Рис.3. Двухскатная двухкамерная (шатровая) печь с горизонтальными трубами радиантной и конвекционной камер: 1 - факельные горелки; 2 - трубы радиантных экранов одностороннего облучения; 3 - трубы конвективных змеевиков; 4 - перевальная стена; 5 - обмуровка; 6 - металлоконструкция (каркас) печи; 7 - нижний боров (дымоход); 8 - дымовая труба.
На рис.3 представлена принципиальная схема двухскатной (шатровой) двухкамерной печи с двумя камерами радиации и одной конвекционной камерой. Трубы радиантных змеевиков 2 здесь имеют три экрана одностороннего облучения: фронтальный - расположен напротив горелок у перевальной стены 4, подовый (напольный) - установлен в поду печи и потолочный - подвешен на металлоконструкции 6 наклонного свода печи. Факельные горелки 1 с относительно коротким пламенем расположены в амбразурах обмуровки 5 вдоль боковых стенок печи. Это позволяет более эффективно использовать теплоту излучения горизонтального факела в радиационной камере печи. Отработанные газы, после омывания труб конвективного змеевика 3, выбрасываются в дымовую трубу 8 через нижний боров 7.
Благодаря простоте конструкции, легкости обслуживания и удобства проведения ремонтных работ, двухкамерные печи шатрового типа с факельными горелками находят широкое применение на установках АВТ, каталитического и термокрекинга, в производстве масел и других производствах. Однако основным недостатком таких печей является значительные габаритные размеры и относительно низкие теплотехнические показатели. Так размеры печи тепловой мощностью 18 МВт составляют 20^15x8 м, теплонапряженность топки 60 - 95 кВт /м3. Одностороннее облучение длинными факелами создает неравномерность нагрева труб по окружности и по длине трубчатого змеевика. При форсировании режима горения возможны прогары труб. Из-за высоких удельных затрат металла и огнеупоров, а также низкого КПД (60 - 70%), их постепенно заменяют на трубчатые печи с горелками беспламенного горения.
Рис.4. Двухкамерная трубчатая печь с горелками беспламенного горения в разрезе: 1 - металлический каркас; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - кладка из керамических призм беспламенных горелок; 4 - панельные горелки; 5, 13 - трубы фронтового и потолочного экранов; 6 - обслуживающие площадки; 7 - гляделка; 8 - взрывное окно-лаз; 9 - навес; 10, 12 - ретурбендные камеры; 11 - трубы конвекционной камеры; 14 - кровля.
Схема типовой двухкамерная печи с беспламенными панельными горелками в разрезе представлена на рис.4. В отличие от печей с факельными горелками данная конструкция печей имеет значительно меньшую ширину. Расположенные на боковых стенах печи газовые беспламенные горелки 4 типа ГБПш создают равномерное облучение труб фронтальных 5 и подвесных потолочных 13 экранов радиантных змеевиков, эффективно используя не только прямое тепловое излучение от раскаленных панелей, но и отраженное излучение от стен обмуровки. Хороший теплосъем и высокий КПД печи обеспечивает конвективный змеевик 11, размещенный на выходе топочных газов с радиантной камеры, откуда использованные дымовые газы через нижний боров 15 выбрасываются в дымовую трубу.
Для наблюдения за состоянием горелок и труб радиант - ного змеевика на торцевой стенке печи на уровне обслуживающей площадки 6 установлены взрывные окна-лазы 8, снабженные поворотными смотровыми окнами (гляделками) 7. Соединение печных труб в радиантном и конвективном змеевиках выполнено методом развальцовки их концов в специальных двойниках - ретурбендах. Для удобства обслуживания и защиты развальцовочного соединения от воздействия высоких температур, ретурбенды вынесены за пределы топки и размещены в ре - турбендных камерах 10 и 12. При выходе из строя печных труб разъемное соединение с помощью ретурбендов позволяет производить замену труб без значительных капитальных затрат через соответствующие окна в ретурбендных камерах. Металлический каркас 1, повторяющий очертания наружной формы печи, устанавливается на бетонном фундаменте и несет практически всю нагрузку от основных элементов печи: трубных змеевиков, гарнитуры, кровли, обслуживающих площадок, а также кладки обмуровки 2 и подвесного свода.
На рис.5 представлены конструкции трубчатых печей с двухрядными центральными радиантными экранами. Благодаря двухстороннему облучению центрального экрана трубы получают равномерное излучение от горелок, поэтому коэффициент облученности ф радиантных труб в этих печах близок к единице.
Рис.5. Печи с центральными двухрядными экранами двухстороннего облучения:
а) - двухкамерная с нижним отводом дымовых газов: 1 - факельные горелки; 2 - центральный радиантный экран; 3 - конвекционный змеевик; 4 - обмуровка; 5 - воздуховод; 6 - нижний боров (дымоход); б) - вертикальная печь с верхним отводом дымовых газов: 1 - инжек - ционные беспламенные горелки со сферической излучающей чашей; 2 - центральный радиантный экран; 3 - конвективный змеевик; 4 - обмуровка; 5 - металлоконструкция; 6 - газоход;
На рис.5, а) двухстороннее облучение труб двухрядного центрального экрана производится расположенными сверху газовыми горелками 1 со свободным нисходящим факелом. Кроме основного излучения от пламени горелок здесь происходит дополнительный обогрев труб центрального экрана за счет отраженного излучения нагретых пламенем боковых стенок обмуровки печи. Горячие топочные газы после радиантной камеры проходят через нижнюю конвекционную камеру 3 и отводятся через нижний боров 6 в дымовую трубу.
На рис.5, б) для двухстороннего облучения центрального двухрядного радиантного экрана 2 использованы беспламенные инжекционные газовые горелки со сферической излучающей чашей 1, расположенные по всей высоте боковых стенок топки. Достоинством такой компоновки печи является возможность поддержания оптимального температурного режима по высоте радиантного экрана за счет регулирования расхода газа, подводимого к горелкам. После обогрева труб верхнего конвективного змеевика 3, отработанные топочные газы отводятся в газосборник 6 для выброса в дымовую трубу.
Рис.6. Многокамерная трубчатая печь типа Р в разрезе: 1 - горелка; 2 - камера конвекции; 3 - конвективный змеевик; 4 - канал топочных газов; 5 - окно для отвода продуктов сгорания топлива; 6 - радиантная камера; 7 - смотровое окно; 8 - металлический каркас.
Устройство многокамерной трубчатой печи типа Р в разрезе показана на рис.6. Печи данной конструкции применяют для нагрева газосырьевой смеси в высокотемпературных процессах каталитического риформинга и гидроочистки. Печь состоит из трех камер радиации 6 с вертикальными трубчатыми змеевиками, печные трубы которых соединены друг с другом сварными калачами. Между смежными камерами радиации расположены двухрядные боковые радиантные экраны двухстороннего облучения. В некоторых случаях между трубами соседних экранов могут быть установлены огнеупорные разделительные стены. Во фронтальных стенах печи смонтированы комбинированные горелки 1 типа ФГМ, факелы от которых направлены горизонтально к противоположным стенам, где имеется канал 5 для отвода продуктов сгорания топлива в камеру конвекции. Змеевики камеры конвекции выполнены трехходовыми для интенсификации теплоотдачи от отходящих дымовых газов за счет высоких скоростей их омывания, а также имеют наружное ореб - рение (или ошиповку) труб 3 для дополнительной турбулизации потока. Металлический каркас печи 8 состоит из отдельных рам, футеровка - из огнеупорного кирпича или сборных панелей из легкого огнеупорного перлитобетона. За счет реализации указанных мер в многокамерных печах типа Р обеспечиваются следующие теплотехнические характеристики:
Тепловая мощность - 46 МВт;
Среднедопускаемая тепло напряженность радиантных труб - 40 кВт/м2.
Рис.7. Узкокамерная горизонтальная печь со свободным факелом горения типа ГС: 1 - смотровое окно; 2 - футеровка; 3 - радиантный и конвекционные змеевики; 4 - металлический каркас; 5 - люк-лаз; 6 - вертикальные горелки; 7 - выхлопные предохранительные окна.
Для высокопроизводительных установок АВТ ВНИИ - нефтемашем разработаны узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов типа Г. Указанный тип печей отличается большой единичной мощностью, имеет два исполнения - ГС (рис.7) и ГН (рис.8).
В печах марки ГС (исполнение I) со свободным вертикальным факелом (рис.7) радиантные и конвекционные змеевики расположены горизонтально, газомазутные вертикальнофа - кельные горелки 6 типов ГИК и ФГМ смонтированы в шахматном порядке в поде радиантной камеры. При горении топлива образуется стена вертикальных факелов, излучающих тепло сырьевым змеевикам радиантной камеры 3, расположенным на кронштейнах у стен топки. Огнеупорная панельная и блочная футеровка 2 выполняется из легковесного огнеупорного вермикулитокерамзитобетона на глиноземистом цементе, либо выкладывается из шамотного кирпича и собирается на металлическом каркасе 4. Дымовые газы отводятся вверх, проходят через змеевик 9 конвекционной камеры и через газосборник 8 ход выбрасываются в отдельно стоящую дымовую трубу.
Тепло производительность печей ГС составляет 14,7 - 57,6 МВт, средняя теплонапряженность радиантных труб, выполненных из труб размером 152*8 мм - 40,6 кВт/м2.
В узкокамерных печах типа ГН (исполнение II) с настильным пламенем (рис.8) комбинированные горелки 6 типа ФП-2 для объемно-настильного сжигания топлива расположены в боковых стенах печи с двух сторон под углом 45°. Факел, образованный при горении топлива, настилается с двух сторон на огнеупорную настильную стену 3, расположенную в центре печи, от которой тепло излучается к настенным радиантным экранам 2 одностороннего облучения. Настильная стена делит камеру радиации на две камеры с независимым температурным режимом. Топочные газы отводятся вверх через камеру конвекции 7 в металлический сборник, футерованный изнутри легким огнеупорным бетоном, откуда сбрасываются в дымовую трубу, смонтированную на каркасе печи. Футеровка 4 печи выполнена аналогично печи ГС и собирается на металлическом каркасе 5. Подовые блоки изготовляются из жаростойкого бетона с шамотным заполнителем на портландцементе.
Рис.8. Узкокамерная горизонтальная печь с настильным факелом горения типа ГН: 1 - дымоход; 2 - радиантный и конвективный змеевики; 3 - центральная настильная стена; 4 - обмуровка; 5 - металлический каркас; 6 - амбразура горелки.
Каркасы печей ГС и ГН изготовлены из металлических рам, соединенных сваркой или на болтах. Для наблюдения за состоянием змеевиков в радиантных камерах и для розжига горелок имеются смотровые окна 1 (рис.7). На торцевых и боковых стенах печей расположены выхлопные окна 5, используемые также как люки-лазы для доступа персонала внутрь печи при остановках и ремонтах.
Тепопроизводительность печей ГН составляет 7,4 - 23,7 МВт, средняя тепловая напряженность радиантных труб - 35 кВт/м2.
Цилиндрические печи типа Ц проектируются с нижним расположением горелок в поду печи с факельным сжиганием жидкого или газообразного топлива. Они занимают относительно небольшие площади и выпускаются в двух исполнениях - ЦС и ЦД. В печах типа ЦС (рис.9) комбинированные горелки марок ФГМ, ГИК, ГЭКВ образуют свободный вертикальный факел горения, составляющий примерно 2/3 высоты трубчатого радиантного змеевика 5, расположенного вертикально. Цилиндрическая камера радиации, образованная из огнеупорной футеровки 3, поддерживаемой металлическим каркасом 4, установлена на столбчатом фундаменте из бетона или металлических конструкций высотой не менее 2 м для удобства обслуживания горелок, узел управления которыми расположен под подом печи. Корпус печи стальной сварной, огнеупорная футеровка выполнена из торкретбетона. Радиантный змеевик 5, сваренный из печных труб и калачей, получает двухстороннее излучение непосредственно от факела пламени и от отраженного от обмуровки излучения. Для наблюдения за состоянием радиантных труб и факела горения на нижней части топки установлены смотровые окна 7, а на на верхней площадке обслуживания - люк-лаз 2. Конвективный змеевик 1, состоящий из пучка горизонтальных труб, омывается отходящими дымовыми газами перед их выбросом в дымовую трубу.
Рис.9. Цилиндрическая печь ЦС со свободным факелом горения: 1 - камера конвекции; 2 - люк-лаз; 3 - футеровка; 4 - металлический каркас; 5 - радиантный змеевик; 5 - факельная горелка; 7 - смотровое окно.
Характеристики печи типа ЦС несколько ниже, чем у печей типа Г и составляют:
Теплопроизводительность 3,9 - 17,2 МВт;
Теплонапряженность радиантных труб - 35 кВт/м2.
Цилиндрическая печь типа ЦД с дифференциальным распределением пламени (рис.10), в отличие от печи ЦС, в камере радиации имеет центральный рассекатель-распределитель 4 в виде пирамиды с четырьмя вогнутыми гранями (возможны печи и с тремя гранями). Грани представляют собой настильные стены для факелов горелок 5 типа ГЭВК, устанавливаемых в поду печи. Рассекатель-распреде-литель создает несколько зон теплообмена в камере радиации, что позволяет регулировать теплона - пряженность трубчатого змеевика 1 по его длине. Металлический каркас рассекателя-распределителя футерован шамотным кирпичом. Внутренняя полость его разбита на отдельные воздуховоды 3, при этом расход воздуха, проходящего по ним, можно регулировать с помощью шиберов. В кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней сделаны каналы 6 прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха от дутьевых вентиляторов 7 к настильному факелу каждой грани. Это позволяет регулировать длину факела горения, обеспечивая более равномерное распределение тепловых потоков по длине трубчатых змеевиков индивидуально в пределах каждой грани, а также повысить среднюю теплонапряженность поверхности радиантных труб на 20 - 30% и уменьшить возможность отложения кокса на внутренней поверхности труб.
Трубчатые змеевики 1 камеры радиации настенные, собраны из печных труб с калачами и подвешены тягами к конусному переходнику корпуса печи 2. Они являются основным экраном камеры радиации. Конвективные змеевики 8, установленные в верхней части печи, выполнены либо шахтными, с горизонтальным расположением труб, либо кольцевого типа с вертикально размещенными трубами
Рис.10. Цилиндрическая трубчатая печь типа ЦД с центральным рассекателем-распределителем: 1 - радиантный змеевик; 2 - корпус; 3 - воздуховод от дутьевого вентилятора; 4 - рассекатель-распределитель; 5 - факельная горелка.
Характеристика трубчатых печей типа ЦД:
Теплопроизводительность 22,0 - 36,5 МВт;
Средняя теплонапряженность радиантных труб - 40,6 кВт/м2.
2. Термотехнологические процессы, протекающие в печах