加热炉工艺与传热计算

0.6
2200
1.0
2500
2.0
3800
3.0
6000
• 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 MW ＜3.5
ｈ/ｗ
（最大）
2.00
ｈ/ｗ
（最小）
1.5
3.5~7
2.50
1.5
1.5 ＞7
2.75
1.5
• 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。
0
1
2
3
4
5
6
燃料中硫的质量分率，%
3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。
• 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 •⊿ t
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%。
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。
序号 加热炉名称
1
常减压炉
平均表面热强度， kcal/m2.h
20000~30000
2
焦化炉
25000~30000
3
重整加热炉
பைடு நூலகம்
20000~28000
4
减粘炉
20000~25000
5
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。
• 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。
177(350)
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
149(300)
金属温度，
121(250)
93(200)
65(150)
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，％ 90
辐射段热负荷占总热 负荷的比例，％
60
85
65
80
70
• 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
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
• 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。
• 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）X14 kg/h • 或 理论空气量=放热量（MW）X1204 kg/h
3 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
• 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
不应超过300mm，在炉顶不应超过225 mm 。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150 mm ，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250 mg/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1 800 kg/m 3,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128 kg/m 3 的 针刺材料。用做背层的陶瓷纤维毯最小密度应为96 kg/m 3 的针刺材 料。
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50 mm 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
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： 0.01 H2S Nm3/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
• 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；
2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。
• 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，mm
• 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 GB16297 b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；
• 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 。
炼厂加热炉工艺和传热计算
工艺与传热计算 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
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。
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
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
• 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
1
常、减压炉
2
焦化炉
3
重整加热炉
4
减粘裂解炉
5
重沸炉
管内介质质量流速， kg/m2.s 980~1500 1200~2000 170~240 3000~4000 1200~2000
• 炉底的热面层应采用65 mm 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1 370℃，经110℃干燥后冷态耐压强度至少 为3 450kN/m2。
• 燃烧器砖的最低工作温度应为1 650℃。 • 两侧与火焰接触的火墙，应采用温度等级不小于1 540 °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1 540 °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。