提高管式加热炉的热效率李鑫终稿课件.docx
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提高管式加热炉的热效率李鑫终稿课件
中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）
题目：
提高管式加热炉的热效率
学习中心：
河北奥鹏学习中心
年级专业：
1403化学工程与工艺
学生姓名：
李鑫学号：
14805380056
指导教师：
于福涛职称：
技师
导师单位：
中国石化石家庄炼化
中国石油大学（华东）远程与继续教育学院
论文完成时间：
2016年06月11日
中国石油大学（华东）现代远程教育
摘要
近年来，随着石油化工工业的迅速发展，管式加热炉技术越来越受到人们的重视。
管式加热炉的燃料消耗在炼油装置总能耗中占相当大的比例，少则20%～30%，多则80%～90%。
所以，提高管式加热炉的热效率，可大量节约燃料用量，对减少能源消耗是非常必要的，也是十分有效的。
关键词：
管式加热炉，热效率，能耗
目录
第1章前言1
第2章影响加热炉热效率的因素及其提高的措施2
2.1影响加热炉的热效率的因素2
2.2提高加热炉热效率的措施2
2.2.1降低排烟温度，减少排烟热损失2
2.2.2降低排烟温度的措施2
（1）减少排烟末端温差2
（2）应用空气预热器3
（3）去灰除垢保证高效的炉热效率5
2.2.3降低过剩空气系数5
2.2.4减少不完全燃烧6
2.2.5减少散热损失7
第3章低温露点腐蚀的安全预防措施8
3.1低温露点腐蚀机理8
3.2壁温与腐蚀速度的关系9
3.3防止和减少低温露点腐蚀的措施11
3.3.1避开烟气露点腐蚀温度11
3.3.2采用耐蚀金属材料11
3.3.3采用热管外敷设非金属材料技术12
3.3.4提高空气进预热器的温度12
3.3.5预热器增加除灰设施12
3.3.6低氧燃烧12
第4章结论12
参考文献：
13
致谢15
第1章前言
热效率是衡量加热炉设计和运行管理先进性的一个重要指标。
它关系着石油化工装置乃至全厂能耗的高低。
因此，加热炉的设计和运行管理部门都必须十分关注其热效率，以避免浪费能源，影响经济效益；同时，也不能盲目追求过高的热效率，使得一次投资过高或尾部换热面低温露点腐蚀和粘灰堵塞，影响长周期安全运转。
所以，本文主要分析分析了影响管式加热炉热效率的因素,主要包括过剩空气系数、排烟温度等。
提出了提高管式加热炉热效率的措施,包括提高空气进入炉膛的温度、控制过剩空气系数、减少不完全燃烧损失和散热损失、降低排烟温度等,进而提高100万吨/年加氢加氢装置加热炉热效率。
其中降低排烟温度被认为是最有效的方法。
但是排烟温度的降低极易引发露点腐蚀问题,对此作了详细阐述,并提出了解决方法。
第1章影响加热炉热效率的因素及其提高的措施
2.1影响加热炉的热效率的因素
影响加热炉的热效率因素很多，主要归纳起来有以下几个因素：
（1）炉子排烟温度越高，热效率越低。
（2）过剩空气系数越大，热效率越低。
（3）化学不完全燃烧损失越大，即排烟中的CO和H2越多，热效率越低。
（4）机械不完全燃烧损失越大，即排烟中的未烧尽碳粒子含量越多，热效率越低。
（5）炉壁散热损失越大，热效率越低。
2.2提高加热炉热效率的措施
2.2.1降低排烟温度，减少排烟热损失
减少排烟热损失可以提高热效率，排烟损失在管式加热炉的热损失中占有较大的比例。
当炉子热效率（如90％）较高时，排烟损失占总损失的70％～80％；当加热炉热效率（如70％）较低时，排烟损失占总损失的90％以上。
2.2.2降低排烟温度的措施
（1）减少排烟末端温差
减少排烟末端温差即减少排烟温度与被加热介质进入对流室温度的差值。
在装置中有需要加热的低温介质时可采用这种冷进料节能的方法，把炉子的对流室作为换热器和换热器流程一起优化考虑。
100万吨/年加氢装置F1101对流室走过热蒸汽吸收热量，供给分馏塔使用，降低了排气温度，达到了减少排烟末端温差。
如图3-1所示：
图2-1
（2）应用空气预热器
运用空气预热器将烟气直接预热空气的优势在于它不受工艺流程的约束，在管式加热炉其它参数不变的前提下，预热温度与热效率的关系是空气温度每提高20℃，炉热效率约提高一个百分点。
需要注意的是随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOX增加，如果没有适当的措施降低NOX，则对环保不利。
同时，空气温度过高，还可能引起燃料油喷头结焦或燃烧器过大的变形等问题，需进一步改进燃烧器结构和提高材质，通常空气预热器后空气温度不宜超过300℃。
目前100万吨/年加氢装置F1101余热回收流程如图3-2所示，利用烟气余热加热空气，降低了烟气温度，同时也达到了节能的目的。
2009年大检修期间F1101余热回收系统管箱在原有基础上增加热管120根，排烟温度如果由160℃降低到120-135℃，加热炉瓦斯节省200-300Nm3/h。
每年节约瓦斯约168万-252万Nm3。
前后节能效果如表一所示：
图2-2
表2-1：
余热回收增加热管前后运行数据对比
进料量T/h
炉膛温度℃
排烟温度℃
空气入炉温度℃
瓦斯量Nm3/h
单耗
Nm3瓦斯/T原料
改造前
122
680-710
165-170
178-185
480-540
3.934-4.426
改造后
155
520-590
120-135
150-170
200-300
1.290-1.935
同时，余热回收装置中的风机和烟机可采用变频调节风量，达到节能目的。
100万吨/年加氢装置F1101自开工以来，风机的风量相对于炉子要求的风量有很大的余量，虽采取关风机入口蝶阀的方法，但通过蝶阀的漏量相对炉子的负荷还是大，装置不得不通过调整炉子二次风门来控制炉子的氧含量，炉子氧含量控制有一定的难度，烟机也是同样的问题，烟机的功率相对于炉子需要的引风量有较大的余量，也是采取关烟机入口蝶阀的方法调整炉子的负压，所以采取关入口蝶阀方法对电能是很大程度的浪费。
而且目前加热炉排烟温度偏高在160-170℃，在满足排烟温度高于加热炉烟气露点温度的要求条件下，加热炉理想排烟温度应在120℃。
为解决这个问题我们将风机和烟机增上变频，炉子的氧含量可以通过调整风机的转速而很容易的控制，并且节省了电能；烟机改变频后，炉子的负压可通过调整烟机的转速而控制，并且节省了部分电能，使操作人员的劳动强度下降。
风机烟机改变频前电流分别为33A、40A，改变频后分别为15.7A、17A，分别节电9.5KW/H和12.5KW/h。
（前后均按进料155t/h，温度320计算）.
表2-2：
风机烟机节电表
改变频前电流A
改变频前电流A
节省电能KW/h
风机
33
16
9.5
烟机
40
17
12.5
由表二可看出改变频后两台风机每小时共节电22KW，每年节省电能192720KW。
（3）去灰除垢保证高效的炉热效率
加热炉不完全燃烧产生的碳粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管的外表面，增加热阻，降低传热效果。
随着积灰的增加，排烟温度迅速上升，热效率降低。
为保证加热炉长期在高效率下运行，必须坚持用吹灰器定期（12或24h）清除积灰。
另外原油脱盐深度对管式加热炉的传热和热效率也有影响。
因为原油中含有Fe、Ca、Na、Cu、Mg、Ni、V等金属杂质，它们以有机物、无机物的形态存在。
尤其是近几年，随着油田深度开采技术的发展，原油性质劣质化倾向更加严重，原油中Ni、V、Ca等金属含量逐年上升。
电解盐工艺也只能将原油中的无机形态的盐类含量脱到小于3mg/L的水平，其它形态的金属盐类最终富集于常压渣油、催化裂化油浆、燃料油中。
加热炉中的积灰主要有粘性积盐、疏松积灰和高温积盐。
2.2.3降低过剩空气系数
管式加热炉的热量是燃料燃烧供给的。
炉中燃料不可能在化学平衡的空气量（理论空气量）下完全燃烧，总要有一定的过剩空气量使燃烧完全。
燃烧需要的实际空气量与理论空气量之比叫过剩空气系数α。
一般炼油管式炉正常过剩空气系数在烧气时为α=10.5～1.15，烧油时为α=1.15～1.25。
实际操作中如果过剩空气量增加，排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟损失增加，热效率降低。
由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量就越多，对热效率的影响就越大。
图1-2表示在不同排烟温度下，过剩空气系数α每增加0.1对热效率下降值的影响。
由此可见，降低过剩空气系数就可以有效地减少排烟热损失，提高热效率。
降低过剩空气系数首先是要选用性能良好的燃烧器，保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧；其次是在操作过程中控制好三门一板（风门、气门、油门和烟道挡板），即不使过剩空气量太大，也不能让空气量不够而出现不完全燃烧，确保炉子在合理的过剩空气系数下运行；三是防止炉子漏进空气，因为炉子大部分是在负压下操作，如在看火窗、弯头箱、炉墙等处漏入的空气不参与燃烧而带走部分热量。
过剩空气系数太大不仅使热效率下降，还可产生诸如加速炉管和炉内构件的氧化、提高SO2向SO3的转化率而加剧低温露点腐蚀等不利之处。
图2-3过剩空气系数对热效率的影响
2.2.4减少不完全燃烧
不完全燃烧除除造成热损失，降低热效率外，还造成大气污染；机械不完全燃烧产生的碳粒还会造成对流室炉管表面和余热回收系统换热面的积灰，影响传热效果。
减少不完全燃烧损失的措施首先是选用性能良好的燃烧器并及时、定期维护，确保燃烧器长期在正常操作范围内能处于良好状态下运行；其次是在操作中精心调节“三门一板”保证过剩空气量适合。
管式加热炉的燃烧器性能一般较好，自动化控制水平较完善，因此不完全燃烧出现较少。
2.2.5减少散热损失
管式加热炉外壁以辐射和对流的方式向大气散热。
散热量与炉子外壁的温度、风速和环境温度等有关。
当内壁温度、炉墙材质、结构尺寸一定时，环境温度下降，炉子外壁温度也下降，实际温差变化不大，散热损失变化也不大；风速增加，外壁温度降低，对流传热系数增加，散热量变化也不大。
即环境温度和风速对炉子外壁温度影响较大，而对散热损失虽有影响但不大。
一般新建炉子的散热损失占总能量的1.5～3％，进一步减少散热损失提高热效率的经济性较差。
对旧炉子来说减少散热损失却是有必要的。
第3章低温露点腐蚀的安全预防措施
露点腐蚀是材料和工作环境反应所引起的材料破坏与变质，它不但造成设备、管线的跑、冒、滴、漏和装置生产中的停工，还会污染环境。
危害人们健康和安全。
提高防露点腐蚀技术和管理水平不但利于装置安、稳欲行，节能降耗，还有明显的经济效益。
管式加热炉的排烟温度从节能的角度考虑越低越好，但低温会引起介质的腐蚀，反而会缩短设备、管线的使用寿命，同时，为降低排烟温度还会增加设备。
管线的一次性投资。
因此，管式加热炉的节能降耗是建立在低温露点腐蚀安全预防基础之上的，只有两者的有机结合，才有可能搞好管式加热炉的安、稳、长、满、优运行。
3.1低温露点腐蚀机理
加热炉燃用的燃料油或燃料气中均含有少量的硫，硫燃烧后几乎全部生成SO2，由于燃烧室中有过量的氧气存在，所以有部分SO2进一步氧化形成SO3。
在正常的过剩空气系数的条件下，全部SO2中有约1％～3％转化为SO3。
在高温烟气中的SO3气体不腐蚀金属，但当烟气温度降到400℃以下，SO3将与水蒸气化合生成硫酸蒸汽，其反应如下：
SO3↑+H2O↑
H2SO4↑
当硫酸蒸汽凝结到炉子尾部受热面上时就会发生低温露点腐蚀。
同时，这些凝结在低温受热面上的硫酸液体，还会粘附烟气中的灰尘形成不易清除的粘灰，使烟气通道不畅甚至堵塞。
而SO2与水蒸气化合生成亚硫酸蒸汽的露点温度低，在炉内一般不可能凝结，对炉子无害。
硫酸露点腐蚀过程中重要的因素是SO3的生成，起生成过程是：
在燃烧区的富氧气氛环境中均匀进行着SO2被氧分子所氧化的放热过程，生成一部分SO3，然后再换热表面上的铁、钒化合物如Fe2O3、Fe（SO4）3、V2O5等的催化作用下，进一步生成另一部分SO3。
在实际生产中的炉子开工初期，上述生成SO3的量一般各占一半，在炉子继续运行过程中，由于管壁积垢的逐渐增厚，使SO2转化为SO3所需反应的触媒不断得到强化，生成的SO3总量也逐渐上升。
这和大部分炉子的运行状况相吻合。
但有的炉子虽然尾部受热面壁温低于理论上计算出的烟气露点温度，确未发现腐蚀的发生。
这是由于某些燃料的灰分（如含有较多的CaSO4、MgCO3的灰分）对SO2转化为SO3的反应不起催化作用，相反减缓、抑制了反应的进行，同时它们还会与凝结在它们表面上的硫酸发生反应。
因此，燃料中含有相同的硫，所形成的SO3的数量却不同，产生的腐蚀结果也各不相同。
SO2转化为SO3的量还与过剩空气系数、燃料中的硫含量有很大关系。
含硫量越多，过剩空气系数越大，SO3的生成量就越多。
烟气露点温度除与烟气中影响SO3的生成量的过剩空气系数、燃料中硫含量有关外，还与烟气中的水蒸气量的多少有关，水蒸气量大，露点温度升高。
以燃料油为主的加热炉中，烟气中水蒸气的体积含量一般约为10％～12％，这时露点温度主要随SO3的量增加而升高。
另外，烟气中水蒸气和SO3体积含量变化时，在冷壁面上冷硫酸的浓度也不同。
3.2壁温与腐蚀速度的关系
烟气中硫酸蒸汽和水蒸气在遇到冷面时就会冷凝，这时凝液中硫酸浓度较大。
因为是部分蒸汽冷凝，使烟气中硫酸和水蒸气的浓度都有所降低（硫酸浓度减低较多，水蒸气降低较少），这样，烟气的露点有所下降。
然后烟气在继续向前流动中会遇到更低的冷面，烟气中的蒸汽还会继续凝结，但凝结液体中硫酸的浓度会逐渐降低。
即烟气中的硫酸蒸汽和水蒸气在冷的换热面上结露是在相当长的范围内进行的，结出的硫酸露中的浓度时逐渐降低的。
烟气凝结液中硫酸的浓度对换热面腐蚀速度影响最大，但浓硫酸对钢铁腐蚀速度较慢，稀硫酸腐蚀速度较快，一般含量为50％左右的硫酸对钢铁材料的腐蚀速度最大，如图3-1所示硫酸浓度对钢铁腐蚀速率的影响。
浓度较高，较低时，腐蚀速度均会减低。
在实际生产运行中腐蚀速度还与钢铁的温度有关。
温度高时，化学反应速度快，腐蚀速度（对同一浓度的硫酸）也较快。
在低温部位受热面上实际腐蚀情况既与结露的浓度有关，还与壁温有关，如图3-2所示腐蚀速率与壁温的关系。
在壁温较高而未结露时，腐蚀速度很低；开始结露时，虽然硫酸浓度较高，壁温也较高，但腐蚀速率并不高；对温度再低一些的换热面，结露中的硫酸浓度变稀，腐蚀速率加快，在低于露点温度10～40℃，腐蚀最大；此后，硫酸浓度继续变稀，温度减低腐蚀速率下降。
最后由于壁温减低，水蒸气大量凝结，腐蚀速率又变得比较激烈。
图3-1硫酸浓度对碳钢腐蚀速度的影响（钢材壁温不变）
图3-2腐蚀速度与壁温的关系
3.3防止和减少低温露点腐蚀的措施
低温露点腐蚀的部位主要在炉子的空气预热器烟气侧，已成为进一步降低管式加热炉排烟温度和提高热效率的障碍，因此要从设计、操作和选材等方面采取措施，来防止和减少低温露点腐蚀。
3.3.1避开烟气露点腐蚀温度
低温露点腐蚀的一般方法是通过精心的设计，在热效率降低不大的情况下，提高换热面如热管的壁温，使之处在烟气露点温度以上。
但是，在低温部位如空气预热器空气入口处，由于操作工况的变化，也会出现低于烟气露点温度的情况，造成酸腐蚀而使热管失效。
烟气出口处热管失效后，会使烟气露点温度逐步移向附近失效的热管管壁处，以此发展，直至大部分热管失效。
因此，设计上避开烟气露点腐蚀只能作为一般对策。
另外，在日常操作中提高常压炉的排烟温度，即常压炉的排烟温度高于烟气露点温度20～30℃，使排烟温度在还未降低到露点温度时，就已经从预热器中通过了。
但是，排烟温度对常压炉的热效率影响较大，排烟温度每升高10℃，热效率下降0.5％左右。
因此，排烟温度控制在160～185℃之间较好。
3.3.2采用耐蚀金属材料
ND钢（O9CrCuSb）具有较高的抗低温腐蚀能力，不但能抗硫酸点腐蚀，而且在Cl-1或Cl-+SO4-2中也具有较高的耐蚀性，其力学性能与碳钢相当。
但ND钢在冶炼工艺上要求较严格，质量较难保证，且价格较高，影响其大量的推广使用。
3.3.3采用热管外敷设非金属材料技术
3.3.4提高空气进预热器的温度
由于空气进预热器入口的温度较低，使得这一区域的热管管壁温度低于烟气的露点温度，从而造成预热器热管管壁的露点腐蚀。
防止的办法是将空气的温度提高，一时利用装置中油品的低温余热将空气加热后进预热器；二是加一热空气循环旁路来提高空气进预热器的温度，即在预热器空气出口和鼓风机入口间设一旁路，使一部分热空气循环。
当然，前提是鼓风机还有余量。
3.3.5预热器增加除灰设施
空气预热器热管上的积灰不但会减低预热器的换热效率，严重时，会堵塞热管翅片间隙，增加烟气流动阻力，影响加热炉的操作，同事还会加速热管管壁的垢下腐蚀。
因此，需采取措施除去积灰，如采用燃气脉冲吹灰器或宽频声波吹灰器进行除灰。
3.3.6低氧燃烧
通过控制燃烧过剩空气量，能有效减少SO3的生成量，降低露点温度，对减少低温腐蚀有利。
实现低氧燃烧必须保证炉墙的严密性，控制好每个燃烧器的进风量，否则易引起机械和化学不完全燃烧，增加排烟热损失而减低炉子的热效率。
第4章结论
从以上提高加热炉热效率的措施中，降低排烟温度是最有效的方法。
提高加热炉效率的途径或措施，在实际生产中需结合装置的特点、工艺要求、费用的高低、设备腐蚀、操作的安全等因素具体而定。
不能只最求效率的提高而不考虑负面影响。
随着科学技术的不断进步，加热炉的计算将不断优化，提高加热炉效率的措施也将不断完善。
参考文献：
[1]徐彬.管式加热炉的安全运行与管理.北京：
中国石化出版社.2005
[2]刘运桃.管式加热炉技术问答.北京：
中国石化出版社.2000
[3]马秉骞.炼油设备基础知识.北京：
中国石化出版社.2003
致谢
本文从拟定题目到定稿，历时数月，并受到了我的论文指导老师于福涛老师的无私指导。
在论文的写作过程中，于老师给了我许许多多的帮助和关怀，在老师的细心指导下，我不仅学到了更多的专业知识，同时又温习了一遍学过的知识。
对老师治学严谨、工作认真负责的态度，给我留下深刻的印象，也使我受益匪浅。
在此，我向于老师表示衷心的感谢和深深的敬意。
同时，我要感谢我们厂给我们授课的各位专业师傅，他们不仅让我学到了专业知识，而且从他们身上也学到了许多做人的道理。
感谢本文涉及到的大量学者。
本文引用了大量的研究文献，如果没有这些学者的研究成果的启发，我将很难完成论文的写作。
感谢我的师傅和同事，他们为我提供了很多的论文素材和收集资料的途径，并在写作过程中给我提出了修改意见和帮助。
我知道我还有很多不足之处，恳请各位老师批评指正！
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