CC BY
62
УДК 662.6
М. А. Таймаров, И. З. Багаутдинов, Т. О. Степанова
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПРЯМОГОННОГО БЕНЗИНА В ПИРОЛИЗНЫХ ПЕЧАХ С ПОМОЩЬЮ АКУСТИЧЕСКИХ ГОРЕЛОК
Ключевые слова: обмуровки тепловых потоков, водяной пар, пирогаз.
В данной статье отражены результаты экспериментов по повышению эффективности работы пиролизных печей при нагреве и разложении прямогонного бензина с применением плоскофакельных акустических горелок АГГ-2М на заводе «Этилен» ОАО «Нижнекамскнефтехим».
Keywords: thermal flows walling, the water vapor, pyrohaz.
This article presents the results of experiments to improve the efficiency of the pyrolysis furnace during the heating and expansion of straight-run gasoline with ploskofakelnyh acoustic burners AGG-2M at the "Ethylene" of "Nizhnekamskneftekhim ".
Введение
Эксперименты проведены на печах Е-ВА (заводские №№103-109) при сжигании Уренгойского газа с низшей теплотой сгорания 8060 ккал/м3. В экспериментах измерялись падающие от внутренней обмуровки тепловые потоки при использовании на печах горелок АГГ-2М и Джон Цинк. Распределение по высоте топок падающих от внутренней обмуровки на радиантные трубы тепловых потоков определяет интенсивность протекании процессов пиролиза бензина [1-6].
Описание объекта исследования
Печи пиролиза бензина Е-ВА (103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) имеют одинаковую конструкцию и предназначены для термического разложения пря-могонного бензина или смеси прямогонного бензина с гексановой и бутановой фракцией с целью получения пиролизного газа. Печи пиролиза бензина Е-ВА-103-109 . представляют собой вертикальные трубчатые печные агрегаты конструкции фирмы "Луммус" и состоят из следующих узлов:
а) корпуса,
б) кожуха,
в) радиантной секции,
г) конвекционной секции,
д) горелок,
е) дымовой трубы.
Корпус печи сооружен из металлоконструкции различного профиля, обеспечивающего прочность установленного на нем оборудования, изоляции, трубопроводной обвязки и гарнитуры и имеет следующие наружные размеры: ширина - 16110 мм, длина - 11190 мм, высота - 23600 мм.
Кожух печи заключен в каркас и выполнен из листовой углеродистой стали толщиной 4,5 - 6 мм в виде двух сообщающихся между собой прямоугольных коробов, расположенных один под другим и смещенными относительно друг друга по вертикали. Горелки фирмы "Джон Цинк" типа LUM -4R предназначены для сжигания топливного газа и установлены на печах поз. Е-ВА-106-109:
Количество горелок на пе- шт чи,
Давление топливного газа кгс/см2 перед горелками Производительность одной горелки при:
-нормальной расчетной нагрузке Гкал/час
-максимальной расчетной нагрузке Гкал/час
-минимальной расчетной нагрузке Гкал/час
шт.
кгс/см
Печи пиролиза поз. Е-ВА-103, Е-ВА-105 оснащены акустическими горелками 2М:
Количество горелок на печи, Давление топливного газа перед
горелками
Производительность одной горелки при:
-нормальной расчетной нагрузке
-максимальной расчетной нагрузке
-минимальной расчетной нагрузке
Расход топливного газа, Коэффициент избытка воздуха
170.
0,8 -1,3.
0,210
0,263,
0,105. 104, Е-ВА-типа АГГ-
32.
0,7 - 1,5
МВт
МВт
МВт м3/час
1,32,
1,23,
0,24. 50 -150 1,05-1,08
Процесс термического разложения углеводородов (пиролиз) состоит из многих элементарных реакций, которые протекают одновременно и последовательно, и его условно можно разделить на две последовательные стадии.
На первой стадии протекают первичные реакции термического расщепления парафинов и циклопа-рафинов с образованием олефинов, диолефинов и парафинов с меньшим, чем у исходных углеводородов или равным числом атомов углерода, а также водорода.
На второй стадии образовавшиеся олефины (непредельные углеводороды) и диолефины подвергаются реакциям дегидрирования, дальнейшего расщепления и конденсации с образованием цикличе-
ских ненасыщенных и ароматических углеводородов.
Пиролизный газ, выходящий из печей пиролиза бензина представляет собой сложную смесь углеводородов, начиная от водорода (Н2), метана (СН4), этилена (С2Н4), пропилена (С3Н6), фракций С4, С5, С6 и кончая углеводородами С16Н28 (тяжелая смола пиролиза).
Основным компонентом жидких продуктов пиролиза являются ароматические и алкилароматиче-ские углеводороды. Ароматические углеводороды образуются на поздней стадии термического разложения, когда в зоне реакции имеются в достаточной концентрации низшие олефины - этилен и пропилен.
Ароматические соединения образуются обычно в процессе пиролиза через радикалы С2Н3, которые в свою очередь являются результатом взаимодействия этилена Н2С=СН2 и бутадиена-1.3. Н2С=СН-СН=СН2
Кокс в пиролизных змеевиках может образовываться путем конденсации и дегидроконденсации олефинов и ароматических углеводородов, получившихся на первичных стадиях реакции, либо в результате разложения исходных углеводородов непосредственно на углерод и водород.
К числу основных параметров, в наибольшей степени влияющих на процесс пиролиза относится температура, время пребывания сырья в печи, парциальное давление углеводородов.
Основным показателем процесса пиролиза являются жесткость процесса и этот показатель определяется уровнем температуры переработки сырья и временем пребывания его в области высоких температур, в которой осуществляется реакция. За меру жесткости (интенсивности) процесса принимается отношение выхода метана к выходу пропилена или же отношение выходов пропилена к этилену, которые снижаются по мере увеличения жесткости.
Важнейшим, определяющим фактором процесса пиролиза определяющей степень разложения исходного сырья является температура на выходе ради-антного змеевика. С увеличением температуры в результате первичной реакции увеличиваются выходы низших олефинов и водорода. Другим важнейшим показателем процесса пиролиза являются селективность процесса, которая определяет количество выхода целевого продукта (этилена в данном случае) к количеству побочных продуктов.
Повышению селективности пиролиза способствует подавление вторичных реакций разложения целевых продуктов - олефинов при достаточной степени осуществления первичных реакций. Для этого требуется уменьшить время пребывания сырья в зоне реакции и понизить парциальное давление углеводородов.
Парциальное давление углеводородной части смеси определяются суммарным давлением в змеевике углеводородной смеси и пара разбавления.
С увеличением разбавления сырья паром (снижением парциального давления углеводородов) возрастают выходы этилена, бутадиена-1,3 и бутанов, ацетилена. Но снижаются выходы ароматических углеводородов и метана, следовательно селектив-
ность повышается. Также с увеличением разбавления углеводородов водяным паром снижается кок-сообразование в змеевиках.
Сырьем для печей пиролиза поз. Е-ВА-103^109 является прямогонный бензин с возможным подмешиванием к нему 5-8 % гексановой фракции и бута-новой фракции. Процесс пиролиза бензина на печах протекает при температуре на выходе из печи 830^850 оС и разбавлении паром до 0,5- 0,55 от расхода сырья.
Выход этилена с бензиновых печей поз. Е-ВА-103^109, работающих при нагрузке по сырью 17,5 ^18,5 т/час и температуре пиролиза 845 оС, составляет 25,5 -^26,0 % (весовых), пропилена 15,5-16,2 % (весовых).
Время пребывания сырья в радиационной секции печи для таких змеевиков - 0,5 - 0,6 сек. Горелки на печах пиролиза расположены с обеих сторон ради-антной камеры печи.
Топливный газ на печи пиролиза поз. Е-ВА-103 -109 поступает из емкости через коллектор топливного газа и далее через клапаны, регулирующие температуру на выходе из радиантных змеевиков печи.
С целью удаления образовавшегося кокса в ра-диантных змеевиках периодически 1 раз в 30 - 50 дней производится выжиг кокса.
Методика исследования, оборудование и результаты экспериментов
Методика и оборудование, использованные в экспериментах, описаны в работах [5-8]. Погрешность экспериментов оценивается величиной +4,3 % . Измерения падающих потоков проводились с помощью радиометра при параллельном измерении температуры пирометром MINOLTA LAND. На рис. 1 приведено распределение по высоте падающих от внутренней обмуровки тепловых потоков для печей Е-ВА (103, 104,105).
Ь,м 12
ОН
200 300 +00 кВт/м2
Рис. 1 - Распределение падающих от внутренней обмуровки тепловых потоков ^пад. обм, кВт/м2) по высоте (И, м) печей Е-ВА (103, 104,105) при испытаниях (горелки АГГ-2М по 32 шт. на одной печи)
Как видно из рис. 1, наиболее высокие значения падающих потоков qпад. обм при одной и той же высоте топки h имеются внутри топочного пространства печи Е-ВА-104. Это означает, что процесс на-
грева продукта в пирозмеевиках печи Е-ВА-104 протекает интенсивнее. На рис. 2 приведено распределение падающих от внутренней обмуровки на радиантные змеевики тепловых потоков обм,
кВт/м2) по высоте (И, м) печей Е-ВА (106-109) при испытаниях (горелки Джон Цинк по 170 шт. на одной печи).
100 200 300 qgjH.gg^KBT,^
Рис. 2 - Распределение падающих от внутренней обмуровки тепловых потоков ^пад. обм, кВт/м2) по высоте (h, м) печей Е-ВА (106-109) при испытаниях (горелки Джон Цинк по 170 шт. на одной печи)
Как следует из рис. 2, результирующие кривые имеют характерную особенность - более низкие значение падающих потоков от обмуровки при одной и той же высоте топки в сравнении с данными для падающих потоков в печах Е-ВА-103-105. Результирующие кривые в печах Е-ВА-103-105 для равных высот смещены в сторону увеличения значений падающих потоков от обмуровки в среднем на Д q^. обм =30 кВт/м2 по сравнению со значениями Чпад. обм для печей Е-ВА (106-109). Это связано с применяемым типом горелок АГГ-2М на печах Е-ВА-103-105.
Печи пиролиза Е-ВА-103^109 относятся к числу печей высокотемпературного пиролиза (820-855 0С) с коротким временем пребывания сырья в змеевиках равным 0,3-0,4 сек. В связи с этим и обозначен тип печей пиролиза Е-ВА-103^109 как SR-Т (" Start Rеsеdеns Тте") - что в переводе означает «короткое время пребывания» и НС ("High Capacity") -высокая производительность по сырью. В этой связи интенсификация радиационного теплообмена между внутренней обмуровкой печей и радиантными змеевиками является первоочередной задачей. Как показали результаты экспериментов для этой цели более эффективны горелки АГГ-2М.
В радиантных змеевиках пиролизных печей собственно и происходит процесс термического разложения сырья - прямогонного бензина в присутствии водяного пара разбавления при температуре 835^850 оС , первая стадия которого начинается в нижней части радиантных труб при 600^604 оС. На рис. 3 приведены средние значения падающих потоков в зависимости от печей в сравнении с требуемой по регламенту температурой пирогаза в ради-антных змеевиках по высоте топок h.
600 700 800 !„, "С
Температура щ^дщ^внутри В&ШЩШШ.ТРУ^
Рис. 3 - Распределение результирующих значений падающих от внутренней обмуровки тепловых потоков ^пад. обм, кВт/м2) и регламентной температуры пирогаза 1п ( °С ) внутри радиантных по высоте (И, м) печей Е-ВА (103109) при испытаниях
Из рис. 3 видно, что дальнейшим направлением интенсификации в получении качественного продукта пиролиза в радиантных змеевиках является увеличение падающих тепловых потоков в нижней части печей по высоте до 5 м. Это можно осуществить применением горелок с большей тепловой мощностью для нижней части печей. Пережог металла труб при этом наблюдаться не будет, так как температура пирогаза в нижней части относительно не высока.
В технологии управления процессом пиролиза предусмотрено что, если температура газа на выходе одного из змеевиков печи занижена относительно задания по регулятору Т1С-103-109 и клапан по подаче топливного газа на обогрев этого змеевика открыт чрезмерно в сравнении с соседними клапанами, то регулирующая система снимает до 5 % расхода сырья, перебрасывая его на другие змеевики, где имеется запас по обогреву. На змеевике, где снято 5 % от среднего расхода сырья, температура на выходе змеевика поднимается, обеспечивается и прикрытие клапана по подаче топливного газа на обогрев этого потока. Это дает гарантию того что, пережога металла радиантных змеевиков в нижней части печей не может возникнуть.
В условиях непрерывности технологического процесса, когда длительное выведение из эксплуатации печей невозможно, другой альтернативой является увеличение количества расхода сжигаемого в горелках нижних ярусов топливного газа. Поэтому необходимо произвести перенастройку подачи топливного газа на горелки 1-го и 2-го ярусов, считая от пода печей до высоты И=6 м включительно, увеличив на них подачу топливного газа в среднем на 5 %.
Выводы
1.Применяемые на пиролизных печах горелки АГГ-2М, по сравнению с горелками Джон Цинк, позволяют увеличить падающий от внутренней обмуровки на радиантные змеевики тепловой поток при номинальных режимных параметрах сжигания топливного газа.
2.Для интенсификации процесса получения пиро-лизного газа необходимо увеличить падающий от внутренней обмуровки на радиантные змеевики тепловой поток в нижней части печей до высоты 6 м. При этом возможны 2 варианта. При капитальном ремонте - установить новые более мощные горелки на первый и второй ярус. В условиях текущей эксплуатации необходимо увеличить подачу топливного газа на горелки 1-го и 2-го ярусов на 5 % при соблюдении номинальных режимных параметров сжигания газа.
Литература
1. Д.М Хзмалян., Я.А Каган. Теория горения и топочные
устройства. М. Энергия, 1976. 488 с. 2.ОСТ108.836.05-82. Горелки газомазутные и амбразуры стационарных паровых котлов. Конструкция и размеры. Методы расчета и проектирования.
3. М.А. Таймаров Горелочные устройства. Казань: КГЭУ, 2009 г. 147 с.
4. М.А. Таймаров. Плоскофакельная горелка для сжигания газа. Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2012. -Т.15, № 16, с.146-147.
5. М.А. Таймаров. Практические занятия на ТЭЦ. Учебное пособие. Казань: КГЭУ. 2003.
6. М.А. Таймаров. Современные проблемы энергомашиностроения. Учебное пособие. Казань: КГЭУ. 2004.
7. Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, З.Г. Саттарова. Технологическая схема газификации жидкого продукта контактного пиролиза. Вестн. Казан. технол. ун-та. 2013, Т. 16, №19, с.139-141.
8. В. И. Трембовля и др. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия, 1977. 297 с.
9. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Хайруллина Э.Р., Гайнулли-на А. А., Степанова Т.О. Современные строительные материалы на основе древесных отходов. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -Т. 17. №20. - С. 123-128.
10. Сафин Р.Г., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А.А., Степанова Т.О., Хабибуллина А.Р. Разработка композиционных материалов на основе древесных отходов. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №6. - С. 3237.
11. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А. А., Степанова Т.О. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов на основе древесных отходов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №6. - С. 139142.
12. Степанова Т.О., Мусин Х.Г., Хабибуллин И.Г. Тепло-влажностная обработка древесно-композиционных материалов. // Актуальные проблемы сушки и термовлаж-ностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, посвященных 105-летию академика А.В. Лыкова. Москва, 2015. С. 324-326.
13. Сафин Р.Г., Зиатдинова Д.Ф., Сафина А.В., Степанова Т.О., Крайнов А.А. Современные направления переработки лесных ресурсов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №15. - С. 144-148.
14. Сафин Р.Г., Галиев И.М., Степанова Т.О., Разработка террасных досок и плит из древесины-полимерных композиционных материалов / Деревообрабатывающая промышленность. 2015, в.3, с.56-60.
© М. А. Таймаров - д-р техн наук, профессор каф. ПДМ КНИТУ, [email protected]; И. З. Багаутдинов - магистрант каф. КУПГ, КГЭУ, мл. науч. сотр. отдела гос. бюджетных НИР «КГЭУ», [email protected]; Т. О. Степанова - магистрант каф. ПДМ КНИТУ, [email protected] .
© M. A. Taymarov - Doctor of Engineering, professor of chair of processing of wood materials, KNRTU, [email protected]; I Z. Bagautdinov - graduate student of the department BPSG, KSPEU; Junior Researcher at the department of state scientific research, KSPEU, [email protected]; ^ О. Stepanova - undergraduate of chair of processing of wood materials, KNRTU, [email protected].
