Энергосбережение в трубчатых печах нефтеперерабатывающих предприятий

 

 

 

 

 

 «Энергосбережение в трубчатых печах нефтеперерабатывающих предприятий»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011 г.

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Рациональное использование  топливно-энергетических ресурсов является одной из важнейших задач, стоящих  перед экономикой нашей страны.

Низкая по сравнению с зарубежными странами эффективность использования энергии в экономике РФ приводит к высоким издержкам общества на энергообеспечение, способствует нарушению устойчивого энергоснабжения страны, затрудняет сохранение энергетической безопасности страны. Постепенное истощение запасов органического топлива, усложнение условий добычи и транспортировки ТЭР, высокие затраты на ввод в действие новых энергетических объектов, большие, чем в других странах, затраты на обеспечение жизнедеятельности, рост цен на энергоносители, ухудшение экологической ситуации, усиление конкуренции на мировых рынках делают проблему рационального использования энергии в России все более острой [1].

В рамках данного доклада  рассмотрим основные направления энергосбережения в трубчатых печах нефтеперерабатывающих предприятий, которые являются основным потребителем энергетических ресурсов в процессе переработки нефти.

По данным ЦЭНЭФ для  Всемирного банка совокупный технический  потенциал повышения энергоэффективности  процессов добычи и переработки нефти оценивается в 5,7-8 млн т у.т., а возможная экономия

энергии – на уровне 26-37% от всего объема потребления энергии при производстве нефтепродуктов. На долю процессов добычи, подготовки и переработки нефти приходится 34 млн т у.т. совокупного потребления энергии [2].

 

 

 

Нефтеперерабатывающий завод  —  промышленное предприятие, основной функцией которого является переработка нефти в бензин, авиационный керосин, мазут, дизельное топливо, смазочные масла, смазки, битумы, нефтяной кокс, сырьё для нефтехимии. Переработку нефти осуществляют в технологических установках: первичная переработка нефти (АТ – атмосферная перегонка, АВТ – атмосферно-вакуумная перегонка), каталитический риформинг, каталитический крекинг, гидроочистка, изоселектоформинг, депарафинизация, производство  битумов и др. Основным оборудованием установок являются: трубчатые печи, ректификационные колонны, теплообменные аппараты.

Современные нефтеперерабатывающие  предприятия (НПП) являются одними из основных бюджетообразующих предприятий России. Общее число НПП в России - 24. Нефтеперерабатывающая промышленность является важным звеном единого топливно-энергетического комплекса страны, определяющим эффективность использования нефтяного сырья. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) - крупнейшие потребители топливно-энергетических ресурсов, в том числе котельно-печного топлива, тепловой и электрической энергии. Эффективность, рациональность их использования в процессах переработки нефти во многом определяются работой технологического оборудования завода. Однако технологические установки действующих нефтеперерабатывающих заводов, построенные в большинстве случаев более 40-50 лет назад, по уровню потребления энергоносителей в основном не отвечают современным требованиям. В настоящее время НПЗ России характеризуются повышенным уровнем энергопотребления - удельный расход энергоресурсов в 2-3 раза превышает зарубежные аналоги [3].

В табл. 1 представлены удельные расходы топлива на единицу сырья  на примере одного из заводов России и на аналогичных зарубежных установках.

 

 

 

Таблица 1

Характеристика  топливоиспользующих агрегатов

 

Назначение	Наименование агрегата	Производительность агрегата, т/год	Уд. расход топлива  на единицу сырья, кг у.т./т		Теплоутилизационное оборудование,  т-ра уходящих газов, °С	Уд. расход топлива  на единицу сырья, кг у.т./т
			факти ческий	нормативный		Аналогичные зарубежные установки
1	2	4	5	6	7	8
Первичная	АТ-1	1 182 271	51,42	¾	270-480	19,9-29,8 (АВТ «Foster Wheeler» США)
переработка	АТ-6	5 637 866	35,85	35,78	185-335
нефти	АВТ-2	1 956 875	44,76	33,04	240-375
	АВТ-6	6 520 125	33,36	30,86	200-410
Гидроочистка	Л-24/6-900	1 341 575	20,66	17,60	385-480	12,7 «Exxon Mobil»
керосиновых и	ЛГ-24/7-1200	902 783	35,71	36,01	190-335
дизельных фракций	ЛЧ-24/9-2000	1 537 238	13,96	14,13	205-230
Изоселектоформинг	Л35-11/300	402 011	59,25	55,08	265-360	¾
Каталитический	ЛЧ35-11/1000	767 862	160,79	—	215-225	58-92 Пауэрформинг «Exxon Mobil»
риформинг	Л35-11/600	441 162	182,67	179,18	300-375
	ЛЧ35-11/600	123 612	89,28	—	200-250
	ЛГ35-8/300Б	328 947	130,87	124,96	280

 

 

Трубчатые печи технологических установок являются основными потребителями топлива на предприятии. В печах в основном осуществляется нагрев сырья и полупродуктов до заданной температуры в змеевиковых трубчатых поверхностях. Кроме того, ряд печей предназначен для подогрева регенерирующего агента в процессе регенерации катализатора. Как правило, в виде топлива в трубчатых печах используется «жирный» газ, полученный в процессе переработки нефти, также используется мазут, как основное или резервное топливо при сжигании газа.

 

 

 

Трубчатые печи: назначение, характеристики, теплообмен, показатели работы

 

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому сырью тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

Большинство применяемых трубчатых печей радиационно-конвективные. Они состоят из камеры, где сжигается топливо, и тепло к трубчатым сырьевым змеевикам передается, главным образом, излучением от пламени и раскаленных поверхностей огнеупорной футеровки, и конвекционные камеры, куда поступают продукты сгорания топлива из радиационной камеры. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов газов [4].

Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.

Рассмотрим механизм процесса передачи тепла, протекающий в печи, на примере печи типа ГН, состоящей из двух камер с настильным пламенем (Рис.1.).

 

 

 

1 – топочная камера; 2 – средняя излучающая стенка, омываемая настильным пламенем; 3 – камера конвекции; 4 – трубы конвекционные; 5 – трубы радиационные. I – сырье (вход); II – сырье (выход); III – топливо и воздух.

Рис.1. Схема двухкамерной вертикальной печи с настильным пламенем.

 

Характерной особенностью этой печи является наклонное (на рисунке схематично) расположение горелок внизу печи, обеспечивающих соприкосновение факела с поверхностью огнеупорной стены, размещенной в середине радиационной камеры (рис.1).Соприкосновение факела с поверхностью стены обуславливает повышение его температуры; излучение происходит не только от факела, но и от раскаленной стены. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива; последние раскаляются и образуют светящийся факел.

Температура, размер и  конфигурация факела зависят от многих факторов и, в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, от конструкции и нагрузки горелки, теплотворной способности топлива, расхода форсуночного пара на распыл мазута, величины радиационной поверхности (степени экранирования топки) и др.

При повышении температуры  воздуха увеличивается температура  факела, повышается скорость горения  и сокращаются размеры факела. Размеры факела сокращаются и  при увеличении (до известного предела) количества воздуха, поступающего в топку, так как избыток воздуха ускоряет процесс горения топлива.

При недостаточном количестве воздуха факел получается растянутым, топливо полностью не сгорает, что  приводит к потере тепла. Чрезмерное количество воздуха недопустимо  вследствие повышенных потерь тепла с отходящими дымовыми газами и более интенсивного окисления (окалинообразования) поверхности нагрева.

Во внутренней полости  стен печей ряда конструкций размещается  канал для подачи так называемого  вторичного воздуха, позволяющий подводить необходимый для горения воздух по длине факела, что повышает температуру излучающей стенки и способствует более равномерной передаче тепла радиацией.

В такой печи тепло  излучением передается от факела, излучающей стенки и трехатомных газов (двуокись углерода, водяной пар, диоксид серы), обладающих избирательной способностью поглощать и излучать лучи определенной длины волны.

Часть лучей через  пространство между трубами попадает на поверхность кладки, вдоль которой  расположены эти трубы; эти лучи разогревают кладку, и она, в свою очередь, излучает; при этом часть энергии поглощается той частью поверхности труб, которая обращена к стенке кладки.

Средняя излучающая стена с настильным пламенем, а также прочие стены кладки, у которых расположены трубы (экранированная часть кладки) или свободные от труб (неэкранированные), принято называть вторичными излучателями.

Радиационные трубы получают тепло не только излучением, но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача конвекцией). Из всего количества тепла, воспринятого радиационными трубами, значительная часть (85-90 %) передается излучением, остальное конвекцией.

Наружная поверхность  труб в свою очередь излучает некоторое  количество тепла, т.е. имеет место процесс взаимоизлучения, однако температура поверхности труб вследствие непрерывного отвода тепла сырьем, проходящим через трубы, значительно ниже температуры других источников излучения и поэтому в итоге взаимоизлучения поверхности радиационных труб передается необходимое количество тепла.

В результате теплопередачи, осуществляемой в топочной камере, дымовые газы охлаждаются и поступают  в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более  холодной поверхностью конвекционных труб (вынужденная конвекция).

В камере конвекции передача тепла осуществляется также и  за счет радиации трехатомных дымовых  газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60-70 % общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20-30 %; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10 % тепла.

Основным фактором, определяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов, поэтому при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наибольшее значение. Это достигается выбором минимально допустимого расстояния между осями труб. Однако, при повышении скорости дымовых газов в камере конвекции увеличивается сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. С другой стороны, сокращение числа труб в одном горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты камеры конвекции. Это обстоятельство также предопределяет выбор допустимой скорости движения дымовых газов в камере конвекции.

Существенным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла, является способ размещения труб в камере конвекции. При расположении труб в шахматном порядке тепло  передается эффективнее, чем при расположении коридорным способом, в связи с более интенсивной турбулентностью потока дымовых газов и лучшей обтекаемостью ими труб. При одинаковой скорости движения дымовых газов шахматное расположение труб обеспечивает более эффективную (на 20-30 %) передачу тепла по сравнению с коридорным.

Уменьшение диаметра труб также способствует более интенсивной  передаче как за счет лучшей обтекаемости труб, так и в связи с возможностью более компактного их расположения, позволяющего создать более высокие скорости дымовых газов. Однако при уменьшении диаметра печных труб увеличивается скорость сырья и, следовательно, повышается сопротивление перемещению нагреваемого потока.

Во избежание повышенного  сопротивления при применении печных труб меньшего диаметра, а также для печей большой производительности движение сырья осуществляется двумя или несколькими параллельными потоками.

Эффективность передачи тепла может быть повышена путем  оребрения наружной поверхности  конвекционных труб, так как в  камере конвекции передача тепла сырью, проходящему через трубы, лимитируется в основном теплообменом со стороны дымовых газов и поэтому при оребрении увеличивается поверхность соприкосновения дымовых газов с трубами и обеспечивается передача большего количества тепла.