Введение к работе
Актуальность работы. Ведущая роль в сырьевой базе нефтехимии принадлежит низшим олефинам, на основе которых производится около 70% нефтехимических продуктов и с производством которых связано бурное развитие нефтехимических комплексов и научно-технический прогресс. При имеющимся многообразии предлагаемых способов пиролитического превращения предельных углеводородов в непредельные, наибольшее распространение в мировой практике получил процесс термического пиролиза сырья с водяным паром в змеевике-реакторе трубчатых печей.
Трубчатые печи (ТП) являются головным оборудованием установок пиролиза, от их эффективной работы во многом зависят производительность современных технологических установок, качество выпускаемой продукции, эффективность использования сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов.
Одной из основных систем печного агрегата является система сжигания топлива (ССТ), правильность выбора которой в значительной мере определяет соблюдение технологии, удобство эксплуатации, безопасность, экономичность его работы и сохранение чистоты воздушного бассейна. Основным элементом системы сжигания являются горелочные устройства (ГУ).
В отечественной и зарубежной практике проектирования узкокамерные ТП с излучающими стенами топки технологических установок пиролиза традиционно оснащаются ССТ, основанной на использовании маломощных инжекционных ГУ универсального применения. Опыт эксплуатации печей с такими горелками показал, что они ненадёжны в работе, сложны в управлении и ремонте, ресурс их эффективной эксплуатации невысок.
Выбор числа и схемы расположения горелок на стенах топки предоставляется проектанту печей и носит в большинстве своём субъективный характер, так как расчётные рекомендации разработчиков горелок, как правило, отсутствуют. Для получения равномерного поля температур по кладке, а в ТП с многопоточными змеевиками это является основной задачей, часто прибегают к установке большого числа горелок малой тепловой мощности. В связи с этим одновременно возникают затруднения с размещением горелок и подводящих трубопроводов, усложняется и удорожается их монтаж, эксплуатация и ремонт. Трудности технического обслуживания ССТ, состоящей из сотен инжекционных горелок, вызывают справедливые нарекания эксплуатационников.
В целях совершенствования проектируемых и модернизации существующих трубчатых печей пиролиза (ТИП) необходима дальнейшая разработка и внедре-
ниє новых эффективных и надёжных ССТ, включая разработку конструкций ГУ, максимально удовлетворяющих целому ряду требований, предъявляемым к ним как инструменту обеспечения теплового режима процесса пиролиза в ТП. Такие разработки с проведением комплексных исследований новых ГУ и определением не только их режимных характеристик, но и характеристик факела, позволяющих разрабатывать эффективные ССТ для высокотемпературных ТІ ill, оптимизировать количество и расположение ГУ на излучающих стенах топки, являются весьма актуальными.
Цель работы - создание, разработка и освоение эффективных систем настильного сжигания топлива для существующих и вновь проектируемых печных агрегатов пиролиза углеводородного сырья на основе принципиально новых вихревых плоскопламенных ГУ типа АГГ. В соответствии с целью в работе были поставлены и решены следующие задачи:
выполнить анализ работы существующих конструкций ТИП и ГУ, применяемых в ССТ. На основе выявленных недостатков сформулировать пути повышения эффективности ССТ и выбрать наиболее перспективные направления реализации способа настильного сжигания топливного газа в ТІ ill;
разработать конструкцию газовой горелки на новой теоретической основе с высокой эффективностью и надёжностью в работе;
разработать типоразмерный ряд газовых горелок АГГ для ТПП;
провести стендовые испытания новых конструкций газовых горелок типа АГГ с отработкой их оптимального конструктивного устройства и получением их технических характеристик;
аналитически и экспериментально определить размеры и конфигурацию турбулентного диффузионного веерного настильного факела при сжигании газов в горелках типа АГГ в широком диапазоне изменения условий его формирования и на основе полученных данных усовершенствовать методику расчета длины веерного турбулентного диффузионного факела.
разработать методику рационального размещения горелок на излучающих стенах топочной камеры;
разработать новые эффективные ССТ для ТП типовых установок пиролиза с учетом их конструктивных и технологических особенностей;
провести комплекс теплотехнических испытаний реконструированных ТИП типовых установок пиролиза с целью проверки теоретических расчётов и проектно-конструкторских решений и подтверждения эффективности внедрения результатов диссертационной работы в промышленности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан новый принцип сжигания топливного газа и его конструктивная реализация в вихревых плоскопламенных горелках типа АГГ, защищенные патентами РФ;
исследована аэродинамика проточной части горелок типа АГГ и определена неравномерность потока газовоздушной смеси по диаметру камеры смешения и на срезе сопла;
экспериментально определены оптимальные соотношения основных конструктивных элементов горелок типа АГГ, соответствующие максимальным значениям коэффициентов инжекции в первичной и вторичной камер смешения топливного газа с воздухом;
экспериментально определены коэффициенты расхода газа горелок типа АГГ;
разработана аэродинамическая модель веерного настильного факела горелок типа АГГ. Получены новые экспериментальные данные по кинетике выгорания топлива по радиусу веерного факела, аналитически и экспериментально определена длина факела горелки типа АГГ;
разработана методика рационального размещения горелок типа АГГ на излучающей поверхности стен топки печи;
проведены теплотехнические испытания реконструированных печей, получены данные по выгоранию топлива, распределению температур по поверхности кладки печей и пирозмеевикам.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований с анализом литературных, фондовых и патентно-информационных источников, теоретического обобщения результатов исследований и статистической обработкой полученной информации. Исследования проводились на исследовательских стендах кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО СамГТУ, огневом стенде Опытного завода ВНИИОС и на промышленных установках пиролиза ЭП-60, Э-100, Э-200, ЭП-300 и ЭП-450.
Практическая значимость работы:
Разработка ГУ с применением новых принципов сжигания топливного газа позволяет повысить надежность и эффективность работы ТИП. Разработка типо-размерного ряда горелок типа АГГ позволяет компоновать ССТ для различных размеров излучающих поверхностей топки и производительности печей. Расчет размеров веерного диффузионного настильного факела горелок АГГ по полученной формуле и разработка методики рационального размещения ГУ на излучающих стенах топки печи позволяет минимальным числом горелок добиться равномерности нагрева излучающей и экранной поверхностей печи. На основании
проведенных исследований разработаны новые ССТ для типовых установок пиролиза.
Практическая реализация. Результаты работы использованы ведущими проектными организациями ОАО «ВНИПИНефть», ЗАО «Технефтехим» при проектировании ССТ в ТПП на следующих предприятиях: ЗАО «Нефтехимия» г. Новокуйбышевск, ОАО «Казаньоргсинтез» и др.
С использованием горелок АГГ проведена модернизация ССТ более чем в 110 печных агрегатах этиленовых производств.
За комплекс работ «Разработка и реализация новой топливной системы для печных агрегатов нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, обеспечивающей рациональное расходование топливно-энергетических, материальных трудовых и сырьевых ресурсов и охрану окружающей среды» автору диссертации присуждена премия Совета Министров СССР.
Акты внедрения результатов диссертационной работы представлены в приложениях к диссертации.
Личный вклад соискателя. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в данной работе, проведены непосредственно автором при участии сотрудников кафедры «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО СамГТУ. Результаты исследований опубликованы в соавторстве с ними. Обработка данных экспериментов выполнена автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты работы неоднократно докладывались, обсуждались и получили одобрение на отраслевых совещаниях по пиролизу, а также на Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в химической технологии - 2000»; 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии»; 5-ой Международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки»; 1-ой, 2-ой, 3-ей и 5-ой Международных научно-практических конференциях «Ашировские чтения»; Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения»; Международной научно-практической конференции «Передовые технологии и перспективы развития ОАО Казаньнефтеоргсинтез».
На защиту выносятся:
конструкция вихревой плоскопламенной газовой горелки типа АГГ для печей пиролиза, разработанной на новых принципах сжигания топливного газа;
аэродинамическая модель факела газовой горелки типа АГГ;
результаты моделирования определяющих размеров горелки;
-результаты экспериментального исследования характеристик горелок типа АГГ;
- формулы для расчёта размеров факела в топке печи с горелками типа АГГ;
технические решения и конструкции горелок типа АГГ, позволяющие сжигать газовое топливо широкого фракционного состава с высокой эффективностью;
методика рационального размещения новых ГУ на излучающих стенах топки;
новые ССТ для ТПП типовых установок пиролиза углеводородного сырья с применением разработанных горелок типа АГГ;
результаты теплотехнических испытаний ТП с новой ССТ;
результаты внедрения новых ГУ типа АГГ в печах установок пиролиза, с экспериментальным обоснованием технических достоинств новых ССТ в сравнении с традиционным отоплением ТІ ill.
Публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе нашли отражение в 24 опубликованных печатных работах, в том числе 5 в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 3 авторских свидетельствах СССР и 4 патентах РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 26 таблиц и 5 приложений, библиография включает 94 источника.
