加热炉基础知识

1工艺加热炉基础知识2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31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。451.2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。61.2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。71.2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。81.2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。91.3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。101.3加热炉的种类箱式炉：11•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）12立式炉13圆筒炉：14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。15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。16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。17大型方炉：18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。191.4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。201.4加热炉的主要技术指标•1.4.1热负荷Q=WF[eIv+(1-e)IL-Ii]+Q0Q—加热炉计算总热负荷，kJ/h；WF—管内介质流量，kg/he—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/kgIL—炉出口温度下介质液相热焓，kJ/kgIi—炉入口温度下介质液相热焓，kJ/kgQ0—其他热负荷，kJ/h211.4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。221.4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。VBQglv＝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。231.4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。241.4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：251.4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。261.4加热炉的主要技术指标•1.4.5管内流速及压降0FNWGF＝GF：管内介质的质量流速，kg/（m2·s）W：管内介质流量，kg/sN：管程数，即炉管路数F0：一根炉管的流通截面积，m2271.4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。281.4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。供给炉子的能量热量被加热流体吸收的有效η＝291.4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11-22-33-66~1212~2424热效率%5565758084889091302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。31燃料的发热值•燃料的发热值分为高位发热值和低位发热值两种。•高位发热值是指每kg燃料完全燃烧后所放出的热量,此热量包括了燃料燃烧后所产生的水蒸汽所含有的热量,但在实际锅炉燃烧过程中,水蒸汽不会凝结放出其热量的,而是随烟气排入大气中无法使用,故引入了低位发热量，低位发热量是指高位发热量在扣除了水蒸汽的汽化潜热后的热量,用Qdw表示,Qdw是锅炉设计和热力计算热效率试验时的依据。322.1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。2041526dH＝)(100SHC＝332.1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。SdQl2301036251874204＝WOSHCQl25)(1091030339＝342.1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。352.1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0.23867.20OSHCL＝SdL072.045.348.172040＝362.1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=∑YiL0iL0i：单一气体的理论空气量，kg空气/kg燃料372.2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：0LL理论空气量实际空气量α＝382.2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。392.2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。402.2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。1)21(]28/64/18/)(44/[290222222LONSOWOHCOOα1)21(]28/64/18/)(44/[290222222LONSOWOHCOOα412.3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