管式加热炉管式加热炉概述51页PPT

五、炉衬及耐火隔热材料
●炉衬结构—砖结构、衬里（浇注料、可塑料）、 陶瓷纤维结构、复合结构
●炉衬材料选择—热面温度、温度裕量、耐火隔热 材料的分类温度或等级温度、烟气的腐蚀性
●炉衬厚度计算
●炉墙外壁温度—SH/T3036规定：环境温度27℃， 无风条件下，外壁温度不高于80℃。
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六、钢结构
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二、特殊性和重要性
2.1特殊性 与石油化工装置中的其它设备相比，管式炉的特殊
性在于直接火焰加热，即是直接见火设备；与一 般工业炉相比，管式炉的盘管要承受高温、高压 和介质腐蚀；与锅炉相比，管式炉盘管内的介质 不是水和蒸汽，而是易燃、易爆、易裂解、易结 焦和腐蚀性较强的油和气。这些就是石油化工管 式炉的特殊性。
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2.2重要性
管式炉在石油化工装置中的地位之所以重要，在于它是 主要的热能供应设备，同时也是节能的关键设备；其 基建投资占有相当高的比例；它是主要的污染源，也 就是解决环保问题的主要对象。
管式炉的燃料消耗占装置能耗的比例，管式炉投资占装 置投资的比例如下：
常减压 焦 化 连续重整 柴油加氢 制 氢 能耗比例 % 82～92 ~90 ~80 ~30 工程费 % 10～17 10～12 12～16 6～8 20～25
简化的热效率反平衡表达式 ： η＝(1-q1-q2-q3)×100%
η-加热炉热效率 q1 –排烟损失占总供热的比值，是排烟温度和过剩空气系
数的函数 q2 –不完全燃烧损失占总供热的比值 q3 –散热损失占总供热的比值
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7.2.1降低排烟温度以减少排烟损失
⑴ 减小末端温差 ⑵ 将需要加热的低温介质引入对流室末端。 ⑶采用各种空气预热器以预热空气 ⑷采用烟气余热锅炉以发生蒸汽 ⑸除灰除垢，保证管式炉长期高热效率运转 7.2.2降低过剩空气系数以减少排烟损失 7.2.3减少不完全燃烧损失 7.2.4减少散热损失 -15-

二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
镜反射（specular）： 光滑表面，表面的不平整尺寸小于 波长，入射角=反射角。当ρ= 1时，称 为镜体。 漫反射（diffuse）： 表面的不平整尺寸大于波长，表面 对热射线的反射，在所有方向上杂乱无 章。ρ = 1时，称为白体。
二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
ϕ=
π
2
时，I ϕ = π = 0
2
将遵守兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑表面即是。
三 兰贝特（Lambert）定律——余弦定律
E0 = ∫ I 0 dω
0 2π
dω =
da R2
da = Rdϕ ⋅ R sin ϕdθ
dω =
2π
Rdϕ ⋅ R sin ϕdθ = sin ϕdϕdθ 2 R
2π
二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
大部分固体和液体在小于1mm（甚至1μm）的非常薄的表面层 内，就能吸收掉全部热辐射，即τ= 0，ρ + α = 1，为不透明物 质。 可见光：黑色表面易吸收热量，α大——>反射率ρ小； 白色表面不易吸收热量，α小——>反射率ρ大。 不可见光：黑色表面与白色表面一样吸收。吸收率的大小主要取决于 表面的状况。表面越光滑——>反射率越高。 金属镜面：ρ = 0.95～0.97。 石膏粗糙表面：ρ = 0.10
一 热辐射的特征（续）
电磁辐射波谱 辐射线名称 宇宙射线 伽玛射线 伦琴射线 紫外线 可见光 红外线 < 1×10-7 1×10-7～1×10-5 1×10-5～2×10-2 2×10-2～0.38 0.38～0.76 0.76～1×103 （< 4μm 为近红外线） （> 4μm 为远红外线） 无线电波 1×103～2×1010 波长 / μm

炉管辐射表面热强度qR
15.7 10 2 qR 31345 W /m 0.21914.0 52
6
对流钉头管表面热强度qC
4.65106 2 qC 22833 W /m 0.219 3.7 80
管内质量流速GF
GF
3600 4

45000 (0.219 0.20)
横管大型箱式烧器和炉管交 错排列，单排管双面辐射，管子沿整个圆 周上的热分布要比单面辐射均匀的多。 • 燃烧器顶烧，对流室和烟囱放在地面上。
• 它的缺点是炉子体积大，造价很高，用于 单纯加热不经济。 • 目前在合成氨厂用它作为大型烃蒸汽转化 炉型，运转良好。
• 空气预热方式又有直接安装在对流室上面 的固定式空气预热器和单独放在地上的回 转式空气预热器等种类。
• 固定管式空气预热器由于低温腐蚀和积灰， 不能长期保持太高的效率，它的优点是同 炉体结合成一体，设计制造比较简单，适 合于回收热量不大时选用。
• 废热锅炉一般多采用强制式循环方式，尽 量放到对流室顶部。
BQl gv V
式中 gv—炉膛体积发热强度，kW/m3；
B—燃料用量，kg/s；
Ql—燃料的低位热值，kJ/kg或kJ/m3；
V—炉膛或辐射室体积，m3。
• 炉膛大小对燃料的稳定性有影响，如果炉 膛体积过小，燃烧空间不够，火焰舔到炉 管和管架上，炉膛温度也高，不利于长期 安全运行，因此炉膛体积热强度不允许过 大，一般控制在：
钉头式对流炉管
翅片式对流炉管
3、余热回收系统
• 余热回收系统是从离开对流室的烟气进一 步回收余热的部分。回收方法分两类。
• 一类是靠余热燃烧用空气来回收热量，这 些热量再次返回炉中。 • 另一类是采用同炉子完全无关的其他流体 回收热量。 • 前者称为“空气预热式”，后者因为常常 使用水回收，被称为“废热锅炉”。

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。

第一章 1-1 管式加热炉的一般结构 1-2 管式加热炉的主要技术指标 1-3 管式加热炉的种类 1-4 管式加热炉的主要部件
门类 看火门 观看炉膛内所有火嘴的整个火焰；观看辐
射管、 底排遮蔽管的受热状况，管壁被氧化 的情况，炉管的弯曲程度等。 防爆门 负压自重式防爆门，平时靠自重关闭， 当炉内压力增高时，防爆门即被打开。 人孔门 进行安装及检修等工作。
第一章目录
表-2 常用炉管规格
炉管规格 （mm） （外径×壁厚） 60×5 60×6 60×8 89×6 89×8 89×10 102×6 102×8 102×10 114×6 114×8 114×10 127×6
• 单排管双面辐射加热炉一般只用于烃 类蒸汽转化和乙烯裂解等高温过程。
a用风机或 压缩机将空 气送入压炉膛， 废烟气缩排入 大气。式
燃 烧 炉 是 在 正 压 下 操 作
压缩式燃烧炉
b烟气被导 入烟气轮机， 利用其膨胀 的能量做功， 可提高系统 的综合热效 率。
a部分烟气 引入烟气 轮机或联 合系统做 功，输出 电力。
的总热量，单位为W或kJ/h。炉子的热负荷越大， 其生产能力越大。计算公式为：
Q W F [ e v I ( 1 e ) I L I i] Q 0
炉膛热强度 燃料燃烧的总发热量除以炉膛体 积，称之为炉膛热强度（又称体积热强度）， 它表示单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧
所放出的热量，单位为kJ/m3·h或W/m3。炉膛 热强度越大，完成相同的热任务所需的炉子越 紧凑。
管子重 （kg/m）
6.78 7.99 10.26 12.28 15.98 19.48 14.21 18.58 22.69 15.98 20.91 25.65 17.90

第四节 加热炉热效率测试方法
加热炉的能量平衡 热负荷的计算 正平衡效率的计算 反平衡效率的计算
第四节 加热炉热效率测试方法
一、加热炉的能量平衡
1、加热炉能量平衡图
加热炉
第四节 加热炉热效率测试方法
一、加热炉的能量平衡
2、能量平衡方程式： 输入能量＝输出能量
Qi＝Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Qi =Qnet,V,ar +Qrx +QWl +Hzy
3、燃煤加热炉节能监测项目与指标
监测项目 评价指标
排烟温度 ℃
空气系数
炉体外表 面温度 ℃
炉渣含碳量 % 烟煤 无烟煤
限定值 限定值 限定值 限定值 限定值
D≤0.40
≤300 ≤2.6
0.4＜D≤0.63 ≤280 ≤2.6
0.63＜D≤1.25 ≤250 ≤2.4
1.25＜D≤2.00 ≤220 ≤2.4 ≤50
η1
D(h out hin ) BQ i
100%
式中： η1 —加热炉正平衡效率,％
B —加热炉燃料消耗量，kg/h(m3/h)
第四节 加热炉热效率测试方法
四、反平衡效率的计算
η2 ＝ l00－(q2 + q3 + q5) 式中：
η2 －加热炉反平衡效率，％ q2 —排烟热损失，％ q3 —气体未完全燃烧热损失，％ q5 —散热损失，％ 各项计算参照锅炉的计算方法
第六节 加热炉节能监测项目及评价指标
加热炉节能监测执行标准是SY／T 6275－2007 《油田生产系统节能监测规范》
本标准规定了石油企业主要耗能系统及设备的 节能监测综合方法 本标准适用于石油企业机械采油、原油集输系 统、注水地面系统、供配电系统、锅炉、加热 炉等系统及设备节能监测的综合评价

圆筒炉
1、结构：
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。 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。 只适宜烧气体燃料，使用上受到限制。
求每千克燃料燃烧时所需要的理论空气量？
CH4 组分 %（体） 31 C2H4 3.9 C2H6 21.2 C3H6 10.7 C3H8 11.9 iC4H10 5.6 nC4H10 4.3 C4H8 5.5 C5H12 1.1 H2S 3.6 CO2 1.2
解：
0.0619 n L0 [0.5yH 2 0.5yC O (m )yC m H n 1.5yH 2S y O 2 ] 4 0.06192 31 3 3.9 3.5 21.2 4.5 10.7 5 11.9 6 . 5 5 . 6 6 . 5 4 . 3 6 5 . 5 8 1 . 1 1 . 5 3 . 6 1.52 14.9kg空气/kg燃料

介质在管式炉的炉管内吸收足够的热量后到后续设备中 进行传热、传质、分馏和化学反应等。这类管式炉在石 油化工厂中占的数量最多，如常压炉、减压炉和各种分 馏塔进料加热炉；各种塔底重沸炉、热载体炉；焦化炉、 重整炉和加氢炉等各种反应器（塔）进料加热炉。
管内介质的状态可以是：纯液相、纯气相、气—液两 相流和产生相变化的等。作为特例，仅润滑油装置中的 白土炉管内介质中，含有一定量的固体颗粒。
➢ 石油化工装置中，有许多装置需要加热炉（严格地说，应该叫“火 焰加热炉”）。按照加热炉的不同属性及功用等，工程上从不同的 角度对加热炉进行分类。
➢ 首先，从基本定义的属性上分，可分为两大类：管式炉和非管式炉 ●管式炉：顾名思义，就是炉内有炉管的加热炉。我们石油化工装 置的绝大多数炉子，都是管式炉。 ●非管式炉：炉膛内没有炉管，用于特殊的功用。如：催化裂化装 置用的辅助燃烧室，硫磺装置用的制硫炉，焚烧炉等。这类炉子的 外形，安装方式，甚至连筒体的设计制造，一般都与卧式容器及其 相似，因此，也有人称之为“卧式炉”。
当然，目前在炼油行业内，只有制氢炉。
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第1章 目前常用的加热炉炉型
➢ 1.2管式炉还可按外形分类，即按炉体的几何形状来分类，可分为 圆筒炉和立式炉。
➢ 1.2.1圆筒炉 辐射室为圆筒形的管式炉叫圆筒炉。圆筒炉的标准学名,应该
叫“立式圆筒型加热炉”，这里的“立式”主要是区别于前面说的 “卧式炉”。 ➢ 1.2.2立式炉
类蒸汽转化炉，各装置加热炉的结构特点，设计 时应注意的有关加热炉安全方面的问题。 第6章 目前常用的耐火材料 第7章 新型耐火材料 第8章 加热炉热效率计算方法 第9章 提高加热炉热效率的途径及方法 第10章 加热炉烟气余热回收的改进
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第1章 目前常用的加热炉炉型

1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.5管内流速及压降
– 油品在炉管内的流速不能太低，否则易使管内 油品结焦而烧坏炉管。因为流速太低时，管内 边界层厚度大，传热慢，管壁温度升高，而且 油品在管内停留时间长。但流速过高又增加了 管内压力降，增加了动力消耗，所以应在合理 的范围内力求提高流速。压力降视判断炉管是 否结焦的一个重要指标。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.1炉膛负压（抽力）控制
• 炉膛负压值控制的是加热炉内烟气压力最高点— 辐射室出口部位的压力。控制负压是为了保证提 供火嘴足够的压力差，使之得到足够的空气，而 进入加热炉的过剩空气量最小，这有助于提高加 热炉的热效率。抽力过大，火焰不稳定，产生一 氧化碳。抽力过小，炉膛出现正压，炉内高温烟 气会从不密封处向外泄漏，导致能耗增加，造成 炉壳、炉管损坏。
• 其它的附件设备包括炉壳体、钢结构支撑、耐火 衬里、管板箱、火嘴风门、烟囱、挡板、空气预 热器、鼓风机或引风机、仪表、燃料和物料的管 线和阀门，吹扫蒸汽接口等。
1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.1热负荷
– 加热炉单位时间内向管内介质传递热量的能力 称为热负荷，一般用MW为单位。它表示加热 炉生产能力的大小。
η＝ 被加热流体吸收的有效 热量 供给炉子的能量
1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.6热效率 • 1.4.6.1热效率的定义
– 热效率表示向炉子提供的能量被有效利用的程 度，其定义可用下式表示：
η＝ 被加热流体吸收的有效 热量 供给炉子的能量
– 有效吸热量即炉子的热负荷，热效率是衡量燃 料消耗、评价炉子设计和操作水平的重要指标。
1.4.6热效率
• 根据供给能量和损失能量所包括的内容不同，有热效率和 综合热效率之分。热效率表示管式炉体系中参与热交换过