通过改造提升加热炉性能要点.docx
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通过改造提升加热炉性能要点
通过改造提升加热炉性能
引言
美国新建的加热炉的数量正在稳步回落。
在过去的5年中，改造加热炉是主要增长的领域。
工厂运行人员正努力盈利运转，他们正努力获取加热炉的最大效能。
多数工厂业主正改造加热炉以提高产品的成品率和性能。
图一所示为一个典型的水平管箱加热炉。
地板
烟道挡板
烟道
看火门
翅片管
钉头管
燃烧器
辐射管
辐射室
对流室
烟囱
图一水平管箱加热炉
改造的原因
提升加热炉效能的最简单的方法就是超高温燃烧，工厂运行人员通常采用这种方法。
一些加热炉处于过燃烧状态，超出了加热炉是设计上限。
这是要改造的第一步。
加热炉过燃烧的局限性正在显现。
可能出现如下状况：
1.金属管道温度过高
2.火焰冲击
3.弯拱正压
4.ID和FD风扇局限
5.给水泵达到极限
一旦达到了极限，加热炉的性能就不能进一步提升。
产生局限的原因可能由于原始设计、加热炉的机械条件或者可能是新的运行条件。
通常运行监控人员首先发现局限性，然后通知项目工程师和技术服务工程师，下一步就是计划改造加热炉。
改造目标
加热炉改造的目标通过提升加热炉的性能提高利润。
改造的方向可以集中在：
1.提升加热炉的容量
2.提升加热炉承受能力
3.提高热效率
4.提高运行长度
降低加热炉NOx的排放是常见举措，工厂运行方能够借此提升加热炉的性能，也能获得些投资回报。
改造提升加热炉性能的实际而有效的方式。
改造的范围可以小至修改控制部件，大到从现有的结构上完全重建加热炉。
通过改造，大幅度增加了加热炉的使用寿命。
改造的其它优势是：
开销最小并且巨大多数的基础设施能够有效利用。
不需要额外的购置新的加热炉。
对于加热炉的所有者和管理人员来说，意味着更高的性能，更高的效率，更低的开销。
现阶段，需要进行利弊评估。
改造加热炉的下一步是现场调查。
表1
参数
代替对流段
提升对流段
排数
6
8
热负荷MMBtu/hr
45.0
50.0
热效率%
81
86
供给热量MMBtu/hr
54
57.5
光管数
24
24
翅片管数
48
72
价值，美元
100.000
112.000
支付
3个月
管空间
新增管
现存管
现存管
新增管
主要结构
二排光管
六排翅片管
改造后
改造前
二排光管
四排钉头管
现场调查
改造主要集中在提升现存的加热炉。
因此在改造方案最终确定之前，需要对加热炉性能进行彻底的评估和分析。
现场调查是最重要一步。
现场调查就是收集在受控条件下运行的数据。
要收集的数据包括气体温度、压力分布、燃烧空气温度和压力分布、过程临界条件等等。
红外热像仪是有效的采集管道金属温度的仪器。
如果加热炉装有空气预热系统则能够立即采集预热空气和风扇的数据。
调查过程中自始至终需要温度压力分析测量。
调查过程中，仪器多半是不方便的。
现场需要数据测量并且通过亲自检查可以发现局限。
案例研究
加热器装有空气预热系统，该加热器所需空气不多。
强制通风机叶轮已经是超大号的最大额定值。
其中一个备选方案是用一个更大的风扇更换送风机，但空间的可用性是一个制约因素。
在实地调查，发现在吸气管具有约4英寸的压力降的WC，也可以减小。
安装了一个超大的具有消音器的吸气管，扇头增加了3英寸。
还发现，空气流量计的安装造成了高压力降。
除去流量仪表能简化这个问题。
在实地调查过程中的另一项发现是在空气预热系统周围助燃空气旁路被关闭。
打开旁通禁区降低了压降，并瞬间增加了FD风机容量。
识别变化
下一步的改造是确定将采取什么来实现这一目标。
局限之处需要被指出，问题需要被诊断。
其中一种方式是评估加热器在目前的操作状态的状况和在预计的工作条件下的状况。
在预计的运行状况下的估计将突出需要注意的参数。
这可能是高管金属温度或高侧流体压降。
高管金属温度将要求冶金变化。
高流体侧压降需要在进料泵处改变。
另一种方法是调查和消除造成高金属管温度或高流体压力降的原因。
几种方案进行评估，并选择一个最合适的。
许多因素都考虑在内，如关机的时间，空间的可用性和资本预算。
加热炉
共同烟囱
外部对流
加热炉
加热炉
改造方案
几种改造方案可以增加加热炉的性能。
其中主要有：
1.在辐射或对流段增大传热面积。
2.转换加热器自然通风为强制通风。
3.增加空气预热。
4.添加蒸汽锅炉（提高加热炉的效率）。
表2
参数
改造前
改造后
总热负荷MMBtu/hr
45.0
52.84
过程耗能MMBtu/hr
42.38
52.84
液体流速，BPD
23.000
26.500
辐射流量Btu/hrft2
8.989
11.918
精炼率MMBtu/hr
50.90
59.0
增加对流面
对流段传热任务可通过加入对流传热传输表面而提高。
用烟道气的温度的方法可以减少到流体入口温度为90℉。
这可以通过几种方式来完成，其中的一些描述如下：
增加管
两行额外的管可以不作重大的改变，如图3被安装在大多数加热器的对流层。
大部分的加热器会添加额外的两排管。
入口管道终端需要搬移。
如图所示4，如果还没有提供用于管道的空间，对流段可以延伸到烟道，以腾出空间。
案例分析
现有的石脑油沸器加热器具有975℉的烟道气出口温度。
进料口温度只为320℉。
客户选择取代对流段。
建议安装一个有两个额外的排数的新对流段。
新升级的对流段将降低烟气温度为500℉可达到5MMBtu/hr的额外热量的吸收。
客户得到了10％的额外生产力，5％的额外效益在不到3个月中支付。
在表1中给出参数的比较。
用扩展面管取代光管
建于1950-1960年的一些对流段，设计采用光管。
这些管子可以换成翅片管或钉头管，以增加传热面积。
相比较光管而言，一个典型的钉头管提供了2到3倍以上传热面积和翅片管可以提供高达8-11倍之多。
改造方案中一种常见的限制是现有的中间和结尾管板。
相同尺寸的光管的延长面管将不适合在现有的在对流段管板。
一个可供选择的方案是用新的对流段更换整个对流部分。
这带走管的尺寸限制。
钉头管或翅片管的对流段在高度上是紧凑的。
如果重油燃料油燃烧，这将需要安装吹灰器。
蒸汽圈
蒸汽圈
改造后
过程线圈
三排光管
六排翅片管
四排翅片管
改造前
过程线圈
三排光管
六排翅片管
八排翅片管
用钉头管取代翅片管
在70年代初和80年代一些对流段被设计用作石油和天然气烧制。
这些对流段都布满了管子。
这些管子可以替换为燃气机组翅片管。
翅片管比钉头管提供更大的换热面积，并导致更少的压力降。
翅片管比钉头管便宜。
同时改变钉头管与翅片管，匹配翅片和钉头管的外部尺寸是重要的。
这将利用现有的管板。
案例分析
一个粗略的加热炉对流段是用于石油和天然气燃烧的管子设计而成的。
目前仅使用燃料气。
客户一直在寻找在火焰加热器额外的容量。
四排钉头管的换成了6排翅片管（使用提供的2个额外排数）。
降低入口温度100℉以降低气体温度和加热器容量提高了5％。
图6显示了改造前后的对流层，需要抵消额外管侧压降。
在一些装置，陶瓷纤维已被用作在对流段的衬里以减少的附加结构的重量。
有些设施还没有在对流段使用陶瓷纤维。
额外的热传递表面增加了烟气压降。
可用性草案是降低烟气温度。
这需要重新评级烟道气的工作条件。
其中一个备选方案是使烟道较高或在对流段的顶部添加一个引风机。
需要加热器的现有基础和结构的检查，以确保额外的负载是否安全由基金会承担。
有时候地基荷载限制可能不允许任一选项。
在这种情况下，一种可能性是将安装一个烟道或将对流段和堆叠在一个单独的基础。
外部对流管将被添加在更多的地方（一安装在一个独立的外部结构）如图5所示。
此外，流体压力在加热器升上去。
有时需要新的进料泵。
服务变更
多数加热炉在转换部分有蒸汽加热功能或者蒸汽产生功能。
在不需要蒸汽或者能产生蒸汽的其它地方，可以用过程服务来替代以上的服务。
此外，热量转换器表面能够从废气中获取更多的热量，此过程的热负荷将增加。
管道尺寸、通道数量等许多因素需要考虑。
整个加热器需要找出总的变化的影响。
当蒸汽有较高的进气温度时，在经济上不可行。
然而，如果加热炉装有空气预热系统，就能够减少服务变更的影响。
案例研究
真空加热器中有蒸汽加热线圈对流部分。
在改造过程中，将被转换为过程服务。
燃烧率增加了15%，过程的热负荷量增加了25%。
表2中列出改造前后的对比。
案例研究
反应器的进料加热器和蒸汽发生器一起设计在对流部部分，并配备了蒸汽预热系统。
客户寻求如何增加过程的热负荷。
通常建议用过程服务更换位于对流部分的蒸汽产生线圈。
通过过程服务中更多的热转换面积，过程热负荷增加了10%。
此外，剧烈燃烧又增加了10%。
图7所示为改造前后的对流段。
多数情况下需要对流器的改造，能够证明预制转换器部分、替代部分或完整的对流部分十分经济。
预制显著减少了停机时间。
预制还消除了与管板的约束，耐火材料等。
实地调查也降低到最低。
辐射段改造
由于地基、钢结构、燃烧器布局以及加热出口管道的限制等因素，辐射箱尺寸通常保持不变。
由于箱体尺寸不变，箱体中管道的数目依赖于管道的尺寸和间距。
典型的辐射段中，不论管道的大小，传热面积通常是恒定的。
表3中为立式圆筒炉的比较。
表3
参数
4英寸圈
5英寸圈
6英寸圈
燃烧室内直径
25英尺
25英尺
25英尺
燃烧室内高度
63英尺
63英尺
63英尺
管数
112
90
75
管心距
8英寸
10英寸
12英寸
管长度
60英尺
60英尺
60英尺
管圆直径
23英尺.9英寸
24英尺
23英尺.10英寸
传热面积
7916平方英尺
7862平方英尺
7803平方英尺
案例研究
立式圆筒炉在一个辐射段中有四段流体通过，热负荷能够达到112MMBtu/hr。
客户希望将吞吐量提高10%，同时将出口温度提高65℉来提高产量。
在现有的线圈配置中，压力降会增加至237磅。
需要改变进料泵、大量的热转换器和加热管道。
在辐射段每隔10英寸有88.5英寸的管道。
有人建议用6英寸的线圈取代先用的辐射线圈。
每隔12英寸放置72.6英寸管道取代现有的88管道。
流体的压降减小到170磅。
使用更大的管道需要使用新管道来支撑引导，底板和耐火材料的改造。
分频器也要改造。
以减少停机时间最好的办法是在夹片中预先制作辐射盘管。
表4中所示为改造前后的对比。
表4
参数
改造前
改造后
热负荷MMBtu/hr
113.61
113.61
液体流速lb./hr
559.500
559.500
入口/出口温度F
403/600
403/600
入口/出口压力psi
282/45
220/45
压力降psi
237
175
管数
88
72
管尺寸，英寸
5
6
在某些情况下，将现有的辐射段扩大或者在现有的辐射段中加装新的辐射段。
延长立式圆筒辐射段的高度是其中一种做法。
在某些水平管道加热器中，在弯拱或者接近地面有时有空间安装一些额外的辐射管道。
这种方法将辐射部分吸热提高了几个百分点。
在许多时候，为了获得额外的热负荷，将小箱体辐射段加装到现有的箱体加热器中。
在某些立式圆筒炉中，将箱体的长度延长使得箱体的辐射表面积增加。
这种类型的改造往往是再安装额外的燃烧器。
可以增加25%的辐射区。
案例研究
其中一个加热器被设计成为带有整体对流段的立式圆柱加热炉，但是有辐射圆锥体故障和热效率低的问题。
改造中，将切断辐射段，加入新的圆柱形片将辐射段延长了10英尺。
现有的辐射管改造成了新的长管。
在辐射段的顶部加装了水平管道对流段。
提高了加热器的容量和效率。
烟囱的改造
烟囱是火焰加热器的三个主要组成部分中最简单的部分。
在加热器的操作中扮演重要的角色，主要功能是安全、有效的处理烟气。
如果尺寸不正确，系统中会产生正压从而限制了燃烧率。
烟囱很容易修改，但增加的高度或直径直接影响风力负载。
为了增加负载，需要检查现有的加热器结构和基础设施。
在一开始考虑到未来的扩展仍然是扩大烟囱尺寸的好办法。
案例研究
一个工厂在原料单元有两个空气加热炉和一个真空加热炉。
所有三个加热炉都是自然通风，并建立了各自的烟囱。
加热炉都是在顶部带有对流段的箱式加热炉。
客户决定通过增加对流段来提高加热炉的效率。
为了减轻基础设施的重量，取出单个加热炉烟囱并用一个普通级烟道连接。
后来由于对流段结垢，其中一个加热炉中开始产生正压。
经过现场调查，分支部分在烟气通道中产生了很高的压降。
对改造分支部分和在真空加热炉顶部安装新的烟囱这两种方法进行了探讨。
安装一个新的烟囱是较好的选择，因为它更便宜、简单。
案例研究
在一个苯乙烯工厂中，蒸汽过热器通过增加辐射段来改造。
在发夹型处有更多的辐射表面积，在地板上加装了有更多的燃烧器。
当改造完成，并且加热炉启动时，它开始产生正压，发现烟囱没有足够的容量。
推荐的方法是安装ID风扇或者扩展烟囱的容量。
仪表：
流量测量
一些工厂，改进预热换热器使容量增加。
由于增加热恢复使炉子的入口温度通常升到50-100℉。
即使增加吞吐量反过来也会降低了总热负荷。
这些计划中有一个问题是要注意一个闪烁的电荷流入。
每次测量和控制流量时可能会造成闪烁液问题。
氧气分析仪
一种立式圆筒炉分为两个部分包括分离服务和一个共同对流段。
虽然它是大量仪表却也不能满意地操作。
在对流段空气调整是通过一个单一的氧气分析仪。
导致错误操作的原因一方面是漏风和另一方面是过剩空气。
添加另一个氧气分析仪和重新安装都在辐射室解决了这个问题。
自然通风
良好的自然通风燃烧器要求过剩空气和有很长的火焰长度。
空气压降在燃烧器是有限的0.3-0.6WC。
燃烧空气是在非常低的速度发生的；空气和燃料是很难混合好的。
这导致过剩空气水平接近30-40%的燃油和15-20%燃料气。
这些燃烧器的火焰长度一般是一个ft/MMBtu燃气和两个ft/MMBtu燃油。
低NOx燃烧器火焰长度比这些数字更高50-100%。
强制通风燃烧器使用空气压力引起的高空气流速2-6英寸。
这造成了很多辐射在燃烧室。
导致燃烧室管内受热均匀。
火焰短且稳定。
许多工厂运营着大火力加热炉。
在强制通风燃烧器，空气的压力能促进燃料和空气的混合，过剩空气限制10-15%的燃料油和5-10%的燃料气。
强制通风燃烧器还提供了以下优点：
（1）更有效地燃烧
（2）减少颗粒排放
（3）控制好火焰形状和稳定性
（4）安静的操作
（5）尽可能的预热燃烧空气
空气预热
热空气
引风机
鼓风机
燃烧器
烟囱挡板
热烟气
冷烟气
冷空气
加热炉
过剩空气减少了10%意味着节省0.5-1.0%的燃料，根据烟气温度（图2）。
过剩空气减少通常会节省燃料2-3%，以及更好的热传递。
提醒一句：
减少过剩空气不推荐使用低NOx燃烧器。
当低NOx燃烧器有很长的火焰和降低过剩空气低于设计水平会使操作更加困难。
强制通风燃烧器代替自然通风燃烧器将不得到经济回报。
这一改变证明更有利于加热能力和火焰脉动的消除的结合是有道理的。
若燃烧室密封好，会是一个很好的加热炉。
提高性能需要点火困难这可能会导致火焰脉动。
在这种情况下，强制通风燃烧器是短火焰并会性能提高。
火焰减小，燃烧室温度均匀化。
真空加热炉：
案例研究
真空加热炉的自然通风燃烧器的缺点是火焰高度低，主要是由于火焰冲击问题。
客户希望允许将燃烧器更换成低NOx燃烧器由于问题。
六低NOx燃烧器代替六燃烧器会使火焰冲击。
安装三个额外的低NOx燃烧器变成九个燃烧器来解决问题。
指定正确的燃烧器改进的燃烧器的火焰模式和传热。
图显示了燃烧器的布置之前和之后改造。
在更换自然通风燃烧器，检查加热地板的高度，因为强制通风燃烧器要求管道和更深的风箱。
空间也可用于管道。
增加空气预热系统
增加空气预热器一直是改造加热炉最普遍的方式。
每降一个35℉在出口烟气温度的提高1%热效率。
总储蓄的范围从8%到18%。
如果烟气温度是高于650℉和加热器的尺寸是50MMBtu/hr或更多空气预热器是有经济吸引力的。
热回收装置的燃烧空气预热器安装对流段和烟道之间（图12）。
锅炉补给水
汽鼓
出料
进料
蒸汽过热器
省油器
蒸汽锅炉
燃烧器
烟囱
引风机
安装空气预热系统是一个重大的改造。
它需要安装强制通风燃烧器，强制通风，和引风机，热与冷烟风道，和空气预热器。
空间必须用于回转式空气预热器，风机，管道，和烟道挡板。
目前有两种类型的空气预热器：
间壁式和蓄热式。
虽然间壁式预热器比蓄热式预热器大而且昂贵，但它是简单的，很少需要维修，抗腐蚀，不需要电源。
一个典型的间壁式空气预热器单体图13所示。
另一个预热器循环液型，其中流体中提取热量从加热器对流室和加热燃烧空气通过热交换器。
加热炉只需要一个引风机。
因为液体是从一个箱通过一个闭环抽水，这样的安排是在工厂中已经存在的热油循环系统。
对于低的温度，锅炉给水可以作为传热流体。
随着预热器的加入，热水器必须相关因为空气预热增强辐射热吸收。
这就提出了辐射热通量和壁温。
这种类型的火焰加热器可以一般操作（应该检查）约10%到25%更高的责任。
蒸汽发电
余热锅炉和锅炉给水预热，将被浪费的热量回收的经济的解决方案。
烟气可以冷却到50℉的进口锅炉给水温度产生中压或低压蒸汽。
冷端腐蚀限制烟气温度，锅炉的给水入口温度必须足够高，以避免冷凝酸。
大多数的加热器对流段可以安装一个小锅炉给水预热器不需要重大修改。
通常，一个余热锅炉的要求是外侧对流系统有引风机和烟气管道。
裂解炉和蒸汽重整炉，余热锅炉是首选，因为余热蒸汽源拥有两者的工艺流程。
一个典型的结构如图14所示。
改造的约束效率
在某种程度上热可以从烟道气中提取，而燃料中硫的存在是严重的限制。
重量约6%到10%的硫磺在燃料燃烧后会形成SO3，冷凝硫酸。
烟道气中SO3含量越大，露点温度越高，如图15所示。
壁温应保持至少25℉高于硫露点。
最小的温度275℉时燃料的硫含量小于1%，300℉时燃料含硫量有4%到5%。
避免烟气露点腐蚀通常采取一些步骤来预热助燃空气与低压蒸汽或热水，从空气预热器出口保持较高的空气入口温度中回收一部分热空气，并用低合金耐腐蚀钢或非金属。
其他的限制
改造加热炉还有其他的一些限制作为参考，他们是：
1.可用空间
2.资本预算
3.加热器的设计与施工
4.停机时间
改造中这些因素也应是不可忽视的：
1.计划和协调
2.订购设备尽可能提前
3.承包商现场协调
4.夜以继日地工作
即使关闭期间的一天或一天的延迟减少，在总生产力中它将产生巨大的差异。
结论
如果处理得当加热炉的改造潜力很大。
加热炉曾经被认为其使用寿命为20-25年。
随着改造技术的正确运用，可以增加使用寿命到40-50年。
我想提出一个小案例研究，在1956年建成的加热炉其生产能力尽可能的提高了近100%。
虽然改造很难，但经过不断的完善，加热炉达到了原生产能力的200%。
所有的改造总结：
全程的热负荷从26.4MMBtu/hr提高到了52.2MMBtu/hr；
热释放从43.3到58.0MMBtu/hr；
辐射热通量从8000Btu/hrft2到12000Btu/hrft2；
热效率从70%提高到90%。
参考文献
“优化加热炉操作，节省资金”Garg，烃加工，6/97
“更好的低NOx燃烧器”Garg，化工进展，1/94
“减少加热炉中的NOx”Garg，化学工程，11/92
“每一个BTU计数”Garg和H.Ghosh，化学工程，10/90
“如何提高加热器的性能”Garg，化学工程，11/89
“更好的燃烧器的规格”Garg，油气处理，8/89
“良好加热炉的说明书”由Garg和H.Ghosh，化学工程，7/9/88
个人信息
AshutoshGarg是加热炉改进的热工程师，德克萨斯州（电话（281）980-0325，传真（281）980-4318，电子邮件info@）。
在精炼和石化行业的设计、工程、炉和燃烧系统故障排除等方面有24年的经验。
他1974年5月毕业于位于印度坎普尔的印度理工学院的化学工程专业。
他开始在一个合成氨厂做一个工程师。
随后6年在印度KTI，8年在新德里的EIL的加热炉部门。
在1990年5月加入了在圣迪马斯的KTI公司，该公司于1992年搬至休斯顿。
在贸易杂志上，他发表了多篇关于加热器和燃烧器的论文。
他是注册专业工程师，并且是AICh.E和ASME的成员。
他也是换热设备的API小组委员会的成员，并在新的API标准任务组。
经许可，电子转载于烃加工（1998年6月）
©版权所有1998年，石油工业出版社，德州
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