The Оригинальное название: Fired Heaters: Типы, приложения и повышение эффективности

Пожарные обогреватели являются одним из наиболее важных активов в тяжелой промышленности, служа основным источником технологического тепла для операций, начиная от перегонки сырой нефти до химического синтеза и выработки электроэнергии. Несмотря на их повсеместность, обогреватели часто являются наименее понятным блоком на заводе, причем многие инженеры сосредоточены на вращающемся оборудовании или колоннах. Тем не менее хорошо управляемый обогреватель непосредственно влияет на потребление энергии, качество продукции и соответствие выбросов. Это руководство обеспечивает углубленный взгляд на обогреватели - их конструкция, типы, приложения и наиболее эффективные стратегии повышения эффективности и надежности.

Что такое пожарные нагреватели?

Обогревательный прибор, также известный как технологический нагреватель или печь с прямым нагревом, представляет собой устройство, которое сжигает топливо (обычно природный газ, газоперерабатывающий завод, мазут или потоки, богатые водородом) для генерации тепла. Тепло передается в технологическую жидкость, протекающую через трубки в нагревателе. Обрабатывающая жидкость может быть в жидкой, газовой или смешанной фазе и нагревается до заданной температуры выхода для переработки ниже по течению. В отличие от котлов, которые производят пар, обогревательные приборы предназначены для повышения температуры технологической жидкости без необходимости изменения ее фазы, хотя может произойти испарение.

Принцип работы прост: топливо и воздух смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. Полученные газы горячего дыма проходят через трубы, содержащие технологическую жидкость, доставляя тепло в первую очередь излучением и конвекцией. Охлажденные дымовые газы затем выходят через стек. Однако инженерия достижения равномерного теплового потока, минимизации теплового образования NOx и предотвращения выхода трубки из строя очень сложна.

Основные компоненты пожарного нагревателя

Понимание анатомии обогревателя имеет важное значение для устранения неполадок и оценки производительности. Каждый обогреватель, независимо от типа, состоит из следующих основных компонентов:

Секция радианта

Радиантная секция является самой горячей частью нагревателя, где расположены горелки и происходит горение. В теплопередаче в этой секции преобладает излучение от пламени и огнеупорных стенок к трубкам. Трубки в радиантной секции обычно расположены в спиральной катушке, вертикальном серпантине или горизонтальном сплющенном рисунке для максимального воздействия на поверхность. Радиантные секции работают при температурах между 1000°F и 2000°F (540°C-1100°C), в зависимости от обслуживания.

Конвекционный раздел

Расположенный выше или ниже лучистой секции, конвекционная секция использует плавниковые трубки для рекуперации тепла от дымовых газов после того, как они охладились ниже лучистой зоны. Эта секция обычно составляет 30-60% от общей тепловой нагрузки. Конвекционные секции спроектированы с расширенными поверхностями (плавниками) для улучшения теплопередачи на газовой стороне, которая имеет гораздо более низкий коэффициент теплопередачи, чем на технологической стороне.

Сжигатели

Горящие устройства являются сердцем обогревателя. Они смешивают топливо и воздух в точных пропорциях для получения стабильного пламени. Современные горелки включают конструкции с низким содержанием NOx, которые осуществляют сгорание или рециркулируют дымовой газ для снижения пиковых температур пламени. Типы горелок включают естественный сквозняк (основанный на стековой сквозняке), принудительный сквозняк (с вентилятором) и индуцированный сквозняк. Каждый тип влияет на отключение нагревателя, контроль соотношения воздуха и топлива и выбросы.

Стек и газовая система дыма

В стеке предусмотрен проект, необходимый для вытеснения продуктов сгорания. В нем также находятся амортизаторы, кислородные анализаторы, а иногда и селективные системы каталитического восстановления (SCR) для контроля NOx. В естественных стековых нагревателях высота стека имеет решающее значение для адекватного стека; в форсированных стековых нагревателях вентилятор обеспечивает повышение давления. Температура дымового газа в стеке является ключевым показателем эффективности нагревателя - более низкие температуры указывают на лучшее восстановление тепла.

Типы пожарных нагревателей

Пожарные обогреватели классифицируются по механизму теплопередачи (прямой против косвенного), геометрии (вертикальная цилиндрическая, коробка, кабина) и расположению труб (спиральная, серпантиновая, U-трубка). Ниже приведены наиболее распространенные типы, встречающиеся на промышленных предприятиях.

Прямые пожарные нагреватели

В прямоточное обогревательное устройство течет технологическая жидкость через трубы, которые подвергаются непосредственно воздействию пламени горения и горячих дымовых газов. Пламя излучает энергию в трубы, и дымовые газы проходят над ними. Эта конструкция является высокоэффективной, поскольку нет промежуточной теплообменной поверхности, но она требует тщательного контроля, чтобы избежать локального перегрева (горячих точек) и последующего выхода из строя труб. Прямоточные обогреватели широко используются на нефтеперерабатывающих заводах для сырых обогревателей, вакуумных печей и каталитических нагревателей.

Принудительный проект против естественного проекта

Прямые обогреватели могут быть естественными сквозняками, где воздух втягивается в горелку отрицательным давлением, создаваемым стеком, или принудительными сквозняками, где вентилятор толкает воздух в горелку. Принудительные сквозные обогреватели обеспечивают лучший контроль над избыточным воздухом и могут достигать более высокой энергоэффективности, но они требуют больших капитальных вложений и обслуживания. Природные сквозные обогреватели проще и дешевле, но часто работают с более высоким избыточным воздухом, снижая эффективность.

Вертикальные цилиндрические нагреватели

Одна из наиболее распространенных конфигураций на нефтеперерабатывающих заводах, вертикальный цилиндрический нагреватель имеет цилиндрическую секцию излучения с трубками, расположенными вертикально вдоль стены. Горящие трубы расположены внизу. Эта конструкция обеспечивает равномерное распределение тепла и небольшой след. Конвекционные секции часто размещаются в отдельном прямоугольном ящике над секцией излучения. Вертикальные цилиндрические нагреватели идеально подходят для высокопроизводительных услуг (50-200 ММ Btu/ч).

Косвенные огненные нагреватели

Непрямые обогреватели используют теплообменник для отделения газов сгорания от технологической жидкости. Общие конструкции включают обогреватели с трубкой, погруженной в ванну (например, нагреватели горячего масла) или обогреватели, где текучая среда процесса течет через катушку, которая непосредственно не подвергается воздействию пламени, но нагревается теплообменной жидкостью, которая сама нагревается при сжигании. Этот подход предотвращает загрязнение и позволяет очень точно контролировать температуру. Обогреватели с непрямым обжиганием распространены на химических заводах, пищевой промышленности и приложениях, требующих чистого тепла.

Кабмин нагреватели

Также известные как бокс-обогреватели, шкафные обогреватели имеют прямоугольную лучистую секцию с горизонтальными трубками, расположенными в нескольких проходах. Бёрнеры расположены вдоль одной или обеих сторон. Кабины обогревателей часто используются в меньших задачах (1-50 ММ Btu/ч) и могут быть предназначены для высокотемпературных или коррозионных услуг. Они предлагают более легкий доступ для очистки труб и обслуживания по сравнению с вертикальными цилиндрическими обогревателями.

Нагреватели спиральной катушки

Названные по спиральной (спиральной) трубчатой компоновке, эти нагреватели распространены в паровых метановых реформаторах и этиленовых крекинговых печах. Шелевая катушка обеспечивает очень длинный путь трубки в компактном пространстве, что позволяет обеспечить высокую скорость теплопередачи и контролируемое время пребывания. Однако их изготовление и ремонт обходится дороже.

U-Tube и Hairpin Heaters

Эти нагреватели используют U-образные или шпильные трубки, которые являются съемными. Они часто используются в приложениях, требующих частой очистки, таких как процессы с загрязняющими жидкостями. Установка U-трубки позволяет извлекать трубку для обслуживания, не нарушая оболочку нагревателя.

Промышленное применение пожарных нагревателей

Пожарные обогреватели встречаются практически в каждой отрасли, которая требует технологического тепла выше 300 ° F. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных применений, с примерами типичных типов нагревателей.

• Переработка: Атмосферная дистилляция сырого масла, вакуумная дистилляция, каталитическое реформирование, гидроочистка, кокер-нагреватели и висбрейкерные обогреватели. В этих службах часто используются вертикальные цилиндрические или кабинные обогреватели. Сырые обогреватели являются одними из крупнейших, с рабочими обязанностями, превышающими 300 ММ Btu/ч.
• Нефтехимические вещества: Паровая крекинговая (этиленовые печи), паровая метановая реформа (водородная продукция), аммиачные и метаноловые синтез-газовые обогреватели. Эти высокотемпературные, высокопроизводительные сервисы используют спиральную катушку или вертикальные печи с несколькими горелками.
• Мощность Генерация: Нагреватели для установок комбинированного цикла, парогенераторы рекуперации тепла (HRSG) с воздуховодными горелками и нагреватели мазута тепловых электростанций. Подогреваемые нагреватели используются для перегрева пара или претеплового топливного газа.
• Масло и лампа; Газопроизводство: Обогреватели для обезвоживания газа (гликольные реболлеры), линейные обогреватели для скважинного газа и обогреватели для опреснения сырой нефти. Они часто используют косвенные обжигаемые конструкции из-за присутствия воды или коррозионных компонентов.
• Химическая обработка: Нагреватели для предварительного нагрева реактора, терможидкие обогреватели (горячее масло) и испарители для специальных химикатов. Многие используют шкаф или U-трубки конструкции для простого обслуживания.
• Пища и напитки: Съедобная нефтепереработка, сушка и обезвоживание. Непрямые обогреватели с теплопередающими жидкостями предпочтительнее избегать загрязнения продукта.
• Купка и усилитель; Бумага: Черные водозаборные котлы (хотя и разные, они включают в себя обогреватели известковой печи, и обогреватели сухих секций).

Стратегии повышения эффективности

Повышение эффективности обогревателя является одним из наиболее экономически эффективных способов снижения расхода топлива и выбросов парниковых газов. Повышение эффективности на 1% может привести к значительной ежегодной экономии для крупного НПЗ. Ниже приведены проверенные стратегии, ранжированные по типичной доходности инвестиций.

Оптимизация горения

Единственным наиболее эффективным показателем эффективности является контроль избыточного воздуха. Типичные обогреватели работают с избыточным воздухом на 10-20%, но с современным контролем, 3-5% достижимо для газообразного топлива. Уменьшение избыточного воздуха снижает объем дымового газа, который переносит разумное нагревание стека. Установите непрерывные анализаторы кислорода в стеке и обрезайте соотношение воздух-топливо соответственно. горелки с низким содержанием NOx могут дополнительно снизить избыточные требования к воздуху при одновременном снижении выбросов NOx. Рециркуляция дымового газа (FGR) и поэтапное сжигание также повышают эффективность за счет снижения температуры пламени и снижения образования теплового NOx.

Интеграция восстановления тепла

Восстановление тепла от дымового газа является второй наиболее эффективной стратегией.

• Экономизаторы: Тепло дымового газа используется для предварительного нагрева технологической жидкости перед ее попаданием в нагреватель. Это снижает его мощность при той же температуре выхода.
• Преотопленники: Перед нагреванием воздуха при сжигании дымовых газов может быть повышена эффективность нагревателя на 5-10%, поскольку воздух поступает в горелку при более высокой температуре, снижая топливо, необходимое для достижения температуры пламени.
• Отходы тепловых котлов: Если температура дымового газа по-прежнему высока после предварительного нагрева, котел отработанного тепла может генерировать пар для других целей установки.

Добавление воздушного претеплителя часто является наиболее эффективной модернизацией, но она требует тщательной конструкции, чтобы избежать конденсации и коррозии от соединений серы в дымовом газе. Для серосодержащих топлив температура дымовых газов на выходе из претеплителя должна поддерживаться выше точки кислотной росы (обычно 300-350 ° F).

Изоляция и снижение тепловых потерь

Поджигаемые обогреватели теряют тепло через огнеупорные стены и стальной корпус. Правильный выбор изоляции и мониторинг состояния имеют решающее значение. Керамические оплетки волокна предлагают меньшую тепловую массу и лучшие изоляционные свойства, чем традиционные литейные огнеупоры, уменьшая потери тепла и ускоряя запуск. Убедитесь, что все двери доступа и проникновения запечатаны. Температура поверхности обсадки должна оставаться ниже 140°F в условиях окружающей среды; более высокие температуры указывают на ухудшение изоляции. Тепловая камера может быстро идентифицировать горячие точки.