§ 12.2. Пожарная профилактика процесса нагревания горючих веществ пламенем и топочными газами

Нагревание пламенем и топочными газами относится к числу наиболее известных и давно применяемых способов нагрева. Этот способ не потерял своего значения и в настоящее время, так как позволяет осуществлять нагревание до высоких температур: 1000...' 1100° С.

Наиболее часто топочные газы используют для нагрева промежуточных теплоносителей. Так, в котельных получают горячую воду и водяной пар, которые затем используются в теплообменной аппаратуре в качестве теплоносителей.

Однако открытое пламя и топочные газы часто используют непосредственно для нагрева горючих веществ, например в процессах перегонки нефти, крекинга, пиролиза, гидроочистки углеводородов разгонки смол, переработки растительных масел и в других процессах. Нагревание это осуществляется в специальных печах, в которых сжигается твердое, жидкое или газообразное топливо. На промышленных предприятиях чаще всего используют жидкое и газообразное топливо. Теплота сгорания передается поверхности теплообмена лучеиспуоканием и конвекцией. Теплообменная поверхность в печах обычно выполняется в виде пучков труб, соединенных коллекторами, или в виде непрерывного змеевика. Такие печи носят название трубчатых (рис. 12.6).

Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Печь состоит из каркаса 1, кирпичной кладки 2 {3, 4), форсунки или горелки 5, труб 7 (8, 12), двойников 15. Внутренний объем печи разделяется перевальной стенкой 10 на камеры А и Б. Камера А называется радиантной, так как в ее пространстве передача тепла осуществляется главным образом радиацией за счет теплового излучения пламени, горячих продуктов горения и раскаленных поверхностей стенок печи. Камера Б называется конвекционной, так как в ее пространстве передача тепла от топочных (дымовых) газов осуществляется в основном конвекцией.

Каркас / обычно изготовляется из стали и воспринимает на себя нагрузку от основных элементов печи и температурных напряжений. Кирпичная кладка выполняется трехслойной: наружный слой 2 выкладывается из красного кирпича, средний слой 5 — из теплоизоляционного кирпича, внутренний слой 4 — из огнеупорного кирпича.

Радиационная камера А — это топка, в которой сжигается топливо. В топке находятся газовые горелки или форсунки 5 для сжигания газа либо жидкости. Количество горелок (или форсунок) зависит от мощности печи, ее назначения, нагреваемого продукта и используемого топлива (бывает 16 и более форсунок либо горелок) .

Теплообменная поверхность образуется трубами, внутри которых движется нагреваемый продукт. Снаружи трубы обогреваются пламенем и продуктами горения топлива. Трубы соединяются в секции, которые называют экранами. На рис. 12.6 хорошо видны боковой и потолочный экраны и конвекционные трубы 12.

Трубы соединяются в змеевик при помощи специальных устройств, которые называются двойниками или ретурбендами (рис. 12.7) Две трубы монтируются в отверстия 2 двойника и развальцовываются. Отверстия, предназначенные для очистки труб, закрываются пробками 6, которые с помощью болтов 4 и распорных гаек 5 обеспечивают необходимую герметичность узла. Такое устройство двойника позволяет чистить и заменять отдельные трубы, не нарушая целостности соседних соединений.

Рис. 12.6. Схема устройства трубчатой печи с горизонтальной конвекционной камерой: А — радиантная камера;

Б — конвекционная камера; / — каркас; 2 — красный кирпич; 3—теплоизоляционный кирпич; 4 — огнеупорный кирпич; 5 — форсунки (горелки); 6 — предохранительные дверцы; 7—боковой экран; 8 — потолочный экран;

9 — подвески; 10— перевальная стенка; 11 — система паротушения; 12 — конвекционные трубы; 13—подвесные кирпичи; 14 — коробка двойников; 15 — двойники; 16 — паротушение двойников; 17—крепление труб

Для удобства эксплуатации двойники размещают в особых нишах — камерах (шахтах), которые находятся за кладкой печи.

Рис. 12.7. Схема устройства двойника для соединения труб змеевика печи: / — корпус; 2 — отверстия для труб змеевика; 3 — отверстия для пробок; 4 — болт; 5 — распорная гайка; 6 — пробка

Длина змеевика в печи зависит от количества тепла, необходимого для нагревания продукта до заданного уровня, от теплонапряженности его поверхности и скорости прохождения по нему продукта. Средняя теплонапряженность поверхности нагрева трубчатых печей составляет 15...25 КВт/м².

Более современными являются трубчатые печи с излучающими стенками из беспламенных панельных горелок и двухсторонним облучением труб змеевика.

Панельные горелки изготовляются из керамики и имеют каналы, в которых происходит сжигание газообразного топлива. Керамические панели накаливаются и интенсивно излучают тепло на поверхность радиантных труб, расположенных на расстоянии 0,6... 1 м от них. Панели являются одновременно сборными элементами стен печи. Такие панели интенсивно излучают тепло, обеспечивая высокую теплонапряженность теплообменной поверхности (до 40 КВт/м²). На рис. 12.8 показана беспламенная панельная горелка. Горючий газ по трубопроводу 6 поступает в сопло и эжектор, куда подсасывается воздух. Образующаяся газовоздушная смесь распределяется по трубкам 2, попадает в каналы (туннели) /, где и сгорает.

Рис. 12.8. Панель излучательной горелки: а — с односошювым смесителем; б — с -многосопловым смесителем; У —керамика; 2 — трубка; 3— смеситель; 4 — линия подачи воздуха; 5 —заслонка; 6 — линия подачи газа; 7— теплоизоляция

Пожарная опасность трубчатых печей весьма велика. Это объясняется рядом факторов: мощной топливной системой (мазут, природный газ и т. п.), горючее из которой поступает на сжигание в топку; большим количеством нагреваемого горючего продукта, который движется по змеевикам под большим давлением; высокой температурой нагревания продуктов, которая иногда превышает температуру их самовоспламенения; наличием открытого огня и раскаленных продуктов горения, температура которых достигает 1000...1100° С; появлением неплотностей и повреждений в трубах, в результате чего из них может выйти наружу большое количество нагреваемого продукта. Высоконагретые поверхности печи (кладка, трубы, двойники) и открытый огонь в топке обусловливают высо­кую пожарную опасность не только самой печи, но и соседних технологических аппаратов с горючими веществами. Поэтому предотвращение возникновения пожара и взрыва — главная проблема щри использовании трубчатых печей в технологическом процессе -производств.

Взрыв в топочном пространстве трубчатой печи произойдет в том случае, если в топке образовалась горючая среда. Это может быть в двух случаях.

1. В период пуска, перед розжигом. Если из топливной линии или из змеевиков в трпку попало топливо или горючий продукт, может образоваться горючая смесь с воздухом. Взрывоопасная смесь образуется и при нарушении порядка операций при розжиге печи. Чтобы этого избежать, следует строго соблюдать правила пуска печи, изложенные в технологическом регламенте и специальной инструкции.

2. В моменты внезапного погасания факелов пламени на горелках или форсунках при последующем возобновлении подачи топлива. Погасание факелов пламени может произойти по разным причинам: либо в жидкое топливо попала вода и образовались водяные пробки, либо в газовых топливных линиях образовался конденсат. Погасание факела пламени будет иметь место и при временном прекращении подачи топлива. Горючее, поступившее в топку, после погасания факела пламени испаряется, и пары его с воздухом могут образовать взрывоопасную смесь. Чтобы избежать этой опасности, следует: не допускать попадания воды в топливо, очищая его и от механических примесей; в установленные сроки производить чистку форсунок; использовать автоматические системы перекрывания топливной линии при погасании факела пламени; предусмотреть возможность перехода на другой вид топлива.

Во избежание разрушения печи при возможном взрыве в топочном пространстве (в стенках радиантной камеры) делают предохранительные клапаны шарнирно-откидного или иного типа (см. рис. 12.6).

Взрыв в борове (дымовом канале) трубчатой печи может произойти, если не обеспечено полное сгорание топлива, что имеет место при недостатке воздуха. Дымовые газы, обогащенные продуктами неполного сгорания топлива (в частности, водородом, окисью углерода), смешиваясь с воздухом, могут воспламениться. Неполное сгорание топлива имеет место при неправильном ведении процесса горения. Воздух может подсасываться через неплотности кладки. Во избежание опасности взрыва в боровах следует: обеспечить правильное ведение процесса горения, контролируя , его газоанализаторами. Процесс считается наивыгоднейшим, если в топочных газах имеется максимальное содержание двуокиси углерода и отсутствуют окись углерода и водород; следить за исправностью кладки, своевременно ее ремонтиро­вать, не допуская подсоса воздуха в дымовые каналы;

предусмотреть применение предохранительных клапанов мембранного типа для предохранения кладки борова на случай возможного взрыва.

Пожары при повреждении труб змеевика наиболее типичны. Причины повреждения труб змеевика следующие: прогар стенки трубы; коррозия и эрозия материала труб; повышенное (по сравнению с нормой) давление продукта в змеевике.

Прогар стенки трубы наступает в результате сильного перегрева отдельного участка теплообменной поверхности. Механическая прочность металла снижается, появляется его текучесть, необратимые деформации, утоньшение, а затем разрыв стенки и выход продукта в топочное пространство.

Рис. 12.9. Участок теплообменной поверхности с отложе­нием: /—/ — участок с увеличенным термосопротивлением;

//—// — участок с нормальным теплосопротивлением; / — теплообменная поверхность; 2 — отложение; 3 — перегретый участок

Перегрев бывает чаще в тех местах трубы, где имеются различные отложения (кокса, солей и др.) или инородные включения, являющиеся плохими проводниками тепла.

Температуру стенки трубы на участках с отложениями и без отложений (рис. 12.9) можно определить по уравнениям теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи k₁ на участке с отложениями и коэффициент теплопередачи k₂ на участке без отложений будут равны:

, (12.5)

где α₁ — коэффициент теплоотдачи от топочных газов к стенке трубы; α₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому продукту; бет и σ_отл — толщина стенки трубы и слоя отложений; λ_ст и λ_отл — коэффициенты теплопроводности материала стенки и отложений.

Поскольку при стационарном режиме Q = const (т. е. тепловой поток постоянен при прохождении через все слои термического сопротивления),

K₁(t_Г-t_пр)=α₁(t_Г-t_cт), (12.6),

где t_Г — температура продуктов горения; t_пр — температура продукта; t_ст — температура стенки трубы. Из (12.6) следует:

. (12.7)

Мероприятия по уменьшению скорости образования кокса в трубах включают: обеспечение высоких скоростей движения продукта по змеевику (2...3 м/с); обеспечение равномерного обогрева труб по всей; длине путем рационального их размещения, а также горелок и излучающих панелей; строгое соблюдение температурного режима работы печей.

Контроль за состоянием труб ведут визуально и с помощью приборов. Перегретые участки труб заметны: они имеют более светлую окраску. При плановых ремонтах делается осмотр (ревизия) труб, при котором выявляются места деформаций, вспучиваний (отдулин).

Осуществляется контроль температуры дымовых газов над перевальной стенкой, которая в зависимости от типа печи не должна превышать 810...900° С. Повышение этой температуры сверх нормы (без увеличения расхода топлива) свидетельствует об ухудшении теплообмена в радиантных трубах за счет их закоксования. В случае появления опасности принимают следующие меры: снижают теплонапряженность поверхности труб; увеличивают скорость движения продукта по змеевику, подавая в него пар; осуществляют очистку змеевика от отложений с применением одного из следующих способов: механического (пневматическая турбина вращает боек в трубе), паромеханического (сначала продувка паром, затем механическая очистка), паровоздушного (производится продувка паром с добавками воздуха; при этом кокс выгорает).

Наружная поверхность радиантных труб подвергается химической коррозии под действием кислорода воздуха и сернистых соединений, содержащихся в продуктах сгорания. Причем скорость процесса коррозии растет с увеличением коэффициента избытка воздуха и температуры поверхности труб.

Внутренняя поверхность труб змеевика подвергается коррозии под действием нагреваемого продукта и находящихся в нем примесей, а также механическому износу материала движущейся средой — эрозии.

Мероприятия по снижению вредного воздействия коррозии и эрозии включают:

поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха при сжигании топлива и умеренной теплонапряженности поверхности труб;

регулирование факелов пламени форсунок таким образом, чтобы они не доходили до поверхности экранов и не создавали местные перегревы, ведущие к пережогу металла;

очистку нагреваемого продукта от коррозионных примесей, введение в продукт ингибиторов коррозии;

очистку нагреваемого продукта от твердых примесей для снижения эрозионного износа материала труб.

Повышенное против нормы давление продукта может привести к повреждению труб змеевика. Причиной повышения давления является возрастание гидравлического сопротивления системы при образовании отложений кокса и солей. Потери давления в трубах Ар рассчитывают по уравнению Дарси-Вейсбаха:

, (12.8)

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления; /_э — эквива­лентная длина трубы;

d — внутренний диаметр трубы; v—скорость движения продукта в трубе.

Количество продукта, проходящее через змеевик в единицу времени, равно:

, (12.9)

откуда

. (12.10)

Подставив (12.10) в (12.8), получим:

, (12.8)

где ρ — плотность» жидкости.

Из (12.11) следует, что гидравлические потери очень сильно зависят от диаметра трубы. Так, при уменьшении диаметра трубы в 2 раза потери напора увеличиваются в 32 раза. Поэтому отложения, ококсования, пробки в трубах весьма опасны в смысле образования повышенного давления в змеевике. В современных печах. давление, как и температура, регулируются автоматически.

Пожары при повреждении двойников трубчатых печей возникают в результате выхода нагретого продукта наружу и его воспламенения. Выход продукта может иметь место в следующих случаях: при неплотном прилегании пробки к корпусу двойника; при выбросе пробки; при нарушении герметичности соединения труб с корпусом двойника; при повреждениях корпуса двойник. Для предупреждения названных неисправностей предусматриваются: подгонка пробки по отверстию, тщательная очистка конусных поверхностей от кокса, плотное прижатие пробки нажимным болтом; контроль качества изготовления корпуса двойника и развальцовки труб; гидравлическое испытание змеевика и устранение всех обнаруженных дефектов после спуска воды; повторные гидравлические испытания.

Пожары при утечке топлива из топливных коммуникаций трубчатой печи могут иметь место при неисправностях фланцевых соединений, вентилей, задвижек, а также других повреждениях трубопроводов. Разлившаяся жидкость, пары (газы), вышедшие из топливных коммуникаций, воспламеняются от пламени форсунок (горелок) печи.

Пожарно-профилактические мероприятия состоят здесь в следующем: наблюдение за состоянием топливной системы, преду­преждение появления неплотностей и повреждений; смыв (уборка) разлившегося топлива; установка дополнительной задвижки (на расстоянии 10 м от печи) на топливной линии для быстрого отключения подачи топлива; остановка печи.

Трубчатая печь — источник зажигания горючих смесей, образующихся при авариях соседних аппаратов. Печи опасны не только возможностью возникновения пожара при повреждениях непосредственно в них самих. Они весьма опасны как возможные источники зажигания при авариях на соседних технологических аппаратах: образующиеся парогазовоздушные смеси входят в соприкосновение с высоконагретыми элементами печей. Происходит воспламенение парогазового облака. Пламя быстро распространяется по облаку к месту аварии.

Существует и другая возможность воспламенения парогазового облака. Оно может быть подсосано внутрь топки и там воспламениться. Пламя в результате обратного проскока может выйти из печи и распространиться до места аварии. Из-за медленного охлаждения (для охлаждения от 1000 до 250° С требуется от 3 до 6 ч — в зависимости от того, применяется принудительная венти­ляция или естественная циркуляция) печь остается источником зажигания даже при погасании форсунок (горелок).

По подсасываемой в печь горючей смеси происходит проскок пламени наружу при условии, когда скорость распространения пламени w_пл будет больше скорости движения смеси w_см, т. е. w_пл > w_см.

Из этого следует, что для обратного проскока пламени наиболее благоприятные условия возникают при уменьшении скорости движения смеси. Такие условия создаются при снижении тяги в печи, т.е. при погасании форсунок (горелок), перекрытии задвижки борова, остановке дымососа.

В целях пожарной профилактики предусматривается:

между печами, расположенными на открытых площадках, и открытыми пожаровзрывоопасными установками размещать закрытые здания с неопасной технологией. Эти здания являются своеобразными защитными экранами;

делать разрывы между печами и соседними аппаратами (установками) по расчету, но не менее установленных нормами;

защищать теплоизоляцией высоконагретые наружные элементы печи, чтобы их температура не превышала 80% наименьшей температуры самовоспламенения веществ, применяемых в соседних аппаратах;

устраивать паровые завесы для изоляции печи от парогазового облака в случае аварии соседних аппаратов [10].

Рис. 12.10. Схема трубчатой печи с трубопроводами для паротушения и паровой завесы: / — корпус печи;

2 — радиантные трубы; 3 — конвекционные трубы; 4 — линия подачи водяного пара в змеевик (против ококсования); 5 — перфорированный трубопровод; б — система паротушения; 7 — предохранительный клапан шарнирно-откидного типа

Паровая защита технологических печей (рис. 12.10) предусматривает:

наружную паровую завесу для предотвращения проникновения к печам облака горючей парогазовоздушной смеси при аварии на соседней технологической установке;

систему внутреннего пожаротушения для локализации и ликвидации пожара непосредственно в камере печи; наличие специальных устройств для продувки камер печи от горючих газов и паров перед розжигом и после остановки;

эвакуацию продукта из змеевика;

систему наружного паротушения с использованием переносных шлангов.

Наружная паровая завеса может быть выполнена в двух вариантах: как непрерывная отражающая завеса для защиты одной, трех или четырех сторон отдельной печи или блока печей; как локальная флегматизирующая завеса для защиты отдельных зон или элементов печи, которые опасны как источники зажигания.

Для создания паровой завесы применяется перфорированный паропровод с отверстиями, позволяющими выпускать струи пара под углом 45° к соответствующей горизонтали. Если высота защищаемой зоны более 10 м, завеса устраивается из двух ярусов. Диаметр выпускных отверстий d0TB (при давлении пара в коллекторе 0,2 МПа, его удельном расходе 100 кг/(м2-с) и скорости воздуха 1 м/с) определяют по формуле

d_отв = 0,001H, (12.12)

где H — высота защищаемой зоны.

Расстояния между выпускными отверстиями / и количество отверстий п в перфорированном паропроводе определяют по формулам

/ = 50d_OTB и , (12.13)

где L — длина перфорированного паропровода.

Общий расход водяного пара Q (кг/с) на создание завесы

G = fni, (12.14)

где f — площадь сечения выпускного отверстия, мм²; i — удельный расход пара.

Пуск паровой завесы может осуществляться автоматически (с помощью стационарно установленных сигнализаторов) и вручную (из операторной или аппаратного двора).

Трубчатые печи оборудуют стационарной системой паротушения (рис. 12.11). Паровые линии подводят в радиантную камеру 6, в камеры двойников 2, к основанию дымовой трубы 3 и в боров. Интенсивность подачи пара принимают 0,002 кг/(с-м³), расчетное время работы системы паротушения 5 ч. Паровые линии оборудуются приспособлениями для продувки от конденсата. В системе паротушения пар под давлением 0,2...0,4 МПа.

При авариях следует прежде всего освободить змеевики от продукта. Для этого предусмотрена система выдавливания продукта из труб паром. Схема соединения паровых линий со змеевиком печи для аварийного выдавливания продукта показана на рис. 12.12. Пар из паровой линии / подается в линию ввода продукта в печь 8. Слив продукта осуществляется по отводу 7 в аварийную емкость или по отводу 9 в канализацию.

Рис. 12.11. Схема стационарной системы паротушения трубчатых печей: / — магистраль водяного пара;

2 — линия подачи пара; 3 — линия подачи пара к ос­нованию дымовой трубы; 4 — печь; 5 — форсуночный пар; 6 — линия подачи пара в радиантную камеру; 7— линия подачи пара в камеру ретурбендов; 8 — линия продувки от конденсата

Рис. 12.12. Схема выдавливания продукта из змеевика печи при авариях и пожарах: 1 — ли­ния водяного пара; 2— линия продувки от конденсата; 3 — воздушник; 4 — обратный клапан; 5 — трубчатая печь;

6 — выход сырья из печи; 7— линия слива в аварийную емкость; 8 — ввод сырья в печь; 9 — линия спуска в канализацию

В системе предусмотрен обратный клапан 4 для предотвращения попадания продукта в паровую линию (при падении давления пара) и линия продувки от конденсата для предотвращения попадания конденсата в змеевик. Система позволяет производить выдавливание и в обратном на­правлении, т. е. в сторону линии ввода продукта в печь.