管式炉加热系数

管式加热炉节能宁波市方圆工业炉技术开发有限公司李飞目录一.管式加热炉的回顾1二.管式炉热力计算的理论基础:11.辐射-对流-热传导基本理论12.LOBO-EVANS法2三.加热炉的节能31.工艺节能32.优化加热炉的设计方案，设计节能32.1.加热炉系统的总体布局32.2.余热回收利用方案：52.3.炉型的差别对能量利用的影响63.应用成熟可靠的设备，设备节能103.1.炉衬材料对加热炉热效率的影响103.2.金属表面温度对加热炉效率的影响103.3.总结144.加热炉在操作中的节能145.其它的几种节能手段：175.1.利用工艺废气做为加热炉的燃料175.2.利用工艺废热：175.3.不完全再生催化装置中的CO焚烧炉的节能185.4.降低其它消耗节能205.5.挖掘现有加热炉的操作潜力节能215.6.装置扩能加热炉规划23四.如何使用好热管251.工业上应用的热管的优点252.工业上应用的热管的缺点253.安全地使用热管，提高热管寿命273.1.高温段的防护273.2.对热管进行低温防护274.提高在线运行热管的使用效果285.燃油加热炉的热管预热器的问题30五.燃气轮机—加热炉联合系统方案311.基础资料312.联合系统的组成323.燃烧及排气计算结果334.联合系统中加热炉的操作参数及与单独加热炉的比较335.联合系统投资估算346.经济评价347.联合系统技术分析358.联合系统的技术分析359.经济分析3610.结论36六.我国管式炉的现状及对策361.设计规范不完善362.管式炉的制造以现场为主373.方案对比不充分374.炉膛温度800℃的限制375.新技术的应用376.加热炉的配件供应商的技术水平有待提高37七.思考题：37一.管式加热炉的回顾随着工业化的发展，石油作为重要的能源形式，带动了石油炼制、石油化工等整个石化行业的发展。到目前为止，石化行业都已经世界经济中一个举足轻重的部门。在这些行业中，目前主要使用的工艺介质加热炉是管式炉，它具有以下主要特点:由于在管内流动,故被加热介质仅限于气体和液体.通常这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质,具有较大的危险性，操作条件比较苛刻。加热方式主要为直接式.燃料为液体或气体.运转周期长，连续不间断操作.石化行业最初的介质加热设备是具有相当不安全隐患的间歇式操作的“釜式蒸锅”，管式加热炉的出现，开创了“连续安全管式蒸馏”的新时代，这也使得大规模、超大规模石化企业的出现成为可能，因此可以说，管式加热炉具有化时代的意义。炼油工业采用管式加热炉始于上一世纪初，经历了以下几个主要阶段：堆形炉它参考釜式蒸锅的原理。吸热面为一组管束，管子间的联接弯头也置于炉中，由于燃烧器直接装在管束下方，因此炉子各排管子的受热强度不均匀，当最底一排管受热强度高达50000-70000kcal/m2.h，最顶排管子却不到800-1000cal/m2.h，因此底排管常常烧穿,管间联接弯头也易松漏引起火灾。纯对流炉，当时认为是因为辐射热太强了，于是改为用纯对流炉。全部炉管都装在对流室内，用隔墙把对流室与燃烧室分开，避免炉管受到火焰的直接冲刷。然而，操作中又发现对流室顶排管经常烧坏，而且炉管受热仍然很不均匀。这是因为高温燃烧烟气在进入对流一之前未能和一个吸热面换热，在对流室入口处温度高达1000多℃之故。辐射对流炉，后来人们发现。在燃烧室内安装一些炉管，一方面可取走部分热量降低烟气温度，解决对流室顶管的过热烧坏问题；同时可利用高温辐射传热强度大的特点，节省上炉管，缩小炉子体积。这样，具有辐射室和对流室的管式加热炉开始出现了，其初期代表为箱式炉。目前管式加热炉技术发展很快,它对于石油炼制和化工工艺的进步起到了很大的推动作用。可以毫不夸张地说，管式加热炉几乎参与了各类工艺过程。尤其在制造乙烯﹑氢气﹑氨等工艺过程中，它成为进行裂解或转化反应的心脏设备，支配着整个工厂或装置的产品质量﹑产品收率﹑能耗和操作服役期等。因此，认真总结加热炉的设计，计算和操作，维修经验就显得十分必要了。二.管式炉热力计算的理论基础:管式炉的所有热力计算均由经典传热理论支撑,只是由于近年来计算手段的丰富出现了很多数值计算方法,但其核心仍是辐射-对流-热传导基本理论。1.辐射-对流-热传导基本理论辐射传热：q=C［（T1/100）4-（T2/100）4］对流传热:q=α﹡Δt热传导:q=Δt﹡λ/δ(q=Δt/Ri-------Ri=δ/λ)对于多层结构有如下的关系:q=Δt/ΣRi-----ΣRi=Σδ/λ+Σ1/α加热炉的所有传热和这三个过程是密不可分的，但是在某些部位其中的一种传热过程起主要做用，这样就把炉子分为了辐射室和对流室，无论是辐射还是对流，都是通过热传导将热量从管表面传向管内的。加热炉的传热虽然是以上三种方法进行的（经典理论方法），但是在实际加热炉这一复杂系统中需要做大量的计算模型简化才能应用以上方法，简化条件不同，就得到了不同的模型，这样对加热炉的传热计算就出现了各种不同方法。下面简单的介绍一下加热炉中最常见的计算模型Lobo-Evans法：2.Lobo-Evans法Lobo和Evans认为：辐射室中高温的火焰及烟气，在单位时间内传给辐射管的热量是由两部分组成的，一部分是火焰及烟气以辐射方式传给炉管的，它包括火焰及烟气以直接辐射的方式传给炉管的热量以及火焰及烟气通过反射墙间接传给炉的的热量；另一部分是烟气以对流的方式传炉管的。Lobo-Evans法的实质是一个气体，一个受热面和一个反射面的传热模型，它有四个基本假设：整个辐射室中，气体只有一个温度，它是辐射传热的热源；吸热面只有一个温度，反射面也只有一个温度；反射面是指这样的表面，当辐射能投射到这种表面时，它被表面全部反射出来；烟气为灰气休，吸热面为灰表面。Lobo-Evans法是上世纪三十年代出现的方法，到目前为止，绝大多数的加热炉采用这种方法计算，目前使用的Lobo-Evans法是经过改进的方法，随着计算机的普及应用，将该方法由图解法改为数值计算方法：辐射传热：其传热速率方程如为：QR=4.93αAcpF［(Tg/100)4-（Tw/100）4］+hrcAr(T1-T2)热平衡方程：QR=B*QL-QTg-Qq对流传热：加热炉的对流传热也是传热的重要组成部分，应用对流的目的是回收辐射烟气的余热。在对流室，辐射的做用相对较小，计算对流传热主要是计算对流传热系数。对流传热系数可以通过努塞尔数、雷诺数，普兰特数来确定：下面是烟气垂直流过裸管束的对流传热系数：ho=0.33Cψλg/Do(Do*Gg/μg)0.6(Cg*μg/kg)0.8这里仅是外膜传热系数,还要考虑外垢热阻：1/ho*=1/ho+Ri(ho*=ho/(1+ho*Ri)由此可以看出,热阻对传热影响是非常大的，下面有例子说明热阻对传热的影响。上面的传热公式是以光管为基础的，在实际应用中，为了强化对流传热，对流室一般均有强化措施，如钉头管和翅片管。钉头管和翅片管统称为扩大表面管，其传热性能可以从肋脊传热导出。对于加热炉来说对扩面管的计算表述与锅炉有所不同，管式炉的习惯上采用扩面管后，其传热面积仍以光管为基础，因此其传热系数较大。但是锅炉上习惯将所有的扩大表面均做为传热基础，而传热系数较小，这仅是表述的差别，其结果是一样的。对流传热的总传热系数还与管内膜传热系数有关（实际上还与管壁的导热有关，但由于导热的温降很小，一般均略去），其总的传热系数如下：K=ho*hi*/(ho*+hi*)对于大多数加热炉来说，其管内膜传热系数均相对较大，但是对于一些管内为汽相，特别是管内的汽相流速和密度不高，这样管内膜传热系数就对总传热系数影响较大。比如空气预热器。下面有例子论述预热器的传热系数。除Lobo-Evans法外,还有别洛康法,区域法,蒙特卡洛法等等,三.加热炉的节能加热炉是炼油厂的耗能大户,一般装置里,加热炉的能耗占装置能耗的70%以上,所以降低加热炉的能耗是装置节能的重要手段之一。节能是一个技术经济综合问题，如果单纯从技术角度上来说，完全应用五十年前的技术也可以把加热炉的能耗降下来，但是经济上是不合理的。所以在技术发展的不同时期，对加热炉的能耗要求也是不一样的。加热炉的节能一般来说有以下几个方面：工艺节能；优化加热炉的设计方案，设计节能；应用成熟可靠的设备，设备节能；提高加热炉的控制水平，使设备长期在高效率下工作节能；操作和管理节能；1.工艺节能以往一提到加热炉的节能，大家自然都想到的是提高加热炉的效率。提高效率确实可以节能，但是节能的根本目的是节约燃料，节约燃料有多种途径，工艺上节能是根本。就以我们现在的常减压装置来说，从以住的湿式减压到现在的干式减压，应用先进的网络设计方法，提高换热终温等，加热炉的有效负荷大幅度下降。对于大型装置，装置之间的热联合，采用大型加热炉集中供热等都可以有效的降低燃料消耗。燃气轮机与加热炉联合（后面有一示例专门论述），焚烧工艺废气做为加热炉的有效热量，利用工艺废热，减少加热炉的电、汽、气消耗等，这些手段的节能效果通常是其它的节能措施不可比拟的。2.优化加热炉的设计方案，设计节能单纯从加热炉来说，在加热炉的设计阶段，是节能的最重要的环节。设计方案的合理是能量合理利用的基础。这里的设计方案包括总体方案和局部方案。对于整体方案来说有加热炉系统的总体布局和被加热介质的分配及余热回收利用方案等。下面分别举例论述：2.1.加热炉系统的总体布局下面一个例子看一下总体布局的影响这是一家国外工程公司为我国一家大型企业在二十年前设计的二套联合装置的布置图，在总长二百五十米的炉区仅布置一个独立烟囱，二套装置共有十三台加热炉，在原来没有设余热回收设施，整个炉区燃料消耗量为40t/h标油。现图上的二个余热回收设施是我们新做的方案。这二套装置的十三台加热炉仅用二套余热回收设施就可以将烟气完全回收。对于同样规模的国内设计的联合装置的加热炉区，仅八十米的烟囱就有四个。每台炉子均有余热回收，这样地面有风机十几台，各种型式的预热器散布在地面上，不但能耗高，即便是操作和管理也复杂。因此，在炉区设计之初的方案规划是极为重要的。2.2.余热回收利用方案：对于一些大型装置，炉效率无疑是极为重要的，但是用什么方式回收余热，其经济性的差别是相当大的，例如：一台120×104t/a的重整装置的四合一加热炉；这是一台90MW的四合一重整加热炉，其辐射段加热工艺介质，对流室发生蒸汽，蒸汽发生系统采用强制循环，对流室的有效负荷为28MW产中压蒸汽35t/h。这是UOP公司的常规做法。基本上国内采用UOP的技术（也包括IFP公司）均为对流室强制循环产汽，这样做确实是把加热炉的热效率提高了，基本上这样的加热炉其排烟温度可以稳定的控制在170℃以下。但是，这样的加热炉烧是的燃料气，相当于用燃料气来产中压汽，这在经济上是不合理的，第一，产汽量小。第二产汽的品位中等。第三，采用强制循环，系统复杂。而在燃煤锅炉上，产相同汽的燃料价格仅为用燃料气产汽的一半；两者相比，其年费用增加在1500万左右。所以，从炉型上来说，这种形式并不是最经济的。在制氢转化炉上也同样存在这种情况，在以往的转化炉上，燃料产生的热量在完成转化加热后，还剩余大量的余热，这部分热量被用来产中压蒸汽，装置产的中压蒸汽仅有一部分被用来转化反应，其余部分外输。这样的转化炉，其热效率也是极高的，但是其经济性并不看好。目前国外的转化炉，均增加了预转化部分，这样吸收了一部分热量，然后仅产装置自用中压蒸汽，其余的热量全部用来预热空气。转化炉的空气预热温度达到了500℃以上。2.3.炉型的差别对能量利用的影响对于加热同样的介质，采用不同的炉型，其热效率也是有差别的，特别是对于大型加热炉，每一个百分点的热效率差别，其年效益的差别均在100万元以上。所以，大型加热炉的方案应进行充分的对比。例一（方案）：一个1000×104t/a常减压装置的两种设计方案的差别：方案一（某厂现有装置，简单叙述）方案二;从这二个方案可以看出，第一方案的占地较大,由于所有炉管均