加熱爐基礎(chǔ)知識

1、 1 加熱爐結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)加熱爐結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo) 2 加熱爐有關(guān)參數(shù)介紹加熱爐有關(guān)參數(shù)介紹 1.1概述概述 一個設(shè)備，具有用耐火材料包圍的燃燒室，利用燃料 燃燒產(chǎn)生的熱量將物質(zhì)（固體或流體）加熱，這樣的 設(shè)備叫做“爐子”。工業(yè)上有各種各樣的爐子，如冶 金爐、熱處理爐、窯爐、焚燒爐和蒸汽鍋爐等。 “管式加熱爐”是石油煉制、石油化工和化學(xué)、化纖 工業(yè)中使用的工藝加熱爐，管式加熱爐的特征是： 1）被加熱物質(zhì)在管內(nèi)流動，故僅限于加熱氣體或液體。 而且，這些氣體或液體通常都是易燃易爆的烴類物質(zhì)， 同鍋爐加熱水或蒸汽相比，危險性大，操作條件要苛 刻得多。 2）加熱方式為直接受火式。 3）只燒液體或氣

2、體燃料。 4）長周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不間斷操作。 工藝加熱爐一般由輻射室、對流室、燃燒器、余 熱回收系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)五部分組成。 輻射室也稱為爐膛，包括燃燒器和風(fēng)道，爐管和 爐管支撐，耐火襯里等，傳熱方式主要是熱輻射， 全爐熱負(fù)荷的70%80%是由輻射室擔(dān)負(fù)的，是全 爐最重要的部分。由于火焰溫度很高（可達(dá)1500- 1800），故不能直接沖刷爐管?；鹧骐x爐管遠(yuǎn)， 輻射傳熱量小，所以應(yīng)盡量減小爐膛體積，節(jié)省 投資。 輻射室爐墻由耐熱層、隔熱層和保護(hù)層組 成。耐熱層除能耐高溫，還有再輻射性能， 能將吸收的熱量再輻射給爐膛。耐熱層有 耐火磚砌筑和耐火襯里兩類。尤其是陶瓷 涂料耐火襯里，不僅耐高溫、耐振動、

3、有 良好的絕熱性，而且輻射系數(shù)高，增加了 輻射能力。 對流室包括遮蔽管，對流管，耐火襯里， 管線支撐和掛鉤，主要傳熱方式是對流。 對流室一般擔(dān)負(fù)全爐熱負(fù)荷的20%30%， 對流室吸熱量的比例越大，全爐的熱效率 越高，為了盡量提高傳熱效果，對流室多 采用釘頭管和翹片管。 燃燒器產(chǎn)生熱量，是爐子的重要組成部分。 要使火焰不沖刷爐管并實(shí)現(xiàn)低氧完全燃燒。 余熱回收系統(tǒng)是從離開對流室的煙氣中進(jìn)一步回 收余熱的部分?；厥辗椒ǚ譃閮深悾活惒捎每?氣預(yù)熱方式回收熱量；另一類是采用余熱鍋爐回 收熱量。 通風(fēng)系統(tǒng)的任務(wù)是將燃燒用空氣導(dǎo)入燃燒器，并 將廢煙氣引出爐子，它分為自然通風(fēng)方式和強(qiáng)制 通風(fēng)方式兩種。 其它

4、的附件設(shè)備包括爐殼體、鋼結(jié)構(gòu)支撐、耐火 襯里、管板箱、火嘴風(fēng)門、煙囪、擋板、空氣預(yù) 熱器、鼓風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)、儀表、燃料和物料的管 線和閥門，吹掃蒸汽接口等。 加熱爐按外形大致分為：箱式爐、立式爐、圓筒 爐、大型方爐。這種劃分法是按輻射室的外觀形 狀，而與對流室無關(guān)。 加熱爐按用途分為：爐管內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的爐子、 加熱液體的爐子、加熱氣體的爐子和加熱 氣、液混相流體的爐子。 箱式爐：箱式爐： 立式爐：由較早的方箱爐發(fā)展改進(jìn)而來。立式爐：由較早的方箱爐發(fā)展改進(jìn)而來。 底燒橫管式（圖1-11），附墻火焰式（圖1-12）（加氫、 焦化裝置使用 ），催化重整裝置多使用環(huán)形管立式爐 （圖1-13/14）。立

5、管立式爐（圖1-15），無焰燃燒爐 （圖1-16） 純輻射式圓筒爐（圖1-18、19）：熱負(fù)荷 非常小，簡單便宜。 有反射錐的輻射對流型（圖1-20）：反射 錐增加爐膛內(nèi)反射面積，改善受熱均勻性， 但反射錐易損壞，造價高。 無反射錐的輻射對流型（圖1-21）：最廣 泛的爐型，制造簡單，造價低，放大后爐 膛顯得空。 優(yōu)點(diǎn)： 爐管自由懸掛或支撐，可自由伸縮，不受自重 的彎曲應(yīng)力影響； 管架可安裝在爐膛頂?shù)牡蜏靥幓驙t膛外，無需 耐高溫管架材料； 火焰與爐管距離相等，同一水平面受熱均勻； 占地面積少；容易建設(shè)，省投資； 配件少；外表面積小，熱損失小。 缺點(diǎn)： 豎直立管不易清焦； 存在氣液分層問題； 熱

6、效率不如立式爐高。 兩排爐管把爐膛分成若干小間，每間設(shè)置 一或兩個大容量高強(qiáng)燃燒器。對流室放到 地面，可幾臺爐公用對流室。 節(jié)省占地，便于回收余熱，實(shí)現(xiàn)爐群集中 排煙，減少大氣污染。 1.4.1熱負(fù)荷熱負(fù)荷 加熱爐單位時間內(nèi)向管內(nèi)介質(zhì)傳遞熱量的能力 稱為熱負(fù)荷，一般用MW為單位。它表示加熱 爐生產(chǎn)能力的大小。 加熱爐熱效率在設(shè)計負(fù)荷下一般達(dá)到最高值， 無論降低還是增加負(fù)荷，爐子熱效率都會降低。 1.4.1熱負(fù)荷熱負(fù)荷 Q=WFeIv+(1-e)IL-Ii+Q0 Q 加熱爐計算總熱負(fù)荷， kJ/h ； WF管內(nèi)介質(zhì)流量，kg/h e 管內(nèi)介質(zhì)在爐出口的汽化率，% Iv 爐出口溫度下介質(zhì)氣相熱焓，

7、kJ/kg IL 爐出口溫度下介質(zhì)液相熱焓，kJ/kg Ii 爐入口溫度下介質(zhì)液相熱焓，kJ/kg Q0 其他熱負(fù)荷， kJ/h 1.4.2爐膛溫度爐膛溫度 爐膛溫度指煙氣離開輻射室進(jìn)入對流室時的溫 度。加熱爐的爐膛溫度不能太高，一般控制在 850以下，但不是絕對的。爐膛溫度高有利 于輻射傳熱，但太高后會使?fàn)t管熱強(qiáng)度高，容 易使?fàn)t管結(jié)焦和燒壞。此外，進(jìn)人對流室的煙 氣溫度也會過高，對流管易燒壞。因此，爐膛 溫度是確保加熱爐長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的一個重要 指標(biāo)。 1.4.3爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度 燃料燃燒的總發(fā)熱量除以爐膛體積，稱之為爐 膛體積發(fā)熱強(qiáng)度，簡稱為體積熱強(qiáng)度，它表示 單位體積的爐

8、膛在單位時間里燃料燃燒所發(fā)出 的熱量，一般用kW/m3為單位。 V BQ g l v gv：爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度，kW/m3； B：燃料用量，kg/s； Ql：燃料低熱值，kJ/kg燃料； V：爐膛體積，m3。 1.4.3爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度 爐膛大小對燃料燃燒的穩(wěn)定性有影響，如果爐 膛體積過小，則燃燒空間不夠，火焰容易舔到 爐管和管架上，爐膛溫度也高，不利于長周期 安全運(yùn)行，因此爐膛體積發(fā)熱強(qiáng)度不允許過大， 一般控制在燃油時小于125 kW/m3，燃?xì)鈺r小 于165 kW/m3。 1.4.4爐管表面熱強(qiáng)度爐管表面熱強(qiáng)度 爐管每單位表面積（一般按爐管外徑計算表面積）、 每單位時間內(nèi)所傳

9、遞的熱量稱為爐管的表面熱強(qiáng)度， 也稱為熱通量或熱流率，單位為W/m2。 爐管表面熱強(qiáng)度越高，在一定熱負(fù)荷下，所需要的爐 管就越少，爐子體積可減小，投資可以降低，所以要 盡可能地提高爐管的表面熱強(qiáng)度。但是，提高爐管的 表面熱強(qiáng)度也受到一定的限制。為了使輻射爐管表面 熱強(qiáng)度比較均勻，一般可以采用以一下方法： 盡量采用雙面受輻射的爐管。在圓筒爐內(nèi)， 為減小沿爐管長度的受熱不均勻性，要選擇合 適的輻射室高徑比，同時要選擇合適的燃燒器， 使燃燒器的火焰長度與爐管長度不能相差太大， 例如輻射管長為15m ，選用火焰長度為12 - 13m 的燃燒器，這樣爐管上下受熱趨向均勻。 在立式爐內(nèi)，有的在爐子側(cè)面采用

10、多噴嘴； 有的在兩排噴嘴間加花墻；也有在爐子上部加 噴嘴，以上措施都是為了改善爐管受熱均勻。 1.4.5管內(nèi)流速及壓降管內(nèi)流速及壓降 0FN W GF GF：管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速，kg/（m2s） W：管內(nèi)介質(zhì)流量，kg/s N：管程數(shù)，即爐管路數(shù) F0：一根爐管的流通截面積，m2 1.4.5管內(nèi)流速及壓降管內(nèi)流速及壓降 油品在爐管內(nèi)的流速不能太低，否則易使管內(nèi) 油品結(jié)焦而燒壞爐管。因?yàn)榱魉偬蜁r，管內(nèi) 邊界層厚度大，傳熱慢，管壁溫度升高，而且 油品在管內(nèi)停留時間長。但流速過高又增加了 管內(nèi)壓力降，增加了動力消耗，所以應(yīng)在合理 的范圍內(nèi)力求提高流速。壓力降是判斷爐管是 否結(jié)焦的一個重要指標(biāo)。 1

11、.4.6熱效率熱效率 熱效率表示向爐子提供的能量被有效利用的程 度，其定義可用下式表示： 有效吸熱量即爐子的熱負(fù)荷，熱效率是衡量燃 料消耗、評價爐子設(shè)計和操作水平的重要指標(biāo)。 供給爐子的能量 熱量被加熱流體吸收的有效 設(shè)計規(guī)范規(guī)定：當(dāng)燃料中含硫量等于或小于 0.1%，管式爐熱效率不應(yīng)低于下表指標(biāo)。 爐別 一般管式爐設(shè)計熱負(fù)荷 MW 轉(zhuǎn)化 爐或 裂解 爐 2-33-6612 122 4 24 熱效 率% 5565758084889091 2.1 燃料的熱工性質(zhì)燃料的熱工性質(zhì) 包括燃料的發(fā)熱量、空氣量、煙氣量、煙氣組 成、煙氣分子量和密度、煙氣熱焓和比熱、理 論燃燒溫度等。 2.1.1燃料油的低發(fā)

12、熱值 燃料油主要有碳和氫兩種元素組成，還有硫、氧、 氮等。氧和氮含量很少，可以忽略?？梢杂萌剂嫌?的相對密度估算其碳和氫的含量： H、C、S分別為燃料油中氫、碳、硫的重量百分?jǐn)?shù)， 如含碳86%，則C=86 。 20 4 1526dH )(100SHC 2.1.1燃料油的低發(fā)熱值 燃料的發(fā)熱量是燃料定溫完全燃燒時的熱效應(yīng)，即 最大反應(yīng)熱。 燃料油的發(fā)熱量可按元素組成計算： Ql：燃料油低熱值，kJ/kg； C、H、O、S、W：燃料油中碳、氫、氧、硫和水分 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。 SdQl2301036251874 20 4 WOSHCQl25)(1091030339 2.1.2燃料氣的低發(fā)熱值 燃料氣包

13、括H2、CO、H2S和C1C5烴類氣體， 還可能含有N2、O2、CO2、SO2等。燃料氣可 近似看作理想氣體。 燃料氣低熱值： Ql=YiQli 式中 Ql：燃料氣低熱值， kJ/kg燃料氣； Yi：單一氣體的重量百分率； Qli：單一氣體的低熱值， kJ/kg；可由數(shù)據(jù) 表查得。 2.1.3理論空氣量的計算 燃料油理論空氣量： L0：理論空氣量，kg空氣/kg燃料 0 .23 867. 2 0 OSHC L SdL072. 045. 348.17 20 4 0 2.1.3理論空氣量的計算 燃料氣的理論空氣量： L0 = YiL0i L0i ：單一氣體的理論空氣量，kg空氣/kg燃料 燃料在燃

14、燒時需要氧氣，在空氣中氧氣體積約占21 %， 氮?dú)饧s占79 %，所以燃料在燃燒時需要供給空氣。1kg 燃 料油在燃燒時所需理論空氣量（1）約為14.2kg （11Nm3）。在實(shí)際的加熱爐中，由于從燃燒器進(jìn)入的空 氣不可能全部都參與燃燒，另外，也由于從爐子其他不密 封處漏入了空氣，所以實(shí)際進(jìn)入爐內(nèi)的空氣量總是比理論 空氣量多，前者與后者之比叫做過剩空氣系數(shù)，即： 0L L 理論空氣量 實(shí)際空氣量 過?？諝庀禂?shù)大小的影響 過?？諝庀禂?shù)是影響爐效率的重要指標(biāo)。 過?？諝庀禂?shù)大，入爐空氣多： 1）影響傳熱，相對降低爐膛溫度； 2）排煙量大，熱損失增加； 3）煙氣氧含量高，爐管表面氧化腐蝕。 過剩空氣系

15、數(shù)大小的影響 在保證燃料完全燃燒的前提下，盡量降低過剩 空氣系數(shù)。 過?？諝庀禂?shù)過?。寒a(chǎn)生化學(xué)不完全燃燒，煙 氣中有CO、H2、CH4。機(jī)械不完全燃燒，排煙 中有炭黑粒子，污染受熱面，污染環(huán)境。 過?？諝庀禂?shù)的確定 空氣系數(shù) O2 煙氣氧含量，%； CO2 二氧化碳生成量，kg/kg燃料； H2O 液態(tài)水或汽生成量，kg/kg燃料 W 霧化蒸汽量，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理論空氣量，kg/kg燃料。 1 )21( 28/64/18/ )(44/29 02 22222 LO NSOWOHCOO 1 )21( 28/64/18/

16、 )(44/29 02 22222 LO NSOWOHCOO 根據(jù)供給能量和損失能量所包括的內(nèi)容不 同，有熱效率和綜合熱效率之分。熱效率 表示管式爐體系中參與熱交換過程的熱能 的利用程度。它的供給能量中一般只包括 燃料低熱值和燃料、空氣及霧化蒸汽帶入 的顯熱。損失能量包括排煙帶走的熱量和 散失的熱量。從這個意義上說，它也可以 叫做“燃料效率”。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB2588-81 設(shè)備熱效率計算通 則中定義的熱效率，內(nèi)容要比上述管式 爐慣用的熱效率全面，它規(guī)定供給能量中 還應(yīng)包括外界供給體系的電和功（例如鼓 風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和吹灰器電耗、吹灰器蒸汽 消耗等）。對于管式爐體系來說，這些電 和功一般不轉(zhuǎn)換成有

17、效能，幾乎全部變成 由于摩擦等原因而引起的能量損失。為了 和管式爐慣用的“熱效率”區(qū)別，命名為 “綜合熱效率”。 熱效率的計算熱效率的計算 計算熱效率的簡單公式： 1q1q2q3q4 式中q1、q2、q3、q4分別為排煙損失、化學(xué)不 完全燃燒熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失和散 熱損失。 霧化蒸汽、燃料、霧化蒸汽、燃料、 空氣的物理顯熱空氣的物理顯熱 介質(zhì)吸收的有用介質(zhì)吸收的有用 熱量（熱負(fù)荷）熱量（熱負(fù)荷） 散熱損失散熱損失q1 化學(xué)不完全燃燒損失化學(xué)不完全燃燒損失q2 機(jī)械不完全燃燒損失機(jī)械不完全燃燒損失q3 燃料燃燒熱燃料燃燒熱 排煙熱損失排煙熱損失q1 爐爐 體體 損失熱量包括： 煙氣帶走

18、的熱量，包括煙氣在排煙溫度和基準(zhǔn) 溫度下的熱焓差、化學(xué)不完全燃燒造成的損失 和機(jī)械不完全燃燒造成的損失； 煙氣中霧化蒸汽帶走的熱量； 爐墻、煙風(fēng)道及空氣預(yù)熱器等的散熱損失。 q1可根據(jù)過?？諝庀禂?shù)和煙氣出對流室的溫度由圖表查得； q2化學(xué)不完全燃燒損失的熱量是由于煙氣離開體系時含有 CO、H2、CH4等造成的，其值等于這些可燃?xì)怏w的發(fā)熱量 之和。 Vg：干煙氣量，Nm3/kg燃料，可由燃料的熱工計算得到，或參考數(shù) 據(jù)表。 CO、H2、CH4分別是CO、H2、CH4在干煙氣中的體積百分?jǐn)?shù)。 )3571. 01074. 01264. 0(422CHHCO Q V q l g q3機(jī)械不完全燃燒熱損失是由于煙氣離開體系時 含有可燃固體（碳粒）造成的，可由下式計算： Nc：煙氣中碳濃度，mg/Nm3干煙氣。 q4散熱損失一般變化不大，立式爐和圓筒爐約為 0.020.05。 l cg Q NV q 0033. 0 3 實(shí)際操作中，按照中國石油天然氣股份公司企業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)石油化工工藝加熱爐節(jié)能監(jiān)測方法對加 熱爐進(jìn)行熱效率的計算，采用反平衡方法。 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，加熱爐監(jiān)測項目包括：排煙溫度， 煙氣中一氧化碳含量，爐體外表面溫度，空氣系 數(shù)，熱效率?；鶞?zhǔn)溫度規(guī)定為15.6，在