加热炉基础知识0906

1、 1 加热炉结构和主要技术指标加热炉结构和主要技术指标 2 加热炉有关参数介绍加热炉有关参数介绍 1.1概述概述 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）

2、长周期连续运转，不间断操作。 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。 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

3、了辐射能力。 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。 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、

4、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。 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。箱式炉：箱式炉： 立式炉：由较早的方箱炉发展改进而来。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） 纯辐射式圆筒炉（图1-18、19

5、）：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。 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。 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。 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，

6、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。 1.4.1热负荷热负荷 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。 1.4.1热负荷热负荷Q=WFeIv+(1-e)IL-Ii+Q0Q 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

7、， kJ/h 1.4.2炉膛温度炉膛温度 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。 1.4.3炉膛体积发热强度炉膛体积发热强度 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。VBQglvgv：炉膛体积发热强度，kW/m3； B：燃料用量，kg/s；

8、Ql：燃料低热值，kJ/kg燃料； V：炉膛体积，m3。 1.4.3炉膛体积发热强度炉膛体积发热强度 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125 kW/m3，燃气时小于165 kW/m3。 1.4.4炉管表面热强度炉管表面热强度 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

9、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： 尽量采用双面受辐射的炉管。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。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。 1.4.5管内流速及压降管内流速及压降0FNWGFGF：管内介质的质量流速，kg/（m2s）W

10、：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，m2 1.4.5管内流速及压降管内流速及压降 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。 1.4.6热效率热效率 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 设计

11、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2-33-6612122424热效率%5565758084889091 2.1 燃料的热工性质燃料的热工性质 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。 2.1.1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 2.1.1燃料油

12、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。SdQl2301036251874204WOSHCQl25)(1091030339 2.1.2燃料气的低发热值 燃料气包括H2、CO、H2S和C1C5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.

13、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. 20OSHCLSdL072. 045. 348.172040 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 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（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

14、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 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。 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。 过剩空气系数的确定 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

15、 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/ )(44/290222222LONSOWOHCOO1)21(28/64/18/ )(44/290222222LONSOWOHCOO 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”。 国家标准GB2588-81 设

16、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”。 热效率的计算热效率的计算 计算热效率的简单公式： 1q1q2q3q4 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。雾化蒸汽、燃料、雾化蒸汽、燃料、空气的物理显热空气的物理显热 介质吸收的有用介质吸收的有用热量（热负荷）热量（热负荷

17、）散热损失散热损失q1化学不完全燃烧损失化学不完全燃烧损失q2机械不完全燃烧损失机械不完全燃烧损失q3燃料燃烧热燃料燃烧热 排烟热损失排烟热损失q1炉炉 体体 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。 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。

18、CO、H2、CH4分别是CO、H2、CH4在干烟气中的体积百分数。)3571. 01074. 01264. 0(422CHHCOQVqlg 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0.020.05。lcgQNVq0033. 03 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