автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Система настильного сжигания топлива трубчатых печей пиролиза на основе вихревых плоскопламенных горелочных устройств типа АГГ

На правах рукописи

Печников Александр Сергеевич

СИСТЕМА НАСТИЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ ПЛОСКОШГАМЕННЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ТИПА АГГ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

1 7 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

005534915

005534915

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты

химических производств» федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: Григорян Леон Гайкович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Официальные оппоненты: Веригин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета)

Жидков Андрей Борисович

кандидат химических наук, генеральный директор ООО «Алитер -Акси» (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт органического синтеза — наука (г. Москва)

Защита состоится 6 Ks2013 г. в часов на заседании совета

по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.06 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ауд. № 62.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке С-ПбГТИ (ТУ).

Замечания и отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 198013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.230.06 к.ф-м.н., доцент

Ю.Г. Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ведущая роль в сырьевой базе нефтехимии принадлежит низшим олефинам, на основе которых производится около 70% нефтехимических продуктов и с производством которых связано бурное развитие нефтехимических комплексов и научно-технический прогресс. При имеющимся многообразии предлагаемых способов пиролитического превращения предельных углеводородов в непредельные, наибольшее распространение в мировой практике получил процесс термического пиролиза сырья с водяным паром в змеевике-реакторе трубчатых печей.

Трубчатые печи (ТП) являются головным оборудованием установок пиролиза, от их эффективной работы во многом зависят производительность современных технологических установок, качество выпускаемой продукции, эффективность использования сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов.

Одной из основных систем печного агрегата является система сжигания топлива (ССТ), правильность выбора которой в значительной мере определяет соблюдение технологии, удобство эксплуатации, безопасность, экономичность его работы и сохранение чистоты воздушного бассейна. Основным элементом системы сжигания являются горелочные устройства (ГУ).

В отечественной и зарубежной практике проектирования узкокамерные ТП с излучающими стенами топки технологических установок пиролиза традиционно оснащаются ССТ, основанной на использовании маломощных инжекционных ГУ универсального применения. Опыт эксплуатации печей с такими горелками показал, что они ненадёжны в работе, сложны в управлении и ремонте, ресурс их эффективной эксплуатации невысок.

Выбор числа и схемы расположения горелок на стенах топки предоставляется проектанту печей и носит в большинстве своём субъективный характер, так как расчётные рекомендации разработчиков горелок, как правило, отсутствуют. Для получения равномерного поля температур по кладке, а в ТП с многопоточными змеевиками это является основной задачей, часто прибегают к установке большого числа горелок малой тепловой мощности. В связи с этим одновременно возникают затруднения с размещением горелок и подводящих трубопроводов, усложняется и удорожается их монтаж, эксплуатация и ремонт. Трудности технического обслуживания ССТ, состоящей из сотен инжекционных горелок, вызывают справедливые нарекания эксплуатациошшков.

В целях совершенствования проектируемых и модернизации существующих трубчатых печей пиролиза (ТПП) необходима дальнейшая разработка и внедре-

ние новых эффективных и надёжных ССТ, включая разработку конструкций ГУ, максимально удовлетворяющих целому ряду требований, предъявляемым к ним как инструменту обеспечения теплового режима процесса пиролиза в ТП. Такие разработки с проведением комплексных исследований новых ГУ и определением не только их режимных характеристик, но и характеристик факела, позволяющих разрабатывать эффективные ССТ для высокотемпературных ТГТТТ, оптимизировать количество и расположение ГУ на излучающих стенах топки, являются весьма актуальными.

Цель работы - создание, разработка и освоение эффективных систем настильного сжигания топлива для существующих и вновь проектируемых печных агрегатов пиролиза углеводородного сырья на основе принципиально новых вихревых плоскопламенных ГУ типа АГГ.

В соответствии с целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- выполнить анализ работы существующих конструкций ТПП и ГУ, применяемых в ССТ. На основе выявленных недостатков сформулировать пути повышения эффективности ССТ и выбрать наиболее перспективные направления реализации способа настильного сжигания топливного газа в ТПП;

- разработать конструкцию газовой горелки на новой теоретической основе с высокой эффективностью и надёжностью в работе;

- разработать типоразмерный ряд газовых горелок АГГ для ТПП;

- провести стендовые испытания новых конструкций газовых горелок типа АГГ с отработкой их оптимального конструктивного устройства и получением их технических характеристик;

- аналитически и экспериментально определить размеры и конфигурацию турбулентного диффузионного веерного настильного факела при сжигании газов в горелках типа АГГ в широком диапазоне изменения условий его формирования и на основе полученных данных усовершенствовать методику расчета длины веерного турбулентного диффузионного факела.

- разработать методику рационального размещения горелок на излучающих стенах топочной камеры;

- разработать новые эффективные ССТ для ТП типовых установок пиролиза с учетом их конструктивных и технологических особенностей;

- провести комплекс теплотехнических испытаний реконструированных ТПП типовых установок пиролиза с целью проверки теоретических расчётов и проектно-конструкторских решений и подтверждения эффективности внедрения результатов диссертационной работы в промышленности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан новый принцип сжигания топливного газа и его конструктивная реализация в вихревых плоскопламешшх горелках типа АГТ, защищенные патентами РФ;

- исследована аэродинамика проточной части горелок типа АГТ и определена неравномерность потока газовоздушной смеси по диаметру камеры смешения и на срезе сопла;

- экспериментально определены оптимальные соотношения основных конструктивных элементов горелок типа АГТ, соответствующие максимальным значениям коэффициентов инжекции в первичной и вторичной камер смешения топливного газа с воздухом;

- экспериментально определены коэффициенты расхода газа горелок типа АГГ;

- разработана аэродинамическая модель веерного настильного факела горелок типа АГГ. Получены новые экспериментальные данные по кинетике выгорания топлива по радиусу веерного факела, аналитически и экспериментально определена длина факела горелки типа АГГ;

- разработана методика рационального размещения горелок типа АГГ на излучающей поверхности стен топки печи;

- проведены теплотехнические испытания реконструированных печей, получены данные по выгоранию топлива, распределению температур по поверхности кладки печей и пирозмеевикам.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований с анализом литературных, фондовых и патентно-информационных источников, теоретического обобщения результатов исследований и статистической обработкой полученной информации. Исследования проводились на исследовательских стендах кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО СамГТУ, огневом стенде Опытного завода ВНИИОС и на промышленных установках пиролиза ЭП-60, Э-100, Э-200, ЭП-300 и ЭП-450.

Практическая значимость работы;

Разработка ГУ с применением новых принципов сжигания топливного газа позволяет повысить надежность и эффективность работы T11I1. Разработка типо-размерного ряда горелок типа АГГ позволяет компоновать ССТ для различных размеров излучающих поверхностей топки и производительности печей. Расчет размеров веерного диффузионного настильного факела горелок АГГ по полученной формуле и разработка методики рационального размещения ГУ на излучающих стенах топки печи позволяет минимальным числом горелок добиться равномерности нагрева излучающей и экранной поверхностей печи. На основании

проведенных исследований разработаны новые ССТ для типовых установок пиролиза.

Практическая реализация. Результаты работы использованы ведущими проектными организациями ОАО «ВНИПИНефть», ЗАО «Технефтехим» при проектировании ССТ в ТПП на следующих предприятиях: ЗАО «Нефтехимия» г. Новокуйбышевск, ОАО «Казаньоргсинтез» и др.

С использованием горелок АГТ проведена модернизация ССТ более чем в 110 печных агрегатах этиленовых производств.

За комплекс работ «Разработка и реализация новой топливной системы для печных агрегатов нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, обеспечивающей рациональное расходование топливно-энергетических, материальных трудовых и сырьевых ресурсов и охрану окружающей среды» автору диссертации присуждена премия Совета Министров СССР.

Акты внедрения результатов диссертационной работы представлены в приложениях к диссертации.

Личный вклад соискателя. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в данной работе, проведены непосредственно автором при участии сотрудников кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО СамГТУ. Результаты исследований опубликованы в соавторстве с ними. Обработка данных экспериментов выполнена автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты работы неоднократно докладывались, обсуждались и получили одобрение на отраслевых совещаниях по пиролизу, а также на Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в химической технологии — 2000»; 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии»; 5-ой Международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки»; 1-ой, 2-ой, 3-ей и 5-ой Международных научно-практических конференциях «Ашировские чтения»; Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения»; Международной научно-практической конференции «Передовые технологии и перспективы развития ОАО Казаньнефтеоргсинтез». На защиту выносятся:

- конструкция вихревой плоскопламенной газовой горелки типа АГГ для печей пиролиза, разработанной на новых принципах сжигания топливного газа;

- аэродинамическая модель факела газовой горелки типа АГТ;

- результаты моделирования определяющих размеров горелки;

-результаты экспериментального исследования характеристик горелок тина АГГ;

- формулы для расчёта размеров факела в топке печи с горелками типа АГГ;

- технические решения и конструкции горелок типа АГГ, позволяющие сжигать газовое топливо широкого фракционного состава с высокой эффективностью;

- методика рационального размещения новых ГУ на излучающих стенах топки;

- новые ССТ для ТПП типовых установок пиролиза углеводородного сырья с применением разработанных горелок типа АГГ;

- результаты теплотехнических испытаний ТП с новой ССТ;

- результаты внедрения новых ГУ типа АГГ в печах установок пиролиза, с экспериментальным обоснованием технических достоинств новых ССТ в сравнении с традиционным отоплением ТПП.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе нашли отражение в 24 опубликованных печатных работах, в том числе 5 в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 3 авторских свидетельствах СССР и 4 патентах РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 26 таблиц и 5 приложений, библиография включает 94 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы данной диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая значимость.

В первой главе обоснован объект исследования, в качестве которого выбрана ТПП углеводородного сырья. Предметом исследования является ССТ трубчатой печи, составной частью которой являются ГУ, разработанные специально для печей пиролиза углеводородного сырья.

До настоящего времени отсутствуют надёжные и подробные сведения о работе ГУ в печах пиролиза, а информации, имеющейся в литературных источниках, недостаточно для оценки совершенства той или иной конструкции и ССТ в целом.

На первом этапе был выполнен обзор современных конструкций ТПП и представлен аналргз их тепловой работы. Показано, что отечественные конструкции печных агрегатов пиролиза уступают по многим показателям зарубежным. Это касается работы трубных систем, систем автоматизации и управления процессом, а также ССТ. Показано, что зарубежные проектные фирмы («Луммус», «Селас», «Линде», «КТИ» и др.) ранее применяли в системах сжигания маломощные инжекционные горелки, а в настоящее время, решая вопросы перера-

ботки тяжёлых видов сырья, переходят на использование факельных диффузионных подовых газожидкостных горелок, создающих дополнительные эксплуатационные и экологические проблемы. Для отечественных установок пиролиза характерным видом топлива является производственный газ (метан-водородная фракция), что позволяет осуществлять его сжигание на боковых поверхностях топки, снизить техногенную нагрузку на атмосферу, достаточно эффективно регулировать процесс теплоподвода к экранной поверхности нагрева. Поэтому использование инжекционных горелок, расположенных в боковых поверхностях топки, для отечественных установок является преимущественным и основной задачей является разработка горелок, способных сжигать такой газ с высокой эффективностью и надёжностью в эксплуатации.

Исследования процессов формирования и геометрических размеров факелов неразрывно связаны с теорией горения в целом и теорией турбулентного диффузионного горения в частности. В соответствии с этим в третьем разделе главы представлен краткий обзор наиболее важных теоретических и экспериментальных работ, в которых исследованы основные закономерности, характеризующие процесс горения в турбулентном диффузионном факеле.

На основе анализа работ, посвященных исследованиям размеров и выгорания газовых турбулентных диффузионных настильных факелов, установлено, что на практике наиболее часто используются эмпирические и полуэмпирические выражения, позволяющие проводить оценки размеров факелов и выгорания топлива при выполнении расчётов печей с приемлемой точностью. Однако для факелов, образующих сложные течения потока, дающих определённые преимущества перед классическими потоками, исследований выполнено мало, и они пока не позволяют разработать общепринятый метод расчета газового турбулентного диффузионного веерного настильного факела.

На основе проведённого аналитического обзора, в заключении главы приведён перечень нерешённых проблем в области сжигания топлива в ТПП для их реальных условий эксплуатации и определены задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке модели газовой горелки нового типа и проведению полномасштабных её исследований на стендах.

На основе требований к ГУ, учёта специфики высокотемпературного процесса пиролиза и авторского видения новой конструкции газовой горелки для ТПП, основанного на практическом опыте многочисленных обследований ТПП установок пиролиза различной мощности, разработана модель новой газовой горелки вихревого типа, плоскопламенной, инжекционной, неполного предварительного смешения топлива с воздухом, получившую название «АГГ».

Схема конструкции горелки, использованной в экспериментальных исследованиях и послужившей основой для разработки серии горелок типа ЛГГ, представлена на рисунке I.

Горелка I устанавливается на фронтальной стене топки 5 по оси закладной воздушной трубы 4 при помоши центрирующих р€бер 3.

Топливный газ по газо-под водя шей трубке 6 тангенциально поступает в корпус горелки на двухзаходный запихрнтсль 2, где получает требуемую закрутку. Вращающийся поток газа смешивается в камере смешения с подсасываемым из атмосферы первичным воздухоу, количество которого устанавливается за сч£т изменения зазора 2В„ регулируемого устройством 7. состоящим из диска и штока, установленных по оси горелки при помощи траверсы.

ггг; — т.ш • I

Далее газо-возлушиая смесь I | ЧИ

за счет эффекта Коандэ раз- I | рТ.^

ворачивается в дискообраз- а 6 6

ный разомкнутый поток, кото- Рисунок 2 - Схема измерения скоростного напора в

рый равномерно настилается проточной части горелки АГГ

«а - а», «б - б», «в - в», «г - г» - исслслусмые сечения

на излучающую поверхность проточной части-адели грелки;

топки. I + 12 - точки замера тангенциальной и радиальной

составляющих скорости могока в указанных ссчамях Выходя с большой скоростью через зазор 2Вт этот поток вызывает разрежение в закладной трубе 4, которое вместе с собственной тягой печи является движущей силой для поступления вторичного воздуха, инжектируемого к корью факела. Его количество регулируется регулятором инжекции 8, выполняющим одновременно функцию глушителя шума.

Рисунок I - Схема конструкции газовой горелки типа АГГ

Для определения оптимальных геометрических размеров камеры смешения горелки, позволяющих с максимальной эффективностью подготовить ГВС к воспламенению, и изучения параметров выходного потока (неравномерность на срезе сопла горелки). При измерении скоростей применялся пневмомстричсский метод - использовались трубки Пито, а также специально изготовленный цилиндрический зонд: разработана методика проведения экспериментов.

Схема точек измерений скоростного напора в проточной части модели горелок АГГ-3 и АГГ-2 показана на рисунке 2.

Для оценки неравномерности на срезе сопла принималось соотношение:

с = ~ -100%. (О

I т

п м

где - экстремальные значения тангенциальной составляющей скорос-

ти газо-воздушно го инока ), определяемой по периметру камеры смешения

горелки и на срезе сопла; у - номер направления измерения в данном сечении; т - количество направлений.

Результаты исследований аэродинамики проточной части горелок типа АГГ представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Угловое распределение тангенциальной составляющей скорости потом я протонной части горелки типа АГГ-3 (а) и АГГ-2 (б) при производительное! и близкой к номинальной

Из рисунка 3 видно, что распределение тангенциальной составляющей скорости ГВС по периметру камеры смешения в каждом из сечений имеет по два явно выраженных максимума, соответствующих числу выходных каналов завих-ритсля, которые по мере удаления от завнхрителя сглаживаются и на расстоянии более 1,55 диаметра камеры смешения и на срезе сопла, параметр неравномерности € близок к 10% (при нагрузках близких к номинальным).

Диаметр камеры смешения (1КС и еб длина определены исходя из условий

сохранения средних значений момента количества движения и скоростных характеристик у среза сопла в рабочем диапазоне производительности горелки по топливу. Установленное соотношение длины камеры смешения и её диаметра, принятое для конструктивного исполнения изготавливаемых горелок:

1кся<№+ЧВ)*кс- (2)

В результате экспериментов было выявлено, что подсос первичного воздуха в камеру смешения горелки зависит от величины зазора 2В0, а подсос вторичного воздуха зависит от выступа сопловой части горелки в топку печи А. С целью определения оптимальных значений установочных зазоров для всех гинов горелок АГГ в широком диапазоне производительности, проведены исследования на специально разработанном аэродинамическом стенде, схема которого представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема аэродинамического стенда для исследования горелок типа АГТ

I - исследуемая горелка; 2 - амбразурная груба; 3 - настильная поверхность; 4 - компрессор; 5 - встиль: 6- камерная диафрагма; 7 - лифманометр; 8 - регулирующий вентиль; 9 - пнугренняя труба; 10.11 -трубки Пито; 12 - микроманометр; 13 - манометр; 14 - тягомер; 15 - шибер.

Критерием оптимальных установочных размеров служили коэффициенты инжскции первичною и вторичного воздуха, определяемые по формулам (3) и (4) как отношение количсст»а первичного и вторичного воздуха, подсасываемого струвй газа, к общему количеству воздуха, необходимого для сгорания топлива, подаваемого через горелку. Причем оптимальный установочный размер соответствовал максимальному значению коэффициента инжскции для данного режима по производительности горелки.

V'

У,- а г о

(4)

<3> 1 Уг а У0

где а-У0- количество воздуха, необходимого для полного сгорания (при расчете и, и пг принято количеств воздуха необходимого для полного сгорания I м1 газа равным 8 м1).

______На рисунке 5 показаны

выявленные зависимости, на основании которых установлены соотношения установочных зазоров в зависимости от типоразмера горелок, которые обобщены формулами:

1 1 1 1 I I > > ■ I и 11 I) и М II Ве.игшш и»м "!Во~,ми Рисунок 5 - Зависим ось поступления инжектируемого воздуха в первичную камеру смешения горелки типа АГГ от неличины установочного размера «2Во»

1В

- 0,05 -г- 0,25

*кс

— = 0,25 + 0,35

(5)

(6)

Исследования на промышленных печах представляют большую сложность ю-за невозможности проводить такие опыты на действующем оборудовании, а также громоздкости печей, наличия большого числа горелок, оказывающих влияние на работу сосед! их горелок, на которых проводится эксперимент. В таких случаях наиболее достоверные результаты экспериментов можно получить на огневом стенд«. Нами такой стенд был разработан на базе опытно-промышленной печи пиролиза (рисунок 6), на котором получены расходные характеристики горелок (рисунок 7), определены коэффициенты расхода газа и пределы рабочего диапазона по производительности горелок АГГ.

Га Р $ г > %z И Л и 5 5 Я rY Г<п

k J" W-J /

Рисунок 6 - Схема огневого стенда для исследования газовых горелок типа AIT (I, II, III, IV, V номер лк>чка)

1 - топочная камера; 2 - горелка типа ЛГГ; 3 - газопровод; 4 - змеевик: 5 ■ камерная лиафрагма; 6 - лифманометр; 7 - термометр; 8 - манометр; 9 - тягомер; 10 - i азо-анадизатор; 11 • шибер; 12 - лючки; 13 - микроманометр.

Рисунок 7 - Расходная характеристика горелок типа АП

Одной из важнейших характеристик горелок является коэффициент расхода газа горелки, определяемым отношением:

_ммйсп, (7)

' и

14ПОР

Действительный массовый расход газа, проходящего через горелку, определен опытным путСм в диапазоне изменения производительности горелок АГТ-2+АГТ-4. Для каждой горелки выполнено по 15 опытов. Опытные данные использованы при определении теоретического массового расхода, который находился по формуле адиабатного истечения газа Сен-Венана и Вентнеля:

М^ = 3600-^.А-^ л-Рг•[(/*)* -кг <8>

где Р01п = а ■ 6 п - суммарная площадь газовыпускных отверстий горелки, м2; к = к^г,- показатель адиабаты топливного газа; к1 - показатель адиабаты компонента топливного газа;

р - отношение абсолютных давлений в топке и перед газовыпускными отверстиями горелки определяемое по формуле:

(9)

£ Л

и гиги*

Яцшд пит гаи |< пи».

Рисунок 8 - Определение юзффициента расхода газа горелок типа ЛГУ в зависимости от перепада давления но горелке

Обработка опытных данных представлена графически на рисунке 8 и характеризуется логарифмической функциональной зависимостью коэффициента расхода газа от перепада давления по горелке с постоянными коэффициентами представленными в таблице 1.

■ А + В ■ 1п

(10)

Р

С помощью полученных зависимостей можно определить расход газа для любых значений давления газа перед горелкой.

Таблниа 1 - Постоянные расчетного уравнения коэффициента расхода глза горелок типа АГГ

при определении

Типоразмер горелки АГГ А В Достоверность аппроксимации

АГГ-2 0.386 0,276 0,979

АГТ-3 0.458 0,219 0,987

А1Т-4 0,419 0.247 0,991

Исследования горелок на огневом стенде и результаты определения качества горения топлива в широком диапазоне производительности горелок, соответствующему давлению перед горелкой до 0,3 МПа, характерное для топливных систем установок пиролиза, позволили с достаточной достоверностью определить главные характеристики горелок типа АГГ, прсдставлешшс в таблице 2.

Таблица 2 - Технические характеристики горелок типа АГТ

Показатели Тип горелки

АГГ-1 АГГ-2 АГГ-3 АГГ-4

Тепловая мощность при ( Оп =30 МДж/м3), кВт -максимальная - номинальная - минимальная 3200 2670 267 1500 1250 287 600 500 167 300 250 45

Номинальный расход газа, м7ч 320 150 60 30

Номинальное давление газа, кПа 186 176 196 255

Коэффициент рабочего регулирования по тепловой мощности 5,0 5,0 5,0 5,0

Минимальный коэффициент расхода воздуха 1,08 1,08 1,06 1,05

Содержание окислов азота в сухих неразбавленных продуктах сгорания (при а - 1) при номинальной тепловой мощности, мг/м3 70 60 50 50

Содержание окиси углерода в сухих неразбавленных продуктах сгорания (при а = 1) в диапазоне рабочего регулирования, % об. 0,03 0,02 0,02 0,02

Температура наружной поверхности горелки, доступной для персонала, не более 50 45 40 40

Уровень звука, дБА, не более 84 83 80 85

Диаметр факела на излучающей поверхности, м 5,0 зд 22 и

Угол конусности факела, град. 180 180 180 180

Средний ресурс до капитального ремонта (исполнение I), ч, не менее 18000 18000 18000 18000

В результате проведённых экспериментов получены зависимости, на основании которых разработан типоразмерный ряд горелок для охвата диапазона производительности горелками типа АГГ от 10 до 320 м3/ч, что позволяет иметь ГУ широкого спектра применения для комплектования ССТ 11111 различных конструкций. С целью возможности применения указанной разработки в промышленных условиях, согласно действующим нормативным документам, разработана конструкторская и техническая документация на типоразмерный ряд горелок АГГ, проведены Государственные испытания ГУ на промышленных печах с получением разрешения на применение и изготовление горелок в промышленных условиях.

Третья глава посвящена определению одной из основных характеристик горелки типа АГГ- длины факела.

Рисунок 9 - Аэродинамическая модель (схема) факела горелки типа АГГ ¡уд - скорость ГВС на выходе из сопла; цг - скорость ГВС на оси струи;

- расстояние до сечения, в котором

определяется скорость струи;

Ь0 - полуширина струи на выходе из

кольцевого источника (сопла горелки); г0 =60/<&«1 =г>0/2,4-а " Расстояние от полюса струи до выходного сечения сопла (среза сопла горелки); <1 - диаметр среза сопла горелки.

Факел горелки АГГ представляет собой развернутую веерную газо-воз-душную струю с углом конусности 180° (рисунок 9).

Следуя рекомендациям Лисиенко В.Г., полную длину факела горелки можно определить через стехиометрическую длину (расстояние от среза сопла до точки на оси струи в которой подсасывается теоретически необходимое количество воздуха), умноженную на коэффициент, зависящий от условий предварительного перемешивания газа и воздуха, а также от скорости истечения газа.

Для нашего случая

Ар = Ккомпл. ' LCx > С

где Ккомпл - комплексный коэффициент

настильности, учитывающий увеличение длины факела горелки АГТ при распространении его контура вдоль излучающей стены топки до полного его выгорания;

Lcx=2-{Rlx)-r0)+dCP (12)

- стехиометрическая длина (диаметр) факела горелки АГГ.

При истечении газо-воздушной струи из сопла, в результате исчезновения действия стенок и наличия вязкости потока, периферийный слой приобретает поступательное движение и вовлекает в это движение воздух со стороны закладной трубы (из атмосферы) и дымовые газы со стороны топки. По мере увеличения движущейся массы, сечение струи увеличивается и приобретает форму конуса.

Искомое расстояние в формуле (12) можно определить через объём газо-

воздушной смсси, вытекающей из сопла горелки:

¿<г)

(13)

Распределение скоростей по поперечному сечению круглой, плоской и веерной струй описывается универсальным уравнением Г. Шлихтинга:

(14)

К тг.

-й

Тогда, используя формулу (15) можно записать

г ч^2

— I .6)

¿(х)

= 2ж-^у | 1Ут

1-

<1у

(15)

Осевую скорость в любом сечении основного участка веерной струи можно определить из соотношения, полученного Г.Н. Абрамовичем:

К

Ж

12-

а-Ь„

'А

X

к

!,2 &1 Чад:

(16)

Тогда, подставляя значение Шт из (16), переписьшаем уравнеште (15) в виде:

Т

ад 1Г„-1,2-.

= \ —

Ьр-г»

-&Г

4уг

(17)

О

Проинтегр1фовав это выражение, с учётом граничных условий, при подстановке у — , получим:

(18)

С учетом того, что = 2,4-а-Я{х), формулу (19) перепишем в более удобной форме, обобщив при этом цифровые значения:

(19)

Км = 8,139 -

Ь^.а.^Л м3/с)

Если считать, что на расстоянииЯ^от оси горелки струя подсосала некоторое количество воздуха равного стехиометрическому соотношению с топливом, а стехиометрический коэффициент образовавшейся смеси а = 1, то усреднённый расход смеси у будет складываться из подаваемого в горелку количества

топлива Ут и общего количества воздуха^, необходимого для сжигания этой смеси, то есть, в общем случае:

у

г СМ

(20)

Однако, в нашем случае часть воздуха (до 20% от необходимого для горения) подсасывается внутрь горелки, смешиваясь там с горючим газом и затем, уже за соплом горелки, эта струя подсасывает с одной стороны инжектируемый атмосферный воздух, а с другой стороны дымовые газы, содержащие некоторое количество кислорода, соответствующего коэффициенту избытка воздуха в топочной камере и участвующего в горении смеси.

С учётом этого баланс по подсасываемому в горелку воздуху:

УВ ОБЩ. ~ VПЕРВ. + УвТОР.

или

Гт-а-У0=Гт{1 + агУ0)+Гт(1 + а2-У0) = Гт(1 + агУ0)+2-УВ(

где 2 ■ Укс - количество воздуха, подсасываемого с двух сторон струи, распространяемой в топке печи;

а = ах + а2 = 1 - общий коэффициент расхода воздуха через горелку;

а1 и а2- соответственно, коэффициенты расхода первичного и вторичного

воздуха через горелку;

Так как большая часть кислорода воздуха подсасывается с внешней стороны факела, а остальная часть (меньшая) со стороны топки, то с учётом концентраций кислорода в этих спутных потоках (св =21% об. и Сд г ), можно записать:

Увс-{св + Сяг)=а2-У0-Ут-Св,

откуда т/ _ а2" К" К • Св ,

'аг — _ _

С в +Сд.г.

тогда

V = У ■ гсм ' т

С„

С 4 С

-г ъ-'Д г

(21)

Приравняв правые части уравнений (19) и (21), определим :

С.

Ут-

1 + а,-Р,+2-К„.(!-«,)•

уСв +СДГу

,(м)

(22)

™ 8,139 -W.-Ja-b.-r.

г де Уг - расход топливного газа через горелку, м3/с;

у - теоретически необходимое количество сухого воздуха для горения 1 м3 газового топлива, м^м3.

Подставляя полученное значение формулу (12), полагая постоянной

концентрацию кислорода в атмосферном воздухе и учитывая, что Сл, кратно меньше С,, заменив вычитаемое г0 = А0 / 2,4 • а. получаем еС в следующем виде:

2

«,)) Ь. 1 &.Л 2.4-aJ

♦¿г

(23)

8.139 W.-JaT.

Так как два последних члена этого уравнения пренебрежимо малы по сравнению с длиной факела горелки, в окончательном виде имеем:

/ „К 0.246 • Уг -[l + Ут • (2 - а, )] (24)

' ■Ф " * коип.1---—-/ , -

W.Jab.r,

Комплексный коэффициент настильности KhXJUWI , отличающий стехиомет-

рическую длину факела от реальной длины факела, можно определить только экспериментально.

Опыты по определению коэффициента настильности горелки типа АГТ были проведены дополнительно в составе испытаний горелок на огневом стенде (рисунок 6), оборудованного специально лючками для ввода измерительного зонда по длине факела горелки.

На номинальном режиме но расходу топливного газа для горелки тина АГГ-3 определены параметры факела (скорость струи, химический недожог и концентрации С02) по длине распространения его вдоль «пены топки. Полученные результаты обработаны в относительных координатах и представлены на рисунке 10, из которого видно, что на выходе из сопловой щели скорость I13C

резко падает (в месте касания потока излучающей стены) до 5+7 м/с, а на расстоянии 55+75 калибров имеет значения менее I м/с, одновременно идёт эффективное выгорание топлива и на расстоянии 55 калибров от оси горелки химический недожог составляет менее 2 % об., что говорит о завершённости процесса горения топлива. Сопоставление размера зоны выгорания веерной струи и расчет длины факела по формуле (23) даёт значение коэффициента

Рисунок 10 - Распределение относительных

скоростей, концентраций COj и химического недожога но радиусу факела горелки гина АГТ-3

настильности А"

= 3,3.

В меч вещ ой главе рассмотрены вопросы комплексного подхода к разработке ССГ с ГУ типа ЛГТ. Так как кладка печи одновременно является составной частью ГУ, рассмотрены варианты исполнения настильных стен печей пиролиза, показана эффективность того или иного решения. Для формирования настильного факела горелок АГГ 1трнмснялись все указанные виды кладки, однако предпочтение отдается более современным материалам, например, бетонам.

Выполненные исследования по определению характеристик разработанных горелок, их длины факела, а также разработка типоразмерного ряда горелок АГГ различной тепловой мощности, позволяют скомпоновать систем)' настильного сжигания топлива в ТПП оптимальным способом, то есть обеспечить равномерный нагрев теилопередающей поверхности минимальным числом горелок.

Определение и выбор оптимального количества горелок типа АГГ на излучающих стенах топки, их типоразмер и схему расположения по длине и высоте топки для заданной печи осуществляется согласно разработанного

Кроме того, при размещении горелок учитывается существующее расположение элементов металлоконструкций печи, специфика системы автоматического регулирования теплового режима печи, определяется схема разводки топлива по обслуживающим площадкам, учитывается способ эвакуации продуктов сгорания из топочной камеры.

На основании разработанной методики даются рекомендации по выбору оптимальной схемы обофева с целью обеспечения надежной и эффективной работы системы сжигания топлива, обеспечения технологического режима пиролиза, сохранения материальной части печи, экономии топлива.

алгоритма и блок-схемы расчета (рисунок 11).

С»р>

Рисунок 11 - Блок - схема расчета по определению остального количества горелок в печи

В пятой главе приведено описание приборов и методик экспериментального исследования тепловой работы ТПП оснащенных новой ССТ с горелками ЛГТ. На основе результатов исследований выполнены проекты реконструкции существующих систем сжигания топлива в печах установок ЭП-60, Э-100. Э-200, ЭП-300, новых печей пиролиза конструкции ВНИПИнефть, Технефтехим, Сам1ТУ-КОС.

Впервые газовые горелки типа ЛГТ внедрены на Куйбышевском заводе синтетического спирта в печи П-6 конструкции «Гинрокаучук» установки ЭП-60 взамен проектных 160-ти панельных горелок типа ГБПш с целью устранения большого числа недостатков работы горелок этого типа.

В этих печах применены мощные горелки типа АГГ-1 для обогрева горизонтальных двухпоточных змеевиков со схемой размещения их в один ярус по 4 горелки с каждой стороны камеры радиации (рисунок 12). Такая схема вполне оправдана для невысоких печей (с высотой топки до 5 м), так как обеспечивает достаточно высокую равномерность температурного поля на излучающей поверхности (свыше 90%) и в топочном пространстве, поэтому успешно используется также на аналогичных установках в Уфе, 11овонолоцкс, Казани, Перми.

Определение и выбор оптимального количества горелок типа АГТ для заданной печи осуществляется согласно разработанного алгоритма и блок-схемы расчета (рисунок 12), результаты расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты расчета оптимального типоразмера горелки и рационального расположения горелок АГТ на излучающих стенах топки печн установки ЭП-60

Наименование параметра Типоразмер горелки

А1Т-1 АГГ-2 АГГ-3 А1Т-4

Расход топлива через горелку, м'/ч 317 150 60 30

Количество горелок 8 18 42 84

Количество горелок в ряду 4 4(5) 7 10(П)

Количество ярусов горелок 1 2 3 4

Длина факела горелки, м 4.18 3,16 2,21 1,3

Степень равномерности нагрева излучающей стены. % 91 99 99 95

Степень наложения факелов. % 5 28 34 42

Результатом внедрения новой ССТ в печах пиролиза установок ЭП-60 является значительное упрощение конструкции печи и повышение надёжности её работы:

- количество горелок, а. следовательно, арматуры сокращено в 20 раз; демонтирована верхняя площадка обслуживания, так как горелки установлены в один ряд; вместо 160 блоков ипжекцнонных горелок выполнена кладка из шамотного кирпича, что позволяет значительно улучшить герметичность топки; простота конструкции горелок топа АГТ и небольшая их масса облегчают изготовление, монтаж и обслуживание новой ССТ;

- небольшое число ГУ создает хорошие условия для автоматизации процесса горения топливного газа и поддержания теплового режима печи с максимальным КПД, что позволяет экономить до 10% топлива.

С целью устранения основных недостатков проектной системы сжигания топлива установки ЭГ1-300, силами сотрудников Сам1ТУ и ВНИИОС была разработана и успешно внедрена усовершенствованная ССТ с использованием горелок типа АГГ-2. Эта схема просуществовала 25 лет.

В 2008 г. выполненный по результатам обследований печного блока анализ состояния и работы печей установки показал, что печи имеют большой физический износ и требуют модернизации кладки и системы сжигания топлива, как не отвечающие современным требованиям по тсплоподволу к реакционным трубам.

Г1о рекомендациям разработчиков ГУ типа АГГ, с целью устранения выявленных недостатков был разработан проект установки 54 горелок типа АГГ-3 (меньшей мощности, чем установленные ранее горелки типа АГТ-2) по расчётной схеме их размещения и топливной обвязке (рисунок 13).

щщЩш

SffijHg llîll

Рисунок 13 - Схема размещения горелок типа AIT в нечи установки ЭП-300

Фрагмент установленных и работающих горелок типа AIT-3 представлен на рисунке 14.

Эти мероприятия положительно сказались на работе печи, что подтверждается результатами теплотехнических обследований печи, выполненных на различных нагрузках по сырио в период ci работы с усовершенствованными системами, в частности, на рисунке 15 показан более приемлемый температурный профиль труб змеевика печи при работе с новой ССТ.

Рисунок 14 - Фра1мс1п кладки лечи с Рисунок 15 - Температурный профиль труб работающими горелок тина АП'-З в змеевика печи Р-ОЗВ с проектными 1 орелками печи пиролиза установки "Л 1-100 и нечи 1-08 В с 1 орелками типа АЛ -3

Сравнительные испытания показали, что расход топлива при работе новой ССТ сократился на 4-40%; перепад температур по кладке печи уменьшился с 250 до 20+40°С; по длине труб змеевика до 40+50°С с 70+80°С; КПД печи увеличился на 2+3 %; пробега печей, оснащенных новой системой сжигания увеличились на 200+400 часов за счет равномерности нагрева и снижения закок-сованности внутренней поверхности змеевиков, выбросы окислов азота сокращены в 1,5 раза, ремонтные работы, связанные с восстановлением змеевиков, горелочных устройств и кладки печи уменьшились наполовину.

Аналогичные реконструкции с не менее значимыми результатами проведены и для типовых печей установок Э-200, ЭП-450. Результаты выполненных работ хорошо иллюстрируются таблицей 4, откуда видно, что основные показатели работы реконструированных печей выше проектных.

Таблица 4 - Результаты сравнительных испытаний трубчатых печей установок пиролиза до реконструкции и после реконструкции системы сжигания топлива

Основные параметры печи Наименование установки

ЭП-60 Э-200 ЭП-300 ЭП-450

проект (до реконструкции) после реконструкции проект (до реконструкции) после реконструкции проект после реконструкции проект после реконструкции

Производительность,т/ч 8 9 8 9 11,5 11,5 22 22

Тип горелок ГБПш АГГ-1 ГБПш АГГ10 Хепос АГГ-3 Джон Цинк АГГ-2

Количество горелок, шт 160 8 480 72 112 54 170 32

Расход топлива, кг/ч 1230 1100 1200 1140 1400 1244 2700 2200

КПД, % 68 (64) 71 72(70) 75 84,4 85 87 89

Перепад температуры стенки трубы по длине, °С 80+90 40+50 70+90 30+40 50+70 30+40 50+70 30+50

Перепад температуры кладки по высоте топки,°С 60+120 20+40 5(Н-80 30+50 до 250 40+50 50+100 40+60

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Проведённый анализ литературы и патентная проработка темы диссертации показали перспективность направления разработки новой ССТ для ТПП, лишённой ряда недостатков существующих систем.

2) Специально для печей пиролиза разработана новая конструкция ГУ на принципиально другой основе, повышенной надёжности в эксплуатации -акустическая газовая горелка типа AIT.

3) Экспериментально изучено влияние конструктивных и технологических параметров разработанных горелок различных модификаций на качество сжигания в них топливных газов с определением их гарантийных характеристик.

4) Разработан типоразмерный ряд горелок типа AIT тепловой мощностью от 120 до 2300 кВт, организовано их серийное изготовление на заводе НПФ ООО «KÄMET» г. Самара.

5) Разработана методика рационального размещения горелок типа АГГ на излучающих стенах топок существующих печей пиролиза современных многотоннажных этиленовых установок.

6) Предложены зависимости для расчёта длины веерного турбулентного диффузионного факела, учитывающие режимные и конструктивные параметры ГУ типа АГГ.

7) Разработана новая эффективная система настильного сжигания топлива для трубчатых печей пиролиза углеводородного сырья на основе новых вихревых плоскопламенных ГУ типа АГГ, отличающихся высокой производительностью, широким диапазоном регулирования по топливу и обеспечивающих полное сжигание различных видов топливных газов переменного состава, теплота сгорания которых значительно отличается от теплоты сгорания основного топлива.

8) В результате экспериментальных исследований доказана эффективность ССТ, основанной на применении горелок типа АГГ по сравнению с традиционным отоплением радиационными горелками других конструкций.

9) Проведено широкое внедрение новой ССТ с горелками типа АГТ в технологических печах пиролиза углеводородного сырья, а также изучены технико-экономические достоинства новой системы отопления в сопоставлении с традиционным отоплением промышленных печей пиролиза. В результате применения новой системы на 5+10% снизился расход газа на отопление печей, увеличена их производительность по сырью на 10+20%, в 2+3 раза снижены затраты на ремонт, повысилась безопасность эксплуатации печей, значительно уменьшились вредные выбросы в атмосферу, облегчен труд ремонтников и обслуживающего персонала установок.

10) Совместно с ВНИИОС, ВНИПИНефть, «Технефтехим» (г. Москва), «Поли-химсервис» (г. Дзержинск) и ПКО заводов разработаны новые ССТ для реконструкции и разработки новых печей типовых установок пиролиза углеводородов. На нефтехимических заводах ГУ типа АГГ внедрены более чем в 110-ти трубчатых печах пиролиза углеводородного сырья.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи:

1. Печников, A.C. Формирование излучающей поверхности в трубчатых печах пиролиза вихревыми горелками диффузионно-кинетического типа / A.C. Печников, Л.Г. Григорян // Вестник СамГТУ, серия «Технические науки». - 2010.- №2. - С.204-209.*

2. Шарихин, В.В. Модернизация трубчатых печей в нефтяной и нефтехимической промышленности / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук // Вестник СамГТУ, Выпуск 28. Серия «Нефтегазовое дело»,- 2004,- .№28.- С. 185-189.

3. Ентус, Н.Р. Повышение эффективности топливной системы печей пиролиза / Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин, A.C. Печников, Ю.Д. Князев // Химия и технология топлив и масел. - 1986.- №4,- С.9-10.

4. Шарихин, В.В. Повышение эффективности работы печей пиролиза / В.В. Шарихин, A.C. Печников, A.A. Скороход, Н.Р. Ентус, Т.Н. Мухина, В.К. Зизюкин // Химическая промышленность. -1986.-№1.- С.10-13.

5. Шарихин, В.В. Совершенствование систем сжигания топлива в печах пиролиза установок ЭП-300 / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук, М.П. Безуглов, А.П. Строков, В.В. Бурмистров // Химическая промышленность. -1989.-№3.- С.3-5.

6. Шарихин, В.В. Газовые горелки типа АГГ для систем сжигания топлива в трубчатых печах / В.В. Шарихин, Т.Н. Мухина, A.C. Печников, В.В. Степанчук // Нефтепереработка и нефтехимия. -1998.- №1.- С.32-35.*

7. Шарихин, В.В. Повышение эффективности топливных систем трубчатых печей / В.В. Шарихин, Т.Н. Мухина, A.C. Печников, В.В. Степанчук, A.B. Шарихин A.B. // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2002.- №4,- С. 15-17.*

8. Шарихин, В.В. Реконструкция печи пиролиза в ОАО «Казаньоргсинтез» / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук, A.B. Шарихин, В.Н. Кудряшов, Ю.В. Гусев, Г.П. Фафанов, H.H. Файзрахманов, Ш.И. Закиров, O.A. Куклин // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2002.- №11.- С.37-40.

9. Шарихин, В.В. Газовая горелка, обеспечивающая снижение окислов азота в дымовых газах / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук, A.B. Шарихин // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2003.- №4,- С.27-29.*

*- статья опубликована в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Российской Федерации. Патенты:

10. A.c. 954707 СССР, МКИ4 F23D13/00. Газовая горелка /КПтИ; В.В. Шарихин, С.П. Кириченко, A.C. Печников, В.Е. Попов, А.Н. Кезин (СССР) - заявл. 13.11.80; №3226028/24-06; опубл.30.08.82, Бюл. №32. -2с.: 1 ил.

11. A.c. 1191682 СССР, МКИ4 F23D14/00. Газовая горелка /КПтИ; В.В. Шарихин, С.П. Кириченко, Н.Р. Ентус, A.C. Печников, A.A. Скороход (СССР) - заявл. 26.06.84; №3757719/24-06; опубл. 15.11.85, Бюл. №42. -2с.: 1 ил.

12. A.c. 1712740 СССР, МКИ5 F23D14/04. Газовая горелка/СамПИ и КПО «Органический синтез»; В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук, В.М. Краев,

A.A. Ерёмин, Р.И.Сибгатуллин, В.К. Зизюкин, Н.Р. Ентус (СССР) - заявл. 25.01.88, №4368829/06; опубл. 15.02.92, Бюл. №6. - 4с.: 1 ил.

13. Пат. 2059154 РФ, МПК6 F23D14/04. Газовая горелка /СамГТУ; Шарихин

B.В., Степанчук В.В., Печников A.C., Малиновский A.C., Кезин А.Н., Гусев Ю.В., Габутдинов М.С. - заявл. 06.12.93, №93054246/06; опубл. 27.04.96, Бюл. №12. - 6с.: 1 ил.

14. Пат. 2093750 РФ, МПК6 F23C11/00. Способ сжигания топливного газа и устройство для его осуществления /СамГТУ; Шарихин В.В., Печников A.C., Степанчук В.В, Гусев Ю.В., Габутдинов М.С. - заявл. 09.03.95, №95103398/06; опубл. 20.10.97, Бюл. №29. - 10с.: 1 ил.

15. Пат. 2156919 РФ, МПК7 F23D14/04. Газовая горелка /Казанское ОАО «Оргсинтез» и СамГТУ; Шарихин В.В., Мухитов И.Х., Печников A.C., Батталов А.Б., Степанчук В.В., Гусев Ю.В. - заявл. 07.12.99; №99125990/06; опубл. 27.09.00. Бюл. №27. - 6с.: 1 ил.

16. Пат. 2231713 РФ, МПК7 F23C1/08. Трубчатая печь /СамГТУ и Казанское ОАО «Оргсинтез»; Шарихин В.В., Печников A.C., Степанчук В.В., Шарихин A.B., Кудряшов В.Н., Гусев Ю.В., Фафанов Г.П., Файзрахманов H.H. - заявл. 02.06.04, №2003116142; опубл. 27.06.04, Бюл. №18. - 8с.: 3 ил.

Тезисы докладов:

17. Печников, A.C. Новые газовые горелки для трубчатых печей пиролиза / Шарихин В.В., Гусев Ю.В., Печников A.C., Ерёмин A.A., Степанчук В.В., Файзрахманов Н.Н //Энергосбережение в химической технологии - 2000 : материалы науч.-практ. конф. г. Казань, 28-30 марта 2000. - Казань, 2000. С.102-104.

18. Печников, A.C. Новая система сжигания топлива в печах нефтегазопереработки/ Шарихин В.В., Печников A.C., Степанчук В.В.//«Ашировские чтения» : материалы 1-й Международной науч.-практ. конф. г. Самара, 23-24 ноября 2002г. - Самара, РИО СамГТУ, 2002. -С.121.

19. Печников, A.C. Реконструкция печи пиролиза на установке ЭП-60 / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук // Нефтегазовые и химические технологии : материалы 2-й Всероссийской науч.-практ. конф. г. Самара, 23-24 октября 2003 г. - Самара, РИО СамГТУ, 2003. - С. 195.

20. Печников, A.C. Газовые горелки типа АГТ для трубчатых печей / В.В. Шарихин, A.C. Печников, В.В. Степанчук // «Ашировские чтения» : материалы 2-й Международной науч.-практ. конф. г. Самара, 25-26 октября 2004 г. - Самара, РИО СамГТУ, 2004. - С.77.

21. Печников, A.C. Разработка методики расчета рационального размещения газовых горелок типа АГГ на излучающих стенах топок трубчатых печей пиролиза / A.C. Печников, Л.Г. Григорян, В.В. Шарихин // «Ашировские чтения» : материалы 3-й Международной науч.-практ. конф. г. Самара, 23-24 октября 2006 г. - Самара, РИО СамГТУ, 2006. - С.140-141.

22. Печников, A.C. Разработка типоразмерного ряда горелок типа АГГ для трубчатых печей и проведение Государственных испытаний / A.C. Печников, Л.Г. Григорян, В.В. Шарихин // Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения (Левинтерские чтения) : материалы Всероссийской науч.-практ. конф. г. Самара, 24-25 октября 2006 г. - Самара, РИО СамГТУ, 2006. - С.134-135.

23. Печников, A.C. Эффективность систем сжигания топлива в трубчатых печах пиролиза углеводородов / A.C. Печников, В.В. Степанчук // Передовые технологии и перспективы развития ОАО «Казаньоргсинтез» Сб. докл. Международной науч.-практ. конф. г. Казань, 24-25 июля 2008 г. - Казань, 2008. - С.70-73.

24. Печников, A.C. Модернизация системы сжигания топлива для печей установки ЭП-300 / A.C. Печников, A.B. Пучнина // Сб. науч. тр. «Ашировские чтения»: материалы 5-й Международной науч.практ. конф. г. Самара, 15-17 октября 2008 г. - Самара, 2009. - С.386-387.

Заказ №784 Формат 60x84 1/16 Уч. изд. л. 1,00. Тираж 100 экз. Отпечатало в типографии Самарского государственного технического университета 443100, Самара, Молодогвардейская, 244, корпус 8. Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.230.06 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» (протокол №_от_2013г.)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201364421 ПЕЧНИКОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

СИСТЕМА НАСТИЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ ПЛОСКОПЛАМЕННЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ТИПА АГГ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Григорян Л.Г.

Санкт-Петербург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................................10

1.1 Обзор современных конструкций трубчатых печей пиролиза

с анализом их тепловой работы.....................................................10

1.2 Анализ работы систем сжигания топлива трубчатых печей

пиролиза...............................................................................24

1.2.1 Способы бокового обогрева в трубчатых печах пиролиза.......... 24

1.2.2 Обзор конструкций горелочных устройств и анализ их работы.... 27

1.2.3 Способы повышения эффективности работы систем сжигания топлива трубчатых печей пиролиза.........................................47

1.3 Анализ работ по исследованию и расчёту факельного горения газового топлива.................................................................... 51

1.3.1 Основные схемы развития промышленных факелов..................51

1.3.2 Анализ работ по определению длины турбулентного диффузионного газового факела........................................................54

1.4 Выводы и задачи исследования...................................................62

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОВОЙ ГОРЕЖИ ДЛЯ СИСТЕМ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА....................................................65

2.1 Разработка модели новой газовой горелки типа АГГ с проверкой

конструктивных решений на стендах.......................................... 65

2.1.1 Исследование модели новой горелки на аэродинамических (холодных) стендах........................................................................... 69

2.1.1.1 Исследование аэродинамики проточной части горелки.......70

2.1.1.2 Определение коэффициента инжекции, регулируемых

и установочных размеров горелки ..............................80

2.1.2 Исследование характеристик газовых горелок типа АГГ

на огневом стенде.........................................................88

2.1.2.1 Определение расходных характеристик горелок

типа АГГ................................................................ 88

2.1.2.2 Определение коэффициента расхода газа горелок

типа АГГ.................................................................. 93

2.1.2.3 Определение пределов устойчивого горения топлива и

коэффициента рабочего регулирования горелок............ 98

2.2 Определение характеристик промышленных образцов горелок.......... 103

2.3 Разработка типоразмерного ряда горелок АГГ и проведение Государственных испытаний.................................................. 104

2.4 Выводы........................................................................... 106

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЕРНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ДИФФУЗИОННОГО ФАКЕЛА ГОРЕЖИ ТИПА АГГ.......................................................................... 108

3.1 Разработка аэродинамической модели факела горелки типа AIT...... 108

3.2 Теоретические исследования сложного турбулентного диффузионного факела................................................................................................. 110

3.3 Экспериментальный стенд и методика проведения опытов...............115

3.4 Исследование характеристик факела горелки типа АГТ..................116

3.5 Выводы.............................................................................. 119

4 РАЗРАБОТКА НОВОЙ СИСТЕМЫ НАСТИЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА ДЛЯ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА..................................120

4.1 Особенности топливной системы трубчатых печей пиролиза...........120

4.2 Варианты выполнения излучающих стен топки печи для настильного сжигания топлива.................................................122

4.3 Разработка методики рационального размещения газовых

горелок типа АГГ на излучающих стенах топок печей пиролиза..........126

4.4 Рекомендации по выбору схемы обогрева в трубчатых печах

с газовыми горелками типа АГГ и эффективности эксплуатации системы сжигания топлива......................................................130

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПИРОЛИЗА С НОВОЙ СИСТЕМОЙ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА.............................................................132

5.1 Задачи, приборы и методика экспериментального исследования

тепловой работы трубчатых печей пиролиза................................ 132

5.1.1 Определение температур поверхностей кладки печи и стенки

труб змеевиков............................................................... 133

5.1.2 Определение качества сжигания топлива................................ 136

5.1.3 Методика проведения теплотехнических испытаний

трубчатых печей...............................................................138

5.2 Экспериментальные исследования тепловой работы трубчатых

печей пиролиза, оснащённых новой системой сжигания топлива.........140

5.2.1 Разработка и исследование работы систем сжигания топлива

в печах пиролиза установок ЭП-60....................................... 140

5.2.2 Разработка и исследование новой системы сжигания топлива

в печах установок ЭП-300 ................................................. 147

5.3 Анализ результатов исследований тепловой работы трубчатых

печей................................................................................155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................ 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Результаты измерений при определении

коэффициента расхода газа горелок типа АГГ.............. 167

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Результаты Государственных испытаний горелок АГГ.. 174 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акт внедрения системы сжигания топлива на установках

ЭП-60, Э-100,Э-200 ............................................. 181

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Акт внедрения системы сжигания топлива в проектах

трубчатых печей.................................................. 184

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Акт внедрения системы сжигания топлива на установке

ЭП-300 .............................................................. 186

ВВЕДЕНИЕ

Печи с экранированной топкой (трубчатые печи) для огневого нагрева нефтепродуктов являются одним из основных видов оборудования технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. От их работы во многом зависят производительность установок, качество выпускаемой продукции, эффективность использования сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов. Диапазон температур нагрева сырья в трубчатых печах (далее по тексту «печь») для различных технологических процессов охватывает значения от 453°К до 1133°К (180ч-860°С).

Процесс передачи теплоты сырьевому потоку определяется организацией сложного теплообмена между раскалёнными продуктами сгорания топлива и экранной поверхностью нагрева, при этом наибольшую трудность представляет обеспечение эффективного теплоподвода к сырьевому потоку в печах -реакторах высокотемпературных процессов, предназначенных в частности для получения низших олефинов.

В настоящее время известно несколько способов получения низших олефинов, разработанных и исследованных отечественными и зарубежными учёными [1*7], основным из них, наиболее изученным и широко распространённым в мировой практике, является термический пиролиз углеводородов с водяным паром в змеевике-реакторе печи.

Основной системой печного агрегата пиролиза, обеспечивающей эффективность его работы, является система сжигания топлива (ССТ), при выборе которой определяющим является вид топлива, способ его сжигания и соответствующий ему подбор горелочных устройств (ГУ) для обеспечения эффективной передачи теплоты реакционным трубам пирозмеевика.

В отечественной и зарубежной практике проектирования узкокамерные печи с излучающими стенами топки технологических установок пиролиза традиционно оснащаются ССТ, основанной на использовании маломощных инжекционных горелок универсального применения.

Анализ работы печей с такими горелками показал, что они ненадёжны в работе, сложны в управлении и ремонте, ресурс их эффективной эксплуатации невысок.

В целях совершенствования проектируемых и модернизации существующих печей пиролиза необходима дальнейшая разработка и внедрение новых эффективных и надёжных ССТ, включая разработку конструкций ГУ, максимально удовлетворяющих целому ряду требований, предъявляемым к ним как инструменту обеспечения теплового режима процесса пиролиза в печи.

При разработке и проектировании ССТ для печи пиролиза необходимо решить целый комплекс взаимосвязанных задач для достижения эффективной работы печи:

- обеспечить конструкцией горелки полноту сгорания топлива на всех режимах эксплуатации печи и низкий расход топлива;

- обеспечить оптимальный выбор типоразмера ГУ, оптимизацию их количества и расположения в топке печи для организации необходимого тепло-подвода к экранной поверхности нагрева (с учётом числа сырьевых потоков и переменного разрежения по высоте топочной камеры, а также учёта направления эвакуации продуктов сгорания из топки печи, расположения змеевиков и металлоконструкций каркаса печи);

- обеспечить эффективное автоматическое регулирование теплопроизводи-тельности горелок;

- обеспечить надёжность работы ГУ таким образом, чтобы исключить остановы печи по причине аварийного выхода из строя системы сжигания и, кроме того, чтобы время ремонта ССТ не превышало срока ремонта других систем печного агрегата (трубная система, система закалки пирогаза и т.д.).

Говоря о разработке ССТ для печей пиролиза, необходимо также учитывать, что основным видом топлива пиролизных установок является производственный газ (так называемая метан-водородная фракция или МВФ).

Перспективным представляется способ сжигания такого газа в печах пиролиза в режиме направленного косвенного радиационно-конвективного (НКР-К) теплообмена, уже широко применяемого в металлургических печах и достаточно освещённого в работах [8,9]. В соответствии с необходимостью

обеспечения эффективного сжигания газа в таком режиме, сотрудниками кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО СамГТУ разработан новый способ сжигания топлива и эффективная конструкция ГУ для его осуществления - вихревая плоскопламенная инжекционная акустическая газовая горелка типа АГТ [10+12].

Использование газовых горелок типа АГГ в печах пиролиза позволяет значительно упростить и удешевить ССТ, снизить расход топливного газа, повысить надёжность системы в эксплуатации, интенсифицировать тепло-подвод к экранной поверхности нагрева, улучшить работу материальной части печи, тем самым сократить материальные и трудовые затраты при ремонтах печей, что, в общем, положительно сказывается на увеличении выпускаемой продукции и экономичности производства.

Для удовлетворения различных условий работы печей пиролиза, а также возросших требований к ГУ как инструменту эффективного сжигания газа и обеспечения эффективной тепловой работы печного агрегата, конструктивно горелки типа АГГ постоянно совершенствуются [13+17], что позволяет решать новые задачи по интенсификации теплоподвода к экранной поверхности нагрева как для реконструируемых, так и для вновь разрабатываемых печей пиролиза. Однако, при выполнении проектов по разработке и реконструкции печей, возникает ряд проблем, связанных с вопросами эффективности сжигания топлива:

а) отсутствуют надёжные инженерные методы расчёта характеристик факела современных ГУ, использующих сложные схемы турбулентных течений.

Для рационального использования топливного газа необходимо дальнейшее совершенствование методов расчёта факелов, выдаваемых различными типами ГУ. Анализ работ, посвященных исследованиям газовых факелов, выдаваемых различными конструкциями горелок [18+36], показывает, что они изучены недостаточно.

Весьма распространён в технике турбулентный диффузионный газовый факел, образующийся при истечении струй газа и окислителя (кислорода воздуха) в атмосферу продуктов горения в камере печи. Одна из малоизученных, но широко используемых его разновидностей - веерный диффузионно-

кинетический факел. Сжигание газообразного топлива в таком факеле характеризуется тесным взаимодействием газодинамических факторов потока, явлений диффузии, конвективного и радиационного теплообмена и процессов химических превращений, сопровождающихся интенсивным тепловыделением. Исключительная сложность взаимодействия указанных процессов объясняет отсутствие в настоящее время достаточно обоснованной общей теории горения в факеле. В то же время отсутствует достаточно подробное экспериментальное исследование факела указанного типа. Необходимо проведение дополнительных исследований и совершенствование методик расчёта таких факелов;

б) отсутствуют обоснованные расчётом рекомендации по оптимальному расположению ГУ в печах для достижения максимального эффекта по тепло-подводу к экранной поверхности нагрева;

в) не рассмотрены вопросы различной степени эффективности применения существующих теплоизоляционных материалов кладки стен печи при применении способа настильного сжигания топлива;

г) не проведены полномасштабные исследования факелов разработанных ГУ с целью определения границ их распространения и характера тепловыделения в зоне горения. Недостаток сведений о структуре и границах факела не позволяет произвести необходимые расчёты на стадии проектирования печи с целью оптимизации её конструкции и организации эффективного сжигания топлива.

В соответствие с вышеизложенным, в данной работе основное внимание уделено разработке новой ССТ, при этом выделяется четыре основных аспекта исследований:

- разработка принципиально новой газовой горелки типа АГГ как основного инструмента ССТ и исследование её аэродинамических и теплотехнических характеристик на «холодных» и огневых стендах;

- разработка методик расчёта ГУ и обоснования выбора нужного типоразмера для конкретной печи пиролиза, оптимального их количества и рациональной схемы размещения на излучающей стене топки;

} \

- разработка модели факела горелки типа АГГ и изучение её с целью совершенствования методики расчёта веерного диффузионно-кинетического турбулентного факела;

- изучение теплотехнических показателей печей пиролиза в промышленных условиях (КПД, к.р.в., температурные поля по кладке и поверхности нагрева, расхода топлива) при переводе их на работу с новой ССТ и в сопоставлении с печами, работающими с традиционными горелками.

Практические результаты работы используются в печах этиленовых производств в г.г. Ангарске, Казани, Кстово, Нижнекамске, Новокуйбышевске, Новополоцке, Салавате, Перми, Уфе и др., что позволяет говорить о широком внедрении разработок в нефтехимической отрасли. На защиту выносятся:

- конструкция вихревой плоскопламенной газовой горелки типа АГГ для печей пиролиза, разработанной на новых принципах сжигания топливного газа;

- аэродинамическая модель факела газовой горелки типа АГГ;

- результаты моделирования определяющих размеров горелки;

- результаты экспериментального исследования характеристик ГУ типа АГГ;

- формулы для расчёта размеров факела в топке печи с горелками типа АГГ;

- технические решения и конструкции горелок типа АГГ, позволяющие сжигать газовое топливо широкого фракционного состава с высокой эффективностью;

- методика рационального размещения новых ГУ на излучающих стенах топки;

- новые ССТ для ТПП типовых установок пиролиза углеводородного сырья с применением разработанных горелок типа АГГ;

- результаты теплотехнических испытаний ТП с новой ССТ;

- результаты внедрения новых ГУ типа АГГ в печах установок пиролиза, применение новых эффективных схем теплоподвода к экранной поверхности нагрева (с учётом индивидуальных особенностей печей пиролиза и технологии процесса), с экспериментальным обоснованием технических достоинств новых ССТ в сравнении с традиционным отоплением промышленных печей пиролиза импортных и отечественных конструкций.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор современных конструкций трубчатых печей пиролиза с анализом их тепловой работы

Трубчатые печи пиролиза углеводородного сырья являются разновидностью трубчатых печей нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и по технологическому назначению относятся к нагревательно -реакционным.

Для проведения процесса пиролиза необходимо подогреть углеводородное сырьё до температуры 550ч-650°С, что обычно осуществляется в конвекционной части змеевика за счёт теплоты продуктов сгорания топлива, а затем, в зависимости от вида сырья и выбранного режима пиролиза, осуществить дополнительный его нагрев до температур порядка 760-ь860°С, при которых происходит процесс термического разложения углеводородного сырья и получаются, в основном, целевые продукты пиролиза - низшие олефины. Такой процесс происходит в зоне трубчатого змеевика - реакторе, расположенного в радиантной камере печи, при на