加热炉工艺与传热计算

炼厂加热炉工艺和传热计算热负荷计算燃烧计算热效率计算辐射段计算对流段计算烟囱计算工艺与传热计算一、基础数据•1环境条件（压力、温度、湿度）•大气压力－与烟囱高度、风机大小有关•温度－烟囱高度、风机、露点温度、结构材料选择有关•湿度－燃烧空气量、油漆、风机等配件的选用有关。•2工艺条件（API数据表）•3燃料性质•燃料气、燃料油、油－气联合•燃料中S、V、Na等重金属的含量•4环境保护•a烟气排放标准工业炉窑大气污染物排放标准GB9078大气污染物综合排放标准GB16297b噪音c安全d消防•5特殊要求•烧气时是否用吹灰器，对吹灰器型式的要求；•是否要求管壁热电偶；•对平台铺板要求：花纹钢板、格栅板；•在强制通风中断，自然通风期间要求的加热炉负荷；•陶瓷纤维结构的壁板对防护涂料的要求；二、热负荷计算•加热炉的热负荷等于所有被加热的气体、液体、水蒸汽等介质通过加热炉所吸收的热量之和。•Q=ΣQi•无化学反应的热负荷为被加热介质的出入口焓差,见辅导材料•介质的出入口焓差即为理论热负荷。但要考虑不同的操作状况，如操作初期、末期、加工不同的介质等，如果是反应进料加热炉还应考虑换热器负荷的波动。三、燃烧计算1总放热量•总放热量按低发热量计算的给定燃料燃烧释放的总热量。•高发热量以15℃为基准单位燃料燃烧释放的总热量。•低发热量等于高发热量减去单位燃料中氢燃烧生成水的汽化潜热。即:燃料完全燃烧,其燃烧产物中的水仍以汽态存在时的反应热。其计算方法见“辅导材料”等2理论空气量•理论空气量--按化学燃烧反应的需氧量而供给的空气量，即燃料中各组分完全燃烧所需的空气量。•粗略估计时可按下式计算：•理论空气量=放热量（104kcal/h）X14kg/h•或理论空气量=放热量（MW）X1204kg/h3过剩空气系数•实际进入炉内的空气量与理论空气量之比。•它与燃料类型、燃烧方式、燃烧器性能、加热炉结构有关。•计算热效率时，按以下数据选取：•除非另有说明：对于自然通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为20%；烧油为主时，过剩空气量应为25%；对于强制通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为15%；烧油为主时，过剩空气量应为20%。4烟气量及烟气组成•烟气量=空气量+燃料量+雾化介质量•烟气中SO2的含量：•燃料油中的硫含量为S%（wt）时，烟气中SO2的含量：0.02Skg/kg燃料•燃料气中的硫化氢含量为H2S%（v）时，烟气中SO2的含量：0.01H2SNm3/Nm3燃料四、热效率1热平衡•输入热量=支出热量•输入热量=燃料的低发热量+（燃料+空气+雾化介质）的显热•支出热量=吸热量（有效热量）+烟气带出热量+炉壁散热损失+不完全燃烧损失热量2热效率•热效率总吸热量除以总输入热量。•燃料效率•总吸热量除以燃料燃烧产生的总热量。不包含燃料的显热，仅采用燃烧释放的净热量。•SH/T3045-2003《石油化工管式炉热效率设计计算》•它规定了燃气、燃油的石油化工管式炉热效率设计计算方法。有散热损失的取值大小，过剩空气系数的选取，体系的划分，常用燃料的焓值等。•燃料效率的计算值应以所设计燃料的低发热量为准，并包括计算正常放热量1.5%的散热损失。对有空气预热系统的加热炉，应包括基于低发热量的燃料放热量2.5%的散热损失。•除买方另有规定外，计算效率时，对于自然通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为20%；烧油为主时，过剩空气量应为25%；对于强制通风加热炉，以烧气为主时，过剩空气量应为15%；烧油为主时，过剩空气量应为20%。•热效率的大小应与加热炉热负荷的大小、燃料的组成（主要是硫含量）等有关。•与烟气接触的金属壁温至少应高出烟气露点温度15℃∽20℃，下图为所推荐的最低金属壁温。直接接触烟气的对流盘管、风机烟道钢板的推荐金属最低温度65(150)01金属温度，93(200)121(250)燃料中硫的质量分率，%324177(350)149(300)563燃料量•燃料量=热负荷/有效热量=热负荷/（热效率X输入热量）五、辐射段1计算方法•经验法、Lobo-Evans法、区域法、别洛康法等•常用方法－Lobo-Evans法：•传给辐射炉管的热量由两部分：火焰及烟气以辐射的方式、烟气以对流的方式。•假定：炉膛平均烟气温度Tg与辐射段烟气出口温度Tp相等。2热量平衡•a烟气放热•Qr=Qin-Qc-Q散•≈B•（低放热量＋空气等显然－Qg)•B---燃料量；•Qg－－Tg温度下烟焓；•b传送给介质的热量•Qr=Qrr+Qrc•Qrr－辐射传热；Qrc－对流传热；•Qrr=σ•αAcp•F•(Tg4-Tw4)•σ-波尔兹曼常数•αAcp－当量冷平面，也可以称当量吸收表面。与管心距、管排及燃烧器布置方式等有关。•F－交换因数。与炉膛形状、燃料组成、吸热面的黑度、吸热面与反射面的面积等有关；•Tg－烟气温度；•Tw－炉管外壁平均温度。与管内介质温度、内膜传热系数、焦层或垢层厚度有关。•Qrc＝hrc•Ar•（Tg－Tw）•hrc－对流传热系数。与燃烧器的类型、供风方式、炉膛形状有关；•Ar－炉管传热面积；。3计算步骤•a辐射段热负荷加热炉热效率，％辐射段热负荷占总热负荷的比例，％906085658070•b辐射管表面积•根据经验数据选取平均表面热强度初定辐射管传热面积：•传热面积＝辐射段吸热量/平均表面热强度序号加热炉名称平均表面热强度，kcal/m2.h1常减压炉20000~300002焦化炉25000~300003重整加热炉20000~280004减粘炉20000~250005常规重沸炉22000~30000•辐射段平均热强度通常按管心距为两倍炉管公称直径的单排管单面辐射考虑。如果直接受火焰辐射，第一排遮蔽管应按辐射管束确定其平均辐射热强度。•当平均辐射热强度以两倍炉管公称直径的盘管布置为基准时，可采用其他的盘管布置例如采用三倍炉管公称直径或双面辐射提高平均热强度，但包括不均匀系数在内的最高热强度不应超过两倍炉管公称直径时的最高热强度。•限制最高热强度的目的是限制最高内膜温度及最高壁温。•对任何工艺装置，辐射段和对流段炉管的任何部位，最高内膜温度均不应超过允许值。•c辐射管管径及管程数•根据经验暂选质量流速。（控制指标是压降）•管内面积X管程数X质量流速＝流量序号加热炉名称管内介质质量流速，kg/m2.s1常、减压炉980~15002焦化炉1200~20003重整加热炉170~2404减粘裂解炉3000~40005重沸炉1200~2000•常用炉管外径：60,73,89,102,114,127,152,168,193,219,273•管心距•基本是1.75~2倍管外径•d辐射段炉膛尺寸•炉膛高度＝（1.5~2)X火焰高度,但要确保可见火焰高度不超过辐射段高度的2/3。•常用油气联合燃烧器的火焰高度：燃烧器放热量，106kcal/h火焰高度，mm0.622001.025002.038003.06000•炉膛宽度，要考虑以下因素：•炉管至炉墙间距常规为1.5倍管外径且不小于100mm。特殊情况下要考虑膨胀。•燃烧器中间距离•燃烧器距炉管间距•燃烧器距炉墙距离•高宽比的限制：•立式圆筒加热炉最大的高径比（ｈ／ｄ）为2.75，其中高ｈ为辐射段净高（耐火层内表面），直径ｄ为炉管节圆直径，二者计量单位应相同。•对于侧壁管单面火焰加热的底烧箱式加热炉，立管的直管长度ｈ对管排间宽度ｗ的比值（ｈ／ｗ）有以下限制：•设计吸热量MWｈ/ｗ（最大）ｈ/ｗ（最小）＜3.52.001.53.5~72.501.51.5＞72.751.5•应根据所有规定的操作条件，包括如蒸汽-空气清焦时的短期条件来考虑热膨胀问题。•对于立管立烧加热炉，辐射管直段最大长度为18.3m；对于水平管两端烧加热炉，辐射管直段最大长度为12.2m。•对水平辐射管，从炉底耐火层上表面至炉管外壁的净空应不小于300mm。4几个主要参数•辐射表面热强度•炉膛温度•炉管壁温六、对流段1热量平衡•a烟气放热•Qc－B•（Qg－Qts－Q散）•Qts－烟气出对流段的烟焓；•b介质吸热•Qc－Kc•Ac•⊿t2传热计算•内膜•气体、液体、气液两相•外膜•光管、翅片管、钉头管、垢阻、流速•烟气质量流速：1~3kg/m2.s。•烟气温度与入口介质温差：一般70～80℃，最低可为40～50℃•如果设计的加热炉烧重质燃料油，对流段应装吹灰器。烧轻质燃料油如石脑油，买方应规定是否加吹灰器。六、烟囱•烟囱应满足以下3个方面的要求：•a抽力•b环保•c烟囱高度应高于周围？m以内操作平台或构筑物？m以上。七、炉衬结构1管式炉常用炉衬结构•轻质浇注料（多层）•砖（背衬保温板）•陶瓷纤维（层铺或陶纤块）•喷涂陶纤•陶纤可塑料•轻质浇注料＋喷涂陶纤2一般规定•在无风、环境温度为27℃(80℉)条件下，辐射段、对流段和热烟风管道的外壁温度应不超过80°C辐射段底部外表面温度应不超过90°C.•炉墙、炉顶和炉底的设计应允许所有部件适当膨胀。采用多层或复合衬里时，其接缝不得连续贯穿衬里。•任一层的耐火材料工作温度应至少高出其计算热面温度165°C。辐射和遮蔽段耐火材料的最低工作温度应为980°C。•炉底的热面层应采用65mm厚的高强耐火砖或75mm厚的浇注衬里，衬里的工作温度级别应达到1370℃，经110℃干燥后冷态耐压强度至少为3450kN/m2。•燃烧器砖的最低工作温度应为1650℃。•两侧与火焰接触的火墙，应采用温度等级不小于1540°C的高强耐火砖砌筑。耐火砖应干砌或用耐火泥粘结。膨胀缝应填塞工作温度不小于1540°C的耐火陶纤条。•单侧与火焰接触的火墙，可以用耐火砖或最高工作温度与之相当的可塑料，背衬可以是浇注料或陶瓷纤维板。•人孔门应采用至少与周围耐火层有同样隔热性能的耐火材料进行防护以避免直接辐射。•除运输需要外，炉底浇注料不必用锚固件。3轻质浇注料衬里结构•水硬型浇注料衬里适用于加热炉的所有部分。•对双层浇注料衬里，热面层的最小厚度应为75mm。锚固件应支承住每层衬里。•浇注料衬里厚度大于50mm时，锚固件的高度至少应贯穿该层衬里厚度的70%，其顶部距热表面的距离应不小于12mm。•锚固件应是方形布置，最大间距应为衬里总厚度的3倍，但在炉壁不应超过300mm，在炉顶不应超过225mm。为避免形成连续的剪切面，锚固件的叉口方向应交错排列。•衬里总厚度不超过150mm，锚固钉的最小直径应为5mm；大于此厚度的衬里，锚固钉最小直径应为6mm。•弯头箱、尾部烟道、烟风道和烟囱的衬里厚度应不小于50mm。•燃烧器砌体和预烧成型制品的周围应留有膨胀缝。•当燃料中包括钠的重金属总量超过250mg/kg时，暴露的热面层应采用低铁的（铁含量不大于1%）或重质的浇注料。重质浇注料的密度至少应为1800kg/m3,其集料中Al2O3的含量应不小于40%，SiO2的含量不大于35%。4陶瓷纤维结构•层状或模块结构的陶瓷纤维可用于除烟囱、烟道和炉底之外的加热炉所有部位。•用于热面层的陶瓷纤维毯最小厚度应为25mm、密度为128kg/m3的针刺材料。用做背层的陶瓷纤维毯最小密度应为96kg/m3的针刺材料。•任何一层陶瓷纤维的工作温度应至少比计算的热面温度高280℃。•陶瓷纤维毯热面层的锚固件至所有边沿的最大距离应为75mm。•没有炉管遮蔽的金属锚固件，应由陶瓷纤维块完全覆盖或用填塞可塑性陶纤的陶瓷杯保护。•当烟气流速超过12.2m/s时，不得用陶瓷纤维毯作为热面层；当流速大于12.2m/s小于24.4m/s时，热面层应使用湿毯、陶瓷纤维板或陶瓷纤维模块；当流速超过24.4m/s时，热面层应采用浇注料或采用外保护层。•陶瓷纤维毯施工时，应使它的最大尺寸方向与烟气流动方向一致，毯在热面层上的连接应是搭接，搭接方向顺着烟气流动方向。热面层用陶瓷纤维板时，接缝应严密。•陶瓷纤维模块应按照竖缝立砌（压缝）法进行施工。交错镶嵌法仅适用于炉顶。•炉顶上的纤维模块应设计为其锚固范围至少大于模块宽度的80%。•模块内的金属附件至少应为奥氏体不锈钢或镍合金。•陶瓷纤维