烟筒保温对加热炉效率影响的研究毕业论文.doc

西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 11 烟筒保温对加热炉效率影响的研究烟筒保温对加热炉效率影响的研究毕毕业业论论文文 目目录录 前言 1 一 基本概况 1 二 加热炉效率及其影响因素分析 2 1 露点腐蚀问题 4 2 露点腐蚀的防止对于露点腐蚀的防止和减轻措施有以下几点 5 2 炉膛负压对加热炉效率的影响 6 1 负压的产生 6 2 负压的分布 6 3 一般的控制指标和方法 6 3 过剩空气系数及其影响 6 1 过剩空气系数对辐射传热的影响 7 2 过剩空气系数对加热炉内的燃烧温度的影响 8 3 过剩空气系数对对流传热的影响 9 4 过剩空气系数对露点温度升的影响 10 5 过剩空气系数过小的影响 11 6 过剩空气系数的控制指标 11 7 如何降低过剩空气系数 11 三 烟囱保温对影响加热炉效率因素的影响 12 1 烟囱保温对排烟温度的影响 12 2 烟囱保温对炉膛负压的影响 12 3 烟囱保温对过剩空气系数的影响 12 四 结论及建议 13 参考文献 14 致谢 15 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 1 前言 近年来 我国面临着严峻的能源形式 国际能源价格在不断的上涨 国家现 在倡导营造节约型社会 企业也加大节能降耗 在此形势下 顺应国家的号召 目前油田广泛应用火筒式燃气常压水套加热炉 提高加热炉的热效率对于节能降 耗意义重大 烟筒保温技术是提高火筒式燃气常压水套加热炉的可行办法之一 一 基本概况 当前 我们所面临着严峻的能源环境形势 及国际上对低碳经济的发展要求 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 2 国家为此在宏观上采取了一系列政策 对于各个企业而言 不断采用新技术节能 降耗已成为当务之急 加热炉是油气田生产中应用非常广泛的设备 提高加热炉 的热效率对于节能降耗意义重大 火筒式燃气常压水套加热炉是油田生产上应用 广泛的加热设备 是以天然气作燃料 在金属圆筒内设置火筒传热 通过火筒对 水套内的传热介质 水 进行加热 再通过浸泡在水中的盘管对天然气 或原油 加热 以满足工艺所需的温度 该设备对燃料的消耗非常大 提高加热炉的热效 率 减少燃料消耗 对于节能降耗意义重大 本文重点对提高加热炉热效率的措 施进行讨论 二 加热炉效率及其影响因素分析 加热炉是利用燃料燃烧所放出的热量加热工质的设备 从能量平衡的观点来 看 当加热炉工况稳定时 输入加热炉的热量与加热炉输出的热量应当平衡 由 于送入炉内的燃料不会全部燃烧放热 而燃料燃烧放出的热量也不会全部吸 收 因此加热炉输出的热量包括有效利用热和各项热损失两个方面 有效利用热 是加热炉用以加热 工质的热量 各项热损失是在燃烧和传热过程中以各种方式 损失掉的热量 对于燃 气炉而言 加热炉的热效率为其有效利用热量 Qe 占供 给总热量 in 的百分数 通常 计算加热炉热效率 的方法有两种 即正平衡 法和反平衡法 正平衡法即根据定义 其计算公式为 2 1 反平衡法是扣除排烟热损失 q2 排烟带走的热量 化学不完全燃烧热损 失q3 是指排走的烟气中含有的本可作为燃料的未燃尽的可燃气体 CO H2 CH4等带走的损失 机械不完全燃烧热损失 q4 未燃尽的碳造成的 热损失 散热损失 q5 由于加热炉温度高于环境温度而向环境散失的热量 的后的部分 计算公式为 2 2 式中 q2 烟气带走的热量 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 3 q3 燃料化学不完全燃烧损失热量 q4 燃料机械不完全燃烧损失热量 q5 散热损失热量 对于气体燃料 不完全燃烧损失极小 只要保温措施较好 散热部分节能的 潜力也不大 而排烟损失占到总热量的 15 20 是加热炉热损失的主要部分 下面就此进行具体分析 可以从以下三个方面间接看出排烟温度对热效率的巨大影响 1 在不同排烟温度下 过剩空气系数变化对热效率的影响是不同的 比如 排烟温度为 200 时 过剩空气系数 每增大0 1 全炉热效率将下降约 0 75 而且排烟温度越高 过剩空气带走的热量越多 对热效率的影响越大 具体在不 同排烟温度下 过剩空气系数 每增加0 1对热效率下降值的影响见图 1 1 图1 过剩空气系数每增加0 1 对热效率下降值的影响关系 2 不同的排烟温度下 对应不同的过剩空气系数值 炉子的热效率相差很大 在过剩空气系数值较小时 随排烟温度的增加 热效率下降的幅度要小一些 3 从燃料消耗来看 排烟温度每降低 10 可以节省燃料 1 左右 因此 排烟温度是决定加热炉效率的主要因素 加热炉节能应该主要从想方 设法降低排烟温度入手 但排烟温度的选择也不是任意的 它要受到露点腐蚀的 限制 排烟温度的选择 排烟温度的选择 正常情况下 炉子的排烟温度多少比较合适呢 该指标不是一个确定的数值 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 4 通常情况下 它近似高于工艺流体进入对流室温度 56 左右较好 也有文献介 绍称 不管SO3 的计算露点是多少 根据经验此值最小要 149 177 在过去的加热炉设计中 烟气与被加热流体间的温差一般在 100 150 中 选取 随着节能要求提高 通过对流室内采用翅片管 钉头管和高效吹灰器等办 法 可以将该温差缩小到 50 左右 各国推荐烟气与被加热流体间的温差数据 1 美国飞马公司 重油加热 热载体 水蒸汽加热 56 84 2 西德塞拉斯 克尔奇纳公司 认为大于 50 即可改造 3 美国 烃加工 杂志 推荐30 4 我国过去习惯采用 100 150 就具体实现而言 操作中保持适当的炉膛负压和过剩空气系数 增强保温 强化炉膛辐射对流传热 强化炉膛燃烧状况是保证管式加热炉效率的根本 增强 保温只要定期对加热炉保温情况进行检测 在检修时及时更换保温材料 加热炉 保温应该不成问题 保持炉膛负压则可以及时调整烟道挡板和风门开度等来予以 保证 要保证较适当的过剩空气系数 除了风门的调整外 还需要炉膛内有极好 的燃烧状况 否则燃料需要较大的过剩空气系数才能保证其充分燃烧 较好的炉 膛辐射对流传热效果和较好的炉膛燃烧状况则必须采用新技术来实现 下面就这 些方面予以分别论述 1 露点腐蚀问题 提高加热炉热效率 节约能源的先决条件是应能保证加热炉的安全运行和正 常的使用寿命 如果忽略这一点 往往会造成更大的浪费 例如 某采油厂所使 用的高效加热炉 其热效率可达到 90 以上 但由于烟囱尾部低温烟气的露点腐 蚀 仅投产使用 3 5年 就因加热炉对流段和烟囱严重腐蚀而报废 这就是露点 腐蚀问题 所以在确定加热炉热效率时必须进行综合分析 合理选择 才能使 加热炉既高效又经济合理 片面追求高效而不考虑经济合理性的作法是不可取的 1 露点腐蚀原因及影响 燃料油或燃料气中一般均含有少量的硫 硫燃烧后全部生成 SO2 由于燃烧 室中有过量氧气的存在 就会有少量的 SO2 进一步氧化成为 SO3 在高温烟气中 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 5 SO3 气体不腐蚀金属 当烟气温度降到 400 以下 SO3 将与水蒸气化合生成硫 酸蒸汽 当硫酸蒸汽凝结到炉子顶部火管对流段和烟道管束 烟囱换热面上时 就会产生强烈的低温硫酸腐蚀 甚至在不到一年的时间内 换热面就严重腐蚀 穿孔 烟气露点温度与燃料含硫量 燃烧温度 烟气飞灰浓度及灰中的氧化钙等碱 性氧化物含量和烟气中水蒸气含量有关 可用以下公式计算 2 3 tld 烟气露点温度 tsl 水露点温度 Sar zs Aar zs 燃料硫分和灰分 fh 飞灰占燃料灰分的份额 考虑炉内过剩空气影响的系数 水露点可以根据烟气的水蒸气含量 H2O 计算 2 4 由于低温露点腐蚀而产生的问题 1 火管对流段和烟道管束 烟囱被腐蚀损坏 使加热炉不能正常运行 2 凝结的硫酸液体粘附烟气中灰尘形成不易脱除的积垢 使烟气通道不畅 甚至堵塞 2 露点腐蚀的防止对于露点腐蚀的防止和减轻措施有以下几点 1 提高火管对流段和烟道管束 烟囱热面的壁温 避开露点腐蚀范围 可 通过提高水域温度 对烟囱进行高效保温等途径实现 2 采用耐腐蚀材料 3 采用低氧燃烧 可通过适当调小风门实现 4 使用低硫燃料 可通过提高自用气脱硫罐脱硫效率实现 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 6 2 炉膛负压对加热炉效率的影响 1 负压的产生 炉膛及烟囱内的烟气温度高 所以其密度比空气小 就会向上流动 形成了 炉内轻微的负压 由于这个负压存在 燃烧空气才得以被吸入燃烧器帮助燃烧 因为烟气在通过火管对流段 烟道管束和烟囱时会有阻力存在 故我们要有足 够的烟囱高度 使得在克服这些阻力之后仍保持这个负压 实际上 控制负压 是为保证炉内燃烧充分的一个指标 负压产生有几种情况 1 自然通风式 ND 烟囱越高 抽力 负压 越大 2 强制通风式 FD 用风机提供燃烧空气 3 诱导通风式 ID 用引风机将烟气排出炉外 所产生的负压来保证足够 的燃烧空气 4 平衡通风式 FD ID 大部分空气预热装置为这种类型 2 负压的分布 烟囱挡板稍后一点的地方 负压值最大 火管对流段中段和烟道管束部分负 压次之 火嘴处负压再次之 辐射室出口负压最小 3 一般的控制指标和方法 负压太大 将漏入大量冷空气 使热量损失增加 炉子热效率下降 负压太 小 炉膛容易向外喷火 高温烟气向炉体外泄漏 加大燃料消耗 影响环境卫生 影响设备安全 影响操作人员安全 现在一般地控制指标为 辐射室顶部负压值 为2mm水柱 ND型炉和FD型炉采用烟道挡板调节 ID型炉采用引风机入口挡板 调节 3 过剩空气系数及其影响 在工业实践中 燃料在化学平衡中所需空气量 即理论空气量 下是不可能 完全燃烧的 因此需要多供应一些空气即过剩空气 以保证燃料的完全燃烧 实 际供给的空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数 过剩空气系数是影响加热 炉性能 特别是全炉热效率的一种重要指标 所以在加热炉的设计和操作中 过剩空气系数是一个非常重要的参数 以现在的最新技术 过剩空气系数 1 15左右为宜 但是因为加热炉是在负压下运行 即炉膛和烟道内保持一定的 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 7 负压 外界的空气会不断地从加热炉不严密处漏入 实际的过剩空气系数是很容 易超过设计值的 在实际操作中 过剩空气系数对加热炉的影响是多方面的 它直接影响加热 炉的热效率 过剩空气系数太小会造成不完全燃烧 增加不完全燃烧热损失 降 低热效率 过剩空气系数太大 多余的空气在排烟温度下排入大气将带走大量热 量 直接增加排烟热损失而使热效率降低 其次过剩空气系数的大小直接影响烟 气阻力的大小 再者 烟气含氧量增加会增加炉内构件的氧化 烟气中过量氧气 使炉管表面氧化 缩短火管 烟道管束 烟囱寿命 并且 烟气中过多的氧还会 增加SO2 向SO3 转化 加重低温烟气露点腐蚀 过剩空气系数在这些方面的影响 为人们所熟知 但过剩空气系数对加热炉对流室和辐射室热负荷比例的影响一般 不受重视 本文将讨论这方面的问题 通常 对流 辐射型加热炉在辐射室和对流室加热同一种工艺介质时 也就 是工艺介质先通过对流室从烟气中取热后 再进入辐射室换热 对流室和辐射室 总吸热量为工艺要求的总热负荷 过剩空气系数增大时 表明进入炉内过剩空 气多 烟气量也随之增多 介质在对流室吸收的热量也多 由于总供热量是由炉 出口温度控制的 加热炉的总热负荷不变 对流室热负荷增大致使辐射室吸热量 减少 过剩空气系数的加大只改变了辐射室与对流室的热负荷的比例 使加热 炉的热效率降低 不影响工艺介质的总负荷要求 1 过剩空气系数对辐射传热的影响 Lobo Evans 法认为 辐射室高温火焰及烟气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 另一部分是烟气以对流的方式 传给炉管的 由于对流传热的比例很小 因此辐射室主要以辐射传热加以考虑 Lobo Evans 法辐射传热公式为 2 5 式中 QR 辐射传热吸热量 CP 当量冷平面 2 总交换因素 与烟气的辐射率有关的一个参数 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 8 Tg 辐射室中烟气的平均温度 W 辐射管外壁平均温度 对已设计完成的加热炉 CP已成定值 当热负荷 QR 固定时 过剩空气系数的 大小影响总交换因素 F 从而影响 Tg 和TW 3 在炉辐射室的高温范围内 O2 和N2 等分子结构对称的双原子气体实际上并 无发射与吸收辐射能的能力 可认为是不参与辐射传热的透明体 但是CO2 H2O等三原子气体则具有相当大的辐射和吸收能力 燃料燃烧后烟气中含有的 CO2 和H2O 是主要辐射成分 烟气的辐射率与烟气中 CO2 和H2O 的分压之和成正比关系 烟气中CO2 和 H2O 的分压值与过剩空气系数成反比关系 当过剩空气系数增大时 烟气中O2 和N2 的比例提高了 而CO2 和H2O 的含量反而下降了 它们的分压之和必然降 低 导致烟气辐射率降低 总交换因素 F 减小 当辐射热负荷固定时 只有提 高Tg 才可满足要求 2 过剩空气系数对加热炉内的燃烧温度的影响 过剩空气系数过大 会使加热炉内的燃烧温度下降 我们知道 在加热炉内 燃 料燃烧温度越高 火焰和高温烟气传给辐射炉管的热量就越多 而且是与火焰和 高温烟气的绝对温度成四次方关系 辐射室燃烧温度的高低 会改变炉膛的温度场的分布 影响加热炉内辐射段和对 流段传热量的比例 图 2 表示了某种燃料油过剩空气系数和最高燃烧温度 的关系 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 9 图2 过剩空气系数和最高燃烧温度的关系 从图2 中可以看出 当空气过剩系数由 1 2 升至1 6 时 最高燃烧温度下降 约330 炉子辐射室过剩空气系数增大后 降低了燃烧温度 使辐射炉管表面 热强度减小 吸热量下降 如果这时对流管不能弥补辐射炉管少吸收的热量 则必须增加燃料用量才能保持加热炉的恒定热负荷 因此使加热炉的热效率下 降 过剩空气系数的大小对炉内传热分配有着极其显著的影响 利用燃烧温度的高低 对管内被加热介质吸收热量的影响来降低过剩空气量 而且又利用烟气中CO 的含量进行超驰控制来保证基本完全燃烧 实质上是通过利用这种控制方案来 合理选用加热炉的过剩空气系数 3 过剩空气系数对对流传热的影响 在加热炉的对流室 除了遮蔽管部分外 介质与烟气之间主要以对流形式传热 对流段的总传热系数可表示为 2 6 式中 hi 管内膜传热系数 h0 管外膜传热系数 由于管外烟气的膜传热系数比管内膜传热系数小得多 所以起决定作用的 是烟气侧 以环行翅片管为例 其外表面膜传热系数用 Briggs的准数方程式表示 为 2 7 式中 h0 管外膜传热系数 2 Db 翅片根部处管子的直径 dp 翅片与翅片间的间隙 l 翅片高 Re 烟气的雷诺数 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 10 Pr 烟气的普兰特准数 Gmax 烟气在最小截面处的质量流速 kg 2 kg 烟气的导热系数 cg 烟气的比热 J kg g 烟气的粘度 kg 对于已设计完成的加热炉 Db dp l 是固定值 随着过剩空气系数的增加 烟 气量也随之增大 意味着对流室的烟气质量流速也随之增大 导致雷诺准数增加 而 烟气本身的物理属性受过剩空气系数的影响很小 外膜传热系数提高了 对流 部分的吸热量增加 4 过剩空气系数对露点温度升的影响 在设计和操作过程中 使加热炉的对流室内的对流炉管的壁温保持在烟气的 露点温度以上是防止腐蚀和堵塞必须考虑的一个主要问题 加热炉热效率不能进 一步提高 往往是受到低温露点腐蚀的限制 图2 1 非常清楚地表示了过剩空气系数与SO3转化率的关系 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 11 图2 1 过剩空气系数与SO3 转化率的关系 5 过剩空气系数过小的影响 虽然过剩空气系数 减小了 排烟热损失 q2 可以降低 但是 根据燃烧理论 可知 如果过剩空气系数过小 则会产生缺氧现象 导致化学不完全燃烧热损失 q3和机械不完全燃烧热损失 q4 增加 浪费燃料 同时炉子烟囱冒大量的黑烟 污染环境 合理的过剩空气系数应该是使排烟热损失 q2 化学不完全燃烧热损失 q3 和机械不完全燃烧热损失 q4 三项热损失总和最小 6 过剩空气系数的控制指标 这要受设备 自动化程度 操作者等多种因素影响 就国内而言 对气体 燃料 1 15 左右 而对液体燃料 1 2 1 3 在考查炉子的过剩空气系数时 我们应采用更准确的测量计算方法 公式如 下 式中O2 CO2 CO SO2 H2 CH4 分别为干烟气中相应成分的体积百分数 2 8 综上所述 过剩空气系数对加热炉的热效率有较大影响 在保证燃烧完全的 前提下 使炉子在低而稳定的过剩空气系数下操作是有利的 过剩空气系数过小 会造成燃烧不完全而浪费燃料 过剩空气系数过大 进入炉膛的空气量大 炉膛 温度下降 由于烟气与炉管之间的换热系数与二者之间的温差是四次方的关系 所以炉膛温度下降会极大地影响传热效率 而且同时也增加了烟气的量 也就增 加了同样温度下烟气的排烟损失 此外烟气中的氧气较多 会使炉管表面氧化加 剧 缩短了炉管的寿命 7 如何降低过剩空气系数 在降低过剩空气系数方面 可以做以下工作 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 12 1 及时调节风门挡板和烟道挡板以维持炉膛内的设计负压 2 密封所有的孔 包括看火孔 洞 门和对流室的防爆门 3 根据燃烧器的操作特性决定 值的大小 三 烟囱保温对影响加热炉效率因素的影响 通过上文的详细分析 发现影响加热炉效率的主要因素是 烟气露点腐蚀对 的选择影响 炉膛负压对加热炉效率的影响 过剩空气系数对加热炉热效率的影 响 下面重点分析加热炉烟囱保温对这些主要因素能够产生哪些影响 1 烟囱保温对排烟温度的影响 对烟囱保温能够使加热炉在其他条件不变的情况下 排烟温度较保温前有所 提高 使其高于烟气露点温度 将有效避免露点腐蚀的发生 而且由于烟囱保温 的影响使得烟囱与空气的换热效率显著下降 也使得烟气露点温度下降 使加热 炉可以选择相对较低的排烟温度 进而提高加热炉的热效率 减少排烟损失 2 烟囱保温对炉膛负压的影响 对烟囱保温能够使加热炉在烟囱高度不变的情况下 使得烟气热损失降低 密度减小 烟气与烟囱的内表面摩擦阻力减小 因此 烟囱的抽力增大 使炉膛 负压降低 由于我们的加热炉为火筒式加热炉炉膛的严密性非常高 这将使得烟 囱保温对炉膛负压的影响十分明显 3 烟囱保温对过剩空气系数的影响 由于烟囱保温对排烟温度和炉膛负压的有利影响 这为加热炉维持在保证燃 烧完全的前提下 使炉子在低而稳定的过剩空气系数下操作提供有利的前提条件 可以根据现场条件密封所有的孔 包括看火孔 洞 门和对流室的防爆门 及 时调节风门挡板和烟道挡板以维持炉膛内的合理负压 根据燃烧器的操作特性决 定过剩空气系数 值的大小 从而有效提高加热炉热效率 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 13 四 结论及建议 对加热炉烟囱进行保温 对火筒式燃气常压水套加热炉提高热效率的效果十 分明显的 但影响加热炉热效率的因素很多 但从某方面采取措施 加热炉整体 热效率的提高还是非常有限的 因此提以下几点建议 1 在对烟囱进行有效保温的基础上 还应对炉体 人孔 加水口 防爆门 盘管出口至节流针阀前管线进行有效保温 且每年对保温的效果进行检查 确保 西安石油大学成人高等教育毕业设计 论文 14 保温的良好效果 2 对加热炉的火管以及天然气盘管内 外表面腐蚀应