加热炉基础知识

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2.3 热效率
• 热效率的计算
– 计算热效率的简单公式： η＝1－q1－q2－q3－q4 – 式中q1、q2、q3、q4分别为排烟损失、化学不 完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失和散 热损失。
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排烟热损失q1 化学不完全燃烧损失q2
机械不完全燃烧损失q3
散热损失q4
炉 体
介质吸收的有用 热量（热负荷）
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.2炉膛温度
– 炉膛温度指烟气离开辐射室进入对流室时的温 度。加热炉的炉膛温度不能太高，一般控制在 850℃以下，但不是绝对的。炉膛温度高有利 于辐射传热，但太高后会使炉管热强度高，容 易使炉管结焦和烧坏。此外，进人对流室的烟 气温度也会过高，对流管易烧坏。因此，炉膛 温度是确保加热炉长周期安全运转的一个重要 指标。
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.6热效率
– 热效率表示向炉子提供的能量被有效利用的程 度，其定义可用下式表示：
η ＝ 被加热流体吸收的有效 供给炉子的能量 热量
– 有效吸热量即炉子的热负荷，热效率是衡量燃 料消耗、评价炉子设计和操作水平的重要指标。
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2 加热炉有关参数介绍及计算
• 2.1 燃料的热工性质 • 包括燃料的发热量、空气量、烟气量、烟气组 成、烟气分子量和密度、烟气热焓和比热、理 论燃烧温度等。
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2.1 燃料的热工性质
• 2.1.2理论空气量的计算
– 燃料气的理论空气量：
L0 = ∑YiL0i
L0i ：单一气体的理论空气量，kg空气/kg燃料
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2.2 过剩空气系数
• 燃料在燃烧时需要氧气，在空气中氧气体积约占21 %， 氮气约占79 %，所以燃料在燃烧时需要供给空气。1kg 燃 料油在燃烧时所需理论空气量（α＝1）约为14.2kg （11Nm3）。在实际的加热炉中，由于从燃烧器进入的空 气不可能全部都参与燃烧，另外，也由于从炉子其他不密 封处漏入了空气，所以实际进入炉内的空气量总是比理论 空气量多，前者与后者之比叫做过剩空气系数，即：
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1.2 加热炉的一般结构
• 工艺加热炉一般由辐射室、对流室、燃烧器、余 热回收系统以及通风系统五部分组成。 • 辐射室也称为炉膛，包括风道，炉管和炉管支撑， 耐火衬里等，传热方式主要是热辐射，全炉热负 荷的70%~80%是由辐射室担负的，是全炉最重要 的部分。由于火焰温度很高（可达15001800℃），故不能直接冲刷炉管。火焰离炉管远， 辐射传热量小，所以应尽量减小炉膛体积，节省 投资。
• 过剩空气系数大小的影响
– 在保证燃料完全燃烧的前提下，尽量降低过剩 空气系数。 – 过剩空气系数过小：产生化学不完全燃烧，烟 气中有CO、H2、CH4。机械不完全燃烧，排烟 中有炭黑粒子，污染受热面，污染环境。
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α
29 O 2 [ CO 2 / 44 ( H 2 O W ) / 18 SO 2 / 64 N 2 / 28 ] ( 21 O 2 ) L 0
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1.4 加热炉的主要技术指标
– ①尽量采用双面受辐射的炉管。②在圆筒炉内， 为减小沿炉管长度的受热不均匀性，要选择合 适的辐射室高径比，同时要选择合适的燃烧器， 使燃烧器的火焰长度与炉管长度不能相差太大， 例如辐射管长为15m ，选用火焰长度为12 13m 的燃烧器，这样炉管上下受热趋向均匀。 ③在立式炉内，有的在炉子侧面采用多喷嘴； 有的在两排喷嘴间加花墙；也有在炉子上部加 喷嘴，以上措施都是为了改善炉管受热均匀。
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1.2 加热炉的一般结构
• 余热回收系统是从离开对流室的烟气中进一步回 收余热的部分。回收方法分为两类，一类采用空 气预热方式回收热量；另一类是采用余热锅炉回 收热量。 • 通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧器，并 将废烟气引出炉子，它分为自然通风方式和强制 通风方式两种。 • 其它的附件设备包括炉壳体、钢结构支撑、耐火 衬里、管板箱、火嘴风门、烟囱、挡板、空气预 热器、鼓风机或引风机、仪表测量、燃料和物料 的管线和阀门，吹扫蒸汽接口等。
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1.3 加热炉的种类
• 加热炉按外形大致分为：箱式炉、立式炉、圆筒 炉、大型方炉。这种划分法是按辐射室的外观形 状，而与对流室无关。 • 加热炉按用途分为：炉管内进行化学反应的炉子、
加热液体的炉子、加热气体的炉子和加热 气、液混相流体的炉子。
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.1热负荷
– 加热炉单位时间内向管内介质传递热量的能力 称为热负荷，一般用MW为单位。它表示加热 炉生产能力的大小。 – 加热炉热效率在设计负荷下一般达到最高值， 无论降低还是增加负荷，炉子热效率都会降低。
工艺加热炉基础知识
• 1 加热炉结构和主要技术指标 • 2 加热炉有关参数介绍
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1 加热炉结构和主要指标
• 1.1概述 – 一个设备，具有用耐火材料包围的燃烧室，利用燃料 燃烧产生的热量将物质（固体或流体）加热，这样的 设备叫做“炉子”。工业上有各种各样的炉子，如冶 金炉、热处理炉、窑炉、焚烧炉和蒸汽锅炉等。 – “管式加热炉”是石油炼制、石油化工和化学、化纤 工业中使用的工艺加热炉，管式加热炉的特征是： – 1）被加热物质在管内流动，故仅限于加热气体或液体。 而且，这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质， 同锅炉加热水或蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛 刻得多。 – 2）加热方式为直接受火式。 – 3）只烧液体或气体燃料。 – 4）长周期连续运转，不间断操作。
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.5管内流速及压降
G F＝ W N F0
GF：管内介质的质量流速，kg/（m2· s） W：管内介质流量，kg/s N：管程数，即炉管路数 F0：一根炉管的流通截面积，m2
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.5管内流速及压降
– 油品在炉管内的流速不能太低，否则易使管内 油品结焦而烧坏炉管。因为流速太低时，管内 边界层厚度大，传热慢，管壁温度升高，而且 油品在管内停留时间长。但流速过高又增加了 管内压力降，增加了动力消耗，所以应在合理 的范围内力求提高流速。压力降是判断炉管是 否结焦的一个重要指标。
• 对流室包括遮蔽管，对流管，耐火衬里， 管线支撑和挂钩，主要传热方式是对流。 对流室一般担负全炉热负荷的20%~30%， 对流室吸热量的比例越大，全炉的热效率 越高，为了尽量提高传热效果，对流室多 采用钉头管和翘片管。 • 燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分。 要使火焰不冲刷炉管并实现低氧完全燃烧。
燃料燃烧热
雾 化蒸汽、 燃料 、 空气的物理显热
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2.3 热效率
• 损失热量包括：
– 烟气带走的热量，包括烟气在排烟温度和基准 温度下的热焓差、化学不完全燃烧造成的损失 和机械不完全燃烧造成的损失； – 烟气中雾化蒸汽带走的热量； – 炉墙、烟风道及空气预热器等的散热损失。
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2.3 热效率
• q1可根据过剩空气系数和烟气出对流室的温度由图表查得； • q2化学不完全燃烧损失的热量是由于烟气离开体系时含有 CO、H2、CH4等造成的，其值等于这些可燃气体的发热量 之和。
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2.3 热效率
• 国家标准GB2588-81 《设备热效率计算通 则》中定义的热效率，内容要比上述管式 炉惯用的热效率全面，它规定供给能量中 还应包括外界供给体系的电和功（例如鼓 风机、引风机和吹灰器电耗、吹灰器蒸汽 消耗等）。对于管式炉体系来说，这些电 和功一般不转换成有效能，几乎全部变成 由于摩擦等原因而引起的能量损失。为了 和管式炉惯用的“热效率”区别，命名为 “综合热效率”。
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2.2 过剩空气系数
• 过剩空气系数的确定
α 29 O 2 [ CO 2 / 44 ( H 2 O W ) / 18 SO 2 / 64 N 2 / 28 ] ( 21 O 2 ) L 0 1
• • • • • • • •
α —— 空气系数 O2 ——烟气氧含量，%； CO2—— 二氧化碳生成量，kg/kg燃料； H2O —— 液态水或汽生成量，kg/kg燃料 W —— 雾化蒸汽量，kg/kg燃料； SO2—— 二氧化硫生成量，kg/kg燃料； N2——氮生成量，kg/kg燃料 L0——理论空气量，kg/kg燃料。
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1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.3炉膛体积发热强度
– 燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积，称之为炉 膛体积发热强度，简称为体积热强度，它表示 单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧所发出 的热量，一般用kW/m3为单位。
g v＝ BQ l V
B：燃料用量，kg/s； V：炉膛体积，m3。
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gv：炉膛体积发热强度，kW/m3； Ql：燃料低热值，kJ/kg燃料；
α ＝ 实际空气量 理论空气量 L L0
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2.2 过剩空气系数
• 过剩空气系数大小的影响
– 过剩空气系数是影响炉效率的重要指标。 – 过剩空气系数大，入炉空气多：
• 1）影响传热，相对降低炉膛温度； • 2）排烟量大，热损失增加； • 3）烟气氧含量高，炉管表面氧化腐蚀。
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2.2 过剩空气系数
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2.1 燃料的热工性质
• 2.1.1燃料气的低发热值
– 燃料气包括H2、CO、H2S和C1~C5烃类气体， 还可能含有N2、O2、CO2、SO2等。燃料气可 近似看作理想气体。 – 燃料气低热值： Ql=∑YiQli 式中 Ql：燃料气低热值， kJ/kg燃料气； Yi：单一气体的重量百分率； Qli：单一气体的低热值， kJ/kg；可由数据 表查得。
1.4 加热炉的主要技术指标
• 1.4.3炉膛体积发热强度
– 炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有影响，如果炉 膛体积过小，则燃烧空间不够，火焰容易舔到 炉管和管架上，炉膛温度也高，不利于长周期 安全运行，因此炉膛体积发热强度不允许过大， 一般控制在燃油时小于125 kW/m3，燃气时小 于165 kW/m3。