管式加熱爐設計和應用—第八章

1、第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 國內石油化工管式爐已有幾十年的發(fā)展史，自力更生，靠國內的技術國內石油化工管式爐已有幾十年的發(fā)展史，自力更生，靠國內的技術開發(fā)，取得了很大的成就。改革開放后，與國外進行了技術交流和聯(lián)合設開發(fā)，取得了很大的成就。改革開放后，與國外進行了技術交流和聯(lián)合設計，計， 使國內石油化工管式爐的總體技術水平得到了迅速的發(fā)展?？梢哉f，使國內石油化工管式爐的總體技術水平得到了迅速的發(fā)展?？梢哉f，現(xiàn)在國內設計和建造的管式爐已基本上接近和達到了世界先進水平現(xiàn)在國內設計和建造的管式爐已基本上接近和達到了世界先進水平, , 但在但在加工制造和一些特殊管式

2、爐的前沿技術方面，與國外相比，還有一定的差加工制造和一些特殊管式爐的前沿技術方面，與國外相比，還有一定的差距。距。 本章將對煙氣減排、規(guī)模大型化、蓄熱式燃燒技術等進行討論。本章將對煙氣減排、規(guī)模大型化、蓄熱式燃燒技術等進行討論。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流8 8.1 .1 煙氣減排煙氣減排 8 8.1.1 .1.1 新標準發(fā)布新標準發(fā)布 新建企業(yè)自新建企業(yè)自20152015年年7 7月月1 1日起，現(xiàn)有企業(yè)自日起，現(xiàn)有企業(yè)自20172017年年7 7月月1 1日起，其水污日起，其水污染物和大氣污染物排放標準按染物和大氣污染物排放標準按新標準新標準GB 3

3、1571-2015GB 31571-2015石油化學工業(yè)污染石油化學工業(yè)污染物排放標準物排放標準的規(guī)定執(zhí)行，不再執(zhí)行的規(guī)定執(zhí)行，不再執(zhí)行GB 16297-1996GB 16297-1996大氣污染物綜合排大氣污染物綜合排放標準和放標準和GB 9078-1996GB 9078-1996工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準中的相關規(guī)工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準中的相關規(guī)定。定。 目前石化企業(yè)廢氣主要污染物除特殊工況外可以做到達標排放，目前石化企業(yè)廢氣主要污染物除特殊工況外可以做到達標排放，如如果按照新標準中規(guī)定的特別限值要求，將有近半數(shù)的硫磺尾氣和加熱爐果按照新標準中規(guī)定的特別限值要求，將有近半數(shù)的硫磺尾氣和

4、加熱爐煙氣存在不能穩(wěn)定達標的情況煙氣存在不能穩(wěn)定達標的情況。為了滿足新標準，企業(yè)需要開展新一輪。為了滿足新標準，企業(yè)需要開展新一輪的技術進步或者為達標升級做好技術儲備。的技術進步或者為達標升級做好技術儲備。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 自自20152015年年7 7月月1 1日起，新建企業(yè)執(zhí)行表日起，新建企業(yè)執(zhí)行表8-18-1規(guī)定的大氣污染物排放限值。規(guī)定的大氣污染物排放限值。 表表8-1 8-1 大氣污染物排放限值大氣污染物排放限值 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 在國土開發(fā)密度已經(jīng)很高、環(huán)境承載能力開始減弱，或大氣

5、環(huán)境容量在國土開發(fā)密度已經(jīng)很高、環(huán)境承載能力開始減弱，或大氣環(huán)境容量較小、生態(tài)環(huán)境脆弱，容易發(fā)生嚴重大氣環(huán)境污染問題而需要采取特別保較小、生態(tài)環(huán)境脆弱，容易發(fā)生嚴重大氣環(huán)境污染問題而需要采取特別保護措施的地區(qū)，企業(yè)執(zhí)行表護措施的地區(qū)，企業(yè)執(zhí)行表8-28-2規(guī)定的大氣污染物特別排放限值。規(guī)定的大氣污染物特別排放限值。 表表8-2 8-2 大氣污染物特別排放限值大氣污染物特別排放限值 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 新標準常規(guī)大氣污染物排放標準根據(jù)國內石油化工生產的實際情況，新標準常規(guī)大氣污染物排放標準根據(jù)國內石油化工生產的實際情況，按工藝加熱爐、乙烯裂解爐和有

6、機廢氣收集處理系統(tǒng)分類，常規(guī)污染物二按工藝加熱爐、乙烯裂解爐和有機廢氣收集處理系統(tǒng)分類，常規(guī)污染物二氧化硫按燃燒經(jīng)脫硫后燃料氣可達到的二氧化硫濃度取值；氮氧化物按采氧化硫按燃燒經(jīng)脫硫后燃料氣可達到的二氧化硫濃度取值；氮氧化物按采用國內可達到的低氮燃燒技術取值，特別排放限值按國外先進的低氮燃燒用國內可達到的低氮燃燒技術取值，特別排放限值按國外先進的低氮燃燒技術取值。常規(guī)大氣污染物排放標準與現(xiàn)行標準比較見表技術取值。常規(guī)大氣污染物排放標準與現(xiàn)行標準比較見表8-38-3。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 表表8-3 8-3 新標準常規(guī)大氣污染物與現(xiàn)行標準的比較新標

7、準常規(guī)大氣污染物與現(xiàn)行標準的比較 單位：單位： (mg/m (mg/m3 3) ) 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 8 8.1.1.2 2 煙氣主要污染物煙氣主要污染物 管式爐排煙對大氣的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和顆粒物管式爐排煙對大氣的污染，主要是硫氧化物、氮氧化物和顆粒物。燃油和燃氣中的機械雜質比較少，燃燒也比較完全，因此顆粒物的排放燃油和燃氣中的機械雜質比較少，燃燒也比較完全，因此顆粒物的排放并不嚴重。并不嚴重。故煉油加熱爐通過煙氣排放的主要污染物是故煉油加熱爐通過煙氣排放的主要污染物是SOSOX X和和NONOX X。 煉油加熱爐使用的主要燃料

8、是煉油煉油加熱爐使用的主要燃料是煉油裝置自產的殘渣油和副產氣，這裝置自產的殘渣油和副產氣，這些燃料的主要成分是碳氫化合物，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氫化合物，也不同程度地含有硫化物和氮化物。硫化物，無論是有機的還是無機的，在燃燒過程中，硫都會被氧化成硫化物，無論是有機的還是無機的，在燃燒過程中，硫都會被氧化成SOX，其中主要是其中主要是SO2。當爐膛內有過剩氧的存在時，一部分當爐膛內有過剩氧的存在時，一部分(約約1%3%)SO2將將進一步氧化成進一步氧化成SO3。SO3將與水蒸氣在將與水蒸氣在400以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽以下生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽會在加熱爐低溫換熱

9、面和爐壁板上冷凝生成稀硫酸造成露點腐蝕。會在加熱爐低溫換熱面和爐壁板上冷凝生成稀硫酸造成露點腐蝕。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 燃燒過程燃燒過程中生成的中生成的NOX中，中，90%以上是以上是NO。在較低溫度下，。在較低溫度下，NO氧化氧化成成NO2。NO生成的機理有生成的機理有3種：快速轉化型種：快速轉化型P-NOX(Prompt NOX)是富烴類是富烴類燃料燃燒時空氣中的燃料燃燒時空氣中的N2和和O2在火焰面內高溫下快速生成的；在火焰面內高溫下快速生成的；熱轉化型熱轉化型T-NOx(Thermal NOX)是火焰面下游空氣中的是火焰面下游空氣中的N2

10、和和O2在高溫下反應生成的；在高溫下反應生成的；燃料轉化型燃料轉化型F-NOX(Fuel NOX)是燃料中的氮化物燃燒時轉化生成的。是燃料中的氮化物燃燒時轉化生成的。 NOx中的中的NO是無毒的，但它很容易進一步氧化成毒性的是無毒的，但它很容易進一步氧化成毒性的NO2。NO2會損傷深部呼吸道，重者可致肺壞疽，會損傷深部呼吸道，重者可致肺壞疽，NO2還對黏膜、神經(jīng)系統(tǒng)和造血系還對黏膜、神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)造成損害，吸入高濃度統(tǒng)造成損害，吸入高濃度NO2會造成窒息。會造成窒息。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 8 8.1.1.3 3 煙氣減排措施煙氣減排措施 減少

11、污染物排放的措施可以在三個階段采?。喝紵皩θ剂线M行預減少污染物排放的措施可以在三個階段采取：燃燒前對燃料進行預處理，燃燒過程中減少污染物的生成，燃燒后對煙氣進行后處理。處理，燃燒過程中減少污染物的生成，燃燒后對煙氣進行后處理。 1 1）燃燒前對燃料進行預處理）燃燒前對燃料進行預處理 燃料預處理主要是脫硫和脫氮。燃料預處理主要是脫硫和脫氮。 石油中的硫化物主要是噻吩類硫石油中的硫化物主要是噻吩類硫( (噻吩類、苯噻吩類、二苯噻吩類、噻吩類、苯噻吩類、二苯噻吩類、苯荼噻吩類等苯荼噻吩類等) )，約占石油中總硫約占石油中總硫的的5070%，其，其次是非噻吩類硫次是非噻吩類硫( (硫醇類、硫醇類、硫

12、化物和二硫化物硫化物和二硫化物) )。含硫原油各餾分中硫的分布是餾分越重含硫量越高，。含硫原油各餾分中硫的分布是餾分越重含硫量越高， 絕大部分硫都集中在渣油中。在加氫處理過程中各類硫化物生成相應的絕大部分硫都集中在渣油中。在加氫處理過程中各類硫化物生成相應的烴類和烴類和H H2 2S S。H H2 2S S進入副產氣中后，再到氣體脫硫裝置脫除。進入副產氣中后，再到氣體脫硫裝置脫除。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 石油中的氮化物大部分是雜環(huán)化合物石油中的氮化物大部分是雜環(huán)化合物，非雜環(huán)化合物數(shù)量較少，主，非雜環(huán)化合物數(shù)量較少，主要是脂肪族胺類和腈類。雜環(huán)化合

13、物可以分為堿性和非堿性兩大類，其要是脂肪族胺類和腈類。雜環(huán)化合物可以分為堿性和非堿性兩大類，其基本單元是吡咯和吡啶。隨著餾分變重，吡咯環(huán)和吡啶環(huán)分別并上一個、基本單元是吡咯和吡啶。隨著餾分變重，吡咯環(huán)和吡啶環(huán)分別并上一個、二個或多個苯環(huán)。與硫在石油餾分中的分布類似，餾分越重含氮量越高。二個或多個苯環(huán)。與硫在石油餾分中的分布類似，餾分越重含氮量越高。石油餾分中的氮化物加氫脫氮后生成相應的烴類和氨，氨進入副產氣中石油餾分中的氮化物加氫脫氮后生成相應的烴類和氨，氨進入副產氣中再到氣體脫硫裝置脫除。再到氣體脫硫裝置脫除。 氣體脫硫裝置一般采用氣體脫硫裝置一般采用胺法脫硫胺法脫硫，即用濃度為，即用濃度為

14、30%左右的胺液吸收左右的胺液吸收氣體中的氣體中的H2S，胺液再生時將，胺液再生時將H2S釋放出來，成為高濃度的釋放出來，成為高濃度的H2S酸性氣體，酸性氣體，酸性氣體再到硫回收裝置還原成硫磺。用胺法脫硫可將煉廠氣和天然氣酸性氣體再到硫回收裝置還原成硫磺。用胺法脫硫可將煉廠氣和天然氣中的中的H2S分別脫到分別脫到3050mg/m3和和20mg/m3，實際操作中可以脫到，實際操作中可以脫到10mg/m3以下。胺法脫硫工藝流程比較簡單，投資也不算高，但以下。胺法脫硫工藝流程比較簡單，投資也不算高，但它不能脫除氣體它不能脫除氣體中的有機硫。有機硫一般用水解法或加氫處理才能脫除，但投資比較高。中的有機

15、硫。有機硫一般用水解法或加氫處理才能脫除，但投資比較高。一般有機硫含量不高時都不用脫除，只限制氣體的總硫。一般有機硫含量不高時都不用脫除，只限制氣體的總硫。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 氨溶解于水，煉廠氣中的氨在胺法脫硫時基本上溶解于胺液的水中氨溶解于水，煉廠氣中的氨在胺法脫硫時基本上溶解于胺液的水中被脫除。被脫除。 2 2）燃燒過程中減少污染物的生成）燃燒過程中減少污染物的生成 燃料中的硫化物和氮化物在燃燒時分別生成燃料中的硫化物和氮化物在燃燒時分別生成SOSOX和和NONOX。這些燃料轉化這些燃料轉化型型F-SOF-SOX和和F-NOF-NOX在燃燒

16、過程中是很難減少其生成量的，只能通過燃料脫在燃燒過程中是很難減少其生成量的，只能通過燃料脫硫、脫氮才能有效減排。但空氣中的氮燃燒時生成的快速轉化型硫、脫氮才能有效減排。但空氣中的氮燃燒時生成的快速轉化型P-NOP-NOX和和熱轉化型熱轉化型T-NOT-NOX可以通過控制燃燒過程來減少其生成量?？梢酝ㄟ^控制燃燒過程來減少其生成量。 在燃燒過程中在燃燒過程中, , 主要是采用各種方法，減緩燃燒速率和燃燒強度，主要是采用各種方法，減緩燃燒速率和燃燒強度，降低燃燒區(qū)的溫度，從而減少降低燃燒區(qū)的溫度，從而減少NONOX的生成。的生成。這就是各種低這就是各種低NONOX燃燒器設計燃燒器設計的基本理念。的基

17、本理念。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 第一代低第一代低NONOX氣體燃燒器是空氣分級氣體燃燒器，其煙氣中氣體燃燒器是空氣分級氣體燃燒器，其煙氣中NONOX的濃度的濃度降到降到140mg/m140mg/m3 3左右。左右。 第二代低第二代低NONOX氣體燃燒器是燃料分級燃燒器，其煙氣中氣體燃燒器是燃料分級燃燒器，其煙氣中NONOX的濃度降到的濃度降到80mg/m80mg/m3 3左右。左右。 第三代低第三代低NONOX氣體燃燒器是煙氣內回流低氣體燃燒器是煙氣內回流低NONOX燃燒器，可將煙氣中燃燒器，可將煙氣中NONOX的濃度降到的濃度降到50mg/m50

18、mg/m3 3左右。目前使用的低左右。目前使用的低NONOX燃燒器大都采用這項技術。燃燒器大都采用這項技術。 本世紀初投入工業(yè)使用的強化煙氣內回流低本世紀初投入工業(yè)使用的強化煙氣內回流低NONOX氣體燃燒器，煙氣中氣體燃燒器，煙氣中NONOX的濃度已下降到了的濃度已下降到了35mg/m35mg/m3 3以下。以下。 低低N NOX重重油燃燒器是本世紀初才開始研發(fā)和投入工業(yè)使用的。低油燃燒器是本世紀初才開始研發(fā)和投入工業(yè)使用的。低NONOX X重油燃燒器主要是重油燃燒器主要是采取空氣分級供應的辦法來降低采取空氣分級供應的辦法來降低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%的顯著效果。燒含氮的顯著效果。燒含氮0.3%(質量分數(shù)質量分數(shù))的重油，常的重油，常規(guī)燃燒器煙氣中的規(guī)燃燒器煙氣中的NOX濃度一般在濃度一般在600mg/m3 以上，而空氣分級低以上，而空氣分級低NOX第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 重油燃燒器煙氣中的重油燃燒器煙氣中的NONOX濃度在濃度在400500mg/m3范圍內。爐外煙氣回流，將范圍內。爐外煙氣回流，將燃燒空氣中的氧濃度降到燃燒空氣中的氧濃度降到16%18%，對燃油燃燒器減排肯定會有幫助，對燃油燃燒器減排肯定會有幫助，但目前尚未見工業(yè)應用的報導。但目前尚未見工業(yè)應用的報導。 歷經(jīng)三十來年的研究和開

20、發(fā)，氣體燃燒器的歷經(jīng)三十來年的研究和開發(fā)，氣體燃燒器的NONOX減排技術基本上已臻減排技術基本上已臻完善。而重油和渣油燃燒器的完善。而重油和渣油燃燒器的NONOX減排技術尚處在初級階段。減排技術尚處在初級階段。第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 3 3）燃燒后對煙氣進行后處理）燃燒后對煙氣進行后處理 燃燒后的煙氣處理減排技術大都采用氨法燃燒后的煙氣處理減排技術大都采用氨法，也有少數(shù)采用尿素法的。，也有少數(shù)采用尿素法的。表表8-48-4列出了三種煙氣減排處理技術的主要特點和使用范圍。列出了三種煙氣減排處理技術的主要特點和使用范圍。 表表8-8-4 4 各種煙氣減排

21、處理技術比較各種煙氣減排處理技術比較 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 選擇性非催化劑還原工藝選擇性非催化劑還原工藝(SNCR)(SNCR)是向煙氣流中連續(xù)噴入氨或尿素以是向煙氣流中連續(xù)噴入氨或尿素以使氮氧化物轉變成氮氣和水蒸氣的工藝。使氮氧化物轉變成氮氣和水蒸氣的工藝。采用氨作還原劑時，用空氣或采用氨作還原劑時，用空氣或蒸汽攜帶氨氣，在溫度適當?shù)膮^(qū)域注入煙氣中，將蒸汽攜帶氨氣，在溫度適當?shù)膮^(qū)域注入煙氣中，將NOxNOx還原成氮氣和水。還原成氮氣和水。采用尿素作還原劑時，把尿素的水溶液注入充滿煙氣的通道內，尿素熱采用尿素作還原劑時，把尿素的水溶液注入充滿煙氣的

22、通道內，尿素熱分解并與分解并與NOxNOx反應生成氮氣、二氧化碳和水。反應生成氮氣、二氧化碳和水。 選擇性催化劑還原工藝選擇性催化劑還原工藝(SCR)(SCR)從煙氣中脫除氮氧化物從煙氣中脫除氮氧化物NOxNOx，是把氨，是把氨 (NH(NH3 3) )注入煙氣中，并在通過催化劑床層時與煙氣良好混合。在催化劑作注入煙氣中，并在通過催化劑床層時與煙氣良好混合。在催化劑作用下，用下，NOxNOx與與NHNH3 3反應生成氮氣和水。反應生成氮氣和水。 國內鍋爐行業(yè)已采用煙氣脫硫、脫氮、除塵三位一體化技術。國內鍋爐行業(yè)已采用煙氣脫硫、脫氮、除塵三位一體化技術。該技該技術用引風機將煙氣從反應塔頂部的文丘

23、里管引入反應塔，在文氏管段，術用引風機將煙氣從反應塔頂部的文丘里管引入反應塔，在文氏管段，調配好的氨水經(jīng)噴嘴霧化后，與煙氣中的調配好的氨水經(jīng)噴嘴霧化后，與煙氣中的SOSO2 2充分混合、接觸、反應，生充分混合、接觸、反應，生成亞硫酸銨，脫除煙氣中的成亞硫酸銨，脫除煙氣中的SOSO2 2。同時，生成的亞硫酸銨與煙氣中的。同時，生成的亞硫酸銨與煙氣中的NOxNOx反反應生成硫酸銨和氮氣，從而脫除煙氣中的應生成硫酸銨和氮氣，從而脫除煙氣中的NOxNOx。反應生成的硫酸銨被回收，。反應生成的硫酸銨被回收，第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 可用于生產磁性高效復合肥；氮氣

24、則重新還給大氣。經(jīng)離心除塵凈化后的可用于生產磁性高效復合肥；氮氣則重新還給大氣。經(jīng)離心除塵凈化后的煙氣由反應塔中部的出口，經(jīng)煙囪排入大氣。脫硫、脫氮、除塵三位一煙氣由反應塔中部的出口，經(jīng)煙囪排入大氣。脫硫、脫氮、除塵三位一體化技術，脫除體化技術，脫除SOSO2 2效率高達效率高達95%95%以上，脫除以上，脫除NOxNOx效率可達效率可達40%40%。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流8 8.2 .2 規(guī)模大型化規(guī)模大型化 8 8.2.1 .2.1 國內目前水平國內目前水平 隨著設計、制造和操作等綜合技術水平的提高，加上規(guī)模效益的驅隨著設計、制造和操作等綜合技

25、術水平的提高，加上規(guī)模效益的驅使，新建石油化工裝置的規(guī)模越來越大使，新建石油化工裝置的規(guī)模越來越大, , 管式爐也管式爐也隨之越來越大型化。隨之越來越大型化。 20世紀的最后幾年里世紀的最后幾年里, 國內已設計建造了單臺熱負荷國內已設計建造了單臺熱負荷8090MW的加熱型的加熱型管式爐。而國外在同期內建造的大型管式爐熱負荷達管式爐。而國外在同期內建造的大型管式爐熱負荷達250MW。在最近幾在最近幾年內，國內將建造年內，國內將建造150MW以上的加熱型管式爐。以上的加熱型管式爐。估計用不了估計用不了多長時間多長時間, , 國內在加熱型管式爐大型化方面能很快趕上世界水平。國內在加熱型管式爐大型化方

26、面能很快趕上世界水平。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 加熱一反應型管式爐也隨著生產規(guī)模的增加而大型化。上個世紀的加熱一反應型管式爐也隨著生產規(guī)模的增加而大型化。上個世紀的最后幾年里最后幾年里, , 國內已設計和建造了產氫量國內已設計和建造了產氫量6X106X104 4NmNm3 3/h/h的制氫轉化爐的制氫轉化爐, ,國外國外在同期內則建造了在同期內則建造了12X1012X104 4NmNm3 3/h/h的制氫轉化爐。的制氫轉化爐。在最近幾年內，在最近幾年內，國內也將國內也將建造建造8 814X1014X104 4NmNm3 3/h/h的制氫轉化爐的制氫轉

27、化爐, ,因此因此, ,國內在加熱一反應型管式爐的大國內在加熱一反應型管式爐的大型化方面，趕上世界水平也為期不遠。型化方面，趕上世界水平也為期不遠。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 8 8.2.2 .2.2 規(guī)模大型化限制因素規(guī)模大型化限制因素 管式爐的大型化并不是簡單的結構尺寸放大管式爐的大型化并不是簡單的結構尺寸放大, , 也不是一加一等于二也不是一加一等于二那樣的簡單堆積。大型化應是科技發(fā)展和技術水平提高的結果。那樣的簡單堆積。大型化應是科技發(fā)展和技術水平提高的結果。 1 1） 爐管表面平均熱強度爐管表面平均熱強度 提高爐管表面熱強度就可以用較小的排管

28、面積提高爐管表面熱強度就可以用較小的排管面積, ,完成較大的熱負荷。完成較大的熱負荷。但是，爐管表面熱強度的提高要受到許多因素的限制。但是，爐管表面熱強度的提高要受到許多因素的限制。在加熱型管式爐在加熱型管式爐中，首先要受油膜溫度的限制。中，首先要受油膜溫度的限制。爐管表面熱強度愈高，油膜溫度也愈高，爐管表面熱強度愈高，油膜溫度也愈高，當油膜溫度達到或超過油品裂解溫度時，油品就會產生裂解，這將影響當油膜溫度達到或超過油品裂解溫度時，油品就會產生裂解，這將影響最終產品的品質，或增加后加工裝置的負擔，嚴重時還會造成爐管結焦，最終產品的品質，或增加后加工裝置的負擔，嚴重時還會造成爐管結焦，縮短操作周

29、期。縮短操作周期。在加熱一反應型管式爐中，爐管表面熱強度的提高則要在加熱一反應型管式爐中，爐管表面熱強度的提高則要受到管內空速和催化劑床層溫度的限制。受到管內空速和催化劑床層溫度的限制。只有采用性能良好的催化劑，只有采用性能良好的催化劑，允許采用較高的空速，以承受更高的床層溫度，才能采用較高的爐管表允許采用較高的空速，以承受更高的床層溫度，才能采用較高的爐管表面熱強度。面熱強度。第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 限制爐管表面熱強度的另一個重要因素是爐管金屬的最高允許使用限制爐管表面熱強度的另一個重要因素是爐管金屬的最高允許使用溫度。溫度。熱強度愈高熱強度愈高,

30、 , 管壁金屬溫度也愈高。當管壁金屬溫度達到最高允管壁金屬溫度也愈高。當管壁金屬溫度達到最高允許使用溫度時，爐管表面熱強度不能再提高。否則，就必須換用更高級許使用溫度時，爐管表面熱強度不能再提高。否則，就必須換用更高級的爐管材料，這將意味著投資的增加。的爐管材料，這將意味著投資的增加。 2 2）爐管表面最高熱強度）爐管表面最高熱強度 在管式爐中，爐管表面熱強度并不是均勻的。在管式爐中，爐管表面熱強度并不是均勻的。沿爐膛高度、寬度和沿爐膛高度、寬度和長度三維方向上的溫度場是不均勻的，沿爐管圓周和管長方向上傳熱也長度三維方向上的溫度場是不均勻的，沿爐管圓周和管長方向上傳熱也是不均勻的。是不均勻的。

31、設計上常常采用爐管表面平均熱強度的概念，以簡化計算設計上常常采用爐管表面平均熱強度的概念，以簡化計算過程。實際上其限制因素是以爐管表面熱強度最高點來計算的。過程。實際上其限制因素是以爐管表面熱強度最高點來計算的。因此，因此，使爐膛溫度場分布均勻，使熱傳遞沿爐管圓周和管長分布均勻，減小各使爐膛溫度場分布均勻，使熱傳遞沿爐管圓周和管長分布均勻，減小各種不均勻系數(shù)，就可以在最高熱強度不超限的前提下，大大提高平均熱種不均勻系數(shù)，就可以在最高熱強度不超限的前提下，大大提高平均熱強度，從而減少排管面積，縮小大型化后管式爐的尺寸。強度，從而減少排管面積，縮小大型化后管式爐的尺寸。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展

32、趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 8 8.2.3 .2.3 國內外差距及對策國內外差距及對策 加熱型管式爐的平均熱強度加熱型管式爐的平均熱強度, , 國內設計和國外比較接近。國內設計和國外比較接近。個別設計個別設計平均熱強度較低者平均熱強度較低者, ,多數(shù)是因用戶要求留有余地多數(shù)是因用戶要求留有余地, , 以便將來可提高裝置能以便將來可提高裝置能力所致。力所致。加熱一反應型管式爐，國內設計的平均熱強度比國外同類管式加熱一反應型管式爐，國內設計的平均熱強度比國外同類管式爐要低得較多。爐要低得較多。例如制氫轉化爐，國內的平均熱強度一般僅例如制氫轉化爐，國內的平均熱強度一般僅4545一一50

33、KW/m50KW/m2 2，而國外的一般是而國外的一般是7070一一80KW/m80KW/m2 2, , 高的可達高的可達88KW/m88KW/m2 2。轉化爐大型化后，爐內轉化爐大型化后，爐內溫度場和煙氣流動場的分布均勻性至關重要溫度場和煙氣流動場的分布均勻性至關重要，因為轉化爐管的工作溫度，因為轉化爐管的工作溫度已經(jīng)十分接近其管材最高允許使用溫度，如果爐內溫度場和煙氣流動場已經(jīng)十分接近其管材最高允許使用溫度，如果爐內溫度場和煙氣流動場不均勻，則個別轉化管極易超溫而引起早期損壞，以致不能長周期安全不均勻，則個別轉化管極易超溫而引起早期損壞，以致不能長周期安全運轉。運轉。 第八章第八章 加熱爐

34、的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 為了解決這一難題為了解決這一難題, , 國外一些工程公司專門開發(fā)了爐內溫度場和煙國外一些工程公司專門開發(fā)了爐內溫度場和煙氣流動場的大型模擬軟件包氣流動場的大型模擬軟件包，應用這種軟件來模擬轉化爐內的溫度場和，應用這種軟件來模擬轉化爐內的溫度場和煙氣流動場煙氣流動場, , 可以獲得燃燒器的最佳選型和布置可以獲得燃燒器的最佳選型和布置, , 也可以獲得均勻煙氣也可以獲得均勻煙氣流動場的最佳結構設計，以保證轉化爐在極高的平均熱強度下長周期安流動場的最佳結構設計，以保證轉化爐在極高的平均熱強度下長周期安全運行。全運行。國內此類軟件還不成熟，這也是國內不敢

35、盲目提高轉化爐平均國內此類軟件還不成熟，這也是國內不敢盲目提高轉化爐平均熱強度的重要原因之一。熱強度的重要原因之一。 最近幾年，已有設計院和科研院所運用最近幾年，已有設計院和科研院所運用CFDCFD方法對大型制氫轉化爐的方法對大型制氫轉化爐的溫度場及煙氣流場進行模擬，取得了一些成果。溫度場及煙氣流場進行模擬，取得了一些成果。通過通過CFDCFD模擬，大型制氫模擬，大型制氫轉化爐的機械設計特別是爐底煙氣隧道的開孔率及其布置、輻射室與對轉化爐的機械設計特別是爐底煙氣隧道的開孔率及其布置、輻射室與對流室的煙道連接等，均可以同時進行幾個方案的比較和優(yōu)化，從而獲得流室的煙道連接等，均可以同時進行幾個方案

36、的比較和優(yōu)化，從而獲得良好的流動場和溫度場。良好的流動場和溫度場。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 為保證大型制氫轉化爐在苛刻的操作條件下能安全、平穩(wěn)、長周期為保證大型制氫轉化爐在苛刻的操作條件下能安全、平穩(wěn)、長周期運轉，除應用運轉，除應用CFDCFD設計良好的爐內溫度場外，對爐內運行狀況進行科學而設計良好的爐內溫度場外，對爐內運行狀況進行科學而嚴格的監(jiān)控是非常必要的。嚴格的監(jiān)控是非常必要的。從前，轉化爐主要靠常規(guī)熱電偶和目力監(jiān)控。從前，轉化爐主要靠常規(guī)熱電偶和目力監(jiān)控。20002000年后開始使用工業(yè)電視監(jiān)控，但這只能做到定性的觀察，定量的監(jiān)年后開始使用工

37、業(yè)電視監(jiān)控，但這只能做到定性的觀察，定量的監(jiān)控還僅限于設置熱電偶的幾個點上?？剡€僅限于設置熱電偶的幾個點上。 國內最近開發(fā)了爐內三維溫度場可視化技術國內最近開發(fā)了爐內三維溫度場可視化技術，其基本原理是利用，其基本原理是利用CCDCCD攝像機作為二維輻射能量分布傳感器，接收三維爐膛內的高溫輻射能信攝像機作為二維輻射能量分布傳感器，接收三維爐膛內的高溫輻射能信號，依據(jù)輻射成像新模型，建立火焰二維溫度圖像和三維空間燃燒溫度號，依據(jù)輻射成像新模型，建立火焰二維溫度圖像和三維空間燃燒溫度的關聯(lián)方程，采用正則化重建方法獲得爐膛三維溫度場可視化結果。該的關聯(lián)方程，采用正則化重建方法獲得爐膛三維溫度場可視化結

38、果。該技術可以同時給出爐內技術可以同時給出爐內10001000個以上離散單元的三維溫度場分布數(shù)據(jù)和實個以上離散單元的三維溫度場分布數(shù)據(jù)和實時顯示，刷新周期小于等于時顯示，刷新周期小于等于5s5s，相對誤差在，相對誤差在5%5%以內?？梢蕴峁t內煙氣、以內?？梢蕴峁t內煙氣、火焰和爐管管壁的三維溫度場實時精確溫度度數(shù)，繪制二維平面和三維火焰和爐管管壁的三維溫度場實時精確溫度度數(shù)，繪制二維平面和三維立體溫度彩色云圖，以及火焰長度和直徑直觀形狀圖等。該技術還可以立體溫度彩色云圖，以及火焰長度和直徑直觀形狀圖等。該技術還可以將其檢測到的將其檢測到的 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展

39、趨勢及技術交流 輻射能信號參與輻射能信號參與DCSDCS系統(tǒng)的優(yōu)化控制。系統(tǒng)的優(yōu)化控制。目前，這項技術已在冶金和電站系目前，這項技術已在冶金和電站系統(tǒng)推廣，希望能早日應用到轉化爐上，使運行管理更上一層樓。統(tǒng)推廣，希望能早日應用到轉化爐上，使運行管理更上一層樓。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流8 8. .3 3 蓄熱式燃燒技術蓄熱式燃燒技術 蓄熱式高溫空氣燃燒技術，亦稱為無焰燃燒技術，是蓄熱式高溫空氣燃燒技術，亦稱為無焰燃燒技術，是2020世紀世紀9090年代年代以來，在發(fā)達國家開始普遍推廣應用的一種全新燃燒技術。以來，在發(fā)達國家開始普遍推廣應用的一種全新燃燒

40、技術。它的最大特它的最大特點是節(jié)省燃料點是節(jié)省燃料, , 減少減少COCO2 2和和NOxNOx的排放及降低燃燒噪音，被譽為的排放及降低燃燒噪音，被譽為2121世紀的關世紀的關鍵技術之一。鍵技術之一。近年來，該技術在冶金和機械制造行業(yè)已得到廣泛應用，近年來，該技術在冶金和機械制造行業(yè)已得到廣泛應用，如將其移植如將其移植“嫁接嫁接”到石化管式爐上，將帶來其爐型上的一次革命性變到石化管式爐上，將帶來其爐型上的一次革命性變革。革。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 8 8. .3 3.1 .1 工作原理工作原理 蓄熱式高溫空氣燃燒技術的工作原理如圖蓄熱式高溫空氣燃燒

41、技術的工作原理如圖8-18-1所示。常溫空氣由鼓風所示。常溫空氣由鼓風機送入，在通過燃燒器蓄熱體時被迅速加熱至高溫（在極短的時間內常機送入，在通過燃燒器蓄熱體時被迅速加熱至高溫（在極短的時間內常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度，一般比爐膛溫度低溫空氣被加熱到接近爐膛溫度，一般比爐膛溫度低5050100100 ，這取決于，這取決于蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率），空氣噴入爐膛時將卷吸煙氣形成貧氧蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率），空氣噴入爐膛時將卷吸煙氣形成貧氧的高溫氣流，在這股氣流附近噴入燃料，燃料在貧氧（的高溫氣流，在這股氣流附近噴入燃料，燃料在貧氧（2%2%20%20%）的氣流）的氣流中燃燒。中燃燒。 圖

42、8-1 蓄熱式高溫空氣燃燒技術示意 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 由于燃料不是直接噴入含氧氣流中，燃料分子與氧分子只有經(jīng)擴散碰撞時由于燃料不是直接噴入含氧氣流中，燃料分子與氧分子只有經(jīng)擴散碰撞時隨遇燃燒，沒有明顯的火焰邊界。與此同時，煙氣靠引風機，通過另一隨遇燃燒，沒有明顯的火焰邊界。與此同時，煙氣靠引風機，通過另一側的燃燒器被吸出，熱煙氣熱量傳遞給蓄熱體而降溫后經(jīng)換向閥、引風側的燃燒器被吸出，熱煙氣熱量傳遞給蓄熱體而降溫后經(jīng)換向閥、引風機和煙囪排入大氣。換向閥按一定的頻率切換，使兩側的燃燒器在蓄熱機和煙囪排入大氣。換向閥按一定的頻率切換，使兩側的燃燒器在

43、蓄熱和放熱的狀態(tài)下交替工作。和放熱的狀態(tài)下交替工作。 8 8. .3 3.2 .2 蓄熱式燃燒技術優(yōu)勢蓄熱式燃燒技術優(yōu)勢 1 1）提高爐管表面平均熱強度）提高爐管表面平均熱強度 蓄熱式高溫空氣燃燒技術的突出優(yōu)點是蓄熱式高溫空氣燃燒技術的突出優(yōu)點是由于沒有明確的火焰，整個由于沒有明確的火焰，整個爐膛溫度非常均勻爐膛溫度非常均勻，如果爐管布置得當，熱強度沿爐管周向和軸向不均，如果爐管布置得當，熱強度沿爐管周向和軸向不均勻系數(shù)可降低很多，甚至接近于勻系數(shù)可降低很多，甚至接近于1 1，因此其平均熱強度可以很高，甚至接，因此其平均熱強度可以很高，甚至接近允許的最高熱強度，從而使爐管數(shù)量（即傳熱面積）減到

44、最小，打破近允許的最高熱強度，從而使爐管數(shù)量（即傳熱面積）減到最小，打破了加熱爐大型化的技術瓶頸。了加熱爐大型化的技術瓶頸。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 2 2）帶來爐型革命）帶來爐型革命 蓄熱式燃燒的主要特點是以輻射傳熱為主，煙氣由相對安裝的燃燒蓄熱式燃燒的主要特點是以輻射傳熱為主，煙氣由相對安裝的燃燒器輪換吸出以預熱燃燒空氣。器輪換吸出以預熱燃燒空氣。石化管式爐采用蓄熱燃燒技術后，將沒有石化管式爐采用蓄熱燃燒技術后，將沒有對流室。對流室。 目前，大多數(shù)石化管式爐都是輻射一對流型的，例如各種蒸餾爐、目前，大多數(shù)石化管式爐都是輻射一對流型的，例如各種蒸餾

45、爐、重沸爐、蒸汽過熱爐等。對流段和輻射段加熱同一種介質，對流段熱負重沸爐、蒸汽過熱爐等。對流段和輻射段加熱同一種介質，對流段熱負荷占全爐熱負荷的荷占全爐熱負荷的20%20%3O%3O%。這種爐子改為蓄熱式燃燒純輻射爐，在保。這種爐子改為蓄熱式燃燒純輻射爐，在保持原平均熱強度不變的前提下，只需在輻射段增加一部分爐管即可。由持原平均熱強度不變的前提下，只需在輻射段增加一部分爐管即可。由于輻射段的平均熱強度一般是對流段平均熱強度的于輻射段的平均熱強度一般是對流段平均熱強度的2 24 4倍，因此可節(jié)省倍，因此可節(jié)省50%50%75%75%的對流盤管（包括爐管和管件）。這相當于爐子投資可節(jié)省的對流盤管（

46、包括爐管和管件）。這相當于爐子投資可節(jié)省10%10%15% 15% 。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 有些石化管式爐，例如制氫爐、重整爐、加氫爐、乙烯裂解爐等，由有些石化管式爐，例如制氫爐、重整爐、加氫爐、乙烯裂解爐等，由于各種原因，本來就只需要輻射段，只是為了回收煙氣余熱，才增加對于各種原因，本來就只需要輻射段，只是為了回收煙氣余熱，才增加對流段產生蒸汽或加熱其他介質。值得指出的是，石油化工企業(yè)都有鍋爐流段產生蒸汽或加熱其他介質。值得指出的是，石油化工企業(yè)都有鍋爐車間車間( (或動力廠或動力廠) )和完善的蒸汽管網(wǎng)。這既節(jié)能，也便于統(tǒng)一管理。在分和完善的

47、蒸汽管網(wǎng)。這既節(jié)能，也便于統(tǒng)一管理。在分散的管式爐上被動發(fā)生蒸汽，既不經(jīng)濟，也給管理帶來許多麻煩。因此，散的管式爐上被動發(fā)生蒸汽，既不經(jīng)濟，也給管理帶來許多麻煩。因此，減少或取消管式爐產汽是石化工程師們多年來夢寐以求的愿望。將這些減少或取消管式爐產汽是石化工程師們多年來夢寐以求的愿望。將這些管式爐改為蓄熱式燃燒純輻射爐，就可以實現(xiàn)這一愿望。管式爐改為蓄熱式燃燒純輻射爐，就可以實現(xiàn)這一愿望。 3 3）提高熱效率）提高熱效率 管式爐是煉油和化工裝置的主要供熱設備，也是煉油和化工裝置的管式爐是煉油和化工裝置的主要供熱設備，也是煉油和化工裝置的能耗大戶。其燃料消耗在煉油和化工裝置總能耗中占有相當大的比例。能耗大戶。其燃料消耗在煉油和化工裝置總能耗中占有相當大的比例。煉油廠管式爐的燃料消耗占全廠能耗的比例約為煉油廠管式爐的燃料消耗占全廠能耗的比例約為40%40%左右。左右。 第八章第八章 加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流加熱爐的發(fā)展趨勢及技術交流 現(xiàn)代大型化的管式爐，無論是加熱型還是加熱一反應型，