350万吨每年常减压蒸馏装置常压加热炉设计.doc

350万吨/年常减压蒸馏装置常压加热炉设计350万吨/年常减压蒸馏装置常压加热炉设计学 院： 环境与化学工程学院 专 业 、班 级：过程装备与控制工程081班 学 生 姓 名： 指导教师（职称）： 赵启成（副教授） 完 成 日 期： 2012年5月18日 57350万吨/年常减压蒸馏装置常压加热炉设计总计：毕业论文：56页表 格：5个插 图：9幅指导教师：赵启成评 阅 人：王景昌完成日期：2012年5月18日摘要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要的热量，保证生产正常进行。本设计为年产350万吨/年原油圆筒加热炉，在本设计中，主要完成对辐射段、对流段以及烟道的工艺尺寸的计算、热量的衡算、钢结构的计算及校核和加热炉各零部件的选用。其中辐射室工艺尺寸包括辐射室炉管的直径、炉管的壁厚、炉管的长度、炉管的根数、辐射室的外形尺寸等；对流室的工艺尺寸包括对流炉管的形式、炉管的直径、炉管的壁厚、炉管的排数及每排的根数、热量衡算的部分包括计算热负荷、燃料量、燃烧器的规格和根数。本设计的要点是加热炉高的热效率，提高燃油的利用率。常采用的措施有降低炉子的排烟温度、减小过热空气系数、减少化学部完全燃烧损失、减少机械不完全燃烧损失、减少炉壁散热等。也可以设置烟气余热回收系统来提高加热炉的热效率。关键字：加热炉；炉管；辐射；对流AbstractTubular-furnace heating equipment is a kind of firepower, which the use of fuel combustion in the furnace when the flame and flue gas temperature as a heat source, heating in the furnace tube in the high-speed flow of medium to reach the process temperature requirements, in order to supply medium during fractionation, decomposition or reaction process, such as the heat required to ensure normal production. The design for the annual production capacity of three million fifty tons of crude oil Cylindrical furnace, in the completion of the design of the main paragraph of radiation, convection, as well as the size of the stack process, the heat balance, steel structure and the calculation and checking Selection of the various furnace components. Room size radiation technology, including radiation chamber furnace tube diameter, tube wall thickness, tube length, the root of the number of tube radiation, such as room dimensions; convection process room size, including the form of convection furnace tubes, furnace tube diameter, wall thickness of the tube, the tube row number and the root of the number of each row, the heat balance calculation of the part, including fuel, the specifications of the burner and root number.The gist of the present furnace design with high thermal efficiency and fuel utilization. Measures often used to reduce the furnace flue gas temperature, reducing the over-heated air coefficient, the Department of incomplete combustion to reduce the loss of chemicals to reduce the mechanical loss of incomplete combustion, reduce heat, such as furnace wall. Flue gas can also be set up waste heat recovery system to increase the thermal efficiency of furnace.Keywords: Furnace； Furnace tube；Radiation；Convection目录1. 概述11.1 课题背景11.2 本课题发展方向11.3 管式加热炉的一般结构21.3.1 辐射室21.3.2 对流室21.3.4 燃烧器31.3.5 通风系统81.4 管式加热炉的种类91.5 炉型选用的基本原则102. 工艺计算122.1 加热炉热负荷的确定122.1.1 燃料性质及工艺条件122.1.2 加热炉热负荷计算122.2 燃料燃烧过程计算132.2.1 燃烧的发热量132.2.2 理论空气量132.2.3 烟气量及烟气组成142.3 热效率计算152.3.1 加热炉的热平衡152.3.2 燃料用量172.3.3 加热炉热效率182.4 辐射段计算182.4.1 辐射段热负荷182.4.2 辐射段平均管外壁温度计算182.4.3 辐射管加热表面积192.4.4 辐射管管程及管程数192.4.5 辐射段炉体尺寸202.4.6 节圆直径和炉管直径212.4.7 炉膛高度212.5 对流段尺寸计算222.5.1 对流室外形长度222.5.2 对流室宽度222.6 热平衡计算232.6.1 当量冷平面232.6.2 辐射总面积232.6.3 对辐射段管根数的验算232.6.4 辐射段烟气计算243.6.5 辐射段热平衡252.6.6 辐射段实际排烟温度252.6.7 辐射段实际热负荷262.7 对流段计算262.7.1 质量流速262.7.2 对流段温度272.8 对流段传热系数282.8.1 炉管内膜传热系数282.8.2 对流段炉管外膜传热系数282.9 对流段热平衡302.9.1 对流段热负荷302.9.2 对流管表面积及管排数302.10 加热炉炉管压降计算312.10.1 加热炉炉管压降计算312.10.2 加热炉总压力降342.11 烟囱设计342.11.1 烟囱直径342.11.2 钉头管管排阻力342.11.3 对流段与过渡段的烟气产生的抽力362.12 烟气通过各部分的局部阻力362.12.1 烟气由辐射段到对流段的阻力362.12.2 烟气由对流段到烟囱的阻力362.12.3 烟气阻力372.12.4 烟囱高度计算383. 强度校核393.1 设计压力393.2 设计温度393.3 钢管材料403.3.1 辐射段钢管的计算壁厚403.3.2 辐射室炉墙设计计算403.4 圆筒炉钢结构的设计和计算423.4.1 加热炉各段质量计算423.4.2 自振周期433.4.3 荷载计算433.4.4 烟囱结构计算453.4.5 炉底结构计算493.4.6 地脚螺栓513.4.7 基础设计523.5 燃烧器的选择533.6 加热炉的检测、检验和试验533.6.1 炉管水压试验533.6.2 炉管焊接接头的检测和检验54总结55参考文献56致谢57附录1外文译文58附录2外文原文63 1. 概述1.1 课题背景近年来，随着石油化学工业的迅速发展，管式加热炉技术越来越引起人们的重视。管式加热炉消耗着大量的能量，而在制造乙烯、氢气和合成氨的工艺过程中，它已成为进行裂解和转化反应的心脏设备，支配着整个工厂或装置的产品质量、收率、能耗和操作周期。因此对管式加热炉的设计和余热回收系统的设计就非常必要了。管式炉在石油化厂具有举足轻重的作用，管式炉的能耗很高。管式炉的能量消耗在生产装置中约占80%90%3。它的投资一般占15%左右，高的可达30%3。此外，由于加热炉在燃料燃烧时的噪声和烟气排放也对环境污染造成相当严重的影响。这些因素都必须在加热炉设计时加以考虑。1.2 本课题发展方向在炼油工程上，采用管式加热炉开始于1910年至1911年间，在没有采用管式加热炉之前原油加工方式均为釜式蒸馏，小处理量、且为间歇生产。管式加热炉的使用是炼油工业由小处理量、间歇生产转向大处理量、连续生产的标志。常减压蒸馏装置是原油初加工装置，其的处理能力决定了整个炼油厂加工能力或规模。在常减压蒸馏装置中，常压炉的处理能力决定了常减压蒸馏装置处理能力，如果常压炉的处理能力不够，整个装置将无法完成预定的任务。石化工艺加热炉的能耗约占整个生产装置能耗的50%60%，其热效率的高低直接决定着整个生产装置能耗大小，直接影响着生产成本23。石化工艺加热炉的基建投资费用，约占一般炼油装置总投资的10%20%，总设备费用的30%左右；在重整、制氢等装置中则占装置总投资的25%左右；乙烯裂解炉和化肥转化炉的基建投资费用约占装置总投资的35%左右3。石化管式加热炉的基建投资费用大小直接影响着整个生产装置或炼油厂、石油化工厂的基建投资。由于石油化工工艺管式加热炉的被加热工艺介质为易燃、易爆的液体或气体，且压力较高，一旦发生重大事故，后果不堪设想。因此，石油化工工艺管式加热炉能否长周期安全、稳定运行对整个装置或全厂实现“长周期安全、稳定运转”有着直接的影响。几乎每一套炼油和石油化工装置中都有管式加热炉，也就是说：管式加热炉几乎参与了炼油和石油化工的整个生产过程。管式加热炉是炼油装置中的三大主力设备之一（塔器、换热器和管式加热炉），是乙烯和化肥等石油化工生产装置的“心脏”设备，没有石油化工工艺管式加热炉，就没有现代化的炼油和石油化工工业。石油化工工艺管式加热炉排放的烟气中NOx、SOx、CO2等有害成分含量是否达到国家标准规定，对操作工人和周边居民的生活或身体健康都有着直接影响。上述充分说明了管式加热炉在炼油和石油化工生产中占有十分重要的地位，搞好石油化工工艺管式加热炉操作、管理工作对炼油和石油化工生产装置实现高处理量、高质量、高效率、低能耗和长期安全、稳定运转及减轻对环境的污染有着重大意义。1.3 管式加热炉的一般结构管式加热炉是炼油厂和石油化工厂的重要设备之一，管式加热炉的特点是利用燃料在炉膛内燃烧产生高温火焰与烟气作为热源，对加热炉中的油进行加热，然后加热后的油会通过管道流到出口，将它们含有的热量传递给物料。按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。管式加热炉的结构一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统组成。1.3.1 辐射室辐射室是加热炉的主要热交换场所，作为加热炉的最重要部位，承担着全炉70%80的热负荷2。而且这部分直接受到高温烟气的冲刷且温度最高，因此辐射室的运行状况好坏直接关系到整个加热炉能否长周期高效运行。1.3.2 对流室对流室是利用从辐射室出来的烟气进行对流换热的部分。对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子，进行有效的对流换热。对流室一般担负着全炉2030的热负荷3。对流室一般布置在辐射室上方，与辐射室分开。为了提高对流传热效果，大多数加热炉在对流室的炉管采用钉头管和翅片管。1.3.3 余热回收系统余热回收系统是指从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。余热回收系统包括空气预热器，其特征在于：空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，非冷凝式空气预热器上设置有非冷凝式空气预热器烟气入口、非冷凝式空气预热器空气出口、非冷凝式空气预热器烟气出口和非冷凝式空气预热器空气入口，内部设有非冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气入口通过高温烟气管道与加热炉本体上的高温烟气出口相连，冷凝式空气预热器上设有冷凝式空气预热器烟气入口、冷凝式空气预热器空气出口和冷凝式空气预热器空气入口，内部设有冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气出口与冷凝式空气预热器烟气入口之间通过两预热器间烟气管道相连，非冷凝式空气预热器空气入口与冷凝式空气预热器空气进口之间通过两预热器间空气管道相连，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，引风机与冷凝液收集池相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。管式炉的燃料消耗在炼油装置能量消耗中占有很大的部分，少则20%30%，多则80%90%3。因此，提高管式炉的热效率，减少燃料的消耗，对降低装置的能量消耗具有十分重大的意义。热效率是衡量管式炉先进性的一个重要指标。它关系着石油化工装置能耗的高低。采用余热回收系统可以大大的提高管式炉的热效率，节省能耗。1.3.4 燃烧器一个完整的燃烧器通常包括燃料喷嘴、配风器和燃烧道三部分组成。燃料喷嘴是供给燃料并使燃料完成燃烧前准备的部件。燃料油喷嘴的主要任务是使燃料油雾化并形成便于与空气混合的雾化炬。外混式燃料气喷嘴将燃料气分散成细流，并以恰当的角度导入燃烧道，以便与空气良好混合。预混式燃料气喷嘴则是将燃料气与空气均匀混合后供给燃料的。配风器的作用是使燃烧空气与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰形状，特别是在燃料油的情况下，为了保证重质燃料油燃烧良好，除了使之良好雾化外，还必须有良好的配风器，使空气和它迅速、完善的混合。尤其是在火焰根部必须保证有足够的空气供应，以避免燃料油受热时因缺氧而裂解，产生黑烟。燃烧道也称火道，其作用有三；燃烧道耐火材料蓄积的热量为火焰根部提供了热源，加速燃料油的蒸发和着火，有助于形成稳定的燃烧，这一点对炉膛温度比较低的管式炉由为重要。其次是它能约束空气，迫使其与燃料混合而不至散益。第三是与配风器一起使气流形成理想流型。按所用燃料的不同，燃烧器可分为燃料油燃烧器、燃料气燃烧器和油-气联合燃烧器三类。按供风方式不同，可分为自然通风燃烧器和强制通风燃烧器，低风压强制通风燃烧器有称为鼓风式燃烧器。燃烧器的能量（发热量），可分为小能量和大能量两种。在管式上，一般5.5MW以下的属小能量燃烧器，这是目前管式炉上用的最普遍的。5.5MW以上的属于的能量燃烧器，目前国外管式炉上最大的燃烧器发热量达70MW。按燃烧的强化程度（可用容积强度来衡量）可分为普通燃烧器和高强度燃烧器。（1）气体燃烧器气体燃烧器按燃料与空气混合的情况，可分为预混式、半预混式和外混式三种类型。图1-1 板式无焰燃烧器1分配器；2喷射室；3气体喷头；4空气调节；5燃烧道；6陶瓷砖；7隔热层；8燃料气入口预混式气体燃烧器 燃料气和空气在喷嘴内已预先混合均匀，燃烧过程在燃烧道内完成，炉膛内无火焰，所以也称为无焰燃烧器。板式无焰燃烧器就属于这种类型，其结构如图1-1所示。外混式气体燃烧器 燃料气与空气是在喷嘴之外一边混合一边燃烧，常用的如双火道气体燃烧器，其结构如图1-2所示。双火道气体燃烧器采用二次调风。第一火道是发火区，燃料气与一次空气在此混合燃烧。第二火道进入二次空气，与燃烧的气体再次混合使燃料燃烧完全。在总空气量不变的情况下，加大一次风量，火焰将缩短；加大二次风量，火焰将伸长。半预混式气体燃烧器 燃料气在喷嘴内同一部分空气(一次风)预先混合，另一部分空气（二次风)靠外部供给。常用的类型有辐射墙式无焰燃烧器，其结构如图1-3所示。它没有一个引射器，燃料气从喷孔高速喷出，经引射器将一次风吸入，在引射器混合段与燃料气预先混合。二次风利用炉膛内的微负压被自然吸入。燃料气与空气形成的混合物由组槽形孔沿炉墙内壁喷出，炉墙内壁靠火孔周围的耐火砖上有一组梅花瓣形凸起，气流通过它时产生涡流，使燃烧更完全。当炉壁耐火砖被烧到炽热状态时，火焰与炉墙浑为一体，成为无焰燃烧状态，使炉管受热较为均匀。炼厂还使用一种低压气体燃烧器也是半预混式的。它专门用来燃烧炼厂各装置的低压放空气体，以降低炉子的燃料消耗。低压气体燃烧器工作时利用蒸汽高速流动所形成的真空，将低压燃料气吸人，同时也吸入一部分空气与燃料气混合，形成半预混，其他所需空气由风门进入，其结构如图1-4所示。操作时蒸汽的表压力约为588kPa，温度约为200，流量一般小于30kg/h。燃料气的压力一般小于9.81kPa，流量约为5065kg/h。图1-3 辐射墙式无焰燃烧器1消声罩；2稳定瓣 图1-4 低压气体燃烧器图1-5内混式蒸汽雾化油喷嘴的喷头1混合室出口孔；2汽孔；3油孔（2）液体燃烧器液体燃料燃烧时，需先经喷嘴雾化成细小微粒，进入燃烧器火道和炉膛。在高温辐射下被加热汽化，然后才着火燃烧。燃料油雾化方式有机械雾化和蒸汽雾化两种方式。锅炉用燃料多采用机械雾化，炼油厂管式炉因使用的燃料油多为粘度较高的重质油，几乎都采用内混式蒸汽雾化油喷嘴，其喷头如图1-5所示。燃料油走内管经中心油孔射入混合室，蒸汽走外套管经油孔周围的一组小孔(汽孔)喷入混合室，并以一定角度(目前炼厂油喷嘴使用最多的是油、汽孔30斜交，因30斜交时油、汽的调节性能最好)冲击油流，在混合室形成乳浊液，并高速从混合室喷孔喷出。喷孔流速一般高于200m/s时，雾化效果良好。内混式蒸气雾化油喷嘴工作时的燃料油压力一般为0.20.9MPa(表)。为避免为避免喷孔堵塞时燃料油向蒸汽管倒流，操作时蒸汽压力应比燃料油压力高0.1MPa。（3）油一气联合燃烧器油一气联合燃烧器主要由风门、火道及燃料油喷嘴和燃料气喷嘴等组成。可单独烧燃料油或燃料气，也可油、气同时混烧，在炼厂管式炉上应用最广。常用的油气联合燃烧器如图1-6所示。蒸汽和燃料油在油喷嘴内混合，由排成圈的喷头小孔中喷出，形成中空的圆锥形的油雾层，夹角约40，这样的分布有利于油雾与空气的混合。燃料气经外混式气喷嘴上排成一圈的多个喷头小孔向内成一角度喷出，夹角约70，有利于与空气混合。火道为流线形，有利于燃料燃烧。燃烧器设有一次风门和二次风门，一般只烧油时多用二次风门，只烧气时多用一次风门。为了适应管式炉环保消除噪音和采用节能措施进行空气预热，将热空气引入炉内的需要，可将上述油一气联合燃烧器改造成另一种型油一气联合燃烧器，如图1-7所示。型燃烧器的特点是与炉子连接安装方便，整个燃烧器由填有超细玻璃棉的底盘与风箱连接，密封性好，可降低噪音和有效防止冷风漏入。为便于点火和保证安全运行，设置了便于拆装的长明灯。为了观察油喷嘴的工作情况和放出漏入风箱内的燃料油。设置了专门带有便开式孔盖的观察孔和放油孔。圆筒炉的油一气联合燃烧器常装在炉子的底部。安装时应注意喷油嘴应垂直向上不偏斜，喷油嘴下方油、气连接口的位置不能接反。气体燃烧器每个喷头的喷孔中心应对准燃烧器的中心。调风器要转动灵活、密封性好。1.3.5 通风系统通风系统的任务是将燃烧用空气导人燃烧器，并将废烟气引出加热炉，它分为自然通风方式和强制通风方式。大多数加热炉炉内烟气侧阻力不大，依靠自然通风的方式安装在炉顶的烟囱足以保证加热炉的正常运行。近年来由于环境保护问题，石油化工厂已开始安设独立于炉群的超高型集合烟囱，这一烟囱通过烟道把若干台炉子的烟气收集起来，从100m左右的高处排放，以降低地面污染气体的浓度。1.4 管式加热炉的种类化工行业常用的管式加热炉的炉型有几十种，可以按照其结构型式分类，也可以按照工艺过程分类。除石油化工所用的特殊的高温高压炉外，一般可以分为为箱式炉（水平燃烧）、立式炉（垂直燃烧）、圆筒炉、无焰炉等。（1）箱式炉箱式炉是一种古老的炉型，分为方箱炉和斜顶炉两种。炉管全为水平排列，并用回弯头连接成蛇形管。火嘴水平燃烧，烟囱置于炉外。方箱炉的特点是长、宽、高大致相近。辐射室和对流室用火墙隔开，火嘴置于侧壁。其缺点是占地面积大，结构复杂，刚才耗用量大，炉管受热很不均匀，尤其是辐射管距离火嘴远，受热差，靠火墙顶部的几排炉管由于受到高温烟气的直接冲刷，极易产生局部过热，还有死角处。（2）立式炉立式炉是广为采用的炉型之一，又分为卧管立式炉和立管立式炉两种，这种炉子，高通常为宽度的23倍3。整个炉体相当长，从外形上看，是一个长方体。用型钢立柱支撑，炉墙用耐火砖砌成，或用耐火混凝土筑成。全炉分为上、中、下三大部分。上部为烟囱，中部为对流室，下部为辐射室。火嘴在辐射室的底部向上燃烧。在立式炉里，火焰向上，高温烟气自下而上地从辐射室穿过顶部的对流室后，由烟囱排出。由于火焰与烟气的流动方向一致，并连成片状燃烧，因此，同箱式炉比较，受热比较均匀，炉表面热强度较高，炉子热效率较高。辐射室宽度可以变窄，炉膛体积可以缩小，结构紧凑，钢材耗用量少，占地面积也小。由于烟气上升的特性，烟囱的阻力较小，烟囱的高度可以降低。易结焦的工艺过程，可以用机械清洗焦。（3）圆筒炉圆筒炉是圆形立式炉的简称，是广为采用的炉型之一，这种炉子由圆筒体的辐射室、长方体的对流室和烟囱三大部分组成。小型炉不设置对流室，由两部分组成。炉墙外壳由钢板卷制而成，内衬有耐火砖。辐射室沿圆筒体的的炉墙周围排列成一圆圈。火嘴在炉底中央，火焰向上喷射。其流向同炉管平行，火焰与布置在圆周上的各炉管是等距离的，因此，沿炉管圆周方向的热强度分布是均匀的。沿炉管长度方向，热强度的分布是不均匀的。圆筒炉的炉墙面积与炉管表面积的比例较低，炉墙的辐射作用相应减弱，故炉管表面热强度低。一般热负荷400万千卡/时的圆筒炉，在辐射室上部设一由高铬镍合金钢做成的辐射锥，由于它的再辐射作用，使炉管不仅在沿圆周方向，而且在沿长度方向的受热也比较均匀。因为辐射锥的材质要求高，占炉子建设费用的15%3，所以热负荷较大的炉子不宜采用辐射锥。一般在辐射室中部增设水平燃烧火嘴，以改善炉管沿长度方向的受热均匀性。对流室置于辐射室之上，对流管为卧排。所以对流管的长度受到限制，从受力上避免头重脚轻，对流室的加热面积不宜过大，一般推荐对流室的高度不大于辐射室高度的1/2。用管板固定在对流室里，一般设有过热蒸汽管。在光管面积既定的条件下，一般采用钉头管或翘片管，并且配相应的吹灰设施。圆筒炉的热效率一般比较低，但结构紧凑、占地面积小、投资省、施工期短、建设速度快。一般适用于中小炉型。（4）无焰炉无焰燃烧炉又称为无焰炉，炉体为长方形，外形与立式炉相似。这种炉子的炉膛宽度比立式炉还要窄。对流室在辐射室之上。在炉膛的中间设置双面受热的辐射管。炉墙同辐射管相距很近，炉膛的空间只是作为高温烟气的通道而已。两侧炉墙布满小型的燃烧孔道，并在墙外配备对应数量的小型无焰燃烧器。燃料气与空气充分混合后，不是在炉膛里燃烧，而是在燃烧道理燃烧。因此，在炉膛里没有火墙。因为燃料与空气的混合很充分，燃烧道里的耐火砖起了催化作用，所以燃料的燃烧速度很快，在燃烧道里就完成了全部的燃烧过程。由于火焰和高温烟气与燃烧道充分接触，燃烧放出的热量把炉墙加热到很高的温度，形成一个温度很高的辐射墙，向着温度低的由炉管组成的管排冷面辐射。由于无焰炉的火嘴多，所以能灵活的调节各处的受热强度。在炉管表面积相同时，无焰炉的处理量比一般炉子大，金属和非金属材料消耗量少。但是，无焰炉只适宜于燃烧气体燃料，并且，燃料气压力要大于4kg/m23。所以在使用上受到一定的限制。1.5 炉型选用的基本原则一个具体的生产装置究竟选用什么样的炉型，通常认为应从以下几个方面考虑3。（1）要根据具体情况进行具体分析，例如，老装置扩建，新增管式加热炉，施工期和组装的难易程度是要全面考虑的。如果占地面积为主要矛盾时，以选用圆筒加热炉为宜；在天然气资源丰富的地方，就可以考虑选用无焰炉；在使用沥青类地质、高粘度燃料油时，已选择用水平燃烧的双斜顶炉或立式炉为宜。（2）在满足工艺要求的前提下，从钢材耗用量、造价、占地面积、炉子热效率、燃料消耗等方面进行全面的技术经济指标的比较，对施工期长短、施工难易程度，也要予以考虑，而后选用那炉型。（3）一般在高温、高压、高流速、易结焦等工艺条件下操作的管式加热炉，如延迟焦化加热炉、热裂化加热炉和裂解炉等，多数采用卧管立式炉，便于清焦。同时，卧管立式炉在沿炉管的长度方向，受热比较均匀，辐射管的表面热强度也比较高。（4）一般热负荷较小的采用圆筒炉，热负荷150万千卡/时者，采用全面辐射式圆筒炉为宜3。辐射顶部最好加加挡烟板，烟囱高度不低于4米。（5）当几种油品或其他介质合用一个加热炉时，可选用多膛立管立式炉。（6）制氢炉一般采用双面辐射无焰炉，也采用双面辐射附墙火焰炉，如阶梯炉。2. 工艺计算2.1 加热炉热负荷的确定2.1.1 燃料性质及工艺条件表2-1：燃料油性质大庆减压渣油化学成分（重量%）重度20(kg/m3)粘度(cp)进料温度压力(Mpa）C86.75930801001601.0H12.56281.51129.69S0.17 N 0.37表2-2：工艺条件1原油工艺条件入炉温度出炉温度出炉压力（MPa）比重d420粘度（cp）出炉汽化率（%）3093651.00.86155080172311.47年处理量（吨/年）350表2-3：工艺条件2一般条件炉工作时间（h/年）8000蒸气压力/Mpa蒸气温度/ 环境温度201.0210 2.1.2 加热炉热负荷计算（1） 介质流量： (2-1)式中：WF介质流量，kg/h；M被加热的介质量，吨/年；T加热炉一年工作的时间，h。（2） 热负荷Q： （2-2）式中：Q热负荷，MW； Iv出炉温度下介质气相热焓，kJ/kg；I0介质入炉热焓，kJ/kg；IL介质出炉液相热焓，kJ/kg。原料入炉温度为309，出炉温度为365，在此条件下，查1LY100图5得，原油的进、出口液相焓分别为：I0=815.96kJ/kg，IL=963.01kJ/kg；介质出炉气相焓Iv=1147.24kJ/kg，则：MW通常情况下，设计热负荷为计算热负荷的1.101.2倍1，故设计热负荷QC为：MW2.2 燃料燃烧过程计算2.2.1 燃烧的发热量燃烧的发热量是指单位重量或单位体积的燃料完全燃烧时的热效应，即最大反应热。按照燃烧产物中水蒸气所处的相态，有高、低发热量之分。高发热量是指燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸气凝结为水时的反应热。其值由测量得到。低发热量是指燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水仍以气态存在时的反应热。由资料1，查得大庆减压渣油的高、低发热量分别为：；2.2.2 理论空气量按化学反应的需氧量而供给的空气量，亦即燃料中各组分完全燃烧所需的空气量，叫做理论空气量。 (2-3) (2-4)式中：L0理论空气量，kg/kg油或kg/Nm3燃料气。对于燃料油所需的理论空气量，由资料1可知：L0=14.29 kg/kg燃油，V0=11.05Nm3/kg燃料油。2.2.3 烟气量及烟气组成（1） 过剩空气系数及排烟温度的确定采用强制送风，则：过剩空气系数为=1.2 ；考虑加热炉的热效率、加热介质中硫对加热炉管的腐蚀性，以及经济性，将在对流段的烟气进行余热回收，使排烟温度降低至：ts=160。（2） 燃料的烟气烟气中各组分的重量按下列公式计算； ； （2-5） (2-6)式中：Mg烟气总体积，Nm3/kg燃料；MCO2、MSO2、MH2O、MO2、MN2分别为烟气中CO2、SO2、H2O、O2、N2的重量，kg/kg燃料； V0 理论空气量，Nm3/kg燃料； 过剩空气系数； C、H、S、W、N燃料中碳、氢、硫、水、氮的重量百分数。由燃料组分代入式(2-5)、(2-6)得个组分的重量：；烟气总重量：2.3 热效率计算2.3.1 加热炉的热平衡加热炉的热平衡是指加热炉供给与支出热量的平衡。通常对燃料油以每千克燃料为基准，对燃料气以每立方米为基准进行计算。供给热量与支出热量相等，即： (2-7)（1） 供给热量 (2-8)燃料显热Qf计算公式： (2-9)估算燃料油的比热： kcal/Nm3估算燃气的比热： (2-10)空气显然Qa计算公式： (2-11)雾化显热Qs计算公式： (2-12)选用型燃烧器，取雾化空气用量Ws=0.3kg油/kg油；进气温度为ts=210时，查蒸气热焓图2，取Is=2904.52kJ/kg.上式中：Qin，Ql，Qf，Qa，Qs分别为燃料供给热量，低发热量，燃料、空气和雾化蒸气带入炉内的显热，kg/kg或kg/Nm3； tf燃料入炉温度，； cf燃料比热，kJ/kg或kJ/kg； Ia空气入炉温度下的热焓，kJ/kg； Ws雾化蒸气用量，kg/kg油； Is雾化蒸汽热焓，kJ/kg汽。由资料1查得减压渣油的低发热量 Ql=42192.40kw燃料显热为：空气显热：空气入炉温度ta=230时，由资料1中的LY-100-表3，通过线性插值得空气热焓Ia=233.93kJ/kg，故： 雾化显热：故供给热量Qin为（2） 支出热量Qout的计算值： (2-13)式中：Qout支出热量，kJ/kg或kJ/Nm3； Qe被加热介质的有效利用热量，kJ/kg或kJ/Nm3； Q1，Q2，Q3，Q4分别为烟气带出去的热量，燃料的化学及机械不完全燃烧损失热量和炉壁散热损失的热量，kJ/kg或kJ/Nm3。烟气带出热量Q1计算公式: (2-14)式中：Q1烟气带出的热量，kJ/kg或kJ/Nm3 ； Gi1kg（或1Nm3）燃料生成的烟气中各组分的重量，kJ/kg油或kJ/Nm3 气； Ii在排烟温度下烟气中各组分的热焓，kJ/kg。燃料的化学不完全燃烧损失热量Q2： (2-15)式中：Q2燃料的化学不完全燃烧损失热量，kJ/kg或kJ/Nm3； V实际空气体积，Nm3/kg油燃料的机械不完全燃烧损失热量Q3： (2-16)式中：Q3燃料的机械不完全燃烧损失热量，kJ/kg或kJ/Nm3；由于Q2，Q3较小，在设计中可以不考虑。炉壁散热损失热量Q4计算：根据经验，圆筒炉的炉壁散热损失是供给热量的3%，故有： (2-17)根据烟气组分及排烟温度，由资料1查烟焓图，得烟气中组分的焓值，ICO2= 6699.2kJ/kg,Iso2=6280.5kJ/kg,IH2O=5375.11kJ/kg,IO2=4655.94kJ/kg,INO2=4605.7kJ/kg代入式(2-14)，有：有效利用热量Qe：2.3.2 燃料用量 (2-18)式中：B燃料用量，kg/h.2.3.3 加热炉热效率加热炉的热效率为其有效利用热量Qe占供给热量Qin的百分数。热效率值总小于1。 (2-19)式中：加热炉的热效率。加热炉效率为：2.4 辐射段计算2.4.1 辐射段热负荷根据相关经验，取辐射段热负荷QR占总热负荷的70%，则：2.4.2 辐射段平均管外壁温度计算（1）辐射管表面热强度根据经验选用，由资料1，选取圆筒炉辐射段炉管表面热强度qR=117236kJ/m2h=32.566kJ/m2s 。（2）辐射管内介质平均温度辐射管内介质平均温度等于介质进、出辐射段温度的算术平均值： (2-20) (2-21)式中：tm管内介质平均温度，； 1介质进入对流段温度，； 介质进辐射段温度，；2介质出辐射段温度，。将值代入式(2-20)、(2-21)得：管内介质平均温度：平均管外壁温度： (2-22)式中：tw平均管外壁温度，； t管内外温差，。根据经验，取t=40,代入式（4-3），则：2.4.3 辐射管加热表面积 (2-23)式中：AR辐射管加热表面，m2； QR辐射段热负荷，kg/s； qR辐射管平均表面强度，kJ/m2.s 。将值代入式(2-23)得：2.4.4 辐射管管程及管程数（1）辐射管管径及管心距 辐射管管径根据资料2,选取管内介质质量流速GF=1200kg/m2.s，管程数取N=4，管径的计算公式如下： （2-24） 式中：di管内径，m； GF管内介质质量流速，kg/m2s； WF管内介质流量，kg/h；根据相关规则，选取型号为21910的管作为辐射管。 辐射管管心距根据资料2,取辐射段管心距为管外径的2倍，即S=2d=438mm。2.4.5 辐射段炉体尺寸（1）辐射管长度辐射管直段长度计算： (2-25)式中：L辐射管直段长度，m； AR辐射管加热表面积，m2； d辐射管直段直径，m。根据加热炉热负荷及资料1,取炉管直段长度与节圆直径比(L/D)=2.0，故：根据相关标准，选用辐射段炉管的长度为15000mm。（2）炉管管根数 (2-26)式中：n辐射段管根数取n=52根2.4.6 节圆直径和炉管直径（1） 节圆直径 (2-27)式中：D节圆直径，m； 单位圆弦长圆周等分长度，（直径=1）；根据炉管根数，由资料1,查得单位圆弦长=0.060378。故节圆直径为：（2） 炉膛直径 (2-28)式中：D炉膛直径，m； d辐射管外径，m。2.4.7 炉膛高度计算公式： (2-29)式中：H炉膛高度，m； HH弯管或急弯弯头管高度，m； 炉管在高度管壁温度twmax下的线性膨胀系数，1/，取 twmax = 0.0； H上部间隙，m，取H=0.3。（1）弯管高度HH则炉膛高度为2.5 对流段尺寸计算2.5.1 对流室外形长度 (2-30)式中：Lk对流室外形长度，m。 Lc对流管有效长度，m； h1对流炉管弯头高度，m； h2对流室两端管板厚度（包括保温层），m。对流管选用21910的钢管，考虑对流室烟气流速及辐射管抽管方便3,取Lc=3.5m，试确定衬里厚度为100mm，则h2=112mm=0.112m，故：图2-1对流炉管结构 图2-2 钉头管2.5.2 对流室宽度 (2-31)式中：b对流室净宽，m； nw每排炉管根数，根； Sc对流管管心距，m； dc对流管外径，m； h钉头高度，m。试确定每排炉管数位8根，即nw=8，考虑到加热炉的热负荷较大，采用钉头管三角形相邻两排管数相等，钉头直径ds=12mm，高h=25mm，纵向间距dp=16mm，每周钉头数Ns=20个，故：2.6 热平衡计算2.6.1 当量冷平面当量冷平面Acp等于管排当量平面Acp乘以有效吸收因数，即： (2-32)式中：Acp当量冷平面，m2； 管壁有效吸收因数； L辐射管长度，m； Lc对流管长度，m； S ,Sc分别为辐射、对流管管管心距，m； n、nw分别为辐射管管根数、对流管每排管根数。对流管采用单排单面辐射，由资料1,=0.883，将数值代入式(2-32) ，则：2.6.2 辐射总面积 (2-33)式中：AR总辐射总面积，m2； As 遮蔽管排面积，m2；将数值代入式(2-33)，则：2.6.3 对辐射段管根数的验算（1）辐射管面积：（2） 炉管根数故辐射段节圆直径，炉膛直径，辐射段高度均不变。2.6.4 辐射段烟气计算 （1）烟气平均辐射长度Ls由资料1,采用圆筒加热炉，且L/D=2.0时，查得烟气平均长度Ls=D=7.911m。（1） 烟气中CO2和H2O（蒸气）的分压值（总压P=1.0atm）对于燃料为减压渣油时，由资料1查得：； （2） 烟气辐射率g根据相关经验，由资料