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 от 1000 до 1100 о 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.
Чаще всего для этих целей используется жидкое и газообразное топливо.
Теплота сгорания передается поверхности теплообмена лучеиспусканием и конвекцией. Теплообменная поверхность в печах обычно выполняется в виде пучков труб, соединенных коллекторами, или в виде непрерывного змеевика.
Такие печи носят название трубчатых печей.
Трубчатые печи широко применяются в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Устройство печи, с. 196-199.
Камера А называется радиантной, так как в ее пространстве передача тепла осуществляется главным образом радиацией за счет теплового излучения пламени, горючих 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 трубчатой печи обычно изготовляется из стали и воспринимает на себя нагрузку основных элементов печи и температурных напряжений. Кирпичная кладка выполняется трехслойной: наружный слой выкладывается из красного кирпича, средний слой – из теплоизоляционного кирпича, внутренний слой – из огнеупорного кирпича.
Радиационная (радиантная) камера – это топка. В ней находятся главные горелки или форсунки для сжигания газа или жидкости. Количество горелок зависит от мощности печи, ее назначения, нагреваемого продукта и используемого топлива (бывает 16 и более горелок или форсунок)
Теплообменная поверхность образуется трубами, внутри которых движется нагреваемый продукт. Снаружи трубы обогреваются пламенем и продуктами горения топлива.
Более современными являются трубчатые печи с излучающими стенками из беспламенных панельных горелок и двусторонним облучением труб змеевика.
Панельные горелки изготавливаются из керамики и имеют каналы, в которых происходит сжигание газообразного топлива.
Пожарная опасность трубчатых печей весьма велика.
Это объясняется рядом факторов.
Во-первых, мощной топливной системой (мазут, природный газ и т.п.), горючее из которой поступает на сжигание в топку.
Во-вторых, большим количеством нагреваемого горючего продукта, который движется по змеевикам под большим давлением.
В-третьих, высокой температурой нагревания продуктов, которая иногда превышает температуру их самовоспламенения.
Далее, наличием открытого огня и раскаленных продуктов горения, температура которых достигает 1000-1100 о С; появление 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 обуславливают высокую пожарную опасность не только самой печи, но и соседних технологических аппаратов с горючими веществами.
Поэтому предотвращение возникновения пожара и взрыва – главная проблема при использовании трубчатых печей в технологическом процессе производств.
Возможные причины и взрывы при эксплуатации трубчатых печей.
Взрыв в топочном пространстве трубчатой печи произойдет в том случае, если в топке образовалась горючая среда.
Это может быть в двух случаях.
В период пуска, перед розжигом. Если из топливной линии или из змеевиков в топку попало топливо или горючий продукт, может образоваться горючая смесь с воздухом. Взрывоопасная смесь образуется и при нарушении порядка операций при розжиге печи. Чтобы избежать этого, необходимо строго соблюдать правила пуска печи, изложенные в технологическом регламенте и специальной инструкции.
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. Кроме того, при временном прекращении подачи топлива также может погаснуть пламя в форсунках.
Горючее, поступившее в топку, испаряется, и пары его с воздухом могут образовать взрывоопасную смесь.
Меры пожарной безопасности. 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.
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.
Меры пожарной безопасности. Во избежание опасности взрыва в боровах следует:
обеспечить правильное ведение процесса горения, контролируя его газоанализаторами (в топочных газах максимум двуокиси углерода и отсутствие окиси углерода и водорода);
следить за состоянием кладки, не допускать подсоса воздуха, своевременно обеспечивать ее ремонт;
предусмотреть применение предохранительных клапанов мембранного типа для предохранения кладки борова на случай возможности взрыва.
Пожары при повреждении труб змеевика наиболее типичны.
Причинами повреждения труб змеевика могут стать прогары стенок труб, коррозия и эрозия материала труб, повышенное (по сравнению с нормой) давление продукта в змеевике.
Прогар стенки трубы возникает 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. Перегрев бывает чаще в тех местах трубы, где имеются различные отложения (кокса, солей и др.) или инородные включения, являющиеся плохими проводниками.
Температуру стенки трубы на участках с отложениями и без отложений можно определить по уравнениям теплопередачи.
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 ремонтных работах делается осмотр (ревизия) труб, при котором выявляются места деформаций, вспучиваний.
Осуществляется контроль температуры дымовых газов над перевальной стенкой, которая в зависимости от типа печи не должна превышать 810-900 о 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 змеевик, подавая в него пар; осуществляют очистку змеевика от отложений с применением одного из следующих способов: механического, паромеханического, паровоздушного.
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 влияния 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 эрозийного износа материала труб.
Повышенное против нормы давление продукта может привести к повреждению труб змеевика.
Причиной повышения давления является возрастание гидравлического сопротивления системы при образовании кокса и солей. 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 двойника.
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.
Мероприятия.
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 установках и аппаратах: образующиеся паровоздушные 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 печь остается источником зажигания даже при погасании форсунок (горелок).
Примечание. Для охлаждения печи от 1000 до 250 о С требуется от 3 до 6 часов – в зависимости от того, применяется принудительная вентиляция или естественная циркуляция .
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.
Паровая защита технологических печей предусматривает:
наружную паровую завесу для предотвращения проникновения к печам облака горючей паровоздушной смеси при аварии на соседней технологической установке;
систему внутреннего пожаротушения для локализации и ликвидации пожара непосредственно в камере печи; наличие специальных устройств продувки камер печи от горючих газов и паров перед розжигом и после остановки;
эвакуацию продукта из змеевика;
систему наружного паротушения с использованием переносных шлангов.
Трубчатые печи оборудуют стационарной системой паротушения.
Страница 4 из 14
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАЖИГАНИЯ
Источник зажигания - средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения данной среды.
Под производственными источниками зажигания следует понимать такие источники, существование или появление которых связано с осуществлением технологических процессов производств.
Производственные источники зажигания характеризуются воспламеняющей способностью, которую оценивают упрощенно - путем сравнения температуры, теплосодержания и времени его теплового действия с соответствующими характеристиками горючей смеси.
При этом считают, что источник тепла опасен как источник зажигания, если:
температура искры Т и больше (или равна) температуре самовоспламенения горючей среды Т св, в контакте с которой находится искра
Т и ³Т св (1.33)
количество тепла, заключенное в искре, q и больше (или равно) минимальной энергии зажигания горючей среды q мин
q и ³ q мин (1.34)
время действия искры t и (определяется при охлаждении искры до Т св) больше (или равно) периода индукции горючей среды t инд:
t и ³ t инд.(1.35)
Если хотя бы одно из названных условий не выполняется, то искра не обладает воспламеняющейся способностью и, следовательно, она не может быть отнесена к источнику зажигания.
Параметры предполагаемого источника зажигания можно определить расчетным или опытным путем, а горючей среды - по справочной литературе.
В условиях производства существует большое количество различных источников зажигания.
Вероятность возникновения источника зажигания принимают равной нулю в следующих случаях:
- если источник не способен нагреть вещество выше 80% значения температуры самовоспламенения вещества или температуры самовозгорания вещества, имеющего склонность к тепловому самовозгоранию;
- если энергия, переданная тепловым источником горючему веществу (паро-, газо-, пылевоздушной смеси) ниже 40% минимальной энергии зажигания;
- если за время остывания теплового источника он не способен нагреть горючие вещества выше температуры воспламенения;
- если время воздействия теплового источника меньше суммы периода индукции горючей среды и времени нагрева локального объема этой среды от начальной температуры до температуры воспламенения.
По времени действия различают:
- постоянно действующие (они предусмотрены технологическим регламентом при нормальном режиме работы оборудования);
- потенциально возможные источники зажигания, возникающие при нарушениях технологического процесса.
По природе проявления различают следующие группы источников зажигания:
- открытый огонь и раскаленные продукты сгорания;
- тепловое проявление механической энергии;
- тепловое проявление химических реакций;
- тепловое проявление электрической энергии.
Следует иметь в виду, что эта классификация носит условный характер. Так, открытый огонь и раскаленные продукты сгорания имеют химическую природу проявления. Однако, учитывая особую пожарную опасность, эту группу принято рассматривать отдельно.
Открытый огонь и раскаленные продукты сгорания.
В условиях производства для осуществления многих технологических процессов используется открытое пламя, например, в аппаратах огневого действия (трубчатых печах, реакторах, сушилках и т. п.), при производстве огневых работ, при сжигании выбрасываемых в атмосферу паров и газов на факельных установках.
Поэтому открытый огонь и раскаленные продукты сгорания обычно используются или образуются в огневых печах, заводских факельных установках и при проведении огневых работ. Кроме этого, высоконагретые продукты сгорания, образующиеся при сжигании топлива в топках и двигателях внутреннего сгорания; искры топок и двигателей, образующиеся в результате неполного сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива.
Мероприятия, предупреждающие пожары от открытого огня и раскаленных продуктов горения:
1. Изоляция аппаратов огневого действия:
1.1. рациональное размещение на открытых площадках;
1.2. устройство противопожарных разрывов;
1.3. устройство между аппаратами огневого действия и газопароопасными аппаратами экранов в виде стен или отдельных закрытых линий, выполненных из негорючих материалов;
1.4. устройство паровых завес по периметру печей с газоопасных сторон.
2. Соблюдение правил пожарной безопасности при проведении огневых работ.
3. Изоляция высоконагретых продуктов сгорания:
3.1. контроль за состоянием дымовых каналов;
3.2. защита высоконагретых поверхностей (трубопроводов, дымовых каналов) теплоизоляцией;
3.3. устройство противопожарных разделок и отступок и т.п.
4. Защита от искр при работе топок и двигателей:
4.1. соблюдение оптимальных температур и соотношения между топливом и воздухом в горючей смеси;
4.2. контроль за техническим состоянием и исправностью устройств для сжигания топлива;
4.3. систематическая очистка внутренних поверхностей топок, дымовых каналов и двигателей внутреннего сгорания от сажи и нагаромасляных отложений;
4.4. использование искроуловителей и искрогасителей (рис. 10 … 12).
|
|
|
|
Рис. 10. Схема гравитационного искроулови-теля: 1 - осадительная камера; 2 - смесь потока дымовых газов с искрами; 3 - направление движения дымовых газов; 4 - направление движения искр |
Рис. 11. Схема инерционного искроулови-теля: 1 - топка; 2 - перегородка; 3 - направление движения дымовых газов; 4 - направление движения искр; 5 - искроосадительная камера |
|
|
|
|
Рис. 12. Схема центробежного искроуловителя циклонного типа: 1 - корпус искроуловителя; 2 - смесь потока дымовых газов с искрами; 3 - тангенциальный патрубок; 4 - направление движения дымовых газов; 5 - направление движения искр; 6 - выгрузка охлажденных искр |
|
5. Ограничение источников огня, не вызванных потребностями технологического процесса:
5.1. оборудование мест для курения;
5.2. применение горячей воды, пара, для обогрева замерзших труб;
5.3. распаривание и очистка скребками отложений в аппаратах вместо их выжигания.
Тепловое проявление механической энергии.
При взаимном трении тел за счет совершения механической работы происходит их разогрев. При этом механическая энергия переходит в тепловую. Тепловой нагрев, т. е. температура трущихся тел в зависимости от условий трения может быть достаточной для воспламенения горючих веществ и материалов. При этом нагретые тела выступают в качестве источника зажигания.
В производственных условиях наиболее распространенными случаями опасного нагрева тел при трении являются:
- удары твердых тел с образованием искр;
- поверхностное трение тел;
- сжатие газов.
водогрейных котлов, компрессоров, насосов,
вентиляции
Противоаварийная защита технологических печей
1. Требования к системам противоаварийной защиты (ПАЗ) определены «Общими правилами взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтеперерабатывающих производств» утвержденных Госгортехнадзором СССР 06.09.88. и Инструкцией по проектированию паровой защиты технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности .
2. Специфические требования к системам ПАЗ технологических печей
1) При организации теплообменных процессов с огневым обогревом необходимо предусматривать меры и средства, исключающие возможность образования взрывоопасных смесей в нагревательных элементах, топочном пространстве и рабочей зоне в печи.
2) Для ПАЗ топочного пространства нагревательные печи оснащаются:
Системами регулирования заданного соотношения топлива, воздуха и водяного пара;
Блокировками, прекращающими поступление газообразного топлива и воздуха при прекращении электро-(пневмо-) питания приборов КИПиА;
Средствами сигнализации о прекращении поступления топлива и воздуха при принудительной подаче в топочное пространство;
Средствами контроля за уровнем тяги и автоматического прекращения подачи топливного газа в зону горения при остановке дымососа или недопустимом снижении разрежения в печи, а при компоновке печных агрегатов с котлами – утилизаторами – системами по переводу работы агрегатов без дымососов;
Средствами подачи водяного пара в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб.
3) ПАЗ нагреваемых элементов (змеевиков) нагревательных печей обеспечивается:
Аварийным освобождением змеевиков печи от нагреваемого жидкого продукта при повреждении труб или прекращении его циркуляции;
Блокировками по отключению подачи топлива при прекращении подачи сырья;
Средствами дистанционного отключения подачи сырья и топлива в случаях аварий в системах змеевиков;
Средствами сигнализации о падении давления в системах подачи сырья.
4) Для изоляции печей с открытым огневым процессом от газовой среды при авариях на наружных установках или в зданиях печи должны быть оборудованы паровой завесой, включающейся автоматически (или) дистанционно. При включении завесы должна срабатывать сигнализация.
5) Топливный газ для нагревательных печей должен соответствовать регламентированным требованиям по содержанию в нем жидкой фазы-влаги и механических примесей. Предусматриваются средства, исключающие наличие жидкости и механических примесей в топливном газе, поступающем на горелки.
Рассмотрим систему С и ПАЗ печи F102 на установке «УСОМ» (уст-ка селективной очистки масел).
Мнемосхема показана на рисунке2.64
Система защиты блока печей выполнена на отдельном контроллере BMS, который обеспечивает безаварийную работу блока печей в автоматическом режиме, а в случае нарушения блокировочных параметров- безаварийный останов блока печей, не зависимо от состояния технологического процесса в целом.
Контроллер обеспечивает безаварийный останов печи F-102, и выдачу звуковой и световой сигнализации при нарушении следующих параметров:
· Погасание пламени пилотных и основных горелок
· Низкое давление воздуха КИП (меньше 1,5 кгс/см2)
· Повышение температуры дымовых газов TS103 (более 384оС)
· Повышение температуры экстракта из F-102. TS078
· Давление газа (ниже или выше)
· Давление мазута низкое PS171.
· Расход экстракта в печь низкое FS030.
· Понижение давления сырья в печь PS149.
Автоматическая защита паровых и водогрейных котлов
· Понижение давления воздуха перед горелками (500 Па)
· Понижение тяги в топке с задержкой 10 сек. (50 Па)
· Повышение давления в барабане котла (4,8 Мпа)
· Повышение температуры перегретого пара с задержкой 1 мин (450оС)
· Отключение котла ключом аварийного останова.
Котлоагрегаты оборудованы следующими защитами, производящими локальные операции:
· Аварийный сброс воды из барабана котла - первая ступень действия защиты при перепитке котла +60 мм, открывается аварийный слив:
· Не воспламенение или погасание факела любоой горелки при растопке котла в течении 180 сек отсекается мазутовый тракт и тракт ШФЛУ
· Понижение давления ШФЛУ после регулирующего клапана (2кПа) отсекается тракт ШФЛУ
· Повышение давления ШФЛУ после регулирующего клапана (60кПа) отсекается мазутовый тракт
· Отключение горелки.
Компрессоры
1. Устройство и эксплуатация компрессоров и насосов
Они должны отвечать требованиям действующих нормативных документов и общих правил взрывобезопасности для взрывопожарных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ОПВ).
Компрессоры используемые для перемещения горючих, сжатых газов по надёжности и конструктивным особенностям выбираются с учётом критических параметров физико-химических свойств перемещаемых продуктов и параметров технологического процесса.
Порядок срабатывания систем блокировок компрессоров определяется программой (алгоритмом) срабатывания системы противоаварийной автоматической защиты технологической установки.
Компрессоры технологических блоков взрывопожароопасных производств, остановка которых при падении напряжения или кратковременном отключении электроэнергии может привести к отклонениям технологических параметров процесса до критических значений и развитию аварии, должны выбираться с учётом возможности их повторного автоматического пуска и оснащаться системами самозапуска электродвигателей. Время срабатывания системы самозапуска должно быть меньше времени выхода параметров за предельно допустимые значения.
