第四章管式加热炉

混 合 的 先 后 可 分 为
预混式 ：结构复杂，对燃料要求高，易发生回火。 喷射式 ：瓦斯-空气未经预先混合，而是由燃烧器
的不同通道分别进入炉内，然后借助扩 散作用使两者在炉中边混合、边燃烧(即 扩散燃烧)。 半预混式 一部分空气靠引射器吸入预先混合 （一次空气），其余部分则靠外部大气供 给，与燃料边烧边混合（二次空气）。
燃烧必须具备的条件：可燃物、空气、温度 燃料的化学组成：C、H、少量的S、N、O等元素
理 按化学反应的需氧量
论 C+O2=CO 2
燃烧1kg碳需用氧=2.67 kg
空 2H2+O2=2H2O 燃烧1kg氢需用氧=8 kg
气 S+O2=SO2
燃烧1kg硫需用氧=1 kg
量 燃烧1kg燃料由空气供给的理论用氧量为（kg）
管式加热炉的其他部件
一、炉管：是加热炉形成传热表面最重要的 组成部分。主要考虑耐热性、耐腐蚀性、 机械强度、炉管表面热强度。
二、回弯头：将炉管连成一个整体的部件， 分为可拆和不可拆两种。与炉管连接有膨 胀法和焊接法。
三、管件与管板：为防止炉管在炉内受热弯 曲变形而采用管架支持，用耐高温的合金 钢制造。
按燃烧所用空气的供给方式可分为
引射式（空气靠瓦斯本身吸入）和混合式 （空气靠鼓风机供给）
液体燃烧器（油嘴）
雾 机械雾化
化 方
低压空气雾化
法 高压水蒸气雾化（炼油厂常用）
高压水蒸气雾化燃烧器：
水蒸汽与燃料油在燃烧器内不进行混合， 二者由不同的孔道分别喷出。
水蒸汽与燃料油在火嘴内混合形成泡沫状 物质，再由小孔按适宜角度喷入空气流中。 （内混式水蒸气雾化燃烧器）
无焰燃烧炉，即把双面辐射与无焰火嘴相结 合的一种新型炉。
1、结构：
外形与立式炉相似，炉 中间排辐射管，顶部排对流 管，两侧炉墙布满火嘴。
燃烧气体与空气混合极 为完全，再加上耐火砖的催 化作用和分化作用，燃烧速 度极快，在燃烧器孔道里就 完成燃烧的全部过程，因此 没有火焰。
2、特点：
炉管双面接受辐射，受热比较均匀，辐射管 表面热强度大；由于火嘴很多，所以能够 灵活地调节各处受热强度；辐射室宽度更 窄，炉膛结构紧凑；散热损失小，空气过 剩系数小，烟气带走热量少，因此热效率 高；处理量比一般炉型大；造价低。
解：
L0
2
1 3.
( 2
2
.
6
7
C
8
H
S
O
)
2
1 3.
( 2
2
.
6
7
8
8
8
12)
1 4 . 3 k g空气/k g燃料
例2：某燃料气组成如下表，燃料ρ=1.52kg/m3,试
求每千克燃料燃烧时所需要的理论空气量？
组分
CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 iC4H10 nC4H10
%（体） 31 3.9 21.2 10.7 11.9 5.6
由烟道气组成分析结果计算
α
1
1 0 0- CO 2 0 0- CO 2
O2 4.76O
2
从烟气中氮、氧的含量计算
例：P1-133 习题（2）
N2
α
79
N2 79
O2 21
21
2
1
7
9
O NБайду номын сангаас
2 2
三、燃料发热值
燃料发热值：指单位质量或单位体积的燃料 完全燃烧时所放出的热量。
高发热值：燃料完全燃烧，并当燃烧产物中 的水蒸汽凝结为水时所放出的热量。
3、加热炉中，辐射室、对流室和烟囱成水平排列 的是( C ) A.立式炉 B.圆筒炉 C.斜顶炉 D.无焰炉
练习
4、( B )具有结构简单，占地面积小的特点， 在炼油厂得到广泛应用。
A.斜顶炉 B.圆筒炉 C.立式炉 D.无焰炉 5、炉内烟气阻力较大的炉型是( A ) A.箱式炉 B.圆筒炉 C.立式炉 D.无焰炉
内混式水蒸气雾化燃烧器雾化效果好、水蒸气消耗 低、火焰有一定方向且刚直有利。
内混式水蒸气雾化燃烧器组成P113） 三通： 其针形阀正常操作时不使用，停工和火嘴结
焦时打开，蒸汽进入三通内管，清扫油嘴。
短管：又称加热管，油走内管，水蒸气走外管。
喷头：分内喷头（与短关连接）和外喷头（与油嘴 外管连接）。
1、结构：
立式炉
烟囱
对流室 辐射室
卧管立式炉
2、特点：
由于火焰垂直向上，与烟气流动方向一致。
因此，受热较均匀，炉管表面热强度高，辐 射室宽度变窄，炉膛体积可以缩小，占地 面积小。烟气阻力小，烟囱高度低。
上下部炉管还存在热强度不均匀性。对流室 和烟囱布置在炉子上面，炉架需支撑整个 炉体，负荷重，钢架庞大，消耗钢材多。
只适宜烧气体燃料，使用上受到限制。
管式加热炉的发展方向
直立式、垂直管、双面辐射、强 制通风，尽量少用高合金管架，对流 管采用钉头或翅片式。
练习
1、管式加热炉按炉体形状划分，可以分为( 箱式) 炉、 (立式 )炉、 (圆筒)炉、 (无焰)炉等。
2、管式加热炉主要由(对流)室、 (辐射)室、燃( 烧器) 和(烟囱)等几部分组成。
管式加热炉的一般结构
管
式
加
热
炉
的
物料入口
主
要
物料出口
组
成
部
分
管式加热炉各部分的作用(一)
辐射室(炉膛)位于加热炉的下部，是通过火焰或高 温烟气进行辐射加热的部分。辐射室是加热炉的 主要热交换场所，全炉热负荷的70％～80％是由 辐射室担负的，它是全炉最主要的部分。
对流室是靠由辐射室出来的烟气与炉管进行对流换 热的部分，实际上也有一部分辐射热，但主要是 对流传热起作用。
K0 (2 . 6 7 C 8 H S O ) / 1 0 0
理论空气量
液体燃料需要的理论空气量为（kg空气/kg燃料）
L0
2
1 3.
( 2
2
.
6
7
C
8
H
S
O
)
0
.
1
1
5
C
0
.
3
4
5
H
0
.
0
4
3
2
(
S-
O
)
液体燃料需要的理论空气体积为(Nm3空气/kg燃料)
V0 L0 /1.293
气体燃料所需的理论空气用量（kg空气/kg燃料）
按用途分类: 化学反应炉、加热液体的炉子 气体加热炉、加热混相流体的炉子
箱式炉
（一）方箱炉 1、结构：长、宽、高大致相近，辐射室和对流
室用火墙隔开，火嘴装于侧壁，烟囱设于炉外， 炉管水平排列
2、方箱炉的特点
操作经验成熟，但钢材消耗大，占地 面积大。
尤其是辐射管离火嘴远，受热差。火 墙顶部的管子，直接受到高温烟气的冲刷， 极易局部过热，管子容易烧坏，使检修周 期大大缩短，炉管表面平均热强度较低； 烟道气经对流室向下流动，阻力大，须在 炉外另建烟囱，炼油厂中不再采用。
（二）斜顶炉
斜顶炉
1、结构：斜顶炉是由箱式炉演变而来，是箱 式炉砍去炉膛内烟气流动的死角区而成。
大体上分三个部分：两侧是宽大的辐射室，
中间窄的部分是对流室，两侧壁上各装有一 排火嘴
2、特点：顶部辐射管避免了明显的局部过热， 受热较方箱炉均匀，但烟气对火墙顶部的 冲刷仍较厉害，受热仍不够均匀；占地面 积大；结构复杂，所用钢材较多。目前已 很少使用。
管式加热炉的特征
（1）被加热物质在管内流动，故仅限于加热气 体和液体。而且，这些气体或液体通常都是易燃 易爆的烃类物质，同锅炉加热水和蒸汽相比，危 险性大，操作条件要苛刻得多。
（2）加热方式为直接受火式，加热温度高，传 热能力大（3）只烧气体或液体燃料。 （4）长周期连续运转，不间断操作，便于管理。
给热
加热炉的热平衡及主要工艺指标
一、加热炉的热平衡 二、加热炉的热效率 三、加热炉的热负荷 四、炉管表面热强度 五、火墙温度 六、油品在炉管内的流速和压力降
一、加热炉的热平衡
炉墙散热损失
烟气离开炉子带走的热量 入炉介质
全炉热负荷
燃烧热
燃料 空气 雾化剂
显热
出炉介质
全炉热平衡简图
全炉热平衡是指入炉的总热量和炉内有效热 负荷以及损失总热量间的平衡。
14.9kg空气/kg燃料
二、 过剩空气系数 实际入炉空气量与理论空气量之比
表达式
α
L L0
V V0
例：P1-133 习题（1）
过剩空气系数太大，入炉空气量多，
过大 剩小
相对降低了炉膛温度和烟气的黑度，影响传 热效果。在加热炉的排烟温度一定时，过剩
空 的 空气系数大则排烟量大，使烟气从烟囱带走
气 影 的热量多，增加了热损失，全炉热效率降低。
系 响 过多的空气还会使烟气中含氧量高，加剧炉 数 管表面的氧化腐蚀，缩短管子的寿命。
减小过剩空气系数虽然有许多好处，
但一个重要的前提是：必须保证燃料完全燃
烧。
自然通风的管式加热炉过剩空气系数
炉型
燃料油
燃料气
圆筒炉
1.2~1.3
1.1~1.25
无焰炉
不烧油
1.01~1.1
方箱炉
1.2~1.35
1.15~1.25
油气联合燃烧器（Ⅲ型）
组成： 油嘴 气嘴 风门
练习
1、按燃烧器所使用燃料不同，可分为 ( 气体燃烧器)、(液体燃烧器)、( 油-气联合燃烧器 )。
2、为了满足燃烧条件，气体燃烧器必须有( )、 ( 气嘴 )、( 火道 )。炉膛
3、燃油雾化方法有三种，即(机械雾化 )、 (低压空气雾化 )、( 高压水蒸气雾化)。炼油厂 常用的是高( 压水蒸气雾化 )。
管式加热炉各部分的作用(二)
燃烧器将燃料油雾化，使空气与燃料气或燃 料油雾化气良好混合，充分燃烧并产生热 量。
通风系统的任务是将燃烧用空气由风门控制 引入燃烧器，并将废烟气经挡板调节引出 炉子，可分为自然通风方式和强制通风方 式。
管式加热炉炉型
按炉体形状：箱式炉（方箱炉、斜顶炉） 立式炉 圆筒炉 无焰炉
管式加热炉
主讲：蒋克勤
管式加热炉概述
管式加热炉是炼油厂和石油化工厂的重要设 备之一。利用燃料在炉膛内燃烧产生的高 温火焰与烟气作为热源，来加热炉管中流 动的油品，使其达到工艺规定的温度，以 供给原油或油品在进行分馏、裂解或反应 等加工过程中所需要的热量，管式加热炉 的换热面是管壁。
与其他加热方式比较：加热温度高、传热能 力大、便于操作管理。
L 0
0
.
06
1
9[
0
.
5
yH
2
0 . 5 yC O
(m
n 4
)
yC
m
H
n
1 . 5 yH2S
yO2 ]
气体燃料所需的理论空气体积（ Nm3空气/m3气体燃料）
V0
0
1 .2
[ 1
0
.
5
yH2
0 . 5 yC O
(m
n 4
)
yC
m
H
n
1 . 5 yH2S
yO2 ]
例1： 已知燃料油的质量组成C=88%， H=12%，试求该燃料燃烧时所需要的理论 空气量？
4.3
C4H8 C5H12 5.5 1.1
H2S CO2 3.6 1.2
解：
L0
0
.
06
1
9[
0
.
5
yH2
0.5yCO
(m
n 4
)
yC
m
H
n
1 . 5 yH2S
yO2 ]
0.061 1.52
9231 33.9 3.5 21.2 4.510.7 511.9 6.55.6 6.5 4.3 65.5 81.11.53.6
1、结构：
圆筒炉
2、特点：
辐射锥的作用：使炉管不仅在 径向上热强度分布均匀，而 且在轴向的热强度也趋于均 匀。
优点：结构简单、紧凑、占地 面积小、投资省、施工快、 热损失少。
缺点：炉管表面积热强度较其 他炉型低；立管用机械除焦 也较困难，所以圆筒炉适用 于油品的纯加热。
无焰炉
随着炉型的不断改进，炉管的表面热强度和 炉管的受热均匀性大为改善，但同一根炉 管面像火焰和背对火焰两面受热不均匀， 由此就产生了双面辐射加热炉。
燃烧器（火嘴）
按所使用的燃料分为： 气体燃烧器（气嘴） 液体燃烧器（油嘴） 油--气联合燃烧器（Ⅲ型）
气体燃烧器（气嘴）
气体燃烧必须条件： 气体燃料在一定比例下与空气混合，
混合物有一定着火温度，有充分的混合时 间和燃烧化学反应的时间。 燃烧器的结构：
气嘴、火道、炉膛
气体火嘴
按 燃 料 气 和 空 气
低发热值：燃料完全燃烧，其燃烧产物中的 水分仍以汽态存在时所放出的热量。
燃料的发热值可通过实验测定（表4-4、4-5、4-6）
管式加热炉的传热特点
以辐射传热为传热的主要方式。（辐射室内传热 情况如图所示）
火焰 辐射
燃 料 燃 烧
炉 墙
辐射 炉 管 表 面
导热 管 内 壁
给热
油品
CO2、H2O SO2
Q入=Q出 BQ燃料=Q有效+ Q烟离+ Q损失
影响加热炉热效率的因素
烟气带走的热量 炉子散热损失 不完全燃烧损失 与过剩空气系数和炉子排烟温度有关。 烟气带走的热量越多，炉子散热损失和不完全燃烧损失越
管式加热炉的其他部件
四、炉墙：要求绝热良好、热损失小、经久 耐用、安装方便、重量轻、造价低。
耐热材料：耐火砖（传统）、耐热陶瓷纤维 （新型）
五、钢结构 六、烟囱：自然通风和强制通风
燃料的燃烧
一、燃烧过程的实质与理论空气用量 二、过剩空气系数 三、燃料发热值
一、燃烧过程的实质与理论空气用量
燃烧过程的实质：燃料中所含的可燃性成分与空气 中的氧接触，在一定温度下，发生的强烈氧化作 用，同时放出光和热的过程。