工艺加热炉基础知识Word格式文档下载.docx
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另一类是采用余热锅炉回收热量。
•通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧器,并将废烟气引出炉子,它分为自然通风方式和强制通风方式两种。
•其它的附件设备包括炉壳体、钢结构支撑、耐火衬里、管板箱、火嘴风门、烟囱、挡板、空气预热器、鼓风机或引风机、仪表、燃料和物料的管线和阀门,吹扫蒸汽接口等。
1.3加热炉的种类
•加热炉按外形大致分为:
箱式炉、立式炉、圆筒炉、大型方炉。
这种划分法是按辐射室的外观形状,而与对流室无关。
•加热炉按用途分为:
炉管内进行化学反应的炉子、加热液体的炉子、加热气体的炉子和加热气、液混相流体的炉子。
1.3加热炉的种类
•立式炉:
由较早的方箱炉发展改进而来。
•底烧横管式(图1-11),附墙火焰式(图1-12)(加氢、焦化装置使用),催化重整装置多使用环形管立式炉(图1-13/14)。
立管立式炉(图1-15),无焰燃烧炉(图1-16)
立式炉
圆筒炉:
•纯辐射式圆筒炉(图1-18、19):
热负荷非常小,简单便宜。
•有反射锥的辐射对流型(图1-20):
反射锥增加炉膛内反射面积,改善受热均匀性,但反射锥易损坏,造价高。
•无反射锥的辐射对流型(图1-21):
最广泛的炉型,制造简单,造价低,放大后炉膛显得空。
圆筒炉
•优点:
–炉管自由悬挂或支撑,可自由伸缩,不受自重的弯曲应力影响;
–管架可安装在炉膛顶的低温处或炉膛外,无需耐高温管架材料;
–火焰与炉管距离相等,同一水平面受热均匀;
–占地面积少;
容易建设,省投资;
–配件少;
外表面积小,热损失小。
•缺点:
–竖直立管不易清焦;
–存在气液分层问题;
–热效率不如立式炉高。
大型方炉:
大型方炉
•两排炉管把炉膛分成若干小间,每间设置一或两个大容量高强燃烧器。
对流室放到地面,可几台炉公用对流室。
•节省占地,便于回收余热,实现炉群集中排烟,减少大气污染。
1.4加热炉的主要技术指标
•1.4.1热负荷
–加热炉单位时间内向管内介质传递热量的能力称为热负荷,一般用MW为单位。
它表示加热炉生产能力的大小。
–加热炉热效率在设计负荷下一般达到最高值,无论降低还是增加负荷,炉子热效率都会降低。
Q=WF[eIv+(1-e)IL-Ii]+Q0
Q—加热炉计算总热负荷,kJ/h;
WF—管内介质流量,kg/h
e—管内介质在炉出口的汽化率,%
Iv—炉出口温度下介质气相热焓,kJ/kg
IL—炉出口温度下介质液相热焓,kJ/kg
Ii—炉入口温度下介质液相热焓,kJ/kg
Q0—其他热负荷,kJ/h
•1.4.2炉膛温度
–炉膛温度指烟气离开辐射室进入对流室时的温度。
加热炉的炉膛温度不能太高,一般控制在850℃以下,但不是绝对的。
炉膛温度高有利于辐射传热,但太高后会使炉管热强度高,容易使炉管结焦和烧坏。
此外,进人对流室的烟气温度也会过高,对流管易烧坏。
因此,炉膛温度是确保加热炉长周期安全运转的一个重要指标。
•1.4.3炉膛体积发热强度
–燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积,称之为炉膛体积发热强度,简称为体积热强度,它表示单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧所发出的热量,一般用kW/m3为单位。
–炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有影响,如果炉膛体积过小,则燃烧空间不够,火焰容易舔到炉管和管架上,炉膛温度也高,不利于长周期安全运行,因此炉膛体积发热强度不允许过大,一般控制在燃油时小于125kW/m3,燃气时小于165kW/m3。
gv:
炉膛体积发热强度,kW/m3;
B:
燃料用量,kg/s;
Ql:
燃料低热值,kJ/kg燃料;
V:
炉膛体积,m3。
•1.4.4炉管表面热强度
–炉管每单位表面积(一般按炉管外径计算表面积)、每单位时间内所传递的热量称为炉管的表面热强度,也称为热通量或热流率,单位为W/m2。
–炉管表面热强度越高,在一定热负荷下,所需要的炉管就越少,炉子体积可减小,投资可以降低,所以要尽可能地提高炉管的表面热强度。
但是,提高炉管的表面热强度也受到一定的限制。
为了使辐射炉管表面热强度比较均匀,一般可以采用以一下方法:
–①尽量采用双面受辐射的炉管。
②在圆筒炉内,为减小沿炉管长度的受热不均匀性,要选择合适的辐射室高径比,同时要选择合适的燃烧器,使燃烧器的火焰长度与炉管长度不能相差太大,例如辐射管长为15m,选用火焰长度为12-13m的燃烧器,这样炉管上下受热趋向均匀。
③在立式炉内,有的在炉子侧面采用多喷嘴;
有的在两排喷嘴间加花墙;
也有在炉子上部加喷嘴,以上措施都是为了改善炉管受热均匀。
•1.4.5管内流速及压降
GF:
管内介质的质量流速,kg/(m2·
s)
W:
管内介质流量,kg/s
N:
管程数,即炉管路数
F0:
一根炉管的流通截面积,m2
–油品在炉管内的流速不能太低,否则易使管内油品结焦而烧坏炉管。
因为流速太低时,管内边界层厚度大,传热慢,管壁温度升高,而且油品在管内停留时间长。
但流速过高又增加了管内压力降,增加了动力消耗,所以应在合理的范围内力求提高流速。
压力降是判断炉管是否结焦的一个重要指标。
•1.4.6热效率
–热效率表示向炉子提供的能量被有效利用的程度,其定义可用下式表示:
–有效吸热量即炉子的热负荷,热效率是衡量燃料消耗、评价炉子设计和操作水平的重要指标。
•设计规范规定:
当燃料中含硫量等于或小于0.1%,管式炉热效率不应低于下表指标。
炉别
一般管式炉设计热负荷MW
转化炉或裂解炉
<
1
1-2
>
2-3
3-6
6~12
12~24
24
热效率%
55
65
75
80
84
88
90
91
2加热炉有关参数介绍及计算
•2.1燃料的热工性质
•包括燃料的发热量、空气量、烟气量、烟气组成、烟气分子量和密度、烟气热焓和比热、理论燃烧温度等。
2.1燃料的热工性质
•2.1.1燃料油的低发热值
–燃料油主要有碳和氢两种元素组成,还有硫、氧、氮等。
氧和氮含量很少,可以忽略。
可以用燃料油的相对密度估算其碳和氢的含量:
–H、C、S分别为燃料油中氢、碳、硫的重量百分数,如含碳86%,则C=86。
–燃料的发热量是燃料定温完全燃烧时的热效应,即最大反应热。
–燃料油的发热量可按元素组成计算:
燃料油低热值,kJ/kg;
C、H、O、S、W:
燃料油中碳、氢、氧、硫和水分的质量百分数。
•2.1.2燃料气的低发热值
–燃料气包括H2、CO、H2S和C1~C5烃类气体,还可能含有N2、O2、CO2、SO2等。
燃料气可近似看作理想气体。
–燃料气低热值:
Ql=∑YiQli
式中Ql:
燃料气低热值,kJ/kg燃料气;
Yi:
单一气体的重量百分率;
Qli:
单一气体的低热值,kJ/kg;
可由数据表查得。
•2.1.3理论空气量的计算
•
燃料油理论空气量:
L0:
理论空气量,kg空气/kg燃料
–燃料气的理论空气量:
L0=∑YiL0i
L0i:
单一气体的理论空气量,kg空气/kg燃料
2.2过剩空气系数
•燃料在燃烧时需要氧气,在空气中氧气体积约占21%,氮气约占79%,所以燃料在燃烧时需要供给空气。
1kg燃料油在燃烧时所需理论空气量(α=1)约为14.2kg(11Nm3)。
在实际的加热炉中,由于从燃烧器进入的空气不可能全部都参与燃烧,另外,也由于从炉子其他不密封处漏入了空气,所以实际进入炉内的空气量总是比理论空气量多,前者与后者之比叫做过剩空气系数,即:
•过剩空气系数大小的影响
–过剩空气系数是影响炉效率的重要指标。
–过剩空气系数大,入炉空气多:
•1)影响传热,相对降低炉膛温度;
•2)排烟量大,热损失增加;
•3)烟气氧含量高,炉管表面氧化腐蚀。
–在保证燃料完全燃烧的前提下,尽量降低过剩空气系数。
–过剩空气系数过小:
产生化学不完全燃烧,烟气中有CO、H2、CH4。
机械不完全燃烧,排烟中有炭黑粒子,污染受热面,污染环境。
•过剩空气系数的确定
•α——空气系数
•O2——烟气氧含量,%;
•CO2——二氧化碳生成量,kg/kg燃料;
•H2O——液态水或汽生成量,kg/kg燃料
•W——雾化蒸汽量,kg/kg燃料;
•SO2——二氧化硫生成量,kg/kg燃料;
•N2——氮生成量,kg/kg燃料
•L0——理论空气量,kg/kg燃料。
2.3热效率
•根据供给能量和损失能量所包括的内容不同,有热效率和综合热效率之分。
热效率表示管式炉体系中参与热交换过程的热能的利用程度。
它的供给能量中一般只包括燃料低热值和燃料、空气及雾化蒸汽带入的显热。
损失能量包括排烟带走的热量和散失的热量。
从这个意义上说,它也可以叫做“燃料效率”。
•国家标准GB2588-81《设备热效率计算通则》中定义的热效率,内容要比上述管式炉惯用的热效率全面,它规定供给能量中还应包括外界供给体系的电和功(例如鼓风机、引风机和吹灰器电耗、吹灰器蒸汽消耗等)。
对于管式炉体系来说,这些电和功一般不转换成有效能,几乎全部变成由于摩擦等原因而引起的能量损失。
为了和管式炉惯用的“热效率”区别,命名为“综合热效率”。
•热效率的计算
–计算热效率的简单公式:
η=1-q1-q2-q3-q4
–式中q1、q2、q3、q4分别为排烟损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失和散热损失。
•损失热量包括:
–烟气带走的热量,包括烟气在排烟温度和基准温度下的热焓差、化学不完全燃烧造成的损失和机械不完全燃烧造成的损失;
–烟气中雾化蒸汽带走的热量;
–炉墙、烟风道及空气预热器等的散热损失。
•q1可根据过剩空气系数和烟气出对流室的温度由图表查得;
•q2化学不完全燃烧损失的热量是由于烟气离开体系时含有CO、H2、CH4等造成的,其值等于这些可燃气体的发热量之和。
–Vg:
干烟气量,Nm3/kg燃料,可由燃料的热工计算得到,或参考数据表。
–CO、H2、CH4分别是CO、H2、CH4在干烟气中的体积百分数。
•q3机械不完全燃烧热损失是由于烟气离开体系时含有可燃固体(碳粒)造成的,可由下式计算:
–Nc:
烟气中碳浓度,mg/Nm3干烟气。
•q4散热损失一般变化不大,立式炉和圆筒炉约为0.02~0.05。
•实际操作中,按照中国石油天然气股份公司企业标准《石油化工工艺加热炉节能监测方法》对加热炉进行热效率的计算,采用反平衡方法。
•标准中规定,加热炉监测项目包括:
排烟温度,烟气中一氧化碳含量,炉体外表面温度,空气系数,热效率。
基准温度规定为15.6℃,在计算燃料、空气、雾化蒸汽等显热时,要用查表得到的实际温度下的焓值与基准温度的焓值做差,所得的焓差再带入表中计算。
烟气分析数据取辐射段出口处监测数据。
炉体外表面温度应每1~2m2设一个测量点。
规定中表B7为最后热效率计算结果,见下表。
项目
符号
单位
数据来源或计算公式
数值
燃料低发热值
Qardw
kJ/kg燃料
实测或表B1
燃料显热
Hrx
表B3
雾化蒸汽显热
Qw
空气显热
Qwi
供给能量
QG
QG=Qardw+Hrx+QW+Qwi
排烟损失
Q2
表B4
q2
%
q2=Q2/QG
燃料化学不完全燃烧损失
Q3
表B5
q3
q3=Q3/QG
散热损失
Q5
表B6
q5
q5=Q5/QG
反平衡法计算热效率
η
η=〔1-(Q2+Q3+Q5)/QG〕×
100%
小结
•加热炉结构:
辐射室、对流室、燃烧器、余热回收系统、通风系统五部分组成。
•加热炉的种类:
•加热炉的主要技术指标:
热负荷Q、炉膛温度、炉膛体积发热强度、炉管表面热强度、管内流速及压降、热效率。
•燃料的热工性质
–燃料的低发热值
–理论空气量的计算
•过剩空气系数
–对加热炉热效率的影响
–影响过剩空气的因素
–η=1-q1-q2-q3-q4