工业炉的操作

工业炉的操作1．1概述石油化工的物料加热除了换热器取热外，主要是应用管式加热炉。管式加热炉的外壁一般采用钢结构，内壁用耐火砖或耐火纤维喷涂，耐火砖更坚固耐用，纤维喷涂保温效果更好。炉管分为两部分，直接接受炉膛火焰辐射加热的为辐射管，受烟道气对流加热的为对流管。管式加热炉常用的形式有圆筒炉、立式炉、无焰炉以及箱式炉等。制氢装置的工业炉主要有原料预热炉和转化炉。原料预热炉用于原料预热，一般热负荷较小，采用圆筒炉结构形式。而转化炉不仅加热转化物料，向转化反应提供热量，同时还是进行转化反应的场所，其热负荷一般非常大，有顶烧箱式炉或侧烧无焰炉等形式。1．2圆筒炉的结构圆筒炉的炉膛为立式圆筒形，辐射炉管沿炉膛四周垂直排列，燃烧器装在炉子底部；对流炉管在炉子上部横向排列，烟囱立在对流窒的顶部。物料一般先进入对流炉管进行预热，然后再到辐射炉管加热。圆筒炉外壁用钢板卷制，内壁砌筑耐火砖或者用保温钉加耐火纤维喷涂。如简图9-7所示。图9-7圆筒炉结构简图1．3燃烧器1．3．1燃烧器的类型燃烧器是将燃料和空气在期望的速度、湍流程度和空气/燃料比引入，以建立和保持适当点火和稳定燃烧的设备。燃烧器类型通常用不同的方法来描述：由燃料种类：高压瓦斯、低压瓦斯气体燃烧器，重油、轻油液体燃烧器，天然气燃烧器等等；由供风方式：强制通风燃烧器，自然通风燃烧器等；由排放物要求，主要指NOX的排放指标：如普氮燃气燃烧器、低氮燃气燃烧器、低噪音燃烧器；据火焰形状来描述的：环形焰、圆柱焰、扁平焰、扇形焰、附墙焰燃烧器；根据空气与燃料混合形式或雾化形式来描述的：半预混气体燃烧器，全预混气体燃烧器，外混式、内混式，Y型、机械雾化燃烧器等等。1．3．2气体燃烧器及操作外混式燃烧器：外混式气体燃烧器应适用燃料气压力范围、燃料组成、密度和热值变化范围宽的燃料气，其燃料气组成变化范围可从高含氢到高分子量的高含烃类燃料，还可含有一定量惰性物质（如CO2、N2、水、蒸汽）和不饱和烃类，例如制氢装置的脱附气等。外混式气体燃烧器不适用于燃料气中含有液滴或不饱和烃多的情况，这是因为易在喷头处结焦和生成聚合物，堵塞喷孔。外混式燃烧器调节范围较大，对于单一的燃料组成，外混式气体燃烧器可在调节比5：1范围内操作过剩空气：外混式气体燃烧器，下列过剩空气（已包括空气泄漏量）可保证良好燃烧。单个燃烧器多个燃烧器自然通风10～15%15～20%强制通风5～10%10～15%火焰性质：火焰形状是由燃烧器砖、喷头开孔和燃烧器的空气动力学性质决定的，圆形的燃烧器砖，产生同心的或圆柱形的火焰。矩形的燃烧器砖产生扁平火焰（直扁平火焰与斜扁平附墙火焰），其火焰形状象鱼尾，火焰接近炉墙或与炉管的间距受到限制时使用此燃烧器。火焰的颜色偏黄（与预混式比较）。预混燃烧器预混式燃烧器要求燃料气压力和组成相对稳定，利用燃料压力将空气吸入喷头前的文丘利管，空气与燃料气预混后在喷头处点火。在适宜的操作条件下，预混式气体燃烧器的火焰非常稳定且紧密。燃料和空气混合物离开喷头处的速度必须大于火焰的速度。否则，火焰会返回文丘利管（回火）。当使用高含氢这样的高火焰速度的燃料气时，燃烧器调节严重受到限制。总体来讲，燃料气的含氢量超过70%（mol）时，一般不使用预混式气体燃烧器。如果燃料气的组成变化，预混式气体燃烧器的调节比将受到限制。烧高含氢燃料气时，调节比通常受到在文丘利管内回火的限制。当燃烧的燃料比设计工况的燃料重得多时，燃烧器会达不到其最大放热量。因为燃料气的低压造成空气量的吸入不足。必须提供更多的二次风，以弥补此缺陷。对于单组分燃料气的预混使气体燃烧器常规的调节比为3比1。过剩空气：由于预混式气体燃烧器的燃料/空气混合情况比外混式气体燃烧器好，它可在较低的过剩空气系数下操作。单个燃烧器的过剩空气系数可达到5%～10%。单个燃烧器多个燃烧器自然通风和强制通风5～10%10～20%火焰性质如下：与外混式燃烧器相比，预混式燃烧器的火焰体积更小更容易限制。火焰形状由燃料气喷孔设计在某个特定范围内，由燃烧器砖的形状决定。火焰更蓝更透明。1．4炉管由于炉管置于高温的环境中，管内又有油、干气及氢气等介质的温度、压力和腐蚀的联合作用，因此炉管的材料应具有耐热、耐压和耐腐蚀的特殊要求。炉管包括辐射段的炉管和对流段的炉管，转化炉还有上下猪尾管等，需要根据其操作的温度环境及物料性质来选取炉管的材质。原料预热炉辐射管常用Cr5Mo合金钢管，管壁最高可耐600℃，其对流段一般采用20#优质碳素钢，其管壁最高可耐450℃。转化炉炉管的操作条件比原料预热炉要苛刻得多，所以其材质要求也高很多，其常用材质参见“9.1.3材质选用标准”的介绍。在正常操作条件下，炉膛温度一般都高于炉管所能耐受的最高温度，因此炉管内应时刻保持有一定的流量的冷物料来吸收热量，确保炉管壁温不超过耐热指标。严防炉管内物料的中断和超温、超负荷运行，以至损坏炉管，酿成事故。1．5空气预热器加热炉是石油化工生产装置的能耗大户，对于制氢装置也是如此，如何提高加热炉的热效率显得非常重要。制氢装置的空气预热器一般是助燃空气与转化炉的高温烟气进行换热。空气预热器一方面可以降低排烟温度，另一方面可以提高炉膛温度，节省燃料，大大提高加热炉的热效率，因此，空气预热器在制氢的加热炉特别是转化炉上已被广泛采用。制氢装置的空气预热器实际是两种气相介质（烟气与空气）的换热设备，也分为管束式、回转蓄热式（板式）和热管式等型式。采用空气预热器的加热炉一般采用强制供风，因此都设备有鼓风机、风道等，同时要将高温的烟气引入空气预热器进行热交换，还需要有引风机和烟道等设备。由于烟气露点腐蚀的原因（详见“设备防腐知识”一节），空气的预热器烟气侧的出口温度（一般为排烟温度）应在一个较好的范围以内，排烟温度太高会影响整台炉的热效率，太低则引起露点腐蚀，一般要求不低于150℃，如果燃料的含硫量很能低，还可以再适当降低。合理的排烟温度是一方面是通过合理的设计来保证，要求设计时选取的参数要尽可能的准，另一方面，在操作上加热炉的负荷也不宜偏离设计值太多，一般要求在设计值60%以上负荷运行。1．6吹灰器吹灰器是工业炉中应用广泛的设备。由于燃料燃烧会产生灰垢，这些灰垢附着在炉管上，特别是对流段的炉管上，降低炉管的传热效果和加热炉的热效率。石油化工的加热炉主要以燃料油和燃料气作为燃料，烧燃料气的加热炉炉管积灰相对较少，而烧燃料油的加热炉积灰相对较多，特别是含硫较高的燃料油。因此，为了及时清除这些灰垢，通常在炉的对流段及空气预热器等部位安装吹灰器，定时吹灰。常用的吹灰器类型有蒸汽吹灰器、声波吹灰器和激波吹灰器等，这三种类型的吹灰器各有特点，但也有各自的局限性。激波吹灰器是利用一开口容器内的可燃气体爆燃后产生的一种弱爆炸波清垢，激波吹灰器清垢比较彻底，但有较大的异常响声，其电磁阀、点火器等也容易出现故障；声波吹灰器主要是靠次声波吹灰，其低频声波可绕障传递，可全方位清灰但清垢不如激波彻底，如果炉体有泄漏还会造成次声波污染；蒸汽吹灰器由于阀门关不严漏水、操作中容易脱水不净等引起腐蚀及本身的局限性，现已较少使用。1．7阻火器为防止火焰倒窜入瓦斯罐或其它容器内产生爆炸，在炉用瓦斯线上都设有瓦斯阻火器。阻火器一般设在瓦斯入炉前的管线上。阻火器大多数由多层金属细网组成，当火焰进入阻火器后，由于金属细网传热效率很高，火焰通过金属细网被分割散热而熄灭，从而达到阻火的作用。随着技术的进步，已有其它新型的高效阻火器正在投入使用。1．8防暴安全设施为确保加热炉的安全运转，加热炉系统主要的防爆安全措施有：在炉膛设有蒸汽吹扫线，供点火前吹扫