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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C1C5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：Qh=yiqhi低发热值：Ql=yiqliyi-气体燃料中的I组分的体积分率qhi， qli-I组分的高发热值和低发热值，KJ/nm3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55687500513977735711乙烷51500475226866763584丙烷50244463889630191034异丁烷45655118492109281正丁烷4940745772125610118413异戊烷4898845274134821正戊烷4856945387145783正己烷4815145136176273正庚烷44956197626182972正辛烷44822226098209350乙烯丙烯5056349440747196458145947286411异丁烯4849045081114724乙炔502444856956453氢气14445212330711096一氧化碳1013312636硫化氢16539152822540723384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。对流室的热负荷为式中 Qc对流室热负荷，W； Q 总热负荷，W； QR 辐射室热负荷，W。1.3.4热负荷计算公式 式中 Q 加热炉计算总负荷，kJ/h QWi 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QW1由冷进料进口比焓I1i，出口比焓Iio。 水蒸气吸收的热量QW2水蒸汽入口比焓 I2i；水蒸汽出口比焓 I2o。则过热水蒸汽吸收的热量为 QW2=W2(I2oI2i)对流油在加热炉吸收的热量为Q3加热炉的总热负荷为1+2+31.3.5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QinQin=Qi+Qf+Qa+QS (1)燃料气的发热值Q1 由Q1=41.87079MJ/kg(燃料气)(2)燃料气入炉显热Qf，(3)空气入炉显热Qa (4)雾化蒸汽入炉显热QSQin= QfQsQa kJ/kg(燃料气)2）支出热量QoutQout=Qe+Q1+Q2+Q3+Q4（1）烟气带出热量Q1 (2)燃料的化学不完全燃烧损失热量Q2 (3)燃料的机械不完全燃烧损失热量Q3 (4)炉壁散热损失热量Q4Qin= Qout得Qe= Qin- Qi加热炉热效率加热炉热效率由下式计算= 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15001800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。火焰的形状和大小主要取决于火嘴的结构形式和尺寸。火焰离炉管越远，辐射传热量越小，所以只要保证火焰不直接扑到炉管上，应该尽量减小炉膛体积，节省投资。辐射室炉墙由耐热层、隔热层和保护层组成。其中耐热层除能耐一定的高温外，还要具有良好的在辐射性能，能将吸收的热量在辐射给炉膛。耐热层有耐火砖砌筑的和耐火衬里两类。耐火衬里具有结构简单、厚度薄、重量轻、施工简便等优点，是管式加热炉炉衬的发展方向。尤其陶瓷涂料耐火衬里，不仅耐高温、耐振动、有良好的绝热性，而且辐射系数高，大大增加了辐射能力。辐射室是热交换的主要场所，全炉热负荷的70%80%是由辐射室担负的，它是全炉的重要部位。烃蒸气转化炉、乙烯裂解炉等，其反应和裂解过程全部有辐射室完成。可以说，一个炉子的优劣主要看它的辐射室性能如何。2.4燃烧器（又称火嘴）主要给加热炉以高温热源，是炉子的主要组成部分。如前所述，由于燃烧火焰猛烈，必须特别重视火焰与炉管的间距以及燃烧器间的间隔，尽可能使炉膛受热均匀，使火焰不冲刷炉管并实现低氧完全燃烧。为此，要合理选择燃烧器的型号，仔细布置燃烧器。三、 前的炼油企业加热炉在运行中存在的主要问题3.1受热面积灰结垢加热炉受热面积灰结垢一直是困扰加热炉安全、稳定、高效及周期运行的主要因素，受热面积灰结垢一旦形成，它所造成的负面影响将是持久的及递增的。造成受热面积灰的主要因素有：燃料品质变重，含硫增高；吹灰器的选行使用不当，受热表面生成尘垢；炉负荷变化导致的燃烧质量波动性大。上述因素的影响，导致排烟温度升高。尤其在加热炉运行周期末期，加之在炉子处于满负荷时，不仅会恶化燃烧条件，又会使炉子处在微正压的操作状态，使炉子满负荷运行的条件处于边缘卡边的状态，使炉子的安全、稳定、高效率运行受到一定程度的影响。3.2 炉体漏风严重, 烟气含氧量高, 散热损失大,热效率低;3.3 燃烧效果不好, 燃料单耗高, 炉膛温度及排烟温度高, 装置能耗大;3.4对炉体中看得见的漏风源不重视，堵漏意识意识不强。譬如看火孔、防爆门、炉管进出口管、停烧的燃烧器风门蝶阀关闭不严等等。3.5 忽略了看不见的“漏风”。加热炉的操作通常是点燃几个燃烧器。主燃烧器由于主燃料量偏高，火焰便长，供风不足而造成燃烧不完全。这样势必会造成一部分燃烧器供风过剩，以致烟气尾部含氧量和一氧化碳含氧量和一氧化碳含量同时出现双高这种不尽合理的现象。无论是看得见和看不见的“漏风”都不容置疑地会加大烟气中的氧含量，这不仅会带走更多的烟气热损失，同时由于烟气中含氧量的增大，会加剧高温部位的腐蚀。3.6 各种节能措施的效能即可靠性下降 由于以下因素的变化与影响，致使节能技术及设备的效能及可靠性受到了不同程度的影响。经分析主要有：1、燃料品质变重，含硫增多；2、炉负荷变化幅度增大；3、日常维护、保养制度执行不严；4、辐射炉管结焦速度快, 氧化爆皮严重, 每次检修需更换炉管, 注水管和原料预热管寿命短, 长则1 年短则半年需更换一次, 炉子运转周期短。3.7操作人员的操作技能有待提高 有资料表明：加热炉采用计算机控制的热效率一般操作人员精心操作高2%；而精心操作又比一般操作高2%。这说明加热炉的运行水平与加热炉的操作与控制水平是密切相关的。目前，氧化锆的寿命及可靠性、执行机构的灵敏性及线性优化还需要进一步完善，实施加热炉计算机优化控制前，现场操作人员的操作技能的高低及责任心就显得尤为重要。着需要步骤、有计划地开展加热炉知识培训，加强现场的规范管理，以促进加热炉运行及管理水平的不断提高。3.8 部分加热炉的运行状况不好。 有不少加热炉排烟温度高，制约了加热炉热效率的进一步提高；加热炉烟气的氧含量仍然偏高，过剩空气系数偏大。许多加热炉对氧含量要求不严，只求运行安全，不注意经济运行。3.9燃料脱硫措施不全。随着加工高含量原油比例的增大，燃料油的比重、粘度和含硫量相应提高，对加热炉的硫腐蚀加剧，造成加热炉衬里、对流室流管及余热回收部分产生严重腐蚀和结垢并危急到安全生产。同时烟气中的SO2还污染大气环境。 目前，炼油企业的使用的燃料气主要来源于系统管网瓦斯和装置自产瓦斯。许多企业上了燃气脱硫系统，燃料气含硫量较低，但也有不少企业燃料气脱硫效果不好或者部分装置的自产瓦斯未经脱硫，直接进炉子烧掉。如某企业的燃料气SO2含量一般在2000L/L以上，高的甚至超过5000L/L。有的企业其老式加热炉为了提高热效率，大都在对流段设置了用于低温回收的软化水炉管。由于烟气中平均SO2含量升高，其结果是烟气露点温度升高，在低温烟气中的炉管和热管极易产生露点腐蚀。 另外，烟气中SO2含量还将对加热炉衬里产生腐蚀。目前许多企业加热炉采用了新型的陶纤衬里，但陶纤衬里的缺点是抵抗烟气的冲刷能力较差，透气度大，含硫烟气极易通过衬里渗透到壁板，造成衬里锚固钉露点腐蚀、断裂、衬里脱落，从而造成炉墙、炉顶超温，影响加热炉的长期运行。据统计，2002到2004年，中国石化企业每年都有2台加热炉因为陶纤衬里大面积脱落，加热炉局部超温严重，被迫停工检修。3.10余热回收效率不高。 少部分炉子无余热回收措施。有余热回收的空气预热器问题多，寿命短、余热回收效率不高。从24家企业上报的材料看，反映有加热炉无余热回收措施的有十家，占企业总数的42%，反映空气预热器有问题的企业有12家，占企业总数的46%。 空气预热器的主要问题是热管问题多，寿命短，目前企业所用的大部分为钢水热管，许多热管1至2年换热效果明显降低或者失效。与装置长周期运行的要求不相适应，如某企业的常减压炉在2001年检修后，空气预热器运行良好，但在2002年的检查中，发现烟气换热后温度由200升至236 说明换热器已部分失效，热管寿命短的主要原因有二个：一是加热炉的实际运行工况与设计工况相差很大，由于处理量不同，燃料性质不同，炉管积灰结垢，造成热管露点腐蚀。二是部分钢水热管质量差。四、提高加热炉热效率的途径及改进措施综上所述，加热炉在运行中仍然存在着不少问题，需要在今后的工作中不断完善。下面将分别从几个方面提出一些改进措施。4.1 加强管理，向管理要效益。制定本企业的加热炉运行考核方法，并严格实施，这是提高加热炉运行水平最有效也是最根本的途径。加强培训，提高人员素质。加热炉属于一种“动态运行”的工艺设备，炉管使用寿命，加热炉运转周期长短、节能效果好坏都于操作人员的素质有极为密切的关系，因此，要定期对加热炉操作人员进行培训，提高他们的理论水平和操作技能。确保加热炉的正确操作。4.2 采用高效节能燃烧器采用高效节能的燃烧器，改善燃烧效果。燃烧器是加热炉的供热源，它的运行好坏直接影响加热炉的“安、稳、长、满、优”的运行。要根据加热炉型和燃料品质，选用不同种类的高效节能燃烧器。如对燃烧气燃料器要更多的考虑满足燃料气的压力和成分变化，对于低压瓦斯可以采用后置预混式燃烧器，对于高含氧燃烧气，要选“弱化配风”的燃烧器。通过选用合适的燃烧器，可以改善燃烧效果。优化加热炉的热流场，从而达到提高炉效，节约燃料消耗的目的。4.3优化炉管系统 炉管在加热炉中起着传热面的作用，他的金属耗量越占炉子总耗钢量的40%50%，投资占60%以上，而且炉管是在高温、应力和腐蚀性介质的作用下长期工作的。因此，炉管管径与壁厚设计是否适宜，材料选择是否恰当，不但影响加热炉的传热性能和安全操作，而且对炉子 的操作费用和基建投资都有很大影响。 加热炉的炉管直径通常可按管内油品流量和推荐的适宜冷油流速计算后，再依照国内标准管规格选用。管径增大，传热不良，管壁温度升高，油品易于结焦；管径太小，油品流动阻力大，炉子压力降增加。常用炉管外径为60152mm之间，最常见的是100150mm。加热炉的炉管厚度是根据所用材质的管径大小，以及炉管要求的使用年限、使用压强、温度和油品腐蚀等条件确定的。管壁设计过厚，钢材消耗投资增加（如热负荷47MW的加热炉，炉管壁厚增加2mm，总钢材使用量就增加11%，合40t钢材，投资则增加6%）。炉管设计过薄，又会影响使用寿命和安全操作。一般除高压情况外，加热炉的炉管壁厚在612mm的范围内使用。 加热炉的炉管长度过去约在78m，近年来趋向与1518m。炉管长度增加后，可减少连接零件，并有利于炉子的大型化。 加热炉炉管之间的连接件叫回弯头。回弯头的型式有箱式和可拆卸式两种。可拆卸式的阻力小，但密封性差。箱式回弯头有铸造和锻造两种，后者金属耗量大，加工工作量也大，已不再采用。 对于不结焦或结焦不严重的加热炉，如 常减压加热炉，除留几个箱式回弯头做检查用外，其余炉管均可采用冲压弯管连接。在重整装置的加热炉中，为了适用于气相介质或过热水蒸汽，还采用了四联管或八联管的冲压集合管。4.4优化装置的换热系统加热炉的热负荷大小,随装置换热流程的不同而改变,减少管式加热炉的热负荷,可减少其加热炉的燃料用量。如果将一个管式加热炉的热负荷降低10%,当此加热炉的热效率为80%时,从燃料消耗量考虑,相当于将原管式加热炉的热效率提高8 9%,而管式加热炉的热效率越高,减少热负荷相应使原管式加热炉热效率值提高的就越大。通过改进工艺流程、提高入炉油温等措施,可使管式加热炉的热负荷得到减少,从而达到节约能源的目的。4.5 降低排烟温度加热炉对流室出口温度为排烟温度, 排烟温度在某种程度上对加热炉的热效率起决定因素, 排烟温度越低, 其烟气带走的热量越少, 热损失越小, 热效率越高。而排烟温度主要与被加热介质入口的温度有关, 并且随介质入口温度升高而升高, 随烟气与介质之间的温差而变化。所以提高加热炉的热效率必须充分利用对流室, 从而降低被加热介质入口的温度和缩小烟气与介质之间的温差, 使排烟温度降低。加热炉的原料一般都是先经装置换热后, 再进加热炉, 所以可通过减少换热流程、采取冷进料方式来降低加热炉介质入口温度, 或者增加余热回收设备,使排烟温度降低, 提高加热炉的热效率。在石油化工装置加热炉上, 广泛采用空气预热器来回收烟气余热, 以提高加热炉的热效率。早期,普遍采用的是光管式空气预热器, 由于气气换热过程中, 两侧气体的传热膜系数均较小, 总的传热系数K 值仅有13 15W (m 2) , 而且, 设备体积大、重量重, 但由于其制造工艺比较简单, 便于现场制做、安装, 故至今仍有一小部分空气预热器采用这种形式。现在较多采用的是扰流子翅片管式空气预热器, 也就是在光管外面增加翅片来强化管外传热, 在光管里面插入扰流子(扭带或麻花铁) 来强化管内侧传热, 通过管内、管外同时强化传热, 使扰流子翅片管式空气预热器的总传热系数K 值可达到4250W (m 2) , 是一种新型、高效的传热设备。然而, 随着加热炉热效率的提高, 烟气排出空气预热器的温度相应降低, 以及燃料气中硫含量的逐步增加, 空气预热器的露点腐蚀问题越来越突出。所谓露点腐蚀是指当烟气中预热管的管壁温度低于烟气的露点温度时, 烟气中的SO3 和水蒸汽形成H2SO4 冷凝液, 这种冷凝液不但腐蚀空气预热器预热管的管壁, 造成预热管蚀穿、折断, 而且还会粘附大量的烟灰, 这种烟灰粘性大、附着力强、不易被吹掉, 降低了空气预热器的换热效率, 严重时, 将堵塞空气预热器, 增加烟气流动阻力, 直接影响加热炉的正常操作。因此, 烟气的露点腐蚀问题是影响空气预热器长周期高效率使用的首要问题。提高加热炉的排烟温度, 即加热炉的排烟温度高于烟气露点温度20 30, 使烟气温度还未达到露点温度时就已从空气预热器中排出, 这样也可防止预热管的露点腐蚀。但由于加热炉的排烟温度对加热炉的热效率影响很大, 排烟温度每升高10, 热效率下降0.15% 左右, 因此, 排烟温度也不能太高, 一般来说不低于160, 不高于200之间为好。4.6提高空气入炉温度利用装置的余热或用烟气的余热来预热入炉空气,这样,不仅可以省掉冷却该介质的空冷和水冷设备,使加热炉的排烟温度下降,同时又提高了进入管式加热炉的空气温度,对燃烧及传热带来很油气田地面工程第21卷第6期(2002.11)环保节能多好处。当空气预热到150时,相当于将管式加热炉热效率提高7 5%,当空气预热到250时,相当于将加热炉热效率提高12%。可见提高空气的入炉温度,可以进一步提高管式加热炉的热效率。通常采用的方式为:用烟气余热来预热空气,这样即可降低管式加热炉的排烟温度,又可提高空气的入炉温度,使加热炉的热效率得到提高。4.7 合理控制过剩空气系数。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, 理论空气量有4 C + O2 = CO2H2 + 1/ 2O2 = H2O由此可知气体燃料燃烧所需的理论空气量. 但由于炉子在实际操作中,空气与燃料的混合总不能非常完善,所以,要使燃料完全燃烧,必须供给比理论空气量为多的空气,这就产生过剩空气.过剩空气系数定义为:= m/ m0 = V / V 0式中m 为实际空气质量, m0 为理论空气质量,V 为实际空气体积, V 0 为理论空气体积.实际供给的空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数。过剩空气系数对加热炉热效率影响很大。合理的控制过剩空气系数, 对提高加热炉的热效率是很重要的。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通常采取的措施是, 检测烟气中的一氧化碳含量, 来控制烟道供风挡板或燃烧空气入炉量, 使加热炉处于最佳的燃烧状态, 从而使燃料耗量减少。石化标准规定,设计时,对于自然通风的加热炉以烧气为主时,富余空气量为20 %。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,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。综上所述,降低过剩空气系数有诸多好处,但必须保证燃烧完全。若燃烧不完全,不但燃料的大部分化学能未完全释放、造成燃料浪费,同时不完全燃烧产生的可燃性物质(CO ,H2 ,碳粒) 不仅污染环境,而且有可能发生二次燃烧,甚至闪爆,影响加热炉的使用安全。因此提高热效率、降低燃料用量,必须找到最佳过剩空气系数值。为了寻求加热炉的适合的值,分别测定了在不同过剩空气系数时两炉的燃料耗量计算出值,同时记录下单位燃料用量(见图1 和表2) 。表2 不同值时的燃料耗量过剩空气系数 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 燃料耗量/ F101 9.12 8.15 7.98 8.07 8.24 8.39 8.52 8.69 8.83Nm3h1 F10 9.21 8.06 7.92 8.03 8.22 8.41 8 86 8.73 8.90由此可见，过剩空气系数对燃料的影响已十分显著，而燃料则占能耗的70%因此调整好过剩空气系数对节能降耗意义有重要 4.8提高燃料空气温度提高燃烧温度,增加炉子的产量。空气和煤气预热后,可以提高燃烧温度和增加炉子的产量。一般认为:空气预热温度每提高100,即可提高燃烧温度50左右,产量增加2%左右。精确的燃烧温度,可用下式计算:t燃=Q低+Q空预+Q煤预VnCt式中:t燃燃烧温度,;Q低燃料的低发热值,kJ/kg(m3)Q空预,Q煤预空气,煤气预热带入的热量,kJ/kg(m3);Vn单位燃料的烟气量,m3/m3(kg);Ct烟气温度下的比热容,kJ/m3。 利用烟气余热预热燃烧空气的温度，可以进一步提高加热炉的热效率。另外，在现场对加热炉进行改造时，如果由于其他原因，不宜在对流室上部增加加热管或采用余热来预热空气时，也可以单独利用装置内其他费热来预热空气，这样不但可以省掉冷却介质的空冷或水冷设备，同时又提高了进入加热炉的空气温度，对燃烧及传热带来了多方面的好处。如果将空气预热到250，相当于将加热炉的热效率提高了12%左右。加热炉燃烧空气温度提高后，会相应的改变炉内的传热特性。如果假定预热后的其他参数不变则空气预热温度与热效率提高值的关系为直线上升关系燃烧空气温度提的太高，就应该相应的考虑燃烧器的结构和材质问题。燃烧空气温度一般控制在300左右为亦。4.9炉体的密封及散热损失控制加热炉燃烧所需空气应该全部从燃烧器处供入,从其它部位漏入的空气不但难以起到有效的助燃作用,反而会带来氧含量上升,露点温度升高,排烟损失增加,加热炉炉管氧化,氮氧化合物生成量增加等不良后果。据报道1 ,对于一台热负荷23.26MW 的加热炉,当炉底负压为-98Pa时,每0.1m2 的漏缝,可以导致大约3000m3/ h 的空气漏入,使过剩空气系数增大0.1。可见炉体密封是大有潜力可挖的。某些加热炉的操作负荷比设计负荷要小,而空气系统的鼓风机是按设计负荷匹配,如果风道挡板不能有效调节,会造成大量空气进入炉内,引起过剩空气系数的上升,因此应始终维持风道挡板或风机挡板的调节灵活性。对于燃烧器的点火孔、看火孔,许多操作人员为了方便,不关、不盖的现象很多,这实际上导致了大量冷风的进入,严重降低了炉子的热效率。实际上,可以将看火孔类的窗口用高温玻璃做成视镜,这样方便观察,更利于节能。烟道挡板也需要经常维护。现场由于维护不到位,挡板传动轴变形,会造成炉膛压力控制不合理,导致加热炉的非优化操作。如果采用优质传动轴,改内置轴承为外置轴承,加强执行机构和传动机构的定期润滑和维护保养,上述问题易于解决。在操作管理方面,部分装置人为地将直通烟道挡板固定在一定的开度,或者直通烟道挡板泄漏量较大,致使相当一部分高温烟气未经余热回收就直接排入大气,造成了加热炉的实际热效率降低。比如,某厂常减压炉直通烟道挡板人为开度为8 % ,另一厂的加氢裂化炉直通烟道挡板人为开度为5 %。对此问题应特别重视,因为该处阻力较小,即使是非常小的开度也会造成非常大的泄漏,所以操作中必须使之处于完全关闭状态,如不能完全关闭,应更换密封挡板。另外,