炼油厂管式加热炉工艺设计论文。热能专业毕业论文

摘要

对于石油化工等行业,管式加热炉是使用最普遍的加热设备。在石油加工的各项工作之中,管式加热炉都起着重要作用。使用管式加热炉技术,除了可以降低生产成本外,还能够有效地节约能源。但在当今节能减排的大形势之下,管式加热炉的耗能过大缺点还是日显突出。在本设计中,通过优化管式加热炉的整体结构,并根据装置的操作情况和特点制定出一套改善方案,来提高管式加热炉的热效率,从而实现节能作用。本设计适用于使用常减压工艺技术的管式加热炉,通过对整个工艺过程的仔细分析,及对各种优化方案的选择,最终确定了使用两台辐射-对流型圆筒加热炉共同工作的设计方案。除此之外,通过对管式加热炉的工艺进行计算,包括辐射室及对流室的结构尺寸、燃料用量、炉内压力等参数的计算,以达到管式加热炉结构优选的目的。通过使用螺杆膨胀机以实现烟气余热二次利用,进一步提高热效率,实现能源的节约。

关键词:热效率;结构优选;辐射—对流型加热炉;余热二次利用

Abstract

Tube heating furnace is the most widely used heating equipment in the petrochemical industry. Tube heating furnace play a most significant role in the works of petroleum processing. Using the technology of Tube heating furnace can not only reduce the cost of production, but also can reserve energy effectively .however,in the trend of saving energy nowadays, the drawbacks of Tube heating furnace that it cost so much energy becomes more and more obvious each day . In this design, I made a optimized plan by optimizing the Overall Structure of Tube heating furnace and also according to operating conditions and characteristics of the device. With the help of the optimized plan, we can rise the thermal efficiency of Tube heating furnace ,and then reach the goal of Energy conservation. The tube heating furnace in this design is applied to the atmospheric-vacuum technology,after a careful analysis of the entire process and the choices of a variety of optimizations, I finally made the combined operation scheme of two sets of radiation-convection cylindrical heating furnaces. Besides, in the process calculation of the tube furnace, which include the calculation of the structural dimensions of the radiation chamber and convection room, the calculation of furnace pressure, the calculation of fuel consumption, to reach the appointment of optimizing the structure of Tube heating furnace. By using the screw expander as the waste heat recycling equipment of flue gas can improve thermal efficiency and saves energy much better.

Key words:Thermal efficiency ;structure optimizing; Radiation-convection type heating furnace; heat Recycling

目录

摘要.................................................................................................................................... I Abstract........................................................................................................................... II 1 引言.. (1)

1.1 课题的选择依据及其意义 (1)

1.2 当今国内外炼化加热炉的节能技术应用现状及发展 (1)

1.2.1 当今国内外炼化加热炉的节能技术应用现状 (1)

1.2.2 我国炼化加热炉节能技术的应用情况 (2)

1.2.3管式加热炉节能技术的发展趋势 (3)

1.3节能设计的新型技术 (3)

1.4 确定设计方案 (4)

2 管式加热炉工艺计算 (5)

2.1 计算设计热负荷及加热炉选型 (5)

2.1.1 计算设计热负荷 (5)

2.2 燃烧过程计算 (7)

2.2.1计算燃料的热值 (8)

2.2.2 计算理论空气量 (9)

2.2.3 选取过剩空气系数及加热炉排烟温度 (9)

2.2.4 计算加热炉热设计效率 (10)

2.2.5 燃料气用量 (11)

2.2.6 计算烟气流量 (12)

2.3 辐射室热力计算 (12)

2.3.1 估算辐射段热负荷 (13)

2.3.2 选取辐射室炉管表面热强度 (14)

2.3.3 估算辐射室炉管管壁温度 (15)

2.3.4 计算辐射室炉管加热表面积 (16)

2.3.5 确定辐射室炉管管程数、管径及管心距 (17)

2.4 辐射室炉体尺寸 (18)

2.4.1 辐射炉管的节圆直径、有效长度 (18)

2.4.2 辐射炉管根数 (19)

2.4.3 辐射段炉膛直径 (19)

2.4.4 辐射段炉膛高度 (20)

2.5对流室炉体尺寸 (21)

2.5.1 对流室炉管管径、管心距 (21)

2.5.2 对流室炉管管长及对流室宽度 (21)

2.6 辐射段传热核算 (25)

2.6.1 当量冷平面 (25)

2.6.2 总辐射交换因数 (26)

2.6.3 辐射段热平衡 (28)

2.6.4 辐射段烟气出口温度 (29)

2.6.5 核算辐射段热负荷 (30)

2.6.6 核算辐射段表面热强度 (30)

2.6.7 核算辐射段油料入口温度及辐射段炉管壁温 (31)

2.7 对流段的传热计算 (32)

2.7.1 对流段热负荷 (32)

2.7.2 对流段内的传热平均温差 (32)

2.7.3 对流室炉管内膜传热系数 (33)

2.7.4 对流室炉管外膜传热系数 (35)

2.7.5 对流管的总传热系数 (38)

2.7.6 对流室内炉管表面积及管排数 (39)

2.7.7 对流炉管的表面传热强度 (40)

2.8 过热蒸汽段计算 (41)

2.8.1 过热蒸汽段烟气平均温度 (41)

2.8.2 过热蒸汽段两种介质换热的平均温差 (41)

2.8.3 管内介质的质量流速 (42)

2.8.4 过热蒸汽管的对流传热系数 (43)

2.8.5 过热蒸汽段炉管表面积及管排数 (45)

2.9 炉管压降计算(有相变化) (47)

2.9.1 汽化段压力降 (47)

2.9.2 加热段压力降 (54)

2.9.3 加热炉炉管总压力降 (56)

2.9.4 加热炉炉管入口压力 (57)

2.10 烟囱计算 (57)

2.10.1 烟气通过对流段的阻力 (57)

2.10.2 烟气由辐射段到对流段的阻力 (59)

2.10.3 烟气由过热蒸汽段到烟囱的阻力 (60)

2.10.4 烟气在烟囱挡板处的阻力 (61)

2.10.5 烟气在烟囱内的摩擦损失 (62)

2.10.6 烟气在烟囱内的动能损失 (63)

2.10.7 烟囱高度 (63)

2.11工艺计算结果汇总 (65)

3 辐射—对流型圆筒加热炉配件及炉管系统的选用 (67)

3.1 炉管材料的选择 (67)

3.2 钉头管 (68)

3.3 炉管吊钩 (68)

3.4 炉管拉钩 (69)

3.5 看火门 (69)

3.6人孔门 (70)

3.7 防爆门 (72)

3.8 清扫门和吹灰器 (72)

4 辐射—对流型圆筒加热炉结构的选用 (73)

4.1 加热炉主体结构 (74)

4.1.1 辐射室结构 (74)

4.1.2 对流室结构 (75)

5 优化烟气余热再利用方案 (76)

结论 (77)

谢辞 (78)

参考文献 (79)

炼厂管式加热炉工艺设计

1 引言

1.1 课题的选择依据及其意义

在近些年中,我国的经济发展形式日益壮大,与此同时,我们对能源的需求与依赖也日益凸显。随着人们对环保理念愈发重视,节能减排在我们的生活中也随处可见。石油通过炼化过程后,其得到的产物是人类必不可少的使用资源。然而,石油的炼化过程也是一个耗能的过程,并且会产生大量的废物。管式加热炉是最常见的炼油以及石油化工生产装置的加热炉,其能耗最高能达到炼化企业耗能的40%。管式加热炉通常是指炼油和石油化工生产装置的工艺加热炉,简称为石化工艺加热炉[1-5]。管式加热炉几乎参与了各类工艺过程,成为进行裂解、转化反应的核心设备,支配着整个工厂或装置的产品质量﹑能耗等,推动了石油炼制和化工工艺的发展进步[1-5]。原油的裂解、转化等反应基本都发生于管式加热炉中。管式加热炉的性能和结构优化设计,决定着炼化产品的质量,也直接影响着能耗量。所以,在现如今能源供应愈发紧张的阶段,通过合理设计、优化加热炉的结构,提高热效率,降低污染物的排放量,对能源的节约及环境的保护做出了巨大贡献。

1.2 当今国内外炼化加热炉的节能技术应用现状及发展

1.2.1 当今国内外炼化加热炉的节能技术应用现状

在国外,石油炼化设备的设计制造工作,与其运输、安装、调试等工作,并非由一个公司单独完成。国外炼化炉的节能技术主要存在于前期优化过程中,主要包含有如下技术特点:(1)专利商、大型工程公司依据工艺的特殊要求开发、制造、安装的专利技术及专有技术,如UOP的U型管重整炉;(2)大型化装置体现在常减压蒸馏、连续重整芳烃装置的单台加热炉热负荷超过150MW;(3) 利用FRNC-5、STAAD PRO、CFX、FLUENT等先进的行业设计软件;(4)在加热炉详细设计时,根据运输尺寸和吊装能力水平进行模块化设计、制造、运输及组装;(5)对于欧洲和日本等能源匮乏的国家,要求热负荷超过24MW的加热炉热效率应不小于90%;

(6) 低NOx燃烧器、低NOx催化转化技术、高效吹灰器、声波气体温度测量系统等主流节能技术。

1.2.2 我国炼化加热炉节能技术的应用情况

伴随国家对科学发展观的逐步落实,可持续发展战略的地位日益突出。国内各炼化企业也更加重视加热炉优化设计,通过对加热炉的改造来实现降低能耗,减少污染物排放。国内炼化企业主要通过管式空气预热器、余热锅炉等技术的应用来降低排烟温度,回收余热;应用蒸汽、激波、声波等方式清除灰尘,减少热量损失;使用重质燃油助燃剂或者应用强化传热型助燃器来提高燃烧效率;利用优质隔热材料来降低热量散失;利用烟气分析仪、红外热像仪等检测技术时时监控排烟指标。2011年5月,辽阳石化公司引进美国GTC公司技术对其45万吨/年对二甲苯装置的3台加热炉实施在线清灰清垢,不仅减少了烟气排放量,增强了热能传导,而且降低了能耗。利用烟气分析仪、红外热像仪等检测技术时时监控排烟指

标。2011年8月,吉林石化炼油厂对加热炉实施技术改造,进一步完善加热炉燃烧系统,以提高加热炉热效率,降低加热炉燃料消耗[6]。不仅减少了烟气排放量,增强了热能传导,而且降低了能耗[7]。2011年7月,加热炉在线机械清焦技术首次应用于克拉玛依石化公司150万吨/年延迟焦化装置[8]。从整体来看,我国的炼化炉的设计、制造、新型材料和新型设备组的开发应用都远不及国外技术水平,仍有待提高。

1.2.3 管式加热炉节能技术的发展趋势

在当今经济、环境、能源的总体形势之下,世界各国都将减少能源的使用、降低污染物的排放作为发展本国经济的大前提。因此,管式加热炉的结构设计与优化成为了各国研究者竞相研究的课题。来达到能源、技术、经济、环境这四个方面因素的协调,制造出低能耗、低污染、低成本、高效率的新一代加热炉体系。除此之外,应用先进的燃烧技术、新型炉用材料、脱硫技术、余热回收技术等使加热装置得到更多的发展[9]。

1.3 节能设计的新型技术

通过研究初始参数数据、设计手册以及参考文献,得到了如下几方面的新兴技术:将使用燃料油更换为燃料气,降低了原本使用燃料油时的过量空气系数,使燃料能在燃烧炉中充分燃烧,提高了燃烧炉的热效率;将流室内钉头管布置为交错排列的结构,强化烟气与管内原油的传热,从而也提高了加热炉的热效率;采用炉管吊钩,优化了吊钩结构的复杂程度和重量;通过优化加热炉结构设计,

提高生产能力,节约能源;通过使用采用轻质的浇注料,改变其自身性质,应用致密陶瓷纤维材料作为里衬,以及喷涂隔热涂料,都能够降低热量的散失,提高效率;将全密封结构应用于对流室弯头箱,通过多种方式提高炉体的整体密封性,减少热量散失。

1.4 确定设计方案

根据以往加热炉的实际设计要求,综合考虑到设计时的实际参数、对加热炉的设计要求、资金投入情况以及实际工作时的运行要求,确定采用两台辐射-对流型圆筒加热炉并联运行设计方案。

图0:管式加热炉

2 管式加热炉工艺计算

2.1 计算设计热负荷及加热炉选型

2.1.1 计算设计热负荷

热炉每小时传给被加热物料的总热量被称为有效热负荷,体现了炉子的供热

能力(生产能力)[1-5,9-11]。加热炉的总负荷包括原料及水蒸汽通过加热炉所吸收的

热量和注水汽化热等其他热负荷[1-5,9-11]。

根据燃料和过热蒸汽的特性,计算加热炉的总负荷,计算公式如下:

()[]()Q I I W I I e eI W Q S S S i L V F ''+-+--+='121

式中:

Q′ — 加热炉计算总热负荷,kJ /s ;

W F — 油料流量,kg /s ;

W s — 过热蒸汽流量, kg /s ;

e — 管内介质在炉出口处的气化率,%;

I L — 油料出炉温度下液相热焓, kJ /kg ;

I V — 油料出炉温度下气相热焓, kJ /kg ;

I i — 油料入炉温度下液相热焓, kJ /kg ;

I S1 — 过热蒸汽入炉温度下热焓, kJ /kg ;

I S2 — 过热蒸汽出炉温度下热焓, kJ /kg ;

Q″ — 其他热负荷, kJ /s 。

由设计初始数据得:

(一)原油参数

(1)原油流量WF :216337.5kg /h =60kg /s ;

(2)原油入炉温度:280 ℃ ;

(3)原油出炉温度:360 ℃ ;

(4)原油比重:0.842(20 ℃) ;

(5)原油的特性因数:11.8 ;

(6)原油汽化率:30 % ;

(7)原油在280℃下的液相热焓Ii :736.88 kJ / kg ;

(8)原油在360℃下的液相热焓IL :983.90 kJ / kg ;

(9)原油在360℃下的气相热焓IV :1096.94 kJ / kg 。

(二)过热蒸汽参数

(1)炉进口温度:142℃ ;

(2)炉出口温度:420℃ ;

(3)炉进口压力:0.25MPa ;

(4)炉出口压力:0.25MPa ;

(5)进炉流量为原油处理量的 10%;s W :6 s kg /;

(6)蒸汽在142℃,0.25Mpa 条件下的热焓IS1:767.58 kJ / kg ;

(7)蒸汽在420℃,0.25Mpa 条件下的热焓IS2:1465.38 kJ / kg 。

将以上数据代入公式(1)中得单台管式加热炉热负荷:

Q = 60×[0.3×1096.94+(1-0.3)×983.90-736.88]

+ 6×(1465.38-767.58)+0 kJ / s

= 16855.92+4186.8

= 21042.72 kJ / s

根据文献[2]的相关规定采用:设计热负荷=1.15计算热负荷;

加热炉的设计热负荷:Q= 1.15Q=1.15×21042.72 = 24199.13kJ/s ;

加热炉热负荷裕量:0

Q= 0.15Q=0.15×21042.72 = 3156.41kJ/s 。

2.1.2 炉型选择

根据设计热负荷,选定设计的加热炉具体型式为:辐射—对流型圆筒加热炉,采用现场组装[1-5,10,11]。

图1.管式加热炉位置示意图

2.2 燃烧过程计算

在一定的温度下,燃料中所含的可燃性成分与空气中的氧接触,发生伴随放光和热量的强烈氧化作用过程成为燃烧。燃烧后生成的混合气体称为燃烧产

物(即烟气)[5,12]。

燃烧必备的三个条件是:可燃性物质、空气(氧)及温度。在可燃性物质存

在、保持一定温度的条件下,如果供给足够的空气, 燃烧过程会很顺利的进行。

否则,将导致燃烧不良,甚至不能燃烧[5,12]。

2.2.1计算燃料的热值

燃料的热值是指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧时所能释放的最大热

量。燃料的热值随着其组成成分的不同而有所差异。一般分为高位热值和低位热

值两种。高位发热值是指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧后,其产物冷却到

燃烧前的状态时其中水蒸气以液态形式存在时所放出的全部热量;低位发热值是

指单位质量或单位体积的燃料完全燃烧后,其产物冷却到燃烧前的状态时其中水

蒸气以气态形式存在时所放出的全部热量[12]。

燃烧气的高、低位发热值按公式(2)、(3)计算,

y q Q i h h ?= (2)

y q Q i l l ?= (3)

被加热介质的组成:

C —87.57% H —12.26% S —0.17%;

式中:

h Q — 燃料气的高位发热值,kJ/ Nm3 ;

i Q — 燃料气的低位发热值, kJ/ Nm3 ;

h q — 燃料气各组分的高位发热值, kJ/ Nm3 ;

q—燃料气各组分的高位发热值,kJ/ Nm3;

i

y—燃料气各组分的体积百分率,% 。

i

炼厂瓦斯的高位发热值为:Q h =13347kcal/Nm3=55881.22kJ/Nm3 ;

炼厂瓦斯的低位发热量为:Q l =12251kcal/Nm3 =51292.49kJ/Nm3。

2.2.2 计算理论空气量

理论空气量是指按照化学当量比进行燃烧时,单位质量或单位体积的燃料所需的空气量[5,12]。

燃料气的理论空气量可按公式(4)计算,

式中:

L o —燃料气的理论空气量,kg(空气)/Nm3(燃料气) ;

H2、CO、C m H n、H2S、O2—燃料气中H2、CO、C m H n、H2S、O2的体积百分率;

m —碳氢化合物中碳原子数;

n —碳氢化合物中氢原子数。

经计算,燃料气的理论空气量L0 =17.05kg(空气)/Nm3(燃料气) 。

2.2.3 选取过剩空气系数及加热炉排烟温度

A 选取过剩空气系数

燃烧在理论空气量下完全燃烧,在工业加热炉中是不可能完成的,而是在一定过剩空气量的条件下才能达到完全燃烧。过剩空气系数是指实际进入炉膛的空气量与理论空气量的比值[1-5,12,13]。过剩空气系数的大小直接影响燃烧的品质:过剩空气系数小于1.05时,会引起燃烧不完全、热分布恶化、造成回火、炉管腐蚀;过剩空气系数太大时,过剩的空气将带走大量的热,不仅增加排烟热损失、降低炉子的热效率,还会加速炉内部件的氧化、增加对流室的热量、加剧烟气低温露点腐蚀等[1-5]。因此合理地选择过剩空气系数对于提高加热炉热效率,达到节能减排至关重要。

目前圆筒炉和立式炉辐射段的过剩空气系数约为1.20~1.30,对流段的过剩空气系数约为1.30~1.50;计算自然通风操作管式加热炉的热效率时,过剩空气剩余系数应采取如下数值:自然通风燃气时,取1.20;自然通风燃油时,取,1.25[1-5,12,13];当用燃料气作为燃料时,气体燃料的热效率最高时:辐射段的过剩空气系数为1.1,对流段的过剩空气系数1.2[18];加热炉在实际运行过程中,不可能时刻在设计工况下工作,得将裕量考虑进去。综上,辐射段的过剩空气系数取1.20;对流段过剩空气系数取1.40。

B 选取加热炉排烟温度

当对流段采用光管时,排烟温度t s=t l+(80~120)℃;当对流段采取翼片管或钉头管时,排烟温度t s=t l+(45~80)℃;采用余热回收并使用翼片管时,排烟温度t s=饱和蒸汽温度+(25~45)℃[1-5]。

选定对流段的排烟温度t s1=380℃;过热蒸汽段的排烟温度t s2=280℃。

2.2.4 计算加热炉热设计效率

管式加热炉的热效率表示管式炉体系中参与热交换过程、为达到规定的加热

目的,供给能量利用在数量上的有效程度,即有效热量对供给能量的百分数[]。可

以采用正平衡和反平衡两种方法计算管式加热炉的热效率。由于反平衡能够直观

的反映加热炉的各项热损失数值、造成热损失的原因,给提出降低热损失措施提

供依据,故采用反平衡法计算管式加热炉的热效率[1-5,14-18]。

应用反平衡方法计算管式加热炉的热效率,

321100

-q -q -q η= (5) 式中:

η — 加热炉的设计效率,% ;

q 1 — 烟气离开加热炉时带走的热量损失,% ;

q 2 — 加热炉表面散热损失,% ;

q 3 — 机械和化学不完全燃烧损失,%

根据选取的过量空气系数及排烟温度,通过查文献[2,图2-2],得q 1 = 114%;

加热炉表面散热损失(无空气预热系统)的规定,取q 2= 22.0% [10,11] ; 加

热炉的不完全燃烧损失为1.5%;

综上,加热炉热设计效率 η = 100-14-2.0-1.5=82.5% 。

2.2.5 燃料气用量

燃料气用量可用公式(6)计算:

(6)

式中:

B — 燃料气用量,Nm3/s ;

Q — 加热炉设计热负荷,kJ /s ;

Q 1— 燃料气的低位发热值,kJ /Nm3;

η —加热炉的设计热效率,%。

代入数据得:

2.2.6 计算烟气流量

加热炉烟气流量可用公式(7)计算:

(7) 式中:

g W — 烟气流量,s kg / ;

S W — 雾化蒸汽用量,kg (蒸汽)/kg (燃料油) ;

α — 过剩空气系数;

0L — 燃料气的理论空气量,kg (空气)/3Nm (燃料气) ;

B — 燃料气用量,/s Nm 3 。

代入数据,得:

s kg ... W g /52.18600)61051741(=?++?=

2.3 辐射室热力计算

s 3m 6001324199/Ν..Β==

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