Курсовая работа: Трубчатые печи

Термотехнологические процессы состоят из химических (изменение химического состава) и физико-химических (изменение структуры) превращений исходных материалов.

2.1 Химические превращения

Химические реакции, протекающие в печах, разделяются на простые и сложные, одностадийные и многостадийные. Если химическое превращение может быть описано одним стехио - метрическим уравнением, то оно относится к простым и, как правило, к одностадийным реакциям. Для описания сложных реакций необходимо уже несколько стехиометрических и кинетических уравнений. Наиболее часто в печах химических отраслей промышленности проводятся реакции:

разложения (за счет теплового воздействия сложные химические соединения распадаются на более простые);

обменного разложения (из одной пары молекул исходных веществ за счет обмена ионами образуется другая пара веществ):

окислительно-восстановительные реакции.

Как уже отмечалось, многие химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (выделением или поглощением тепла). Тепловой эффект для изохорного и изобарного процессов не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Кинетические закономерности химических превращений в печных агрегатах зависят от природы реагирующих веществ, от температурных условий проведения процесса, а также от гидродинамических условий, в которых протекает реакция (в особенности для газообразных и жидких сред), и от условий подвода (отвода) тепла, т.е. от конструкции печного агрегата.

2.2 Физико-химические превращения

К физико-химическим превращениям относятся процессы изменения агрегатного состояния и кристаллической структуры вещества, подвергаемого обработке. Наиболее часто в печах из процессов первой группы используются:

Плавление - процесс перехода кристаллического твердого вещества в жидкое состояние. Плавление протекает при постоянной температуре (W), величина которой зависит от природы вещества и от внешнего давления.

Испарение - процесс перехода вещества из жидкого в парообразное. Для однокомпонентных систем процесс протекает при постоянной температуре. Температура фазового перехода (*_исп.) также зависит от природы вещества и от внешнего давления. Многокомпонентные жидкости характеризуются постепенным переходом из жидкого состояния в газообразное, сопровождающимся ростом температуры парожидкостной системы, составы образующихся фаз определяются при этом условиями парожид - костного равновесия. Поэтому многокомпонентные жидкости характеризуются точками начала и конца кипения. Эти точки, полученные при постоянном давлении, используются, например, в качестве характеристик фракционного состава нефтяных фракций.

3. Топливно-сжигающие устройства (ТСУ) трубчатых печей

Для выработки тепловой энергии в печах всех типов сжигается топливо, для чего применяются специальные топливно - сжигающие устройства (ТСУ). Наибольшим разнообразием ха - растеризуются ТСУ, применяемые именно в трубчатых печах, хотя ТСУ для других типов печей имеют с ними много общего. Основными требованиями к ТСУ являются:

обеспечение заданных режимов горения;

экономичность распыливания (для жидкого топлива);

полнота сжигания;

малый уровень шума;

технологичность изготовления, монтажа и ремонта.

Конструкции ТСУ, используемые в промышленных печах, характеризуются чрезвычайным разнообразием. ТСУ классифицируются по виду сжигаемого топлива на жидкостные (мазутные), газовые и комбинированные (газомазутные). В нефтеперерабатывающей промышленности большинство трубчатых печей оборудовано комбинированными газомазутными горелками. ТСУ для сжигания жидкого топлива называют также форсунками, а для сжигания газообразного топлива - горелками.

3.1 ТСУ для сжигания жидкого топлива

Жидкое топливо (мазут) горит в печах только после его перехода в парообразное состояние, поскольку температура его воспламенения выше, чем температура кипения. Поэтому он подается на сжигание в печь в распыленном состоянии. Для рас - пыливания топлива используется перегретый водяной пар и подогретый воздух. Для нормальной работы форсунок, работающих на мазуте, его вязкость перед форсункой не должна превышать 3 ^оВУ (вязкость условная), а температура распыливающего пара должна превышать температуру насыщения паров воды не менее чем на 15 + 20 ^оС. Соответствующие значения температур приведены в табл.3, 4.

Таблица 3. Рекомендуемая температура нагрева мазута перед форсункой, ^оС

При распыливании мазут рассеивается в топочной камере в виде тумана. По способу подвода энергии различают форсунки с механическим распыливанием (давление создается в мазуто - проводе перед форсункой) и форсунки с воздушным или паровым распыливанием. Для улучшения качества распыла в форсунках нередко используется закрутка потока мазута (центробежные форсунки). При этом обеспечивается более тонкий распыл и меньший разброс капелек по размеру. Принципиальные схемы мазутных форсунок приведены на рис.11

Рис.11. Принципиальные схемы мазутных форсунок: (1) - прямоструйная форсунка на давление 1 ^ 2 МПа; (2) - центробежная форсунка с тангенциальным подводом горючего; (3) - центробежная форсунка со специальным завихрителем; (4) - ротационная форсунка; (5) и (6) - форсунки с распыливающей средой (водяной пар, воздух) высокого (5) и низкого (6) давления; А - горючее; Б - воздух; В - пар.

3.2 ТСУ для сжигания газового топлива

Для сжигания газового топлива в печах применяются два типа горелок:

горелки инжекционного типа, в которых газ смешивается с воздухом в смесительной камере перед входом в камеру сгорания;

горелки, в которых газ смешивается с воздухом в самой камере сжигания.

Рис12. Принципиальные схемы горелок для сжигания газа: (1) - кинетическая инжекционная горелка среднего давления; (2) - горелка с принудительной подачей воздуха и закрученным потоком газа; (3) - диффузионная горелка с принудительной подачей воздуха и подачей газа мелкими струями: 1 - газовое сопло; 2 - регулирующая воздушная заслонка; 3 - смеситель; 4 - керамический насадок; 5 - лопаточный завихритель; 6 - газовый коллектор; 7 - обмуровка топки; А - воздух; Б - газ.

В трубчатых печах чаще используются горелки инжекционного типа, поскольку они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха. Как уже отмечалось выше, коэффициент избытка воздуха оказывает существенное влияние на эффективность работы печи, поскольку его значение определяет температуру, достигаемую в факеле горения. Принципиальные схемы конструкций газовых горелок приведены на рис.12. Теплопроизводительность горелок регулируется изменением давления газа перед соплом инжектора.

Основным недостатком факельных горелок является нестабильность горения длинных факелов, что приводит к неравномерности распределения тепловой нагрузки на поверхности труб, из-за чего происходили местные перегревы и быстрый выход труб из строя. Для осуществления зонного регулирования температурного профиля трубчатого радиантного змеевика, когда необходимо сосредоточить лучистую энергию на фиксированных участках, рационально использование чашеобразных беспламенных газовых горелок (рис.13) типа "Дюрадиант". Такими горелками оснащены печи зарубежных фирм "Луммус", "Стоун Вебстер" и др. Сферическая форма излучающей чаши 2, изготовленной из высокоглиноземистых огнеупоров, при определенном размещении их в топке печи дает возможность концентрировать лучистый тепловой поток на участках радиантного змеевика пиролизной печи, обеспечивая оптимальный температурный режим процесса. Отражательный колпачок 3, изготовленный из высоколегированной хромоникелевой стали Х23Н18, воспринимает всю теплоту сгорания газовоздушной смеси в камере смешения 5 горелки, равномерно распределяет лучистую энергию пламени по всей сферической поверхности чаши, одновременно препятствуя выходу пламени из камеры горения. Пример практического использования горелок данной конструкции для двухстороннего обогрева двухрядного центрального радиантного экрана представлен на рис.4, б.

Рис.13. Инжекционная чашеобразная газовая горелка: 1 - металлический корпус; 2 - излучающая чаша со сферической поверхностью; 3 - отражательный колпачок; 4 - тепловая изоляция; 5 - смесительная камера; 6 - инжектор; 7 - сопло подачи газа; 8 - регулятор подачи воздуха; 9 - труба подачи газа.

Высокой эффективностью характеризуется специфическая разновидность газовых горелок типа ГБПш: беспламенные панельные горелки (рис.14). Газовоздушная смесь из камер смешения 1 в данных горелках поступает в керамические каналы малого диаметра, равномерно распределенные по всей излучающей поверхности горелки, выполненной в виде керамической плиты толщиной до 150 мм. Уже на участке канала длиной 65 - 70 мм обеспечивается полное сгорание газовоздушной смеси. Теплопередача происходит излучением от поверхности керамической плиты, образованной из нескольких рядов керамических призм 6. При двухстороннем излучении панельных горелок в радиантной камере обеспечивается равномерная теплонапряженность поверхности труб центрального экрана по всей ее длине, высоте, а также в поперечном сечении труб.

Рис.14. Панельная беспламенная газовая горелка ГБПш: 1 - распределительная камера (короб); 2 - инжекторный смеситель газа; 3 - сопло; 4 - регулирующая заслонка; 5 - газоподводящий патрубок; 6 - керамические призмы; 7 - теплоизоляционный слой (диатомовая крошка); 8 - болт; 9 - гайка; 10 - теплоизоляционный слой (диатомовая крошка); 11 - асбестовый шнур.

3.3 Комбинированные ТСУ для сжигания жидкого и газообразного топлива

Для сжигания жидкого или газообразного топлива ВНИИНефтемашем разработаны комбинированные газомазутные факельные горелки марок ФГМ - 95 ВП, ФГМ - 120, ФГМ - 120 М. Они имеют высокие технико-экономические показатели, используют для распыливания нагретый в воздухоподогревателях воздух невысокого давления (не более 300 мм водного столба) и могут работать на обоих видах топлива одновременно.

Рис.15. Комбинированная газомазутная горелка ФГМ - 120: 1 - газовый коллектор; 2 - шибер ручной регулировки воздуха; 3 - завихритель; 4 - диффузор; 5 - сопло; 6 - воздуховод; 7 - наружная труба; 8 - паромазутная головка; 9 - внутренняя труба подачи пара; 10 - газовая труба; 11 - шибер регистра; 12 - ручка шибера воздуха.

На рис.15 представлена схема комбинированной газомазутной горелки ФГМ - 120. Горелка состоит из трех основных узлов: газового, жидкостного и воздушного. В газовый узел входит круговой газовый коллектор 1, откуда газ выходит в топку

через выполненные из жаропрочной стали трубы 10 общим се - 2 ^ чением 1800 мм. Жидкостной узел состоит из паромазутной головки 8, состоящей из внутренней трубы 9 для подачи пара и наружной трубы 7 для подачи мазута или другого жидкого топлива. Водяной пар, двигаясь по внутренней трубе, подогревает движущееся в межтрубном пространстве жидкое топливо. Выходя из сопла 5 с высокой скоростью, пар обеспечивает тонкое распыливание топлива в диффузоре 4 горелки. Воздушный узел, предназначенный для подвода требуемого количества воздуха на поддержание горения в топке, состоит из первичного и вторичного потоков воздуха и элементов для их регулирования.

Первичный поток воздуха, предварительно подогретый в воздухоподогревателях печи, подается в горелку вентилятором по воздуховоду 6. Пройдя через завихрительную головку, поток воздуха закручивает выходящую из диффузора струю распыленного жидкого топлива, образуя факел горения длиной от 3 до 4 м. Подогрев воздуха позволяет интенсифицировать процесс горения и значительно увеличить тепловую производительность горелки. Вторичный воздух поступает в зону горения из атмосферы под действием разряжения в топке, через круговой шибер 2, степень открытия которого регулируется рукояткой 12. Конструкции других типов горелок отличаются от описанной модели ФГМ - 120 устройством отдельных элементов и их размерами.

Горелки ФГМ лучше приспособлены для работы в вертикальном положении (могут также действовать и в горизонтальном) при подаче на распыление топлива только пара, т.е. без использования вентиляторного воздуха.

Горелки типа ФГМ работают бесшумно и в отличие от форсунок ГНФ с паровым распылом дают более короткое стабильное пламя.

Перечень комбинированных ТСУ для сжигания как жидкого, так и газообразного топлива, по комплексу показателей соответствующих мировому уровню, приведен в табл.5.

Таблица 5. Комбинированные ТСУ, соответствующие по комплексу показателей мировому уровню (подтверждено испытательным центром Госстандарта РФ) [3]