ДВУХКАМЕРНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКЦИОННОГО НАГРЕВА НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ И СПОСОБ НАГРЕВА Российский патент 2025 года по МПК C10G9/20 F27B5/02 

Изобретение относится к областям нефтехимии и нефтепереработки и может быть использовано в процессах нагрева нефтяного сырья в установках первичной переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах.

Нагрев нефтяного сырья осуществляют как правило радиационно-конвекционным способом в двухкамерных печах, содержащих последовательно соединенные между собой камеры конвекции и радиации. Нагрев нефтяного сырья осуществляют греющими газами, двигающимися противотоком через обе камеры печи по отношению к нагреваемому нефтяному сырью. Греющие газы образуются в размещенной на входе в камеру радиации печи камере сгорания, в которую по трубопроводам подают топливо и подогретый в воздухоподогревателе нагнетаемый вентилятором воздух. Греющие газы, пройдя последовательно камеры радиации и конвекции печи, направляют в воздухоподогреватель и далее выбрасывают через дымовую трубу в атмосферу.

Такой способ нагрева нефтяного сырья имеет невысокие показатели энергоэффективности в силу существенных необратимых потерь энергии в процессах сжигания топлива и теплообмена между греющими газами и нагреваемым нефтяным сырьем, имеющих место в камерах радиации и конвекции двухкамерной печи. Необратимые потери, характеризуемые увеличением энтропии, наиболее корректно отражают потери эксергии в процессах, которые являются абсолютным критерием энергоэффективности. Их расчет основан на оценке эксергетического баланса [Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / М.: Энергия. 1968].

Оценка достигаемого в заявленном способе положительного эффекта основана на методике расчета суммарных потерь эксергии в двухкамерной печи, исходя из потерь эксергии по ее камерам, и возможности использования компьютерной программы, совместимой с пакетом ChemCad [Налетов В.А. и др. Оценка энергоэффективности химико-технологических процессов и систем. М.: РХТУ. 2023].

Известен способ отопления двухкамерной печи нагрева и печь для нагрева заготовок [Патент RU 2022035 C1, МКП C 21 D9/00], включающий подачу топливовоздушной смеси, сжигание ее с коэффициентом расхода воздуха, меньшим единицы, подачу вторичного воздуха для дожигания продуктов неполного горения, отличающийся тем, что подачу топливовоздушной смеси в камеры и ее сжигание осуществляют попеременно, при этом в процессе сжигания топливовоздушной смеси в одной камере вторичный воздух подают в другую, неработающую камеру.

Недостатками данного способа является то, что попеременный нагрев, при котором одна камера печи в работе, а другая нет, не может обеспечить требуемый подогрев нефтяного сырья без дополнительных затрат топлива, а неполное сгорание топлива при недостатке кислорода может привести к образованию нагара (сажи) на нагревательных элементах и стенках печи, что снижает срок ее службы.

Известен способ нагрева нефти в установках первичной переработки [Патент RU 2042705 C1, МКП C10 G9/20] путем нагрева ее целевыми продуктами до 180–260°С в теплообменниках, подачей ее в отпаривающую колонну и последующим ее нагревом в трубчатой печи до конечной заданной температуры, отличающийся тем, что в теплообменниках целевыми продуктами нагревают до температуры 180–260°С только 85–90% нефти и подают через отпаривающую колонну в конвективный змеевик печи, остальную часть 10–15% нефти нагревают целевыми продуктами в теплообменниках только до температуры точки росы (100–200°С) и направляют в дополнительный конвективный змеевик, размещенный по ходу уходящих газов после основного, где нагревают до температуры основного потока нефти и смешивают с этим потоком, далее все 100% нефти нагревают в трубчатой печи до конечной температуры, а 10–15% освободившегося в теплообменниках тепла направляют для нагрева холодного горелочного воздуха до температуры точки росы.

Недостатками данного способа является то, что для его реализации используется дополнительная камера конвекции, что требует соответственно дополнительных капитальных затрат, а эффективность нагревательной печи в случае использования дополнительной камеры конвекции снижается, поскольку общий эксергетический КПД печи в этом случае определяется произведением КПД всех ее элементов.

Известен радиационно-конвекционный способ обогрева трубчатой печи [Патент RU 2120463 C1, МКП C10G 9/20] путем сжигания топливного газа в потоке окислителя, отличающийся тем, что топливный газ и окислитель подают в радиационную камеру печи раздельно таким образом, что окислитель с содержанием кислорода 5-99 об.% и температурой, выше температуры самовоспламенения топливного газа, входит в камеру потоком, а топливный газ дозируют по ходу движения окислителя. При этом в качестве окислителя используют воздух или дымовой газ. Особенностью данного способа, который имеет своей целью увеличение срока службы змеевиков печи и улучшение безопасности эксплуатации печи, является то, что в радиационной камере предусмотрен многоточечный впрыск топлива.

Недостатком данного способа с одной стороны являются существенные потери работоспособной энергии, поскольку многоточечный впрыск топлива не снижает общую тепловую нагрузку на радиационную камеру печи, а лишь более равномерно ее распределяет, а с другой – при больших коэффициентах избытка воздуха, используемого в качестве окислителя, на первых этапах дозированной подачи топлива возможно интенсивное образование термических оксидов азота в радиационной камере, которые затем вместе с дымовыми газами выбрасываются в атмосферу.

Известна печь для нагрева нефти [Патент RU 2090810 C1, МКП F27B 1/10], содержащая вентилятор, воздухоподогреватель, камеру сгорания топлива, газовод, теплообменные устройства, дымовую трубу, трубопроводы подачи нефти и топлива, отличающаяся тем, что она имеет дымосос, камера сгорания топлива выполнена в виде циклонной топки с тангенциальными горелками, теплообменные устройства выполнены в виде как минимум двух трубчатых испарителей, соединенных последовательно и противоточно по ходу теплообменивающихся сред, а газовод включает циркуляционный контур, соединяющий последовательно расположенные по ходу движения газообразного теплоносителя дымосос, циклонную топку, трубчатые испарители, при этом на газоводе установлен патрубок отвода отработанного теплоносителя, соединенный с всасывающим патрубком вентилятора. При этом дымосос выполняет роль циркуляционного компрессора (или вентилятора). Особенностью данного изобретения является то, что процесс нагрева нефти осуществляют за счет теплоты греющих газов, являющихся результатом смешения продуктов сгорания с циркулирующим газом. При этом циркуляционный контур, по которому последовательно проходит поток греющих газов, включает следующие элементы: дымосос, радиационную камеру, выполненную в виде циклонной топки, и конвекционную камеру с трубчатыми элементами. Из циркуляционного контура часть отработанного теплоносителя направляют в воздухоподогреватель и далее в атмосферу, а оставшаяся часть идет на всасывание вентилятора.

Недостатками данного изобретения являются высокие потери эксергии в печи, через камеры которой последовательно проходит весь объем греющих газов.

По совокупности общих признаков изобретение [Патент RU 2090810 C1, МКП F27B 1/10] принято за прототип.

Задачей заявленного изобретения является повышение показателей энергоэффективности радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья в двухкамерной печи путем снижения в ней суммарных потерь эксергии.

Поставленная задача решается путем разработки способа радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья, заключающегося в том, что нагнетаемый вентилятором воздух подогревают в рекуператоре, смешивают с топливом и направляют в камеру сгорания для образования греющих газов, которые двигаются последовательно через камеры радиации и конвекции противотоком по отношению к нагреваемому нефтяному сырью, отличающийся тем, что греющие газы подают в камеры печи последовательно-параллельно путем их разделения на две части, одну из которых подают непосредственно в камеру радиации, а другую часть – в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации.

Двухкамерная печь для осуществления радиационно-конвекционного способа нагрева нефтяного сырья, содержащая вентилятор, воздухоподогреватель, камеру сгорания топлива, газовод, теплообменные устройства, по которым противотоком по отношению к греющим газам движется нефтяное сырье, дымовую трубу, трубопроводы подачи нефтяного сырья и топлива, отличающаяся тем, что в обход камеры радиации подают часть общего расхода греющих газов или по газоводу, соединяющему выход из камеры сгорания со входом камеры конвекции, или по дополнительным трубопроводам через дополнительную камеру сгорания, расположенную на входе в камеру конвекции.

Пример 1. На фиг. 1 представлен способ радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья и двухкамерная печь для его осуществления путем подачи части общего расхода греющих газов в обход камеры радиации через газовод, соединяющий выход из камеры сгорания со входом камеры конвекции.

Поток воздуха a, нагнетаемый вентилятором 1 и подогретый в рекуператоре 2, подают совместно с потоком топлива б по трубопроводам в камеру сгорания 3, в которой образуются греющие газы. Нефтяное сырье в противотоком по отношению к греющим газам поступает в камеру конвекции печи 5. Часть потока греющих газов после камеры сгорания 3 подают в обход камеры радиации 4 по газоводу 6 на вход камеры конвекции 5, где они смешиваются с греющими газами, прошедшими камеру радиации 4. Греющие газы г на выходе из камеры конвекции 5 подают в рекуператор 2 для нагрева потока воздуха а, а затем выбрасывают отработавшие греющие газы д в атмосферу.

Пример 2. На фиг. 2 представлен способ радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья и двухкамерная печь для его осуществления путем подачи части общего расхода греющих газов в обход камеры радиации через дополнительные трубопроводы и дополнительную камеру камеры сгорания, размещенную на входе в камеру конвекции.

Часть общего потока воздуха а, нагнетаемого вентилятором 1 и подогретого в рекуператоре 2, подают совместно с частью общего расхода топлива б в камеру сгорания 3, в которой образуются греющие газы, которые затем подают в радиационную камеру печи 4. Нефтяное сырье в противотоком поступает в камеру конвекции печи 5. Другую часть топливно-воздушной смеси подают в дополнительную камеру сгорания 6, установленную на входе в камеру конвекции 5, для смешения с греющими газами на выходе из камеры радиации 4. Греющие газы на выходе из камеры конвекции г подают в рекуператор 2 для нагрева воздуха а, а затем отработавшие греющие газы д выбрасывают в атмосферу.

Пример 3. Оценку достигаемого эффекта повышения энергоэффективности радиационно-конвекционного способа нагрева нефтяного сырья за счет снижения суммарных потерь эксергии в двухкамерной печи проведем путем сравнения суммарных потерь эксергии при последовательном движении греющих газов через камеры печи, как в прототипе, и последовательно-параллельном, как в предлагаемом способе.

Все расходные показатели и режимы были взяты усредненно по данным эксплуатации промышленных двухкамерных печей радиационно-конвекционного типа.

Сырую нефть в количестве 60000 кг/ч с температурой 50°С подают по трубопроводу в камеру конвекции двухкамерной печи. В камеру сгорания печи подают мазут и подогретый в воздухоподогревателе нагнетаемый вентилятором воздух. В камере сгорания образуются греющие газы, которые двигаются противотоком по отношению к подаваемой нефти, последовательно проходя через камеры радиации и конвекции. Греющие газы на выходе из камеры конвекции подают в воздухоподогреватель и далее с температурой 165°С выбрасывают в атмосферу.

Сырая нефть обладает следующими свойствами: плотностью 31,9 API (864,24 кг/м³), вязкостью 0,007605 Па⋅с и теплопроводностью 0,0981 Вт/(м⋅К). Теплоемкость нефти равна 2,67 кДж/(кг⋅К).

Расходы мазута и воздуха, а также некоторые режимные параметры даны в табл. 1.

Таблица 1. Исходные данные по двухкамерной печи

Теоретическая температура
горения, К 1878,36 Давление, МПа 0,1045 Расход мазута, кг/ч 1693,9 Расход воздуха, кг/ч 27457,0

В табл. 2 представлены данные по камерам печи при последовательном движении греющих газов согласно прототипу.

Таблица 2. Параметры работы двухкамерной печи при последовательном движении греющих газов через камеры печи (прототип)

Камера радиации Камера конвекции Греющие газы Нефть Греющие газы Нефть G _дг, кг/ч 29150,90 G_нефти, кг/ч 60000 G _дг, кг/ч 29150,90 G _нефти, кг/ч 60000 T _дг1, К 1878,36 T _с2, К 393,60 T _дг2, К 1008,56 T _с1, К 323,00 T _дг2, К 1008,56 T _с3, К 604,66 T _дг3, К 715,30 T _с2, К 393,60 T _ср, К 1398,67 T _{нефть ср}, К 491,60 T _ср, К 853,55 T _{нефть ср}, К 357,14 Q, кВт 9318,3 Q, кВт 3141,7

Обозначения, принятые в табл. 2: G_дг, G_нефти – расходы греющих газов и нефти; Т_дг1, Т_дг2, Т_дг3, Т_с1, Т_с2, Т_с3 – температуры греющих газов и нефти на входе и выходе из камер печи соответственно.

Суммарные потери эксергии в двухкамерной печи складываются из потерь эксергии по камерам. В табл. 3 приведены сравнительные данные потерь эксергии при последовательном движении греющих газов через камеры печи, как в прототипе, и при последовательно-параллельном, как в предлагаемом способе, когда часть греющих газов подают в обход камеры радиации на вход камеры конвекции.

Таблица 3. Сравнительные данные суммарного баланса эксергии по двухкамерной печи

Прототип (последовательная подача греющих газов):
в камеру радиации подают – 100%;
в камеру конвекции подают – 100% Предлагаемый способ:
в камеру радиации подают – 73%;
в обход камеру радиации подают – 27%;
в камеру конвекции подают – 100% Потери эксергии в камере конвекции, МДж/ч 5186,07 Потери эксергии в камере конвекции, МДж/ч 5311,77 Потери эксергии в камере радиации, МДж/ч 15939,92 Потери эксергии в камере радиации, МДж/ч 14506,05 Суммарные потери эксергии, МДж/ч 21125,99 Суммарные потери эксергии, МДж/ч 19817,82

Как следует из данных табл. 3, подача 73% от общего расхода греющих газов непосредственно на вход камеры радиации, а 27% от общего расхода греющих газов – в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами на выходе из камеры радиации, приводит к снижению суммарных потерь эксергии в двухкамерной печи по сравнению с прототипом с 21125,99 МДж/ч до 19817,82 МДж/ч, что повышает энергоэффективность радиационно-конвекционного способа нагрева нефтяного сырья и двухкамерной печи для его осуществления.

Изобретение относится к областям нефтехимии и нефтепереработки и может быть использовано в процессах нагрева нефтяного сырья в установках первичной переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Двухкамерная печь содержит вентилятор, рекуператор, камеру сгорания топлива, газоход, камеры радиации и конвекции, по которым противотоком по отношению к греющим газам движется нефтяное сырье, дымовую трубу, трубопроводы подачи нефтяного сырья и топлива, при этом также содержит или газоход, соединяющий выход из камеры сгорания со входом камеры конвекции и выполненный с возможностью подачи 27% от общего расхода греющих газов в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации, или дополнительные трубопроводы и дополнительную камеру сгорания, расположенную на входе в камеру конвекции, и выполненные с возможностью подачи 27% от общего расхода греющих газов в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации. Способ включает подогрев нагнетаемого вентилятором воздуха в рекуператоре, смешение подогретого воздуха с топливом и направление в камеру сгорания для образования греющих газов для осуществления их последовательного движения через камеры радиации и конвекции противотоком по отношению к нагреваемому нефтяному сырью, при этом греющие газы подают в камеры печи последовательно-параллельно путем их разделения на две части: 73% от общего расхода греющих газов подают непосредственно в камеру радиации и 27% - в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации. Технический результат - повышение энергоэффективности радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья в двухкамерной печи. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Двухкамерная печь для радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья, содержащая вентилятор, рекуператор, камеру сгорания топлива, газоход, камеры радиации и конвекции, по которым противотоком по отношению к греющим газам движется нефтяное сырье, дымовую трубу, трубопроводы подачи нефтяного сырья и топлива, отличающаяся тем, что содержит или газоход, соединяющий выход из камеры сгорания со входом камеры конвекции и выполненный с возможностью подачи 27% от общего расхода греющих газов в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации, или дополнительные трубопроводы и дополнительную камеру сгорания, расположенную на входе в камеру конвекции, и выполненные с возможностью подачи 27% от общего расхода греющих газов в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации.

2. Способ радиационно-конвекционного нагрева нефтяного сырья посредством печи по п. 1, включающий подогрев нагнетаемого вентилятором воздуха в рекуператоре, смешение подогретого воздуха с топливом и направление в камеру сгорания для образования греющих газов для осуществления их последовательного движения через камеры радиации и конвекции противотоком по отношению к нагреваемому нефтяному сырью, отличающийся тем, что греющие газы подают в камеры печи последовательно-параллельно путем их разделения на две части: 73% от общего расхода греющих газов подают непосредственно в камеру радиации и 27% - в обход камеры радиации на вход камеры конвекции для смешения с греющими газами, прошедшими камеру радиации.