管式加热炉设计与应用—第八章

1、第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 国内石油化工管式炉已有几十年的发展史，自力更生，靠国内的技术国内石油化工管式炉已有几十年的发展史，自力更生，靠国内的技术开发，取得了很大的成就。改革开放后，与国外进行了技术交流和联合设开发，取得了很大的成就。改革开放后，与国外进行了技术交流和联合设计，计， 使国内石油化工管式炉的总体技术水平得到了迅速的发展。可以说，使国内石油化工管式炉的总体技术水平得到了迅速的发展。可以说，现在国内设计和建造的管式炉已基本上接近和达到了世界先进水平现在国内设计和建造的管式炉已基本上接近和达到了世界先进水平, , 但在但在加工制造和一些特殊管式

2、炉的前沿技术方面，与国外相比，还有一定的差加工制造和一些特殊管式炉的前沿技术方面，与国外相比，还有一定的差距。距。 本章将对烟气减排、规模大型化、蓄热式燃烧技术等进行讨论。本章将对烟气减排、规模大型化、蓄热式燃烧技术等进行讨论。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流8 8.1 .1 烟气减排烟气减排 8 8.1.1 .1.1 新标准发布新标准发布 新建企业自新建企业自20152015年年7 7月月1 1日起，现有企业自日起，现有企业自20172017年年7 7月月1 1日起，其水污日起，其水污染物和大气污染物排放标准按染物和大气污染物排放标准按新标准新标准GB 3

3、1571-2015GB 31571-2015石油化学工业污染石油化学工业污染物排放标准物排放标准的规定执行，不再执行的规定执行，不再执行GB 16297-1996GB 16297-1996大气污染物综合排大气污染物综合排放标准和放标准和GB 9078-1996GB 9078-1996工业炉窑大气污染物排放标准中的相关规工业炉窑大气污染物排放标准中的相关规定。定。 目前石化企业废气主要污染物除特殊工况外可以做到达标排放，目前石化企业废气主要污染物除特殊工况外可以做到达标排放，如如果按照新标准中规定的特别限值要求，将有近半数的硫磺尾气和加热炉果按照新标准中规定的特别限值要求，将有近半数的硫磺尾气和

4、加热炉烟气存在不能稳定达标的情况烟气存在不能稳定达标的情况。为了满足新标准，企业需要开展新一轮。为了满足新标准，企业需要开展新一轮的技术进步或者为达标升级做好技术储备。的技术进步或者为达标升级做好技术储备。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 自自20152015年年7 7月月1 1日起，新建企业执行表日起，新建企业执行表8-18-1规定的大气污染物排放限值。规定的大气污染物排放限值。 表表8-1 8-1 大气污染物排放限值大气污染物排放限值 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 在国土开发密度已经很高、环境承载能力开始减弱，或大气

5、环境容量在国土开发密度已经很高、环境承载能力开始减弱，或大气环境容量较小、生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要采取特别保较小、生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要采取特别保护措施的地区，企业执行表护措施的地区，企业执行表8-28-2规定的大气污染物特别排放限值。规定的大气污染物特别排放限值。 表表8-2 8-2 大气污染物特别排放限值大气污染物特别排放限值 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 新标准常规大气污染物排放标准根据国内石油化工生产的实际情况，新标准常规大气污染物排放标准根据国内石油化工生产的实际情况，按工艺加热炉、乙烯裂解炉和有

6、机废气收集处理系统分类，常规污染物二按工艺加热炉、乙烯裂解炉和有机废气收集处理系统分类，常规污染物二氧化硫按燃烧经脱硫后燃料气可达到的二氧化硫浓度取值；氮氧化物按采氧化硫按燃烧经脱硫后燃料气可达到的二氧化硫浓度取值；氮氧化物按采用国内可达到的低氮燃烧技术取值，特别排放限值按国外先进的低氮燃烧用国内可达到的低氮燃烧技术取值，特别排放限值按国外先进的低氮燃烧技术取值。常规大气污染物排放标准与现行标准比较见表技术取值。常规大气污染物排放标准与现行标准比较见表8-38-3。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 表表8-3 8-3 新标准常规大气污染物与现行标准的比较新标

7、准常规大气污染物与现行标准的比较 单位：单位： (mg/m (mg/m3 3) ) 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 8 8.1.1.2 2 烟气主要污染物烟气主要污染物 管式炉排烟对大气的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和颗粒物管式炉排烟对大气的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和颗粒物。燃油和燃气中的机械杂质比较少，燃烧也比较完全，因此颗粒物的排放燃油和燃气中的机械杂质比较少，燃烧也比较完全，因此颗粒物的排放并不严重。并不严重。故炼油加热炉通过烟气排放的主要污染物是故炼油加热炉通过烟气排放的主要污染物是SOSOX X和和NONOX X。 炼油加热炉使用的主要燃料

8、是炼油炼油加热炉使用的主要燃料是炼油装置自产的残渣油和副产气，这装置自产的残渣油和副产气，这些燃料的主要成分是碳氢化合物，也不同程度地含有硫化物和氮化物。些燃料的主要成分是碳氢化合物，也不同程度地含有硫化物和氮化物。硫化物，无论是有机的还是无机的，在燃烧过程中，硫都会被氧化成硫化物，无论是有机的还是无机的，在燃烧过程中，硫都会被氧化成SOX，其中主要是其中主要是SO2。当炉膛内有过剩氧的存在时，一部分当炉膛内有过剩氧的存在时，一部分(约约1%3%)SO2将将进一步氧化成进一步氧化成SO3。SO3将与水蒸气在将与水蒸气在400以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽会在加热炉低温换热

9、面和炉壁板上冷凝生成稀硫酸造成露点腐蚀。会在加热炉低温换热面和炉壁板上冷凝生成稀硫酸造成露点腐蚀。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 燃烧过程燃烧过程中生成的中生成的NOX中，中，90%以上是以上是NO。在较低温度下，。在较低温度下，NO氧化氧化成成NO2。NO生成的机理有生成的机理有3种：快速转化型种：快速转化型P-NOX(Prompt NOX)是富烃类是富烃类燃料燃烧时空气中的燃料燃烧时空气中的N2和和O2在火焰面内高温下快速生成的；在火焰面内高温下快速生成的；热转化型热转化型T-NOx(Thermal NOX)是火焰面下游空气中的是火焰面下游空气中的N2

10、和和O2在高温下反应生成的；在高温下反应生成的；燃料转化型燃料转化型F-NOX(Fuel NOX)是燃料中的氮化物燃烧时转化生成的。是燃料中的氮化物燃烧时转化生成的。 NOx中的中的NO是无毒的，但它很容易进一步氧化成毒性的是无毒的，但它很容易进一步氧化成毒性的NO2。NO2会损伤深部呼吸道，重者可致肺坏疽，会损伤深部呼吸道，重者可致肺坏疽，NO2还对黏膜、神经系统和造血系还对黏膜、神经系统和造血系统造成损害，吸入高浓度统造成损害，吸入高浓度NO2会造成窒息。会造成窒息。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 8 8.1.1.3 3 烟气减排措施烟气减排措施 减少

11、污染物排放的措施可以在三个阶段采取：燃烧前对燃料进行预减少污染物排放的措施可以在三个阶段采取：燃烧前对燃料进行预处理，燃烧过程中减少污染物的生成，燃烧后对烟气进行后处理。处理，燃烧过程中减少污染物的生成，燃烧后对烟气进行后处理。 1 1）燃烧前对燃料进行预处理）燃烧前对燃料进行预处理 燃料预处理主要是脱硫和脱氮。燃料预处理主要是脱硫和脱氮。 石油中的硫化物主要是噻吩类硫石油中的硫化物主要是噻吩类硫( (噻吩类、苯噻吩类、二苯噻吩类、噻吩类、苯噻吩类、二苯噻吩类、苯荼噻吩类等苯荼噻吩类等) )，约占石油中总硫约占石油中总硫的的5070%，其，其次是非噻吩类硫次是非噻吩类硫( (硫醇类、硫醇类、硫

12、化物和二硫化物硫化物和二硫化物) )。含硫原油各馏分中硫的分布是馏分越重含硫量越高，。含硫原油各馏分中硫的分布是馏分越重含硫量越高， 绝大部分硫都集中在渣油中。在加氢处理过程中各类硫化物生成相应的绝大部分硫都集中在渣油中。在加氢处理过程中各类硫化物生成相应的烃类和烃类和H H2 2S S。H H2 2S S进入副产气中后，再到气体脱硫装置脱除。进入副产气中后，再到气体脱硫装置脱除。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 石油中的氮化物大部分是杂环化合物石油中的氮化物大部分是杂环化合物，非杂环化合物数量较少，主，非杂环化合物数量较少，主要是脂肪族胺类和腈类。杂环化合

13、物可以分为碱性和非碱性两大类，其要是脂肪族胺类和腈类。杂环化合物可以分为碱性和非碱性两大类，其基本单元是吡咯和吡啶。随着馏分变重，吡咯环和吡啶环分别并上一个、基本单元是吡咯和吡啶。随着馏分变重，吡咯环和吡啶环分别并上一个、二个或多个苯环。与硫在石油馏分中的分布类似，馏分越重含氮量越高。二个或多个苯环。与硫在石油馏分中的分布类似，馏分越重含氮量越高。石油馏分中的氮化物加氢脱氮后生成相应的烃类和氨，氨进入副产气中石油馏分中的氮化物加氢脱氮后生成相应的烃类和氨，氨进入副产气中再到气体脱硫装置脱除。再到气体脱硫装置脱除。 气体脱硫装置一般采用气体脱硫装置一般采用胺法脱硫胺法脱硫，即用浓度为，即用浓度为

14、30%左右的胺液吸收左右的胺液吸收气体中的气体中的H2S，胺液再生时将，胺液再生时将H2S释放出来，成为高浓度的释放出来，成为高浓度的H2S酸性气体，酸性气体，酸性气体再到硫回收装置还原成硫磺。用胺法脱硫可将炼厂气和天然气酸性气体再到硫回收装置还原成硫磺。用胺法脱硫可将炼厂气和天然气中的中的H2S分别脱到分别脱到3050mg/m3和和20mg/m3，实际操作中可以脱到，实际操作中可以脱到10mg/m3以下。胺法脱硫工艺流程比较简单，投资也不算高，但以下。胺法脱硫工艺流程比较简单，投资也不算高，但它不能脱除气体它不能脱除气体中的有机硫。有机硫一般用水解法或加氢处理才能脱除，但投资比较高。中的有机

15、硫。有机硫一般用水解法或加氢处理才能脱除，但投资比较高。一般有机硫含量不高时都不用脱除，只限制气体的总硫。一般有机硫含量不高时都不用脱除，只限制气体的总硫。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 氨溶解于水，炼厂气中的氨在胺法脱硫时基本上溶解于胺液的水中氨溶解于水，炼厂气中的氨在胺法脱硫时基本上溶解于胺液的水中被脱除。被脱除。 2 2）燃烧过程中减少污染物的生成）燃烧过程中减少污染物的生成 燃料中的硫化物和氮化物在燃烧时分别生成燃料中的硫化物和氮化物在燃烧时分别生成SOSOX和和NONOX。这些燃料转化这些燃料转化型型F-SOF-SOX和和F-NOF-NOX在燃烧

16、过程中是很难减少其生成量的，只能通过燃料脱在燃烧过程中是很难减少其生成量的，只能通过燃料脱硫、脱氮才能有效减排。但空气中的氮燃烧时生成的快速转化型硫、脱氮才能有效减排。但空气中的氮燃烧时生成的快速转化型P-NOP-NOX和和热转化型热转化型T-NOT-NOX可以通过控制燃烧过程来减少其生成量。可以通过控制燃烧过程来减少其生成量。 在燃烧过程中在燃烧过程中, , 主要是采用各种方法，减缓燃烧速率和燃烧强度，主要是采用各种方法，减缓燃烧速率和燃烧强度，降低燃烧区的温度，从而减少降低燃烧区的温度，从而减少NONOX的生成。的生成。这就是各种低这就是各种低NONOX燃烧器设计燃烧器设计的基本理念。的基

17、本理念。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 第一代低第一代低NONOX气体燃烧器是空气分级气体燃烧器，其烟气中气体燃烧器是空气分级气体燃烧器，其烟气中NONOX的浓度的浓度降到降到140mg/m140mg/m3 3左右。左右。 第二代低第二代低NONOX气体燃烧器是燃料分级燃烧器，其烟气中气体燃烧器是燃料分级燃烧器，其烟气中NONOX的浓度降到的浓度降到80mg/m80mg/m3 3左右。左右。 第三代低第三代低NONOX气体燃烧器是烟气内回流低气体燃烧器是烟气内回流低NONOX燃烧器，可将烟气中燃烧器，可将烟气中NONOX的浓度降到的浓度降到50mg/m50

18、mg/m3 3左右。目前使用的低左右。目前使用的低NONOX燃烧器大都采用这项技术。燃烧器大都采用这项技术。 本世纪初投入工业使用的强化烟气内回流低本世纪初投入工业使用的强化烟气内回流低NONOX气体燃烧器，烟气中气体燃烧器，烟气中NONOX的浓度已下降到了的浓度已下降到了35mg/m35mg/m3 3以下。以下。 低低N NOX重重油燃烧器是本世纪初才开始研发和投入工业使用的。低油燃烧器是本世纪初才开始研发和投入工业使用的。低NONOX X重油燃烧器主要是重油燃烧器主要是采取空气分级供应的办法来降低采取空气分级供应的办法来降低NOX生成量，已取得生成量，已取得降低氮氧化物降低氮氧化物20%3

19、0%的显著效果。烧含氮的显著效果。烧含氮0.3%(质量分数质量分数)的重油，常的重油，常规燃烧器烟气中的规燃烧器烟气中的NOX浓度一般在浓度一般在600mg/m3 以上，而空气分级低以上，而空气分级低NOX第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 重油燃烧器烟气中的重油燃烧器烟气中的NONOX浓度在浓度在400500mg/m3范围内。炉外烟气回流，将范围内。炉外烟气回流，将燃烧空气中的氧浓度降到燃烧空气中的氧浓度降到16%18%，对燃油燃烧器减排肯定会有帮助，对燃油燃烧器减排肯定会有帮助，但目前尚未见工业应用的报导。但目前尚未见工业应用的报导。 历经三十来年的研究和开

20、发，气体燃烧器的历经三十来年的研究和开发，气体燃烧器的NONOX减排技术基本上已臻减排技术基本上已臻完善。而重油和渣油燃烧器的完善。而重油和渣油燃烧器的NONOX减排技术尚处在初级阶段。减排技术尚处在初级阶段。第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 3 3）燃烧后对烟气进行后处理）燃烧后对烟气进行后处理 燃烧后的烟气处理减排技术大都采用氨法燃烧后的烟气处理减排技术大都采用氨法，也有少数采用尿素法的。，也有少数采用尿素法的。表表8-48-4列出了三种烟气减排处理技术的主要特点和使用范围。列出了三种烟气减排处理技术的主要特点和使用范围。 表表8-8-4 4 各种烟气减排

21、处理技术比较各种烟气减排处理技术比较 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 选择性非催化剂还原工艺选择性非催化剂还原工艺(SNCR)(SNCR)是向烟气流中连续喷入氨或尿素以是向烟气流中连续喷入氨或尿素以使氮氧化物转变成氮气和水蒸气的工艺。使氮氧化物转变成氮气和水蒸气的工艺。采用氨作还原剂时，用空气或采用氨作还原剂时，用空气或蒸汽携带氨气，在温度适当的区域注入烟气中，将蒸汽携带氨气，在温度适当的区域注入烟气中，将NOxNOx还原成氮气和水。还原成氮气和水。采用尿素作还原剂时，把尿素的水溶液注入充满烟气的通道内，尿素热采用尿素作还原剂时，把尿素的水溶液注入充满烟气的

22、通道内，尿素热分解并与分解并与NOxNOx反应生成氮气、二氧化碳和水。反应生成氮气、二氧化碳和水。 选择性催化剂还原工艺选择性催化剂还原工艺(SCR)(SCR)从烟气中脱除氮氧化物从烟气中脱除氮氧化物NOxNOx，是把氨，是把氨 (NH(NH3 3) )注入烟气中，并在通过催化剂床层时与烟气良好混合。在催化剂作注入烟气中，并在通过催化剂床层时与烟气良好混合。在催化剂作用下，用下，NOxNOx与与NHNH3 3反应生成氮气和水。反应生成氮气和水。 国内锅炉行业已采用烟气脱硫、脱氮、除尘三位一体化技术。国内锅炉行业已采用烟气脱硫、脱氮、除尘三位一体化技术。该技该技术用引风机将烟气从反应塔顶部的文丘

23、里管引入反应塔，在文氏管段，术用引风机将烟气从反应塔顶部的文丘里管引入反应塔，在文氏管段，调配好的氨水经喷嘴雾化后，与烟气中的调配好的氨水经喷嘴雾化后，与烟气中的SOSO2 2充分混合、接触、反应，生充分混合、接触、反应，生成亚硫酸铵，脱除烟气中的成亚硫酸铵，脱除烟气中的SOSO2 2。同时，生成的亚硫酸铵与烟气中的。同时，生成的亚硫酸铵与烟气中的NOxNOx反反应生成硫酸铵和氮气，从而脱除烟气中的应生成硫酸铵和氮气，从而脱除烟气中的NOxNOx。反应生成的硫酸铵被回收，。反应生成的硫酸铵被回收，第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 可用于生产磁性高效复合肥；氮气

24、则重新还给大气。经离心除尘净化后的可用于生产磁性高效复合肥；氮气则重新还给大气。经离心除尘净化后的烟气由反应塔中部的出口，经烟囱排入大气。脱硫、脱氮、除尘三位一烟气由反应塔中部的出口，经烟囱排入大气。脱硫、脱氮、除尘三位一体化技术，脱除体化技术，脱除SOSO2 2效率高达效率高达95%95%以上，脱除以上，脱除NOxNOx效率可达效率可达40%40%。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流8 8.2 .2 规模大型化规模大型化 8 8.2.1 .2.1 国内目前水平国内目前水平 随着设计、制造和操作等综合技术水平的提高，加上规模效益的驱随着设计、制造和操作等综合技

25、术水平的提高，加上规模效益的驱使，新建石油化工装置的规模越来越大使，新建石油化工装置的规模越来越大, , 管式炉也管式炉也随之越来越大型化。随之越来越大型化。 20世纪的最后几年里世纪的最后几年里, 国内已设计建造了单台热负荷国内已设计建造了单台热负荷8090MW的加热型的加热型管式炉。而国外在同期内建造的大型管式炉热负荷达管式炉。而国外在同期内建造的大型管式炉热负荷达250MW。在最近几在最近几年内，国内将建造年内，国内将建造150MW以上的加热型管式炉。以上的加热型管式炉。估计用不了估计用不了多长时间多长时间, , 国内在加热型管式炉大型化方面能很快赶上世界水平。国内在加热型管式炉大型化方

26、面能很快赶上世界水平。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 加热一反应型管式炉也随着生产规模的增加而大型化。上个世纪的加热一反应型管式炉也随着生产规模的增加而大型化。上个世纪的最后几年里最后几年里, , 国内已设计和建造了产氢量国内已设计和建造了产氢量6X106X104 4NmNm3 3/h/h的制氢转化炉的制氢转化炉, ,国外国外在同期内则建造了在同期内则建造了12X1012X104 4NmNm3 3/h/h的制氢转化炉。的制氢转化炉。在最近几年内，在最近几年内，国内也将国内也将建造建造8 814X1014X104 4NmNm3 3/h/h的制氢转化炉的制氢转

27、化炉, ,因此因此, ,国内在加热一反应型管式炉的大国内在加热一反应型管式炉的大型化方面，赶上世界水平也为期不远。型化方面，赶上世界水平也为期不远。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 8 8.2.2 .2.2 规模大型化限制因素规模大型化限制因素 管式炉的大型化并不是简单的结构尺寸放大管式炉的大型化并不是简单的结构尺寸放大, , 也不是一加一等于二也不是一加一等于二那样的简单堆积。大型化应是科技发展和技术水平提高的结果。那样的简单堆积。大型化应是科技发展和技术水平提高的结果。 1 1） 炉管表面平均热强度炉管表面平均热强度 提高炉管表面热强度就可以用较小的排管

28、面积提高炉管表面热强度就可以用较小的排管面积, ,完成较大的热负荷。完成较大的热负荷。但是，炉管表面热强度的提高要受到许多因素的限制。但是，炉管表面热强度的提高要受到许多因素的限制。在加热型管式炉在加热型管式炉中，首先要受油膜温度的限制。中，首先要受油膜温度的限制。炉管表面热强度愈高，油膜温度也愈高，炉管表面热强度愈高，油膜温度也愈高，当油膜温度达到或超过油品裂解温度时，油品就会产生裂解，这将影响当油膜温度达到或超过油品裂解温度时，油品就会产生裂解，这将影响最终产品的品质，或增加后加工装置的负担，严重时还会造成炉管结焦，最终产品的品质，或增加后加工装置的负担，严重时还会造成炉管结焦，缩短操作周

29、期。缩短操作周期。在加热一反应型管式炉中，炉管表面热强度的提高则要在加热一反应型管式炉中，炉管表面热强度的提高则要受到管内空速和催化剂床层温度的限制。受到管内空速和催化剂床层温度的限制。只有采用性能良好的催化剂，只有采用性能良好的催化剂，允许采用较高的空速，以承受更高的床层温度，才能采用较高的炉管表允许采用较高的空速，以承受更高的床层温度，才能采用较高的炉管表面热强度。面热强度。第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 限制炉管表面热强度的另一个重要因素是炉管金属的最高允许使用限制炉管表面热强度的另一个重要因素是炉管金属的最高允许使用温度。温度。热强度愈高热强度愈高,

30、 , 管壁金属温度也愈高。当管壁金属温度达到最高允管壁金属温度也愈高。当管壁金属温度达到最高允许使用温度时，炉管表面热强度不能再提高。否则，就必须换用更高级许使用温度时，炉管表面热强度不能再提高。否则，就必须换用更高级的炉管材料，这将意味着投资的增加。的炉管材料，这将意味着投资的增加。 2 2）炉管表面最高热强度）炉管表面最高热强度 在管式炉中，炉管表面热强度并不是均匀的。在管式炉中，炉管表面热强度并不是均匀的。沿炉膛高度、宽度和沿炉膛高度、宽度和长度三维方向上的温度场是不均匀的，沿炉管圆周和管长方向上传热也长度三维方向上的温度场是不均匀的，沿炉管圆周和管长方向上传热也是不均匀的。是不均匀的。

31、设计上常常采用炉管表面平均热强度的概念，以简化计算设计上常常采用炉管表面平均热强度的概念，以简化计算过程。实际上其限制因素是以炉管表面热强度最高点来计算的。过程。实际上其限制因素是以炉管表面热强度最高点来计算的。因此，因此，使炉膛温度场分布均匀，使热传递沿炉管圆周和管长分布均匀，减小各使炉膛温度场分布均匀，使热传递沿炉管圆周和管长分布均匀，减小各种不均匀系数，就可以在最高热强度不超限的前提下，大大提高平均热种不均匀系数，就可以在最高热强度不超限的前提下，大大提高平均热强度，从而减少排管面积，缩小大型化后管式炉的尺寸。强度，从而减少排管面积，缩小大型化后管式炉的尺寸。 第八章第八章 加热炉的发展

32、趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 8 8.2.3 .2.3 国内外差距及对策国内外差距及对策 加热型管式炉的平均热强度加热型管式炉的平均热强度, , 国内设计和国外比较接近。国内设计和国外比较接近。个别设计个别设计平均热强度较低者平均热强度较低者, ,多数是因用户要求留有余地多数是因用户要求留有余地, , 以便将来可提高装置能以便将来可提高装置能力所致。力所致。加热一反应型管式炉，国内设计的平均热强度比国外同类管式加热一反应型管式炉，国内设计的平均热强度比国外同类管式炉要低得较多。炉要低得较多。例如制氢转化炉，国内的平均热强度一般仅例如制氢转化炉，国内的平均热强度一般仅4545一一50

33、KW/m50KW/m2 2，而国外的一般是而国外的一般是7070一一80KW/m80KW/m2 2, , 高的可达高的可达88KW/m88KW/m2 2。转化炉大型化后，炉内转化炉大型化后，炉内温度场和烟气流动场的分布均匀性至关重要温度场和烟气流动场的分布均匀性至关重要，因为转化炉管的工作温度，因为转化炉管的工作温度已经十分接近其管材最高允许使用温度，如果炉内温度场和烟气流动场已经十分接近其管材最高允许使用温度，如果炉内温度场和烟气流动场不均匀，则个别转化管极易超温而引起早期损坏，以致不能长周期安全不均匀，则个别转化管极易超温而引起早期损坏，以致不能长周期安全运转。运转。 第八章第八章 加热炉

34、的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 为了解决这一难题为了解决这一难题, , 国外一些工程公司专门开发了炉内温度场和烟国外一些工程公司专门开发了炉内温度场和烟气流动场的大型模拟软件包气流动场的大型模拟软件包，应用这种软件来模拟转化炉内的温度场和，应用这种软件来模拟转化炉内的温度场和烟气流动场烟气流动场, , 可以获得燃烧器的最佳选型和布置可以获得燃烧器的最佳选型和布置, , 也可以获得均匀烟气也可以获得均匀烟气流动场的最佳结构设计，以保证转化炉在极高的平均热强度下长周期安流动场的最佳结构设计，以保证转化炉在极高的平均热强度下长周期安全运行。全运行。国内此类软件还不成熟，这也是国内不敢

35、盲目提高转化炉平均国内此类软件还不成熟，这也是国内不敢盲目提高转化炉平均热强度的重要原因之一。热强度的重要原因之一。 最近几年，已有设计院和科研院所运用最近几年，已有设计院和科研院所运用CFDCFD方法对大型制氢转化炉的方法对大型制氢转化炉的温度场及烟气流场进行模拟，取得了一些成果。温度场及烟气流场进行模拟，取得了一些成果。通过通过CFDCFD模拟，大型制氢模拟，大型制氢转化炉的机械设计特别是炉底烟气隧道的开孔率及其布置、辐射室与对转化炉的机械设计特别是炉底烟气隧道的开孔率及其布置、辐射室与对流室的烟道连接等，均可以同时进行几个方案的比较和优化，从而获得流室的烟道连接等，均可以同时进行几个方案

36、的比较和优化，从而获得良好的流动场和温度场。良好的流动场和温度场。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 为保证大型制氢转化炉在苛刻的操作条件下能安全、平稳、长周期为保证大型制氢转化炉在苛刻的操作条件下能安全、平稳、长周期运转，除应用运转，除应用CFDCFD设计良好的炉内温度场外，对炉内运行状况进行科学而设计良好的炉内温度场外，对炉内运行状况进行科学而严格的监控是非常必要的。严格的监控是非常必要的。从前，转化炉主要靠常规热电偶和目力监控。从前，转化炉主要靠常规热电偶和目力监控。20002000年后开始使用工业电视监控，但这只能做到定性的观察，定量的监年后开始使用工

37、业电视监控，但这只能做到定性的观察，定量的监控还仅限于设置热电偶的几个点上。控还仅限于设置热电偶的几个点上。 国内最近开发了炉内三维温度场可视化技术国内最近开发了炉内三维温度场可视化技术，其基本原理是利用，其基本原理是利用CCDCCD摄像机作为二维辐射能量分布传感器，接收三维炉膛内的高温辐射能信摄像机作为二维辐射能量分布传感器，接收三维炉膛内的高温辐射能信号，依据辐射成像新模型，建立火焰二维温度图像和三维空间燃烧温度号，依据辐射成像新模型，建立火焰二维温度图像和三维空间燃烧温度的关联方程，采用正则化重建方法获得炉膛三维温度场可视化结果。该的关联方程，采用正则化重建方法获得炉膛三维温度场可视化结

38、果。该技术可以同时给出炉内技术可以同时给出炉内10001000个以上离散单元的三维温度场分布数据和实个以上离散单元的三维温度场分布数据和实时显示，刷新周期小于等于时显示，刷新周期小于等于5s5s，相对误差在，相对误差在5%5%以内。可以提供炉内烟气、以内。可以提供炉内烟气、火焰和炉管管壁的三维温度场实时精确温度度数，绘制二维平面和三维火焰和炉管管壁的三维温度场实时精确温度度数，绘制二维平面和三维立体温度彩色云图，以及火焰长度和直径直观形状图等。该技术还可以立体温度彩色云图，以及火焰长度和直径直观形状图等。该技术还可以将其检测到的将其检测到的 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展

39、趋势及技术交流 辐射能信号参与辐射能信号参与DCSDCS系统的优化控制。系统的优化控制。目前，这项技术已在冶金和电站系目前，这项技术已在冶金和电站系统推广，希望能早日应用到转化炉上，使运行管理更上一层楼。统推广，希望能早日应用到转化炉上，使运行管理更上一层楼。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流8 8. .3 3 蓄热式燃烧技术蓄热式燃烧技术 蓄热式高温空气燃烧技术，亦称为无焰燃烧技术，是蓄热式高温空气燃烧技术，亦称为无焰燃烧技术，是2020世纪世纪9090年代年代以来，在发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。以来，在发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧

40、技术。它的最大特它的最大特点是节省燃料点是节省燃料, , 减少减少COCO2 2和和NOxNOx的排放及降低燃烧噪音，被誉为的排放及降低燃烧噪音，被誉为2121世纪的关世纪的关键技术之一。键技术之一。近年来，该技术在冶金和机械制造行业已得到广泛应用，近年来，该技术在冶金和机械制造行业已得到广泛应用，如将其移植如将其移植“嫁接嫁接”到石化管式炉上，将带来其炉型上的一次革命性变到石化管式炉上，将带来其炉型上的一次革命性变革。革。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 8 8. .3 3.1 .1 工作原理工作原理 蓄热式高温空气燃烧技术的工作原理如图蓄热式高温空气燃烧

41、技术的工作原理如图8-18-1所示。常温空气由鼓风所示。常温空气由鼓风机送入，在通过燃烧器蓄热体时被迅速加热至高温（在极短的时间内常机送入，在通过燃烧器蓄热体时被迅速加热至高温（在极短的时间内常温空气被加热到接近炉膛温度，一般比炉膛温度低温空气被加热到接近炉膛温度，一般比炉膛温度低5050100100 ，这取决于，这取决于蓄热体的蓄热容量和蓄热速率），空气喷入炉膛时将卷吸烟气形成贫氧蓄热体的蓄热容量和蓄热速率），空气喷入炉膛时将卷吸烟气形成贫氧的高温气流，在这股气流附近喷入燃料，燃料在贫氧（的高温气流，在这股气流附近喷入燃料，燃料在贫氧（2%2%20%20%）的气流）的气流中燃烧。中燃烧。 图

42、8-1 蓄热式高温空气燃烧技术示意 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 由于燃料不是直接喷入含氧气流中，燃料分子与氧分子只有经扩散碰撞时由于燃料不是直接喷入含氧气流中，燃料分子与氧分子只有经扩散碰撞时随遇燃烧，没有明显的火焰边界。与此同时，烟气靠引风机，通过另一随遇燃烧，没有明显的火焰边界。与此同时，烟气靠引风机，通过另一侧的燃烧器被吸出，热烟气热量传递给蓄热体而降温后经换向阀、引风侧的燃烧器被吸出，热烟气热量传递给蓄热体而降温后经换向阀、引风机和烟囱排入大气。换向阀按一定的频率切换，使两侧的燃烧器在蓄热机和烟囱排入大气。换向阀按一定的频率切换，使两侧的燃烧器在

43、蓄热和放热的状态下交替工作。和放热的状态下交替工作。 8 8. .3 3.2 .2 蓄热式燃烧技术优势蓄热式燃烧技术优势 1 1）提高炉管表面平均热强度）提高炉管表面平均热强度 蓄热式高温空气燃烧技术的突出优点是蓄热式高温空气燃烧技术的突出优点是由于没有明确的火焰，整个由于没有明确的火焰，整个炉膛温度非常均匀炉膛温度非常均匀，如果炉管布置得当，热强度沿炉管周向和轴向不均，如果炉管布置得当，热强度沿炉管周向和轴向不均匀系数可降低很多，甚至接近于匀系数可降低很多，甚至接近于1 1，因此其平均热强度可以很高，甚至接，因此其平均热强度可以很高，甚至接近允许的最高热强度，从而使炉管数量（即传热面积）减到

44、最小，打破近允许的最高热强度，从而使炉管数量（即传热面积）减到最小，打破了加热炉大型化的技术瓶颈。了加热炉大型化的技术瓶颈。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 2 2）带来炉型革命）带来炉型革命 蓄热式燃烧的主要特点是以辐射传热为主，烟气由相对安装的燃烧蓄热式燃烧的主要特点是以辐射传热为主，烟气由相对安装的燃烧器轮换吸出以预热燃烧空气。器轮换吸出以预热燃烧空气。石化管式炉采用蓄热燃烧技术后，将没有石化管式炉采用蓄热燃烧技术后，将没有对流室。对流室。 目前，大多数石化管式炉都是辐射一对流型的，例如各种蒸馏炉、目前，大多数石化管式炉都是辐射一对流型的，例如各种蒸馏

45、炉、重沸炉、蒸汽过热炉等。对流段和辐射段加热同一种介质，对流段热负重沸炉、蒸汽过热炉等。对流段和辐射段加热同一种介质，对流段热负荷占全炉热负荷的荷占全炉热负荷的20%20%3O%3O%。这种炉子改为蓄热式燃烧纯辐射炉，在保。这种炉子改为蓄热式燃烧纯辐射炉，在保持原平均热强度不变的前提下，只需在辐射段增加一部分炉管即可。由持原平均热强度不变的前提下，只需在辐射段增加一部分炉管即可。由于辐射段的平均热强度一般是对流段平均热强度的于辐射段的平均热强度一般是对流段平均热强度的2 24 4倍，因此可节省倍，因此可节省50%50%75%75%的对流盘管（包括炉管和管件）。这相当于炉子投资可节省的对流盘管（

46、包括炉管和管件）。这相当于炉子投资可节省10%10%15% 15% 。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 有些石化管式炉，例如制氢炉、重整炉、加氢炉、乙烯裂解炉等，由有些石化管式炉，例如制氢炉、重整炉、加氢炉、乙烯裂解炉等，由于各种原因，本来就只需要辐射段，只是为了回收烟气余热，才增加对于各种原因，本来就只需要辐射段，只是为了回收烟气余热，才增加对流段产生蒸汽或加热其他介质。值得指出的是，石油化工企业都有锅炉流段产生蒸汽或加热其他介质。值得指出的是，石油化工企业都有锅炉车间车间( (或动力厂或动力厂) )和完善的蒸汽管网。这既节能，也便于统一管理。在分和完善的

47、蒸汽管网。这既节能，也便于统一管理。在分散的管式炉上被动发生蒸汽，既不经济，也给管理带来许多麻烦。因此，散的管式炉上被动发生蒸汽，既不经济，也给管理带来许多麻烦。因此，减少或取消管式炉产汽是石化工程师们多年来梦寐以求的愿望。将这些减少或取消管式炉产汽是石化工程师们多年来梦寐以求的愿望。将这些管式炉改为蓄热式燃烧纯辐射炉，就可以实现这一愿望。管式炉改为蓄热式燃烧纯辐射炉，就可以实现这一愿望。 3 3）提高热效率）提高热效率 管式炉是炼油和化工装置的主要供热设备，也是炼油和化工装置的管式炉是炼油和化工装置的主要供热设备，也是炼油和化工装置的能耗大户。其燃料消耗在炼油和化工装置总能耗中占有相当大的比例。能耗大户。其燃料消耗在炼油和化工装置总能耗中占有相当大的比例。炼油厂管式炉的燃料消耗占全厂能耗的比例约为炼油厂管式炉的燃料消耗占全厂能耗的比例约为40%40%左右。左右。 第八章第八章 加热炉的发展趋势及技术交流加热炉的发展趋势及技术交流 现代大型化的管式炉，无论是加热型还是加热一反应型，