Т.Ф. Ильина Е.М. Абакачева ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ (КОНСТРУКЦИИ, ВЫБОР, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ) Уфа 2012 Министерство образования науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательного учреждения высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов» Т.Ф. Ильина Е.М. Абакачева ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ (КОНСТРУКЦИИ, ВЫБОР, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Уфа 2012 УДК 66.041.454 ББК 35.112 И45 Утверждено Редакционно – издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия Рецензенты: Зам. главного инженера по технологии и развитию ОАО «Каустик», кандидат технических наук Фаткуллин Р.Н. Заведующий кафедрой общетехнических дисциплин и информационных технологий СГПИ им. Зайнаб Биишевой, кандидат педагогических наук, доцент Анохин С.М. Ильина Т.Ф., Абакачева Е.М. И45 Трубчатые печи (конструкции, выбор, технологический расчет). Учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012.-100с. В учебном пособии дан обзор существующих конструкций трубчатых печей, рассмотрены вопросы проектирования и конструирования, методы расчета. Предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 240100 «Химическая технология» (профиль «Химическая технология органических веществ», «Химическая технология неорганических веществ) и может быть полезным студентам других направлений при выполнении расчетно-графических работ, курсового и дипломного проектирования. УДК 66.041.454 ББК 35.112 © Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012 © Ильина Т.Ф., Абакачева Е.М. 2012 Предисловие Многие процессы химической технологии осуществляются в трубчатых печах различного назначения и конструктивного оформления. От правильного выбора типа печи, ее расчета и практики эксплуатации зависит рациональная и бесперебойная работа всего предприятия. Современная трубчатая печь представляет синхронно работающий агрегат, включающий собственно печь, средства обеспечения печного процесса, системы автоматического регулирования и управления. В трубчатых печах технологических установок реализуются термотехнологические, теплотехнические и гидродинамические процессы. Термотехнологические процессы определяют необходимый тепловой и температурный режимы в печи. Теплотехнические процессы обеспечивают скоростное протекание термотехнологических процессов и включают получение тепла, теплопередачу, тепловую работу кладки (футеровки). Гидродинамические процессы существенно влияют на ход технологического процесса, горения топлива, теплопередачу и т.д. Задачами учебного пособия являются изучение: – основ классификации трубчатых печей; – основных типов трубчатых печей и их конструктивных особенностей; – технологического расчета печного агрегата. Совместное рассмотрение термотехнологических, технологических и гидродинамических процессов, протекающих в трубчатых печах, вопросов проектирования и конструирования подчеркивает взаимосвязь технологии и аппаратного оформления процесса. 4 Основные обозначения а – ширина, м В – расход топлива, кг/с с – теплоемкость, Дж/( моль град ) d – диаметр трубы, м е – доля отгона G – расход сырья, кг/с; водяного пара на распыливание топлива, кг/кг F – площадь, м2 f – свободное сечение, м2 Н – концентрация водорода в топливе, %(масс); эквивалентная, эффективная, плоская поверхность, м2; энтальпия пара, кДж/кг h – высота , м; энтальпия жидкости, кДж/кг К- коэффициент теплопередачи, Вт/( м град ); фактор формы l – длина трубы (полезная); геометрический размер N – концентрация азота в воздухе, % масс n – число труб О – концентрация кислорода в воздухе, топливе, % (масс) Р – давление, Па Q – теплотворная способность топлива, кДж/кг q – тепловое напряжение, кВт/м2; потери тепла, кДж/кг S – расстояние между осями труб, м; концентрация серы в топливе, % (масс) Т – температура, К 2 u – массовая скорость, кг/( м с ) V – удельный расход воздуха, м3/кг W – концентрация влаги в топливе, %(масс) ω – скорость, м/с Х – аргумент излучения Вт α – коэффициент избытка воздуха; коэффициент теплопередачи, /(м2град) β – характеристика излучения γ – вспомогательная функция – разность ε – степень черноты η – коэффициент полезного действия θ – температура, К μ – динамическая вязкость, Па·с ρ – плотность, кг/м3; угловой коэффициент взаимного излучения поверхностей ψ – степень экранирования 2 Индексы б – большее в – внутренний к – конвективный Δ – лучевоспринимающий, лучистый м – меньшее 5 mах – максимальный о.и. – однократное испарение п – перевал, полезный полн. – полный пот. – потери р – радиантный с – сырье ух. – уходящий ф – форсуночный пар, водяной пар для распыливания топлива о – нормальный экв. – эквивалентный ί – средний, индивидуальный F – кладка Н – экран, лучевоспринимающая поверхность S – абсолютно черное тело 6 1 Назначение трубчатых печей Промышленная трубчатая печь предназначена для высокотемпературного нагрева исходного продукта за счет сжигания топлива. В отдельных случаях нагрев сопровождается его химическим превращением. Трубчатые печи широко применяются на предприятиях нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и газовой промышленности. Они используются для огневого нагрева, испарения и разложения нефти и продуктов ее переработки, а также для химического превращения ряда нефтепродуктов в процессах термического крекинга, висбрекинга, пиролиза, в которых печь выполняет технологические функции реактора. Трубчатые печи представляют собой сложные агрегаты, включающие помимо собственно печей разнообразное вспомогательное оборудование: устройства для сжигания топлива, соединительные элементы (фитинги, ретурбенты), коммуникации (газоходы, дымовые трубы), средства измерения и автоматизации. Тепловая энергия, подводимая к исходному продукту, получается за счет сжигания жидкого либо газообразного топлива. Эта энергия расходуется непосредственно на нагрев продукта и на компенсацию тепловых потерь (с продуктами сгорания топлива, через футеровку печи и т.д.). Сжигание топлива в трубчатых печах производится в специальных устройствах (горелки, форсунки), установленных в камере сгорания. Подвод тепловой энергии к нагреваемому продукту осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Большая часть тепла передается излучением, поэтому камера сгорания называется радиантной. Трубчатая печь обычно содержит две секции (рисунок 1.1): камеру сгорания или радиации 1, в горелках 2 которой сжигается топливо и размещаются радиантные трубы 3, и камеру конвекции 4, в которую поступают продукты сгорания топлива (дымовые газы) и в которой размещаются конвективные трубы 5. Радиантные и конвективные трубы длиной 3…24 м при помощи фитингов или двойников образуют змеевик для нагреваемого продукта. Трубы радиантного змеевика, воспринимающие лучистую энергию при горении топлива, называют экраном. Радиантная камера отделена от конвективной перевальной стеной 6. Нагреваемый продукт одним или несколькими потоками подается в конвективный змеевик, а затем направляется в радиантный и выводится из печи. Назначение конвективных труб – использовать тепло дымовых газов, отходящих из камеры сгорания и имеющих сравнительно высокую температуру (600-900оС). Если тепло этих газов может быть использовано для других целей, например для подогрева воздуха или генерации водяного пара, то необходимость в конвективных трубах отпадает. Дымовые газы из камеры конвекции поступают в газоход 7, дымовую трубу 8 и выбрасываются в атмосферу. 7 1 – камера сгорания; 2 – горелки; 3 – радиантные трубы; 4 – камера конвекции; 5 – конвекционные трубы; 6 – перевальная стена; 7 – газоход; 8 – дымовая труба Рисунок 1.1 – Принципиальная схема печной установки Движение дымовых газов через трубчатую печь обеспечивается естественной и искусственной тягой. Естественная тяга поддерживается дымовой трубой, а искусственная, применяемая значительно реже, - с помощью дымососа. Движущая сила, необходимая для перемещения дымовых газов через трубчатый змеевик и дымоход, при естественной тяге создается вследствие разности плотностей атмосферного воздуха и дымовых газов, которые зависят в основном от их температуры. Более легкий дымовой газ вытесняется более тяжелым атмосферным воздухом. Чем выше высота дымовой трубы и температура дымовых газов, покидающих печь, тем больше естественная тяга. В промышленности применяют трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб от 15 до 2000 м2, теплопроизводительностью от 0,5 до 100 МВт. 2 Классификация трубчатых печей 2.1 Основы классификации трубчатых печей По технологическому назначению трубчатые печи подразделяются на нагревательные и нагревательно-реакционные. Нагревательные печи предназначены для нагревания и частичного либо полного испарения сырья. К ним относятся печи установок перегонки нефти и мазута, стабилизации нефти, каталитического крекинга, риформинга, коксования, каталитического дегидрирования и полимеризации (при выносных реакционных камерах) и другие. Нагревательно-реакционные печи предназначены для нагрева сырья и сообщения ему тепла, необходимого для проведения эндотермических реакций. К ним относятся печи установок термического крекинга, пиролиза, трубчатые реакторы дегидрирования. По способу сжигания топлива трубчатые печи подразделяются на три основных типа: – с факельным сжиганием топлива; – с излучающими стенами топки; – с настильным пламенем. 8 По способу передачи теплоты от продуктов сгорания топлива к потоку перерабатываемого сырья трубчатые печи разделяют на конвективные, радиантно-конвективные и радиантные. В конвективных печах до 80 % общего количества теплоты передается за счет конвекции, а остальное количество теплоты передается радиацией. В печах такого типа обеспечиваются более мягкие условия теплообмена (меньшая разность температур между стенкой трубы и перерабатываемым продуктом). В печах радиантно-конвективного типа 40…60 % количества теплоты передается радиацией, а остальное – конвекцией. В радиантных печах основное количество теплоты передается радиацией. Камера конвекции здесь имеет вспомогательное значение. По конструктивному признаку различают печи коробчатого типа, вертикальные, цилиндрические и печи с наклонным сводом. Коробчатые печи подразделяются: – по типу змеевика и способу передачи тепла (радиантные, радиантноконвективные, конвективные); при этом радиантная часть змеевика может располагаться на потолке (своде), стенах и поде печи и потому эти части змеевика называют потолочным, боковым (настенным) и подовым экраном; – по числу рядов экранных труб (однорядные, двухрядные); – по взаимному расположению экранных труб (трубы радиантной секции печи перпендикулярны или параллельны трубам конвективной секции); – по месту расположения конвективной секции печи (под радиантной секцией и с нижним отводом дымовых газов, а также над радиантной секцией и с верхним отводом дымовых газов); – по числу камер сгорания (однокамерные, двухкамерные и многокамерные); – по направлению движения дымовых газов (с нисходящим, восходящим и прямолинейным движением); – по числу питающих потоков или змеевиков (одно-, двух- и многопоточные или одно-, двух- и многозмеевиковые). При этом в двух- и многокамерных трубчатых печах может нагреваться сырье одного или нескольких видов. Такие печи применяют на комбинированных технологических установках, если необходима зональная регулировка теплонапряжения труб. 2.2 Печи конвективного типа На рисунке 2.1 приведены печи конвективного типа с верхним (рисунок 2.1,а) и нижним (рисунок 2.1,б, в, г) отводом дымовых газов. Горизонтальное расположение змеевика (рисунок 2.1,а, б и в) позволяет сравнительно легко удалить продукт из труб и продуть их при плановых остановках печи на ремонт, в аварийных ситуациях и т.п. Вертикальное расположение змеевика позволяет значительно проще крепить и ремонтировать трубы. С целью уменьшения прогара труб конвективный змеевик отделен от топки перевальной стеной (2.1,б, в, г). Уменьшающееся по ходу движения дымовых газов сечение конвективной камеры обеспечивает более равномерную теплонапряженность поверхности нагрева для различных рядов труб. Прогар труб можно снизить понижением температуры дымовых газов, поступающих в конвективную камеру, либо 9 сжиганием топлива с большим избытком воздуха. мероприятия резко ухудшают показатели работы печи. Однако эти 1 – трубный пучок; 2 – форсунки; 3 – трубопровод для рециркуляции газов сгорания в топку; 4 – дымовая труба Рисунок 2.1 – Печи конвективного типа с горизонтальными трубами (поперечный разрез): а, б и в; печи с вертикальным расположением труб (план) – г 2.3 Печи радиантно-конвективного типа Печи радиантно-конвективного типа нашли наибольшее применение. На рисунке 2.2 показаны радиантно-конвективные печи с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб. Печь, изображенная на рисунке 2.2,а используется как реакционнонагревательная. Верхний потолочный экран выполнен двухрядным. Второй ряд труб используется в качестве реакционной зоны. Для понижения температуры дымовых газов перед конвективным змеевиком предусмотрена рециркуляция дымовых газов, частично забираемых из газохода дымососом. В нагревательных печах потолочный, подовый и боковой экраны обычно выполняют однорядным (кроме экрана двухстороннего облучения). Конструктивной отличительной особенностью печи на рисунке 2.2,б является наличие горизонтальной стены, отделяющей радиантную камеру от конвективной. В двухкамерной печи с наклонным сводом (рисунок 2.2,в) и однорядными потолочным и подовым экранами имеется общая камера конвекции. Назначение наклонного свода – выравнивание тепловых нагрузок потолочного экрана. Печь применяется для переработки одновременно двух продуктов с различными 10 режимами нагрева или двух самостоятельно регулируемых потоков. При малых мощностях строятся однокамерные печи с одним наклонным сводом. 1 – форсунка; 2 – радиантные трубы; 3 – конвективные трубы; 4 – дымоход; 5 – свод; 6 – воздухоподогреватель Рисунок 2.2 – Печи радиантно-конвективного типа с горизонтальным расположением труб, приспособленные для работы на жидком и газообразном топливе (поперечные разрезы) На рисунке 2.2,д изображена шестипоточная трубчатая печь с нижним расположением конвективной камеры. Продукты сгорания топлива проходят через однорядный, приподнятый от пода печи экран, разветвляются и с двух противоположных сторон поступают в конвективный пучок труб. Опоры подового экрана прикрепляются к решеткам конвективного пучка. В печи, изображенной на рисунке 2.2,е, продукты сгорания топлива проходят через двухрядный потолочный экран и поступают в конвективный пучок труб, расположенный в верхней части печи. На верхнем ряду потолочных труб с зазорами уложен фасонный огнеупорный кирпич, способствующий лучшему омыванию газами второго ряда труб. Печь предназначена для нагрева одного либо двух потоков продукта. В печах (рисунок 2.2,а, б, в) ось форсунок перпендикулярна к оси радиантных труб. В печах (рисунок 2.2,д, е, г, ж) оси форсунок и труб 11 параллельны, что приводит к нежелательному неравномерному распределению теплонапряжения по длине труб. Четырехкамерная печь (рисунок 2.2,ж) предназначена для нагрева двух или большего числа потоков нагреваемого продукта. Продукты сгорания проходят через однорядный потолочный экран, на котором с зазорами уложен фасонный огнеупорный кирпич. На рисунке 2.3,а, б изображены узкокамерные печи с вертикальным расположением оси факела. Эти печи работают на газообразном либо комбинированном газожидкостном топливе, так как расположение форсунок для жидкого топлива в средней части пода затруднило бы их обслуживание. Верхнее расположение конвективной камеры снижает сопротивление газохода, что позволяет уменьшить высоту дымовой трубы до 10…20 м. Тяга осуществляется одной или несколькими трубами, установленными над конвекционной камерой на расстоянии 3…6 м друг от друга. Кроме того, верхнее расположение конвективной камеры обеспечивает плавное без завихрений естественное (снизу вверх)движение продуктов сгорания. Отличительной конструктивной особенностью печи на рисунке 2.3,б является наличие разделительной стены 5. После сжигания топлива часть факела настилается на разделительную стену, которая начинает излучать тепло. Это печи с объемно-настильным факелом. Изображенные на рисунке 2.3,в, г печи имеют двухрядный экран двухстороннего облучения и нижнее (рисунок 2.3,в) либо верхнее расположение конвективной камеры. Оси горелок печи (рисунок 2.3,в) расположены под некоторым углом, за счет чего часть пламени настилается на боковые стены печи, начинающие излучать тепло. Это печи с настильным факелом. Нижнее расположение конвективной камеры предполагает движение продуктов сгорания топлива сверху вниз. Незначительное разрежение в верхней части камеры приводит к циркуляции газов, возникновению завихрений, что увеличивает теплонапряжение верхних труб конвективного змеевика. 12 1 – газовые горелки; 2 – радиантные трубы; 3 – конвективные трубы; 4 – выход газов из печи; 5 – разделительная стена Рисунок 2.3 – Печи радиантно-конвективного типа с горизонтальным расположением труб 1 – форсунка; 2 – трубный змеевик 3 – конвективный пучок труб; 4 – дымовая труба Рисунок 2.4 – Трубчатая печь радиантно-конвективного типа с однорядным экраном двухстороннего обогрева и вертикальным расположением труб Печь, изображенная на рисунке 2.4, имеет вертикальное расположение змеевика труб и однорядный экран двухстороннего обогрева. В печи – восемь рядов труб по четыре с каждой стороны печи. Расстояние между рядами – 3 м. Между каждыми двумя рядами труб по всей высоте печи, а также между крайними рядами труб и торцовыми стенами установлены форсунки на расстоянии 800…1000 мм друг от друга. Необходимость высотного сооружения для ремонта труб увеличивает удельный расход металла (расход металла на единицу теплопроизводительности печи). На рисунке 2.5 приведены принципиальные схемы вертикальных печей с излучающими стенами из панельных горелок беспламенного типа. Излучающие стены располагают вблизи трубного экрана на расстоянии 0,6…1,0 м. Минимальное расстояние определяется необходимостью иметь проход для осмотра и ремонта труб и керамики горелок. В панельных горелках происходит сгорание газового топлива, в результате панель нагревается и становится источником излучения. Газы сгорания, выйдя из горелок, проходят через трубный экран и поступают в конвективный пучок. Теплоотдача в радиантной камере осуществляется излучением от раскаленных стен и газов, а также конвекцией от газов. 13 В печах с двухрядным экраном двухстороннего обогрева можно проводить одновременный нагрев четырех продуктов, однако при увеличении числа потоков более двух трудно обеспечить соответствие допускаемых и фактических теплонапряжений. Печь, изображенная на рисунке 2.5,в, имеет две конвективные камеры, что значительно уменьшает влияние теплоотдачи конвекцией от газов к экрану. Излучающие стены печи (рисунок 2.5,г) составлены из чередующихся рядов горелок и обычной кладки примерно той же высоты, что высота горелки. Кроме центрального двухрядного трубного экрана двухстороннего обогрева в печи через каждый ряд горелок на уровне кладки установлены боковые двухрядные экраны. Они получают меньше тепла радиацией, чем центральный экран, однако это компенсируется теплоотдачей от газов при прохождении их к конвективному пучку. В остальном печь ничем не отличается от печи (рисунок 2.5,а). Теплотехнические показатели рассматриваемой печи по равномерности нагрева труб по их длине и окружности равноценны с печами (рисунок 2.5,а), но уступают им в возможности тонкой регулировки теплоотдачи по трубному экрану. 1 – трубный змеевик; 2 – излучающая стена; 3 – коллектор газа; а – печь с верхним расположением конвективного пучка; б – печь с нижним расположением конвективного пучка; в – печь с двумя нижними конвективными пучками; г – печь с дополнительными боковыми экранами Рисунок 2.5 – Печи с двухрядным экраном двухстороннего обогрева и горизонтальным расположением труб 14 Печь, изображенная на рисунке 2.6,а, имеет однорядный зигзагообразный горизонтальный экран. Излучающие стены составляются из чередующихся рядов горелок и кладки. Высота каждого ряда кладки – 500 … 600 мм, т.е. примерно равна или несколько выше высоты горелки. Печь, изображенная на рисунке 2.6,а уступает печам, приведенным на рисунке 2.5,а, б, в, г, в возможности осуществления тонкой регулировки теплоотдачи по трубному экрану. При однопоточном движении нагреваемого продукта все трубы радиантного змеевика соединяются только трубными двойниками. При двухпоточном движении продукта на n рядов труб приходится (n – 1) соединений с угловыми двойниками. Печь (рисунок 2.6,б) имеет несколько однорядных экранов, расположенных параллельно друг другу под углом 13° к горизонту. Величина выбранного угла наклона соответствует максимальному коэффициенту равномерности нагрева по окружности трубы. Между трубными экранами устанавливается по одному ряду горелок, чередующихся с кладкой, собранной на подвесных кронштейнах. Расстояние между излучающими стенами равно 2,4 м. Оно соответствует максимальному значению коэффициента равномерности нагрева окружности трубы. В печах этого типа регулировка теплонапряжения по трубному экрану осуществляется изменением теплопроизводительности соответствующего ряда горелок. Однако здесь труднее осуществить тонкую регулировку теплоотдачи, чем в печах приведенных на рисунке 2.5,а, б, г. Печь (рисунок 2.6,в) отличается от печи на (рисунке 2.5,а) тем, что вместо двухрядного в ней установлен однорядный экран двухстороннего обогрева. 1 – трубный змеевик; 2 – излучающая стена; 3 – коллектор топливного газа Рисунок 2.6 – Печи с однорядным экраном двухстороннего обогрева и горизонтальным расположением труб На рисунке 2.7 показаны печи с однорядным настенным экраном и с боковым или центральным расположением конвективного пучка. В печи 15 (рисунок 2.7,а) газы в радиантной камере движутся сверху вниз, а в конвективной – снизу вверх. Дымовая труба устанавливается в верхней части печи над конвективным пучком труб. В печи на (рисунке 2.7,б) поток газов в радиантной камере естественный, снизу вверх, что предпочтительнее по сравнению с печью на рисунке 2.7,а. 1 – трубный змеевик; 2 – излучающая стена из горелок; 3 – коллектор газа; 4 – конвективная камера; а – печь с боковым расположением конвективной камеры и нисходящим потоком газов в радиантной камере; б – печь с боковым расположением конвективной камеры и восходящим потоком газов в радиантной камере; в – печь с центральным расположением конвективной камеры и восходящим потоком газов в радиантной камере; г – печь двухъярусная с центральным расположением конвективной камеры Рисунок 2.7 – Печи с однорядным настенным экраном и горизонтальным расположением труб Печь, изображенная на рисунке 2.8, состоит из двух секций и отличается от других типов печей вертикальным расположением труб. Дымовая труба находится между секциями и непосредственно соединена с конвективными камерами. Для более равномерного нагрева конвективных труб соединение дымовой трубы и камер осуществляется по всей высоте трубы. Одна секция этой печи отличается от конструкции печи на (рисунке 2.5,г) лишь вертикальным расположением труб. 16 1 – трубный змеевик; 2 – излучающая стена; 3 – дымовая труба Рисунок 2.8 – Печь с двухрядным экраном двустороннего обогрева и вертикальным расположением труб (план) В вертикальной печи, изображенной на рисунке 2.9,а, применение экрана двустороннего облучения сочетается с использованием принципа настильного пламени. Печи этого типа могут быть однокамерными либо многокамерными. Форсунки обычно располагаются под сводом печи, а камера конвекции вынесена вниз. Рисунок 2.9 – Вертикальные печи с экраном двустороннего облучения Разновидностью печи с экраном двустороннего облучения является вертикальная печь с газовыми горелками беспламенного горения, изготовленными из специальных сортов керамики, катализирующих процесс горения. Печь представляет собой узкую камеру с экраном двустороннего облучения, в боковых стенах которой установлено большое количество форсунок из керамики (рисунок 2.9,б). Такая конструкция печи делает ее гибкой, так как позволяет регулировать в широких пределах тепловые нагрузки как по высоте, так и по длине экранов. 17 Цилиндрические вертикальные трубчатые печи имеют змеевик из труб, расположенных вертикально в один или два ряда у внутренней поверхности стенки. Конвективная камера располагается вверху и ее трубы могут быть оребренными (коэффициент оребрения равен 3,2 … 3,5). В таких печах используют комбинированное газомазутное топливо. Принципиальная схема и технические характеристики некоторых цилиндрических печей приведены в приложении Б [2]. 2.4 Печи радиантного типа Принципиальные схемы печей радиантного типа приведены на рисунке 2.10. Общий недостаток этих печей – низкий коэффициент полезного действия в связи с отсутствием конвективного пучка труб, что приводит к большим потерям тепла с уходящими газами (высокие температуры покидающих печь дымовых газов). Несколько более высокий КПД в печах этого типа получается при нагреве продуктов до невысоких температур и при низких теплонапряжениях поверхности нагрева труб или при утилизации тепла дымовых газов после печи. Печи с вертикальным расположением труб (рисунок 2.10,а, б) приспособлены для работы на газообразном топливе. Они занимают меньше площади, чем печи других типов. Для этих печей не требуется площадки для смены труб, так как трубы вытаскиваются вверх при помощи электрокошки, установленной в верхней части дымовой трубы. Под потолком печи, изображенной на рисунке 2.10,а, установлен металлический конус 3, передающий тепло излучением верхним частям труб, что интенсифицирует теплоотдачу радиацией и увеличивает степень равномерности нагрева по длине труб. 1 – форсунка; 2 – трубный змеевик; 3 – теплоизлучающий металлический конус Рисунок 2.10 – Трубчатые печи радиантного типа (продольные разрезы) 18 Параллельное расположение осей форсунок и труб при отсутствии теплоизлучающего конуса (рисунок 2.10,б) приводит к значительной неравномерности нагрева труб по длине. Преимущество печи (рисунок 2.10,б) перед (рисунок 2.10,а) – это возможность утилизации тепла отходящих дымовых газов. Достоинством радиантной печи с горизонтальным расположением труб (рисунок 2.10,в) является возможность легко и доступно производить ее монтаж и ремонт. 3 Условное обозначение трубчатых печей Трубчатые печи обозначаются буквами и цифрами, которые отражают конструктивные особенности, способ сжигания топлива, геометрические размеры и др. В условном обозначении трубчатых печей: - первая буква – конструктивное исполнение: Г – узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными экранами; А – узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и центральным горизонтальным экраном; В – узкокамерные секционные трубчатые печи с вертикальными трубами змеевика; С – секционные трубчатые печи с прямоугольно и горизонтально витым трубным змеевиком; Ц – цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции, горизонтальными трубами конвекции и вертикальными трубами радиации; К – цилиндрические трубчатые печи с боковой кольцевой камерой конвекции и вертикальным расположением конвективных труб; - цифровой индекс к первой букве – число рядов экрана. Если однорядный экран – индекс (1) не указывается; - вторая буква – способ сжигания топлива: С – свободный вертикальный факел; В – свободный вертикальный факел с позонным подводом воздуха по высоте факела; Н – настильный факел; Д – настильный факел с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела; Б – беспламенное горение с излучающими стенами из панельных горелок; - знак ′ (штрих) ко второй букве – смещение горелки от центра в сторону входа продукта; - цифра после буквенного обозначения – число радиантных камер или секций печи; - цифры: в числителе дроби – поверхность нагрева радиантных труб, м2; в знаменателе – длина или высота топки, м (в большинстве случаев длина топки совпадает с длиной радиантных труб). Например: А2Б2 115 6 - узкокамерная трубчатая печь с центральным горизонтальным двухрядным экраном и верхним отводом дымовых газов, беспламенным горением, с излучающими стенами из панельных горелок, двумя радиантными камерами, с поверхностью нагрева радиантных труб 115 м2 и длиной радиантных труб 6 м. 19 Условное таблице 3.1. обозначение типовых трубчатых печей приведено в Таблица 3.1 – Условное обозначение типовых трубчатых печей Наименование печей 1 Узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов, горизонтальными трубами в камерах радиации и конвекции: однокамерная с однорядными настенными экранами и свободным вертикальным факелом Условное обозначение 2 ГС1 двухкамерная с однорядными настенными экранами и объемно-настильным факелом ГН2 двухкамерная с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок с центральным двухрядным трубным экраном А2Б2 двухкамерная настильного веерного сжигания газового топлива с центральным двухрядным трубным экраном А2В2 Секционные коробчатые трубчатые печи со свободным вертикальным факелом: верхней камерой конвекции на каждую секцию, вертикальными трубами радиации и горизонтальными – конвекции, однорядным настенным и двухрядными межсекционными экранами: однокамерная двухкамерная трехкамерная четырехкамерная с отдельно стоящей (общей для всех секций) камерой конвекции, прямоугольно и горизонтально витым трубным змеевиком: однокамерная двухкамерная трехкамерная четырехкамерная ВС1 ВС2 ВС3 ВС4 СС1 СС2 СС3 СС4 20 Продолжение таблицы 3.1 1 2 Цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции, вертикальными трубами экрана и горизонтальными трубами конвекции: однокамерные с вертикальным факелом, однорядным настенным трубным экраном ЦС1 однокамерная с однорядным двухпоточным настенным трубным экраном со смещением горелок в сторону входа продукта ЦС΄1 четырехкамерная с центральной призмой в топке настильным факелом и дифференциальным подводом воздуха по высоте факела, однорядным настенным и двухрядным межсекционными экранами ЦД4 Цилиндрические трубчатые печи с кольцевой камерой конвекции, вертикальными трубами в камерах радиации и конвекции: однокамерная с вертикальным факелом и однорядным настенным трубным экраном КС1 однокамерная с вертикальным факелом, однорядным настенным двухпоточным экраном со смещением горелки в сторону входа продукта четырехкамерная с центральной призмой в топке, настильным факелом и дифференциальным подводом воздуха по высоте факела, однорядными настенными и двухрядными межкамерными экранами КС΄1 КД4 4 Элементы конструкций трубчатых печей Типовая трубчатая печь с наклонным сводом с двумя радиантными камерами и общей конвективной изображена на рисунке 4.1. Каждая радиантная камера содержит однорядный потолочный экран 1, трубы которого поддерживают подвески 5, и подовый экран 10. Каркас печи 6 собирается из стальных балок. От воздействия высоких температур в печи каркас защищает блочная обмуровка из фасонного огнеупорного кирпича с теплоизоляцией. Блоки крепятся к каркасу печи. Свод трубчатых печей 7 из фасонного кирпича поддерживается специальными подвесками, которые крепятся к опирающимся на потолочные балки швеллерам. Жесткость и прочность 21 конструкции каркаса обеспечивается всеми металлическими частями печи, связанными с каркасом. Трубные решетки 3 конвективного змеевика 2 крепятся между рам, обеспечивая жесткость в поперечном направлении. Для обеспечения условий безопасной эксплуатации предусмотрено взрывное окно 4; для наблюдения за работой форсунок 9 и состоянием труб радиантного змеевика имеется смотровое окно (гляделка) 8. 1 – потолочный экран, 2 – трубы конвективной камеры, 3 – трубная решетка конвективного змеевика, 4 – взрывное окно, 5 – подвеска, 6 – каркас, 7 – свод, 8 – смотровое окно, 9 – форсунка, 10 – подовый экран Рисунок 4.1 – Трубчатая печь с наклонным сводом 4.1 Змеевик трубчатых печей Змеевики трубчатых печей формируют из прямых бесшовных труб длиной 3…24 м, изготовленных из углеродистой стали (20 Г), низколегированной (15х5 М) или высоколегированной (12Х18Н10Т) стали. В змеевиках применяют трубы диаметром 0.057, 0.076,0.089, 0.102, 0.108, 0.114, 0.152, 0.159, 0.219, 0.326, 0.377 и 0.426 м. Толщина стенки трубы зависит от давления. При условном давлении до 2,5 МПа толщина стенки 0,006…0,008 м, до 6МПа – 0,008…0,012 м. Печные трубы соединяются в змеевик при помощи крутоизогнутых фитингов (в случае, когда не происходит коксообразование) и ретурбендов (двойников) [1]. При температуре нагрева внутренней среды до 560ºС соединение отдельных труб в змеевики обеспечивается специальными двойниками со съемными пробками. 22 На рисунке 4.2 изображен двойник высокого давления (соединительный коллектор), имеющий корпус 1 с ввальцованными трубами и соединительный канал прямоугольного сечения 2. Корпус снабжен ушками, которые служат упором для траверсы 3 с зажимным болтом 4. Съемная пробка 5 обеспечивает доступ к внутренней поверхности труб для их осмотра и чистки [4]. Другие виды соединительных двойников приведены на рисунке 4.3 [1]. 1 – корпус; 2 – канал; 3 – траверса; 4 – болт; 5 – пробка, притертая к корпусу Рисунок 4.2 – Двойник двухтрубный 23 а – двойник угловой; б – литой ретурбенд; в – кованый ретурбенд; 1 – корпус; 2 – коробка; 3 – траверса; 4 – нажимной болт; 5 – пробка боковая глухая (технологическая для механической обработки перехода между камерами) Рисунок 4.3 – Соединительные двойники змеевиков трубчатых печей 4.2 Топливно-сжигающие устройства трубчатых печей Основными требованиями к топливно-сжигающим устройствам являются: обеспечение заданных режимов горения, экономичность распыливания (для жидкого топлива), полнота сжигания, малый уровень шума, технологичность изготовления, монтажа и ремонта. Конструкции таких устройств, используемых в промышленных печах, характеризуются чрезвычайным разнообразием. По виду сжигаемого топлива их классифицируют на жидкостные (мазутные), газовые и комбинированные (газомазутные). В нефтеперерабатывающей промышленности большинство трубчатых печей оборудовано комбинированными газомазутными горелками. В остальных отраслях промышленности большее распространение нашли или газовые, или жидкостные топливно-сжигающие устройства [1]. Топливно-сжигающие устройства в трубчатых печах размещают на стенах, сводах, подинах горизонтально, вертикально, наклонно и т.д. Различные варианты расположения сжигающих устройств представлены на рисунке 4.4 [5]. 24 а – горизонтальное; б – подовое; в - сводовое Рисунок 4.4 – Расположение топливно-сжигающих устройств в печах Топливно-сжигающие устройства жидкого топлива. Жидкое топливо (мазут) горит в печах только после его перехода в парообразное состояние, поскольку температура его воспламенения выше температуры кипения. Поэтому мазут подается на сжигание в печь в распыленном состоянии. Для распыливания топлива используется перегретый водяной пар и (или) подогретый воздух. Для нормальной работы форсунок, работающих на мазуте, его вязкость перед горелкой не должна превышать 3ºВУ (условной вязкости), а температура распыливающего пара должна быть выше температуры насыщения паров воды не менее чем на15…20 ºС. При распыливании мазут рассеивается в топочной камере в виде тумана. По способу подвода энергии различают форсунки с механическим распыливанием (давление создается в мазутопроводе перед форсункой) и форсунки с воздушным или паровым распыливанием. Схемы распыления мазута форсунками показаны на рисунке 4.5 [1]. 25 а – прямоструйная форсунка при давлении 1…2МПа; б – центробежная с тангенциальным подводом горючего; в – центробежная со специальным завихрителем; г – ротационная; д,е – с распыливающей средой (водяным паром, воздухом) высокого д и низкого е давления; А – топливо; Б – воздух; В – пар Рисунок 4.5– Схемы распыления топлива мазутными форсунками Топливно-сжигающие устройства газового топлива. Для сжигания газового топлива чаще всего применяются два типа горелок (рисунок 4.5). – 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 сгорания. а – кинетическая инжекционная среднего давления; б – с принудительной подачей воздуха и закрученным потоком газа; в – диффузионная 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 Рисунок 4.6– Схемы горелок для сжигания газа 26 Рисунок 4.7 – Форсунка с паровым распыливанием Рисунок 4.8 – Форсунка с воздушным распыливанием В нефтезаводской практике наиболее распространены форсунки с паровым распыливанием (рисунок 4.7) вследствие их простоты. Однако они требуют большого расхода пара (от 0,3 до 0,6 кг/кг топлива). В форсунках с воздушным распыливанием (рисунок 4.8) распыливающим агентом является сжатый воздух. Они требуют меньшего расхода энергии, чем форсунки с паровым распыливанием, и благодаря хорошему смешению топлива с воздухом дают короткий факел [4]. Теплопроизводительность горелок регулируется изменением давления газа перед соплом инжектора. 27 Высокой эффективностью и широким распространением характеризуются беспламенные панельные горелки (рисунок 4.9). Такая горелка имеет распределительную камеру 1, в переднюю часть которой вварены трубки для выхода газовоздушной смеси. На трубки надеты керамические призмы 6, каждая из которых снабжена четырьмя цилиндроконическими каналами (туннелями). Призмы образуют керамическую панель размерами 500 500 или 605 605 мм, которая служит аккумулятором и излучателем теплоты. Короб и излучательная панель теплоизолированы относительно друг друга слоем диатомовой крошки 7. К задней стене короба крепится инжекторный смеситель газа 2, снабженный соплом 3, заслонкой 4 и газоподводящим патрубком 5. Соседние горелки соединяются друг с другом посредством болтов 8 и гаек 9, образуя излучающую стену печи. Зазоры между соседними горелками уплотняются диатомовой крошкой 10 и асбестовым шнуром 11. В таких горелках благодаря высокой температуре в зоне горения обеспечивается полное сгорание газа при малом коэффициенте избытка воздуха: в керамических каналах уже на участке длиной 65…70 мм обеспечивается полное сгорание газовоздушной смеси. Теплопередача происходит излучением от поверхности керамической плиты. Теплопроизводительность горелок регулируется изменением расхода газа в коллектор, к которому подключен ряд горелок, а коэффициент избытка воздуха – заслонкой 4 индивидуально для каждой горелки. Размеры поверхности горелки составляют 500 500 или 605 605 мм. На квадратном метре излучающей поверхности может располагаться от 450 до 1260 туннелей диаметром 20 мм каждый [6]. 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 – асбестопый шнур Рисунок 4.9 – Беспламенная панельная горелка Газомазутные горелки ГМГ (рисунок 4.10, таблица 4.1) предназначены для сжигания мазута и газа, а при необходимости – для совместного их сжигания [5]. 28 1 – газовоздушная часть; 2 – форсунка газомазутная; 3 – регистр первичного воздуха; 4 – регистр вторичного воздуха; 5 – плита монтажная Рисунок 4.10 – Горелка типа ГМГ Таблица 4.1 – Основные размеры горелок ГМГ Горелки ГМГ-2 ГМГ-4 ГМГ-5,5/7 D1 265 363 420 D2 108 159 168 D3 276 375 432 L 933 1161 1291 L1 301 428 525 L2 195 255 285 L3 300 417 495 L4 520 600 600 h1 180 235 260 h2 250 360 427 Горелки ГМГ оборудуются для распыления мазута паромеханическими мазутными форсунками (рисунок 4.11). 1 – затяжной винт; 2 – скоба; 3 – паровой штуцер; 4 – колодка; 5 – топливный штуцер; 6 – рукоятка; 7 – ствол; 8 – распыливающая горелка Рисунок 4.11 – Форсунка паромеханическая Мазут по внутренней трубе форсунки (рисунок 4.12) подводится через распределительную шайбу в кольцевой канал топливного завихрителя и далее по тангенциальным каналам попадает в камеру завихрения, приобретая 29 вращательно-поступательное движение, выходит из сопла и распыливается за счет центробежных сил. 1 – гайка; 2 – распределительная шайба; 3 – завихритель топливный; 4 – завихритель паровой Рисунок 4.12 – Головка распылителя Для обеспечения расширения диапазона регулирования форсунки снабжаются еще паровыми завихрителями. Пар по наружной трубе подходит к каналам накидной гайки, далее к каналам парового завихрителя и, выходя закрученным потоком, принимает участие в распылении мазута. Распыливающие детали стягиваются накидной гайкой. Регистр вторичного воздуха представляет собой лопаточный аппарат с прямыми лопатками, установленными под углом 45˚, служащими для закрутки потока воздуха. Регистр первичного воздуха устроен подобным образом и служит для подвода закрученного воздушного потока к корню пламени. Выпускаемые горелки рассчитаны для сжигания газа с теплотворной способностью 35,5 МДж/м3 и мазута марок 40 и 100. При необходимости сжигания газа с теплотворной способностью выше указанной, необходимо изменить давление газа либо сечение выходных отверстий для обеспечения требуемого расхода. Подогрев мазута должен обеспечить вязкость перед форсункой до 6˚ ВУ. Регулирование производительности горелки осуществляется изменением давления мазута или газа и воздуха. При установке нескольких горелок в печи для устранения отрицательного влияния смежных горелок целесообразно при компоновке предусмотреть противоположную закрутку потока воздуха у горелок, расположенных рядом. Закрутка в горелке первичного и вторичного воздуха должна быть в одну сторону. Горелка должна быть освобождена от нагрузки трубопроводов. В горелках ГМГ вторичный воздух регулируется соответственно изменению давления топлива. Для лучшего перемешивания (т.е. снижения химического недожога и расхода воздуха), особенно при работе на малых нагрузках, в горелке предусмотрена подача первичного воздуха давлением до 1,5 кПа в количестве 15% от общего расхода воздуха. При работе на мазуте первичный воздух не регулируется, а при работе на газе первичный воздух регулируется пропорционально расходу газа. 30 4.3 Гарнитура трубчатых печей Гарнитура трубчатых печей включает гляделки, предохранительные окна, дверцы, лазы, трубные решетки, подвески для труб. Гляделка предназначена для наблюдения за работой устройств для сжигания топлива и состоянием труб радиантной камеры. Предохранительные окна необходимы для ослабления силы хлопка, возможного при работе печи, а также для проверки радиантной камеры. Дверцы и лазы предназначены для закрытия конвективной камеры и экранов; лазы служат для осмотра конвективной камеры. Подвески устанавливаются на своде и предотвращают провисание труб в печи. Конструкции подвесок для труб приведены на рисунке 4.13. В зависимости от температуры труб подвески располагаются на расстоянии 0,8…3 м одна от другой (при температуре до 550ºС расстояние составляет 2,5…3 м, при температуре 800…850ºС – 0,8…1,2 м). Эти элементы изготавливают из жаропрочных окалиностойких высоколегированных сталей (20Х23Н13) или из жаропрочного чугуна. Размеры подвесок для труб даны в [8, с. 101]. а – закрытая подвеска для двухрядного экрана; б – закрытая подвеска для однорядного экрана; в – открытая подвеска; г – разборная подвеска для двухрядного экрана; д – закрытый кронштейн бокового экрана; е – открытый кронштейн; ж – закрытая подвеска для свободного экрана; з – закрытая подвеска для потолочного экрана Рисунок 4.13 – Подвески для труб Трубные решетки предназначены для установки конвективных и радиантных труб и опирания их в торцах трубчатой печи. Расстояние между трубными решетками выбирается аналогично расстоянию между подвесками; материал – жаропрочная сталь и жаропрочный чугун. На рисунке 4.14 показаны трубные решетки для конвективного змеевика (рисунок 4.14,а) и экрана двухстороннего обогрева (рисунок 4.14,б, в, г, д). 31 а – решетка конвективной камеры; б, в, г, д – решетки экрана двухстороннего обогрева: б – решетка с открытыми пазами; в – средняя решетка с верхней подвеской; г – торцовая решетка с нижним закреплением; д – средняя решетка с пружинной подвеской Рисунок 4.14 – Трубные решетки Трубная решетка экрана двухстороннего обогрева сваривается из нескольких частей. Она делается с шагом между трубами по вертикали, равным двум диаметрам труб, так как дальнейшее уменьшение шага значительно ухудшает равномерность нагрева по окружности трубы [6]. Недостатком закрытой трубной решетки (рисунок 4.14,в) по сравнению с решеткой с открытыми пазами (рисунок 4.14,б) является то, что при выходе ее из строя приходится менять одновременно все трубы. Отверстия под трубы в решетке делаются на 15 … 20 мм больше диаметра труб. Если концы трубного змеевика выносятся в специальную камеру и изолируются от топки, то в этом случае торцовые трубные решетки отличаются от средних тем, что их ширина равна ширине двойниковой (ретурбентной) камеры (рисунок 4.14,г), а отверстия под трубы имеют специальные канавки для уплотнения асбестовым шнуром. Огневая сторона торцовых решеток изолируется огнеупорной массой. Близость к раскаленным стенам горелок и невозможность отвода тепла от решеток создают в них высокие температуры, что сокращает длительность их эксплуатации. В некоторых печах трубные решетки радиантной камеры крепятся на фундаменте или подвешиваются вверху к потолочной балке каркаса. В подвешенной решетке наибольшее усилие приходится на верхнюю ее часть и убывает до нуля к нижней части. Для более равномерного распределения усилий по длине решетки последние иногда подвешиваются на пружинных опорах, как показано на рисунке 4.14,д. При монтаже таких решеток между нижним торцом и подом печи оставляется зазор, равный температурному удлинению решетки при нагреве от 0 до 500ºС. Как известно, допускаемое напряжение стали ЭИ 316 при нагреве ее до 500º меняется незначительно. Поэтому при пуске печи, когда решетка нагревается до температуры 500º, она удлинится и нижняя ее часть дойдет до упора, установленного на поде печи. При дальнейшем повышении температуры удлинение решетки идет вверх. При этом увеличивается высота пружины и 32 одновременно уменьшается сила, действующая на пружину от веса решетки, так как часть ее веса принимает на себя нижняя опора. Размеры трубных решеток приведены в [8, с. 94-100). 4.4 Каркасы и обмуровка трубчатых печей Каркасы трубчатых печей. Печи собираются на каркасах, представляющих собой систему взаимосвязанных вертикальных колонн, образующих жесткую пространственную конструкцию. Каркас воспринимает всю нагрузку, создаваемую змеевиками, гарнитурой, подвесными сводами, кровлей, обслуживающими площадками и прочими элементами трубчатых печей. При верхнем расположении конвективной камеры вес дымовой трубы и других узлов печи также передается на каркас. Элементы стального каркаса вынесены из зоны действия высоких температур и защищены от теплового воздействия обмуровкой и тепловой изоляцией [1]. Обмуровка трубчатых печей. Обмуровка печи включает слои футеровки из фасонного огнеупорно-изоляционного кирпича толщиной до 250 мм и наружный слой тепловой изоляции, закрытой снаружи металлическим кожухом. Огнеупорные материалы в зависимости от температуры плавления делят на три группы: огнеупорные (tпл = 1580…1770ºС), высокоогнеупорные (tпл = 1770…2000ºС) и высшей огнеупорности (tпл > 2000ºС). Для футеровки применяют огнеупорный шамотный кирпич, для изоляции – диатомовый кирпич, различного рода засыпки, асбестовый картон, минеральную вату. Для обеспечения теплового расширения кладки предусматриваются температурные швы. Варианты исполнения подвесных сводов показаны на рисунке 4.15. Нашли применение обмуровки из монолитного жаропрочного бетона и на основе шамотно-волокнистых матов и матов из минеральной ваты. Использование матов существенно упрощает и удешевляет монтаж изоляции. Необходимая толщина изоляции для обеспечения минимальных теплопотерь при заданной температуре кожуха печи (60ºС) не превышает 100…120 мм [1]. 33 а – с секционным креплением кирпичей; б – с индивидуальной подвеской; в – комбинированная подвеска; 1 – фасонный кирпич; 2 – конструкция подвески Рисунок 4.15 – Подвесные своды 5 Фундаменты печей Обыкновенно давление на грунт даже самой большой печи не превышает 100 кН/м2, поэтому сооружение фундаментов не представляет больших трудностей. Размеры основания фундамента определяются нагрузкой и допустимым давлением на грунт. Допустимая нагрузка на фундамент определяется по формуле 0,25R 3 F , F1 (5.1) где σ – допускаемое напряжение в нагруженной части фундамента, кН/м2; R – предел прочности кирпичной кладки при сжатии, кН/м2; F – полная площадь сечения верхней части фундамента, м2; F1 – нагруженная площадь верхней части опоры, м2. Фундаменты выкладываются из бутового камня, бетона и железобетона. Основные преимущества железобетона в сравнении с другими материалами: возможность укладки фундамента любой формы; хорошая работа железобетона на растяжение при изгибе, что позволяет при малой строительной высоте (без значительного углубления в грунт) получить большую площадь давления фундамента на основание. 34 Толщина фундамента должна быть такова, чтобы давление от печи передавалось на все основание и в фундаменте не возникало слишком больших изгибающих и скалывающих усилий. В числе особенностей сооружения печных фундаментов необходимо отметить следующее [5, с. 253]: – на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать части печи и других сооружений (борова, дымовую трубу, колонны зданий и т.д.); в этом случае может произойти различная осадка фундамента и появиться трещины и перекосы в сооружениях; – если конструкция печи располагается ниже уровня грунтовых и ключевых вод, то фундамент строят так, чтобы исключался доступ воды к кладке путем: устройства вокруг фундаментов глиняных стенок до 300 мм толщиной; гидроизоляции фундамента рубероидом; искусственного снижения горизонта грунтовых вод устройством дренажа с таким расчетом, чтобы уровень воды был на 0,5 м ниже подошвы фундамента; сооружения сварного кессона из мягкой стали (при отсутствии агрессивных вод, что очень существенно на предприятиях химической промышленности); основание фундамента должно быть расположено ниже глубины промерзания грунта (обычно 1,8 м от уровня земли); в отапливаемых или горячих цехах, где нет промерзания грунта, углубление фундамента незначительно; для предотвращения сильного нагревания фундамента от кладки устраиваются воздушные каналы между ними; в случае заделки стоек каркаса в фундамент, последний должен быть проверен на достаточную прочность от скалывающих усилий. Если фундамент заложен на меньшую, чем требуется, глубину, он может опуститься, выпирая прилегающие слои грунта. Глубину заложения фундамента, при которой исключена возможность выпирания грунта, можно рассчитать по формуле 1 tg 4 (45 ) 2 , h Htg 4 (45 ) b 2 2tg (45 ) 2 (5.2) где h – глубина заложения, м; H – высота столба грунта, м; ее определяют по формуле: H Р – давление фундамента, Н/м2; F – площадь фундамента, м2; υ – объемная масса грунта, кг/м3; φ – угол естественного откоса; b – ширина фундамента, м. P ; F 35 6 Газоходы Каналы для удаления дымовых газов из печи до дымовой трубы называются газоходами или боровами. В зависимости от температуры отходящих дымовых газов и их состава газоходы выкладываются в зоне до 500ºС из глиняного кирпича марки «75», в зоне выше 500ºС – из огнеупорного кирпича класса «В» или «Б» на шамотном растворе. Газоходы обычно прокладываются подземными, но иногда и надземными (если производство закислочивает почвы) [5]. Минимальное сечение газоходов должно быть 465 580 мм, чтобы можно было их чистить, осматривать и ремонтировать. Толщина земляного покрова над подземными газоходами должна быть не менее 300 мм. Для очистки и осмотра газохода имеются лазы. Конструкции лазов в зависимости от температуры показаны на рисунке 6.1. Для предотвращения разрушения газоходов от взрыва при работе на газовом топливе предусматриваются взрывные клапаны из расчета 250 см 2 поверхности взрывного клапана на 1 м3 объема газохода. Конструкция взрывного клапана показана на рисунке 6.2. Газоходы обязательно должны быть защищены от грунтовых и ключевых вод. Наличие воды в газоходе значительно ухудшает тягу, и поэтому перед пуском печи их необходимо сушить, а это удорожает его эксплуатацию. а – при температуре дымовых газов до 500С; б – при температуре дымовых газов выше 500С: 1 – плита; 2 – засыпка; 3 – крышка; 4 – подъемный свод Рисунок 6.1 – Конструкции лазов в газоход 1 – металлическая сетка; 2 – асбестовый лист; 3 – крышка; 4 – корпус. Рисунок 6.2 – Клапан взрывной 36 7 Дымовые шиберы Устройство для достаточно плотного отключения печей от тяговой установки, а также для достижения легкого и чувствительного регулирования количества проходящих из печи газов и их давления называется шибером. Шибер ставится при выходе отходящих газов из камеры печи и представляет собой чугунную или керамическую заслонку, опущенную в газоход и подвешенную на тросе, перекинутом через блок с противовесом или непосредственно на барабан ручной или электрической лебедки. Шибера в газоходах для зоны с температурой дымовых газов до 600ºС выполняются из чугуна (рисунок 7.1). Поворотный шибер показан на рисунке 7.2. 1 – механизм для подъема шибера; 2 – короб; 3 – чугунный шибер; 4 – плита Рисунок 7.1 – Шибер металлический 1 – шибер; 2 – механизм для поворота шибера; 3 – тяга; 4 – штырь; 5 – опора шибера; 6 – тумба Рисунок 7.2 – Шибер поворотный Для зоны выше 600ºС шибера (для предотвращения коробления) выполняются водоохлаждаемыми (рисунок 7.3) или керамическими (рисунок 7.4). 37 1 – плита; 2 – труба для подачи холодной воды; 3 – короб; 4 – шибер Рисунок 7.3 – Водоохлаждаемый шибер 1 – короб; 2 – шибер Рисунок 7.4 – Керамический шибер Для закрывания шибера в поднятом состоянии и с целью создания большой плотности их заключают в сварной уплотняющий короб, с оставлением лишь отверстия для пропускания троса или тяги. Заслонка шибера печей, работающих на газовом топливе, должна иметь отверстие диаметром 50 мм для создания тяги в печи. Наличие тяги предотвращает скопления взрывоопасной газовоздушной смеси в камере печи от неплотностей регулирующих задвижек. 8 Дымовые трубы Дымовая труба позволяет создать разрежение, необходимое для движения продуктов горения топлива и реакционных газов, выделяющихся при технологическом процессе в печи, от топки, через рабочее пространство печи, систему дымоходов и теплоиспользующих устройств с удалением их в окружающее пространство на достаточно большой высоте. В большинстве случаев выбрасываемые газы от печей в химической промышленности содержат вредные вещества, предельно допустимые концентрации которых 38 регламентированы санитарными нормами проектирования промышленных предприятий. Поэтому после определения высоты трубы по необходимому разрежению, необходима проверка на удельные концентрации газа у поверхности земли. В случае необходимости увеличения высоты трубы, для создания допустимых удельных концентраций газов, следует заново провести гидравлический расчет при известной высоте трубы для создания необходимого разрежения в печи [5]. В соответствии с требованиями санитарной техники и пожарной охраны высота дымовой трубы должны быть на 3 … 5 м выше конька наиболее высокого здания в радиусе 100 м. Дымовые трубы, применяемые в химической промышленности, различны в зависимости от агрессивности газов, их температуры и по высоте (рисунок 8.1). Кирпичные дымовые трубы имеют максимальную высоту 150 м, допустимая температура пропускаемых через них газов до 800ºС. Железобетонные трубы: максимальная высота 200 м, допустимая температура газов 200ºС. Трубы из обычного бетона, при наличии футеровки и теплоизоляции, не должны нагреваться более 500ºС. Металлические футерованные трубы: максимальная высота 60 м, допустимая температура до 800ºС [8]. Для выброса агрессивных газов из печей чаще применяют металлические трубы, собранные из отдельных царг из нержавеющей стали, высотой до 150 м, установленных на специальных опорных конструкциях, позволяющих замену любой части ствола трубы в случае выхода из строя. Нормальный ряд металлических дымовых труб конической формы высотой 30, 35 и 40 м и основные размеры приведены в таблице 8.1. а – железобетонная; б – кирпичная; в – металлическая: 1 – фундамент; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – ствол трубы; 4 – площадка; 5 – газоход; 6 – молниеотвод; 7 – заземление; 8 – лестница Рисунок 8.1 – Дымовые трубы 39 I II D1 D2 h1 1000 30 1200 h2 h Dб d 23000 20000 2600 Вес трубы (ориентиро вочно), m Н, м Диаметр болта Тип трубы дымовых труб [8] Количество болтов Таблица 8.1 – Нормальный ряд 12 300 3000 40 12 M36 14 III 1400 17000 17 IV 1200 26000 18 V 35 1400 3000 1700 23000 450 3500 46 16 M42 22 VI 1800 17500 27 VII 1400 26000 24 VIII IX 40 1800 2000 3200 20000 600 3700 17000 52 16 M48 29 37,5 Дымовые трубы изготавливаются из мартеновской стали Ст. 3, группа А или Б. Нижняя часть трубы (примерно 1/3 высоты) футеруется огнеупорным кирпичом. 9 Основные показатели работы трубчатых печей Основными теплотехническими показателями работы трубчатой печи являются теплопроизводительность, тепловой коэффициент полезного действия, теплонапряженность поверхности нагрева, тепловая напряженность топочного объема, температура дымовых газов в топке и на перевале, коэффициент прямой отдачи, коэффициент теплопередачи, температура дымовых газов на выходе из печи, коэффициент избытка воздуха. Теплопроизводительность печи (полезная тепловая мощность) Qn – количество тепла, воспринимаемого сырьем в единицу времени. На современных трубчатых печах этот показатель достигает 7…60 МВт и 100 МВт на крупных установках. Тепловой коэффициент полезного действия – отношение количества тепла, воспринимаемого сырьем Qn, к полному количеству тепла, выделяемому н при сгорании топлива Q р : Qn . Qнр (9.1) 40 эффективность Тепловой коэффициент показывает использования тепла, образующегося при сгорании топлива. Величина η зависит от коэффициента избытка воздуха, температуры дымовых газов на выходе из печи, размеров печи, состояния тепловой изоляции и т.п. Тепловой коэффициент полезного действия современных трубчатых печей достигает 60…80 % (при использовании подогретого воздуха η ≈ 90%) [3, с. 358]. Теплонапряжение поверхности нагрева – количество тепла, переданного через единицу поверхности нагрева в единицу времени q Q , кВт / м 2 . F (9.2) Теплонапряжение поверхности нагрева характеризует степень эффективности передачи тепла. Превышение q более предельной величины ведет к снижению механической прочности металла, повышению возможности образования окалины на наружной поверхности труб и отложению кокса на внутренней. В таблице 9.1 приведены значения допустимых тепловых напряжений поверхности нагрева радиантных труб qp [3, с. 359]. Таблица 9.1 – Допустимые теплонапряжения радиантных труб Назначение печи Нагревательные печи Нагрев без испарения…………………………….. Нагрев и испарение нефти (до 340ºС)…………... То же (до 425ºС)………………………………….. Вакуумная перегонка мазута………………….…. Замедленное коксование…………………………. Каталитический крекинг…………………………. Каталитическое дегидрирование бутана……….. Отгон фильтрата установок депарафинизации… Нагрев раствора остаточных масел……………... Отгонка растворителей от масел………………... Реакционно-нагревательные печи Глубокий крекинг дистиллятного сырья……….. Легкий крекинг тяжелого и остаточного сырья... Легкое разложение мазута……………………….. Пиролиз газообразных углеводородов………….. Пиролиз низкомолекулярных газов и бензиновых фракций Допустимое среднее теплонапряжение qр, кВт/м2 46-58 31-47 27-35 24-31 23-35 29-47 29-35 20-23 17-20 23-35 29-47 24-41 29-47 23-47 12-24 Средние значения теплонапряжения конвективной поверхности qк находятся в пределах от 8 до 17,5 кВт/м2. Тепловое напряжение топочного объема – количество тепла, выделяемого при горении топлива в единице объема топки в единицу времени. В современных трубчатых печах эта величина составляет 40…80 кВт/м3 и характеризует эффективность использования объема топки. 41 Температура дымовых газов на перевале Тп – температура, при которой дымовые газы поступают в конвективную камеру. Она показывает распределение тепла между радиантной и конвективной камерами и составляет 975…1175 К. Увеличение температуры дымовых газов на перевале может вызвать коксообразование и пригар радиантных труб. Коэффициент прямой отдачи топки – отношение количества тепла, переданного радиантным трубам Qp, к общему полезному теплу, выделенному при сгорании топлива Q Tn : Qp Qp T . (9.3) Q n T Q Hp B Значение коэффициента прямой отдачи находится в пределах от 0,4 до 0,6. Большему значению коэффициента µ соответствует (при прочих равных условиях) меньшая температура дымовых газов на перевале. Коэффициент теплопередачи в конвективной камере кВт/(м2·К) зависит от скорости движения дымовых газов в конвективной камере. С увеличением скорости движения дымовых газов коэффициент теплопередачи увеличивается и наоборот. Коэффициент избытка воздуха α – отношение действительного расхода воздуха G к теоретически необходимому Go. Значение коэффициента α находится в пределах от 1,02 до 1,5 и зависит от вида топлива и способа его сжигания (меньшие значения – для газообразного топлива, большие – для жидкого). 10 Процесс горения топлива Тепло, передаваемое через стенки змеевика продукту, образуется за счет сгорания топлива. Одним из эффективных мероприятий повышения технико-экономических показателей трубчатых печей является полное сгорание топлива. Условиями полного сгорания топлива являются хорошее смешение горючего с воздухом, достаточно высокая температура процесса и подготовка топлива к горению. В горючую массу топлива входят вещества, содержащие в основном углерод и водород, а также незначительное количество серы, кислорода и азота. Кроме того, топливо может содержать влагу и вещества, образующие золу. Состав топлива может быть задан либо содержанием (в % массовых) каждого из вышеуказанных элементов (элементарный состав) либо содержанием компонентов (для газообразного топлива в % объемных содержание метана, этана и т.д.) – компонентный состав. Для расчета процесса горения необходимо знать элементарный состав топлива. Метод определения элементарного состава газообразного топлива по известному компонентному приведен в [7, с. 488]. С химической точки зрения горение – процесс окисления органической массы топлива. Носителем кислорода, необходимого для окисления топлива, является воздух. Воздух имеет следующий состав: - по массе – 23,2 % О2 и 76,8 % 2;N2 42 - по объему – 21,0 % О2 и 79,0 % N2 . Химизм окисления топлива С + О2 = СО2 (при неполном сгорании СО) S + O2 = SO2 H2 + 1/2O2 = H2O . Таким образом, продукты окисления элементов топлива (дымовые газы) содержат сухие двуокись углерода СО2, сернистый газ SO2, азот N2, кислород О2 и водяной пар H2O. Сухие трехатомные газы СО2 и SO2 обозначают через RO2. Полнота сгорания топлива в печи обеспечивается некоторым избытком воздуха, подаваемого для окисления. Избыток воздуха характеризуется коэффициентом избытка воздуха α G , Go (10.1) где G – действительный расход воздуха; Go – теоретически необходимый расход воздуха, определяемый по вышенаписанным стехиометрическим уравнениям реакций окисления топлива. Коэффициент избытка воздуха зависит от рода топлива и способа его сжигания [3, с. 361] для газообразного топлива при объемном факельном сжигании….1,05 … 1,2 при поверхностном сжигании в панельных горелках………………1,02... 1,05 для жидкого топлива…………………………………………………..1,2 … 1,5. По мере движения дымовых газов по направлению от топки к дымовой трубе значение α увеличивается вследствие подсоса воздуха через неплотности обмуровки печи и решеток ретурбендных камер - при жидком топливе и паровом дутье…………………………….1,2 … 1,8 - при воздушном дутье………………………………………………1,1 … 1,3 - средние значения над перевальной стеной……………………….1,4 … 1,5 - в конце конвективной камеры…………………………………….1,5 … 1,6 - при газовом топливе……………………………………………….1,05 … 1,2 - на выходе из радиантной камеры………………………………….1,2 - на выходе из конвективной камеры…………………………….....1,3. Подсос воздуха ведет к росту потерь тепла с отходящими дымовыми газами, что уменьшает кпд печи. Снизить подсос воздуха возможно при уплотнении всех зазоров, особенно в ретурбендной камере конвективной секции, поддержании в хорошем состоянии температурных швов, оштукатуривании наружной поверхности печной кладки и т.д. 11 Лучистый теплообмен в радиантной камере В трубчатых печах основная часть тепла (85…90 %) передается нагреваемому продукту в радиантной камере излучением. Лучистая энергия Е, попадающая на тело, частично поглощается (Еп), частично отражается (Ео), а частично проходит сквозь тело (Епр). Поглощенная 43 лучистая энергия увеличивает внутреннюю энергию тела, что ведет к повышению его температуры. Можно записать Е = Еп + Ео + Епр (11.1) или 1 Е п Е о Е пр . Е Е Е (11.2) Тело, поглощающее всю падающую на него энергию теплового излучения, называется абсолютно черным. Для такого тела Еп/Е = 1. К абсолютно черным можно отнести сажу, которая поглощает 90…96 % теплового излучения. Тело, отражающее все падающее на него излучение, называется абсолютно белым. Для такого тела Ео/Е = 1. К абсолютно белым можно отнести твердые тела с зеркальной поверхностью. Тело, для которого Епр/Е = 1, называется абсолютно прозрачным (дитермичным). К таким телам относятся почти все газы (кислород, азот, водород и т.п.), кроме многоатомных (окись и двуокись углерода СО и СО 2,сернистый газ SO2, водяной пар Н2О и др.). Тела, поглощающие лишь часть подающей на них лучистой энергии, называются серыми. К таким телам относятся строительные материалы, металлы, кладка и др. Теплопередачу излучением можно описать (наряду с другими) законами Стефана-Больцмана и Кирхгофа. В соответствии с законом Стефана-Больцмана энергия, излучаемая 1 м2 поверхности абсолютно черного тела (плотность излучения) ЕS, пропорциональна абсолютной температуре Т в четвертой степени, т.е. 4 T E S CS , Вт/м2 . 100 Для серых тел плотность излучения (11.3) 4 T Е C , Вт/м2 . 100 (11.4) В этих выражениях СS и С – коэффициенты излучения абсолютно черного (СS = 5,67 Вт/(м2К4) и серого тел. В соответствии с законом Кирхгофа отношение излучаемой (Е) и поглощаемой (А) серым телом энергии не зависит от его природы и равно энергии излучения абсолютно черного тела, т.е. Е1 Е 2 ... Е S . А1 А 2 (11.5) Из уравнения 11.5 следует, что тело с низкой излучательной способностью мало поглощает лучистую энергию. 44 Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. При температурных условиях, характерных для трубчатых печей, учитывается излучение только трехатомных газов (СО2; SO2 и H2O). Схему теплопередачи в радиантной камере можно представить так: факел и дымовые газы являются первичными источниками тепловой энергии. Эта энергия изучением и конвекцией (т.к. имеет место движение дымовых газов) передается трубному экрану поверхностью Fp и неэкранированным стенкам поверхностью Н. Неэкранированные стенки топки, нагреваясь, излучают тепло (вторичный источник тепловой энергии). Таким образом, экран воспринимает прямое и отраженное излучение. Описанная схема теплопередачи изображена на рисунке 11.1. 1 – первичный источник тепловой энергии (факел, дымовые газы) 2 – вторичный источник (обмуровка стен) 3 – трубный экран Рисунок 11.1 – Схема теплопередачи в радиантной камере Общее количество тепла Q, воспринимаемое поверхностью экранных труб, можно определить по выражению Q=Q1 + Q2 + Q3 , Вт , (11.6) где Q1 – количества тепла, излучаемого от факела и излучающих неэкранированных стенок; Q2 – количество тепла, излучаемое дымовыми газами (многоатомные газы); Q3 – количество тепла, передаваемого конвекцией. T 4 4 Q1 C F 100 100 (11.7) T 4 4 Q 2 CS F 100 100 (11.8) Q3 T 1 F. (11.9) В этих выражениях С – коэффициент взаимного излучения; Т – температура излучающей поверхности; θ – температура лучепоглощающей поверхности (экранных труб); φ – угловой коэффициент, зависящий от геометрических размеров топки и взаимного расположения поверхностей; ε – степень черноты топочной камеры; F – поверхность теплообмена. 45 В уравнениях (11.7-11.9) неизвестными величинами являются С; φ; Т; θ; ε. Все аналитические методы расчета лучистого теплообмена в радиантной камере базируются на законе Стефана-Больцмана, уравнениях теплового баланса и теплопередачи в топке и отличаются математической записью формул. Наиболее применим в расчетной практике метод профессора Н.И. Белоконя, в основе которого положено совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи в топке. Уравнение теплового баланса топки ВQ Hp T BGC p (Tn To ) Qp . (11.10) Радиантные трубы воспринимают лучистое тепло Qрл и небольшое количество тепла, передаваемое конвекцией Qрк Qр = Qрл + Qрк . (11.11) Предполагая, что основным теплоизлучающим источником являются топочные газы, в методе Белоконя за температуру Т в уравнении (11.7) принята температура дымовых газов на перевале Тп. Введено также понятие эквивалентной абсолютно черной поверхности НS – такой поверхности, излучение которой при Тп равно всему прямому и отраженному излучению, воспринимаемому радиантным экраном. Тогда уравнение (11.7) запишется Q рл Т п 4 4 С S H S . 100 100 Тепло, воспринимаемое радиантными определяется по уравнению трубами Q рк к Fp (Tп ). (11.12) за счет конвекции, (11.13) Теперь уравнение (11.10) можно представить в виде Tп 4 4 ВQ T BGC p (Т п Т о ) C S H S к Fp (Т п ) , (11.14) 100 100 H p при этом Fp Qp qp . (11.15) При расчете радиантной камеры трубчатой печи величиной Тп задаются, а величину qp либо рассчитывают, либо принимают. Остальные величины, входящие в уравнение (11.14), к моменту его решения становятся известными и потому при правильно выбранных величинах Тп и qp это уравнение обращается в тождество. В технологическом расчете трубчатой печи предлагаемого пособия приведена схема расчета радиантной камеры по методу Н.И. Белоконя. 46 12 Технологический расчет нагревательной печи пламенного горения 12.1 Теплопроизводительность печи (полезная тепловая мощность) Количество тепла, воспринимаемого сырьем в печи за единицу времени, определяется в зависимости от назначения печи: – нагрев сырья от Тн до Тк (е = 0) Q n G c (h Тк h Tн ), кВт; (12.1) – нагрев и частичное испарение сырья (0 < e < 1) Qn Gс eH Tк (1 e)hTк hТн , кВт; (12.2) – полное испарение сырья (е = 1) Q n G c (H Tк h Тн ), кВт, (12.3) где Gс – производительность печи по сырью, кг/с; е – массовая доля отгона сырья; hТн; hТк – энтальпия жидкой фазы сырья соответственно при начальной (Тн) и конечной (Тк) температурах, кДж/кг; НТк – энтальпия паровой фазы сырья при Тк, кДж/кг. Числовые значения энтальпии нефтяных жидкостей и паров приведены в таблицах А1.1 и А1.2 приложения А. 12.2 Расчет процесса горения 12.2.1 В зависимости от вида топлива и способа выражения его состава (элементарный либо компонентный) используются следующие выражения для определения низшей теплотворной способности (теплоты сгорания) топлива Q Hp : – жидкое топливо (уравнение Менделеева) Q pH 339,1C 1030 H 108,9(0 S ) 16,75W , кДж , кг (12.4) где C; H; O; S; W – концентрация соответствующих элементов и влаги в топливе, % масс; – жидкое топливо на нефтяной основе 288 288 2 Q pH 46423 3169 288 8792( 288 ) , где - относительная плотность топлива; – органические жидкости кДж , кг (12.5) 288 288 QHp 109066(4C H), кДж/моль, (12.6) 47 где С и Н – число атомов углерода и водорода; – газообразное топливо Q pH 4,19(286,7 H 2 24,15CO 119,5CH 4 112,7C2 H 4 113,5C2 H 6 35,77 H 2 S ), (12.7) где Н2 и СО и т.д. – концентрация соответствующих компонентов топлива, % масс. 12.2.2 Теоретическое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива Теоретическое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива определяются по уравнениям – массовое G O 0,115C 0,345H 0,043(S O), кг / кг ; – объемное VO GO 3 ,м / с , O (12.8) (12.9) где ρо – плотность воздуха при нормальных условиях (ρо = 1,293 кг/м3). 12.2.3 Количество продуктов сгорания одного килограмма топлива, кмоль/кг – трехатомных газов N RO 2 N CO 2 N SO 2 C S ; 100 M C 100 M S N H 2O H G Ф ; 100 M H2 M H2 (12.10) – двухатомных газов – в радиантной камере (в топке) N O2 0.21 V0 (α1 - 1) ; 22.4 – в газоходе N Н2 0.79 V0 α1 ; 22.4 N H 2 O2 N H 2 N O2 ; (12.11) 0.79 V0 α 2 0.21 V0 (α 2 - 1) NN ; N N O N N2 N O , ; (12.12) 2 2 2 2 22.4 22.4 где 1, 2 - коэффициенты избытка воздуха соответственно в топке и в газоходе печи. При газовом топливе рекомендуется принимать = 1-05 … 1,35 [3, с.388], причем 2 принимается на 10% выше, чем 1; N RO , N H O , N N O -соответственно количество кмолей RO2, H2O, N2+O2, образующихся при сгорании 1 кг топлива; Мс, Мs, Мо2- мольная масса газов; N O2 2 2 2 2 48 GФ – расход водяного пара на распыливание GФ 0.5 кг кг . топлива принимается 12.2.4 Суммарное количество продуктов сгорания одного килограмма топлива: – в топке Т N iТ N RO N H2O N NT 2 O2 ,кмоль/к 2 (12.13) GiT 1Go 1 , кг/кг; (12.14) – в газоходе N iг N RO2 N H 2O N N2 O2 , кмоль/кг (12.15) Giг 2 G0 1 , кг/кг . (12.16) Плотность дымовых газов в газоходе ( кг м ) при нормальных условиях 3 Giг ρ0 . 22.4 N iг (12.17) 12.3 Коэффициент полезного действия печи и топки. Расход топлива 12.3.1 Задается температура отходящих дымовых газов, которая принимается на 100 … 150 К выше температуры поступающего продукта. При естественной тяге температура отходящих дымовых газов не должна быть ниже 523 К, так как в этом случае трудно обеспечить нормальную работу печи. При более низкой температуре газов требуется искусственная тяга дымососов. Т ух Т Н 100150 . (12.18) 12.3.2 Определяют величину теплопотерь с отходящими газами Q ух N RO 2 C RO 2 N H 2O C H 2O N N 2 O 2 C N 2 O 2 Т ух 273 , (12.19) где C RO 2 , C H 2O , C N 2 O 2 - средние мольные теплоемкости газов, кДж/(кмольК), определяются по рисунку А1.1 приложения А. 12.3.3 Задаются величиной потерь тепла в окружащую среду в пределах от 3 до 8 % от низшей теплотворной способности топлива, при этом меньшее значение соответствует печам большой тепловой мощности, а большее - печам малой теплопроизводительности. Распределение теплопотерь по камерам современных трубчатых печей дано в таблице 12.1 49 Таблица 12.1- Распределение теплопотерь Теплопроизводительность печи, МВт всего > 17.5 < 3.5 2-5 5-8 Теплопотери, % в камере радиации (топка) 1.5-4.0 4.0-6.0 в камере конвекции 0.5-1.0 1.0-20. 12.3.4 Составляют тепловой баланс печи и определяют ее кпд и расход топлива (в кг/с) ηП 1 B Q yx QН p Q пот , QН p QП Q НР η П . (12.20) (12.21) 12.3.5 Коэффициент полезного действия топки ηT 1 Q Tпо т QН p . (12.22) 12.4 Выбор конструкции печи, размеров труб и ретурбендов Конструкцию печи выбирают согласно расчетному значению полезной тепловой мощности печи и разработкам Гидронефтемаша на тепловые печи (приложение Б). Выбранный диаметр труб должен соответствовать размерам ретурбендов или двойников, соединяющих трубы в непрерывный змеевик. Наибольшее распространение получили трубы с наружным диаметром 0,060; 0,089; 0,102; 0,127; 0,152 м и полной длиной (lполн) 9.1; 12,1; 15,1 м.Толщина стенки зависит от давления. При условном давлении до 2,5 МПа толщина стенки 0,006 - 0,008 м, до МПа - 0,008 -0.012 м. Диаметр конвективных труб и число потоков выбираются исходя из допустимой скорости сырья на входе в змеевик. С увеличением скорости сырья повышаются потери напора в трубном змеевике и соответственно увеличиваются затраты энергии на привод загрузочного насоса, но в то же время с повышением скорости сырья возрастает коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что способствует снижению температуры стенок , снижению разложения сырья и отложению кокса и загрязнений на внутренней поверхности труб. 50 Значение допустимой скорости на входе сырья в печь рекомендуется в м пределах 0,5 … 3,0 /с [6, с.8] (оптимальная скорость – 0,8…1,0 проверяется по уравнению 4G с W , π d 2B ρ с N где dВ - внутренний диаметр конвективных труб., м; м /с [6, с.166]) и (12.23) 3 с - плотность сырья при Тн, кг/м (определяется по рисунку А1.2 приложения А); N - число потоков ввода сырья. В радиантной секции печи происходит испарение сырья, что приводит к увеличению объема продукта, повышению скорости продукта в трубах и соответственно потери напора в змеевике возрастают. Поэтому радиантные трубы желательно выбирать большего диаметра, чем конвективные. При выборе размеров двойников следует руководствоваться таблицей 12.2. Таблица 12.2 – Размеры двойников Условное давление , МПа Условный диаметр, м До 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 6,5 6,5 10,0 0,060 0,089 0,102 0,127 0,152 0,102 0,127 0,102 Расстояние между осями труб, м 0,120 0,150 0,172 0,215 0,275 0,203 0,250 0,203 Для экранов двухстороннего облучения желательно иметь большее расстояние между трубами, что обеспечивает лучшее облучение труб второго экрана. В соответствии с выбранным типом трубчатой печи определяется общее число радиантных труб исходя из известной поверхности радиантных труб и их размеров. Решается вопрос о размещении общего числа труб в экране двухстороннего облучения, подовом и потолочном экранах. Общее число радиантных труб nP HP , F (12.24) где НР - поверхность радиантных труб, м2 F - поверхность одной трубы, м 2 F πd H l , где dH – наружный диаметр трубы , м; (12.25) 51 l – полезная длина трубы, м. l lполн 0,5 . (12.26) При проектировании печи общее число радиантных труб рассчитывается. 12.5 Расчет радиантной камеры 12.5.1 Задаются теплонапряжением поверхности нагрева радиантных труб ( qp = 35…58 кВт/м2) [3, с. 359] и ориентировочно принимают температуру дымовых газов на перевале (Тп = 975…1125К) [3, с. 359]. 12.5.2 Средняя теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива (кДж/(кгград)) при Тр GCр m N RO2 CRO2 N H2OCH2O N N2 O2 CN2 O2 , (12.27) где С RO 2 , C H 2O , C N 2 O 2 удельная теплоемкость газов на перевале при Тп, кДж/(кмольград). 12.5.3 Количество тепла, передаваемое сырью в радиантной (Qp) и конвективной (Qк) камерах, кВт (12.28) H Qp B[Qp T GCp m (Tп 273)] Qк = Qп – Qp . (12.29) 12.5.4 Температуру сырья на входе в радиантную камеру определяют по величине удельной энтальпии жидкости на выходе из камеры конвекции, т.е. на входе в радиантную камеру Q hTp hTн к , кДж / кг . (12.30) Gс По таблице А1.1 приложения А находят температуру сырья на входе в радиантную камеру Тр . 12.5.5 Температура наружной поверхности радиантных труб θ принимается на 30…40 градусов выше средней температуры сырья в камере радиации Тр Тк 2 (30...40) , (12.31) где Тк – температура сырья на выходе из печи, К. 12.5.6 Теоретическая максимальная температура горения Т max TО QPH T ,K , GCpm (12.32) 52 где То – приведенная температура исходной системы, определяемая с учетом тепла, вносимого воздухом и водяным паром на распыливание топлива по выражению Т О 273 Qв Qф GC р m 273 1GO Cв (Т в 273) GфCф (Т ф 273) GC р m . (12.33) 12.5.7 По известным величинам Тmax , Тп и θ с использованием данных, приведенных в таблице 12.3 и на рисунках А1.4, А1.5 приложения А определяется значение параметра qS. Если расчетное значение температуры экрана θ не совпадает со значениями, по которым построены графические зависимости, необходимо определить qS для всех трех значений θ (473, 673 и 873 К) и построить вспомогательную кривую зависимости qs от θ. Полученная кривая позволяет определить значение qS для данной температуры поверхности радиантных труб. Таблица 12.3 – Зависимость температуры газов на перевале Тп от максимальной температуры горения Тmax, параметра qs = Q/Hs и температуры θ Значение Тmax при различных значениях qs, Вт/м2 и θ, К Та, К 1073 1273 1573 1673 1873 2073 2273 2673 58 150 Вт/м2 116 300 Вт/м2 232 600 Вт/м2 348 900 Вт/м2 473 К 673 К 873 К 473К 673 К 873 К 473 К 673 К 873 К 473 К 673 К 873 К 753 793 823 833 853 863 873 893 823 853 873 893 913 923 933 953 933 963 993 998 1003 1013 1023 1043 833 893 933 953 988 1003 1013 1033 873 933 973 1003 1033 1043 1053 1083 953 1013 1053 1073 1093 1103 1123 1143 913 993 1043 1093 1133 1153 1183 1213 943 1023 1083 1123 1153 1173 1193 1233 993 1083 1133 1163 1193 1223 1263 1283 943 1063 1133 1173 1213 1243 1283 1333 973 1093 1153 1193 1233 1263 1293 1343 1013 1133 1193 1233 1273 1303 1343 1373 12.5.8 По известному количеству тепла, внесенного в печь (12.34) Q BQ HpT Qв Qф определяют величину эквивалентной абсолютно черной поверхности Нs Hs Q 2 ,м . qs 12.5.9 Выбирают конструкцию печи и степень экранирования ψ Нл , Нл F (12.35) (12.36) где Нл – эффективная лучевоспринимающая поверхность, м2; F – неэкранированная, т.е. не занятая радиантными трубами, поверхность кладки, м2. 53 Приняв числовое значение степени экранирования в диапазоне = 0,3…0,8 (0,35…0,50) [3, с. 366] по таблице 12.4 или рисунку 12.1 в зависимости от коэффициента избытка воздуха α1 находят отношение Hs/Hл и определяют величину эффективной лучевоспринимающей поверхности Нл Hs , м2 . Hs / H л (12.37) Таблица 12.4 – Зависимость отношения Hs/Hл от степени экранирования ψ и коэффициента избытка воздуха α Hs/Hл при различных значениях ψ α 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,5 0,2 0,98 0,97 0,95 0,94 0,92 0,91 0,89 0,88 0,86 0,85 0,83 0,78 0,3 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 0,80 0,78 0,77 0,75 0,73 0,67 0,4 0,84 0,81 0,78 0,76 0,74 0,72 0,70 0,68 0,66 0,64 0,63 0,56 0,5 0,80 0,77 0,74 0,72 0,68 0,66 0,65 0,63 0,61 0,58 0,57 0,50 0,6 0,77 0,73 0,70 0,68 0,65 0,62 0,60 0,58 0,56 0,54 0,53 0,46 0,7 0,73 0,70 0,67 0,65 0,62 0,58 0,57 0,55 0,53 0,51 0,49 0,42 0,8 0,70 0,67 0,63 0,62 0,58 0,55 0,53 0,51 0,49 0,47 0,46 0,38 Рисунок 12.1 – Зависимость отношения Hs/Hл от степени экранирования топки 1,0 0,65 0,62 0,58 0,55 0,52 0,50 0,47 0,45 0,43 0,42 0,40 0,33 54 12.5.10 Принимают расстояние между осями труб S и число рядов труб в экране в зависимости от принятых значений по графику (рисунок А1.6 приложения А) определяют фактор формы К. При S/dн = 2 для однорядного экрана К = 0,88, для двухрядного экрана К = 0,98 ( для первого ряда К = 0,68, для второго К = 0,30). По величине К определяют площадь заэкранированной поверхности кладки Н (м2) К Н л т.е. Н , Н л . Н К (12.38) С другой стороны, площадь заэкранированной поверхности кладки можно определить по уравнениям - для однорядного экрана ; (12.39) Н n 1 S d H l - для двухрядного экрана Н n dH l , (12.40) где n – общее число труб радиантной камеры; l – полезная длина трубы, м. (см. пункт 12.4, формула 12.26) Решая совместно уравнения 12.38 и 12.39 либо 12.40, определяют число радиантных труб и их поверхность FP n πd H l , м 2 . (12.41) 12.5.11 В зависимости от выбранной конструкции печи решается вопрос о размещении радиантных труб. Например, в печи с наклонным сводом радиантные трубы располагают на поде и своде печи. Определяют геометрические размеры печи расчетным путем (зная число труб на соответствующей стороне печи и их размеры), либо конструктивно. Принимают число труб в ряду и расстояние между осями труб (S1) в камере конвекции (рисунок 12.2). Рисунок 12.2 – Эскиз печи с наклонным сводом 12.5.12 Вычисляют общую поверхность кладки печи с учетом торцевых стен F и фактически заэкранированную поверхность H 55 Σ F (l 3 h 1 l 2 l l l1 h 2 ) l 2 h1 l 3 4 1 5 h 3 2 , м 2 2 2 H 2(l 3 l 2 ) l , м 2 . (12.42) (12.43) 12.5.13 Уточняют величину эффектной лучевоспринимающей поверхности НЛ К Н (12.44) НЛ . ΣF (12.45) и степень экранирования Ψ Если полученное значение значительно (более 5 %) расходится с ранее принятой степени экранирования (пункт 12.5.9), то определяют новое значение отношения НS/НЛ, а также НS и и повторяют расчет. 12.5.14 Для расчета прямой отдачи тепла в топке определяют - температурную поправку на теплопередачу в топке Δ θ , которая характеризует разность теплоотдачи конвекцией и обратного излучения поверхности радиантных труб α КFР (Т max θ ) 0.2777 10 8 CS HSθ 4 , (12.46) Δθ 0.2777 10 3 BGCpm α KFР где Сs – постоянная излучения абсолютного черного тела (Сs=5,67Вт/м2К4); α к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к экранным трубам, Вт/(м2град) к 2,1 4 Т п . (12.47) Для ускорения расчета величины α к можно воспользоваться данными таблицы 12.3. Таблица 12.3 – Значения величины α к Тn - θ , К 100 200 300 400 500 α к, Вт/(м2.К) 6,63 7,91 8,61 9,30 9,89 Тn - θ , К 600 700 800 900 1000 α к, Вт/(м2.К) 10,47 10,82 11,05 11,40 11,75 - аргумент излучения 0.2777 C S H S Т max Δ θ х , 3 0.2777 10 BGCpm α K FР 1000 3 (12.48) 56 - характеристику излучения β s из уравнения xβ S4 β S 1 . (12.49) Характеристика излучения может быть найдена в зависимости от аргумента по таблице 12.4, либо по рисунку А1.3 приложения А; Таблица 12.4–Зависимость характеристики излучения β s от аргумента излучения х Аргумент Характери Аргумент Характери Аргумент Характери Аргумент Характери излучения стика излучения стика излучения стика излучения стика излучения излучения излучения излучения х х х х βs βs βs βs 0 1,00 1,25 0,70 8,00 0,50 23,44 0,40 0,15 0,90 2,00 0,65 9,00 0,49 30,00 0,38 0,20 0,88 3,00 0,60 10,00 0,48 50,00 0,34 0,40 0,82 4,00 0,57 12,00 0,46 70,00 0,32 0,49 0,80 5,00 0,55 14,00 0,44 90,00 0,30 0,60 0,78 6,00 0,53 16,00 0,43 110,00 0,29 0,80 0,75 7,00 0,51 18,00 0,42 1,00 0,72 20,00 0,41 - температуру дымовых газов на перевале Т п β S Tmax Δ θ . (12.50) Температура на перевале может быть также найдена по таблице 12.5. Таблица 12.5 – Температура дымовых газов Т п Hs 0.2777 10 3 BGС pm к Fp 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Значение Т п при различных величинах Tmаx-Δ θ 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 833 748 703 678 923 823 758 723 693 998 873 813 773 738 1053 933 858 813 773 1108 963 893 843 803 1153 1008 938 888 848 1213 1048 963 908 873 1248 1083 998 943 898 Если полученное по формуле (12.50) значение температуры Т п более чем на 5% отличается от принятого в начале расчета, то задаются новым значением Т п и расчет повторяют. При этом, если значение температуры на перевале превышает допустимое, то увеличивают поверхность нагрева радиантной камеры; - коэффициент прямой отдачи μ Т Tп . (12.51) μ max Т max To 57 12.5.15 Уточняют радиантной камере, кВт количество тепла, передаваемое Q p BQнpη т μ . сырью в (12.52) 12.5.16 Проверяют теплонапряжение радиантных труб qp Q p Fp , кВт /м2. (12.53) Если полученное по выражению (12.53) значение q p допустимо для данного технологического процесса, то расчет считается законченным. Если значение q p выходит из диапазона рекомендуемых значений (пункт 12.5.1 расчета), то необходимо изменить температуру Тn , имея в виду, что при увеличении температуры дымовых газов на перевале повышается теплонапряжение радиантных труб и уменьшается поверхность и наоборот. Тепловой расчет радиантной камеры можно выполнить аналитически, решая совместно уравнения теплового баланса и теплопередачи в топке, полагая, что радиантные трубы воспринимают лучистое тепло () и небольшое количество тепла, передаваемое конвекцией Q, т.е. QP=QPЛ+QPK . (12.54) Для расчета лучистого теплообмена в радиантной камере наиболее часто применяется метод профессора Н.И.Белоконя. Алгоритм расчета 1 Задаются теплонапряжением поверхности нагрева радинтных труб qp и температурой дымовых газов на перевале Тn (пункт 12.5.1). 2 Определяется количество тепла, передаваемого сырью в радиантной камере QР (уравнение 12.28). 3 Определяется поверхность радиантных труб FP QP 2 qp , м . (12.55) 4 Определяется заэкранированная поверхность кладки Н при расстоянии между осями труб S=2dН – для двухрядного экрана H FP ; (12.56) – для одноряного H 2 FP , (12.57) где π=3,14. 5 Эффективная лучевоспринимающая поверхность НЛ Нл=КН , (12.58) 58 где К-фактор формы экрана (для однорядного двухрядного К=0,98) (пункт 12.5.10). экрана К=0,88, для 6 Определяется число труб радиантной камеры n FP (12.59) (d H l ) и осуществляют конструирование печи, т.е. определяют основные геометрические размеры топки и ширину конвекционной камеры (пункт 12.5.11). 7 Вычисляют общую поверхность кладки ΣF и неэкранированную поверхность по уравнению F=ΣF-HЛ, м2 . (12.60) 8 Определяется числовое значение углового коэффициента взаимного излучения экрана и кладки ρFH по формулам – при F ≤2 HЛ – при F >2,5 HЛ FH HЛ F HЛ (12.61) HЛ . F (12.62) FH 9 Определяется значение вспомогательной функции γ 1 1 1 V 1 V FH H , (12.63) где Н-степень черноты поверхности экрана. Н=0,9…0,95; V-степень черноты топочной среды. Значение V можно принять (V=0,3…0,35) либо рассчитать в зависимости от коэффициента избытка воздуха α1, по уравнению 2 V . (12.64) 1 2.15 1 10 Эквивалентная абсолютно черная поверхность рассчитывается по формуле H S V ( H H Л F F ) , м2 , (12.65) (T ) где F-степень черноты поверхности кладки. F =0,85…0,90; ξ(Т)-величина, зависящая от распределения температур в топке, в среднем равная 0,85. 11 По уравнению (12.31) определяется температура наружной поверхности радиантных труб θ и коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к экранным трубам αк (уравнение 12.47). 12 Определяется температурная поправка ∆θ (по уравнению 12.46). 13 По уравнению (12.48) определяется аргумент излучения х. 14 Аналитически (уравнение 12.49) либо графически определяется числовое значение характеристики излучения βS. 59 15 По уравнению (12.50) рассчитывается температура дымовых газов на перевале Тn, коэффициент прямой отдачи μ (уравнение 12.51), величина QР (уравнение 12.52) и уточняют теплонапряжение радиантных труб qp. Полученные значения анализируют и делается вывод либо о завершении расчета, либо о необходимости принять другие значения Тn и qp и расчет повторить. 12.6 Расчет конвективной камеры Расчет конвективной камеры сводится либо к определению необходимой поверхности нагрева (при проектировании печи), либо (в случае если геометрия и размеры печи известны) к определению, способна ли данная конструкция обеспечить требуемую поверхность теплообмена, т.е. проверочному расчету. 12.6.1 Уточненная тепловая нагрузка камеры конвекции, кВт , Q*K Q П Q*P . (12.66) 12.6.2 Энтальпия жидкости на выходе из конвективной камеры h т р h тн Q*K . Gс (12.67) По таблице А1.1 приложения А уточняют температуру сырья на выходе из камеры (Тр). 12.6.3 Предварительное значение поверхности конвективных труб (для случая проектирования печи) FK QK , qK где qK - теплонапряженность конвективных труб, qK = 8…17.5 Необходимое количество труб в конвективной камере FK nK , π l dH (12.68) кВт /м2. (12.69) где l - полезная длина конвективной трубы, м dН - наружный диаметр конвективной трубы (п.12.4). 12.6.4 Конструирование камеры конвекции l Если размеры камеры конвекции не известны, то принимают число труб (смотри пункт 12.5.11 расчета) в ряду, определяют число рядов и, приняв расстояние между осями труб в горизонтальном ряду S1, равное 1,5:1,7:2,0d (в зависимости от размеров двойников) и расстояние между осями труб в вертикальном ряду S2=0.866S1 при шахматном расположении труб, определяют ширину аК=l4 (см. рисунок 12.2) и высоту hK камеры конвекции: 60 a K n1 S1 S1 2 , h K n 2 S2 S3 , (1 где n1 - число труб в ряду; n2 – число рядов труб; S1/2-расстояние от кладки до осей крайних труб; S3 - расстояние от нижней части конвективной камеры до оси первого ряда труб. Принимают S3=0,25 м. 2 Если размеры камеры конвекции известны (печь выбрана по каталогу),то выбирают расстояние между трубами, чтобы обеспечить нужную поверхность теплообмена. При выборе числа труб в ряду и расстояния между ними необходимо, чтобы скорость дымовых газов в самом узком сечении межтрубного пространства равнялась 10…12 м/с [6, с 166]. 12.6.5 Свободное сечение для прохода дымовых газов, м²; f (a K n1 d) l (12.71) 12.6.6 Массовая скорость дымовых газов в свободном сечении камеры, кг /(м2 с), ВGiT Giг U , 2f (12.72) G iT G i2 где -среднее количество продуктов горения 1 кг топлива в 2 конвективной камере, кг/кг (см. пункт 12.2.4). 12.6.7 При шахматном расположении труб коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке труб, Вт /(м2К) находится по формуле Литвинова: α K 1.163Cε m E Un , d1 n (12.73) где С=1+(0,1S1/dH); Е- величина, зависящая от средней температуры дымовых газов в Tп Tух конвекционной камере ( Tср ) (таблица 12.6); 2 n- показатель степени; ε m- поправка, значения которой приведены в таблице 12.7. Таблица 12.6-Зависимость величины Е от средней температуры дымовых газов Т ср Тср, К Е Тср, К Е 373 11,4 773 21,4 473 17,4 973 23,5 573 19,2 1173 24,6 61 Таблица 12.7 – Значения поправки ε m и показателя n Значения m и n при различном расположении труб коридорное шахматное Число рядов труб в конвективной камере 1 2 3 4 n εm n εm 0.60 0.65 0.65 0.65 0.150 0.138 0.138 0.138 0.60 0.60 0.60 0.60 0.150 0.200 0.255 0.255 12.6.8 Коэффициент теплоотдачи излучением от дымовых газов, рассчитывается по формуле Нельсона α Л 0,0256 Т ср 9,3 , Вт /(м2К) (12.74) где Тср – средняя температура дымовых газов в конвективной камере. 12.6.9 Коэффициент теплоотдачи излучением от стенок конвективной камеры принимают равным 0,1(К+Л). Тогда коэффициент теплопередачи К 1,1( к л ), Вт/(м2К) . (12.75) 12.6.10 Средний температурный напор в конвективной камере определяется по схеме противотока, т.к. при количестве рядов труб более трёх; смешанноперекрёстный противоток можно приравнять к чистому противотоку: ТП дымовые газы Тух ТР б сырье ΔТ ср ТН б τб τм 2,3lg τ б τ м (12.76) 12.6.11 Необходимая поверхность нагрева, м 2 , FK QK . k ΔTср (12.77) 12.6.12 Уточняют теплонапряженность поверхности нагрева конвективных труб и размеры камеры конвекции q нк QK кВт 2 , /м . FK (12.78) 62 12.7 Гидравлический расчет змеевика При гидравлическом расчете змеевика трубчатой печи определяют потери давления. При расчете потерь давления в змеевике могут встретиться случаи, когда продукт подвергается: - только нагреву и на всем протяжении змеевика остается в жидкой фазе; - нагреву и частичному или полному испарению; - нагреву, испарению и химическому превращению. 12.7.1 Если продукт на всем протяжении змеевика в процессе нагрева находится в одной фазе, расчет давления проводится по формуле Дарси – Вейсбаха l ýêâ U 2 ΔP λ , d â 2ρ (12.79) где Р – потери давления на рассчитываемом участке, Па; - коэффициент гидравлического сопротивления (определяются по таблице 12.8); lэкв – эквивалентная длина одного потока, м; dв – внутренний диаметр труб, м ; 2 U – массовая скорость продукта в трубах, кг/(м с); 3 - плотность продукта при средней температуре на участке, кг/м . Таблица 12.8-Значение коэффициента гидравлического сопротивления Внутренний диаметр труб, dв, м 0,063 0,076 0,089 0,101 0,127 0,152 0,035 0,043 0,033 0,032 0,031 0,030 Эквивалентная длина одного потока радиантных труб, м lэкв lполн n (n 1) d в , (12.80) где n – число труб в одном потоке; - коэффициент, определяемый по таблице 12.9. Таблица 12.9 – Значение коэффициента в зависимости от вида соединения Конструкция двойника Значение Двойник с резким поворотом и значительным внутренним сужением потока 100 Двойник с резким поворотом потока 50-60 Двойник с плавным поворотом потока 30 15 Калач с радиусом R 4 dв 63 Массовая скорость продукта на рассматриваемом участке змеевика 4G C U , (12.81) π d в2 N где Gс – производительность печи по сырью, кг/с; dв – внутренний диаметр змеевика, м; N – число потоков ввода сырья. 12.7.2 Гидравлический расчет змеевика нагревательных печей , в которых происходит испарение продукта, рекомендуется производить по методу Б.Д. Бакланова [6, с.132]. Рисунок 12.3 – Условное разделение змеевика на участок нагрева (1) и испарения (2) Змеевик условно разбивается на участок нагрева и участок испарения. Расчет потери напора производится на каждом участке отдельно (см. рисунок 12.3). 12.7.2.1 Предварительно принимают давление в начале участка однократного испарения РО.И. (Па). По кривой зависимости температуры начала однократного испарения сырья от давления (рисунок А1.5 приложения А) находят, что этому давлению соответствует температура закипания нефти ТО.И. 12.7.2.2 Предполагая, что распределение тепловых нагрузок по змеевику равномерное, длина участка испарения, м, определяется по уравнению lи Н вых h о.и. l'экв , Н вых h H (12.82) где Нвых – удельная энтальпия сырья на выходе из печи, кДж/кг, Н вых еН тк (1 е)h тк , (12.83) где hо.и. – удельная энтальпия сырья при То.и., кДж/кг; hн – удельная энтальпия сырья в начале трубного змеевика, кДж/кг. Если предположить, что испарение продукта начинается в радиантном змеевике, то hН=hтр (см. пункт 12.6.2); lэкв – эквивалентная длина змеевика (определяется по уравнению 12.80). 12.7.2.3 Для уточнения принятого ранее Ро.и. применяют формулу Б.Д. Бакланова 64 Р о.и. Р 2К А l и Р К В l и2 , (12.84) где РК – давление в конце рассматриваемого участка, Па (для ранее принятого предположения – давление продукта на выходе из печи); А и В – расчетные параметры, определяемые по выражениям 0,815 λ G 12 9,81 А λ ρ ж А ; В , (12.85) 5 ρж dв lи ρп где G1 – расход сырья для одного потока, кг/с; ж – плотность жидкости при средней температуре участка, кг/м3; п – плотность паров кг/м3. Для печей, нагревающих нефть и полумазут, можно принять 1/П =3500 [6, с. 150]; е – массовая доля отгона продукта в конце участка испарения; - коэффициент гидравлического сопротивления, принимается равным для атмосферных печей от 0,02 до 0,024; для вакуумных печей от 0,018 до 0,02. 12.7.2.4 Потеря давления на участке испарения ΔР и Р о.и Р к . (12.86) 12.7.2.5 Потери давления на участке нагрева в радиантном змеевике Р р и в конвективном змеевике РК рассчитываются по уравнению 12.79. При этом эквивалентная длина нагрева для радиантного змеевика lэкв.р. определяется как l экв.р. l экв l и. (12.87) Эквивалентная длина конвективного змеевика для одного потока сырья определяется по уравнению 12.80. 12.7.3 Статическое давление столба жидкости, нагреваемой в печи, Па ΔР ст 9,81 h ρ Ж , (12.88) где h - высота печи до оси потолочного экрана, м ; ж - плотность сырья при средней температуре в конвективных трубах, кг/м3. 12.7.4 Общие потери давления в трубчатом змеевике в случае изменения агрегатного состояния, Па ΔР ΔР K ΔР P ΔР и ΔР ст . (12.89) 12.7.5 Давление продукта на входе в печь ΔР вх ΔР Р вых , где Р вых - давление продукта на выходе из печи. (12.90) 65 12.8 Расчет газоходов 12.8.1 Количество продуктов горения (кг/с), поступающих в боров G г α 2 G 0 1 B . (12.91) 12.8.2 Плотность продуктов горения (кг/м 3 ) ρг ρ0 273 , Tух (12.92) где ρ 0 - плотность дымовых газов при нормальный условиях (пункт 12.2.4); Тух - температура газов на выходе из конвективной камеры, К. 12.8.3 Сечение газохода, м² S Gг ρгω , (12.93) где - линейная скорость движения газов в газоходе, принимается равной 4…8 м/с [5, с.140]. 12.8.4 Зная сечение, определяют размеры газохода (ширину А и высоту Б). Для нормализации конструкции газоходов и шиберов к ним рекомендуется в проектах принимать следующий нормальный ряд газоходов: для дымовых газов, имеющих температуру до 500 С, - по рисунку 12.4, размеры газохода даны в таблице 12.10; если температура дымовых газов более 500 - по рисунку 12.5 и таблице 12.11. Отношение высоты газохода к ширине принимается обычно 1,2. Длина l 2 газохода принимается с учетом расположения печи и другого оборудования технологической установки. 66 Рисунок 12.4 – Нормальный ряд газоходов для транспортирования дымовых газов с температурой до 500 С (размеры даны в таблице 12.10.) Рисунок12.5 – Нормальный ряд газоходов для транспортирования дымовых газов с температурой выше 500 С (размеры даны в таблице 12.11.) Б В Г 500 580 750 820 875 1000 1125 1250 1375 1500 1750 2000 2250 615 725 880 985 1080 1215 1347 1480 1615 1745 2220 2515 2680 250 250 250 250 375 375 375 375 500 500 500 500 500 195 195 195 195 195 195 195 195 195 195 265 265 265 0,28 0,382 0,599 0,724 0,860 1,205 1,379 1,680 2,01 2,374 3,555 4,40 5,493 при =3 м/с 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 А при =2 м/с Тип Пропускная способность борова, м 3 /ч при =1 м/с Размеры кладки борова Живое сечение борова, м² Таблица 12.10 – Размеры кладки газоходов для дымовых газов с температурой до 500С 980 1350 2110 2560 3050 3920 4900 5980 7150 7950 12700 15730 19600 1960 2700 4220 5120 6100 7840 9800 11960 14300 15900 25400 31460 39200 2940 4050 6330 7680 9150 11760 14700 17940 21450 23850 38100 47190 58800 67 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 А Б В В´ Г Д 465 580 700 815 930 1045 1160 1280 1400 1510 1740 1970 2200 580 710 840 965 1095 1220 1350 1480 1610 1735 2200 2385 2640 250 250 250 250 250 375 375 375 373 500 500 500 500 250 250 250 250 250 250 250 250 375 500 500 500 500 70 70 70 70 70 70 70 70 70 140 140 140 140 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 186 Ш Ш´ 116 116 116 116 116 116 116 116 232 232 232 232 232 116 116 116 116 116 232 232 232 232 232 232 232 232 газов с Пропускная способность борова, м 3 /ч при =3 м/с Тип дымовых при =2 м/с Размеры кладки борова для при =1 м/с кладки газоходов Живое сечение борова, м² Таблица 12.11 – Размеры температурой выше 500С 0,245 0,375 0,535 0,712 0,925 1,15 1,42 1,72 2,04 2,37 3,51 4,28 5,29 880 1350 1930 2550 3330 4140 5100 6200 7350 8550 12600 15400 19050 1760 2700 3860 5100 6660 8280 10200 12400 14700 17100 25200 30800 38100 2640 4050 5790 7650 9990 12420 15300 18600 22050 25650 37800 46200 57150 12.9 Газовое сопротивление и тяга в трубчатой печи 12.9.1 Величину разряжения в камере радиации во избежание утечки газа следует поддерживать в пределах РР = 20…40 Па. 12.9.2 Определяют потери напора, Па в камере конвекции. 12.9.2.1 Потери давления при движении дымовых газов в конвективной камере при расстоянии между осями труб S1= (1,5…2,0)d ΔР к d ст кn 1 , (12.94) где d ист - поправочные коэффициенты, определяемые по таблицам 12.12 и 12.13; к – коэффициент, зависящий от скорости газа в узком сечении пучка и от средней температуры газа в камере Тср. ω u ρг , (12.95) где u- массовая скорость дымовых газов в свободном сечении камеры, кг/(м²с); г – плотность газа в конвективной камере при Тср, ρг ρ0 273 . Tср Числовое значение коэффициента к определяется по таблице 12.14. (12.96) 68 Таблица 12.12 Наружный диаметр трубы, м 0,02 0,04 0,06 – Значения коэффициента d Значение d 1,5 1,2 1,1 Наружный диаметр трубы, м 0,08 0,12 0,15 Значение d 1,0 0,9 0,85 Таблица 12.13 – Значения коэффициента ст Температура стенки Т, К 373 473 573 Значение ст Температура стенки Т, К Значение ст 0,85 0,95 1,03 673 773 1,10 1,17 Таблица 12.14 – Значения коэффициента к Скорость в узком сечении , м/с 4 6 8 10 12 14 16 Значения к при различных средних температурах Тср, К 473 573 673 773 873 973 1073 0,20 0,42 0,66 0,98 - 0,16 0,34 0,53 0,80 - 0,14 0,28 0,45 0,66 0,92 - 0,12 0,24 0,39 0,57 0,80 1,00 - 0,11 0,21 0,35 0,50 0,70 0,90 - 0,10 0,19 0,31 0,45 0,61 0,81 1,00 0,09 0,17 0,27 0,41 0,55 0,73 0,90 12.9.2.2 Статический напор в конвективной камере ΔРст 9.81 h ρв ρг , (12.97) где h- высота столба газа в конвективной камере, м; ρв ρг – разность плотностей наружного воздуха и дымовых газов, кг/м 3 . 12.9.3 Определяют газовое сопротивление, Па в газоходах. 12.9.3.1 Рассчитывают эквивалентный диаметр прямоугольного газохода, м, 2 АБ dэ ,м . (12.98) А Б 12.9.3.2 Потери давления на прямолинейном участке газохода l ω ΔР λ 2 ρ г , (12.99) dэ 2 69 где lг - длина газохода, м; , г – соответственно линейная скорость и плотность дымовых газов в газоходе. 12.9.3.3 Потери давления на преодоление местных сопротивлений в газоходе ω2 ΔР М Σξ ρг , (12.100) 2 где Σξ - суммарный коэффициент местных сопротивлений. При этом необходимо учитывать сужение из камеры конвекции в газоход, шибер, поворот на 90 из газохода в газосборник. (Значения ξ приведены в таблице А1.3 приложения А). 12.9.4 Суммарная потеря давления в трубчатой печи ΔР ΔР K ΔР P ΔР ΔР ст ΔР М . (12.101) 12.9.5 Определяют потери давления, Па в дымовой трубе. 12.9.5.1 Сечение дымовой трубы G S г , ρгω (12.102) где G г - количество продуктов горения (см. пункт 12.8.1); – линейная скорость движения газов в дымовой трубе. При естественной тяге скорость принимается равной 4…8 м/с [6, с.140]; ρг - плотность продуктов сгорания при средней температуре дымовых газов в трубе. ρг ρ0 273 , Tср (12.103) Т ср Т ух Т вых 2 , где Твых – температура дымовых газов на выходе из дымовой трубы, значение которой принимают и уточняют в ходе расчета. 12.9.5.2 Диаметр дымовой трубы, м Д 4S . π (12.104) 12.9.5.3 Принимают высоту дымовой трубы Н, м и определяют потери давления в ней H ω2 ΔР тр λ ρг , (12.105) Д 2 где λ– коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый по выражению 70 К a 4 , (12.106) 3 Д a где К и а– коэффициенты, значения которых приведены в таблице 12.12. λ 0.193 Таблица 12.12 – Значения коэффициента К и а Группа труб Железные или стальные воздуходувы, газопроводы: подверженные коррозии (старые); те же трубопроводы (новые) К, м 0,4*10 а 3 (0,15…0,1)*10 0,014 3 0,1…0,009 12.9.5.4 Потери давления на входе и выходе из трубы ω2 ΔР м.тр ξ вх ξ вых ρг . 2 Общие потери давления по газовому тракту ΔР общ ΔР ΔР тр ΔР м.тр . (12.107) (12.108) Уточняют высоту дымовой трубы ΔР общ ΔР общ H (12.109) 9.81ρ в ρ г 12,68( 273 273 ) , Т В Т Вых где Тв – температура наружного воздуха, К. Проверяют правильность выбора температуры дымовых газов на выходе из трубы Т θ 4 Q пот СFТ ( ) ( В ) 4 1,98FТ (θ Т В ) 4 θ Т В , (12.110) 100 100 где С – постоянная излучения поверхности трубы, С=4,2…4,6 Вт/(м²К4) [4, с.141]; Fт - боковая поверхность трубы, м². Ft ДН ; - средняя температура стенки, К, определяемая по уравнению Q , (12.111) Ft α T где Тср – средняя температура дымовых газов в трубе, К; Q - тепло, потерянное газами при прохождении дымовой трубы, кВт; т – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы, Вт/(м²К). Тепло, теряемое газами, определяют по уравнению Θ Т ср Q B G C рm (Т ух Т вых ) , (12.112) 71 где В – расход топлива, кг/с; G C рm - удельная теплоемкость дымовых газов при средней температуре в трубе. Коэффициент теплоотдачи α 0.021 ε L Re Pr 0.43 λг , Д (12.113) где ε L – коэффициент, учитывающий влияние отношения трубы к ее диаметру; Re Pr - параметры Рейнольдса и Пранделя; Д – диаметр трубы, м; λг – коэффициент теплопроводности дымовых газов Вт/(мК). Re Д г ; Pr 3600 CP г , (12.114) где μ– динамическая вязкость дымовых газов (таблица 12.13); СР -теплоемкость дымовых газов, кДж/(кмольК), определяемая по рисунку приложения А; μ Mг y Mi , Σ i μi (12.115) 5 где Мг– мольная масса дымовых газов, M iΣ1 y i M i Mi , μ i -мольная масса и динамическая вязкость i-го компонента в дымовых газах; yi - мольная доля i-го компонента дымовых газов. Коэффициент теплопроводности определяется по выражению S λ г yi λi , (12.116) i 1 где λi – коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов (таблица 12.13). Таблица 12.13 – Зависимость коэффициента теплопроводности λ, Вт/(мК) для основных компонентов дымовых газов от температуры Компоненты О2 N2 CO2 H2O SO2 373 32.9 31.5 21.2 24.6 11.9 473 40.7 38.5 27.6 33.3 16.6 573 48.0 44.9 33.5 43.5 21.2 Температура, К 673 773 55.0 68.5 50.7 55.8 38.9 43.9 55.5 68.6 25.8 30.7 873 67.4 60.3 48.9 82.9 35.8 973 72.8 64.2 53.7 98.0 41.0 1073 77.4 67.4 58.2 113.2 46.3 72 Таблица 12.14 – Зависимость коэффициента динамической вязкости 6 μ10 Пас для основных компонентов дымовых газов от температуры Компоненты О2 N2 CO2 H2O SO2 373 23,0 20,2 18,5 12,5 16,1 473 27,4 23,9 22,8 16,2 20,0 573 31,3 27,2 26,7 20,2 23,8 Температура, К 673 773 34,9 38,1 30,2 32,9 30,3 33,6 24,3 28,3 27,5 31,3 873 40,4 35,3 36,9 32,4 35,0 973 43,9 37,8 40,0 36,4 38,6 1073 46,8 39,9 42,6 40,6 42,8 Определяют температуру дымовых газов на выходе из трубы Qпот Т вых Т вх . (12.117) В G Cрm В случае значительного расхождения полученного значения Твых с ранее принятым задаются новым значением температуры дымовых газов на выходе из дымовой трубы и расчет повторяют. 73 Приложение А Рисунки и таблицы Рисунок А1.1 – Средние мольные теплоемкости газов Рисунок А1.2 – Зависимость относительной плотности нефтепродуктов от температуры Рисунок А1.3 – Зависимость характеристики излучения S от аргумента излучения х 74 Рисунок А1.4 – Зависимость параметра qs от параметров Тп; Тmax и qs Q , кВт / м 2 Hs Рисунок А1.5 - Зависимость параметра qs от параметров Тп; Тmax и 75 Таблица А1.1 – Удельная энтальпия нефтяных жидкостей, кДж/кг Т, К 1 365 371 377 383 389 395 401 407 413 419 425 431 437 443 449 455 461 467 473 479 485 491 497 503 509 515 521 527 533 539 545 551 557 563 569 575 581 587 593 599 605 611 617 623 629 635 0,75 2 195,78 209,72 223,83 237,98 252,34 266,83 281,48 296,22 311,12 326,19 341,30 356,46 372,21 387,82 404,40 491,48 473,98 451,57 467,96 484,46 500,96 515,71 534,62 551,70 568,86 586,15 603,61 621,20 638,95 656,87 674,83 692,92 711,25 729,68 748,22 766,98 785,82 804,83 824,00 843,26 862,48 882,16 902,26 921,93 941,61 961,71 0,80 3 189,58 203,02 216,67 230,48 244,30 258,37 272,52 286,84 301,24 315,81 330,55 345,37 360,36 375,51 390,59 406,12 421,65 437,31 453,14 469,09 485,06 501,26 517,62 534,19 550,82 567,56 584,44 601,48 618,64 635,93 653,39 670,98 688,69 706,52 724,48 742,61 760,87 779,29 797,64 816,47 835,27 854,19 873,33 892,50 911,84 931,81 Относительная плотность при 288 К 0,85 0,90 0,95 4 5 6 183,93 178,78 174,00 196,99 191,50 186,36 210,22 204,32 198,87 233,53 217,25 111,43 237,02 230,40 224,20 250,66 243,59 237,10 264,40 256,94 250,08 278,26 270,43 263,22 292,26 284,03 276,45 306,39 297,77 289,81 320,67 311,62 303,33 335,07 325,65 316,94 339,64 339,76 330,67 364,29 353,99 344,57 379,07 368,40 358,56 394,02 382,88 373,67 409,09 397,54 386,94 424,29 412,32 401,31 439,61 427,26 415,79 455,11 442,29 430,45 470,61 457,30 445,12 486,31 472,58 459,98 502,18 488,07 475,05 518,24 503,67 490,19 534,36 519,29 505,43 550,61 535,07 520,80 567,02 550,98 536,29 583,56 567,14 551,95 600,18 583,35 567,69 616,97 599,55 583,35 633,88 616,09 599,55 650,96 632,67 615,67 668,13 649,37 631,96 685,45 666,20 648,33 702,88 683,12 664,82 720,42 700,24 681,49 738,18 717,45 698,19 756,05 734,70 715,11 774,06 752,33 732,15 792,10 769,79 749,23 810,36 787,54 766,48 828,74 805,46 783,90 847,24 823,46 801,40 865,87 841,46 816,98 884,67 859,80 836,73 903,55 878,18 854,61 1,00 7 169,58 181,62 192,82 206,95 218,54 231,09 243,76 256,54 269,44 282,49 295,64 308,92 322,32 335,84 349,49 363,25 377,14 391,15 405,28 419,48 433,85 448,35 462,96 477,78 492,64 507,62 522,74 537,96 553,32 568,79 584,39 600,11 615,97 631,91 648,00 664,21 680,54 696,99 713,61 730,28 747,12 764,06 781,12 798,27 815,57 833,00 76 Продолжение таблицы А1.1 1 641 647 653 559 665 671 677 683 689 703 713 723 733 743 753 763 773 783 793 803 813 823 2 982,22 998,13 1023,25 1043,77 1063,95 1085,64 1106,57 1127,92 1149,28 1199,77 1236,28 1273,21 1310,51 1348,19 1386,25 1424,77 1463,62 1502,89 1542,54 1582,57 1623,01 1663,83 3 950,99 970,71 990,64 1010,65 1030,79 1051,18 1071,53 1093,55 1112,85 1162,26 1197,63 1233,39 1269,52 1306,07 1342,96 1380,22 1417,86 1455,92 1494,31 1533,08 1572,27 1611,83 4 922,60 941,78 961,08 980,51 1000,02 1019,78 1039,58 1059,51 1079,61 1126,96 1161,25 1195,92 1210,96 1266,67 1302,14 1338,27 1374,78 1411,66 1448,88 1494,02 1524,50 1562,39 5 896,69 915,32 934,08 952,96 971,97 991,10 1009,44 1029,66 1049,21 1096,10 1129,43 1163,18 1197,27 1199,94 1266,47 1301,61 1337,14 1372,98 1409,19 1445,79 1482,71 1520,02 6 872,40 890,74 909,00 927,38 945,88 964,56 983,31 1002,19 1021,20 1065,62 1098,07 1130,86 1163,97 1199,94 1231,30 1265,46 1300,00 1334,84 1370,09 1405,63 1441,56 1477,82 7 850,55 568,23 886,02 903,88 921,98 940,14 958,42 976,83 995,35 1034,04 1070,65 1102,64 1134,92 1167,57 1198,30 1233,89 1267,55 1301,55 1335,88 1370,55 1405,55 0440,93 Относительная плотность при 288 К 0,80 0,85 0,90 0,95 3 4 5 6 580.25 566.22 552.24 538.42 591.93 577.74 563.54 549.73 603.74 589.33 575.27 560.61 615.71 601.10 566.57 572.34 627.77 612.99 598.29 583.64 639.99 625.05 610.01 595.36 652.34 637.15 622.16 607.09 664.66 649.50 634.30 618.81 677.47 661.69 646.87 630.53 690.24 674.45 659.00 643.09 703.13 668.18 671.44 655.65 716.15 700.00 684.04 667.80 729.30 712.93 696.81 680.35 742.61 726.03 709.71 692.92 756.05 739.26 722.68 705.89 769.62 752.62 735.83 716.87 783.31 766.10 749.10 731.86 797.13 779.62 762.50 744.83 1,00 7 524.61 535.49 546.38 557.68 568.99 580.29 592.01 603.74 615.46 627.60 639.74 651.89 664.45 676.59 689.15 702.13 714.69 726.83 Таблица А1.2 – Удельная энтальпия нефтяных паров Т, К 1 401 407 413 419 425 431 437 443 449 455 461 467 473 479 485 491 497 503 0,75 2 594.19 606.04 618.06 630.20 642.47 654.86 667.42 680.10 692.92 705.90 716.96 732.19 745.58 759.07 772.72 786.49 800.43 814.46 77 Продолжение таблицы А1.2 1 509 515 521 527 533 539 545 551 557 563 569 575 581 599 605 611 617 623 629 635 641 647 653 559 665 671 677 683 689 695 701 707 713 723 733 743 753 763 773 783 793 803 813 823 2 828.65 842.97 857.46 872.06 886.81 901.42 916.66 931.77 947.05 962.50 977.58 993.74 1009.56 1057.88 1074.25 1090.79 1107.45 1124.24 1141.15 1158.24 1174.73 1192.74 1210.24 1227.40 1245.57 1263.45 1281.50 1299.67 1318.00 1336.38 1354.93 1373.65 1392.49 1424.22 1456.30 1488.74 1521.61 1554.85 1588.47 1622.43 1656.80 1691.55 1722.49 1762.22 3 811.11 825.22 839.45 653.86 868.34 883.00 897.78 912.68 927.75 942.95 958.23 973.72 989.30 1036.86 1053.02 1069.27 1085.68 1102.22 1118.88 1135.67 1151.91 1169.67 1186.87 1204.25 1221.71 1239.33 1257.50 1274.96 1292.63 1311.14 1329.39 1374.82 1366.36 1397.60 1429.20 1461.19 1493.51 1526.26 1559.37 1592.83 1626.66 1660.90 1695.49 1730.44 4 793.44 807.34 821.37 835.52 850.21 864.16 879.14 893.42 908.24 923.19 938.26 953.50 968.82 1015.68 1031.54 1047.54 1063.70 1079.94 1095.35 1112.89 1128.88 1146.39 1163.30 1180.38 1197.59 1214.93 1232.39 1250.01 1267.72 1285.60 1303.60 1321.73 1339.98 1370.72 1401.82 1433.31 1465.13 1496.91 1529.94 1567.45 1595.71 1629.88 1663.92 1698.33 5 776.02 789.71 803.49 817.43 831.50 850.42 859.97 874.41 889.02 903.72 918.54 933.53 948.64 994.70 1010.32 1026.10 1041.96 1057.96 1073.71 1090.41 1106.15 1123.36 1140.02 1156.81 1173.56 1190.81 1207.98 1225.31 1242.73 1260.31 1278.02 1295.65 1313.86 1344.05 1372.89 1405.68 1436.99 1468.69 1500.76 1533.16 1565.95 1599.11 1632.60 1666.47 6 758.23 772.05 785.44 799.26 813.08 831.50 841.13 855.24 869.52 884.04 898.66 913.35 928.21 973.56 988.92 1004.41 1020.03 1035.81 1051.68 1067.68 1083.17 1100.08 1116.49 1133.03 1149.65 1166.44 1183.23 1200.40 1217.56 1234.86 1252.27 1269.86 1287.53 1317.29 1345.60 1377.37 1408.69 1439.84 1471.41 1503.27 1535.55 1568.12 1592.74 1637.79 7 740.65 754.04 767.44 780.84 794.66 813.08 822.29 836.10 850.34 864.57 878.81 893.46 907.70 952.50 967.57 982.64 998.13 1014.88 1030.16 1045.07 1060.31 1076.97 1093.09 1109.33 1125.29 1142.20 1158.86 1175.61 1192.48 1209.48 1226.65 1243.90 1261.27 1290.54 1318.51 1350.12 1380.43 1411.12 1442.14 1473.50 1505.20 1537.27 1569.71 1602.46 78 Таблица А1.3 Название сопротивления Вход в трубу заподлицо со стенкой – Коэффициенты местных сопротивлений Схема сопротивления Коэффициент сопротивлений ξ=0,3 Выход из прямой трубы ξ=1,0 Внезапное расширение S1/S2 Внезапное сужение S1/S2 Шибер или заслонка 0,2 ξ 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9 0,54 0,49 0,36 0,25 0,1 0,09 0,01 0,01 0,2 ξ 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,43 0,38 0,33 0,28 0,2 0,17 0,12 0,06 Свободное сечение в %к полному ξ 1,0 0 1,0 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 40 18 8 4 2 1,0 0,5 0,22 0,1 b1=b11/а ; Колено 90 0,5 1,0 ξ=1,1С а/b 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,0 С 1,3 1,0 0,7 0,47 0,4 0,5 0,6 79 Приложение Б Типы и техническая характеристика трубчатых печей 1 Печи типа ГС1 Печь – узкокамерная трубчатая с верхним отводом дымовых газов, горизонтальными настенными экранами, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Горелки типа ГГМ или ГП расположены в один ряд в поду печи. При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подведенных тепловых потоков на трубный экран. Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, благодаря чему на общем фундаменте можно установить рядом две однокамерные печи, соединенные лестничной площадкой, и таким образом образовать как бы двухкамерную печь. Предусмотрено семь типоразмеров печей крупноблочной футеровкой из легковесного жароупорного бетона. Общий вид печи и план расположения фундаментных болтов приведены на рисунке Б2.1, техническая характеристика печей – в таблице Б2.1. 1 – лестничная площадка; 2 – змеевик; 3 – каркас; 4 – футеровка4 5 - горелка Рисунок Б2.1 – Трубчатая печь типа ГС1 80 Таблица Б2.1 – Техническая характеристика печей Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Количество секций ГС1 260 6,5 ГС1 380 9,5 ГС1 495 12,5 ГС1 615 15,5 ГС1 730 18 ГС1 845 21 ГС1 959 24 260 6,5 3 380 9,5 4 495 12,5 5 615 15,5 6 730 18 7 845 21 8 959 24 9 14,1 (12,1) 20,6 (17,7) 26,8 (23,1) 33,3 (28,7) 39,5 (34,1) 45,7 (39,4) 51,9 (44,8) Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 12,76 6 22 15,68 6 22 18,6 6 22 21,52 6 22 24,44 6 22 27,36 6 22 29,38 6 22 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки 50 84,5 65 112,3 81,3 140,8 97,6 169 113,8 197 130 230 146,4 253,5 Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/м2) (35 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) 2 Печь типа ГН2 Печь – узкокамерная трубчатая с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными трубными экранами, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в двух радиантных камерах, объемно-настильного сжигания комбинированного топлива. Горелки типа ГП расположены в один ряд на каждой фронтальной стенке под углом 45º. В середине печи установлена стена, разделяющая печь на две одинаковые камеры, на которую настилаются наклонные факелы комбинированного топлива. При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подведенных тепловых потоков на трубный экран. Обслуживание горелок печи – с двух сторон. Предусмотрено семь типоразмеров печей с крупноблочной футеровкой из легковесного жароупорного бетона. Общий вид печи приведен на рисунке Б2.2, а техническая характеристика печей – в таблице Б2.2. 81 1 – лестничная площадка; 2 – змеевик; 3 – каркас; 4 – футеровка; 5 – настильная стена; 6 - горелка Рисунок Б2.2 – Трубчатая печь типа ГН2 Таблица Б2.2 – Техническая характеристика печей Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Количество секций Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/м2) (35 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки ГС1 195 6,5 ГС1 285 9,5 ГС1 375 12,5 ГС1 465 15,5 ГС1 540 18 ГС1 630 21 ГС1 720 24 195 6,5 3 285 9,5 4 375 12,5 5 465 15,5 6 540 18 7 630 21 8 720 24 9 10,6 (9,1) 15,4 (13,3) 20,3 (17,5) 25,2 (21,7) 29,2 (25,2) 34,1 (29,4) 39 (33,6) 12,76 6 22 15,68 6 22 18,6 6 22 21,52 6 22 24,44 6 22 27,36 6 22 29,38 6 22 50 108 65 157 81,3 207 97,6 257 113,8 297 130 347 146,4 397 3 Печи типа А2Б2 Печь – узкокамерная с верхним отводом дымовых газов, центральным, горизонтальным экраном и излучающими стенами из беспламенных панельных горелок. Горелки расположены во фронтальных стенах камеры радиации по пять рядов в каждой стене, образуя два противостоящих излучающих блока. Между 82 излучающими стенами установлен трубный экран двустороннего облучения. Трубный экран может быть двухрядным, однорядным, однорядным и двухрядным с переменным шагом. В целях обеспечения независимого регулирования теплопроизводительности для горелок каждого ряда предусмотрен свой газовый коллектор и, следовательно, теплопередача соответствующему участку радиантного змеевика. Меняя теплопроизводительность пяти рядов горелок, можно изменить эпюру подведенных тепловых потоков на трубный экран. В зависимости от длины труб камеры радиации, имеющей два исполнения (с кладкой из подвесного шамотного кирпича и футеровкой из легковесного жароупорного бетона), печи изготавливают пяти типоразмеров. Печи данного типа предусматривают беспламенное сжигание чистого обессеренного газа, поэтому вредные выбросы в атмосферу отсутствуют, что позволяет устанавливать дымовые трубы с наивысшей отметкой 25 м. Общий вид печи, ее разрез и план расположения фундаментных болтов приведены на рисунках Б2.3 и Б2.4, а техническая характеристика печей – в таблице Б2.3. Рисунок Б2.3 – Трубчатая печь типа А2Б2 83 Таблица Б2.3 – Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Количество средних секций Техническая характеристика печей А2Б2 115 6 А2Б2 172 9 А2Б2 230 12 А2Б2 286 15 А2Б2 345 18 115 6,5 - 172 9 1 230 12 2 286 15 3 345 18 4 Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 58 кВт/м2) (50 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) 8,9 (7,7) 13,3 (11,5) 17,8 (15,3) 22,1 (19) 26,7 (23) Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 8,97 6,9 23,4 11,98 6,9 23,4 15 6,9 23,4 18,02 6,9 23,4 21,04 6,9 23,4 43 68 57 100 76 132 90 164 109 196 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки (подвесной кладки) 1 – футеровка; 2 – каркас; 3 – змеевик; 4 – выхлопное и смотровое окна; 5 – беспламенная газовая горелка типа ГБПш; 6 – лестничная площадка Рисунок Б2.4 – Трубчатая печь типа А2Б2 (разрез А-А) 84 4 Печи типа А2В2 Печь – узкокамерная с верхним отводом дымовых газов, центральным горизонтальным экраном, настильного веерного сжигания газового топлива. Конструкции печей А2Б2 и А2В2 аналогичны и различаются только излучающими стенами. В печах типа А2В2 излучающая стена из беспламенных горелок заменена веерными горелками, расположенными в два яруса на фронтовых стенах камеры радиации и образующими два противостоящих излучающих блока. Трубный экран может быть двухрядным, однорядным и двухрядным с переменным шагом. Меняя теплопроизводительность двух рядов горелок, можно изменять эпюру подведенных тепловых потоков на трубный змеевик. Отличительной особенностью является также то, что они могут работать на топливном газе переменного состава. Общий вид печи и ее разрез приведены на рисунках Б2.5 и Б2.6, а техническая характеристика – в таблице Б2.4. Рисунок Б2.5 – Трубчатая печь типа А2В2 1 – змеевик; 2 – каркас; 3 – лестничная площадка; 4 –футеровка; 5 – газовая веерная настильная горелка Рисунок Б2.6 – Трубчатая печь типа А2В2 (разрез А-А) 85 Таблица Б2.4 – Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Количество средних секций Техническая характеристика печей А2Б2 115 6 А2Б2 172 9 А2Б2 230 12 А2Б2 286 15 А2Б2 345 18 115 6,5 - 172 9 1 230 12 2 286 15 3 345 18 4 Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 52,2 кВт/м2) (45 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) 8 (6,9) 12 (10,3) 16 (13,8) 20 (17,2) 24 (20,7) Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 8,97 6,9 23,4 11,98 6,9 23,4 15 6,9 23,4 18,02 6,9 23,4 21,04 6,9 23,4 43 76 57 124 76 164 90 204 109 244 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки (подвесной кладки) 5 Печи типа ВС 1 – змеевики; 2 и 6 – выхлопное и смотровое окна; 3 – футеровка; 4 – каркас; 5 – горелка Рисунок Б2.7 – Трубчатая печь типа ВС 86 Печь – узкокамерная коробчатая, с вертикальным расположением труб змеевика, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Комбинированные горелки типов ГГМ и ГП установлены в поду печи. Вертикальные трубы радиального змеевика размещены вдоль по всем четырем сторонам камеры радиации. На стенах камер радиации расположены однорядные настенные экраны, а между камерами радиации – двухрядные экраны двустороннего освещения. Предусмотрено четыре типоразмера этих печей, каждый типоразмер отличается от другого количеством одинаковых камер радиации. Над каждой камерой радиации расположена своя камера конвекции с горизонтальными гладкими трубами. При работе на жидком топливе в этих печах применение ошипованных труб недопустимо. Каждая камера конвекции имеет свой газосборник и регулирующий шибер. Обслуживание горелок – с двух сторон. Печи футерованы легковесным жаропрочным бетоном. Общий вид печи и план расположения фундаментных болтов приведены на рисунках Б2.7 и Б2.8, а техническая характеристика – в таблице – Б2.5. Рисунок Б2.8 – План расположения фундаментных болтов трубчатой печи типа ВС Таблица Б2.5 – Техническая характеристика печей Показатель 1 Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Количество секций Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 31,32 кВт/м2) (27 Мкал/м2·ч),МВт (Гкал/ч) ВС1 350 12,6 ВС2 700 12,6 ВС3 1050 12,6 ВС4 1400 12,6 2 3 4 5 350 12,6 1 700 12,6 2 1050 12,6 3 1400 12,6 4 14,61 (12,64) 29,22 (25,28) 43,85 (37,8) 58,46 (50,4) 87 Продолжение таблицы Б2.5 1 Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 2 3 4 5 7,85 8,4 20 11,1 8,4 20 14,35 8,4 20 17,6 8,4 20 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки 33,6 42,5 50,8 81,7 68 120,9 85,2 160 6 Печи типа СС Печь – секционная с прямоугольно и горизонтально витым змеевиком, отдельно стоящей конвективной камерой и встроенным воздухоподогревателем, свободного вертикально-факельного сжигания топлива. Трубный змеевик каждой секции состоит из двух или трех транспортабельных пакетов заводского изготовления. Змеевик каждой секции – самонесущий, установленный непосредственно на поду печи. Стенки топки собираются из легких рам. Горелки типа ГДК расположены в поду печи в один ряд по четыре горелки в каждой секции. Печь оснащена радиантными и конвективными змеевиками. Камера радиации может иметь от одной до четырех секций. Общий вид печи приведен на рисунке Б2.9, а техническая характеристика – в таблице Б2.6. 1 – вентилятор; 2 – камера конвекции; 3 – лестничная площадка; 4 – газоход; 5 и 6 – выхлопное и смотровое окна; 7 – радиантный змеевик; 8 – трубная решетка; 9 – каркас; 10 – дымовая труба; 11 – воздухоподогреватель; 12 –дымосос Рисунок Б2.9 – Трубчатая печь типа СС 88 Таблица Б2.6 – Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 высота пакетного витового змеевика, м: Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 46,5 кВт/м2) (40 2 Мкал/м ·ч), МВт (Гкал/ч) Габаритные размеры площадками обслуживания), м: длина L ширина высота Техническая характеристика печей СС1 160 6,5 СС1 240 9,5 СС2 320 6,5 СС2 480 9,5 СС3 480 6,5 СС3 720 9,5 СС4 640 6,5 СС4 960 9,5 160 240 320 480 480 720 640 960 6,5 9,5 6,5 9,5 6,5 9,5 6,5 9,5 9,6 (8,3) 14,5 (12,4) 19,3 (16,6) 29,7 (25) 29,7 (25) 43,5 (37,4) 38,6 (33) 58 (50) 8,6 13,5 14,5 8,6 13,5 17,5 12,9 13,5 14,5 12,9 13,5 17,5 15,2 13,5 14,5 15,2 13,5 17,5 18,5 13,5 14,5 18,5 13,5 17,5 (с для 7 Печи типа ЦС1 и ЦС΄1 Печи – цилиндрические с вертикальным расположением труб змеевика в одной камере радиации, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Комбинированные горелки типов ГГМ и ГП расположены в поду печи. На стенах камеры радиации установлены однорядные или двухрядные настенные трубные экраны. Печь типа ЦС΄1 отличается от печи типа ЦС1 тем, что горелка установлена не в центре, а смещена в сторону входа продукта. В печи ЦС1 все трубы получают одинаковое количество тепла, поэтому только одна труба работает с допускаемым теплонапряжением, остальные трубы не догружены. В печи типа ЦС΄1 эпюра подведенных тепловых потоков у входных труб больше, чем у выходных, поэтому степень эффективности распределения тепла по трубам больше, чем в печи ЦС1. Отвод газов сгорания – через дымовую трубу, установленную на печи, и газосборник. Предусмотрено два исполнения этих печей: радиантное (без камеры конвекции) и радиантно-конвективное (с камерой конвекции). В радиантных печах к шифру добавляется буква Р. Общий вид печей и план расположения фундаментных болтов приведены на рисунках Б2.10 - Б2.12, а техническая характеристика и характерные размеры расположения отверстий под фундаментные болты – в таблицах Б2.7 и Б2.8. 89 1 – дымовая труба; 2 – футеровка; 3 – корпус; 4 – змеевик; 5 и 6 – смотровое и выхлопное окна; 7 – люк-лаз Рисунок Б2.10 – Трубчатая печь типа ЦС1 (вариант 1) 1 - дымовая труба; 2 – камера конвекции; 3 и 4 – корпус; 5 – футеровка; 6 – радиантный змеевик; 7 – конвективный змеевик; 8 – люк-лаз Рисунок Б2.11 – Трубчатая печь типа ЦС1 (вариант2) Таблица П2. 7 – Техническая характеристика печей Показатель 1 Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 34,8 кВт/м2) (30 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) ЦС1 16 3 ЦС1 31 4Р ЦС1 31 4 ЦС1 68 6Р ЦС1 68 6 ЦС1 80 7 2 3 4 5 6 16 3 31 4 31 4 68 6 68 6 80 7 0,74 (0,64) 1,44 (1,24) 1,41 (1,24) 3,15 (2,72) 3,15 (2,72) 3,71 (3,2) 90 Продолжение таблицы Б2.7 корпуса 2 1,8 3 2,1 4 2,1 5 2,8 6 2,8 7 2,8 Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 4 4 30,4 4,4 4,4 31,7 4,4 4,4 21,9 5 5 28 5 5 28 5 5 26 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки 7 21,4 7,5 25 7,3 20,7 10 40,7 10,8 19,4 11,5 23,16 Внутренний D,м: 1 диаметр Показатель ЦС1 Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м 106 7 ЦС1 125 8 ЦС1 156 10 ЦС1 213 9 ЦС1 280 12 ЦС1 345 15 106 7 125 8 156 10 213 9 280 12 345 15 4,92 (4,24) 5,8 (5) 7,24 (6,24) 9,9 (8,52) 12,99 (11,2) 16 (13,8) 3,6 3,6 3,6 5 5 5,5 Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 4 4 30,4 4,4 4,4 31,7 4,4 4,4 21,9 5 5 28 5 5 28 5 5 26 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки 16,2 46,7 20,7 50,67 23,2 61,4 44 88,2 48 106,2 55,2 128,3 Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 34,8 кВт/м2) (30 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) Внутренний D,м: диаметр корпуса Рисунок Б2.12 – План расположения отверстий под фундаментные болты трубчатых печей типа ЦС1: а – для печей ЦС1 213 ; ЦС1 280 и ЦС1 345 ; б – для всех остальных размеров 9 12 15 91 Таблица Б2.8 – Характерные размеры расположения фундаментные болты Размеры, мм d1 d2 a b c d Размеры, мм d1 d2 a b c d ЦС1 16 3 23 15 172 110 60 ЦС1 106 7 35 15 252 160 80 ЦС1 31 4Р 23 15 172 161 60 ЦС1 125 8 35 15 252 160 80 ЦС1 31 4 23 15 172 161 60 ЦС1 156 10 40 15 252 160 80 ЦС1 68 6Р 23 15 210 161 80 ЦС1 213 9 40 15 252 550 1352 180 отверстий ЦС1 68 6 23 15 210 161 80 ЦС1 280 12 40 15 252 550 1352 180 под ЦС1 80 7 23 15 210 161 80 ЦС1 345 15 40 15 252 550 1352 180 8 Печи типа ЦД4 Печь – цилиндрическая с дифференциальным подводом воздуха, вертикальным расположением труб экранов в четырех камерах радиации, настильного сжигания комбинированного топлива. Комбинированные горелки типов ГГМ и ГП расположены в поду печи. Оси их наклонены в сторону отражателя-распределителя, установленного в центре печи. Отражатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Внутри отражатель разделен на отдельные воздуховоды, количество которых вдвое больше количества граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером, управляемым с площадки обслуживания. В кладке граней отражателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха из воздуховодов к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень выгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонапряжение по высоте труб в камере радиации. На стенах камеры радиации установлены однорядные настенные экраны, а между камерами радиации – двухрядные радиальные экраны двустороннего облучения. При изменении теплопроизводительности горелок в этих печах эпюра подведенных тепловых потоков практически не меняется, однако в каждой из четырех камер радиации можно поддерживать свои среднедопускаемые значения теплонапряжения поверхности труб экрана этой камеры радиации. Отвод газов сгорания – через дымовую трубу и газосборник. Предусмотрено изготовление печей четырех типоразмеров. 92 Общий вид печи и план расположения фундаментных болтов приведены на рисунках Б2.13 и Б2.14, а техническая характеристика – в таблице Б2.9. 1 – камера конвекции; 2 и 3 – выхлопное и смотровое окна; 4 – радиантный змеевик; 5 – футеровка; 6 – корпус; 7 – камера для подвода вторичного воздуха; 8 – футеровка отражателя-распределителя; 9 – воздуховод; 10 – отражатель-распределитель;11 – горелка Рисунок Б2.13 – Трубчатая печь типа ЦД4: Таблица Б2.9 – Техническая характеристика печей Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/м2) (35 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) Внутренний диаметр корпуса D,м: ЦД4 275 9 ЦД4 367 12 ЦД4 504 12 ЦД4 630 15 275 9 367 12 504 12 630 15 14,9 (12,83) 5 19,9 (17,2) 5 27,3 (23,5) 6,4 34,1 (29,4) 6,4 93 Продолжение таблицы Б2.9 1 Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота 2 3 4 5 7,3 7,3 17 7,3 7,3 21 9,4 9,4 21,6 9,4 9,4 27 Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки 64,7 102 66,5 120 88,7 169,5 92,3 180 Рисунок Б2.14 – План расположения фундаментных болтов трубчатой печи типа ЦД4 9 Печи типа КС1 и КС΄1 Печи – цилиндрические с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем и вертикальными трубными змеевиками в камерах радиации и конвекции, свободного вертикально-факельного сжигания топлива. Комбинированные горелки типа ГП и ГДК расположены в поду печи. Печь типа КС΄1 отличается от печи типа КС1 расположением горелки, установленной не в центре, а смещенной в сторону входа продукта. На стенах камеры радиации установлен однорядный или двухрядный настенный трубный экран. Конвективный змеевик так же, как и воздухоподогреватель, набирается секциями и располагается в кольцевой камере конвекции, установленной согласно с цилиндрической радиантной камерой. Отвод газов сгорания – через дымовую трубу и газосборник. Общий вид печи приведен на рисунке Б2.15, а техническая характеристика – в таблице Б2.11. 94 1 – каркас; 2 – радиантный змеевик; 3 – конвективный змеевик; 4 – футеровка; 5 – горелка; 6 – воздухоподогреватель Рисунок Б2.15 – Трубчатая печь типа КС1 Таблица Б2.11 – Техническая характеристика печей Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м КС1 80 7 КС1 156 10 КС1 280 12 КС1 345 15 80 7 156 10 280 12 345 15 Теплопроизводительность(при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 34,8 кВт/м2) (30 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) 3,71 (3,2) 7,24 (6,24) 12,99 (11,2) 16 (13,8) Внутренний диаметр камеры радиации, м Внутренний диаметр камеры конвеекции,м 2,8 5,6 3,6 6,9 5 8,7 5,5 10,1 10 Печи типа КД4 Печь – цилиндрическая четырехсекционная с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, дифференциальным подводом воздуха по высоте факела, с вертикальным расположением труб экранов и конвекции, настильного сжигания комбинированного топлива. Конструктивное исполнение печи: 1 – с дымовой трубой, установленной на печи; 2 – с дымовой трубой, стоящей отдельно. Дутьевые комбинированные горелки типа ГДК расположены в поду печи. Оси горелок наклонены в сторону рассекателя-распределителя, установленного в центре печи. 95 Рассекатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Рассекатель выполняет следующие функции: делит объем радиантной камеры на четыре автономные зоны теплообмена, что позволяет осуществлять дифференциальный подвод тепла по длине радиантного змеевика; является поверхностью настила факелов горелок, которые в сравнении со свободными имеют стабильную толщину, что позволяет приблизить трубные экраны к горелкам и сократить объем камеры. В печи осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Первичный воздух (около 70 % объема) подается принудительно к горелкам, а остальное количество – по высоте настила, для чего в кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения, а в каркасе рассекателя – отдельные воздуховоды, количество которых вдвое превышает количество граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером. Двухстадийное сжигание дает возможность растянуть факелы по высоте граней и повысить равномерность излучения по высоте радиантных труб. На стенах камеры радиации установлены однорядные настенные экраны, а между камерами радиации – двухрядные радиальные экраны двустороннего облучения. Конвективный змеевик, как и воздухоподогреватель, набирается секциями и размещается в кольцевой камере конвекции, расположенной согласно с цилиндрической радиантной камерой. Отвод газов сгорания – через дымовую трубу и газосборник. Общий вид печи приведен на рисунке Б2.16, а техническая характеристика - в таблице Б2.12 Таблица Б2.12 – Техническая характеристика печей Показатель Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/м2) (35 Мкал/м2·ч), МВт (Гкал/ч) Внутренний диаметр камеры радиации, м КД4 700 15 КД4 800 15 КД4 1100 18 700 15 800 15 1100 18 38 (32) 7 44 (38) 8 60 (51) 9 96 1 – вентилятор; 2 – каркас; 3 – дымовая труба; 4 – воздухоподогреватель; 5 – конвективный змеевик; 6 – радиантный змеевик; 7 – футеровка Рисунок Б2.15 – Трубчатая печь типа КД4 (поперечное сечение печи аналогично поперечному сечению печи типа КС1) 97 Список литературы 1 Машиностроение. Энциклопедия. Ред. Совет: К.В. Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностроение. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. IV-12 / М.Б. Генералов, В.П. Александров, В.В. Алексеев и др.; Под общ. ред. М.Б. Генералов. 2004 - 832 с. 2 Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. Изд. 2-е, перераб. и дополн. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002.-т.2. – 1028с. Список дополнительной литературы 3 Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: справочник / Рабинович Г.Г., Рябых П.М. и др.; под ред. Е.Н. Судакова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1979. – 568 с. 4 Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. – М.: Научно-техн. изд-во нефт. и горно-топл. литературы, 1963. – 410 с. 5 Исламов М.Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей. – Л.: Химия, 1986. – 280 с. 6 Бахшиян. Трубчатые печи с излучающими стенами топки. – М.: ГОСИНТИ, 1960. – 192с. 7 Эмирджанов Р.Т. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. – М.Л.: Химия, 1965. – 544 с. 8 Лейбо А.И., Хесин Э.Б., Черняк Я.С. Справочник механика нефтеперерабатывающих заводов. – М.: Научно-техн. изд-во нефт. и горно-топл. литературы, 1963. 98 Содержание Предисловие……………………………………………………………………….3 Основные обозначения……………………………………………………………4 1 Назначение трубчатых печей ………………………………………………...6 2 Классификация трубчатых печей…………………………………………...7 2.1 Основы классификации трубчатых печей……………………………..7 2.2 Печи конвективного типа………………………………………………9 2.3 Печи радиантно-конвективного типа………………………………….9 2.4 Печи радиантного типа…………………………………………………17 3 Условное обозначение трубчатых печей…………………………………...19 4 Элементы конструкций трубчатых печей…………………………………..20 4.1 Змеевик трубчатых печей……………………………………………….21 4.2 Топливно-сжигающие устройства трубчатых печей………………….23 4.3 Гарнитура трубчатых печей…………………………………………….30 4.4 Каркасы и обмуровка трубчатых печей………………………………..32 5 Фундаменты печей…………………………………………………………...33 6 Газоходы……………………………………………………………………....35 7 Дымовые шиберы………………………………………………………….....36 8 Дымовые трубы………………………………………………………………38 9 Основные показатели работы трубчатых печей……………………………40 10 Процесс горения топлива…………………………………………………….42 11 Лучистый теплообмен в радиантной камере……………………………….44 12 Технологический расчет нагревательной печи пламенного горения……..46 12.1 Теплопроизводительность печи………………………………………...46 12.2 Расчет процесса горения………………………………………………...46 12.3 Коэффициент полезного действия печи и топки. Расход топлива…...48 12.4 Выбор конструкции печи, размеров труб и ретурбендов……………..49 12.5 Расчет радиантной камеры……………………………………………...51 12.6 Расчет конвективной камеры…………………………………………...59 12.7 Гидравлический расчет змеевика……………………… … 62 12.8 Расчет газоходов………………………………………………………...65 12.9 Газовое сопротивление и тяга в трубчатой печи……………………...67 Приложение А……………………………………………………………………...73 Приложение Б……………………………………………………………………...79 Список литературы……………………………...………………………………..97
