加热炉的标定核算2-1

1、情境2 加热炉的操作与控制学习任务1加热炉的标定核算计划学时6职业能力目标专业能力社会能力方法能力掌握加热炉的结构和作用原理掌握加热炉的主要技术指标掌握加热炉的工艺流程掌握加热炉的标定核算团队工作能力沟通能力小组成员的协作能力扩展相应的信息收集能力制定工作计划能独立使用各种媒介完成学习任务工作结果的评价与反思学习情境描述接到车间主任指令：根据给定的管式加热炉的任务，对加热炉进行标定核算，分析该加热炉是否能够完成任务，是否需要进行改进，若需要改进提出措施。简述加热炉的工艺过程，说明流程中的主要设备。组长接受任务后组织学员通过资讯、计划、决策、实施和检查、评估等过程完成学习任务。教学环境分析石油化

2、工岗位操作技能实训中心、教材、辅导资料、化工工艺设计手册、化工单元操作学习光盘、学习软件、可以上网查阅资料的电脑、工作台、拆装工具等教学方法采用角色扮演法交代任务；用引导文和小组讨论法完成决策和计划的制定，采用任务驱动法实施工作任务。教学组织分组，分工，协作共同完成，分成6个小组，每组6人要做好记录，由各小组长展示学习成果评议各小组展示的学习成果教师对每个小组及每个学生进行监视，做好记录，作为成绩评定的依据。实施步骤资讯任务一 加热炉的标定核算 管式加热炉是炼油装置广泛应用的一种火力加热设备。其作用是将炉管中连续通过的原料至所需要的温度，为原料油的分馏和反应提供必需的热量。它的应用促进了炼油和

3、石油化工生产实现自动化、连续化和大型化。管式加热炉与其他工业炉相比有如下特点：加介质在管内流动，故仅限于加热气体或液体，且大都是易燃、易爆的烃类物质。因此同锅炉加热水产生水蒸气相比，危险性大且操作条件苛刻。加热方式为直接受火式。主要烧气体或液体燃料。长周期连续运转，不间断操作。管式炉在一般装置中的投资约占总投资的10%，钢材占钢材总量的20%，消耗的燃料在加工深度浅的炼厂，约占加工能力的36%，较深的为815%。因此，加热炉的设计、选型是否先进、恰当，将直接影响装置经济的合理性。此外，生产中加热炉操作是否正常，工艺指标是否达到要求，都将影响整个装置的产品质量、产品收率、处理能力、能耗和操作周期

4、等。所以，管式炉在炼厂建设和生产上占有十分重要的地位。一、加热炉的结构和类型（一）加热炉的工作原理管式炉一般由辐射室、对流室，余热回收系统、燃烧及通风系统五部分组成。其结构通常包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。 图1 加热油品的流程辐射室和对流室内，装有许多炉管，炉管之间以回弯头连接。辐射室又称燃烧室或炉膛，是管式加热炉的核心部分。在炉底或炉侧壁上设置有燃烧器（火嘴）。燃料从燃烧器以雾状喷出，并与空气混合后在辐射室内燃烧，产生的高温烟气(10001500)，由下而上经辐射室再进入对流室。由于放出了热量，烟气温度逐渐下降，进对流室时一般为600800，最后由烟囱排出时，则降至

5、200300左右。被加热的原料由上而下，首先进入对流管，再进入辐射管，管内油品在与管外烟气逆向流动中不断吸收热量，使温度在炉出口处达到规定的指标。（二）加热炉的一般构成1辐射室通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（6001600），是热交换的主要场所（约占热负荷的7080%）。辐射室内炉管，通过火焰或高温烟气进行传热，以辐射热为主，故称为辐射管。它直接受火焰辐射冲刷，温度高，其材料要具有足够的高温强度和高温化学稳定性。2对流室靠辐射室出来的高温烟气进行以对流传热为主的换热部分。烟气以较高的速度冲刷炉管管壁，进行有效的对流传热，其热负荷约占全炉的20%30%。对流

6、室一般布置在辐射室上，有的单独放在地面。为了提高传热效果，多采用钉头管和翅片管。3余热回收系统 余热回收系统用以回收加热炉的排烟余热。回收方法有两类即空气余热方式和发热锅炉方式。4燃烧器燃烧器的作用是完成燃料的燃烧过程，为热交换提供热量。燃烧器由燃料喷嘴、配风器、燃烧道三部分组成。燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。燃烧器性能的好坏，直接影响燃烧质量及炉子的热效率。5通风系统通风系统的作用是将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。前者依靠烟囱本身的抽力，后者使用风机。 过去，绝大多数炉子都采用自然通风方式，烟囱通常安装在炉顶。近年来，随

7、着炉子结构的复杂化，炉内烟气侧阻力增大，加之提高炉顶热效率的需要，采用强制通风方式日趋普遍。5.主要结构（1）钢结构 钢结构是管式炉的承载骨架。管式炉的其他构件依附于钢结构，其基本元件是各种型钢，通过焊接或螺栓连接构成管式炉的骨架。（2）炉墙炉墙的基本要求是绝热良好，热损失小，牢固可靠，重量轻而价廉，易于建造和维修。 炼厂管式炉的炉墙结构，可分为砖墙结构和轻质耐火混凝土(简称衬里，是矾土水泥陶粒蛭石混合物)结构两种。近年还出现了陶质纤维(陶纤和无机粘结剂混合物)结构。衬里和陶纤结构比较简单，适用于形状复杂的部位，施工简便，但其耐高温、抗冲刷能力比不上砖墙结构。目前，国内比较普遍采用的是耐火层保

8、温层保护层的炉墙结构。耐火层必须能耐一定的高温，常用的耐火材料是耐火砖、耐热混凝土、耐火纤维毡等。保温层应具有良好的保温性能，常用的有硅藻土或膨胀蛭石、膨胀珍珠岩制品等。保护层可以用石棉沥青膏涂层或钢壳。（3）炉管管式炉的炉管是无聊摄取热量的媒介。按受热方式不同分为辐射管和对流管。炉管表面积，就是加热炉的传热表面积。它的金属耗量约占炉子总耗钢量的4050%，投资占60%以上。因此，炉管管径与壁厚设计是否适宜，对炉子操作费用和基建投资有很大影响。管子直径应根据管内油品流量和推荐的适宜流速计算后，参照国产管标准规格选用。目前常用的国产管规格是直径102、127、152mm等几种。（4）其他配件管式

9、炉配件较多，主要有看火孔、点火孔、炉用人孔、防爆门、吹灰器、烟囱挡板等。（三）管式加热炉的主要技术指标1热负荷 加热炉的总热负荷也叫有效热负荷，是指被加热原料通过管式炉时，在单位时间内所吸收的热量。它体现了加热炉供热能力的大小。总热负荷为被加热物料在辐射室的吸热量（QR）和对流室的吸热量（Qc）之和。计算公式：Q=WFeIv + (1-e)IL-Ii×10-3+ Q式中：Q 加热炉计算总热负荷，MW； WF 管内介质的流量，kg/s； e 管内介质在炉出口的汽化率，%；Iv 炉出口温度下介质气相热焓，kJ/kg；IL 炉出口温度下介质液相热焓，kJ/kg；Ii 炉入口温度下介质气相热

10、焓，kJ/kg；Q其它热负荷，MW；加热炉的设计热负荷Q通常取计算值Q的1.151.2倍，即Q=（1.151.2）Q2辐射管表面热强度QR辐射管表面热强度是指在单位时间内，通过每平方米辐射管表积AR所传递的热量，即 W/ 由上式可知，当完成相同的加热任务时，炉管表面热强度高，则需要的加热面积少，炉管钢材耗量及设备费用可降低。反之，对传热面积相同的炉管，当表面受热强度越高，则传热能力就越大，可见，炉管表面热强度的大小标志着炉管表面传热效能的高低。因此，在管式炉的设计和操作中，都希望尽可能地提高炉管表面受热强度。3.热效率加热物料吸收的总热负荷与炉子收入总热量之比称为全炉热效率，通常用表示。即 热

11、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。目前加热炉的效率可达85%88%，最新技术已接近92%。4.火墙温度 火墙温度又称炉膛温度，是指烟气离开辐射室进入对流室时的温度。它代表炉膛内烟气温度的高低，是炉子操作中的重要控制指标。 火墙温度高，说明辐射室传热强度高。火墙温度过高时，炉管容易结焦，甚至烧坏炉管和管板等。所以火墙温度一般控制在约850以下（烃类蒸汽转化炉、乙烯裂解炉、炉温可达900以上）。（四）管式加热炉的炉型 1斜顶炉 斜顶炉如图2所示，是由辐射室、对流室、烟囱组成。整个炉子的两堵不到顶的火墙分成3个部分：左右两边宽大的是辐射室，中间窄小的为对流室。炉子两面各有一排火嘴

12、。炉顶是两面倾斜的炉墙。 辐射管以相同的方向分别横排在斜顶，挡墙和炉底，管排方向与火嘴垂直。 对流管束以和辐射管相同的方向排列在对流室。烟气在对流室中的流动为下行式，在对流室的底部有一烟道直至烟囱。 图2 斜顶炉图3 圆筒炉2圆筒炉 圆筒炉是炼油生产目前应用最广泛的管式炉。其结构如图3所示，分上、中、下3个部分。下部为圆筒形辐射室，辐射管沿炉膛周围立式排列，底部装有一圈上烧式烧器。中部是正方形对流室，对流管为卧排，可用钉头管或翅片管。顶部是烟囱。小型的圆筒炉因热负荷小，加热温度不高，只设有辐射室而没有对流室，称为纯辐射型圆筒炉。大型圆筒炉炉膛常增添炉管，使其结构和经济更为合理。3立式炉立式炉的

13、炉膛是长方形箱体，位于炉子的下部，中部为对流室，上部为烟囱。主要分卧管立式炉和立管立式炉两大类。(1)卧管立式炉。炉管卧放，火焰与炉管正交，对流管与辐射管长度相等。图4中。所示的炉膛中间加一面隔墙，既可增加炉膛辐射面积，提高辐射炉管的受热强度，又可将辐射室分成两室，每室各走路油品，温度可分别调节。为降低炉子高度，也可以将火嘴水平放置，炉底无需悬空建立。这种炉型，沿辐射炉管管长的受热较为均匀，沿炉膛高度的受热不均匀。因此，炉膛不宜设置太高。在水平布置的炉管中，气液两相混流的原料流动稳定，不会发生气液分层流动。(2)立管立式炉。如图4中(b)所示，立管立式炉的辐射炉管沿炉墙直立排列，故有许多特点与

14、圆筒炉类似但它的炉膛窄而长，并可设多室，辐射管长度及对流室尺寸可不受炉体限制，因而有利于向大型化发展。但它的辐射炉管沿长度受热不太均匀，对有气液相混流介质沿立管下行时，在一定流速范围内，气相易走外侧，易造成炉管超温，严重时甚至烧坏炉管。当生产上要求炉内加热均匀性高时，可采用单排管双面辐射及火焰分区调节，以严格控制炉膛温度及沿炉管长度方向的温度分布。无焰燃烧炉也是一种直立式炉，如图4(c)所示。它的主要特点是无焰燃烧器沿炉膛炉的炉墙和燃烧器结构复杂，造价较高，只能使用气体燃料。 图4 立式炉（a）卧管立式炉；（b）立管立式炉；（c）无烟炉二、炉型比较及发展趋势 各种类型加热炉的评价，一般包括炉热

15、效率、钢材用量、占地面积、造价和施工等几方面，需综合比较。 1钢材耗量在管式炉的钢材消耗中，主要为炉管、炉架和管架结构的钢材。若使炉管受热均匀，则每单位炉管表面积的传热量高，可节省炉管钢材；若炉子结构合理、简单、紧凑，则可大大减少炉架结构的钢材耗量。炉管立式比卧式排列，省去了托架，管板等金属的耗量。因此，圆筒炉的钢材耗量较小。 2占地面积 圆筒炉的烟囱设置在对流室上，辐射管垂直安装，不需留用检修的空地，故圆筒炉占地面积最小。箱式、斜顶炉占地面积最大。 3炉热效率 管式炉的热效率主要取决于过剩空气量和烟气离开对流室的温度。烟气带走热量多，有效利用的热量就少，炉子热效率就低。 不同炉型，炉体的散热

16、损失亦不同。散热损失大，同一操作条件下炉热效率也低。 4造价影响造价的因素很多，如炉结构、炉热效率、炉管表面受热强度、管径、管材、燃烧器类型等。无焰炉的炉墙结构复杂，因而造价高。表1各种炉型比较表炉型项目单 位圆 筒 炉方 箱 炉立 式 炉无 焰 炉钢材耗量比占地面积造价比%100100100168279129144154135140154140三、加热炉的标定核算（一）目的(1)核算现有加热炉的传热面积(辐射室、对流室)能否完成所需的加热任务，以便寻找挖潜的可能性，提出改进的措施。(2)核算管式炉主要工艺指标，如全炉热负荷，炉管表面热强度，全炉热效率及过剩空气系数等，结合有关数据，综合分析加

17、热炉生产操作中的问题。（二）原始数据的收集(1)炉子结构尺寸。炉子结构尺寸包括炉型、炉体结构尺寸和炉管系统的结构尺寸。(2)原始系统。原料油的处理量、原料性质、炉子进出口温度及气化率；过热蒸汽压力、温度和蒸汽耗量。(3)燃料系统。燃料用量、燃料性质(包括液体燃料的元素组成或气体燃料的化学组成)。(4)烟气系统。烟气的组成及排烟温度。（三）核算步骤(1)燃料发热值计算。燃料发热值，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。单位为kJ/kg或kJ/Nm3。燃料的发热值又分高热值和低热值两种。高热值是指燃烧产物中的水呈液体状态时，燃料所放出的热量。高，低热值之差即为水的汽化潜热。实际在加热

18、炉中，水总是以蒸汽状态存在，因此，工程上都以燃料低热值计算。 液体燃料的发热值 液体燃料的元素组成数据，可用元素分析法直接测定，无实测数据时，也可用下列经验公式估算燃料中主要的氢、碳元素含量。 H=2615 (21) C=100(H+S) (22) 常用作炼油厂管式炉燃料的重质残渣油，其组成含量大致为C：8090%，H：912%。根据燃料油的元素组成，其发热值按下式计算。 高热值： Qh=81C+300H+26(SO)×4.187 kJ/kg燃料 (23)高热值扣除烟气中水蒸气的冷凝热6×4.187(9H+W)即为低热值。 低热值： Q1=81C+246H+26(SO)6W

19、)×4.187 kJkg燃料 （24）式中 H、C、S和W分别为燃料油中氢、碳、硫和水分的质量百分数。 气体燃料发热值气体燃料的发热值，常用1标准立方米(指0、101.33kPa压力下气体具有的体积)燃料完全燃烧时，所放出的热量来表示。 炼油厂气体燃料的成分一般是H2、CO、C02、H2S及低烃类组成的混合物。可按各种气体的含量及其发热值计算总发热值，即 （25） （26）式中 qhi、qlii组分的高、低热值，kJ/(Nm3)； yi气体燃料中i组分的体积分数。气体燃料中各纯组分的热值可由表2查得。表2气体的发热值气体分子式体积低热值kJ/Nm3气体分子式体积低热值kJ/Nm3甲

20、烷乙 烷丙 烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10iC5H12nC5H12357116358491034109281118413134821145783正乙烷正庚烷正辛烷乙 烯丙 烯异丁烯氢nC8H14nC7H16nC8H18C2H4C3H6iC4H8H2176273182972209350594728641111472411096（2）理论空气用量燃烧1kg液体燃料需要的理论空气量为： =0.115C+0.345H+0.0432(SO)kg空气/kg燃料 （27）在标准状态下，空气密度为1.293kgNm3(注)，故理论空气用量以体积表示时，为 Nm3空气k

21、g燃料 （28）对一标准立方米气体燃料完全燃烧所需要的理论空气用量，可按下式计算 燃料气 （29）或 Kg空气/kg燃料气 （210）式中 气体燃料的密度：kg/m3H2、CO、CmHn、H2S、O2气体燃料中各组分的体积百分数；m、n碳氢化合物中的碳原子，氢原子的原子数。（3）过剩空气系数实际燃烧过程中，空气与燃料的混合，总不能非常完善，为保证燃料与空气充分混合并完全燃烧，入炉的空气量比理论空气量要多。 过剩空气系数定义过剩空气系数即实际空气量与理论空气量之比，称过剩空气系数，用表示。 （211）式中L和V分别为以质量和体积表示的实际空气量。由式(211)可得：L=LO kg空气/kg燃料V

22、=VO Nm3空气/Nm3注：Nm3指一标准立方米，下同燃料过剩空气系数是加热炉的一个重要操作指标。在确保完全燃烧的条件下，过剩空气系数趣小越好，在相同条件下，过剩空气系数小的炉子，炉膛温度较高；若维持炉温不变，则可减少燃料消耗。入炉空气量小，烟气量也小，烟气排入大气所带走的热量就可降低，从而减少炉子的热损失，有利于提高炉子的热利用率和节约燃料。影响过剩空气系数的主要因素有以下几个方面：燃料性质。液体燃料的粘度、密度比气体燃料的大得多，因此气体燃料易与空气混合均匀，较小；液体燃料不易与空气混合均匀，较高。燃烧器的性能。燃烧器的形式、性能不同，对空气与燃料混合的程度不同，因而过剩空气系数也不同。

23、所以，大力改进燃烧器的性能，研制和使用各种高效燃烧器，是降低过剩空气系数的关键。炉体密封性。大多数加热炉都是在微负压条件下工作的，如果炉体密封不好，空气就被大量吸入，会使过剩空气系数激增，操作难以控制，因此，必须重视炉体的堵漏工作。近代微正压操作的加热炉，则不存在漏风问题。加热炉操作水平。入炉空气量是加热炉操作中可调节的参数之一，其调节直接影响的大小。因此，生产操作中，发挥人的主观因素，管好三门一板(风门、油门、汽门、烟道挡板)的调节，是保证燃料完全燃烧，降低的有效方法。过剩空气系数的计算在加热炉实际操作中，可利用烟道气分析结果计算过剩空气系数即 （212）式中 N2、O2、CO2分别为氮、氧

24、，二氧化碳在烟气中的体积百分数。 (4)对流室热负荷及表面热强度计算。对流油管热负荷： （213）式中 对流油管热负荷，kJh；对流油管原料流量，kgh，对流油管出，入口温度下的油料液相热焓，kJkg。对流油管表面热强度： （214）式中 对流油管表面热强度，kJ(m2·h)；对流油管表面积，m2。过热蒸汽管热负荷： （215）式中 过热蒸汽管热负荷，kJh；过热蒸汽管蒸汽流量，kgh；、 过热蒸汽管出、入口温度下蒸汽热焓，kJkg。过热蒸汽管表面热强度： （216）式中过热蒸汽管表面热强度，kJ(m2·h)：过热蒸汽管表面积，。对流室总热负荷； （217）(5)辐射室热负

25、荷： （218）式中 QR辐射室热负荷，kJh； G油料流量，kgh；、辐射室出口温度下油料的汽，液相热焓，kJkg；辐射室入口温度下油料的液相热焓，kJkg；e油料出炉汽化率，可按油料出炉压力及温度计算；或按分馏塔拔出率，再加0，02005过汽化率求得。辐射管表面热强度： 式中 qR辐射管表面热强度，kJ(·h)，AR辐射管表面积，。(6)全炉热负荷及热效率。全炉热负荷为辐射室和对流室热负荷之和：全炉热平衡为 BQf=Q+qs+ql KJ/h 炉子热效率由全炉热平衡可知，离炉热量中，只有总热负荷Q是被有效利用的热量。因此，定义被加热物料吸收的总热负荷与炉子收入总热量之比称为全炉热效

26、率，通常用表示。即 由式全炉热平衡和炉子热效率可得： （219）（7）辐射管油料流速。辐射管油料质量流速按下式计算：（220）式中辐射管油料质量流速，kg/(m2·h)di辐射管内径，m；N辐射管油料并联管程数。（四）加热炉标定核算示例1原始数据加热炉结构尺寸。某常压加热炉，炉型：圆筒炉；设计负荷24.42MW；结构尺寸见表3；炉管并联程数2程。表3某常压炉主要尺寸数据项 目单 位数 值辐射管规格根数外表面积管心距节圆直径对流油管规格根数材质外表面积中心距（管心距×排心距）钉头尺寸（直径×长×中心距）对流过热蒸汽管规格根数材质外表面积中心距（管心距

27、15;排心距）辐射室尺寸（直径×高）对流室尺寸（长×宽×高）烟囱尺寸（直径×总高）火嘴个数mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm个152×8×1600/219×12×160070/8622304/4388040152×6×360018010#钢309319×275.412×40×16，（每圈14根）60×5×360024810#钢168120×103.98584×160003600×3975×8250

28、1900×43000122测定数据测定数据见表4。表4某常压炉标定数据项 目单位数值原油流量相对密度特性因素K常压拔出率对流油管入口温度 出口温度 入口压力对流过热蒸汽（1）流量入口温度出口温度入口压力出口压力对流过热蒸汽（2）流量入口温度出口温度入口压力出口压力辐射油管出口温度 出口压力 炉膛温度排烟温度排烟分析CO2 O2燃料用气量燃料气组分分析H2SCO2H2N2O2CH4C2H6C2H4C3H8C3H8C4H10C4H8C5H10炉膛负压Kg/h%(质)PaKg/hPaPaKg/hPaPaPa%(体)%（体）Nm3/h%(体)pa148×1030.908212.02

29、3.618724517×10568003024636×1052.1×105515025041510×1056×1053600.9×10575527010.83.126004.21.015.119.01.921.811.22.77.07.53.54.60.511333、计算（1）燃料气发热值，计算结果见表5表5燃料气发热值组 分yi%(体)qliMJ/Nm3(kcal/Nm3)yi qliMJ/Nm3(kcal/Nm3)组 分yi%(体)qliMJ/Nm3(kcal/Nm3)yi qliMJ/Nm3(kcal/Nm3)H2SCO2H2N

30、2O2CH4C2H84.21.015.119.01.921.811.215.53(3710)11.09(2650)33.94(8107)60.75(14510)0.65(156)1.67(400)7.40(1767)6.80(1625)C2H4C3H8C3H6C4H10C4H8C5H102.77.07.53.54.60.555.85(13340)88.38(21110)81.31(19420)115.56(27600)106.76(25500)132.72(31700)1.51(360)6.18(1477)6.10(1457)4.04(966)4.91(1173)0.66(158)燃料气发热值（2）对流室热负荷及炉管表面热强度对流油管热负荷及表面热强度进对流油管的油品热焓 出对流油管的油品热焓 对流油管热负荷： 对流油管表面热强度： 对流过热蒸汽管（1）热负荷及表面热强度进对流蒸