СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЯ КОКСА В СЫРЬЕВЫХ ЗМЕЕВИКАХ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КОКСООТЛОЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F22B37/48 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания топливного газа в печах с излучающими стенками топки в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известен способ снижения отложения кокса в высокотемпературных процессах, например, пиролиз углеводородного сырья, за счет разбавления сырья пиролизы инертными разбавителями, например, водяным паром. Так добавки 10 15% водяного пара снижают скорость образования кокса в 4 6 раз [1] Главным направлением в борьбе с коксом является также применение различных добавок - ингибиторов коксообразования. В основе процесса ингибирования коксообразования, например, в присутствии карбоната калия, лежат реакции газификации кокса и его предшественников в пристенном слое с водяным паром с образованием оксидов углерода и водорода. Использование ингибиторов увеличивает длительность пробега печей пиролиза от 65 70 до 120 суток, например, в результате добавления к сырью 0,01% фосфорного ингибитора [1]
К недостаткам данных способов следует отнести дополнительные затраты энергии на транспортировку балластов в виде пара разбавления (до 50% в жестких условиях), отрицательное влияние ингибиторов на структуру металла труб и преждевременных их выход из строя.

Наиболее близким по технической сущности является способ сжигания топлива при наложении на открытый факел колебаний с частотой до 21 кГц, при этом наблюдалась заметная интенсификация процесса горения.[2]Газ сжигался с помощью горелки, в торцевой части которой устанавливался акустический стержневой излучатель типа ГСИ 5. Воздействие акустических колебаний на диффузионный факел характеризуется существенной его интенсификацией за счет увеличения коэффициента турбулентой диффузии, то есть улучшения смещения. При этом температура факела повышается на несколько сотен градусов, а теплоотдача от факела увеличивается в 2 3 раза.

К недостаткам данного способа сжигания топлива и воздействия акустических колебаний на тепловой режим факела следует отнести необходимость для различных условий работы горелок (газовые, жидкостные) специального подбора генераторов звуковой частоты. Кроме того, результаты многих опытов, как отмечают авторы, достаточно противоречивы и требуют дальнейшей доброты [2]
В качестве прототипа принят способ интенсификации между жидкой и газовой фазами за счет снижения диффузионного сопротивления вблизи и на границе раздела фаз при наложении мощных акустических колебания на жидкую фазу [3] Исследования проводились на системе углекислый газ (CO₂) водный раствор щелочи (КОH). В трубу диаметром 65 мм и высотой 400 мм вводился сверху ультразвуковой излучатель (резонансная частота 17,8 кГц). Эффективность массообменного процесса определялась коэффициентом извлечения. Делается вывод, что наложение ультразвуковых колебаний интенсифицирует процесс хемосорбции, сокращая время достижения предельного значения коэффициента извлечения в два раза.

Недостатки этого способа следующие:
необходимость непосредственного контакта взаимодействующих фаз и ультразвукового излучателя;
сложность регулирования и контроля эффективных параметров акустического поля в промышленных условиях.

В качестве прототипа устройства принята трубчатая печь [4]
Она содержит корпус с гладкими излучающими стенами, трубчатые экраны - сырьевые змеевки, установленные в кладке печи центробежные горелки, линии подвода топлива.

К недостаткам конструкции трубчатой печи следует отнести высокую степень коксоотложения в сырьевых змеевках и связанное с этим увеличение расхода топливного газа.

Задачей изобретения является снижение отложения кокса в сырьевых змеевиках трубчатых печей и, как следствие, снижение топливного газа на проведение технологического процесса.

Данная задача достигается тем, что внутри сырьевого змеевика создают стабильное акустическое поле давлением 80 95 дб и частотной характеристикой 1,5 8 кГц, способствующее турбулизации сырья в пристенной области змеевика, снижению толщины пограничного ламинарного слоя. Для достижения эффективного снижения отложения кокса на поверхности труб используется акустическая горелка источник акустических колебаний, причем отношение толщины стенки первичной смесительной камеры газовой горелки к диаметру этой камеры равно 0,08 0,2, при этом отношение расстояния от сопла горелки до излучающей стены к диаметру вторичной смесительной камеры равно 0,25 0,35, а отношение диаметра первичной смесительной камеры к расстоянию от кладки до змеевика ровно 0,02
0,08.

На чертежах приведены общие виды трубчатой печи и газовой горелки для реализации предлагаемого способа снижения отложения кокса в сырьевых змеевиках.

Изобретение поясняется фиг. 1 2.

Трубчатая печь (фиг. 1) содержит кладку 1, сырьевой змеевик 2, газовые акустические горелки 9. Газовая горелка (фиг.2) содержит корпус 3, внутри которого расположена смесительная камера 4, регулировочный диск 5, воздушную трубу 6 с вторичной смесительной камерой 7, центробежный завихритель подачи топливного газа 8 (резонатор).

Трубчатая печь работает следующим образом: нефтяное сырье поступает в змеевик 2 и нагревается до определенной температуры (в высокотемпературных процессах, например, пиролиз до 820 850^oC ). Нагрев сырьевого змеевика осуществляется акустическими газовыми горелками 9, которые работают следующим образом: топливный газ с давлением 1 2,5 кгс/см₂ поступает в газовые каналы 8 и смесительную камеру 4, закрученный поток топлива с воздухом выходит из горелки и под действием центробежных сил настилается на кладку печи (сгорание топливо-воздушной смеси происходит на кладке). Нагрев сырьевых змеевиков приводит к коксоотложению на внутренней поверхности труб.

Известно, что на скорость отложения кокса влияет ряд факторов, из которых важнейшие пленочный эффект, парциальное давление реагирующих углеводородов и температура реакции. Предшественники кокса образуются в пристенном слое ( пленке) и, следовательно скорость коксоотложения определяется условиями в этом слое (его объемом и температурой). Обычно перепад температур в пристенном слое составляет от десятков до сотен градусов (разница температуры в ядре турбулентного потока сырья и в пристенном слое). Скорость коксоотложения возрастает пропорционально температуре и объему пристенной зоны.

Пристенный слой (пленка) характеризуется ламинарным движением сырьевого потока, что объясняется сопротивлением движению со стороны материала труб. И чем больше толщина пленки (ламинарного слоя), тем больше сопротивление теплообмену между греющей средой и сырьевыми потоками, тем больше температурный перепад, тем выше скорость коксоотложения. Следовательно, снижение коксоотложения и отложения его на стенах труб связано, прежде всего, с необходимостью разрушения ламинарного пограничного слоя и уменьшения его толщины.

В нашем случае интенсификация тепло- и массообмена пограничного слоя с основным турбулентным слоем в трубах осуществляется за счет наложения акустических колебаний на сырьевой поток. Источником акустических колебаний являются газовые горелки, устанавливаемые на излучающих стенах топки трубчатой печи. Создаваемое газовыми горелками стабильное и равномерное акустическое поле в трубах сырьевого змеевика давлением 80 95 дб и частотой характеристикой 1,5 8 кГц уменьшает отложение кокса в трубах в два раза и за счет уменьшения термического сопротивления стенки трубы экономно расходуется топливный газ (экономия до 10%).

Описанный выше способ снижения отложения кокса в сырьевых змеевиках может быть реализован только при условии выполнения геометрических соотношениях в конструкции печи, а именно:
отношение толщины стенки первичной смесительной камеры газовой горелки к диаметру этой камеры δ/d = 0,08÷0,2;
-отношение расстояния от сопла горелки до излучающей стены к диаметру вторичной смесительной камеры l/D0,25 0,35;
отношение диаметра первичной смесительной камеры к расстоянию от кладки до змеевика d/L= 0,02 0,08.

Предлагаемые отношения геометрических размеров объясняются следующим образом:
При предложенном отношении толщины стенки первичной смесительной камеры к диаметру этой камеры достигается совпадение частоты колебаний газовой горелки, что приводит к резонансным явлениям, позволяющим значительно повысить звуковое давление и обеспечить получение акустического поля внутри змеевика давлением 80 95 дб и частотной характеристикой 1,5 8 кГц. Звуковое поле с такими характеристиками без значительных потерь проникает через стенку змеевиков и способствует турбулизации сырья в пристенной области, снижению толщины пограничного ламинарного слоя и, как следствие, уменьшению коксоотложения на поверхности труб, (например, в процессе пиролиза), увеличению пробега трубчатой печи, экономному расходованию топлива, что подтверждается актами обследований и испытания.

При δ/d > 0,2 или δ/d < 0,08 происходит значительное изменение собственной частоты колебаний горелок, пропадают резонансные явления, а с ними и все указанные положительные эффекты.

Предлагаемое отношение расстояния от сопла горелки до излучающей стены к диаметру вторичной смесительной камеры объясняется необходимостью распространения акустического поля с указанными параметрами на сырьевые змеевики по всему объему топочного пространства трубчатых печей.

При l/D < 0,25 топливовоздушная струя, выходящая из сопла горелок настилается на поверхность излучающих стен, резко нарастает энергия струи из-за трения о кладку. Это приводит к неравномерному распространению звукового давления в объеме топки печи. В этом случае возможны и проскоки пламени в воздушную трубу, что приводит не только к дальнейшему нарушению акустического поля, но и нарушению теплового режима печи.

При l/D> 0,35 из-за высокой радиационной составляющей теплового потока в печи, резкого снижения охлаждения корпуса горелки (сильно выдвинута в топку) воздухом из вторичной камеры, происходит обгорание материальной части горелки и выход ее из строя.

Предлагаемое отношение диаметра смесительной камеры к расстоянию от кладки до змеевика равны 0,02 0,08 обьясняются следующим образом.

В современных трубчатых печах коробчатого типа с излучающими стенами расстояния от стен печи до змеевика находятся в пределах от 600 до 1300 мм, что объясняется условиями теплопередачи. В этих условиях целесообразно проектировать газовые горелки так, чтобы режим работы (давление топливного газа), геометрические размеры обеспечили нужное звуковое давление на данном расстоянии от источника звука.

При d/L<<0,02 из-за увеличения топочного объема трубчатой печи возникает необходимость увеличения звукового давления при работе газовых горелок, что отрицательно сказывается на выборе изоляции печи и устройства глушителей шума для обеспечения уровня звука снаружи трубчатой печи в соответствии с требованиями санитарных норм. Кроме того ухудшаются условия теплопередачи, приводящие к перерасходу топливного газа.

При d/L > 0,08 возрастает неравномерность акустического поля по длине сырьевых змеевиков, что приводит к образованию зон с повышенными отложениями кокса в трубах, к преждевременному выходу их из строя, сокращению пробега трубчатых печей.

Использование: для сжигания топливного газа в печах с излучающими стенами топки в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность изобретения: возбуждают в сырьевых змеевиках трубчатых печей стабильное акустическое поле определенным давлением и частотой посредством установки на излучающих стенках акустических газовых горелок, которые обеспечивают прохождение звуковых волн через обьем топочного пространства и стенки труб. 2 с. п. ф-лы.2 ил.

1. Способ снижения отложения кокса путем воздействия на динамику движения сырья в змеевиках трубчатых печей, отличающийся тем, что возбуждают в сырьевых змеевиках трубчатых печей стабильное акустические поле давлением 80 100 дБ и частотной характеристикой 1,5 8,0 кГц посредством установки на излучающих стенах акустических газовых горелок, обеспечивающих прохождение звуковых волн через объем топочного пространства и стенки труб. 2. Устройство для снижения отложения кокса, содержащее кладку печи, сырьевой змеевик, газовые акустические горелки, включающие корпус, смесительную камеру, воздушную трубу, резонатор, отличающееся тем, что отношение толщины стенки первичной смесительной камеры газовой горелки к диаметру этой камеры равняется 0,08 0,2, при этом отношение расстояния от сопла горелки до излучающей стены к диаметру вторичной смесительной камеры равняется 0,25 0,35, а отношение диаметра первичной смесительной камеры к расстоянию от кладки до змеевика равняется 0,02 0,08.