печей.
Трубчатые печи широко применяются в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Устройство печи, с. 196-199.
Камера А называется радиантной, так как в ее пространстве передача тепла осуществляется главным образом радиацией за счет теплового излучения пламени, горючих продуктов горения и раскаленных поверхностей стенок печи.
Камера Б называется конвекционной, так как в ее пространстве передача тепла от топочных (дымовых) газов осуществляется в основном конвекцией.
Каркас трубчатой печи обычно изготовляется из стали и воспринимает на себя нагрузку основных элементов печи и температурных напряжений. Кирпичная кладка выполняется трехслойной: наружный слой выкладывается из красного кирпича, средний слой – из теплоизоляционного кирпича, внутренний слой – из огнеупорного кирпича.
Радиационная (радиантная) камера – это топка. В ней находятся главные горелки или форсунки для сжигания газа или жидкости. Количество горелок зависит от мощности печи, ее назначения, нагреваемого продукта и используемого топлива (бывает 16 и более горелок или форсунок)
Теплообменная поверхность образуется трубами, внутри которых движется нагреваемый продукт. Снаружи трубы обогреваются пламенем и продуктами горения топлива.
Более современными являются трубчатые печи с излучающими стенками из беспламенных панельных горелок и двусторонним облучением труб змеевика.
Панельные горелки изготавливаются из керамики и имеют каналы, в которых происходит сжигание газообразного топлива.
Пожарная опасность трубчатых печей весьма велика.
Это объясняется рядом факторов.
Во-первых, мощной топливной системой (мазут, природный газ и т.п.), горючее из которой поступает на сжигание в топку.
Во-вторых, большим количеством нагреваемого горючего продукта, который движется по змеевикам под большим давлением.
В-третьих, высокой температурой нагревания продуктов, которая иногда превышает температуру их самовоспламенения.
Далее, наличием открытого огня и раскаленных продуктов горения, температура которых достигает 1000-1100 о С; появление неплотностей и повреждений в трубах, в результате чего из них может выйти наружу большое количество нагреваемого продукта.
Высоконагретые поверхности печи (кладка, трубы, двойники) и открытый огонь в топке обуславливают высокую пожарную опасность не только самой печи, но и соседних технологических аппаратов с горючими веществами.
Поэтому предотвращение возникновения пожара и взрыва – главная проблема при использовании трубчатых печей в технологическом процессе производств.
Возможные причины и взрывы при эксплуатации трубчатых печей.
Взрыв в топочном пространстве трубчатой печи произойдет в том случае, если в топке образовалась горючая среда.
Это может быть в двух случаях.
В период пуска, перед розжигом. Если из топливной линии или из змеевиков в топку попало топливо или горючий продукт, может образоваться горючая смесь с воздухом. Взрывоопасная смесь образуется и при нарушении порядка операций при розжиге печи. Чтобы избежать этого, необходимо строго соблюдать правила пуска печи, изложенные в технологическом регламенте и специальной инструкции.
В моменты внезапного погасания факелов пламени на горелках или форсунках при последующем возобновлении подачи топлива.
Погасание факелов пламени может произойти по разным причинам: либо в жидкое топливо попала вода и образовались водяные пробки, либо в газовых топливных линиях образовался конденсат. Кроме того, при временном прекращении подачи топлива также может погаснуть пламя в форсунках.
Горючее, поступившее в топку, испаряется, и пары его с воздухом могут образовать взрывоопасную смесь.
Меры пожарной безопасности. Чтобы избежать этой опасности, следует:
не допускать попадания воды в топливо, очищая его и от механических примесей;
в установленные сроки производить чистку форсунок;
использовать автоматические системы перекрывания топливной линии при погасании факела пламени;
предусмотреть возможность перехода на другой вид топлива.
Во избежание разрушения печи при возможном взрыве в топочном пространстве (в стенках радиантной камеры) делают предохранительные клапаны шарнирно-откидного или иного типа.
Взрыв в борове (дымовом канале) трубчатой печи может произойти, если не обеспечено полное сгорание топлива, что имеет место при недостатке воздуха. Дымовые газы, обогащенные продуктами неполного сгорания топлива (в частности, водородом, окисью углерода), смешиваясь с воздухом, могут воспламениться. Неполное сгорание топлива имеет место при неправильном ведении процесса горения. Воздух может подсасываться через неплотности кладки.
Меры пожарной безопасности. Во избежание опасности взрыва в боровах следует:
обеспечить правильное ведение процесса горения, контролируя его газоанализаторами (в топочных газах максимум двуокиси углерода и отсутствие окиси углерода и водорода);
следить за состоянием кладки, не допускать подсоса воздуха, своевременно обеспечивать ее ремонт;
предусмотреть применение предохранительных клапанов мембранного типа для предохранения кладки борова на случай возможности взрыва.
Пожары при повреждении труб змеевика наиболее типичны.
Причинами повреждения труб змеевика могут стать прогары стенок труб, коррозия и эрозия материала труб, повышенное (по сравнению с нормой) давление продукта в змеевике.
Прогар стенки трубы возникает в результате сильного перегрева отдельного участка теплообменной поверхности. Механическая прочность металла снижается, появляется его текучесть, необратимые деформации, утоньшение, а затем разрыв стенки и выход продукта в топочное пространство. Перегрев бывает чаще в тех местах трубы, где имеются различные отложения (кокса, солей и др.) или инородные включения, являющиеся плохими проводниками.
Температуру стенки трубы на участках с отложениями и без отложений можно определить по уравнениям теплопередачи.
Мероприятия по уменьшению скорости образования кокса в трубах включают:
обеспечение высоких скоростей движения продукта по змеевику (2-3 м/с);
обеспечение равномерного обогрева труб по всей длине путем рационального их размещения, а также горелок и излучающих панелей;
строгое соблюдение температурного режима работы печей.
Контроль за состоянием труб ведут визуально и с помощью приборов. Перегретые участки труб заметны: они имеют более светлую окраску. При плановых ремонтных работах делается осмотр (ревизия) труб, при котором выявляются места деформаций, вспучиваний.
Осуществляется контроль температуры дымовых газов над перевальной стенкой, которая в зависимости от типа печи не должна превышать 810-900 о С. Повышение этой температуры сверх нормы (без увеличения расхода топлива) свидетельствует об ухудшении теплообмена в радиантных трубах за счет их закоксования.
В случае появления опасности принимают следующие меры:
снижают теплонапряженность поверхности труб;
увеличивают скорость движения продукта по змеевик, подавая в него пар; осуществляют очистку змеевика от отложений с применением одного из следующих способов: механического, паромеханического, паровоздушного.
Наружная поверхность радиантных труб подвергается химической коррозии под действием кислорода воздуха и сернистых соединений, содержащихся в продуктах сгорания. Причем скорость процесса коррозии растет с увеличением коэффициента избытка воздуха и температуры поверхности труб.
Внутренняя поверхность труб змеевика подвергается коррозии под действием нагреваемого продукта и находящихся в нем примесей, а также механическому износу материала движущейся средой – эрозии.
Мероприятия по снижению вредного влияния коррозии и эрозии включают:
поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха при сжигании топлива и умеренной теплонапряженности поверхности труб;
регулирование факелов пламени форсунок таким образом, чтобы они не доходили до поверхности экранов и не создавали местные перегревы, ведущие к пережогу металла;
очистку нагреваемого продукта от коррозионных примесей, введение в продукт ингибиторов коррозии;
очистку нагреваемого продукта от твердых примесей для снижения эрозийного износа материала труб.
Повышенное против нормы давление продукта может привести к повреждению труб змеевика.
Причиной повышения давления является возрастание гидравлического сопротивления системы при образовании кокса и солей. Поэтому отложения, ококсования, пробки в трубах весьма опасны в смысле образования повышенного давления в змеевике. В современных печах давление, как и температура, регулируются автоматически.
Пожары при повреждении двойников трубчатых печей возникают в результате выхода нагретого продукта наружу и его воспламенения. Выход продукта может иметь место в следующих случаях: при неплотном прилегании пробки к корпусу двойника; при выбросе пробки; при нарушении герметичности соединения труб с корпусом двойника; при повреждениях корпуса двойника.
Пожары при утечке топлива из топливных коммуникаций трубчатой печи могут иметь место при неисправностях фланцевых соединений, вентилей, задвижек, а также других повреждениях трубопроводов. Разлившаяся жидкость, пары (газы), вышедшие из топливных коммуникаций, воспламеняются от пламени форсунок (горелок) печи.
Мероприятия.
Наблюдение за состоянием топливной системы.
Предупреждение появления неплотностей и повреждений.
Смыв (уборка) разлившегося топлива.
Установка дополнительной задвижки (на расстоянии 10 м от печи) на топливной линии для быстрого отключения подачи топлива.
Остановка печи.
Трубчатая печь – источник зажигания горючих смесей, образующихся при авариях соседних аппаратов.
Печи опасны не только возможностью возникновения пожара при повреждениях непосредственно в них самих.
Они весьма опасны как возможные источники зажигания при авариях на соседних технологических установках и аппаратах: образующиеся паровоздушные смеси входят в соприкосновение с высоконагретыми элементами печей. Происходит воспламенение парогазового облака. Пламя быстро распространяется по облаку к месту аварии.
Существует и другая возможность воспламенения парогазового облака.
Оно может быть подсосано внутрь топки и там воспламениться. Пламя в результате обратного проскока может выйти из печи и распространиться до места аварии. Из-за медленного охлаждения печь остается источником зажигания даже при погасании форсунок (горелок).
Примечание. Для охлаждения печи от 1000 до 250 о С требуется от 3 до 6 часов – в зависимости от того, применяется принудительная вентиляция или естественная циркуляция .
По подсасываемой в печь горючей смеси происходит проскок пламени наружу при условии, когда скорость распространения пламени w пл будет больше скорости движения смеси w см , т.е. w пл >w см .
Из этого следует, что для обратного проскока пламени наиболее благоприятные условия возникают при уменьшении скорости движения смеси. Такие условия создаются при снижении тяги в печи, т.е. при погасании форсунок (горелок), перекрытии задвижки борова, остановке дымососа.
В целях пожарной профилактики предусматривается:
между печами, расположенными на открытых площадках, и открытыми пожаровзрывоопасными установками размещать закрытые здания с неопасной технологией. Эти здания являются своеобразными защитными экранами;
делать разрывы между печами и соседними аппаратами (установками) по расчету, но не менее установленных нормами;
защищать теплоизоляцией высоконагретые наружные элементы печи, чтобы их температура не превышала 80% наименьшей температуры самовоспламенения веществ, применяемых в соседних аппаратах;
устраивать паровые завесы для изоляции печи от парогазового облака в случае аварии соседних аппаратов.
Паровая защита технологических печей предусматривает:
наружную паровую завесу для предотвращения проникновения к печам облака горючей паровоздушной смеси при аварии на соседней технологической установке;
систему внутреннего пожаротушения для локализации и ликвидации пожара непосредственно в камере печи; наличие специальных устройств продувки камер печи от горючих газов и паров перед розжигом и после остановки;
эвакуацию продукта из змеевика;
систему наружного паротушения с использованием переносных шлангов.
Трубчатые печи оборудуют стационарной системой паротушения.
