автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств

На правах рукописи

Шарихин Андрей Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ГАЗОВОГО ОТОПЛЕНИЯ УЗКОКАМЕРНЫХ ПЕЧЕЙ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2007

□ОЗОТОБЗБ

003070535

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ЩЕЛОКОВ Анатолий Иванович

Защита состоится 31 мая 2007 г в 14- ч на заседании диссертационного совета Д 212 242 07 при ГОУВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу 410054, г Саратов, ул Политехническая, 77, СГТУ, корп 1, ауд 414

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан 27 апреля 2007 г

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор СЕДЕЛКИН Валентин Михайлович кандидат технических наук, профессор РОДИН Артур Константинович Самарский институт по проектированию предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности ОАО «Самаранефтехимпроект»

Ведущее предприятие

Ученый секретарь диссертационного совета

Ларин Е А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нефтехимическая промышленность является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов, обеспечивающих протекание высокотемпературных процессов в трубчатых печах различного технологического назначения

Приоритетными в различных отраслях по переработке нефти являются узкокамерные печи, обеспечивающие наилучшие условия по передаче тепла сырьевым змеевикам, экономическому расходованию топлива Наиболее широкое применение такие печи нашли в высокотемпературных процессах - на установках пиролиза, конверсии, получения аммиака и тд Жесткий температурный режим в таких печах требует особого внимания к выбору систем обогрева сырьевых змеевиков Так, в печах пиролиза сырье нагревается до температуры 830-860 °С, трубы имеют температуру 1000-1100°С, близкую к предельно допустимой температуре по жаростойкости и жаропрочности для высоколегированных сталей типа 45Х25Н35СЛ Кроме того, отрицательно влияет на надежность работы поверхностей нагрева не только работа в условиях предельных значений температур, но и локальная неравномерность распределения тепловых потоков, обусловленная неправильным выбором организации горения и внешнего теплообмена Последнее приводит к прогару дорогостоящих труб, частым остановам печи, ухудшению их технологических показателей

В мировой и отечественной практике такие печи оборудуются инжек-ционными горелками Анализ и обобщение результатов работы печей приводит в нефтехимии к необходимости разработки и исследования таких систем обогрева, которые соответствовали бы современным требованиям энергоэффективности, надежности и условиям снижения уровня загрязнения воздушного бассейна. Другим немаловажным фактором является то, что в топливном балансе предприятий существенную роль играют различные побочные газы с высоким содержанием горючих компонентов (Н2, СтНп, СО), сжигание которых с помощью инжекционных горелок практически невозможно

В диссертации предлагается новый подход к организации сжигания топлива в узкокамерных печах с применением плоскопламенных горелок, не имеющих аналогов в мировой практике Дается обоснование использования горелок типа АГГ для решения таких вопросов, как высокая технологичность, простота конструкции, экономия топлива, снижение вредных выбросов с дымовыми газами

Цель диссертации заключается в разработке и исследовании новых плоскопламенных горелок типа АГГ для систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих интенсификацию теплотехнологических процессов, повышение энергоэффективности печей, снижение уровня загрязнения воздушного бассейна, повышение надежности работы и увеличение срока службы.

Научная новизна Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований способствовали достижению поставленной цели Наиболее принципиальной новизной обладают следующие результаты

1 Впервые предложена аэродинамическая схема плоскопламенной горелки типа АГГ, на новой основе позволяющая реализовать устойчивое сжигание многокомпонентных газообразных топлив, в том числе с большим содержанием водорода в настильном факеле

2. Предложено в плоскопламенных горелках сжигание газа в диффузионном факеле Экспериментально обоснованы соотношения между первичным и вторичным воздухом Коэффициент расхода первичного воздуха лежит в пределах а = 0,15-0,2

3 Проведен теоретический анализ взаимосвязи теплообмена с аэродинамикой разомкнутого диффузионного факела Прикорневая область, где находится первичная газовоздушная смесь, лучепрозрачна и нагрев стены топки происходит за счет излучения продуктов сгорания из рабочего пространства 4. Установлен механизм теплообмена в развитой части плоского пламени, заполненного продуктами реакций Вследствие возросшей вязкости горящего потока решающую роль в разогреве кладки играет трение от поступательного движения газов, усиленное тангенциальной составляющей скорости вращающегося потока

5 Применение нового способа сжигания газового топлива обеспечивает равномерное распределение тепловых потоков, исключает локальные перегревы змеевиков, что повышает надежность и увеличивает срок службы печей

6 Экспериментально исследованы развитие факела вдоль плоской огнеупорной стенки и получено подтверждение эффективности тепловой работы печи Интенсификация теплообмена за счет обеспечения косвенного радиационного нагрева позволяет увеличить производительность печи в тех же конструктивных размерах

7 Теплотехнические исследования подтвердили преимущества использования горелок АГГ для нагрева сырья, экономного расходования топливного газа по сравнению с традиционными инжекционными горелками

8 Разработка горелок АГГ на уровне изобретений и защиты конструкций патентами РФ

Практическая ценность и реализация работы. Результаты аэродинамического моделирования газовых горелок АГГ использованы при разработке систем сжигания топливного газа в трубчатых печах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств

1 В печах установки Э-200 (завод "Этилен" г Казань) заменены 500 горелок ГБПш, в каждой первоначально были смонтированы 24 горелки АГГ-2 С переходом на топливо с высоким содержанием водорода (до 80 % об) системы обогрева в этих печах реконструированы, установлены на каждую печь 80 более надежных и эффективных горелок АГГ-10

2 На I и II очередях завода "Этилен" в печах установки ЭП-60 вместо 250 инжекционных горелок ГБПш на печь смонтированы 8 горелок АГГ-9, а в более высоких печах установлены 22 горелки АГГ-9А

3 На газоперерабатывающем заводе ОАО "Татнефть" (г Альметьевск) в системах сжигания топливного газа нагревательных печей установлено по 44 горелки АГГ-7 с пилотной горелкой, являющейся одновременно малой ступенью сжигания топлива, вместо 280 горелок ГБПш

4 Надежная работа горелок АГГ обеспечила экономию топливного газа в печах пиролиза ЭП-300 до 10%, установки Э-200 - до 12%, в нагревательных печах (ГПЗ, г Альметьевск) - до 15% и тд

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались автором на V Международной конференции молодых ученых и студентов (Самара, 2004), Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология" (Казань, 2005), Всероссийской студенческой олимпиаде "Оборудование нефтегазопереработки" (Самара, 2005), Конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (проект занял I место и отмечен наградой Министерства образования РФ) (Барнаул, 2005); X юбилейной международной конференции "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (Нижний Новгород, 2006)

Объем работы. Диссертация состоит из вводной части, 7 глав, выводов, библиографического списка и 5 приложений Материал изложен на 225 страницах (из них 20 - приложений), содержит 58 рисунков и 38 таблиц, список литературы составляет 70 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Трубчатые печи нефтехимии. Конструкции и рабочие характеристики газовых горелок

Конструкции трубчатых печей в нефтепереработке значительно отличаются от конструкции печей в нефтехимии Это объясняется прежде всего разными тепловыми режимами в топках (в низкотемпературных процессах нагрев сырья происходит до температуры 300-600 °С, а в высокотемпературных - до 860 °С), использованием различного топлива (у первых - это мазут или газ, у вторых - газ широкого фракционного состава)

Жесткий тепловой режим в высокотемпературных печах предъявляет дополнительные требования к формированию сырьевых змеевиков и системам сжигания топливного газа Для печей с пристенными экранами, у которых шаг труб экрана равен двум диаметрам, коэффициент неравномерности по окружности труб составляет 0,55 Для однорядного экрана двухстороннего облучения он увеличивается до 0,84 Это означает, что съем тепла с 1 м2

поверхности нагрева труб печи при использовании однорядного экрана может быть увеличен в 0,84 0,55=1,3 раза, следовательно, длина змеевика может быть сокращена на 1/3 Печи пиролиза с экраном двухстороннего облучения (ф = 0,84) позволяют при использовании труб из стали 20Х23Н18 и 45Х25Н20 повысить среднее тепловое напряжение до 50 - 60 кВт/м2 Однако традиционные системы газового отопления имеют низкий КПД

Для повышения эффективности работы высокотемпературных печей предлагается в системах сжигания использовать плоскопламенные горелки типа АГГ, разработанные в ГОУВПО СамГТУ При их работе создается равномерный температурный профиль излучающих стен топки, в результате этого исключаются локальные перегревы змеевиков

Плоскопламенные горелки типа АГГ для трубчатых печей

Системы сжигания топлива с плоскопламенными горелками типа АГГ впервые созданы в СамГТУ для узкокамерных печей и в основном нашли широкое применение в высокотемпературных процессах Конструкция горелок АГГ-1 - АГГ-4 (рис 1) разработана на принципиально новой теоретической основе с применением акустического резонатора, создающего мощный вихревой эффект смешения топливного газа с атмосферным воздухом

При работе горелок создается равномерный температурный профиль излучающих стен топки, в результате этого исключаются локальные перегревы сырьевых змеевиков Одновременно решены и другие немаловажные задачи повышена надежность функционирования горелок на производственном газе, упрощены их монтаж, обслуживание и ремонт Топливная система печи работает в режиме автоматического управления Применение горелок на узкокамерных печах обеспечивает снижение удельного расхода топлива

1 - корпус, 2 - резонатор,

3 - регулировочный диск,

4 - регулятор инжекции,

5 - амбразурная втулка

АГГ-1 -АГГ-4

Рис 1 Газовая горелка типа

Разработана и прошла испытания в промышленных условиях новая серия горелок типа АГГ-5 - АГГ-8, по расходным характеристикам аналогичная горелкам типа АГГ-1 - АГГ-4 В новой конструкции горелки АГГ-5 - АГГ-8 за счет модернизации узла смешения топливного газа с воздухом в несколько раз повышена их механическая надежность, обеспечиваются условия для стабильного равномерного обогрева продуктового змеевика, длительной работы материальной части печных агрегатов

Для увеличения диапазона регулирования производительности, обеспечения основных требований по расходным параметрам в эксплуатационный период, при пуске и останове печи, выжиге кокса из змеевиков с сохранением настильного положения факела разработана двухступенчатая газовая горелка типа АГГ-9 Горелки этого типа смонтированы в печах пиролиза установок ЭП-60 Казанского завода «Этилен» и успешно эксплуатируются в настоящее время

Для более эффективной работы печей пиролиза установки Э-200 при сжигании топливного газа с высоким содержанием водорода (80 %об и выше) разработан новый тип газовой горелки АГГ-10 Инжекционные горелки, широко используемые в отечественной и зарубежной практике для узкокамерных печей с излучающими стенами, в этих условиях практически непригодны из-за быстрого выхода их из строя вследствие проскока пламени

Имея ряд технических показателей, превышающих мировой уровень достижений в области конструирования горелочных устройств, а также значительный опыт применения указанных разработок в промышленности, горелки типа АГГ успешно конкурируют на отечественном и зарубежном рынках Они соответствуют требованиям ГОСТ 21204-97 и другой нормативной документации РФ Имеются сертификат соответствия ГОСТ Р, разрешение Ростехнадзо-ра на применение. Имеется мелкосерийное производство под проекты реконструкций и техническое перевооружение печей нефтеоргсинтеза

Особенности диффузионного горения газа на плоской огнеупорной стенке

Теплообмен в рабочем пространстве может быть представлен следующей

В высокотемпературных печах основную роль играет лучистый теплообмен, на долю конвективного теплообмена приходится не более 10 %

В общем случае количество теплоты, переданное излучением от факела, может быть определено по следующей формуле

а = е. еф С0 Рр

ч100/

(1)

Как следует из этого выражения, при прочих равных условиях количество теплоты будет зависеть от степени черноты факела и степени черноты окружающих твердых тел (футеровка печи, экранные поверхности и др)

Для узкокамерных печей, когда можно теплопередачу рассматривать как теплообмен между двумя параллельными пластинами, результирующий тепловой поток, воспринятый нагреваемой поверхностью, представлен выражением а =0-+ (}* + (С}* + С}* )(1-ё)-0 (2-е)е -а (1-е), (2)

^м ^пкон ^-и.кон'* п7 ^АЛ 1Г П 4 1Г' 4 '

где ёп - усредненная степень черноты пламени

Из этого выражения следует, что qA) увеличивается с ростом суммарного потока, падающего и переданного от пламени кладке

Воспользовавшись результатами анализа систем уравнений удельных эффективных тепловых потоков для поверхности кладки и поверхности нагрева, запишем выражение для определения результирующего потока, воспринятого поверхностью нагрева

я = е КоГ-оЛ-ф Г-о.П<)+ г:(1-г")(апТ:4-аТ4)] + а" (Г-Г), (3)

1м и 14 пр К 0 М1 ф пр * 0 ф ' ф4 ф'у 0 ф яр к'1 кон4 ф м" х '

где о =о0--- - приведенный коэффициент излучения

1-е. ОФ.

кладки, учитывающий отклонение от коэффициента излучения абсолютно черного тела, которое вызывается истинной степенью черноты кладки £ к, и определяемый долями конвективного и лучистого тепла в теплоотдаче к кладке

Первые два члена выражения представляют величину падающего на материал лучистого потока от кладки с учетом поглощения слоем продуктов горения Третье слагаемое показывает, какая доля излучения факела отдается поверхности нагрева после отражения от кладки Из анализа уравнения следует, что поверхность нагрева воспринимает тепло практически лишь излучением от кладки Уравнение для теплового потока, переданного единице поверхности

(4)

где а_ - коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Но количество движения измеряется силой сопротивления, т е касательным напряжением у стенки т Исходя из этого следует

Q = ctvwF^ii (5)

/ = (р Ц> (6)

Из условия равенства относительных количеств теплоты и движения имеем

а. Дг т

или

С о ^ ^ А? рш2?'

(7)

(8)

После сокращения получим

С, р *

р м>

(9)

Выразим касательное напряжение т через коэффициент гидравлического сопротивления ^ После преобразований, используя уравнение ДАрси, получим

(Ю)

или

р 11-'

8

С р

1 8

(11)

Это уравнение устанавливает взаимосвязь между интенсивностью поверхностного теплообмена и коэффициентом гидравлического сопротивления трению £ Таким образом, вследствие высокой скорости обтекания поверхности кладки продуктами горения (50 - 70 м/с), значительной турбулизации потока, выдаваемого плоскопламенными горелками, теплоотдача от газов к поверхности кладки происходит в основном за счет конвекции

Считая движущиеся газы в первом приближении идеальной невязкой жидкостью, исходя из системы уравнений Эйлера для осесимметричного движения совершенного газа, получим следующую систему уравнений

Эш, соц2 _ 1 др

дг г р дг

Эоо со со + = О,

и.

со

дг г Э(р г со,)

(12)

дг

Э(-)

Р

дт

=0,

я р

Третье уравнение системы представляет собой уравнение неразрывности для рассматриваемого случая, а четвертое - уравнение Клапейрона, учитывающее зависимость плотности газов от температуры

В силу симметричности течения в плоскостях, параллельных кладке, производные вдоль линий тока (s) связаны с частными производными по радиусу

d(p г-со) д(р ■ г • со ) dr

- —" (13)

ds

do)..

dr ds

_ _ до)и dr _

ds dr ds ' dp _ dp dr ds dr ds

= 0,

(14)

Это дает возможность получить теоретическую зависимость изменения напора в плоском пристенном факеле от радиуса На экспериментальных кривых (рис 2) показан характер изменения напора в радиальном направлении по толщине плоского факела для горелки АГГ-4

i

-- А

ш

р = -0,5 р (С,2 + С2)г'2 +С3.

я-

(15)

ox т at на w но ея

Расстояние от оси горелки по радиусу мм

о S3 w 15о но '¡о ио бзо

Расстояние от оси горелки по радиусу мм

> я I» гя гда ¡и но Расстояние от оси горелки по радиусу мм

Рис 2 Зависимость полного напора продуктов сгорания в радиальном направлении от расстояния до оси горелки по радиусу а - расход газа - 10 м3/ч, а = 1,05, б - расход газа - 15 м3/ч, а = 1,06, в - расход газа - 20 м3/ч, а = 1,00

После преобразований получим выражения для нахождения радиальной и тангенциальной составляющих скорости

2 (16)

со.

со.. =

2л?-! 2мг1'

(17)

где С? - секундный объемный расход среды через замкнутый контур, Г - циркуляция скорости по замкнутому контуру

Аналитически получена зависимость относительной скорости от относительного радиуса

оз. , Г ,

= (-) • (18)

оз.

г

ЛШК.С

При обработке экспериментальных данных в безразмерных координа-03, г

тах -,- удается установить универсальную зависимость изменения

СО г

гт мам

текущей радиальной скорости от радиуса в каждом из сечений Обработка результатов опытов позволила получить следующую зависимость, которая графически представлена на рис 3.

СО г

""У _ ( ' 4-0,75

СО V (19)

гт махе

Некоторое отклонение расчетных величин от экспериментальных объясняется, по-видимому, погрешностями измерений давления

Таким образом, результаты испытаний плоскопламенных горелок АГГ-4 производительностью 5-20 м3/ч на аэродинамическом стенде согласуются с теоретическими выводами, а огневые испытания в топках печей подтверждают правильность полученных решений

Рис 3 Зависимость относительной СОг

скорости-от относительного

О)

гт

Г

радиуса

сплошная кривая -

по эмпирической формуле, штрих-пунктирная - по теоретической формуле, точки экспериментальные

4 5 6 Г/Гмакс

В рабочем пространстве печи между моментом ввода газа и воздуха и получением конечных продуктов горения в результате наложения процесса термического распада углеводородов и цепной реакции окисления наблюдается весьма сложная картина, характеризующаяся наличием как продуктов окисления С02 и Н20, так и СО, Н2, элементарного углерода и продуктов неполного окисления Соотношение между указанными компонентами будет зависеть от условий и длительности нагревания газа, предшествующего реакциям окисления

При горении, в том числе природного газа, происходит термический распад углеводородов с образованием радикалов и свободного водорода, который вступает в реакцию с исходными углеводородами

СН4 -> СН3 + Н, Н + СН4-> СН3 + Н2 и другие реакции

В то же время в окислительной среде при наличии высоких температур происходит образование оксидов азота

Таким образом, при диффузионном горении, в плоском факеле, реализуемом при использовании газовых горелок АГГ, зона горения представляет собой сложную химически реагирующую многокомпонентную неизотермическую смесь, когда в зоне горения имеются дисперсный углерод (сажа), углеводородные и азотсодержащие радикалы, активные промежуточные вещества, атомарный водород, атомарный азот и др Результирующий процесс подавления оксидов азота в диффузионном факеле строится на обеспечении протекания реакций

2N20 + С -> 2N2 + C02

n2o + со -> n2 + co2

2NO + С -> N2 + C02 2NO + 2СО -> N2 +2С02

Стендовые и промышленные испытания горелок АГГ подтверждают низкий уровень выбросов оксидов азота в воздушный бассейн

Условия, необходимые для снижения уровня выбросов NOx .формируются в процессе взаимодействия закрученного потока, выходящего из горелки АГГ с твердой стенкой кладки, с продуктами горения, поступающими из рабочего пространства Таким образом

- при горении газообразного топлива с использованием плоскопламенных горелок наблюдается весьма сложная картина, характеризующаяся наличием не только продуктов окисления С02 и Н20, но и СО, Н2, элементарного углерода и продуктов неполного окисления,

- в зоне термического пиролиза в факеле происходит диссоциация топлива с образованием углеводородных комплексов, способствующих подавлению оксидов азота

Стендовые экспериментальные исследования горелок АГГ

Устойчивая работа горелок АГГ, обеспечение эжектирующих свойств, эффективное их использование в трубчатых печах во многом определяются правильным выбором следующих показателей-

регулируемых размеров в конструкциях типоразмерного ряда АГГ-1-АГГ-4,

диаметра амбразурной втулки для подачи воздуха, необходимого для горения,

типа горелки с ее расходной характеристикой, схемы размещения горелок на излучающих стенах топки

10

Приводятся основные этапы по моделированию горелок типа АГГ на исследовательских стендах и на действующих печах технологических установок.

Объем воздуха, эжектируемого в первичную камеру смешения, составляет около 20% от общего количества, необходимого для горения, что определено особенностью конструкций газовых каналов горелок АГГ Эта максимальная величина первичного воздуха обеспечивается регулировкой зазора между диском и «воротником» горелки Перемещением диска в осевом направлении осуществляется перераспределением воздуха, поступающего из окружающей среды, и дымовых газов из топки в зону разрежения первичной смесительной камеры

Для ряда зазоров между тором сопла и регулятором эжекции при заданной производительности компрессора определяли коэффициенты расхода первичного воздуха (в соответствии с методикой проведения эксперимента) (рис 4)

Рис 4 Схема исследовательского стенда для изучения работы акустических газовых горелок

1 - газовая горелка типа АГГ,

2 - настильная поверхность,

3 - компрессор, 4 - запорное устройство, 5 - диафрагма, б - дифманометр, 7 - вентиль, 8 - байпас, 9 - внутренняя труба, 10 - внешняя труба, 11,12-трубки Пито, 13 - микроманометр, 14,15 - манометры

При заданной производительности компрессора определяли зазор, обеспечивающий максимальный подсос воздуха в первичную камеру газовой горелки Установочный зазор фиксировался в зависимости от модели горелки (АГГ-2, АГГ-3 и АГГ-4) и производительности в диапазоне их работы (рис 5)

Установка зазора проводится при сборке на заводе-изготовителе и указывается в «Инструкции по изготовлению и монтажу горелок АГГ»

Важным условием эффективной работы горелки является правильный выбор установочного зазора между тороидальной поверхностью среза сопла и поверхностью излучающей стенки печи Газовоздушная смесь, вытекая практически параллельно излучающей стенке печи, создает инжекционный эффект подсасывания воздуха во вторичную камеру - это благоприятно сказывается на процессе горения, так как при этом создается запас тяги печи и улучшается качество перемешивания вторичного воздуха с газовоздушной смесью Максимальное использование указанного эффекта достигается при установке зазора для горелок типа АГГ-2 - 80 мм, АГГ-3 - 60 мм и АГГ-4 - 50 мм (рис 6)

Расчет объема первичного и вторичного воздуха показал, что сумма эжектируемого воздуха в горелках АГГ составляет при наиболее «выгодных»

зазорах около 30% Остальной объем воздуха, необходимый на горение, обеспечивается тягой печи

В работе представлен алгоритм расчета диаметра амбразурной втулки для подачи воздуха из атмосферы, необходимого для качественного сжигания газового топлива

160 т 2 140 >. £ 120 <0 о. £ 100 ф О. G) 80 <0 | 60 « О ш 40 сс о X й 20 Q.

АГГ-2 -»- АГГ-3 -*-АГГ4

/

/

< У

О?

0 1 2 3 4 5 6 * Величина зазора между регулирующим диском и тороидальным воротником

Рис 5 Условия обеспечения максимального коэффициента эжекции воздуха в первичной камере смешения для горелок типа АГГ

|ество инжектируемого воздуха, м3/ч го Л. а СЯ О ГО Л оооооооо

у

« -»- АГГ-2 -— АГГ-3 АГГ-4

S § 20 40 60 80 100 120 Расстояние между воротником сопла горелки и поверхностью стенда, мм

Рис 6 Условия обеспечения максимального коэффициента эжекции воздуха во вторичной камере смешения для горелок типа АГГ

Горелки АГГ-1 - АГГ-4 имеют номинальный расход газа (все расчеты выполнены для наиболее применяемой в промышленности метановодородной фракции), разрежение в печи принято равным 4 мм вод ст, и для этих условий выполнены расчеты диаметров амбразурных втулок Они составляют для АГГ-4 - 159 мм, АГГ-3 - 219 мм, АГГ-2 - 273 мм и для АГГ-1 - 325 мм Для конкретных ситуаций при проектировании или реконструкции систем сжигания топлива необходимо корректировать эти диаметры втулок

12

Ввиду высокой производительности плоскопламенных горелок АГГ на топливном газе уточнение расходных характеристик осуществлялось на действующей печи установки ЭП-60 завода «Этилен» (г Казань) При испытаниях определялись следующие показатели нижний и верхний пределы устойчивой работы, расходные характеристики горелок, диаметры раскаленных дисков на излучающих стенах топки Нижний предел устойчивой работы соответствовал условию полного разворота факела на излучающие стены топочной камеры

Верхний предел устойчивой работы горелок связан с появлением первых признаков пульсационного горения или местного отрыва пламени При испытании горелок АГГ этих явлений не наблюдалось во всем диапазоне давления топливного газа Однако следует отметить, что скорость истечения топливного газа из спиральных каналов завихрителя при максимальных нагрузках близка к звуковой, превышение которой может сопровождаться явлением «запирания» горелки и резким увеличением звукового давления

Расходные кривые, а также визуальное наблюдение за характером горения топливного газа в топке печи позволили представить технические характеристики горелок АГГ

Рис 7 Расходные характеристики газовых горелок типа АГГ

Во время исследования проводилось измерение диаметров раскаленных горящих дисков на излучающих стенах топки при номинальных нагрузках по топливу, эти сведения по пристенному горению в дальнейшем необходимы для разработки схем размещения горелок разной тепловой мощности на излучающих стенах топок печей Для горелок АГГ-1 диаметр факела составляет 4,2 м, для АГГ-2 - 3,0 м, для АГГ-3 - 1,7 м, для АГГ-4 - 0,9 м

Основными задачами при проектировании схем размещения горелок на излучающих стенах топок являются

обеспечение проектной тепловой мощности печи, выбор шага между горелками для обеспечения настильного сжигания топливного газа при номинальной тепловой мощности, качественное сжигание топливного газа без химического недожога в дымовых газах на входе в камеры конвекции, сжигание топлива с расчетным избытком воздуха В диссертации рассмотрены схемы размещения горелок типа АГГ различных модификаций для высокотемпературных печей пиролиза, дано их обоснование

Практическое применение результатов исследования

Правильность решения вопросов по реконструкции систем сжигания топливного газа подтверждается результатами проведенных теплотехнических исследований, в задачу которых входят измерения.

температуры материала труб по длине змеевика, температуры излучающих стен топки, разрежения по высоте топки, коэффициента расхода воздуха в камере радиации, химического состава дымового газа, коэффициента полезного действия установки Наиболее интересными для систем сжигания с плоскопламенными горелками АГГ являются результаты теплотехнических исследований на печах завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез» Здесь наряду с совершенными печами установок Э-100 и Э-200 эксплуатируются печи старых конструкций ЭП-60

На установке Э-200 работает 10 узкокамерных печей, проектная производительность их по этану составляет 8-10 т/ч

Одним из главных показателей хорошей работы газовых горелок в печах является равномерный разогрев сырьевых змеевиков и кладки печей

Показано, что температура труб по ходу движения сырья (с нижнего до верхнего ярусов) изменяется достаточно равномерно, в среднем перепад температуры составляет Д1=30 °С, а максимальный - 45-50 °С, что положительно характеризует работу системы газового отопления с горелками АГГ В аналогичных условиях инжекционные горелки фирм «Хепос», «Джон Зинк» и др, располагаемые в шахматном порядке, приводят к перегреву сырьевых змеевиков из-за повышенного перепада температуры Д1=100-150 °С и преждевременному выходу их из строя

Излучающие стены кладки печей по высоте разогреваются с помощью горелок АГГ равномерно, в среднем перепад температур Д1=50-70 "С, что положительно влияет на передачу тепла трубам пирозмеевиков (рис 8, 9) В таких же печах, например, с горелками "Джон Зинк", керамика раскаляется до температуры 1250-1300 °С, а кладка между горелками - до 950-1000 °С, те перепад температуры по кладке составляет примерно 300 °С С учетом надежной и стабильной работы газовых горелок АГГ была реализована идея увеличения производительности по сырью с проектной 8 т/ч до 11.

Увеличение производительности по сырью требует повышения температуры кладки излучающих стен в среднем с 960-980 до 1000-1050 °С Температура труб с ростом тепловых нагрузок увеличивается и при максимальных температурах сырья в потоках 845 °С и нагрузке 11 т/ч на выходах составляет 990-1000 "С

Рис 8 Изменение температуры кладки печи около последних труб потоков с увеличением нагрузки по сырью - четвертый ярус (отм 9,6 м)

Таким образом, устойчивый и мягкий тепловой режим при использовании горелок АГГ-10 в системах сжигания топлива для нагрева сырьевых змеевиков и кладки печей на Э-200 позволил решить важную для производства задачу - увеличить нагрузку по сырью для получения главного продукта - этилена при проектных значениях поверхностей нагрева

Теплотехнические исследования печей Э-200 показали, что топливо полностью успевает сгореть в камерах радиации, химический недожог практически отсутствует Содержание оксидов азота в продуктах сгорания не превышает значений, предусмотренных ГОСТ Р 5059/93 «Газовые горелки промышленные» для плоскопламенных горелок

С учетом достаточно высоких теплотехнических показателей горелок АГГ в системах газового отопления трубчатых печей в диссертации представлены материалы по реконструкции печи П-5 (завод "Этилен") с целью ужесточения теплового режима за счет уменьшения длины сырьевых змеевиков, сокращения времени пребывания сырья в зоне реакции Эти мероприятия обеспечили увеличение выхода этилена на 3-4 % в год на печь Экономический эффект от реконструкции с использованием горелок АГГ-9А составил 26,5 млн руб /год

Влияние организации горения на выход окислов азота

Наиболее целесообразными и распространенными путями снижения выбросов окислов азота можно считать методы, связанные с совершенной организацией процессов сжигания топлива, к числу которых относятся следующие организация топочного процесса с минимальным избытком воздуха; рециркуляция дымовых газов, двухстадийное сжигание топлива, впрыск воды или водяного пара в зону горения Все эти методы базируются на законах химической кинетики, где скорость реакции и выход продукта очень зависят от температуры Поэтому все инженерные решения предусматривают воздействие на температуру в зоне горения тем или иным способом и не учитывают химический состав зоны горения и динамику его изменения Наиболее полно механизм подавления оксидов азота может быть реализован при термохимическом методе, развиваемом в ГОУВПО «СамГТУ», при котором понижение температуры в зоне горения осуществляется за счет эндотермических реакций разложения углеводородов, получения углеводородных радикалов, промежуточных частиц, газов - восстановителей (Н2СО и тд), с последующим их окислением образовавшимися оксидами азота Этот метод может быть описан следующим комплексом реакций (для метана)

- образование Г СН4+02->С0+Н20 - окислительный пиролиз газов-восстанови-К сн^ ^ -> СН2 СН С - термический телей 1 4 4 I I пиролиз

Н Н Н Н

- подавление N0 ■<

Ж)+С0^М20+С02

ш+н2->ы2+н2о ш+с->со2+и2

Основную роль в плоском факеле играет термическое разложение углеводородов, так как горение осуществляется на плоской поверхности, а основная часть воздуха отделена от нее условной границей плоскости горения Зона горения характеризуется наличием углеводородных радикалов, дисперсного углерода, активных частиц и недостатком окислителя

Результаты проведенных промышленных испытаний печей ПБ-10 показали, что концентрация окислов азота в дымовых газах печи с горелками АГГ-1 составляет в среднем 32-47 ррт В печах с панельными и чашеобразными горелками уровень содержания окислов азота на 35-40% больше и составляет 45-75 ррт

Сравнительные стендовые испытания горелок АГГ были проведены в г Талса (США, штат Оклахома) Они показали, что окислы азота в дымовых газах на выходе из топки при работе с горелкой АГГ-4 составляют 20-34 ррш Аналогичные испытания горелок «Джон Зинк» показали при тех же температурных условиях значительно более высокие значения НОх - 50-70 ррт

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги работы можно сформулировать следующим образом

1 Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств являются одной из крупных технических задач, имеющих актуальное значение в современных условиях по ряду причин Во-первых, общеизвестно, что промышленная продукция России имеет повышенную энергоемкость и при вступлении страны в ВТО будет не конкурентно-способна на мировых рынках Во-вторых, Россия присоединилась к Киотскому протоколу и обязана развивать направления хозяйственной деятельности, обеспечивающие уменьшение техногенной нагрузки на окружающую среду, в том числе снижение вредных выбросов в воздушный бассейн, в высокотемпературных тепловых технологиях, потребляющих органическое топливо

2 Указанная задача решена применительно к разработке новых технических устройств и способов организации эффективного сжигания газового топлива, систем отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих энергоэффективность технологических процессов

Предложен новый способ организации настильного сжигания газового топлива в плоскопламенных горелках для осуществления косвенного радиационного теплообмена, в том числе топливных газов с большим содержанием водорода

3 Защищены патентами РФ конструкции плоскопламенных горелок типа АГГ и трубчатой печи со схемой их размещения, с помощью которых удалось обеспечить повышение энергоэффективности работы печей нефтехимии, снижение уровня загрязнения воздушного бассейна, повысить надежность работы и межремонтный пробег узкокамерных печей

4 Проведены экспериментальные исследования формирования плоского пламени, уточнены размеры прилегающих раскаленных дисков, позволившие разработать рекомендации по размещению горелок АГГ на печах.

5 Для плоскопламенных горелок АГГ получены зависимости, характеризующие теплообмен от плоского факела к экранным поверхностям труб При рассмотрении аэродинамики разомкнутого факела получены значения изменения скорости и напора продуктов сгорания в радиальном направлении Разработан процесс подавления оксидов азота в диффузионном пристенном факеле

6. Приводятся методика и результаты исследования работы горелок АГГ по выбору оптимальных "зазоров" на исследовательских стендах для максимальной инжекции воздуха в первичную и вторичную камеры Предложены конкретные размеры каналов при установке горелок в промышленные печи Дается обоснование выбора диаметров амбразурных втулок для подачи воздуха на горение топлива широкого фракционного состава с учетом разрежения в топках печей

7 Преимущества систем сжигания топливного газа с горелками АГГ в трубчатых печах подтверждены теплотехническими исследованиями при замене инжекционных горелок (отечественных и зарубежных)

8 Реализована идея увеличения производительности по этану с 8 до 11 т/ч на заводе «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез» Ужесточение теплового режима горелок АГГ-10 при увеличении расхода топлива не привели к перегревам сырьевых змеевиков до критических значений - жаропрочности и жаростойкости Проведены исследования по изучению возможности поднятия производительности до 12 т/ч и более, что позволит заводу значительно увеличить выпуск целевой продукции - полиэтилена

9 Решена важная задача по интенсификации теплообмена в рабочей камере и увеличению выхода этилена в пирогазе на 3-4 % за счет сокращения длины змеевиков в 1,5 раза (П-5, вторая очередь завода "Этилен" ) Обследование печи П-5 с горелками АГГ-9А (ас № 2193730) подтвердило правильность принятого решения по реконструкции (ас № 2231713), так как не было отмечено перегрева материальной части печи, результаты анализа дымовых газов по тракту подтвердили качественное сжигание и эффективное расходование топлива Экономический эффект от реконструкции составил 26,0 млн руб в год

10 Обоснована целесообразность использования плоскопламенных горелок АГГ вместо инжекционных, рассмотрены причины значительного снижения выходов оксидов азота при работе этих горелок

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Шарихин, В В Реконструкция печи пиролиза в ОАО «Казаньоргсинтез» / В В Шарихин, А С Печников, В В Степанчук, А В Шарихин и dp II Нефтепереработка и нефтехимия - 2002 - № 11 - С 37-40

2 Шарихин, В В Повышение эффективности топливных систем трубчатых печей / В В Шарихин, ТН Мухина, А С Печников, В В Степанчук, А В Шарихин // Нефтепереработка и нефтехимия - 2002 - № 4 - С 15-18

3 Шарихин, В В Газовая горелка, обеспечивающая снижение окислов азота в дымовых газах / В В Шарихин, А С Печников, В В Степанчук, А В Шарихин и др И Нефтепереработка и нефтехимия - 2003 - № 4 - С 27-30

4 Шарихин, В В Модернизация трубчатых печей в нефтяной и нефтехимической промышленности / В В Шарихин, А С Печников, В В Степанчук, А В Шарихин // Вестник СамГТУ - Вып 28 - Самара, СамШ 2004 - С 185-188

5 Шарихин, А В Новые газовые горелки дтя узкокамерных печей / А В Шарихин, А И Щелоков // Материалы докладов к XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов - M, 2006 - С 409-410

6 Шарихин, А В Результаты обследования трубчатых печей технологических установок на содержание окислов азота в дымовых газах / А В Шарихин И Известия Самарского научного центра РАН - Самара Издательство Самарского научного центра РАН, 2005 - С 222-225

7 Шарихин, А В Методы подавления окислов азота в дымовых газах трубчатых печей и котельных агрегатов / А В Шарихин II Известия Самарского научного центра РАН -Самара Издательство Самарского научного центра РАН, 2005 - С 205-209

8 Шарихин, А В Реконструкция печного блока установки пиролиза ЭП-60 завода "Этилен" в ОАО «Казаньоргсинтез» / А В Шарихин II Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности сборник докладов к Российской научно-технической конференции - Ульяновск, 2006 - С 263-265

9 Пат 2193730 Российская Федерация, МПК7 F 23 D 14/04 Газовая горелка / Шарихин В В, Печников А С, Степанчук В В, Фафанов ГП, Файзрахманов H H, Шарихин А В , заявитель и патентообладатель Самарский государственный технический университет - №2002102254/06, заявл 30 01 02, опубл 27 11 02, Бюл №33 - 3 с ил

10 Пат 2231713 Российская Федерация, МПК7 F 23 С 1/08 Трубчатая печь / Шарихин В В, Печников А С, Степанчук В В, Шарихин А В, Кудряшов В Я, Гусев Ю В, Фафанов ГП, Файзрахманов H H, заявитель и патентообладатель Самарский государственный технический университет - №2003116142, заявл 02 06 03, опубл 27 06 04, Бюл №18 - 3 с ил

11 Шарихин, В В Разработка газовых горелок для систем сжигания топлива в трубчатых печах / В В Шарихин, А С Печников, В В Степанчук, А В Шарихин // Левинторовские чтения Материалы Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья Комплексные решения» - Самара, 2006 - С 137-139

12 Шарихин, В В Реконструкция системы сжигания топлива на печи ПБ-22 Минибаев-ского ГПЗ / В В Шарихин, В В Степанчук, А В Шарихин II Ашировские чтения Материалы III Международной научно-практической конференции - Самара, 2006 - С 144-145

Основные условные обозначения

(}ф - теплота, переданная от факела, кДж/с, t^ £ф, еи - степень черноты экрана, факела и кладки, соответственно, Со - постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/м2К4, Fp - поверхность нагрева, мг, Тф, Tw - температуры факела и экрана, °С, qM - тепловой поток, воспринятый поверхностью, кДж/с, ёп- усредненная степень черноты пламени, Q^, Q* -теплота направленная на экран и кладку, соответственно, кДж/с, <£ , 0; т- конвективные составляющие теплоты, направленной на экран и кладку, кДж/с, QB - теплота, отраженная от экрана, кДж/с, qt - потери теплоты через кладку, кДж/с, S, S', S" - толщины зон горения в факеле, м, опр- приведенный коэффициент излучения, Вт/м2К1, оо - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2К4, а"оя - коэффициент теплоотдачи конвекцией от поверхности кладки материалу, Вт/мгК, акоя, - коэффициенты, учитывающие теплоотдачу конвекцией от факела к кладке и от факела на поверхность нагрева, Вт/м2К,

юц - радиальная и тангенциальная составляющие скорости, м/с, г - радиус, м, р - плотность, кг/м3, Р - давление, Па, С,, С2, С, - постоянные интегрирования, м'/с, Q - секундный объемный расход через замкнутый контур, м'/с, Г - циркуляция скорости по замкнутому контуру, м3/с, ь)^, ып - максимальная радиальная скорость и средняя по площади скорость, соответственно, м/с; 1 - расстояние от сечения до фронтовой стенки, м, - диаметр факела, м, ги кс~ PW. на котором радиальный напор достигает максимального значения, м

Шарихин Андрей Валерьевич

Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор ТИ Заболоцкая

Подписано в печать 16 04 07 Формат 60x84/16 Печать оперативная Бумага офсетная Уел печ л 1,16 Тираж 100 экз Заказ №374

Отпечатано в типографии ООО «ОФОРТ» 443080, г Самара, ул Революционная, 70 литера П Тел 372-00-56, 372-00-57

Введение.

Глава I. Обзор конструкций печей и систем отопления.

1.1 Трубчатые печи.

1.1.1 Обзор конструкций трубчатых печей, применяемых на установках пиролиза углеводородного сырья.

1.2 Конструкции и рабочие характеристики газовых горелок.

1.2.1 Комбинированные газомазутные горелки.

1.2.2 Инжекционные горелки.

1 2.3 Плоскопламенные газовые горелки.

Глава II. Плоскопламенные горелки типа АГГ для трубчатых печей.

Глава III. Особенности теплообмена и сжигания топливного газа в печах пиролиза

3.1 Особенности теплообмена в рабочем пространстве пиролизных печей.

3.2 Аэродинамические основы формирования настильного разомкнутого факела.

3.3 Снижение оксидов азота при сжигании газа в пристенном диффузионном факеле.

Глава IV. Проведение экспериментальных исследований при разработке горелок АГГ.

4.1 Определение оптимальных регулируемых размеров горелок АГГ.

4.2 Определение размеров воздушных каналов в амбразурной втулке и регуляторе инжекции.

4.3 Исследование работы газовых горелок АГГ-1 - АГГ-4 на промышленных печах.

4.4 Схемы размещения газовых горелок типа АГТ в трубчатых печах.

Глава V. Практическое применение результатов исследования.

5.1 Тепловые потери и КПД трубчатых печей.

5.2 Приборы, применяемые для обследования трубчатых печей.

5.3 Результаты обследования трубчатых печей с горелками типа АГТ.

Глава VI. Влияние организации горения на выход оксидов азота.

6.1 Методы подавления оксидов азота в дымовых газах трубчатых печей и котельных агрегатов.

6.2 Результаты обследования трубчатых печей технологических установок нефтепереработки и нефтехимии на содержание оксидов азота в дымовых газах.

6.3 Газовая горелка, обеспечивающая снижение оксидов азота в дымовых газах.

Глава УП. Экономическое обоснование использования в системах сжигания топлива плоскопламенных горелок АГГ для печей пиролиза.

Выводы.

Список используемой литературы.

Актуальность проблемы. Основной задачей в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности является ускоренное развитие отраслей по переработке нефти при одновременном снижении удельных затрат на переработку сырья. Выполнить эту задачу можно только за счет технического переоснащения предприятий путем создания и внедрения нового высокопроизводительного оборудования, а также повышения эффективности работы существующих технологических установок.

Основными аппаратами в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности являются трубчатые печи. Современная тенденция совершенствования различных трубчатых печей характеризуется созданием компактных агрегатов большой единичной мощности целевого назначения для осуществления технологичного процесса.

Приоритетными в различных отраслях по переработке нефти являются узкокамерные печи, обеспечивающие наилучшие условия по передаче тепла сырьевым змеевикам и экономному расходованию топлива. Наиболее широкое применение такие печи нашли в высокотемпературных процессах -на установках пиролиза, конверсии, получения аммиака и т.д. Жесткий температурный режим в таких печах требует особого внимания к выбору систем обогрева сырьевых змеевиков. Так, в печах пиролиза сырье нагревается до температуры 830 - 860 °С, трубы - до 1000 - 1100 °С, близкой к предельно допустимой температуре по жаростойкости и жаропрочности для высоколегированных сталей типа 45X25H35CJI. Традиционно в таких печах в отечественной практике и за рубежом в системах сжигания топливного газа используются инжекционные горелки. Опыт их эксплуатации показал наличие конструктивного несовершенства, нарушение теплового режима в топках печей, приводящие к преждевременным остановам.

В диссертации предлагается новый подход к системам сжигания топлива в узкокамерных печах с использованием плоскопламенных горелок, не имеющих аналогов в мировой практике. Дается обоснование использования горелок типа АГГ в различных конструкциях трубчатых печей для решения таких вопросов как высокая технологичность, простота конструкции, экономия топлива, снижение вредных выбросов с дымовыми газами.

Цель работы заключается в разработке и исследовании новых плоскопламенных горелок типа АГГ для систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих интенсификацию теплотехнологических процессов, повышение энергоэффективности печей, обеспечение снижения уровня загрязнения воздушного бассейна, повышения надежности работы и увеличение срока службы.

Научная новизна: Поставленная цель диссертации достигнута теоретическими и экспериментальными исследованиями. Наиболее принципиальной новизной обладают следующие результаты:

1. Впервые предложена аэродинамическая схема плоскопламенной горелки типа АГГ, на новой основе позволяющая реализовать устойчивое сжигание многокомпонентных газообразных топлив, в том числе с большим содержанием водорода в настильном факеле.

2. Предложено в плоскопламенных горелках сжигание газа в диффузионном факеле. Экспериментально обоснованы соотношения между первичным и вторичным воздухом. Коэффициент расхода первичного воздуха лежит в пределах а = 0,15-0,2.

3. Проведен теоретический анализ взаимосвязи теплообмена с аэродинамикой разомкнутого диффузионного факела. Прикорневая область, где находится первичная газовоздушная смесь, лучепрозрачна и нагрев стены топки происходит за счет излучения продуктов сгорания из рабочего пространства.

4. Установлен механизм теплообмена в развитой части плоского пламени, заполненного продуктами реакций. Вследствие возросшей вязкости горящего потока решающую роль в разогреве кладки играет трение от поступательного движения газов, усиленное тангенциальной составляющей скорости вращающегося потока.

5. Применение нового способа сжигания топлива обеспечивает равномерное распределение тепловых потоков, исключает локальные перегревы змеевиков, что обеспечивает повышение надежности и увеличения срока службы печей.

6. Экспериментально исследовано развитие факела вдоль плоской огнеупорной стенки и получено подтверждение эффективности тепловой работы печи. Интенсификация теплообмена за счет обеспечения косвенного радиационного нагрева позволяет увеличить производительность печи в тех же конструктивных размерах.

7. Теплотехнические исследования подтвердили преимущества горелок АГГ для нагрева сырья, экономного расходования топливного газа по сравнению с традиционными инжекционными горелками.

8. Разработка горелок АГТ на уровне изобретений и защита конструкций патентами РФ.

Практическая ценность и реализация работы. Результаты исследований газовых горелок АГГ использованы при разработке систем сжигания топливного газа в трубчатых печах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. В каждом конкретном случае учитывались -конструктивная особенность печей, тепловая мощность, требования к обогреву сырьевых змеевиков, состав топливного газа и т.д.

1. В печах пиролиза установок ЭП-300 (Кстово, Салават, Ангарск) вместо 112 горелок фирмы "Хепос" (Чехия) в каждой печи установлено 24 горелки АГГ-2, по 6 штук против каждого из четырех сырьевых потоков. Топливом служит метановодородная фракция с содержанием водорода до 20 %.

2. В печах установки Э-200 (завод "Этилен" г. Казань) вместо 500 горелок ГБПш в каждой первоначально были установлены горелки АГТ-6 в количестве 24 штук аналогично печам установки ЭП-300. С переходом на топливо с высоким содержанием водорода (до 80 % об.) системы обогрева в этих печах реконструированы, установлены более надежные и эффективные горелки АГГ-10 в количестве 80 штук на печь.

3. На I и II очередях завода "Этилен" в печах установки ЭП-60 вместо 250 инжекционных горелок на печь смонтированы 8 горелок АГГ-9, в более же высоких печах установлены в два яруса 22 горелки АГГ-9А.

4. На газоперерабатывающем заводе ОАО "Татнефть" (г. Альметьевск) в системах сжигания топливного газа нагревательных печей установлено по 44 горелки АГГ-7 с пилотной горелкой, являющейся одновременно малой ступенью сжигания топлива.

После реконструкций трубчатых печей с использованием горелок АГТ проводился комплекс работ по теплотехническому обследованию с анализом дымовых газов по всему тракту для подтверждения качественного сжигания топлива и высокого КПД, а также замером температуры излучающих стен топок и сырьевых змеевиков с обоснованием равномерной передачи тепла сырью.

После получения положительных результатов разрабатывалась и передавалась обслуживающему персоналу "Инструкция по сборке, монтажу и эксплуатации газовой горелки (тип АГТ)", примененной в этой схеме.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором на 5-й Международной конференции молодых ученых и студентов (г. Самара, 2004 г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология" (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской студенческой олимпиаде "Оборудование нефтегазопереработки" (г. Самара, 2005 г.); Конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Энергетика и энергосбережение" (г. Барнаул, 2005 г.);Всероссийской научной конференции "Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения" (г. Самара 2006 г.); III Международной научно-практической конференции (г. Самара 2006 г.), 10-ой юбилейной международной конференции "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения" (г. Н-Новгород, 2006 г.).

Объем диссертации. Работа состоит из 7 глав, введения и заключения, 58 рисунков, 38 таблиц и списка использованной литературы из 70 наименований.

Выводы

1. Разработка и исследование систем газового отопления узкокамерных печей нефтехимических производств является одной из крупных технических задач, имеющих актуальное значение в современных условиях по ряду причин. Во-первых, общеизвестно, что промышленная продукция России имеет повышенную энергоемкость и при вступлении страны в ВТО будет не конкурентоспособна на мировых рынках. Во-вторых, Россия присоединилась к Киотскому протоколу и обязана развивать направления хозяйственной деятельности, обеспечивающие уменьшение техногенной нагрузки на окружающую сред,, в том числе, снижение вредных выбросоь о воздушный бассейн, в высокотемпературных тепловых технологиях, потребляющих органическое топливо.

2. Указанная задача решена применительно к разработке новых технических устройств и способов организации эффективного сжигания газового топлива, систем отопления узкокамерных печей нефтехимических производств, обеспечивающих энергоэффективность технологических процессов.

Предложен новый способ организации настильного сжигания газового топлива в плоскопламенных горелках для осуществления косвенного радиационного теплообмена, в том числе, топливных газов с большим содержанием водорода.

3. Защищены патентами РФ конструкции плоскопламенных горелок типа АГГ и трубчатой печи со схемой их размещения, с помощью которых удалось обеспечить повышение энергоэффективности работы печей нефтехимии, снижение уровня загрязнения воздушного бассейна, повысить надежность работы и межремонтный пробег узкокамерных печей.

4. Проведены экспериментальные исследования формирования плоского пламени, уточнены размеры прилегающих раскаленных дисков, позволившие разработать рекомендации по размещению горелок АГГ на печах.

5. Проведен теоретический анализ взаимосвязи теплообмена с аэродинамикой разомкнутого диффузионного факела. Прикорневая область, где находится первичная газовоздушная смесь, лучепрозрачна и нагрев стены топки происходит за счет излучения продуктов сгорания из рабочего пространства.

6. Приведены методика и результаты исследования работы горелок АГГ по выбору оптимальных "зазоров" на исследовательских стендах для максимальной инжекции воздуха в первичную и вторичную камеры. Предложены конкретные размеры каналов при установке в промышленные печи. Дается обоснование выбора диаметров амбразурных втулок для подачи воздуха на горение топлива широкого фракционного состава с учетом разрежения в топках печей.

7. Преимущество систем сжигания топливного газа с горелками АГГ в трубчатых печах подтверждаются теплотехническими исследованиями при замене инжекционных горелок (отечественных и зарубежных).

8. Реализована идея увеличения производительности по этану с 8 до 11 т/ч на заводе "Этилен" ОАО "Казаньоргсинтез". Ужесточение теплового режима с горелками АГГ-10 при увеличении расхода топлива не привели к перегревам сырьевых змеевиков до критических значений - жаропрочности и жаростойкости. Проводятся работы по изучению возможности поднятия производительности до 12 т/ч и более, что позволит заводу значительно увеличить выпуск целевой продукции - полиэтилена.

9. Решена важная задача по интенсификации теплообмена в рабочей камере и увеличению выхода этилена в пирогазе на 3 - 4 % масс, за счет сокращения длинны змеевиков в 1,5 раза (П-5, 2 очередь завода "Этилен"). Обследование печи П-5 с горелками АГТ-9А (а.с. № 2193730) подтвердило правильность принятого решения по реконструкции (а.с. № 2231713), т.к. не было отмечено перегрева материальной части печи, анализ дымовых газов по тракту подтвердил качественное сжигание и эффективное расходование топлива. Экономический эффект от реконструкции составил 26,5 млн. руб. в год.

10. Обоснована целесообразность использования плоскопламенных горелок АГГ вместо инжекционных, рассматриваются причины значительного снижения выходов оксидов азота при работе этих горелок.

1. Масальский, К.Е. Пиролизные установки: монография / К.Е. Масальский, В.М. Годик. -М.: Химия, 1968. 142 с.

2. Бахшиян, Ц.А. Трубчатые печи с излучающими стенками топки: монография / Ц.А. Бахшиян. М.: ГОСИНТИ, 1960. - 192 с.

3. Каширский, В.Г. Некоторые вопросы развития конструкций трубчатых печей / В.Г. Каширский, Щапов Г.А., Седелкин В.М. // Нефть и газ. -1976. №6. - С. 69-71.

4. Седелкин, В.М. // Химия и технология топлив и масел. 1966. - №5.

5. Щапов, Г.А. // Химия и технология топлив и масел. 1964. - №8.

6. O'Sullivan T.F., Hofstein L.L. //Oil a. Gas J. 1971. - Vol. 69. - № 5. -P. 70-73.

7. Blysth, B.M. //Oil a. Gas J. 1974. Vol. 72. - № 16. - P. 91-97; Там же //№17. P. 60-64.

8. Petroleum Times. 1981. - № 5. - P. 30-35.

9. Lohr, B. // Chem. Econ. Eng. Rev. / B. Lohr, W. Schwab 1979. -Vol. 11.-№7.-P. 15-22.

10. Zillikens, P. //Erdol und Kohle. 1970. - Bd. 23. - № 10. - S. 645-648.

11. Mol, A. // Oil a. Gas J. 1984. - Vol. 82. - № 11. - P. 55-59.

12. Dluzniewski, J. // Oil a. Gas J. / J. Dluzniewski, R. Oriss, J. Wallace -1981.-Vol. 79.-№ 15.-P. 121-130.

13. Nowowiejski В., Oriss R. //Petr. et techn. 1984. - №. 305. - P. 30-37.

14. Горелки для трубчатых печей: Каталог. Изд. 5-е, исправл. и доп. -М.: Цинтихимнефтемаш, 1990. 24 с.

15. Михеев, В.П. Сжигание природного газа: монография / В.П. Михеев, ЮЛ. Медников. Л.: Недра, 1975. - 391 с.

16. Брук, Ю.Г. Сжигание природного газа в нагревательных печах: монография / Ю.Г Брук. Л.: Недра, 1977. - 167 с.

17. Тменов, Д.Н. Интенсификация процессов пиролиза: монография / Д.Н. Тменов, СЛ. Гориславец Киев: Техника, 1978. - 192 с.

18. Мухина, Т.Н. Пиролиз углеводородного сырья: монография / Т.Н. Мухина, H.JI. Барабанов, С.Е. Бабаш и др. М.: Химия, 1987. -240 с.

19. Гориславец, С.П. Пиролиз углеводородного сырья: монография / СЛ. Гориславец, Д.Н. Тменов, В.И. Майоров. УССР, ин-т газа. -Киев: Наукова думка, 1977. - 307 с.

20. Седелкин, В.М. и др. //Хим. техн. 1982. - №2. - С. 64.

21. Сорока Б.С., Еринов А.Е., Кравец А.Я. и др. // Кузнечно-штамповочное производство. 1982. -№1. - С. 33-37.

22. Глинков М.А. Основы общей теории печей / М.А. Глинков. М.: Металлургиздат, 1962. -575 с.

23. Klimek J., Pniewski A., Gaczynski T.//Hutnik.- 1980.-№5.-S. 206212.

24. A.C. 238068 СССР, МКИ F 23 f. Газовая плоскопламенная горелка / Б.Ф. Копытов, А.Е. Еринов, Б.С. Сорока // Открытия. 1969. №9. -С. 64.

25. А.С. 544830 СССР, МКИ F 23D13/12. Газовая плоскопламенная горелка / Б.Ф. Копытов, А.Е. Еринов, Б.С. Сорока и др. // Там же. -1977.-№4.-С. 101.

26. Патент 791181 Италия, MKUF23f. Bruciatore a gas, del tipo a flamma piatta / V.F. Kopytov, A.E. Erinov, B.S. Soroka. Опубл. 15.11.67.

27. A.c. 561839 СССР, МКИ F 23 D 13/12. Газовая плоскопламенная горелка / A.E. Еринов, Б.С. Сорока, Б.Ю. Никитин, А.С. Лукьянчиков // Открытия. 1977. - №22. - С. 68.

28. А.с. 431366 СССР, МКИ F 23D13/24. Газовая плоскопламенная горелка / Б.Ф. Копытов, А.Е. Еринов, Б.С. Сорока и др. // Там же-1974.-№21.-С. 126.

29. А.С. 595589 СССР, МКИ F 23D13/24. Газовая плоскопламенная горелка / Б.Ф. Копытов, А.Е. Еринов, Б.С. Сорока и др. // Там же. -1978.- №8. -С. 155.

30. А.с. 603805 СССР, МКИ F 23D13/24. Газовая плоскопламенная горелка / А.Е. Еринов, Б.С. Сорока, Л.И. Валь и др. (СССР) // Там же. 1978.-№15.-С. 114.

31. Пат. 2108516 Российская Федерация. Плоскопламенная горелка / Пелипенко В.Н., Киюкин В.М. № 94041269; заявл. 15.11.94; опубл. 10.04.98.

32. Пат. 2107224 Российская Федерация. Газовая горелка / Дворя-шин С.Е., Коваленко А.Н. и др.; заявл. 22.09.95; опубл. 20.03.98. -3 е.: ил.

33. Ентус, Н.Р. Газовые горелки трубчатых печей: учебное пособие / Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин М.: Цниитэнефтехим, 1984. - 56 с.

34. А.с. 954707 СССР, МКИ F 23 D 13/00. Газовая горелка / В.В. Шарихин, С.П. Кириченко, А.С. Печников и др. (СССР). №3226028 / 24-06; заявл. 13.11.80; опубл. 30.08.82. Бюл. №32. - 2 е.: ил.

35. Пат. 2093750 Российская Федерация, МПК 6 F 23 С И / 00.

36. А.с. 1712740 СССР, МКИ F 23D14/04. Газовая горелка / В.В. Шарихин, В.В. Степанчук, А.С. Печников и др. (СССР). №4368829; заявл. 25.01.88; опубл. 12.08.89. Бюл. № 6. - 4 е.: ил.

37. А.с. 1343185 СССР, МКИ F 23 D 11/04. Газовая горелка / В.В. Шарихин, А.С. Печников, В.В. Степанчук и др. (СССР). №4112516; заявл. 17.06.86; опубл. 07.10.87. Бюл. № 37. - 3 е.: ил.

38. Мурин, Г.А. Теплотехнические измерения.: учебник для энергетич. и энерготехнич. техникумов / Г.А. Мурин; 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. - 424 с.

39. Эстеркин, Р.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива: монография / Р.И. Эстеркин JL: Недра, 1981. — 424 с.

40. Равич, М.Б. Топливо и эффективность его использования: монография /М.Б. Равич. М.: Наука, 1971. - 357 е.: ил.

41. Шарихин, В.В. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: учебное пособие / В.В. Шарихин, Н.Р. Ентус, А.А. Коновалов,

42. А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000. - 392 е.: ил.

43. Ентус, Н.Р. Повышение эффективности топливной системы печей пиролиза / Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин, А.С. Печников, Ю.Д. Князев // Химия и технология топлив и масел. М.: Химия, 1986. - 48 с.

44. Ентус, Н.Р. Резервы экономии топлива в печах пиролиза бензина на производствах этилена ЭП-300 / Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин, Ю.Д. Князев, А.С. Печников // Химическая промышленность. М.: Химия, 1986.-63 с.

45. Мартин, Дж. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. М., 1980. - №3. -73 с.

46. Сигал, И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива: монография / И.Я. Сигал. М.: Недра, 1977.

47. Эфендиев, Т.Б. Исследование различных методов борьбы с выбросами окислов азота парогенераторами / Т.Б. Эфендиев II Теория и практика сжигания газа. М.: Недра, 1975. - № 6. - С. 521-525.

48. Долженкова, М.В. Образование окислов азота и бенз(а)пирена при двуступенчатом сжигании природного газа и снижении температуры воздушного дутья / М.В. Долженкова, Н.Н. Петухова. -Тр.ВНИИпромгаза. М.: Недра, 1978. - № 10. - С. 57-61.

49. Росляков, П.В. Исследование механизма образования окислов азота в топке с пересекающимися струями / П.В. Росляков II Тр.МЭИ. -М., 1975. Вып. 169. - С. 54-59.

50. Гребенщикова, Г.В. Снижение образования вредных веществ при сжигании метановоздушных смесей с добавками водяного пара / Г.В. Гребенщикова, Н.В. Лавров, Э.И. Розенфельд II Использование газа в народном хозяйстве. М.: ВНИИгазпром, 1978. - № 4. -С. 16-24.

51. Жихар, Г.И. Влияние рециркуляции дымовых газов на снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорания / Г.И. Жихар, Б.М. Руденков II Научные и прикладные проблемы энергетики. -Минск: Высшая школа, 1977. № 4. - С. 7-10.

52. Попов, А.И. Влияние рециркуляции дымовых газов в воздушный тракт парогенератора на выбросы окислов азота при сжигании газа / А.И. Попов, Ю.В. Мусатов II Промышленная энергетика. 1979. -№ 1.-С. 43-44.

53. Щелоков, А.И. Механизм подавления оксидов азота в процессах сжигания газового топлива / А.И. Щелоков II Вестник СамГТУ. -Вып. 1. Самара, 1994. - С. 219-227.

54. Блох, А.Г. Математическая модель сажеобразования при сжигании природного газа. 4.1 / А.Г. Блох, А.И. Щелоков //ИФЖ. Т. 59. - № 3. -1990.-С. 492-499.

55. Блох, А.Г. Математическая модель сажеобразования при сжигании природного газа. 4.2 / А.Г. Блох, А.И. Щелоков II Там же. Т. 62. -№6. -1992. -С. 831-839.

56. Рихтер, JI.A. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС / JI.A. Рихтер, Э.П. Волков, В.Н. Покровский. М.: Энергоиздат, 1981.-420 с.

57. Кулиш, О.Н. Предотвращение образования окислов азота в продуктах сгорания топлива / Кулиш О.Н. И Итоги науки и техники. Сер. "Топливный баланс. Использование газа и мазута ". Т.1. - М., ВИНИТИ, 1980.

58. Розенфельд, Э.И. Сжигание газа и мазута с минимальным выбросом продуктов неполного, сгорания / Э.И. Розенфельд II Там же. Т.2. -М., ВИНИТИ, 1980.

59. Kremer, Н. //Gas Warme Int. 1988. - №8. - S. 450-454.

60. Knauber, R. //Gas Warme Int. 1987. - №4. - S. 226-229.

61. Hovis, J.E. // Iron and Steel Eng. 1986. - №6. - P. 43-46.

62. Barnes, F.J. // Journal of the Institute of Energy. 1988. - №155. -P. 184-186.

63. Крутиев, B.A. Исследование комбинированного метода уменьшения выбросов окислов азота / В.А. Крутиев, Т.Б. Эфендиев // Электрические станции. -1977. -№ 4. С. 12-14.

64. СИСТЕМА СЕРТИФИКАЦИИ ГОСТ Р ГОССТАНДАРТ РОССИИ1. СЕРТИФИКАТ СООТВЕТСТВИЯ1. РОСС RV.AES6.B02816

65. Срок действия С 14.07.2004г. ПО 13.()7.2007г.63S7253

66. ОРГАН ПО СЕРТИФИКАЦИИ РОСС RU. 0001.10АЕ56 ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "САМАРСКИЙ ЦЕНТР ИСПЫТАНИЙ И СЕРТИФИКАЦИИ" ЩРГАЯ ПО СЕРТИФИКАЦИИ ПРОДУКЦИИ И УСЛУГ)443077, г. Отара, ул. Пугачевская, д. 21 А, тел. 78-85-33, 78-85-34, факс 78-85-32

67. ПРОДУКЦИЯ Горыки газовые среднего давления типа АГГ: А1Т-2М, .

68. АГГ ЗМ. АГГ-4М\ АГГ-10, работающиека природном газе по ОК 005 (ОКП):

69. ГОСТ 5542 и технологическом ирмяодсрюенкам газе 36 9610

70. ТУ 3696-003-15348306-2004 Серийный выпуск

71. СООТВЕТСТВУЕТ ТРЕБОВАНИЯМ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ .

72. ГОСТ21204-97п.п. 4.1, 4.2, 4.4, 4.5,р. 5tlWl2-529-03 . код TH ВЭД России;

73. ИЗГОТОВИТЕЛЬ (НЮ "Комет". ИНН:6317047337 443004, г. Отара, п. Стромилово, ул. Львовская, 6

74. СЕРТИФИКАТ ВЫДАН 443010, г. Самара, ул. С&чарская, 70, оф> 22> теХ ($462) 33-36-00

75. Аггаяттептичл ruftv pfteft^TeDUHTODHH Российской Федерации.Ссостояния производства № 3-02749/АПот 12107.2004г.

76. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Схема семяЯвШйшии № За.одитель органа .

77. Федеральный горный и промышленный надзор России1. Госгортехнадзор России)1. РАЗРЕШЕНИЕ1. РРС 52-000761. На применение

78. Оборудование (техническое устройство, материал) Горелка газовал среднего давления типа АГГ

79. Код OKI 1 /ТН ВЭД 369630/84162090000

80. Изготовитель (Поставщик) ООО «КАМЕТ». 443010 г. Самара, ул. Самарская, 70, офис 22

81. Основание выдачи разрешения. Заявление №000042-52-08 -04 от 09.03.04; Заключение экспертизы промышл. безопасности ГОУ ВПОСамГТУ №52-ТУ-05341-2004 '

82. Условие изготовления (применения) 1. Соблюдение законодательства Российской Федерации в области пршы^^^ШШ^р^сШ

83. Монтаж, техническое обслуживание в соотвётствии с '1ребованиями норм: правил промышленной безопасности. •

84. Внесение изменений вте^йчёскую йдрк>^ента1Щ1о возможно только по согласованию с адаед^ванно.^ испБпзтельной: организацией и Госгортехнадзором России.-JA4*