Авторы: А.В. Буканин (ООО «Арсенал Групп»), Д.А. Клюкин, СПбГТИ (ТУ)
Опубликовано на портале «Химическая техника», октябрь 2020
ООО «Арсенал Групп» (Санкт-Петербург) – официальный дистрибьютор компаний JOHN ZINK HAMWORTHY COMBUSTION (производитель горелочного оборудования для печей, а также факельных систем), Мagnetische Рruefanlagen GMBH (диагностика труб радиации печей методом вихретокового лазерного сканирования), FIREYE Inc. (производитель систем контроля пламени), IKR (чистка наружной поверхности труб радиации печей) на территории Российской Федерации. ООО «Арсенал Групп» выполняет шеф-монтажные и пусконаладочные работы с горелками технологических печей, с оголовками факельных систем, выполняет комплексные обследования безопасности, надежности и эффективности работы печей, производит режимную наладку работы печей, обучает персонал компаний и заводов безопасной, надежной и эффективной работе печей и факельных систем.
Зачем нужно повышать эффективность и улучшать экологию работы печей?
Технологические печи предприятий нефте- и газохимической отрасли, как правило, стоят во главе технологического процесса. Доля топливного газа для различных технологических процессов составляет 30–60% всех энергозатрат производства. Низкие тарифы на газ тормозят техническое перевооружение старых технологических печей, а вопросы экологии при работе печей не были в приоритете производственных программ предприятий. В развитых промышленных странах, где за газ и несоблюдение экологических требований нужно платить высокую цену, вопросами повышения эффективности и экологии работы печей занимаются уже давно и серьезно. Новый углеродный налог, который в скором времени введет ЕС, заставит российский бизнес серьезно заняться экологическими вопросами работы химических предприятий. Доля печей со стажем эксплуатации 20–40 лет в развитых странах крайне мала, старые печи давно демонтированы или проданы как «second hand» в страны с менее развитой экономикой. В России доля «возрастных» печей составляет 70–85% всего эксплуатируемого парка печей. Для того, чтобы построить новую современную эффективную печь, нужны крупные инвестиции, срок окупаемости такой печи при существующих низких тарифах на топливо составляет более 10 лет. Многим предприятиям пока «выгодно» эксплуатировать старые печи. Все должно измениться в ближайшие 10–15 лет с переходом предприятий к «зеленому» производству. Правительство Российской Федерации должно более настойчиво и агрессивно заставлять собственников промышленных предприятий заниматься вопросами повышения экологии и эффективности работы старых производств и отдельных видов оборудования.
Фактическое состояние работы «старых» печей химических предприятий России
В этой статье мы проделаем анализ работы старых неэффективных печей, дадим рекомендации по повышению эффективности и экологии их работы. Проектный КПД печи не может быть выше 93–94% – это обусловлено потерями тепла в атмосферу через стенку печи до 2% (температура наружной поверхности стенки 45…50°С) и потерями тепла с отходящими дымовыми газами (продукты сгорания топлива), достигающими 5–10% (температура выбросов дымовых газов 120…300°С) в зависимости от проектной степени утилизации тепла в зоне конвекции печи. При длительной эксплуатации печей (более 15 лет) КПД снижается. Причин снижения КПД, эффективности и экологии работы печей несколько, они вызваны следующими факторами.
Эксплуатация старых горелок. Потери топлива печи достигают 2–5%. Газовые инжекционные горелки как зарубежные, так и отечественные, спроектированные и изготовленные в 60–80-х годах двадцатого века, соответствовали уровню горелок первого поколения. Низкие тарифы на газ, существующие в то время в мире и в СССР, отсутствие жестких экологических норм работы печей привели в тому, что при проектировании горелок показателям эффективности и экологии уделялось минимум внимания.
Сегодня в мире появилась широкая линейка газовых горелок уже третьего поколения. Все ведущие мировые производители горелочного оборудования, в частности компания John Zink Hamworthy Combustion, уделяют вопросам снижения потребления топлива и выбросов при работе горелок особое внимание. Неэффективное использование топлива старыми инжекционными и дутьевыми горелками печей характеризуется следующим:
– коэффициент избытка воздуха на горение – 15–20%;
– содержание избыточного кислорода в дымовых газах печи – 3–4% об.;
– работа при повышенном давлении газа с увеличенной длиной факела (возможен «отрыв» пламени) на уже достигнутых мощностях;
– постоянный химический «недожог» топлива, перерасход топлива при эксплуатации печи;
– высокая эмиссия NОx, необходимость работы дорогой системы очистки дымовых газов от NOx;
Преимущества новых эффективных инжекционных и дутьевых горелок печей:
– коэффициент избытка воздуха на горение – 10%;
– содержание избыточного кислорода в дымовых газах печи – 2% об.;
– новый тип форсунок газовых горелок и новый тип горелочных камней;
– низкий уровень шума при работе;
– низкая и ультранизкая эмиссия NОx (до 10 ppm), отсутствует необходимость в очистке дымовых газов;
– пороговые значения выбросов СО или их полное отсутствие в дымовых газах;
– новое распределение топлива в форсунке горелки, формирование устойчивого факела, отсутствие риска отрыва пламени при пуске и нормальной эксплуатации;
– отсутствие риска перегрева амбразуры горелки и ее разрушения, снижение тепловых потерь через футеровку свода, пода или боковой стены печи;
– возможность замены старых горелок новыми без реконструкции свода, пода или стены печи (используются старые штатные места);
– низкие затраты на СМР и ПНР;
– удобное обслуживание горелок во время эксплуатации, минимальный сервис;
– быстро окупаемые затраты при замене старых горелок на существующих печах (срок окупаемости – 2–3 года), экономия топлива – 2–4%, в отдельных случаях – до 5–7%;
– снижение теплового износа металла реакционных труб в зоне радиации, увеличение срока службы труб, снижение риска аварии печи;
– наличие надежных пилотных горелок для розжига;
-наличие надежных сканеров контроля пламени пилотных и основных горелок.
Замена старых горелок эффективными новыми – стратегическая задача для предприятий – собственников печей.
Эксплуатация старой футеровки. Снижение КПД печи за счет использования старой футеровки составляет 1–3%. В процессе длительной эксплуатации старой кирпичной огнеупорной футеровки в зоне радиации печи и тяжелых марок бетона в зоне конвекции происходит растрескивание и разрушение футеровки. Горячие дымовые газы через дефекты в футеровке контактируют с наружной стенкой печи, температура которой поднимается до 100…200°С. Постоянный мониторинг температуры всех стен печи при помощи тепловизора помогает определить потери топлива и отследить ежегодное снижение КПД печи от проектного показателя. Реализация инвестиционных проектов по замене старой футеровки новой с применением современных эффективных огнеупорных материалов – логичный шаг в техническом перевооружении печи.
Снижение степени утилизации тепла дымовых газов. В процессе эксплуатации печи происходит загрязнение оребрения поверхности змеевиков, расположенных в зоне конвекции печи, продуктами разрушения огнеупорной футеровки, сажей от химического недожога топлива на горелках. В ряде случаев производится отключение отдельных трубок змеевиков из-за выявленных дефектов (брак при изготовлении, водородная коррозия, перегрев труб змеевиков при пусках и остановах, низкая квалификация персонала и др.). Постоянный мониторинг температуры дымовых газов на выходе из зоны конвекции печи позволяет определить потери топлива и отследить снижение КПД печи. Увеличение температуры дымовых газов на 25°С от проектного значения снижает КПД печи на 1%. В отдельных случаях, когда загрязнения змеевиков очень велики, потери топлива в печи могут достигать 2–3%. Можно привести отдельные лучшие практики эксплуатации печей крупнотоннажных агрегатов аммиака ТЕС, ГИАП, CLE, когда удалось поднять КПД старых печей на 1–2% в результате установки в зоне конвекции дополнительных змеевиков или увеличения поверхности теплообмена за счет нанесения оребрения. Температура дымовых газов с проектных 250°С была снижена до 180…210°С. Реализация инвестиционного проекта по утилизации тепла дымовых газов зоны конвекции при установке дополнительного теплообменного оборудования, увеличения поверхности теплообмена старых змеевиков реально повысит КПД печи и снизит потребление топлива.
Отсутствие или наличие старых газоанализаторов. Потери топлива печи достигают 1–2%. В процессе эксплуатации печи важным фактором всегда является фактор эффективного использования топлива. Без оптимальной подачи воздуха невозможно добиться качественного горения, важную роль выполняют газоанализаторы на потоке дымовых газов из печи. На предприятиях Российской Федерации без таких газоанализаторов продолжают эксплуатировать более 30% печей (установка газоанализаторов не была предусмотрена проектом). Эта ситуация не должна существовать в принципе. Факты показывают, что установка газоанализаторов на печах, отработавших более 25 лет без контроля содержания кислорода в дымовых газах, дает в отдельных случаях до 5% экономии топлива. Постоянное совершенствование ведущими зарубежными и отечественными производителями газоанализаторов, которые помимо О2 могут определять СО и NOx, служит хорошим стимулирующим фактором для технического перевооружения печей. Важно помнить, что наиболее оптимальным параметром содержания кислорода в дымовых газах старых печей является показатель 3% об. Любые отклонения от этой цифры приводят к перерасходу топлива. При низком содержании О2 (недостаток воздуха на горение) происходит химический недожог топлива, в дымовых газах наблюдается увеличение содержания СО и углеводородов. При высоком содержании О2 (избыток воздуха на горение) происходит внесение в зону радиации избыточного «холода», избыточный объем воздуха (по сравнению со стехиометрическим значением) приводит к разбавлению тепла в зоне радиации, и для восстановления теплового баланса печи требуется сжигать дополнительный объем топливного газа.
Наличие подсосов холодного воздуха в печи. В процессе эксплуатации печей происходит следующее: нарушается полная герметичность в зонах радиации и конвекции печи. Небрежно закрытый или неотремонтированный смотровой лючок, незакрытое штатное отверстие для розжига горелки, негерметичный люк-лаз или зазор между гильзой и трубой в своде или поде печи, негерметичные стены в местах расположения трубных змеевиков конвекции – все это вызывает подсосы холодного воздуха, нарушение теплового баланса печи и приводит к перерасходу топлива на горение. Только тот воздух, который поступает на газовую горелку через штатные шиберы и регистры, выполняет созидательную роль в процессе горения, весь остальной воздух, попадающий в печь через разного рода неплотности, является контрпродуктивным и вызывает перерасход топлива печи. По большей части это потери организационного характера, их устранение не требует инвестиций и должно производиться немедленно.
Рекомендации ООО «Арсенал Групп» для повышения эффективности работы печей
– замена старых горелок новыми эффективными;
– замена старой футеровки новой современной;
– чистка поверхности змеевиков зоны конвекции;
– увеличение площади поверхности теплообмена змеевиков зоны конвекции печи;
– устранение подсосов воздуха в зону радиации и конвекции печи;
– применение трубных змеевиков зоны радиации печи с меньшей толщиной стенки для печей парового риформинга и печей пиролиза;
– применение новых типов трубных змеевиков на печах пиролиза;
– размещение газоанализаторов на потоке дымовых газов;
– использование низкокалорийных видов топлива;
– применение новых КИПиА, АСУТП, РСУ;
– обучение персонала эффективной работе печей;
– проведение комплексных обследований работы печи;
– проведение режимной наладки работы печи;
– применение лучших мировых практики в работе печей;
– применение новых цифровых технологий.
Новые цифровые технологии
Повышение эффективности работы печи достигается внедрением мультиплексной системы лазерного сканирования работы горелок ZoloSCANТМ. Преимущества внедрения данной технологии:
– мультиплексная система лазерной абсорбционный спектрометрии на базе настраиваемого диода (TDLAS) позволяет измерять температуру дымовых газов, содержание О2 и СО непосредственно в зоне горения (в зоне радиации) печи;
– работа мультиплексной системы происходит в режиме on-line;
– экономия топлива на горелках печи достигает 1–2%;
– снижение выбросов дымовых газов печи в атмосферу;
– поддержание оптимального разрежения в печи;
– сбалансированный технологический режим работы печи увеличивает выход целевых компонентов и повышает мощность производства;
– увеличение ресурса работы трубных змеевиков зоны радиации печи за счет снижения температуры металла стенки трубы на 5–10°С;
– увеличение срока работы катализатора на печах парового риформинга производств водорода НПЗ, производств аммиака, метанола, синтез-газа;
– повышение безопасности при пуске печи в работу;
– новые возможности для ведения процесса горения, оперативное регулирование процессом горения.
В мире на нефте- и газохимических производствах успешно работают более 100 мультиплексных систем ZoloSCANТМ. Мы рекомендуем российским предприятиям внедрять данную цифровую технологию.
Обучение методам эффективности работы печей
Эффективность работы печи достигается наличием нового эффективного оборудования (новые горелки, газоанализаторы, сплавы трубных змеевиков, новый катализатор, новая футеровка, новая РСУ и т.д.). Учебные центры заводов и компаний, учебные тренажеры помогают обучать персонал и ИТР навыкам безопасного пуска, останова, эксплуатации технологического процесса, действиям при аварийных ситуациях и авариях. Обучением повышения эффективности работы печей учебные центры заводов занимаются только в рамках своих компетенций, этого явно недостаточно. Необученный персонал не сможет организовать эффективный технологический процесс в печах. Повысить квалификацию, получить новые знания в повышении эффективности работы печей можно в учебном центре ООО «Арсенал Групп» и на ежегодном обучающем семинаре JOHN ZINK INSTITUTE в Люксембурге. Обученный персонал – залог эффективной работы любой компании и предприятия.
Комплексные обследования безопасности, эффективности, экологии работы печей. Режимная наладка работы печей
Как показывает опыт уже проведенных комплексных обследований работы печей разных предприятий и компаний, с эффективностью работы печей у большинства предприятий существуют проблемы, многомиллионные потери в пересчете на топливный газ присутствуют у всех. Комплексное обследование, режимная наладка работы печи (печей) способны принести предприятию десятки миллионов рублей дополнительной прибыли. Это реально недорогой и действенный инструмент в повышении эффективности работы печей, отказываться от его применения недальновидно и непрофессионально.
Экологические аспекты работы печей
Экологическая составляющая в работе всех отраслей промышленности, транспорта и других сфер жизни и деятельности человека в XXI веке выходит на лидирующую позицию. Изменение климата планеты Земля происходит быстро, главная задача для человечества замедлить и предотвратить этот процесс. Наиболее активную позицию в данном вопросе занимает Евросоюз, который выступает с новыми инициативами, в том числе введение нового углеродного налога на товары, при производстве которых прямо или косвенно происходят значительные выбросы СО₂ в атмосферу. Технологические печи нефте- и газохимических предприятий ежегодно используют миллиарды кубических метров природного газа в качестве топлива, в окружающую среду выбрасываются миллиарды кубометров дымовых газов с высоким содержанием СО2, СО, NOx. Ежегодно миллионы людей во всем мире умирают от болезней, связанных в том числе с грязным воздухом от технологических печей промышленных предприятий.
Рекомендации ООО «Арсенал Групп» для повышения экологии работы печей
Для снижения выбросов необходимо:
– заменить старые горелки печей новыми эффективными горелками (содержание NOx и СО в выбросах не более 10 ppm);
– применять новые цифровые технологии в работе горелок печей;
– обучать персонал предприятий современным экологическим методам работы печей;
– производить режимную наладку работы печей;
– применять лучшие мировые практики в работе печей;
– законодательно принять новые нормы качественного состава дымовых газов печей по примеру развитых промышленных стран;
– отзывать лицензии, останавливать и прекращать эксплуатацию старых печей с плохой экологией на производствах предприятий – нарушителях экологических норм.
ООО «Арсенал Групп» намерена опубликовать в журнале «Химическая Техника» серию статей, посвященных эксплуатации печей. Ждем ваших отзывов, предложений, идей.
