石油化工管式炉的基础知识.doc

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1、石油化工管式炉的基础知识管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业使用的。工业中使用的工艺加热炉，它具有其他工业炉所没有的若干特点。1.工作原理 石油化工管式炉是直接见火的加热设备，燃料在管式炉的辐射室内燃烧，释放出的热量主要通过辐射传热和对流传热传递给炉管，再经过传导传热和对流传热传热传递给管内的被加热介质，这就是管式炉的工作原理。2.管式加热炉的特征是：(1) 被加热物质的管内流动，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

2、间断操作。3.管式加热炉的分类3.1 按功能分类；加热型管式炉和加热-反应型管式炉3.2 按炉型分类：圆筒炉、立式炉和大型箱式炉3.3 按工艺用途分类；加热炉和反应炉反应炉：炉管类被加热的物料在压力和催化剂作用下进行反应。4.管式加热炉结构管式加热炉的一般结构：一般由辐射室、对流式、余热回流系统、燃烧器以及通风系统五部分组成。4.1 辐射室辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这个部分直接受到火焰冲刷，温度最高，必须充分考虑说用材料的强度、耐热性能等。这个部分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，它是全炉最重要的部位。烃蒸汽转化炉、乙烯裂解炉等，其反应和裂解过

3、程全部都用辐射室来完成。可以说，一个炉子是优是劣主要看它的辐射室性能如何。4.2 对流室 对流室是靠由辐射室出来的烟气进行对流换热的部分，但实际上它也是有一部分辐射热交换，而且有时辐射换热还占有破大的比例。所谓对流室不过是指“对流传热起支配作用”的部位。 对流室内密布多排炉管，烟气比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同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。为了尽量提高传热效果，多

4、数炉子在对流室采用了钉头管个翅片管。4.3 余热回收系统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。回收的方法分两类。一类是靠预热燃烧用空气来回收热量，这些热量再次返回炉中。另一类是采用同炉子完全无关的其他流体回收热量。前者称为“空气预热方式”，后者因为常常使用水回收，被称为“废热锅炉”方式。空气预热方式又有直接安在对流室上面的固定管式空气预热器和单独放在地上的回转式空气预热器等种类。固定管式空气预热器由于低温腐蚀和积灰，不能指望长期保持太高的热效率，它的优点是同炉体结合成一体，设计和制造比较简单，适合热回收量不大时选用。废热锅炉一般多采用强制循环方式，尽量放到对流室顶部。目前，炉

5、子的余热回收系统以采用空气预热方式为多，通常只有高温管式炉（如烃蒸汽转化炉、乙烯裂解炉）和纯辐射炉才使用废热锅炉，因为这些炉子的排烟温度太高。安设余热回收系统以后，整个炉子的总热效率能达到88%90%。4.4 燃烧器燃烧器产生热量，是炉子的重要组成部分。如前所述，管式加热炉只燃烧料气和燃料油，所以不需要烧煤那样复杂的辅助系统，火嘴结构也比较简单。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。4.5 通风系统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

6、然通风方式和强制通风方式两种。前者依靠烟囱本身的抽力，不消耗机械功。后者要使用风机，消耗机械功。5. 管式炉的主要技术指标5、1热负荷每台管式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。 5.2 辐射表面热强度辐射炉管每单位面积（一般按炉管外管外径计算表面积）、每单位时间内所传递的热量qR称为炉管的辐射表面热强度，也称为辐射热通量或热流率，单位为W。qR表示辐射室炉管传热强度的大小。它一般指全辐射室所有炉管的平均值。由于辐射室内各部位受热不一样，不同的炉管以及同一根炉管上的不同位置，实际上局部热强度很不相同。一台炉子的平均辐射热强度究竟取多少为宜，与许多因素有关，例如管内介质的特性、管

7、内介质的流速、炉型、炉管材料、炉管尺寸、炉管的排列方式等等。5.3 对流表面热强度qc含义同辐射热强度一样，单位也是W，但它是对对流室而言。5.4 热效率热效率表示向炉子提供的能量被有效利用的程度，其定义可用下列表示： 热效率=被加热流体吸收的有效热量供给炉子的能量 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。5.5 火墙温度火墙温度是指烟气离开辐射室进入对流室时的温度，它表征炉膛内烟气温度的高低，是炉子操作中重要的控制指标。6. 工艺炉的相关附件介绍6.1 燃烧器：一个完整的燃烧器通常包括燃料喷嘴、配风器和燃烧道三个部分。6.1.1 燃料喷嘴是供给燃料并使燃烧前准备的部件。燃料油

8、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和空气均匀混合后供给燃烧的。6.1.2配风器的作用是使燃烧空气与燃料良好混合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，以避免燃料油受热使因缺氧而裂解，产生黑烟。6.1.3 燃料道也称火道，其作用油三：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

9、一点对炉膛温度较低的管式炉尤为重要。其次使它能约束空气，迫使其与燃料混合而不致散溢。第三是与配风器一起使气流形成理想的流型。6.2 燃烧器的分类6.2.1 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-气联合燃烧器三大类。按供风方式的不同，可分为自然通风燃烧器和强度通风燃烧器，低风压强制通风燃烧器一般也称为鼓风式燃烧器。按燃烧器的能量（发热量），可分为小能量和大能量两种。在管式炉上，一般5.5MW以下的属小能量燃烧器，这是目前管式炉上用得最普遍的。5.5MW以上的属于大能量燃烧器，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（可用容积热强度来衡量）可分为普遍燃

10、烧器和高强燃烧器。6.3 无焰燃烧器管式炉用的无焰燃烧器一般都由引射式气体燃料喷嘴和燃烧道或辐射墙组成。它具有一个引射器，燃料气从喷孔高速喷出，将空气吸入，在引射器的混合段两者充分混合并经扩张段升高静压后通过火孔进入燃烧道或在炉膛内附墙燃烧。原来国内大都使用版式无焰燃烧器，在这种燃烧器中，燃料气和空气的混合物在100个或更多的小燃烧道内燃烧，它的引射式燃料气喷嘴是全预混式的。版式无焰燃烧器有许多缺点，例如热烟气从火孔向前喷出后易冲刷炉管；引射能力不足时易产生不完全燃烧；火孔易堵塞而造成频繁回火；结构复杂，安装困难等。由于它有这样多的缺点，所以当辐射墙式无焰燃烧器引进我国后，很快就取代了它的地位

11、。目前我国的侧烧制氢炉、合成氨一段炉和裂解炉上，几乎都是用的辐射墙式无焰燃烧器。6.4 顶烧炉用半预混式气体燃烧器半预混式燃烧器用于顶烧制氢炉和一段炉。它以天然气或炼厂气为燃料，燃料气从许多小孔高速喷出，引射一次空气形成预混气体。预混气体的主流从头部的渐缩管中流出与二次空气混合进入燃烧道和炉膛。渐缩管上有8个12毫米均匀分布的小孔一部分预混气体通过这些小孔进入渐缩管周围的环形空间，以较低的速度流出，形成稳定的点火环，对主气流连续强迫点燃，以得到稳定的燃烧。6.5 氧化锆测氧仪氧化锆测氧仪是测量炉内氧含量的仪表元件。氧化锆测氧仪是将氧化锆探头直接插入烟气中，而不用将烟气引出炉外。探头是一个氧化锆

12、小磁管，管内、外壁的某相对应处涂上并烧结一层多孔的铂电极，管内通以标准气（空气）。这样管外气体（烟气）和管内标准气体之间氧浓度差构成一个氧浓度差电池，使铂电极输出电讯号而测出烟气中的氧含量。由于氧化锆氧浓度差电池的内阻随温度的降低而升高，因此氧化锆探头的工作温度一般在600以上。实际使用中常用恒温法或温度补偿法来避免烟气温度被动的干扰。另外，其变送器需采用集成线性放大器组成，否则测量精度难以保证。6.6 阻火器6.6.1 燃料气管网的防火防爆是应该特别注意的问题，如果燃料气管线发生泄露，则在有热源的情况下就会引起着火，并可能蔓延至整个管网，随之而来的是压力突然上升，引起爆炸。在燃料气管网上设置

13、阻火器，就可以阻止火焰蔓延，防止不幸事故的发生。6.2.2 阻火器按作用原理：可分为干式阻火器和安全水封式两种，管式炉燃料气管线上一般采用多层铜丝网的干式阻火器。阻火器应设置在尽可能靠近燃烧器的地方。这样，阻火层就不致于处在严重爆炸的条件下，使用寿命可以延长。必要时，在管线的另一端于干线相接的地方，也应安装第二个阻火器。6.7 耐火陶瓷纤维结构炉墙结构： 炉墙（也称炉衬）的作用是耐火和隔热。现代管式炉常用的炉衬有三种结构：耐火砖结构、衬里（浇注料）结构和耐火陶瓷纤维结构。6.7.1 耐火陶瓷结构在国内是二十世纪七十年代研制和发展起来的。它有质地轻，可减轻钢结构荷载，导热系数小，可使炉衬薄而保温

14、效果好，结构简单，施工方便等优点。但它也有不耐火烟气冲刷和炉壳钢板易产生低温腐蚀等缺点。因此，耐火纤维结构到目前为止只用在辐射室立墙和炉顶，对流室、烟道和烟囱等烟气流速较高和设置有吹灰器的部位仍不敢使用。 6.7.2 耐火陶瓷纤维炉衬有平铺小块毡、连续毡、折叠块（模块），喷涂纤维可塑料等结构形式。平铺结构由于缝隙多，炉壳钢板易于产生低温腐蚀，施工麻烦等缺点，目前已很少采用。其他几种结构近十年来技术已完善，越来越得推广。喷涂和可塑料结构与浇注料成形的衬里结构类同，炉衬整体性强，施工也方便，特别适用于大面积平面墙和形状复杂的部位，近年来在大型箱式炉，特别式四合一重整炉和制氢转化炉上得到了推广。这两

15、种结构一般在高温部位都采用双层，向火面采用高铝纤维甚至含锆纤维；背衬采用普铝纤维甚至岩棉。采用双层结构可降低炉墙成本。在低温部位通常采用普铝纤维单层结构。这两种结构与衬里结构相同，也靠锚固钉固定在炉壁钢板上，结构简图也与衬里类似。6.7.3 耐火陶瓷纤维模块常用体积密度96m3或128m3的针刺毡折叠压缩困扎而成。锚固件预埋在模块中，并在安装时固定在炉壁钢板上。锚固件材料至少应时18-8类不锈钢。耐火陶瓷纤维模块通常按立砌排列施工。耐火陶瓷纤维模块结构在国外已广泛使用，以前由于国内模块压缩比不够，纤维弹性又差，所以使用效果不好。近年来随着技术的不断完善，已开始推广使用。6、8 热管1）由若干根

16、热管（这里也暂时包括无机传热元件）组装起来，就成了热管换热器。根据使用条件的不同，可分为液液、液气和气气式换热器。石油化工管式炉上广泛使用的热管式空气预热器属于气气式换热器。热管在烟气侧吸热，工质蒸发，到空气侧放热，工质冷凝。2） 热管式空气预热器结构热管式空气预热器的结构主要包括热管束、隔板和外壳三大部分。三者组成了烟气和空气的管道。隔板将热管的蒸发段和冷凝段隔开，同时也将延期通道和空气通道隔开。由于烟气侧是负压（微真空），空气侧是正压（微正压），素以隔板与热管之间的密封必须十分严密，否则空气会大量漏入烟气，使空气热效率大大降低。热管束是传递热量的核心，热管内部的蒸发和冷凝给热系数都很大，而

17、外部由于是气气式换热器，无论是烟气侧，还是空气侧，其给热系数都很小，为了强化管外传热，一般都采用翅片管。7、提高热效率与节约燃料的关系管式炉的燃料消耗在炼油装置能耗中占有相当大的比例：少则20%30%，多则80%90%。因此，提高管式炉的热效率，减少燃料消耗，对降低装置能耗具有十分重要的意义7、1结合装置特点综合节能1）优化换热，降低管式炉热负荷2）集中联合回收余热7、2 降低排烟温度以减少排烟热损失7、2、1 降低排烟温度的措施降低排烟温度的主要措施有以下几种：（1）减少末端温差，即减小排烟温度与被加热价值入对流室温度之差（2）将需要加热的低温介质如锅炉给水等引入对流室末端（3）采用各种空气

18、预热器以预热空气（4）采用烟气余热锅炉以发生蒸汽（5）除灰除垢，以保证管式炉长期在高热效率下运转7、3 降低过剩空气系数以减少排烟热损失7、4 减少不完全燃烧损失8、加热炉的温度监控8、1炉膛温度炉膛温度一般指烟气离开辐射室的温度，代表了炉膛内烟气的温度，是操作加热炉的以个很重要的工艺指标。在炉膛内，燃料燃烧产生的热量是通过辐射传热和对流传热两种方式传给炉管的，传热量的大小与炉膛温度和管壁温度有关。炉膛温度很高，辐射室传热量就大，但炉管容易结焦，甚至烧坏炉管、炉衬和管架。所以炉膛温度是保证加热炉长周期安全运行。8、2 对流段温度对流段温度测量，是为了监控加热炉效率及把操作温度限制在炉管及支撑管

19、板的材质所允许的范围以内。烟气离开对流段温度通常在300450以下，尽管对流段的温度没有辐射段高，但许多炼油厂仍在对流段采用与辐射段相同材质的热电偶。8、3 排烟温度排烟的温度测量能对加热炉的总效能进行评价，同时也可根据它把温度保持在烟囱材质允许的范围之内。排烟温度高，烟气带走的热量就多，热效率就低。排烟温度又不能过低，因为排烟温度受入炉油品温度的限制，排烟温度应当和入炉油品温度有一定温差（100150），若温差太小，对流室传热效果就不好。从材质要求来讲，温度偏高，可能导致使用年限降低，甚至可能直接导致炉管破裂；温度如果在露点以下，由于烟囱里有二氧化硫与三氧化硫等酸性气体，则会引起严重腐蚀。测

20、量排烟温度的热电偶应带有保护套管，一般应按在烟道尾部或在接近与烟囱连接的位置，距炉体烟气出口12m的烟道上；设有余热回收装置的加热炉可布置在余热回收装置烟气出口0.5m左右处。最好与烟道气的取样点布置在同一烟道截面上，这样烟气取样和测温可同步进行。多烟囱式的加热炉在每个烟囱内都应有温度测量点。同理，如果一个公共的烟囱用于几个加热炉，每个加热炉的烟道尾部都应有温度测量点。8、4 炉管表面温度加热炉炉管表卖弄热强度可以从炉管温度反应出来，同时应把操作温度限制在炉管材料限制范围（例如抗蠕变或抗腐蚀性能）内操作，因此采用表面热电偶测量炉管表面温度是必不可少的。表面热电偶等同于给热电偶安装一个管形的、矿

21、物质绝缘的护套，且其挠度足以适应加热炉炉管的膨胀。保护套材料必须能耐腐蚀和抗脆裂。一般采用GH3030型护套材料。8、 5 燃料压力在燃料总管设置压力开关或压力变送器 ，对燃料系统压力过低进行连锁，防止燃料压力低回火；同时防止燃料气压力过高，引起喷嘴脱火或灭火。此方案缺点为不能正正确反应燃烧器入口压力。9、加热炉附属设备的控制9、1 气动自控快开风门以电信号为控制手段，以压缩空气为动力，配置在强制通风燃烧器前的热风道上，直形风道上全方位安装，在环形风道上宜为顶面与底面（指开孔位置）安装。9、 2 烟囱挡板设置在加热炉的直立烟囱上，用于控制烟囱抽力，保持炉膛压通常为23mmH20.烟囱挡板不宜用于截断烟气。一般分为电动、气动控制两种。如采用气动控制，则应选用气动付线指示仪加长行程执行机构及挡板的型式，它可把控制信号转变为转角输出，从而控制挡板开度。9、3风机调节门 为了维持加热炉适合的过剩空气系数，就要根据延期氧含量，调节风机 流量的大小。风机流量可用风机调节门调节，它轴向安装在进风口前面，有时还可以直接控制风机转速，调节风量。