Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
ENCLOSURE STRUCTURE DEVICE FOR PROCESS FURNACES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/200428
Kind Code:
A1
Abstract:
The proposed invention relates to the field of process furnace housing design and can be used for enclosure structures for process furnaces for the oil refining industry, steam boilers and furnaces for heating feedstocks. The invention makes it possible to reduce fuel consumption by reducing heat emission from a furnace housing into the surrounding environment. An enclosure structure device for the housing of a process furnace, comprising a housing with a casing and an inner lining structure, is characterized in that the housing is coated on the outside with a discontinuous, structurally irregular coating. The irregularity of the coating structure is provided by a filler. The use of the claimed invention makes it possible to reduce heat losses from the housing of a process furnace.

Inventors:
SHEVTSOV, Alexander Vasilievich (ul. Mira, 27-53Volzhsk, Volgogradskaya obl. 5, 404125, RU)
Application Number:
RU2017/050039
Publication Date:
November 23, 2017
Filing Date:
May 15, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
OBSCHESTVO S OGRANICHENNOI OTVETSTVENNOSTYU "INTEKHENERGO" (ul. Kirova, 22Volzhsk, Volgogradskaya obl. 2, 404122, RU)
International Classes:
F27D1/00; C09D5/18
Foreign References:
RU2452911C12012-06-10
RU2311397C22007-11-27
US20110050019A12011-03-03
Attorney, Agent or Firm:
KOTLOV, Dmitry Vladimirovich (IP Center "Skolkovo" LLC, Territory of the Innovation Center "Skolkovo" dom 4, of.402, Moscow 6, 143026, RU)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА

1 . Устройство ограждающей конструкции корпуса технологической печи, содержащее корпус с каркасом и конструкцию внутренней футеровки, отличающееся тем, что корпус с внешней поверхности покрыт дискретным, неоднородным по структуре покрытием, состоящим из смеси диспергированных в воде полимеров и наполнителей в количестве от 40 до 70% объёма смеси.

2. Устройство по п.1 , отличающееся тем, что в качестве наполнителей использован вспученный перлит.

3. Устройство по п.1 , отличающееся тем, что в качестве наполнителей использованы микросферы.

4. Устройство по п.1 , отличающееся тем, что наружное защитное покрытие выполнено толщиной от 0,4 до 2,0 мм.

Description:
УСТРОЙСТВО ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Область техники, к которой относится изобретение.

Предлагаемое техническое решение относится к области конструкции корпуса технологических печей (ТП) и может быть использовано для ограждающих конструкций ТП переработки нефтепродуктов, паровых котлов, печей разогрева сырья. Техническое решение обеспечивает снижение расхода топлива, за счет уменьшения теплового потока от корпуса ТП в окружающее пространство.

Конструкции известных ТП в той или иной степени способствуют снижению процессов теплового обмена от корпуса ТП в окружающую среду в основном за счет применения внутренней футеровки. Однако проблема снижения расхода топлива на возмещение тепловых потерь от корпуса, как следует из уровня техники, не решена. Увеличение толщины футеровки печи влечёт за собой либо уменьшение внутреннего пространства печи и как следствие снижение производительности печи, либо увеличение наружных габаритов печи, влекущие за собой повышение стоимости ТП.

Уровень техники.

Известны Трубчатые нагревательные печи по РД 3688-00220302-003-04. Трубчатая печь включает в себя:

- оборудование (змеевики продуктовые, змеевики, предназначенные для выработки и/или перегрева водяного пара, воздухоподогреватели), подвески, решётки и опоры для змеевиков;

- горелочные устройства (на газовом, мазутном или комбинированном топливе);

- гарнитуру (люки-лазы, взрывные окна, шибера);

- теплое ограждение (футеровка, теплоизоляция);

- металлоконструкции (несущие и ограждающие);

- лестницы, марши, газоходы, воздуховоды, трубопроводы, дымовые трубы;

- тягодутьевые машины (вентиляторы и дымососы).

Расчет толщины футеровки и тепловой изоляции корпуса печи, газоходов, воздуховодов и трубопроводов в пределах печи выполняют исходя из условий:

- обеспечения такого значения расчетной температуры наружной поверхности перечисленных выше элементов печи, при которой величина тепловых потерь соответствует принятому уровню технико-экономических показателей печи; соблюден требований техники безопасности.

Расчет величины тепловых потерь через обшивку печи осуществляется при температуре окружающего воздуха, равной средней за год в районе размещения печи, и коэффициенте теплоотдачи от обшивки к воздуху 35 ккал/м 2 ч°С.

Температура наружной поверхности любого элемента печи в зоне ее обслуживания не должна превышать 60 °С. Вне пределов рабочих зон и зон обслуживания печи температура наружной поверхности любого элемента печи может достигать 80 °С, при средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца в районе расположения печи.

Недостатком данного решения является большие тепловые потери от корпуса печи. Например, даже при минимальной допустимой температуре поверхности технологической печи в 60 °С «нормированный» расход топлива на возмещения тепловых потерь от корпуса составляет более 5% от всего расхода.

Известен патент РФ на полезную модель N° 130664 «Многослойная тепловая изоляция». Многослойная тепловая изоляция содержит грунтовочный слой, выполненный в виде водно-керамической композиции марки «Hot Pipe Coating», как минимум, один первый теплоизоляционный слой, выполненный в виде водно-керамической композиции марки «Hot Pipe Coating», расположенный на грунтовочном слое и последующие теплоизоляционные слои, выполненные в виде жидко-латексной керамической композиции марки «Тетр-Coat», расположенные друг на друге своими соответствующими поверхностями и расположенные поверхностью своего второго слоя на поверхности, как минимум, одного первого теплоизоляционного слоя.

Недостатком данного решения является:

- высокий вес конструкции изоляции;

- невозможность постоянного мониторинга поверхности технологической печи под многослойным покрытием;

- сложность ремонта изоляции и малый срок службы подобного покрытия.

Из уровня техники известно множество патентов:

- RU 2304600 С2.С09В5/02, С09В5/08, 20.08.2007. В известном техническом решении применяют композицию, наполненную полыми микросферами, в качестве антикоррозионного и теплоизоляционного покрытия трубопроводов. Изобретение относится к химической промышленности касается создания средств, используемых при антикоррозионной защите и теплозащите различных поверхностей от перегрева, в частности металлических поверхностей, бетонных поверхностей, оштукатуренных поверхностей и других строительных конструкций из металла и бетона, эксплуатируемых в атмосфере агрессивных сред, в частности для теплоизоляции и защиты от коррозии трубопроводов, включая теплоизоляцию трубопроводов теплового и водяного снабжения.

- RU 2502763 С1 , С09В5/02, С09В5/08, 27.12.2013 Антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие, выполненное из водно-суспензионной композиции вязкостью от 1 до 100 Па- с, включающей смесь полимерного связующего 5-95 об.% с наполнителем - полыми микросферами 5-95 об.% - RU 231 1397 Состав для получения теплозащитного покрытия, содержащий полые керамические микросферы в качестве наполнителя, полимерное связующее, технологическую добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит полые керамические микросферы, в качестве полимерного связующего содержит латекс. Все приведенные выше патенты относятся к области структуры и состава жидко- керамических материалов рекомендованных авторами для тепловой изоляции, в том числе и технологических печей.

Технологические печи, состоят из металлического корпуса (редко кирпичного или бетонного) и внутренней футеровки. Тепловая изоляция печи снаружи корпуса жидко- керамическими материалами и другими теплоизоляционными материалами вызывает ряд проблем.

Например, при тепловой изоляции ТП минераловатными или пенополиуретановыми покрытиями снаружи корпуса отсутствует визуальный контроль над состоянием поверхности корпуса печи. Ведомственные нормы эксплуатации пожароопасного оборудования требуют проведение постоянного визуального мониторинга состояния корпуса ТП. Увеличивается нагрузка на каркас ТП. Возрастает температура корпуса под изоляцией.

При тепловой изоляции ТП снаружи корпуса жидко-керамическими материалами повышается температура корпуса. Заявленный в описаниях жидко-керамических материалов коэффициент теплопроводности от 0,003 до 0,001 Вт / м °С обеспечивает термическое сопротивление слоя в 3.0 мм не менее 1 ,0 м 2 °С / Вт. Такое повышение термического сопротивления последнего слоя обеспечивает повышение температуры корпуса ТП более чем на 100 °С. Пропорционально возрастает и температура конструкции футеровки внутри ТП. Перегрев футеровки и обшивки корпуса ведет к уменьшению срока эксплуатации ТП.

Не проходят данные жидкие материалы и по требованиям пожарной безопасности для взрывоопасных производств. Сущность изобретения.

Техническая задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в изменении структуры наружной поверхности корпуса ТП, обеспечивающей снижение теплоотдачи поверхности в окружающий воздух за счет уменьшения теплового излучения и конвективного теплообмена. Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении тепловых потерь от корпуса ТП.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство ограждающей конструкции корпуса технологической печи, содержащее корпус с каркасом и конструкцию внутренней футеровки, причем корпус с внешней поверхности покрыт дискретным, неоднородным по структуре покрытием, состоящим из смеси акриловых полимеров и диспергированных наполнителей в количестве от 40 до 70% по объему.

В частном случае реализации заявленного технического решения в качестве наполнителей использован вспученный перлит.

В частном случае реализации заявленного технического решения в качестве наполнителей использованы микросферы.

В частном случае реализации заявленного технического решения наружное защитное покрытие выполнено толщиной от 0,4 до 2,0 мм.

С наружной стороны ограждающей конструкции ТП наносится состав, содержащий наполнитель (например, микросферы, вспученный перлит и т.п.). Примерами таких составов являются, составы из смеси акриловых полимеров

(28% массы), воды (47% массы) и диспергированных в этой композиции наполнителей оксидов кальция, кремния, титана - (всего 25% массы), составы из смеси латексов (65-75% массы) и диспергированных в них вспученных перлитов (оксиды кальция, титана 35-25% массы). Или, например, составы из смеси латексов (65-75% массы) и диспергированных в них микросфер (оксидов кремния, 35-25% массы). При застывании состава образуется слой сплошного покрытия с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.

Примерами таких составов являются, составы из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объёма всего состава), составы из смеси латексов и диспергированных в них вспученных перлитов (от 40 до 70% объёма всего состава). Или, например, составы из смеси латексов и диспергированных в них микросфер (от 40 до 70% объёма всего состава).

Слой покрытия, образованный на поверхности корпуса получается с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса ТП коэффициентами теплоотдачи.

При максимально допустимой толщине (не более 2,0 мм) покрытия, только наличие в покрытии наполнителя позволит снизить теплоотдачу от поверхности материала. Получается не сплошная (по свойствам), а дискретная поверхность. Дискретная структура материала имеет по сравнению со сплошной структурой более низкую теплоотдачу и теплопроводность. В то же время указанная толщина покрытия, обеспечивает отсутствие перегрева металла корпуса ТП и не мешает визуальному контролю состояния корпуса. Так же при этом обеспечивается ряд требований к пожарной безопасности конструкции ТП.

Краткое описание чертежей.

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано: На фигуре 1 отражён пример ограждающей конструкции корпуса ТП для разогрева сырья.

На фигуре 2 отражён пример ограждающей конструкции корпуса ТП первичной переработки нефтепродуктов.

На фигуре 3 отражён пример ограждающей конструкции корпуса ТП для разогрева сырья с дополнительным защитным покрытием.

На фигуре 4 отражён пример ограждающей конструкции корпуса ТП первичной переработки нефтепродуктов с дополнительным защитным покрытием. На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 - корпус печи; 2 - наружный каркас; 3 - сборную конструкцию внутренней футеровки и тепловой изоляции; 4 - внешнее покрытие корпуса и каркаса ТП дискретным, неоднородным по структуре составом (толщиной не более 2,0 мм), например, составом из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объёма всего состава).

Раскрытие изобретения.

Техническое решение относится к конструкции корпуса технологических печей (ТП) и может быть использовано для снижения энергопотребления и повышения безопасности персонала, а также для дополнительной защиты металлического каркаса ТП от неблагоприятных факторов внешней среды на предприятиях металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Конструкции известных ТП в той или иной степени способствуют снижению процессов теплового обмена от корпуса ТП в окружающую среду в основном за счет применения внутренней футеровки. Однако проблема снижения расхода топлива на возмещение тепловых потерь от корпуса, как следует из уровня техники, не решена. Увеличение толщины футеровки печи влечёт за собой либо уменьшение внутреннего пространства печи и как следствие снижение производительности печи, либо увеличение наружных габаритов печи, влекущие за собой повышение стоимости ТП. В предлагаемом изобретении с наружной стороны ограждающей конструкции

(корпуса) ТП нанесен (толщиной не более 2,0 мм) дискретный, неоднородный по структуре состав.

Примерами таких составов являются, составы из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% всего состава), составы из смеси латексов и диспергированных в них вспученных перлитов (от 40 до 70% всего состава). Или, например, составы из смеси латексов и диспергированных в них микросфер (от 40 до 70%).

После полимеризации состава на поверхности корпуса образуется дискретный, неоднородный по структуре слой покрытия с более низкими по сравнению с материалами корпуса и каркаса ТП коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.

Минимальная толщина покрытия ограничивается «укрывистостью» используемого состава покрытия. Например, для составов, использующих в качестве наполнителя микросферы «укрывистость» не менее 0,2 мм, для составов, использующих в качестве наполнителя вспученный перлит «укрывистость» не менее 0,4 мм. Максимальная толщина покрытия ограничивается противопожарными нормами для особо опасных производств, то есть не более 2,0 мм.

Использование наполнителя в составе менее 40%, резко снижает дискретные свойства поверхности покрытия. Использование наполнителя в составе более 70%, снижает линейное растяжение готового покрытия и как следствие срок службы покрытия.

Только наличие в покрытии наполнителя (от 40 до 70% всего состава) позволит снизить теплоотдачу от поверхности материала. Получается не сплошная (по свойствам), а дискретная поверхность. Дискретная структура материала имеет по сравнению со сплошной структурой более низкую теплоотдачу и теплопроводность. В то же время указанная толщина покрытия, обеспечивает отсутствие перегрева металла корпуса ТП и не мешает визуальному контролю состояния корпуса. Так же при этом обеспечивается ряд требований к пожарной безопасности конструкции ТП.

Пример конструкции ТП для разогрева сырья отражён на фигуре 1.

Ограждающая конструкция данной ТП состоит из слоя футеровки (огнеупорный кирпич) защищенного изнутри термостойкой шпатлёвкой. Далее сборная конструкция стальной обшивки корпуса и каркаса. Стальная поверхность обшивки корпуса и каркаса обработана антикоррозийным составом и защитной эмалью. Марки и технические характеристики используемых в ТП материалов зависят от требований к условиям эксплуатации ТП, возможности поставщиков, стоимости используемых материалов и влияния на предложенное в полезной модели решение не оказывают.

Пример конструкции ТП первичной переработки нефтепродуктов отражён на фигуре 2.

Ограждающая конструкция данной ТП состоит из слоя футеровки (термостойкие минераловатные маты) защищенного изнутри термостойкой шпатлёвкой, слоев тепловой изоляции из минераловатных плит. Далее конструкция стальной обшивки корпуса с каркасом. Стальная поверхность обработана антикоррозийным составом и защитной эмалью. Марки и технические характеристики используемых в ТП материалов зависят от требований к условиям эксплуатации ТП, возможности поставщиков, стоимости используемых материалов и влияния на предложенное в изобретении решение не оказывают.

В обоих приведенных в примерах конструкций корпуса ТП конечным элементом является стальная обшивка. Известно, что сталь имеет высокую степень тепловой отдачи. Влияния защитной окраски на снижение степени тепловой отдачи - нет. Коэффициент теплоотдачи - величина, характеризующая интенсивность отдачи тепла и определяется отношением плотности теплового потока, отдаваемого поверхностью к разнице температур между поверхностью и прилегающей средой. Расчетный коэффициент теплоотдачи, СНиП 2.04.14-88 (применительно), приложение 9, равен 35 Вт / м С.

Открытая металлическая (кирпичная или бетонная) поверхность имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Это связано с физическими свойствами используемых для корпуса ТП материалов. Задача предложенного нами решения изменить физическую структуру наружной теплоотдающей поверхности и как следствие снизить теплоотдачу этой поверхности. При этом не нарушить возможность визуального контроля над состоянием поверхности ТП, не допустить перегрева корпуса.

Как правило, ограждающая конструкция ТП состоит из трёх основных элементов. Корпуса, каркаса обеспечивающего прочность корпуса и внутренней конструкции футеровки (возможно с элементами тепловой изоляции). В ряде случаев функции корпуса и каркаса несёт в себе усиленная конструкция футеровки, например мартеновские печи.

Таким образом, в отличие от традиционной конструкции корпуса печи, состоящего из внутренней футеровки (тепловой изоляции) и корпуса с каркасом, новая ограждающая конструкция ТП включает в себя 4 элемента:

1 - корпус, 2 - каркас, 3 - комплекс внутренней футеровки и тепловой изоляции, 4 - наружное защитное покрытие, толщиной не более 2,0 мм, образованное дискретным, неоднородным по структуре составом, например, составом из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объёма всего состава).

Примерами таких составов являются, составы из смеси акриловых полимеров, воды и диспергированных в этой композиции наполнителей (от 40 до 70% объёма всего состава), составы из смеси латексов и диспергированных в них вспученных перлитов (от 40 до 70% объёма всего состава). Или, например, составы из смеси латексов и диспергированных в них микросфер (от 40 до 70% объёма всего состава).

За счёт более низкой по сравнению с материалом корпуса ТП теплоотдачи и теплопроводности дополнительного покрытия ограждающей конструкции ТП, покрывающего корпус и каркас ТП, тепловые потери от корпуса и каркаса ТП в атмосферу снижаются. Таким образом, техническое решение ведет к снижению расхода топлива на возмещение потерь тепла от корпуса ТП в окружающий воздух. Максимальная толщина защитного покрытия равная 2,0 мм ограничена возможностью обеспечения визуального контроля над состоянием поверхности ТП.

Ограничение объёма используемого в защитном покрытии наполнителя от 40 до 70% от всего состава связано с тем, что при наличии менее 40% наполнителя в составе, снижение теплоотдачи поверхности незначительно и не окупает произведенных затрат.

При наличии более 70% наполнителя в объёме состава снижается способность защитного покрытия к линейному растяжению. После остановки работы ТП подобное покрытие (с наполнителем более 70% объёма) разрушится.

Примером состава защитного покрытия может служить смесь бутадиен- стирольного латекса, акриловых полимеров, аммиака, воды и смеси наполнителей вспученного перлита, кварца, окиси цинка, двуокиси титана. .

Массовая доля растворителя (воды) составляет 47%, массовая доля нелетучих веществ составляет 53%. Массовая доля нелетучих веществ состоит из 28% полимерных компонентов и 25% негорючих неорганических составляющих. В состав нелетучей неорганической части входят оксид кремния 25 %, оксид титана 28%, оксид кальция 19%, оксид цинка 20%, оксид калия 5%, оксид железа 3%.

В результате исследования характеристик сухого покрытия данного состава определено - плотность покрытия - 410 кг/м 3 ;

удельная теплоёмкость - 1 , 10 кДж/кг °С;

коэффициент теплоотдачи - 2,0-3,0 Вт/м 2 о С;

горючесть покрытия - П .

Для сравнения коэффициент теплоотдачи от металлической поверхности в окружающий воздух (СНиП 2.04.14-88, применительно) равен - 35 Вт/м 2 о С. Сравним два варианта расчета тепловых потерь от корпуса ТП с защитным покрытием и без него.

1 вариант. Без защитного покрытия (фиг. 1).

1. δ

Сопротивление теплопередачи конструкции а в - коэффициент тепловосприятия ограждения конструкции - 50 Вт/м 2 о С.

δ - толщина ограждения конструкции - 0,2 м. λ - усреднённый коэффициент теплопроводности всей ограждающей конструкции - 1 ,0 Вт/м °С.

а н - коэффициент теплоотдачи от поверхности - 35 Вт/м 2 о С.

Ro - расчетное сопротивление теплопередачи - 0, 25 м 2 о С/Вт.

Тепловые потери от заданной конструкции - t - температура среды внутри печи - 800 °С.

t H - температура наружного воздуха - 0 °С.

q - расчетные тепловые потери - 3144 Вт/м 2 .

2 вариант. С защитным покрытием (фиг.З).

Примечание: для упрощения сравнительного расчета не учитываем изменение толщины ограждения конструкции и изменения теплопроводности от нанесения защитного покрытия.

Сопротивление теплопередачи конструкции - а в - коэффициент тепловосприятия ограждения конструкции - 50 Вт/м 2 о С.

δ - толщина ограждения конструкции - 0,2 м.

λ - усреднённый коэффициент теплопроводности всей ограждающей конструкции - 1 ,0 Вт/м °С.

а н - коэффициент теплоотдачи от поверхности - 3,0 Вт/м 2 о С.

Ro - расчетное сопротивление теплопередачи - 0,55 м 2 о С/Вт.

Тепловые потери от заданной конструкции - t - температура среды внутри печи - 800 °С.

t H - температура наружного воздуха - 0 °С.

q - расчетные тепловые потери - 1446 Вт/м 2 .

Изменение свойств теплоотдачи ограждающей конструкции ТП позволяет снизить тепловые потери от корпуса ТП в 2,2 раза.