Огневые нагреватели известны как одно из важнейших видов отопительного оборудования в нефтехимической и химической промышленности. Огневой нагреватель играет ключевую роль в промышленных процессах и используется непосредственно для получения тепла, необходимого для нагрева технологических жидкостей, таких как углеводороды. В связи с существенным влиянием данного оборудования на энергопотребление, его оптимальная конструкция и эксплуатация могут привести к снижению эксплуатационных расходов и повышению энергоэффективности в промышленности.
Значение огневых нагревателей таково, что они существуют практически на всех нефтехимических комплексах, и без них многие химические процессы были невозможны. Помимо обеспечения тепла, это оборудование также играет роль в оптимизации расхода топлива и сокращении выбросов. Стандарты проектирования и производства этих устройств были тщательно разработаны для обеспечения безопасности и стабильности их работы, а также эффективной работы.
В данной статье представлен всесторонний обзор огневых нагревателей. Сначала объясняется, как работает это оборудование и его различные компоненты. Затем будут описаны различные типы огневых нагревателей и принципы их конструкции в соответствии с международными стандартами, такими как API-560 и ISO-13705. Наконец, рассматривается важность огневых нагревателей в снижении потребления энергии и их роль в нефтехимической промышленности.
Какова функция огневых нагревателей?
В химической промышленности и на нефтехимических предприятиях огневые нагреватели применяются для нагрева технологических жидкостей, в том числе углеводородов. В огневых нагревателях тепло от сгорания топлива используется непосредственно для этой цели, поэтому они получили такое название. Огневые нагреватели являются одними из важнейших потребителей топлива и энергии в промышленности, на их долю приходится 37% от общего объема энергии, используемой в обрабатывающей промышленности США.
Принцип работы огневых нагревателей
В зависимости от размера, огневой нагреватель имеет одну или несколько горелок, которые вырабатывают необходимую ему энергию за счет сжигания топлива. Вдоль стенок и внутри огневого нагревателя расположено большое количество трубок, по которым протекает технологическая жидкость. Жидкость внутри трубки поглощает тепло, вырабатываемое горелками, посредством всех трех механизмов: излучения, конвекции и теплопроводности и достигает желаемой температуры.
Различные части огневого нагревателя
Огневые нагреватели представляют собой относительно крупногабаритное оборудование, состоящее из множества компонентов и деталей. Это оборудование проектируется и производится в различных типах, но все они, как правило, имеют одну и ту же функцию, а их основные части схожи друг с другом. Ниже представлены наиболее важные части огневого нагревателя.
Горелка
Одной из важнейших частей огневых нагревателей является горелка или горелки огневых нагревателей, которые устанавливаются на полу или стенах огневого нагревателя и отвечают за сжигание топлива для обеспечения необходимого тепла. Горелки огневых нагревателей могут быть с естественной или принудительной тягой.
При использовании горелок с естественной циркуляцией воздуха, необходимого для горения в горелке, подача воздуха осуществляется за счет естественного всасывания огневого нагревателя. Это естественное всасывание создается за счет выталкивающей силы и разницы в плотности газов внутри огневого нагревателя с наружным воздухом и зависит от высоты и температуры газов внутри нагревателя. В горелках с принудительной тягой для создания воздушного потока используется вентилятор. Ниже представлена более подробная информация о типах огневых нагревателей с точки зрения того, как они создают поток воздуха и продукты сгорания.
Горелки, используемые в огневых нагревателях, могут монтироваться горизонтально или вертикально на полу камеры сгорания или на стенах. Четыре распространенных способа установки горелок в огневом нагревателе показаны на рисунке ниже.
Горелки Rааdman серии RFGB специально разработаны для использования в огневых нагревателях, обеспечивая пламя, соответствующее потребностям этого оборудования, с очень низким уровнем выбросов Nox, предотвращая столкновение пламени со стенкой и последующее повреждение. Эти горелки могут изготавливаться различных размеров и иметь мощность до 8 МВт в режиме естественной тяги. Их также можно использовать в режиме принудительной подачи, что позволяет им охватывать более высокие мощности.
Радиационная секция (Radiant Section)
В радиационной секции огневого нагревателя происходит первый этап передачи тепла от пламени горелки к технологической жидкости. Эта часть состоит из многочисленных труб, которые размещены горизонтально, вертикально или по спирали вокруг горелок и заключены в огнеупорную и изолирующую стенку. Доминирующим механизмом теплопередачи в этом разделе является механизм излучения, и тепло передается трубкам в основном посредством излучения от горячего пламени. В зависимости от конструкции огневого нагревателя в этой зоне получается около 55–85 % необходимого тепла.
Конвективная секция (Convection Section)
В области конвективного тепла основным механизмом теплопередачи является конвекция, отсюда и ее название. Эта секция состоит из набора труб, которые размещаются после радиационной секции и перпендикулярно пути прохождения горячих газов, образующихся в результате сгорания. Технологическая жидкость сначала поступает в трубы секции теплопередачи и предварительно нагревается в этой секции перед поступлением в трубы секции излучения. Продукты сгорания, выходящие из лучистой секции, все еще имеющие высокую температуру, теряют часть своей энергии в этой секции. В результате их температура значительно падает.
Теплозащитная секция (Shield Section) или ударная секция (Shock Section)
Между секциями конвекции и лучистого тепла размещено несколько рядов трубок, которые защищают трубки в секции конвекции от прямого излучения пламени. Эта часть называется тепловым экраном.
Дымоход и мостик (Breeching)
Пройдя через змеевик теплообменной секции, продукты сгорания направляются в дымоход и выбрасываются в атмосферу через дымоход. Расстояние между секцией теплопередачи и дымоходом называется мостиком.
Стены
Наружный слой стен обычно изготавливается из стальных листов. Внутри стены и пол имеют слой огнеупорного и изоляционного материала, который сводит к минимуму потери энергии, а также выдерживает сильный жар и высокую температуру внутри огнеупорной печи.
Стандарт проектирования огневого нагревателя
Огневые нагреватели, используемые в нефтегазовой промышленности, проектируются в соответствии со стандартом API-560 или его эквивалентом ISO-13705. В настоящем стандарте содержатся требования и рекомендации по проектированию, материалам компонентов, изготовлению, проверке, испытаниям и подготовке данного оборудования.
Чтобы узнать больше о стандарте ISO-13705 и его деталях, посетите страницу стандарта ISO-13705.
Кроме того, одним из наиболее часто используемых документов при проектировании горелок, используемых в огневых нагревателях, является API-RP-535 Recommended Practice, который содержит набор технических рекомендаций и предложений относительно этих горелок.
Различные типы конструкции огневых нагревателей
Огневые нагреватели проектируются и изготавливаются в различных исполнениях по конструктивной конфигурации и сечению радиационных труб. Конструктивная конфигурация огневых нагревателей может быть цилиндрической или кубической, а трубы радиационной секции могут быть установлены горизонтально, вертикально, спирально или изогнуто. Примеры конструкций огневых нагревателей показаны на рисунке ниже.
Воздушный поток и продукты сгорания в огневых нагревателях
Огневые нагреватели делятся на четыре категории в зависимости от того, как они создают поток воздуха и горячих газов внутри камеры:
Естественная тяга (Natural Draft): наиболее распространенная конструкция огневых нагревателей, не требующая вентилятора для создания потока. При этом методе из-за меньшей плотности газов внутри нагревателя по сравнению с окружающим воздухом выталкивающая сила вызывает поток снизу вверх. Это явление, также известное как эффект дымохода, заключается в том, что воздух засасывается снизу (входное отверстие горелки) и продукты сгорания выбрасываются через выходное отверстие дымохода, которое является самой высокой точкой огневой печи. Интенсивность всасывания воздуха зависит от температуры газов внутри нагревателя и его высоты.
Принудительная тяга (Forced Draft): при этом методе воздух засасывается из окружающей среды с помощью вентилятора и подается во входное отверстие горелки. Вентилятор в этом случае называется вентилятором FD.
Вытяжная тяга (Induced Draft): В огневых обогревателях с вытяжной тягой вентилятор забирает воздух из выпускного отверстия нагревателя и выбрасывает его в атмосферу. Вентилятор, используемый в этом случае, называется вентилятором ID.
Сбалансированная тяга (Balanced Draft): эти огневые нагреватели оснащены вентилятором FD на входе и вентилятором ID на выходе, оба из которых способствуют созданию потока газа и воздуха в обогревателе.
Значение огневых нагревателей в процессах нагрева в нефтехимической промышленности
Огневые нагреватели являются одним из важнейших компонентов в химической и нефтехимической промышленности, на их долю приходится значительная доля потребляемой в отрасли энергии, поэтому их оптимизация может оказать существенное влияние на потребление энергии. В этом оборудовании тепло вырабатывается путем сжигания природного газа, дизельного топлива и т. д., а также нагревается требуемая технологическая жидкость. Огнетушители различаются по конструкции, расположению труб и способу создания воздушного потока. Как правило, основными частями огневой печи являются горелки, радиационная секция, тепловой экран, передаточная секция, дымоход и дымоход.
Горелки Raadman серии RFGB являются одним из лучших вариантов для использования в промышленных огневых нагревателях, поскольку специально разработаны для использования в этом оборудовании. Помимо того, что эти горелки точно рассчитаны на формирование правильного пламени, они производят очень мало NOx и намного лучше старых горелок с точки зрения уровня
