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工艺加热炉基础知识
工艺加热炉基础知识
主要内容
•1加热炉结构和主要技术指标
•2加热炉有关参数介绍
1加热炉结构和主要指标
•1.1概述
–一个设备，具有用耐火材料包围的燃烧室，利用燃料燃烧产生的热量将物质（固体或流体）加热，这样的设备叫做“炉子”。
工业上有各种各样的炉子，如冶金炉、热处理炉、窑炉、焚烧炉和蒸汽锅炉等。
–“管式加热炉”是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉，管式加热炉的特征是：
–1）被加热物质在管内流动，故仅限于加热气体或液体。
而且，这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质，同锅炉加热水或蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛刻得多。
–2）加热方式为直接受火式。
–3）只烧液体或气体燃料。
–4）长周期连续运转，不间断操作。
1.2加热炉的一般结构
•工艺加热炉一般由辐射室、对流室、燃烧器、余热回收系统以及通风系统五部分组成。
•辐射室也称为炉膛，包括燃烧器和风道，炉管和炉管支撑，耐火衬里等，传热方式主要是热辐射，全炉热负荷的70%~80%是由辐射室担负的，是全炉最重要的部分。
由于火焰温度很高（可达1500-1800℃），故不能直接冲刷炉管。
火焰离炉管远，辐射传热量小，所以应尽量减小炉膛体积，节省投资。
1.2加热炉的一般结构
•辐射室炉墙由耐热层、隔热层和保护层组成。
耐热层除能耐高温，还有再辐射性能，能将吸收的热量再辐射给炉膛。
耐热层有耐火砖砌筑和耐火衬里两类。
尤其是陶瓷涂料耐火衬里，不仅耐高温、耐振动、有良好的绝热性，而且辐射系数高，增加了辐射能力。
1.2加热炉的一般结构
•对流室包括遮蔽管，对流管，耐火衬里，管线支撑和挂钩，主要传热方式是对流。
对流室一般担负全炉热负荷的20%~30%，对流室吸热量的比例越大，全炉的热效率越高，为了尽量提高传热效果，对流室多采用钉头管和翘片管。
•燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分。
要使火焰不冲刷炉管并实现低氧完全燃烧。
1.2加热炉的一般结构
•余热回收系统是从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。
回收方法分为两类，一类采用空气预热方式回收热量；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：
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。
圆筒炉
•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。
1.4加热炉的主要技术指标
•1.4.1热负荷
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加热炉的主要技术指标
•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加热炉的主要技术指标
•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。
1.4加热炉的主要技术指标
•1.4.3炉膛体积发热强度
–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加热炉的主要技术指标
•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：
1.4加热炉的主要技术指标
–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加热炉的主要技术指标
•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
1.4加热炉的主要技术指标
•1.4.5管内流速及压降
–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加热炉的主要技术指标
•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。
1.4加热炉的主要技术指标
•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。
2.1燃料的热工性质
•2.1.1燃料油的低发热值
–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：
Ql：
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燃料的热工性质
•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燃料的热工性质
•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
2.1燃料的热工性质
•2.1.3理论空气量的计算
–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：
2.2过剩空气系数
•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。
2.2过剩空气系数
•过剩空气系数大小的影响
–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。
2.2过剩空气系数
•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”。
2.3热效率
•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”。
2.3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。
2.3热效率
•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。
2.3热效率
•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。
2.3热效率
•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。
2.3热效率
•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
kJ/kg燃料
表B3
雾化蒸汽显热
Qw
kJ/kg燃料
表B3
空气显热
Qwi
kJ/kg燃料
表B3
供给能量
QG
kJ/kg燃料
QG=Qardw+Hrx+QW+Qwi
排烟损失
Q2
kJ/kg燃料
表B4
q2
%
q2=Q2/QG
燃料化学不完全燃烧损失
Q3
kJ/kg燃料
表B5
q3
%
q3=Q3/QG
散热损失
Q5
kJ/kg燃料
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：
箱式炉、立式炉、圆筒炉、大型方炉。
•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。
小结
•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
•热效率的计算
–η＝1－q1－q2－q3－q4
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