Analysis of existing and development of modernized structures GP type burners with low nitrogen oxide emissions for tubular refinery furnaces

Full Text

Введение В нашей стране Росприроднадзором осуществляется на деле Федеральный проект «Чистый воздух», согласно которому ключевой задачей является снижение общего объема вредных выбросов в атмосферный воздух к 2026 г. более чем на 20 %. Достичь такого результата возможно за счет модернизации действующих производств, в том числе нефтеперерабатывающих и создания принципиально новых конструкций топливосжигающих, устройств на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), эксплуатируемых в составе трубчатых технологических печей и обладающих низким выбросом загрязняющих веществ, прежде всего оксидов азота (NOx). В этой связи следует отметить, что NOx считаются наиболее экологически опасными веществом, образующимися при горении газа и мазута в нефтезаводских печах [1-4]. Это подтверждается тем, что, по данным [3], при обеспечении полноты горения топлива токсичность продуктов сгорания природного газа определяется на 90-95% содержанием в них NOx, а при сжигании мазута выбросы NOx гораздо выше, что объясняется более высокой максимальной температурой факела, чем при горении газа. В связи с этим вектор усилий исследователей-экологов, на наш взгляд, должен быть направлен на разработку технических решений, снижающих вредные выбросы NOx. Экологотехнические требования, предъявляемые к горелочным устройствам Проблема снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с продуктами сгорания топлива наиболее тесно связана с созданием новых горелочных устройств (ГУ), обеспечивающих минимальный выброс NOx. На отечественных НПЗ эксплуатируется более 1500 технологических трубчатых печей, на которых работают десятки тысяч различных конструкций ГУ. В связи с этим необходимо, чтобы горелки при эксплуатации обеспечивали бы полное и экологичное сжигание топлива, т.е. без химического недожога топлива и с минимальным выбросом NOx. По данным [1; 2], на печах работают ГУ следующих типов и классов: кинетические ГУ с полным предварительным смешением топлива и воздуха (типов ГИК, ГЭВК, ГГМ и др.), ГУ диффузионного принципа сжигания топлива (горелки типа ГП и др.) и многосопловые плоскофакельные ГУ (типа ФП и др.), работающие по диффузионно-кинетическому принципу горения. При этом, по данным обследования парка ГУ Хабаровского НПЗ около 75-80 % всех ГУ приходится на диффузионные горелки, а остальные 20-25 % составляют ГУ кинетического и смешанного принципов горения [4]. Модернизация действующих и разработка новых конструкций ГУ для нефтезаводских печей - одна из актуальных и сложных задач. На протяжении многих лет выпускаемые для печных агрегатов горелки являлись универсальными и использовались в трубчатых печах различных типов без учета специфических особенностей конструкций печей, а также параметров и условий работы. К конструированию и применению на НПЗ горелок, работающих на газообразном и жидком топливе, предъявляются следующие эколого-технические требования [1; 2]: - обеспечение равномерного, стабильного распределения теплоты по зо-нам печи и заданного температурного профиля; - обеспечение полноты сжигания топлива при малых избытках воздуха; - возможность включения в систему автоматического управления теп-ловым процессом печи; - организация такого метода сжигания, при котором обеспечивалось бы соответствие габаритных и теплообменых параметров факела размерам топки, относительному расположению экранных поверхностей во избежание прямого контакта пламени с поверхностью труб и недопущения их опасного прогара; - простота изготовления, монтажа на печи и возможность ремонта без остановки печи; - обеспечение экологических показателей сжигания топлива с целью сохранения чистоты окружающей среды и предотвращения загрязнения атмосферы вредными выбросами с продуктами сгорания. Отметим, что последнее требование, предъявляемое к ГУ, является приоритетным вследствие отсутствия каких-либо руководящих документов и нормативных указаний по проектированию малотоксичных горелок и их подбору для нефтезаводских печей. Следует отметить, что применяемые на предприятиях отрасли горелки неполностью удовлетворяют перечисленным требованиям. Необходимы критический анализ эколого-технического уровня эксплуатации парка горелок на НПЗ и разработка их усовершенствованных конструкций, отвечающих современным экологическим требованиям. Анализ технического состояния и условий работы горелок различных типов и разработка новых ГУ типа ГП Авторами данной работы было проведено обследование технического состояния и условий эксплуатации парка ГУ на Хабаровском НПЗ. Одной из особенностей технологий сжигания газообразного и жидкого топлива в трубчатых печах является возможность одновременного сжигания газа и мазута в некоторых конструкциях ГУ. Однако для большинства комбинированных горелок конструкции ВНИИнефтемаша типов ГП, ГИК, ГЭВК и др. эти возможности весьма ограниченны. При эксплуатации горелок типа ГЭВК, спроектированных для оснащения трубчатых печей большой единичной мощности, наблюдается попадание капель мазута в газовые сопла, в результате чего закоксовываются отверстия и нарушается одновременное совместное сжигание газа и мазута. Причиной этого является неудачное расположение газовой части горелки в одной камере с жидкостной форсункой. Подобный конструктивный недостаток присущ инжекционным горелкам типа ГИК, эксплуатируемым на НПЗ. Здесь также основной причиной нарушения нормальной работы ГУ является близкое расположение зон воспламенения газа и мазута, когда выходящие струи газообразного топлива деформируют поток распыленного жидкого топлива, в результате чего ухудшаются условия для распыления капель мазута и перемешивания его паров с воздухом. Кроме того, опыт эксплуатации горелок типа ГП с жидкостной форсункой, предназначенной для вертикальной и горизонтальной установки на печах, показывает, что при наклонном расположении форсунки с поступлением в нее жидкого топлива в смесителе происходит расслоение фаз и пульсационный выброс нераспыленного мазута, что затрудняет их нормальную работу. В связи с этим необходима модернизация действующих горелок и разработка их новых конструкций с точки зрения безопасности и экологичности работы. Авторами запатентовано новое ГУ типа ГП[9], применение которого позволяет повысить эффективность совместного сжигания газа и мазута в одном корпусе горелки. С этой целью предложено распылительную часть мазутной форсунки горизонтально сдвинуть и расположить в амбразуре горелки. Это обусловлено тем, что при совместном сжигании в горелке мазута и газа газ через патрубок поступает в коллектор и, распределяясь по газораздающим отверстиям, расположенным в смесительной камере, истекает в виде поперечных струй в высокоскоростной поток воздуха, а распылительная часть форсунки располагается в амбразуре горелки, тем самым исключая близость расположения распылительной части форсунки от газораздающих отверстий. Однако, по данным исследований [4], существенным недостатком данного ГУ является повышенный выброс NOx при горении газа и мазута вследствие расположения распылительной части мазутной форсунки у основания амбразуры. Известно, что выход термических оксидов азота при сжигании топлива определяется максимальной температурой факела. В образуемом ядре факела при сжигании мазута наблюдается наиболее высокая температура, что и приводит к повышенному выбросу NOx. В связи с этим авторами была разработана принципиально новая малотоксичная горелка ГП, в которой для снижения выхода NOx предусмотрена подача пара через трубу с распылителем, установленную в специальном канале у основания амбразуры ГУ (см. рис. 1). Газомазутная горелка содержит корпус 1 с патрубком для подачи воздуха 2, соединенный с амбразурой горелки 3, установленной в отверстие печи, смесительную камеру 4, трубу с патрубком 5 для подачи воздуха при работе горелки на мазуте, расположенную на оси корпуса 1, вставку 6, закрепленную на наружной поверхности трубы 5 с возможностью поворота и предназначенную для образования пережима на воздушном тракте, периферийный кольцевой коллектор 7 с патрубком 8 и газораздающими отверстиями 9, расположенными в зоне пережима воздушного тракта, мазутную форсунку 10, установленную внутри трубы 5, распылительная часть форсунки 10 расположена в амбразуре 3 горелки у ее основания. В амбразуре 3 горелки дополнительно проделан специальный канал 11, в котором установлена труба 12 с распылителем 13 подачи пара в высокотемпературную зону горения газа и мазута, что приводит к снижению на 10-15 % выбросов NOx. На предлагаемую конструкцию ГУ авторами получен патент на полезную модель[10]. Существенным недостатком газомазутной горелки, описанной выше, на взгляд авторов, является неполнота сгорания газа, объясняемая неравномерностью распределения воздушного потока в смесительной камере и неоднородностью перемешивания газовоздушной смеси. В связи с этим авторы поставили задачу создать такую конструкцию горелки типа ГП, которая позволила бы снизить не только выбросы NOx, но и продуктов неполного горения топлива. Рис. 1. Схема новой газомазутной горелки типа ГП с подачей пара в зону горения (Патент №187171) Источник: составлено авторами / Figure 1. Diagram of a new gasoil burner of the GP type with steam supply to the combustion zone (Patent No. 187171) Gorenje Source: compiled by the authors. Разработка модернизированной конструкции горелки типа ГП с разделителем воздушного потока Для решения поставленной задачи в известной газомазутной горелке дополнительно оборудуется разделитель воздушного потока с овальными отверстиями, установленный в смесительной камере и снабженный соплами для впрыска сжатого воздуха периодического действия. Благодаря указанным конструктивным изменениям в ГУ повышается его экологическая эффективность. Разделитель воздушного потока имеет изогнутую форму, которая способствует увеличению интенсивности воздушного потока вдоль поверхности разделителя, что позволяет равномерно распределять поток воздуха в смесительной камере. Разделитель воздушного потока дополнительно оснащен овальными отверстиями, которые выполняют функцию разделителя воздушного потока по этажам смесительной камеры, а сопла для впрыска сжатого воздуха, установленные в смесительной камере под углом α = 20-30°, интенсифицируют процессы перемешивания. Новая конструкция горелки ГП показана на рис. 2-4. При этом на рис. 2 и 3 показаны разрезы (фронтальный и профильный) горелки. На рис. 4 горизонтальный разрез ГУ. Рис. 2. Фронтальный разрез ГУ новой конструкции типа ГП (Патент 208146) Источник: составлено авторами. Figure 2. The frontal section of the GU of the new GP type design (Patent 208146) Source: compiled by the authors. Из рис. 2-4 видно, что новая газомазутная горелка содержит корпус 1 с патрубком для подачи воздуха 2, соединенный с амбразурой 3 горелки, установленной в отверстие печи, смесительную камеру 4, разделитель воздушного потока 14, овальные отверстия 16, сопла для впрыска сжатого воздуха 15, трубу 5 с патрубком для подачи воздуха при работе горелки на мазуте, расположенную на оси корпуса 1, вставку 6 (причем вставка выполнена гофрированной с образованием выступов), закрепленную на наружной поверхности трубы 5 с возможностью поворота и предназначенную для образования пережима на воздушном тракте, периферийный кольцевой коллектор 7 с патрубком 8 и газораздающими отверстиями 9, расположенными в зоне пережима воздушного тракта, мазутную форсунку 10, установленную внутри трубы 5, распылительная часть форсунки 10 расположена в амбразуре 3 горелки у ее основания. В амбразуре 3 горелки дополнительно проделан канал 11, в котором установлена труба 12 с распылителем 13 впрыска пара зону горения газа и мазута. Рис. 3. Профильный разрез ГУ новой конструкции типа ГП Источник: составлено авторами. Figure 3. Profile section of the GU of a new design of the GP type Source: compiled by the authors. Рис. 4. Горизонтальный разрез ГУ новой конструкции типа ГП Источник: составлено авторами. Figure 4. Horizontal section of the GU of the new GP type design Source: compiled by the authors. Новое ГУ работает следующим образом. При работе горелки на газе и мазуте воздух из патрубка 2 поступает в виде кольцевого потока в корпус 1, затем проходит через разделитель воздушного потока 14. При достижении потоком воздуха вставки 6 осуществляется его поджатие, в результате чего возрастает скорость его подачи. Одновременно газ по патрубку 8 поступает в коллектор 7 и, распределяясь по газораздающим отверстиям 9, истекает из них в виде поперечных струй в высокоскоростной поток воздуха, после чего через сопла для впрыска сжатого воздуха периодического действия 15 подается сжатый воздух на короткий интервал времени, затем происходит интенсивный массобмен воздуха и газа через овальные отверстия 16. Затем смесь воздуха и газа поступает в амбразуру горелки. Одновременно в амбразуру 3 горелки через распылительную часть мазутной форсунки 10 поступает мазут, а через патрубок в трубе 5 поступает воздух для интенсивного распыления мазута. Для повышения экологической эффективности совместного сжигания газа и мазута предусмотрена подача пара через трубу 12 с распылителем 13, установленную в канале 11 у основания амбразуры 3 горелки. Это приводит к уменьшению максимальной температуры горения и, как следствие, к снижению на 10-15 % образования NOx. Кроме того, разделитель воздушного потока 14 обеспечивает полноту горения газа за счет его интенсивного перемешивания с воздухом. На данную конструкцию нового ГУ типа ГП получен патент на полезную модель[11]. Таким образом, в предлагаемой авторами газомазутной горелке как обеспечивается полнота сгорания топлива, так и снижаются выбросы NOx. В свою очередь, это приводит к существенному повышению экологической эффективности эксплуатации модернизированной конструкции горелки типа ГП[12]. Заключение На основании изложенного материала можно рекомендовать для практического применения на НПЗ описанные выше авторские инновационные технические решения по созданию модернизированных малотоксичных ГУ типа ГП, которые в отличие от действующих аналогов обладают простотой устройства, оригинальностью конструкции, достаточно высокой экологической эффективностью и сравнительно малыми капитальными и эксплуатационными расходами и затратами. Таким образом, предлагаемые авторами новые конструкции газомазутной горелки типа ГП позволят оздоровить экологическую обстановку на предприятиях нефтепереработки и повысить эффективность природозащитных мероприятий, связанных с охраной атмосферного воздуха от загрязнения.

About the authors

Victor D. Katin

Far Eastern State Transport University

Email: bgd@festu.khv.ru
Doctor of Technical Sciences, Professor 47 Serysheva St, Khabarovsk, 680021, Russian Federation

Alexander A. Zhuravlev

Far Eastern State Transport University

Author for correspondence.
Email: goposor@yandex.ru
SPIN-code: 6959-7411
postgraduate student 47 Serysheva St, Khabarovsk, 680021, Russian Federation

References

Supplementary files