加热炉学习

一、管式加热炉的结构及工作原理1.1 管式加热炉在炼油和石油化工中的重要性管式加热炉是一种火力加热设备，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源，加热在炉管中高速流动的介质，使其达到工艺规定的温度，以供给介质在进行分馏、裂解或反应等加工过程中所需的热量，保证生产正常进行。

与其他加热方式相比，管式加热炉的主要优点是加热温度高（可达1273K），传热能力高和便于操作管理。

近60多年所来，管式炉的发展很快，已成为近代石化工业中必不可少的工艺设备之一，在生产和建设中具有十分重要的地位。

例如：一个年处理量为2.5Mt原油的常减压蒸馏装置，虽所用的加热炉的座数不多，但其提供的总热量却达70MW，如果炉子加热能力不够，就会限制整个装置处理能力的提高，甚至无法完成预定的任务。

管式加热炉消耗的燃料量相当可观，一般加工深度较浅的炼厂，约占其原油能力的3%~6%，中等深度的占4%~8%，较深的为8%~15%，其费用约占操作费用的60%~70%，因此，炉子热效率的高低与节约燃料降低成本有密切的关系。

此外，管式炉炉管结焦、炉管烧穿、炉衬烧塌等事故也常常是迫使装置停工检修的重要原因。

在生产中，希望生产装置能达到高处理量、高质量和低消耗以及长周期、安全运转，大量实践表明，管式炉的操作往往是关键之一。

管式炉的基建投资费用，一般约占炼油装置总投资的10%~20%，总设备费用的30%左右，在重整制氢和裂解等石油化工装置中，则占建设费用的25%左右，因此，加热炉设计选型的好坏，还直接影响装置经济的合理性。

1.2 管式加热炉的分类和主要工艺指标1.2.1管式加热炉的分类管式炉的类型很多，如按用途分有纯加热和加热-反应炉，前者如：常压炉、减压炉，原料在炉内只起到加热（包括汽化的作用）；后者如：裂解炉、焦化炉，原料在炉内不仅被加热，同时还应保证有一定的停留时间进行裂解或焦化反应。

按炉内进行传热的主要方式分类，管式炉有：纯对流式、辐射-对流式和辐射式。

按燃烧方式分类，有火炬式和无焰式。

根据炉型结构的不同，管式又可分为箱式炉和立式炉、圆筒炉等。

1.2.2主要工艺指标各种不同类型的管式炉都有其本身特性，但就其炉内的传热过程而言，又有其共性，所以，反映各种管式炉传热性能的主要工艺指标也基本相同。

一般只要有以下几项：1.热负荷指炉子单位时间内传给被加热物料的总热量，单位为KJ/h或W，此值越大，炉子的生产能力也越大。

2.炉膛体积热强度指单位时间内单位炉膛体积所传递的热量，单位为KJ/（m3.h）或W/m3。

此值越大，完成相同热任务所需要的炉子越紧凑。

3.炉管表面热强度指单位时间内单位炉管表面积所传递的热量，单位为KJ/（m2.h）或W/m2。

此值越高，完成相同热任务所需要的传热面越小。

4.全炉热效率指炉子供给被加热物料的有效热量与燃烧放出的总热量之比。

此值越高，完成相同热任务所消耗的燃料越少。

5.管内介质流速（293K 冷介质流速）和全炉压降。

1.3加热炉热负荷分布及计算1.3.1加热炉燃料加热炉的基本过程是利用燃料燃烧所放出的热量，加热在炉管内高速流动的介质。

热源即是燃料燃烧时产生的炽热火焰与高温烟气。

燃料分为气体燃料（瓦斯）和液体燃料（燃料油）两种。

气体燃料的来源比较繁杂，有催化裂化干气、焦化干气、不凝缩气、液态烃等，其主要成分是H2和C1~C5的烃类，液体燃料的来源十分广泛，大都是炼油厂自产的重质油，如常压重油、减压渣油、裂化渣油等。

燃料气的主要理化性质有：密度、比热、平均相对分子质量等。

这些性质都按燃料气中各组分的体积百分数和各组分的性质计算得到。

燃料油的理化性质有：密度、粘度、比热、导热系数、闪点、燃点、自然点和凝固点等。

燃料的发热值是指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧时所放出的热量，即最大反应热。

按照燃烧产物中水蒸汽所处的相态（液态还是汽态），燃料的发热值分高发热值和低发热值。

高发热值是指燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸汽（包括燃料中所含水分和氢燃烧生成的水蒸汽）凝结为水时所放出的热量。

其值由测量得到，低发热值是指燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水分仍以汽态存在时所发出的热量。

高发热值和低发热值之差等于燃烧产物中水的汽化潜热。

由于在加热炉中水总是以蒸汽状态存在，所以计算中总是用低发热值。

气体燃料的发热值用一标准立方米燃料完全燃烧时放出的热量来表示，单位为KJ/nm3。

可出其组成和各组成的发热值计算。

高发热值：Q h=Σy i q hi低发热值：Q l=Σy i q liy i--------气体燃料中的I组分的体积分率q hi，q li-------I 3气体组分的高、低发热值气体组分质量发热值KJ/kg 体积发热值KJ/nm3 高发热值低发热值高发热值低发热值甲烷55687 50051 39777 35711 乙烷51500 47522 68667 63584 丙烷50244 46388 96301 91034 异丁烷45655 118492 109281 正丁烷49407 45772 125610 118413 异戊烷48988 45274 134821 正戊烷48569 45387 145783 正己烷48151 45136 176273 正庚烷44956 197626 182972 正辛烷44822 226098 209350乙烯丙烯5056349440747196458145947286411异丁烯48490 45081 114724乙炔50244 48569 56453氢气144452 123307 11096一氧化碳10133 12636硫化氢16539 15282 25407 23384燃料油的发热值是指一公斤燃料完全燃烧时所放出的热量，单位KJ/kg。

一般燃料油相对密度越小，发热值越高。

1.3.2加热炉热辐射室传热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由两部分组成。

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管的热量，另一部分是烟气以对流的方式传给炉管的。

1.3.3加热炉对流室传热对流室的热负荷等于加热炉的总热负荷减去辐射室热负荷。

其中遮蔽管包括在辐射室中。

如果在对流室中敷设有过热蒸汽管，则这部分蒸汽所吸收的热量也应包括在对流室的热负荷中。

对流室的热负荷为 Rc Q Q Q -=式中 Qc ──对流室热负荷，W ；Q ──总热负荷，W ；Q R ──辐射室热负荷，W 。

1.3.4热负荷计算公式∑==ni Wi Q Q 1式中 Q —— 加热炉计算总负荷，kJ/hQ Wi —— 各被加热介质通过加热炉所吸收的热量，kJ/h冷进料(原油)吸收的热量Q W1由冷进料进口比焓I 1i ，出口比焓I io 。

()i I I W Q W 11110-=水蒸气吸收的热量Q W2水蒸汽入口比焓 I 2i ；水蒸汽出口比焓 I 2o 。

则过热水蒸汽吸收的热量为Q W2=W 2(I 2o －I 2i )对流油在加热炉吸收的热量为 Q ｗ3加热炉的总热负荷为 Ｑ＝Ｑｗ1+Ｑｗ2+Ｑｗ31.3.5燃烧计算燃料的气发热值为： 41.87079MJ/kg1.3.6热效率计算加热炉的热平衡1) 供给热量Q inQ in =Q i +Q f +Q a +Q S(1)燃料气的发热值Q 1由Q 1=41.87079MJ/kg(燃料气)(2)燃料气入炉显热Q f ，(3)空气入炉显热Q a(4)雾化蒸汽入炉显热Q SQ in = Q f ＋Q s ＋Q a kJ/kg(燃料气)2）支出热量Q outQ out =Q e +Q 1+Q 2+Q 3+Q 4（1）烟气带出热量Q 1(2)燃料的化学不完全燃烧损失热量Q 2(3)燃料的机械不完全燃烧损失热量Q 3(4)炉壁散热损失热量Q 4Q in = Q out 得Q e = Q in -Σ Q i加热炉热效率加热炉热效率η由下式计算 η= ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-M M M M Q Q Q Q Q Q Q Q 43211×100% 二、加热炉总体结构加热炉一般是由四个主要部分组成：辐射室、对流室、燃烧室（又称火嘴）和通风系统（烟囱和空气送入部分）。

辐射室和对流室内装有炉管；在辐射室的底部、侧壁或顶部装有火嘴；在烟囱内装有挡板。

一个比较先进的加热炉还配备烟气的余热回收系统、空气和燃料比的控制调节系统。

低温物料先流进对流室炉管，在流经辐射室炉管，在炉膛内吸热后成为高温物料而流出。

加热炉的四大组成部分的作用及各特点：2.1通风系统通风系统的作用是将燃烧用空气导入燃烧器，并将废烟气引出炉子。

根据通风系统的不同，加热炉可分为以下几种情况：a.自然通风加热炉 利用烟囱本身的抽力吸入燃烧用空气，并用烟气排出。

b.强制通风加热炉 燃烧用空气由通风机送入，烟气则通过烟囱排出。

c.负压加热炉 利用引风机排出烟气，维持炉内负压吸入燃烧用空气。

d.抽力平衡加热炉 用通风机送入空气，用引风机排出烟气。

自然通风加热炉依靠烟囱本身的抽力，不消耗机械功，其他则不然。

绝大多数炉子因为炉内烟气侧阻力不大，都采用自然通风方式。

烟囱通常安装在炉顶，烟囱高度要足以克服炉内烟气流动阻力。

烟囱越高，抽力越大。

抽力大则辐射室进风量也越大，所以要对抽力进行控制，在烟道内和一块可调挡板。

调节挡板开度可控制抽力大小，以保证炉膛内最合适的负压。

2.2对流室离开辐射室的烟气温度不能太低，否则会降低辐射室传热效率，通常控制在700-900℃之间，所以要高温的烟气有很多热量可以利用，所以要设置对流室，用来预热被加热介质及燃烧用空气或安装过热水蒸汽室，以回收余热。

对流室内密布多排炉管，烟气冲刷炉管，将热量传给管内介质。

烟气冲刷炉管的速度越快，传热的能力越大，所以对流室要窄而高些，间距尽量小些。

为提高对流室的受热能力，常采用钉头管和翅片管以加大它的外表面积。

管内介质要和管外烟气流动的方向相反，以增大传热温差，提高传热效果。

对流室一般负担全炉热负荷的20%~30%。

对流室吸热量的比例越大，全炉的热效率越高，但究竟占多少比例合适，应根据管内流体用烟气的温度差和烟气通过对流管排的压力损失等，选择最经济合理的比值。

对流室一般都布置在辐射室之上，与辐射室分开，单独放在地面上也可以。

2.3辐射室（又称炉膛）炉膛是管式加热炉的核心部分。

从火嘴喷出的燃料在炉膛内燃烧，需要有一定的空间使其燃烧完全，所以辐射室的体积较大。

由于火焰温度很高（可达1500℃~1800℃左右），故不能直接冲刷炉管，以防止炉管结焦或者被燃烧，因而热量主要靠火焰和烟气的辐射来传送。

一部分热量被炉管接受，一部分热量使炉墙温度升高。

又由于炉墙外部有隔热层，热量基本上散不出去，炉墙又把热量反射回来，传送炉管一部分。