Установка риформинга выполняет ключевую функцию в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности — преобразование углеводородов в синтез-газ или ароматические соединения. Поскольку эти процессы являются эндотермическими, установка реформинга требует точной и равномерной подачи тепловой энергии. Горелка, как источник тепла, оказывает прямое влияние на эффективность установки, срок службы оборудования и качество конечного продукта.
В статье рассмотрены основные типы установок реформинга, особенности горения каждого типа и требования к проектированию горелок. Особое внимание уделено инженерному подходу группы Raаdman к созданию и локализации эффективных горелок для реформинговых установок.
Процесс риформинга (Reforming) в нефтехимии — один из ключевых методов получения базовых веществ, таких как водород, синтез‑газ и ароматические соединения. Этот процесс включает химические реакции при высоких температурах, преобразующие углеводороды в более полезные соединения. Во многих случаях реакции сильно эндотермичны и требуют непрерывного и контролируемого теплоподачи. Поэтому точная работа горелок существенно влияет не только на устойчивость реакции, но и на эффективность и безопасность всей установки.
Установка реформинга предъявляет высокие требования к горелке — она должна создавать стабильное и равномерное пламя с высокой тепловой эффективностью и минимальными выбросами. Горелка, применяемая в таких условиях, должна быть разработана с учётом химических процессов, тепловых характеристик печи и специфики каждой установки реформинга. В следующих разделах статьи рассматриваются установка реформинга и необходимые параметры горения для их эффективной работы.
Установка риформинга и её требования к горелкам
Установка риформинга — это устройство, которое преобразуют углеводороды в синтез-газы, такие как водород. Этот процесс в основном осуществляется посредством реакции с паром или кислородом при высоких температурах и с помощью катализатора. К основным типам установка риформинга относятся следующие, которые будут подробно рассмотрены ниже.
Установка парового риформинга метана (Steam Methane Reformer – SMR)
Установка парового риформинга метана — наиболее распространённая технология получения водорода в нефтехимии и нефтепереработке. В этом процессе природный газ (в основном метан) реагирует с водой в паровой фазе при высокой температуре на никелевом катализаторе, образуя водород, оксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO₂). Основная реакция сильно эндотермична; температура в каталитических трубах обычно составляет 800–900 °C.
Установка парового риформинга метана инициирует реакцию между природным газом и водяным паром, в результате которой образуются окись углерода и водород. Эта реакция эндотермическая и требует энергии около 206 кДж/моль. На следующем этапе оксид углерода повторно реагирует с водяным паром, образуя диоксид углерода (CO₂) и водород. Эта реакция, известная как «водяной газовый сдвиг» (Water Gas Shift), является экзотермической и выделяет примерно 41 кДж/моль энергии. В конечном итоге, в результате этих двух стадий взаимодействия метана с водяным паром, образуются диоксид углерода и водород, при этом общий энергетический баланс требует подачи около 165 кДж/моль.
![\[ \mathrm{CH_4 + H_2O} \ \overset{\boxed{\ }}{\rightleftharpoons} \ \mathrm{CO + 3H_2} \quad \Delta H_{SR} = 206\ \mathrm{kJ/mol} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-16ed6d40fb8fbc4f38813f85fb5e4379_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \mathrm{CO + H_2O} \ \overset{\boxed{\ }}{\rightleftharpoons} \ \mathrm{CO_2 + H_2} \quad \Delta H_{WGSR} = -41\ \mathrm{kJ/mol} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4f23c9fd92b44dd8a50ffb83e232ea1e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \mathrm{CH_4 + 2H_2O} \ \overset{\boxed{\ }}{\rightleftharpoons} \ \mathrm{CO_2 + 4H_2} \quad \Delta H_{DSR} = 165\ \mathrm{kJ/mol} \]](https://raadmanburner.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-eae6c52adc402db7d9c02203902302fa_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Для подачи тепла каталитические трубы помещают в печь, оснащённую горелками, расположенными по специально разработанной схеме вокруг труб. Горелки SMR должны обеспечивать стабильное пламя, высокую долю теплового излучения и равномерное распределение тепла, предотвращая горячие точки на поверхности труб. Контроль соотношения воздух–топливо, управление выбросами (особенно NOx), а также адаптация горелки к изменению нагрузки — ключевые требования к установка риформинга.
Установка риформинга метана требует правильного выбора горелки, поскольку распределение тепла, стабильность пламени, эффективность процесса и уровень выбросов напрямую зависят от неё. В целом, горелки, используемые в таких установках, классифицируются на три основные группы в зависимости от места их установки.
1- Боковые горелки (Side‑Fired Burners)
Наиболее распространённы в традиционных и современных риформеров. Установлены в боковых стенках печи, направляют тепло напрямую на каталитические трубы. В современных конфигурациях применяются радиационные стеновые горелки (Radiant Wall Burners) — без открытого пламени, передающие энергию через нагретые стенки. Этот дизайн обеспечивает более равномерный нагрев (Hot Spots), снижает горячие пятна и уровень NOx.
2-Потолочные горелки (Arch Burners)
В этом типе конструкции горелки устанавливаются в потолке печи, а пламя направлено вниз. Такая компоновка обеспечивает более равномерное распределение тепла по всей высоте каталитических труб, а также позволяет использовать более компактную геометрию и улучшенный поток горячих газов вокруг труб. Этот тип горелок обычно применяется для вертикальных реформеров с высокой производительностью.
3- Горелка с направлением пламени вверх (Bottom‑Fired Burners)
Используются реже, преимущественно в условиях ограниченного пространства или в специальных конструкциях реформеров. Пламя направлено вверх от днища печи, требуются особо точные средства контроля, чтобы предотвратить избыточный нагрев нижней части труб.
Каталитическая установка риформинга нафты (Catalytic Naphtha Reformer)
Каталитическая установка риформинга нафты применяется на НПЗ для повышения октанового числа топлива и получения ароматических соединений (бензол, толуол, ксилол). Процесс проводится при 450–500 °C и средних давлениях в нескольких реакторах, содержащих дорогостоящие платиновые катализаторы. Основные реакции — дегидрирование, изомеризация и циклизация — преимущественно эндотермичны и требуют внешнего нагрева.
Здесь печи с горелками обеспечивают равномерный и мягкий нагрев реакторов. Из-за высокой чувствительности и стоимости катализаторов контроль температуры процесса крайне важен. Установка риформинга предъявляет ключевые требования к горелкам, включая стабильность пламени, точный контроль температуры выходящего газа и предотвращение образования горячих точек или тепловых трещин.
Аутотермическая установка риформинга (Autothermal Reformer – ATR)
Аутотермическая установка риформинга — это относительно новая технология, используемая для производства синтез-газа в аммиачных и метанольных установках. В этом процессе природный газ вместе с водяным паром и чистым кислородом подаётся в реактор, в начальной зоне которого происходит реакция сгорания. Тепло, выделяющееся при этом внутреннем сгорании, приводит в действие эндотермические реакции парового реформинга в каталитической части реактора. Благодаря сочетанию экзотермических и эндотермических реакций в одном объёме, данный процесс спроектирован таким образом, чтобы находиться в тепловом равновесии (Thermally Neutral).
Установка риформинга данного типа предусматривает процесс горения в очень ограниченном пространстве и требует интенсивного, короткого и стабильного пламени при высоком давлении. Основными задачами для горелок в ATR являются выбор точных распыляющих форсунок, строгое управление соотношением топливо–кислород и термостойкий дизайн горелочного оборудования. Установка риформинга предъявляет высокие требования к горелкам: они должны выдерживать тяжёлые эксплуатационные условия, включая высокое давление и очень высокую температуру пламени, а также обеспечивать полное сгорание без образования сажи.
Установка риформинга частичной окисляющей (Partial Oxidation Reformer – POX)
Установка риформинга частичной окисляющей применяется для переработки тяжёлых сырьевых потоков (тяжёлая нафтовая фракция, мазут, уголь) в синтез‑газ. Гидроуглеводороды реагируют с ограниченным количеством кислорода или обогащённого воздуха. В отличие от SMR (эндотермична), POX — экзотермичный процесс, выделяющий энергию, необходимую для разрушения молекул. Основной продукт — синтез‑газ (H₂ + CO), используемый в химической промышленности и производстве синтетических топлив.
Хотя POX сама по себе является самонагревающейся, горелка в начале реактора необходима для запуска реакции и подачи температуры> 1200–1500 °C. Форсунки должны обеспечивать равномерное смешение кислорода и углеводородов, предотвращая образование горячих пятен, сажи и кокса.
Роль горелок в работе нефтехимических реформеров
Горелка — теплонагнетательный центр большинства реформеров. Независимо от типа реакции (эндо- или экзотермическая), точный контроль подачи тепла, температурный профиль и однородность топливно‑окислительного потока неизменно зависят от конструкции горелки. Устойчивость, эффективность и безопасность работы реформеров напрямую связаны с правильным подбором и синхронизацией горелок с термодинамическими и химическими характеристиками процесса.
В паровых риформерах метана (SMR) горелки напрямую нагревают стенки печи для обеспечения необходимого тепла для эндотермических реакций в каталитической зоне. В таких риформерах конфигурация горелок выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальное лучистое тепло к трубам с катализатором и равномерное распределение температуры по их поверхности. Использование боковых, потолочных (arch) или комбинированных горелок зависит от теплового проектирования печи.
В POX и ATR горелки не только подают начальный тепловой импульс, но и обеспечивают быстрое и контролируемое смешение компонентов реакции в экстремальных температурно‑давлении условиях. Ключевые параметры — стабильность пламени, устойчивость к коррозии, отсутствие нагара и специальная конструкция форсунок.
В нафтовых реформерах горелки используются в косвенной системе нагрева (через масло или теплоноситель), их задача — равномерный нагрев теплообменников или печных конвекторов. Основные требования — равномерность пламени, локальный контроль температуры и высокая способность регулирования мощности.
В целом, конструкция горелок должна быть адаптирована под специфические характеристики каждого реформера — рабочая температура, давление, тип сырья, режим передачи тепла и экологические требования. Кроме технических факторов, важны экономия топлива, снижение выбросов (NOx) и упрощённая эксплуатация и обслуживание.
Оптимальное использование фларных газов с содержанием водорода — подход промышленной группы «Raadman»
На многих нефтехимических установках, особенно в производстве метанола, образуются фларные газы с высоким содержанием водорода, которые обычно сжигаются без полезного использования. Промышелнная группа «Raadman», опираясь на свои передовые технологии и инновационный дизайн, предлагает решение: использование этих фларных газов вместе с природным газом в горелках, что позволяет преобразовать их в энергию вместо их безвозвратной утраты.
Горелки компании «Raadman» способны сжигать смесь природного газа и факельного газа с переменным объемным содержанием водорода. Например, потолочные горелки этой промышленной группы могут стабильно и эффективно сжигать смесь, содержащую до 70 % водорода и 30 % природного газа. Кроме того, радиационные настенные горелки «Raadman» способны выдерживать до 50 % объемного содержания водорода в смеси с природным газом без снижения эффективности или возникновения проблем с горением.
Эта особенность позволяет повысить энергетическую эффективность, снизить выбросы и рационально использовать газовые ресурсы, ранее утилизируемые фларом. Применение технологий «Raadman» способствует цифровизации и устойчивости нефтехимической отрасли нашей страны благодаря переходу на более чистые, экономичные процессы.
