Энергосбережение в трубчатых печах нефтеперерабатывающих предприятий

Уменьшение коэффициента расхода воздуха

Большинство эксплуатируемых  на предприятии печей отличаются очень высокими значениями коэффициента расхода воздуха a уходящих газов. Это приводит к большим потерям теплоты с уходящими газами, низким КПД печей и перерасходу топлива. Причины работы печей с повышенными значениями a следующие:

1. Подавляющее большинство печей не оснащено приборами для определения расходов дутьевого воздуха и топлива. Измерение расхода мазута связано с серьезными техническими трудностями, а определение расхода топливного газа сопряжено с большой погрешностью вследствие постоянного изменения его состава и теплотехнических свойств. Поэтому в настоящее время на практике наладка режима работы печей осуществляется лишь периодически с помощью переносных газоанализаторов по анализу состава уходящих газов. В этой ситуации персонал производит регулирование тепловой нагрузки печей за счет изменения расхода топлива, оставляя неизменным положение регулирующих органов на тракте дутьевого воздуха. Результатом являются завышенные величины a. Причем избыточный воздух, подаваемый непосредственно в горелку, в максимальной степени способствует снижению тепловой эффективности.
2. Большие присосы холодного воздуха из окружающей среды в рабочие камеры печей также приводят к высоким a=1,9-3,0. На старых шатровых печах, работающих без дымососа, приходится поддерживать очень высокое разрежение в рабочих камерах, так как при снижении разрежения происходят пульсации давления в печах. Высокое разрежение способствует увеличению присосов воздуха в печь.

Уменьшения величины a до 1,25 – 1,35 (с учетом присосов) можно добиться путем оснащения печей дополнительными газоанализаторами, герметизацией, насколько это возможно, внешних ограждений печей и наладкой аэродинамического режима, обеспечивающего работу при небольшом положительном давлении.

На одном из предприятий нефтеперерабатывающей промышленности были проведены расчёты,  в соответствии с которыми при оптимизации величины коэффициента расхода воздуха в печах возможная экономия топлива будет равна 25 170 т. у.т., что составляет 1,54% всего энергопотребления завода.

Совершенствование горелочных устройств

Важнейшим для оптимизации режимов сжигания топлива в печах является совершенствование горелочных устройств. В компании «Нефтехимэкология» была разработана горелка «ECO-FLAME». В конструкции горелки реализована идея рециркуляции продуктов сгорания, позволяющая уменьшить содержание подаваемого кислорода, снизить температуру пламени и сократить образование термических NO_х без ухудшения режима процесса горения. Достоинствами горелки являются: снижение удельного расхода топливного газа на 10-15%, расширение диапазона регулирования производительности горелки; сокращение в 2-4 раза количества горелок, установленных в печи; обеспечение эффективного сжигания нефтезаводских горючих газов постоянного и изменяющегося во времени состава; увеличение коэффициента полезного действия печи на 7-10% за счет малого избытка воздуха на горение (α=1,05) [7].

Теплоизоляция ограждающих конструкций

Для снижения потерь теплоты  от наружного охлаждения, составляющие  5-10%, используют специальные теплоизоляционные материалы, повышающие герметичность печи. Использование футеровки из волокнистых огнеупорных материалов шамотных изделий (коэффициент теплопроводности λ = 0,06-0,7 Вт/мК) позволяет создать новые, легкие конструкции футеровок стен и сводов, являясь при этом и огнеупором и теплоизоляцией. Низкая теплопроводность позволяет уменьшать габариты печи за счет толщины футеровки, что в сочетании с низкой плотностью делает возможным в несколько (до 10) раз снизить массу футеровки печи. Аккумулируемая во время разогрева теплота, таким образом, уменьшается также в несколько раз. Резко сокращается время разогрева печи, позволяя экономить не только энергоресурсы, но и уменьшая непроизводительное время работы печи и обслуживающего персонала. Поэтому волокнистые материалы называют ещё малоинерционными. Особенно эффективно их применение в термических печах периодического действия, с постоянными колебаниями температуры печного пространства и в печах, работающих не в полную загрузку, в так называемом «рваном режиме» [4].

Использование теплоты уходящих газов для подогрева  воздуха и выработки пара на собственные  нужды предприятия

Одной из причин недостаточно высокой тепловой эффективности ряда технологических печей является отсутствие у них системы утилизации теплоты отходящих газов. Следствием этого являются высокие температуры уходящих газов порядка 300-400^оС, значительный уровень потерь с уходящими газами и невысокий КПД печей.

Воздухоподогреватели. Эффективным методом повышения энергетической эффективности печей является регенеративный (за счет теплоты отходящих газов) подогрев дутьевого (используемого в процессе горения) воздуха. В результате возвращения в рабочую камеру печи с дутьевым воздухом ранее теряемой теплоты повышается степень утилизации теплоты отходящих газов и, как следствие, снижается расход топлива на процесс. Это повышает к. п. д. печи как за счет снижения потерь тепла с уходящими газами, так и за счет повышения температуры в топке при подаче нагретого воздуха [10] .

В качестве воздухоподогревателей в большинстве случаев используются устройства рекуперативного типа, один из которых (типа ВТР) схематично показан на рис.2. Теплообмен между отходящими газами и воздухом осуществляется через разделительную металлическую стенку трубы.

Поток горячего дымового газа входит в воздухоподогреватель после конвекционной камеры печи и уходит в дымовую трубу. Холодный воздух нагнетается вентилятором и  после нагрева поступает к горелкам.

Рис. 2. Воздухоподогреватель типа ВТР:

  1 – трубный пучок; 2 – смесительная камера; 3 – штуцера рециркуляции воздуха; 4 – обдувочные трубы с соплами 5 – переточный короб; 6 – распределитель входного раструба; 7 – выходной раструб.

Для предотвращения коррозии трубок воздухоподогревателей,  особенно при использовании высокосернистых топлив в горелках, температура стенок должна быть выше температуры точки росы топочных газов на 5 – 10 ºС, т.е. не ниже 130ºС. Для этого применяют предварительный или промежуточный подогрев холодного воздуха или специальные схемы компоновки поверхности нагрева. Предварительный или промежуточный подогрев воздуха осуществляется либо рециркуляцией части горячего, либо дополнительным подогревом поступающего воздуха в калориферах до входа в воздухоподогреватель с использованием в качестве теплоносителя отработанного пара или горячей воды [11].

Воздухоподогреватели  типа ВТР рассчитаны на нагрев воздуха  от 15 до 215ºС при температурах дымовых газов от 400 на входу в ВП до 200 ºС на выходе из ВП. Гидравлическое сопротивление при этих условиях как по газу, так и по воздуху не превышает 15 Па.

Выпускаются также воздухоподогреватели с чугунными оребренными трубами, более стойкими к коррозии, позволяющие  охлаждать дымовые газы до 110-120 ºС [10].

Подсчитано,  что при  вводе в систему подогрева  воздуха расход топлива   можно  уменьшить на 10–12% [11].

Новым в сфере утилизации тепла дымовых газов являются воздухоподогреватели на тепловых трубах, эффективные при температуре нагретых потоков 300-350 ºС. Передача тепла в них осуществляется за счет кипения промежуточного теплоносителя в зонах испарения, контактирующих с дымовыми газами, и его конденсации в зонах, охлаждаемых воздухом.

Тепловая труба (Рис. 3.) представляет собой вытянутый в длину герметичный, как правило, тонкостенный металлический сосуд, внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом - так называемым фитилём. Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объём, свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.

Рис. 3. Тепловая труба

При температуре отходящих  газов выше 400 ºС используются котлы-утилизаторы для выработки пара на собственные нужды предприятия. На Рис. 4. показан котел-утилизатор КУ-125, смонтированный за печами установок АТ-6 и АВТ-6 на одном из НПЗ.

Рис.4. Котел-утилизатор КУ-125

Котел конвективный, водотрубный, барабанный, с многократной принудительной циркуляцией, башенной компоновки, рассчитан на работу под разрежением. Компоновка котла П-образная. В первом (восходящем) газоходе по ходу газов расположены первая секция испарительной поверхности нагрева, пароперегреватель, вторая испарительная секция и второй пакет третьей испарительной секции. Во втором (опускном) газоходе сверху вниз расположены: первый пакет третьей испарительной секции и два пакета экономайзера. Для очистки наружных поверхностей от золовых отложений в котле предусмотрена газоимпульсная очистка [12].

При температуре газов на входе в котел 650 ºС и на выходе 225 ºС , параметрах пара: давление перегретого пара 1,6 МПа, температура перегретого пара 250 ºС; паропроизводительность составляет 30 т/ч. 
В высокотемпературных трубчатых печах каталитических процессов (риформинг, пиролиз, коксование), где температура дымовых газов после камеры конвекции составляет 400-500 ºС, на пути их потока ставятся вначале котел-утилизатор для производства водяного пара под давлением 0,5-1,0 МПа, а затем воздухоподогреватели. Это позволяет эффективно регенерировать тепло уходящих дымовых газов для производства пара, часть которого используется на распыл топлива в форсунках [7].

Энерготехнологическое комбинирование с использованием газотурбинных  технологий

Важным направлением снижения энергозатрат на установках первичной переработки нефти  является модернизация печей путем  их надстройки ГТУ. В разработках используются отработавшие газы газотурбинного двигателя с температурой 450-550 ºС и содержанием кислорода не менее 13-16% в качестве теплоносителя и окислителя в атмосферной и вакуумной трубчатых печах, работающих на газообразном или жидком топливе. Это позволит отказаться от воздухоподогревателей и снизить общие энергозатраты в технологической установке (АВТ-8) на 30-35%. Расход топлива на производство электроэнергии в комплексной энерготехнологической установке снизится, по некоторым оценкам, на 20%. При использовании в схеме котла-утилизатора, на выходе из которого температура уходящих газов будет на уровне 130 ºС, общий коэффициент использования топлива достигнет 87%. В описанном варианте газовая турбина, достраиваемая к печи, имеет электрическую мощность 110 МВт. Внедрение такого крупного энергетического агрегата целесообразно при 100% загрузке нефтью установки первичной переработки. При постепенной загрузке оборудования до установленной мощности целесообразно поставить вместо одной крупной турбины каскад из 5-ти турбин до 20 МВт. Таким образом, можно регулировать выработку электроэнергии и количество окислителя, подаваемого в печи в зависимости от объема перерабатываемой нефти.

Надстройка печей может  быть осуществлена и на менее крупных  установках первичной переработки. Особенно приемлем этот вариант для  печей, имеющих температуру уходящих газов не выше 300 ºС (АВТ-1). К таким печам нецелесообразно достраивать воздухоподогреватель или котел-утилизатор из-за низкой температуры уходящих газов. Надстройка же газовой турбины 20 МВт позволила бы снизить расход топлива в печи и дополнительно выработать электроэнергию в ГТУ на собственные нужды [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В результате проведения энергосберегающих мероприятий (использования теплоты отходящих газов, улучшения теплоизоляции, интенсификации теплообмена, совершенствования горелочных устройств) КПД трубчатых печей нефтеперерабатывающих предприятий может быть значительно увеличен. На примере одного из заводов России (Таблица 2) видно, что на устаревших печах КПД составляет около 60%, тогда как на модернизированных печах в комплексе с энергосберегающими мероприятиями достигает 90%. Это способствует значительному уменьшению удельного расхода ТЭР на производство продукции, повышению конкурентоспособности продукции и снижению вредных выбросов в атмосферу.

Таблица 2

Печь	Ввод в экспл.	Вид т-ва	Проектная мощность,	Коэф. расхода воздуха, aуг	Т-ра ух. газов, tуг	Энергосберегающие мероприятия	Фактический КПД
¾	¾	¾	Гкал/ час	¾	оС	¾	%
Шатровая	1965	Ж+Г	20,0	1,96	270	ВП	60,1
двухскатная	1968	Ж+Г	8,05	1,99	480	¾	62,5
Многокамерная	1975	Ж+Г	28,5	1,91	390	¾	63,6
Секционная	1984	Ж+Г	13,0	1,9	270	ВП	76,4
Многокамерная	1993	Ж+Г	48,6	1,30	350	СГУ	80,5
Секционная	1981	Ж+Г	11,8	1,35	220	КУ, СГУ	85,3
Двухкамерная	1994	Ж+Г	71,4	1,26	185	ВП, СГУ, ОВК	89,3