加热炉计算

管式加热炉一、加热炉热负荷及热平衡计算二、炉内燃烧过程计算三、炉内辐射换热计算四、炉内对流传热计算五、阻力降计算六、氮氧化物的生成和控制一、加热炉热负荷及热平衡计算热负荷计算、热平衡计算、热效率计算（一）热负荷计算热负荷：加热炉单位时间炉管内介质吸收的热量称为有效热负荷，简称热负荷，单位为千卡/时或kw/h。总热负荷：原料和水蒸汽通过加热炉所吸收的热量以及其他热负荷如注水汽化热等称为总热负荷。加热炉的总热负荷可以根据各介质进出炉的热焓及汽化率来计算：式中Q——加热炉总热负荷，千卡／时；WF——油料流量，公斤／时；Ws——过热蒸汽量，公斤／时；e——原料气化率，％；IL——加热炉炉出口温度下油料液相热焓，千卡／公斤；IV——加热炉炉出口温度下油料气相热焓，千卡／公斤；Ii——加热炉炉进口温度下油料液相热焓，千卡／公斤；Is1——过热蒸汽进口时热焓，千卡／公斤；Is2——过热蒸汽出口时热焓，千卡／公斤；Q′——其他热负荷，如注水汽化热等，千卡／时。加热炉的设计热负荷通常取计算热负荷的1.15~1.2倍。'21[(1)]()FvLisssQWeIeIIWIIQ热负荷的影响因素：(1)原料油的性质、流量、进出口温差、生产要求的汽化率(如果原料油在炉管内有化学反应还应包括所需的反应热)；(2)水蒸汽流量、进出口温差和进炉前蒸汽含水量。原料油处理量越大，流量越大，进出口温差越大，炉子热负荷越大。汽化率是液体原料油加热汽化的百分数，由生产工艺确定。汽化率越高，炉子热负荷越大。水蒸汽流量越高，进出口温差越大，炉子热负荷越大。蒸汽内含水量越多，过热蒸汽在炉内吸收较多的热量，炉子热负荷越大。装置炉型流量吨/时热负荷万千卡/时总计辐射室对流室延迟焦化方箱炉24401.4276125.4蒸馏双斜顶炉22518961405491催化裂化立式炉77.6926------铂重整立式炉119.511142842300铂重整圆筒炉12.82133------延迟焦化无焰炉611240678562表8—1某些管式炉热负荷示例（二）热平衡计算1热平衡通式对于连续生产的管式炉，根据能量守恒定律，输入能量应等于输出能量，即有下列关系式：式中：Qgg——供给能量，Qyx——有效能量，Qss——损失能量，kcal／h．2热平衡体系的划分为进行热平衡计算而划分的范围，叫做热平衡体系。体系划分的范围不同，热平衡计算所包括的项目也不同，计算所得的热效率也不相同。体系范围的划定取决于评价对象、测试目的和要求。划分体系范围时，应该考虑整个体系的收入和支出项目尽可能的少，同时所有项目的测量是简单可行的。根据这些原则，常见的管式炉及其余热回收系统的体系划分如图8.1—8.3所示。ggyxssQQQ空气空气图8.1仅加热工艺介质图8.2烟气预热燃烧空气图8.3闭路循环热载体预热燃烧空气式中：B——燃料用量；QD——燃料低热值和显热及雾化蒸汽显热之和，kcal/kg燃料；Qk——空气带入体系的显热，lcal/kg燃料；Q2-Q1——有效热量，即热负荷kcal/h；q1-3——排烟损失与燃料低热值之比；q4——散热量与供给热量之比；Qz——排烟中蒸汽带走的热量，kcal/kg燃料。3热平衡的基准温度在进行热平衡计算时，涉及到计算的起始温度，即基准温度。世界各国采用的热平衡基准温度不尽相同，如0℃、15.6℃(60°F)、20℃、25℃、大气温度等。其中采用15.6℃的较多。我国国家标准《热设备能量平衡通则》(GB2587—81)规定：“原则上以环境温度(如外界空气温度)为基准。若采用其它温度基准时应予以说明。”对于同一体系，在其他条件和参数完全相同的情况下，基准温度不同，计算出的热效率值就不相同，按此求得的燃料用量当然也不同。所以对基准温度有必要作出统一的规定。以环境温度作为基准温度较符合实际，适用于对运转中的管式炉进行实际考核。但是，环境温度是一个变量，用于设计炉子或对全国各地同类炉子进行热效率比较时，又会产生困难。在这种情况下还是以某一固定的温度(如15.6℃或0℃)为基准温度较为方便。（三）热效率1、热效率：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。它便于计算燃料耗量，是衡量管式炉燃料利用情况的一项重要指标。从这个意义上说，它也可以叫做“燃料效率”，用表示。2、综合热效率：国家标准GB2588-81中定义的热效率，在供给能量中还包括了外界供给体系的电和功（如鼓风机、引风机和吹灰器电耗，吹灰器蒸汽消耗等）。这些电和功一般不转化为有效能，几乎全部变为由于摩擦引起的能量损失。因此在供给能量中加上表示电和功的项N，在损失能量中也增加一项数值与N相等的损失能量，以N’表示。这样定义的热效率，称为综合热效率，是一项综合性的技术经济指标，用表示。3、热效率计算式：管式炉的热效率是其供给能量的有效利用程度在数量上的表示。即有效能量对供给能量的百分数：、（正平衡）（8.4）（反平衡）（8.5）1100YXGGQQ(1)100SSGGQQ12二、炉内燃烧过程计算（一）燃料的热值燃料的热值与燃料的组成有关，热值分高热值与低热值两种。高热值是燃料完全燃烧后生成的水已冷凝为液体水的状态时计算出来的热值。低热值是燃料完全燃烧后生成的水为蒸汽状态时的热值。在计算中常常只用到低热值（露点问题）。1、液体燃料的高、低热值由下列公式计算：Qh＝81C十300H十26(S—O)(8.6)Ql＝81C十246H十26(S—O)—6W(8.7)式中Qh、Ql------液体燃料的高、低热值，千卡／公斤(燃料)；C、H、O、S、W——在燃料中的碳、氢、氧、硫和水分重量百分率，常用1号原油燃料油中含C88％，H12％，S、O、W微量。9号原油燃料油中含C88.3％，H10.5％，S1.2％，O、W微量。2、气体燃料的高、低热值由下式计算：Qh＝∑qhiyi(8.8)Ql＝∑qliyi(8.9)式中Qh、Ql——气体燃料的高、低热值，千卡／标米3(燃料气)；qhi、qli——气体燃料中各组分的高、低热值，千卡／标米3；yi——气体燃料内各组分的体积百分率，qhi和qli的值由表8-3查得。表8–3：气体组分的高低热值气体组分重量热值千卡/公斤体积热值千卡/标米3高热值qhi低热值qli高热值qhi低热值qli甲烷133001195495008529乙烷12300113501640015186丙烷12000110702300021742异丁烷---109042830026100正丁烷11800109323000028281异戊烷1170010183---32200正戊烷1160010840---34818正己烷1150010780---42100正庚烷---107374720043700正辛烷---107055400050000乙烯1210011272---14204丙烯1180010942---20638异丁烯118110835---27400乙炔1200011600---13483苯101009698---34870氢3450029450---2650一氧化碳---2420---3018硫化氢39503650---3710乙醚8900---------注：①为1号原油减压渣油数据。②为9号原油减压渣油数据。表8--3：气体组分的高低热值表8—4常用燃料油的高低热值燃料油比重低热值千卡/公斤高热值千卡/公斤0.9248①10025106800.9600②9720103001.0000961010170注：①为1号原油减压渣油数据。②为9号原油减压渣油数据。（二）理论空气量燃料完全燃烧时所需的空气量为理论空气量。液体燃料所需理论空气量可用下式计算：(8.10)(8.11)式中Lo——燃料的理论空气量(重量)，公斤空气／公斤燃料；Vo——燃料的理论空气量(体积)，标米3空气／公斤燃料。气体燃料所需理论空气量可用下式计算：(8.12)式中——气体燃料的重度，公斤／标米3。气体组成均为体积百分率。对于不知道化学组成的液体或气体燃料可由图8.4、图8.5查得所需理论空气量。2.67823.2/%oCHSOL1.293ooLV2220.0619[0.50.5()1.5]4omnnLHCOmCHHSO燃料油的低发热值，千卡/公斤燃烧烟气量与理论空气量，标立米/公斤燃料油过剩空气系数1.40理论空气量燃料气的低发热值，千卡/标立米过剩空气系数1.40理论空气量燃烧烟气量与理论空气量，标立米/标立米燃料气图8.4燃料油的低发热值与燃烧烟气量的关系图8.5燃烧气的低发热值与燃烧烟气量的关系（三）过剩空气系数实际进入炉膛的空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数。在合理控制炉子燃烧的条件下，烧油时过剩空气系数应为1.2，烧气时应为1.1。过剩空气系数太小会使热分布恶化，小于1.05时将腐蚀炉管。过剩空气系数太大会降低火焰温度，减少三原子气体浓度，降低辐射热的吸收率，使炉效率降低。过剩空气系数每降低10％可使炉子热效率提高1～1.5％。由于过剩空气系数对炉效率影响很大，故在操作中应注意控制炉子的燃烧条件，使过剩空气系数的数值不超过允许范围。在进行加热炉核算时，如已知烟气分析结果，可根据下列公式计算实际过剩空气系数：（8.13）式中:——过剩空气系数；O2、N2——烟气中氧、氮的体积百分率，％。若只知道烟气中氧含量时可用图8.6查出值。22212179ON过剩空气系数，烟气中氧含量，%图8.6烟气中氧含量与过剩空气系数的关系11（四）炉效率加热炉的热效率取决于加热炉的排气温度，合理的控制排气温度可以得到理想的热效率。在计算时，当对流段采用光管时，离开对流段的烟气温度ts可假定较对流段油料入口温度高80-120℃；对流段采用翼片管或钉头管时，可假定ts＝τ1十(45-80℃)；采用废热回收并使用翼片管时，可假定ts＝饱和蒸汽温度十(25-45℃)。对于某些大负荷的加热炉或进料温度较高的加热炉，对流段排出热量较大时应考虑废热回收以提高炉子的热效率。目前带有预热或余热回收系统的加热炉，热效率常在85-90%。根据文献介绍，按加热炉热负荷确定热效率的大致数字如下：热负荷，千卡／时热效率，％25×106以上80～907.6×106----25×106以上75～850.76×106----7.6×106以上70～800.76×106以下55～70热效率由下式计算：％（8.14）式中:η——热效率，％；——辐射段加对流段总热损失，％；——烟气出对流段带走的热量，％。根据过剩空气系数α和烟气出对流段温度ts，由图8.7可查得烟气带走的热量。通常老式方箱炉辐射段热损失约3～6％，对流段热损失约1～2％。立式炉和圆筒炉辐射段热损失约1～3％，对流段热损失约1～2％。1(100)LqqLq1q1烟气温度ts,°Cq1/Qm%,千卡/公斤1.31.41.5过剩空气系数1.61.01.11.2图8.7烟气带走热量百分率图图8.7烟气带走热量百分率图（五）燃料用量（8.15）式中B——燃料用量，公斤／时；Q——加热炉总热负荷；Q1——燃料低热值。（六）烟气流量由下式求得：（8.16）式中Wg——烟气流量，公斤／时；Ws——雾化蒸汽流量，%。当烧油时Ws＝0.5(或按喷嘴要求决定)。当烧气时Ws＝01QQB(1)gosWLWB1QBQ三、管式加热炉内辐射换热计算（一）辐射传热的基本概念物质受热引起其内部原子结构中电子的振动或激发后，会对外发射出辐射能，这种能量以电磁波的形式发射并传播，当辐射到另一物体被吸收时转变为热能。能全部吸收辐射能的物体称为绝对黑体或黑体，能全部反射辐射能的物体称为白体，自然界中绝对黑体和绝对白体都是不存在的。能全部透过辐射能的物体称为透热体。能部分吸收和反射辐射能的物体称为灰体。（二）物体的辐射能力1．绝