加热炉工艺与传热计算.ppt

《加热炉工艺与传热计算.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《加热炉工艺与传热计算.ppt（55页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、炼厂加热炉工艺和传热计算一、基础数据1 环境条件（压力、温度、湿度）大气压力与烟囱高度、风机大小有关温度烟囱高度、风机、露点温度、结构材料选择有关湿度燃烧空气量、油漆、风机等配件的选用有关。2 工艺条件（API数据表）3 燃料性质燃料气、燃料油、油气联合燃料中S、V、Na等重金属的含量4 环境保护a烟气排放标准 工业炉窑大气污染物排放标准 GB9078 大气污染物综合排放标准 GB16297 b噪音 c安全 d 消防5特殊要求烧气时是否用吹灰器，对吹灰器型式的要求；是否要求管壁热电偶；对平台铺板要求：花纹钢板、格栅板；在强制通风中断，自然通风期间要求的加热炉负荷；陶瓷纤维结构的壁板对防护涂料的

2、要求；二、热负荷计算加热炉的热负荷等于所有被加热的气体、液体、水蒸汽等介质通过加热炉所吸收的热量之和。Q=Qi无化学反应的热负荷为被加热介质的出入口焓差,见介质的出入口焓差即为理论热负荷。但要考虑不同的操作状况，如操作初期、末期、加工不同的介质等，如果是反应进料加热炉还应考虑换热器负荷的波动。三、燃烧计算1总放热量放热量总放热量放热量 按低发热量计算的给定燃料燃烧释放的总热量。高发热量高发热量 以15为基准单位燃料燃烧释放的总热量。低发热量低发热量 等于等于高发热量减去单位燃料中氢燃烧生成水的汽化潜热。即:燃料完全燃烧,其燃烧产物中的水仍以汽态存在时的反应热。其计算方法见“辅导材料”等2 理论

3、空气量理论空气量-按化学燃烧反应的需氧量而供给的空气量，即燃料中各组分完全燃烧所需的空气量。粗略估计时可按下式计算：理论空气量=放热量（104kcal/h）X14 kg/h或 理论空气量=放热量（MW）X1204 kg/h3 过剩空气系数实际进入炉内的空气量与理论空气量之比。它与燃料类型、燃烧方式、燃烧器性能、加热炉结构有关。计算热效率时，按以下数据选取：除非另有说明：对于自然通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为20%；烧油为主时，过剩空气量应为25%；对于强制通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为15%；烧油为主时，过剩空气量应为20%。4 烟气量及烟气组成烟气量=空气量+燃料量+雾化

4、介质量烟气中SO2的含量：燃料油中的硫含量为S%（wt）时，烟气中SO2的含量：0.02Skg/kg燃料燃料气中的硫化氢含量为H2S%（v）时，烟气中SO2的含量：0.01 H2S Nm3/Nm3燃料四、热效率1 热平衡输入热量=支出热量输入热量=燃料的低发热量+（燃料+空气+雾化介质）的显热支出热量=吸热量（有效热量）+烟气带出热量+炉壁散热损失+不完全燃烧损失热量2 热效率 热效率 总吸热量除以总输入热量。燃料效率总吸热量除以燃料燃烧产生的总热量。不包含燃料的显热，仅采用燃烧释放的净热量。SH/T3045-2003 SH/T3045-2003 石油化工管式炉热效率设计计算石油化工管式炉热效

5、率设计计算它它规规定定了了燃燃气气、燃燃油油的的石石油油化化工工管管式式炉炉热热效效率率设设计计计计算算方方法法。有有散散热热损损失失的的取取值值大大小小，过过剩剩空空气气系系数数的的选选取取，体体系系的的划划分分，常常用用燃燃料料的的焓焓值等。值等。燃料效率的计算值应以所设计燃料的低发热量为准，并包括计算正常放热量1.5%的散热损失。对有空气预热系统的加热炉，应包括基于低发热量的燃料放热量2.5%的散热损失。除买方另有规定外，计算效率时，对于自然通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为20%；烧油为主时，过剩空气量应为25%；对于强制通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为15%；烧油为主时

6、，过剩空气量应为20%。热热效效率率的的大大小小应应与与加加热热炉炉热热负负荷荷的的大大小小、燃燃料料的的组组成成（主主要要是是硫硫含含量量）等有关。等有关。与与烟烟气气接接触触的的金金属属壁壁温温至至少少应应高高出出烟烟气气露露点点温温度度15152020，下下图图为为所所推荐的最低金属壁温。推荐的最低金属壁温。3燃料量燃料量=热负荷/有效热量=热负荷/（热效率X输入热量）五、辐射段1计算方法经验法、Lobo-Evans法、区域法、别洛康法等常用方法Lobo-Evans法：传给辐射炉管的热量由两部分：火焰及烟气以辐射的方式、烟气以对流的方式。假定：炉膛平均烟气温度Tg与辐射段烟气出口温度Tp

7、相等。2 热量平衡a 烟气放热Qr=Qin-Qc-Q散B（低放热量空气等显然Qg)B-燃料量；QgTg温度下烟焓；b 传送给介质的热量Qr=Qrr+QrcQrr辐射传热；Qrc对流传热；Qrr=Acp F(Tg4-Tw4)-波尔兹曼常数Acp当量冷平面，也可以称当量吸收表面。与管心距、管排及燃烧器布置方式等有关。F交换因数。与炉膛形状、燃料组成、吸热面的黑度、吸热面与反射面的面积等有关；Tg烟气温度；Tw炉管外壁平均温度。与管内介质温度、内膜传热系数、焦层或垢层厚度有关。Qrchrc Ar（TgTw）hrc对流传热系数。与燃烧器的类型、供风方式、炉膛形状有关；Ar炉管传热面积；。3计算步骤a辐

8、射段热负荷加热炉热效率，辐射段热负荷占总热负荷的比例，906085658070b辐射管表面积根据经验数据选取平均表面热强度初定辐射管传热面积：传热面积辐射段吸热量/平均表面热强度序号加热炉名称平均表面热强度，kcal/m2.h1常减压炉20000300002焦化炉25000300003重整加热炉20000280004减粘炉20000250005常规重沸炉2200030000辐射段平均热强度通常按管心距为两倍炉管公称直径的单排管单面辐射考虑。如果直接受火焰辐射，第一排遮蔽管应按辐射管束确定其平均辐射热强度。当平均辐射热强度以两倍炉管公称直径的盘管布置为基准时，可采用其他的盘管布置例如采用三倍炉管

9、公称直径或双面辐射提高平均热强度，但包括不均匀系数在内的最高热强度不应超过两倍炉管公称直径时的最高热强度。限制最高热强度的目的是限制最高内膜温度及最高壁温。对任何工艺装置，辐射段和对流段炉管的任何部位，最高内膜温度均不应超过允许值。c辐射管管径及管程数根据经验暂选质量流速。（控制指标是压降）管内面积X管程数X质量流速流量序号加热炉名称管内介质质量流速，kg/m2.s1常、减压炉98015002焦化炉120020003重整加热炉1702404减粘裂解炉300040005重沸炉12002000常用炉管外径：60,73,89,102,114,127,152,168,193,219,273管心距基本是

10、1.752倍管外径d辐射段炉膛尺寸炉膛高度（1.52)X火焰高度,但要确保可见火焰高度不超过辐射段高度的2/3。常用油气联合燃烧器的火焰高度：燃烧器放热量，106kcal/h 火焰高度，mm0.622001.025002.038003.06000炉膛宽度，要考虑以下因素：炉管至炉墙间距常规为1.5倍管外径且不小于100mm。特殊情况下要考虑膨胀。燃烧器中间距离燃烧器距炉管间距燃烧器距炉墙距离高宽比的限制高宽比的限制：立式圆筒加热炉最大的高径比（）为2.75，其中高为辐射段净高（耐火层内表面），直径为炉管节圆直径，二者计量单位应相同。对于侧壁管单面火焰加热的底烧箱式加热炉，立管的直管长度对管排间

11、宽度的比值（）有以下限制：设计吸热量MW/（最大）/（最小）3.52.001.53.572.501.51.572.751.5应根据所有规定的操作条件，包括如蒸汽-空气清焦时的短期条件来考虑热膨胀问题。对于立管立烧加热炉，辐射管直段最大长度为18.3m；对于水平管两端烧加热炉，辐射管直段最大长度为12.2m。对水平辐射管，从炉底耐火层上表面至炉管外壁的净空应不小于300mm。4几个主要参数辐射表面热强度炉膛温度炉管壁温六、对流段1 热量平衡a 烟气放热QcB（QgQtsQ散）Qts烟气出对流段的烟焓；b 介质吸热QcKc Ac t2传热计算内膜气体、液体、气液两相外膜光管、翅片管、钉头管、垢阻、

12、流速烟气质量流速：13kg/m2.s。烟气温度与入口介质温差：一般7080 ，最低可为4050 如果设计的加热炉烧重质燃料油，对流段应装吹灰器。烧轻质燃料油如石脑油，买方应规定是否加吹灰器。六、烟囱烟囱应满足以下3个方面的要求：a抽力b环保c烟囱高度应高于周围？m以内操作平台或构筑物？m以上。七、炉衬结构1 管式炉常用炉衬结构轻质浇注料（多层）砖（背衬保温板）陶瓷纤维（层铺或陶纤块）喷涂陶纤陶纤可塑料轻质浇注料喷涂陶纤2 一般规定在无风、环境温度为27(80)条件下，辐射段、对流段和热烟风管道的外壁温度应不超过80 C 辐射段底部外表面温度应不超过90C.炉墙、炉顶和炉底的设计应允许所有部件适

13、当膨胀。采用多层或复合衬里时，其接缝不得连续贯穿衬里。任一层的耐火材料工作温度应至少高出其计算热面温度165 C。辐射和遮蔽段耐火材料的最低工作温度应为980 C。炉底的热面层应采用65 mm 厚的高强耐火砖或75mm厚的浇注衬里，衬里的工作温度级别应达到1 370，经110干燥后冷态耐压强度至少为3 450kN/m2。燃烧器砖的最低工作温度应为1 650。两侧与火焰接触的火墙，应采用温度等级不小于1 540 C 的高强耐火砖砌筑。耐火砖应干砌或用耐火泥粘结。膨胀缝应填塞工作温度不小于1 540 C 的耐火陶纤条。单侧与火焰接触的火墙，可以用耐火砖或最高工作温度与之相当的可塑料，背衬可以是浇注

14、料或陶瓷纤维板。人孔门应采用至少与周围耐火层有同样隔热性能的耐火材料进行防护以避免直接辐射。除运输需要外，炉底浇注料不必用锚固件。3轻质浇注料衬里结构 水硬型浇注料衬里适用于加热炉的所有部分。对双层浇注料衬里，热面层的最小厚度应为75mm。锚固件应支承住每层衬里。浇注料衬里厚度大于50 mm 时，锚固件的高度至少应贯穿该层衬里厚度的70%，其顶部距热表面的距离应不小于12mm。锚固件应是方形布置，最大间距应为衬里总厚度的3倍，但在炉壁不应超过300mm，在炉顶不应超过225 mm。为避免形成连续的剪切面，锚固件的叉口方向应交错排列。衬里总厚度不超过150 mm，锚固钉的最小直径应为5mm；大于

15、此厚度的衬里，锚固钉最小直径应为6mm。弯头箱、尾部烟道、烟风道和烟囱的衬里厚度应不小于50mm。燃烧器砌体和预烧成型制品的周围应留有膨胀缝。当燃料中包括钠的重金属总量超过250 mg/kg时，暴露的热面层应采用低铁的（铁含量不大于1%）或重质的浇注料。重质浇注料的密度至少应为1 800 kg/m 3,其集料中Al2O3的含量应不小于40%，SiO2的含量不大于35%。4陶瓷纤维结构陶瓷纤维结构 层状或模块结构的陶瓷纤维可用于除烟囱、烟道和炉底之外的加热炉所有部位。用于热面层的陶瓷纤维毯最小厚度应为25mm、密度为128 kg/m 3 的针刺材料。用做背层的陶瓷纤维毯最小密度应为96 kg/m

16、 3 的针刺材料。任何一层陶瓷纤维的工作温度应至少比计算的热面温度高280。陶瓷纤维毯热面层的锚固件至所有边沿的最大距离应为75 mm。没有炉管遮蔽的金属锚固件，应由陶瓷纤维块完全覆盖或用填塞可塑性陶纤的陶瓷杯保护。当烟气流速超过12.2m/s时，不得用陶瓷纤维毯作为热面层；当流速大于12.2m/s小于24.4m/s时，热面层应使用湿毯、陶瓷纤维板或陶瓷纤维模块；当流速超过24.4m/s时，热面层应采用浇注料或采用外保护层。陶瓷纤维毯施工时，应使它的最大尺寸方向与烟气流动方向一致，毯在热面层上的连接应是搭接，搭接方向顺着烟气流动方向。热面层用陶瓷纤维板时，接缝应严密。陶瓷纤维模块应按照竖缝立砌

17、（压缝）法进行施工。交错镶嵌法仅适用于炉顶。炉顶上的纤维模块应设计为其锚固范围至少大于模块宽度的80%。模块内的金属附件至少应为奥氏体不锈钢或镍合金。陶瓷纤维结构用于含硫量大于10mg/kg的燃料时，对壳体的内表面应涂一层买方规定或认可的防护涂料以避免腐蚀，防护涂料的工作温度应达到180。燃料中的含硫量超过500mg/kg时，应设置奥氏体不锈钢箔作为阻气层，阻气层的位置应使得在所有操作工况下，阻气层处的温度至少高出计算酸露点55。阻气层边沿应至少重迭175mm，边沿和开孔处应密封。经买方同意，也可采取其他隔离措施。燃料中重金属含量超过100mg/kg时，不得采用陶瓷纤维结构。设有吹灰器、蒸汽喷

18、枪或水洗设施的对流段，不得采用陶瓷纤维结构。应在壁板涂覆防护涂料前安装锚固件。涂料应覆盖锚固件，未覆盖部分的温度应在酸露点温度以上。5复合衬里结构 复合衬里结构：由两层或多层不同耐火材料组成的炉衬结构。热面层用浇注料时，其最小厚度应为75 mm。锚固系统应对每一层都具有固定和支承作用。隔热块应由工作温度至少为900C的硅酸钙或矿渣棉制成。隔热块只可以用做背衬材料，但当液体燃料中硫的含量（质量分数）超过1%或气体燃料中硫化氢的含量超过100 mg/kg时不准采用。隔热块用做炉底结构的背衬材料应得到买方的批准。如果燃料中含硫量超过10mg/kg而采用隔热块或陶纤作为背衬保温时，壁板上应涂覆由买方规

19、定或认可的防护涂料，防护涂料的工作温度应达到180。如果采用隔热块或陶纤作为浇注料的背衬层，应将其隔离以防水从浇注料中渗过来。用做背衬材料的隔热块和陶纤的最小密度应为128kg/m3。八、燃烧器几个概念：燃烧器Burner点火燃烧器，长明灯Pilot burner，是为主燃烧器点火的小燃烧器 点火器ignitor，是一种用来点火的仪器。火把或电点火器。技术要求提出燃烧器的使用条件，按API燃烧器数据表。燃烧器主要部件的材质，砖，油、气枪，金属软管等的材质。要求做冷态及热态试验。最低试验要求。强制通风与自然通风 全部燃烧器在设计过剩空气系数下的最大放热量应根据以下条件确定：a)燃烧器小于或等于5

20、台时，为设计条件下正常放热量的120%；b)燃烧器为6台或7台时，为设计条件下正常放热量的115%；c)燃烧器为8台或8台以上时，为设计条件下正常放热量的110%。对于最大放热量大于4.4MW烧油的加热炉，至少应使用3台燃烧器。如果买方规定或认可，也可只用单台带有辅助油枪的燃烧器，以便在不停炉或不影响工艺过程的情况下维修油枪。每台燃烧器都应有气体长明灯。应提供已预先烘干的燃烧器砖，以允许在安装后不需要进一步处理就能点火投用。由水基和含水材料制成的燃烧器砖，其预先烘干的温度应不小于260。雾化蒸汽在燃烧器喷嘴处应保证是干蒸汽或过热蒸汽。当燃烧易挥发燃料如石脑油、汽油时，每个燃烧器应有安全自锁装置

21、。自锁装置应设计为能在油枪拆卸前，顺序关闭燃料，清扫油抢并切断清扫介质。油枪应能在操作过程中拆卸。九、空气预热系统1设计时应注意的问题影响系统应用的因素影响系统应用的因素预热燃烧用空气通常是为了提高加热炉的热效率。必须将空气预热的效果与增加的对流段表面积相对比。在提高加热炉工艺介质入口温度或热负荷方面，空气预热则更具有优势。空气预热系统可以回收从烟囱中排出的烟气的热量。在某些条件下，采用空气预热可以增加加热炉的处理量或热负荷。例如，当由于火焰外形过大或焰形差（火焰冲击炉管），或由于抽力不够（烟气排出受阻）而使加热炉的操作受到限制时，增加空气预热系统可以提高加热炉的处理量。空气预热系统可以克服这

22、些限制。然而，由于提高了辐射热强度，必须仔细考虑机械和工艺方面的一些因素。这些因素包括炉管和炉膛内构件的温度升高以及工艺介质膜温升高导致的裂解或结焦。通常需要对空气预热系统进行经济评价，但也应考虑增加空气预热对操作条件的影响。应将安装费用、所需动力和维修费用与预计的燃料节约和（或）处理量的提高加以对比。在改造条件下，安装费用中应将由于安装而使加热炉停工的费用包括在内。燃烧用空气预热有以下优点：a)改进燃烧空气的流动控制；b)减少油燃烧器的积垢；c)较好地控制焰形；d)使劣质燃料更完全地燃烧。燃烧用空气预热的缺点是：a)由于三氧化硫（SO3）的侵蚀，使烟气侧部件的腐蚀增加；b)如果燃料含硫量高，

23、酸雾的形成会导致烟囱冒出羽状烟；c)机械设备维修量增加；d)烟气中的氧化氮浓度增加；e)在改造过程中利用现有烟囱时，烟囱排放速度和烟气热提升效应降低。空气预热系统选用的影响因素空气预热系统选用的影响因素除费用和效率外，选用合适的空气预热系统时，应考虑以下因素：a）烟风道、通风机和传热设备所需的场地面积；b）空气预热系统对加热炉操作状态影响程度达到最小；c设计应具备减少积灰或降低积灰影响的特点或提供在线清灰的能力；d）空气漏入烟气会影响下游设备的腐蚀和动力消耗，以及设计燃烧条件下合适空气量的提供；e）影响加热炉操作安全性的传热介质的泄漏；f）最高暴露温度的限制；g）燃烧器的位置和布置；h）需要改

24、为自然通风操作的可能性和在自然通风操作条件下加热炉所能达到的热负荷；i）在部件出现故障时，可灵活安全地切换到另一操作工况；j）冷端腐蚀的严重程度和减少腐蚀的有效措施；k）为满足将来工艺要求的增加而加大空气预热系统能力的可能性；l）末端温度对现有系统效率的影响；M）燃烧器形式的影响（强制通风与自然通风）。2冷端温度的控制空气预热器冷端表面的腐蚀通常是由于含硫燃料燃烧产物中的硫酸蒸汽冷凝引起的。这种酸的沉积物形成了一层潮湿表面，使烟灰很容易积聚在空气预热器的传热表面上。所以，希望使空气预热器在酸露点温度以上进行操作。空气预热器冷端金属温度，随进入的空气温度的变化或由于燃料或燃烧条件的变化导致三氧化

25、硫浓度的增加而改变。控制冷端温度的方法：冷空气旁路控制冷端温度最简单的方法是采用冷空气旁路，其中一部分燃烧空气不经空气预热器而走旁路。进入空气预热器的燃烧用空气的减少会减弱对烟气的冷却。这样，在其它条件改变时，为了避免金属温度过低，通过冷空气旁路就可使烟气出口温度保持或提高到某一定值。烟气出口温度的控制还可对低的空气入口温度或三氧化硫浓度的增加进行补偿。但要注意，如果所控制的烟气出口温度高于设计温度，表明是以牺牲加热炉热效率为代价达到控制目的。外界热源预热空气本系统中所需的冷端金属温度，是通过用低压蒸汽或某些其他低温位热源预热进预热器之前的燃烧用空气来控制的。必须考虑防止低温位热源预热装置被燃烧空气带入的大气灰尘污染和堵塞，并应防止在严寒气候下盘管被冻结。热空气循环热燃烧空气用送风机循环至预热器的冷端。这种系统会增大送风机的规格和动力消耗。再热流体入口温度控制 用循环介质或“一次性”介质的空气预热系统中，烟气侧的传热表面温度是通过控制再热介质入口温度进行调节的。根据该系统的设计和布局，可通过使一部分再热介质经预热器旁路，或减少其流量提高再热介质入口温度。注意：由于烟气温度的降低引起烟囱抽力降低。