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1、管式加热炉 一、加热炉热负荷及热平衡计算 二、炉内燃烧过程计算 三、炉内辐射换热计算 四、炉内对流传热计算 五、阻力降计算 六、氮氧化物的生成和控制 一、加热炉热负荷及热平衡计算 热负荷计算、热平衡计算、热效率计算 （一）热负荷计算 热负荷：加热炉单位时间炉管内介质吸收的热量称为有效热负荷，简称 热负荷，单位为千卡/时或kw/h。 总热负荷：原料和水蒸汽通过加热炉所吸收的热量以及其他热负荷如注 水汽化热等称为总热负荷。 加热炉的总热负荷可以根据各介质进出炉的热焓及汽化率来计算： 式中Q 加热炉总热负荷，千卡时； WF油料流量，公斤时； Ws过热蒸汽量，公斤时； e 原料气化率，； IL加热炉炉
2、出口温度下油料液相热焓，千卡公斤； IV加热炉炉出口温度下油料气相热焓，千卡公斤； Ii加热炉炉进口温度下油料液相热焓，千卡公斤； Is1过热蒸汽进口时热焓，千卡公斤； Is2过热蒸汽出口时热焓，千卡公斤； Q其他热负荷，如注水汽化热等，千卡时。 加热炉的设计热负荷通常取计算热负荷的1.151.2倍。 热负荷的影响因素： (1)原料油的性质、流量、进出口温差、生产要求的汽化率(如果原料油 在炉管内有化学反应还应包括所需的反应热)； (2)水蒸汽流量、进出口温差和进炉前蒸汽含水量。 原料油处理量越大，流量越大，进出口温差越大，炉子热负荷越大。 汽化率是液体原料油加热汽化的百分数，由生产工艺确定。
3、汽化率越高，炉 子热负荷越大。 水蒸汽流量越高，进出口温差越大，炉子热负荷越大。 蒸汽内含水量越多，过热蒸汽在炉内吸收较多的热量，炉子热负荷越大。 装置炉型 流量 吨/时 热负荷 万千卡/时 总计辐射室对流室 延迟 焦化 方箱炉24401.4276125.4 蒸馏 双斜 顶炉 22518961405491 催化 裂化 立式炉77.6926- 铂重整立式炉119.511142842300 铂重整圆筒炉12.82133- 延迟 焦化 无焰炉611240678562 表81 某些管式炉热负荷示例 （二）热平衡计算 1 热平衡通式 对于连续生产的管式炉，根据能量守恒定律，输入能量应等于输出能量，即有下
4、 列关系式： 式中： Qgg供给能量，Qyx有效能量，Qss损失能量，kcalh 2 热平衡体系的划分 为进行热平衡计算而划分的范围，叫做热平衡体系。体系划分的范围不同，热平衡计算所 包括的项目也不同，计算所得的热效率也不相同。体系范围的划定取决于评价对象、测试目的和 要求。划分体系范围时，应该考虑整个体系的收入和支出项目尽可能的少，同时所有项目的测量 是简单可行的。根据这些原则，常见的管式炉及其余热回收系统的体系划分如图8.18.3所示。 图8.1 仅加热工艺介质 图8.2 烟气预热燃烧空气 图8.3 闭路循环热载体预热燃烧空气 式中：B燃料用量；QD燃料低热值和显热及雾化蒸汽显热之和，kc
5、al/kg燃料；Qk空气带入体系 的显热，lcal/kg燃料；Q2-Q1 有效热量，即热负荷kcal/h；q1-3排烟损失与燃料低热值之比；q4散热量 与供给热量之比；Qz排烟中蒸汽带走的热量，kcal/kg燃料。 3 热平衡的基准温度 在进行热平衡计算时，涉及到计算的起始温度，即基准温度。 世界各国采用的热平衡基准温度不尽相同，如0、15.6(60F)、 20、25、大气温度等。其中采用15.6的较多。我国国家标准热 设备能量平衡通则(GB 258781)规定：“原则上以环境温度(如外界 空气温度)为基准。若采用其它温度基准时应予以说明。” 对于同一体系，在其他条件和参数完全相同的情况下，基
6、准温度不 同，计算出的热效率值就不相同，按此求得的燃料用量当然也不同。 所以对基准温度有必要作出统一的规定。 以环境温度作为基准温度较符合实际，适用于对运转中的管式炉 进行实际考核。但是，环境温度是一个变量，用于设计炉子或对全国 各地同类炉子进行热效率比较时，又会产生困难。在这种情况下还是 以某一固定的温度(如15.6或0)为基准温度较为方便。 （三）热效率 1、热效率：热效率表示管式炉体系中参与热交换过程的热能的利用程度。它的 供给能量中一般只包括燃料低热值和燃料、空气及雾化蒸汽带入的显热。损失能量 包括排烟带走的热量和散失的热量。它便于计算燃料耗量，是衡量管式炉燃料利用 情况的一项重要指标
7、。从这个意义上说，它也可以叫做“燃料效率”，用 表示。 2、综合热效率：国家标准GB2588-81中定义的热效率，在供给能量中还包括了外 界供给体系的电和功（如鼓风机、引风机和吹灰器电耗，吹灰器蒸汽消耗等）。这 些电和功一般不转化为有效能，几乎全部变为由于摩擦引起的能量损失。因此在供 给能量中加上表示电和功的项 N，在损失能量中也增加一项数值与 N 相等的损失能 量，以 N 表示。这样定义的热效率，称为综合热效率，是一项综合性的技术经济 指标，用 表示。 3、热效率计算式：管式炉的热效率是其供给能量的有效利用程度在数量上的表 示。即有效能量对供给能量的百分数：、 （正平衡） （8.4） （反平
8、衡） （8.5） 二、炉内燃烧过程计算 （一）燃料的热值 燃料的热值与燃料的组成有关，热值分高热值与低热值两种。 高热值是燃料完全燃烧后生成的水已冷凝为液体水的状态时计算出来的热值。 低热值是燃料完全燃烧后生成的水为蒸汽状态时的热值。在计算中常常只用到低 热值（露点问题）。 1、液体燃料的高、低热值由下列公式计算： Qh81C十300H十26(SO) (8.6) Ql81C十246H十26(SO)6W (8.7) 式中Qh、Ql-液体燃料的高、低热值，千卡公斤(燃料)； C、H、O、S、W在燃料中的碳、氢、氧、硫和水分重量百分率，常用1 号原油燃料油中含C 88 ，H 12 ， S、O、W微量
9、。 9号原油燃料油中含C 88.3 ，H10.5 ，S1.2 ，O、W微量。 2、气体燃料的高、低热值由下式计算： Qhqhiyi (8.8) Qlqliyi (8.9) 式中Qh、Ql气体燃料的高、低热值，千卡标米3(燃料气)； qhi、qli气体燃料中各组分的高、低热值，千卡标米3； yi气体燃料内各组分的体积百分率，qhi和qli的值由表8-3查得。 表83：气体组分的高低热值 气体组 分 重量热值 千卡/公斤体积热值 千卡/标米3 高热值qhi低热值qli高热值qhi低热值qli 甲烷133001195495008529 乙烷12300113501640015186 丙烷1200011
10、0702300021742 异丁烷-109042830026100 正丁烷11800109323000028281 异戊烷1170010183-32200 正戊烷1160010840-34818 正己烷1150010780-42100 正庚烷-107374720043700 正辛烷-107055400050000 乙烯1210011272-14204 丙烯1180010942-20638 异丁烯118110835-27400 乙炔1200011600-13483 苯101009698-34870 氢3450029450-2650 一氧化 碳 -2420-3018 硫化氢39503650-371
11、0 乙醚8900- 注：为1号原油减压渣油数据。 为9号原油减压渣油数据。 表8-3：气体组分的高低热值 表84 常用燃料油的高低热值 燃料油比重低热值 千卡/公斤高热值 千卡/公斤 0.92481002510680 0.9600972010300 1.0000961010170 注：为1号原油减压渣油数据。 为9号原油减压渣油数据。 （二）理论空气量 燃料完全燃烧时所需的空气量为理论空气量。 液体燃料所需理论空气量可用下式计算： (8.10) (8.11) 式中 Lo燃料的理论空气量(重量)，公斤空气公斤燃料； Vo燃料的理论空气量(体积)，标米3空气公斤燃料。 气体燃料所需理论空气量可用下
12、式计算： (8.12) 式中 气体燃料的重度，公斤标米3。气体组成均为体积百分率。 对于不知道化学组成的液体或气体燃料可由图8.4、图8.5查得所需理论空气 量。 图8.4 燃料油的低发热值与燃烧烟气量的关系 图8.5 燃烧气的低发热值与燃烧烟气量的关系 （三）过剩空气系数 实际进入炉膛的空气量与理论空气量之比叫做 过剩空气系数。 在合理控制炉子燃烧的条件下，烧油时过剩空 气系数应为1.2，烧气时应为1.1。过剩空气系数太小 会使热分布恶化，小于1.05时将腐蚀炉管。过剩空 气系数太大会降低火焰温度，减少三原子气体浓度 ，降低辐射热的吸收率，使炉效率降低。过剩空气 系数每降低10可使炉子热效率
13、提高11.5。 由于过剩空气系数对炉效率影响很大，故在操 作中应注意控制炉子的燃烧条件，使过剩空气系数 的数值不超过允许范围。 在进行加热炉核算时，如已知烟气分析结果， 可根据下列公式计算实际过剩空气系数： （8.13） 式中: 过剩空气系数； O2、N2烟气 中氧、氮的体积百分率，。 若只知道烟气中氧含量时可用图8.6查出 值。 图8.6 烟气中氧含量与过剩 空气系数的关系 （四）炉效率 加热炉的热效率取决于加热炉的排气温度，合理的控制排气温度可以得到理想的热效率。在计 算时，当对流段采用光管时，离开对流段的烟气温度ts可假定较对流段油料入口温度 高80-120 ；对流段采用翼片管或钉头管时
14、，可假定ts 1 十(45-80)；采用废热回收并使用翼片管时，可 假定ts饱和蒸汽温度十(25-45)。对于某些大负荷的加热炉或进料温度较高的加热炉，对流段 排出热量较大时应考虑废热回收以提高炉子的热效率。目前带有预热或余热回收系统的加热炉，热 效率常在85-90%。 根据文献介绍，按加热炉热负荷确定热效率的大致数字如下： 热负荷，千卡时 热效率， 25106以上 8090 7.6106-25106以上 7585 0.76106-7.6106以上 7080 0.76106以下 5570 热效率由下式计算： （8.14） 式中:热效率，； 辐射段加对流段总热损失，； 烟气出对流段带走的热量，
15、。根据过剩空气系数 和烟气出对流段温度ts，由图8.7可查得烟气带走的热量。 通常老式方箱炉辐射段热损失约36，对流段热损失约12。立式炉和圆筒炉辐射段热损 失约13，对流段热损失约12。 图8.7烟气带走热量百分率图 图8.7烟气带走热量百分率图 （五）燃料用量 （8.15） 式中 B燃料用量，公斤时；Q加热炉总热负荷； Q1燃料低热值。 （六）烟气流量 由下式求得： （8.16） 式中Wg烟气流量，公斤时； Ws雾化蒸汽流量，% 。 当烧油时 Ws0.5(或按喷嘴要求决定)。 当烧气时 Ws0 三、管式加热炉内辐射换热计算 （一）辐射传热的基本概念 物质受热引起其内部原子结构中电子的振动或激发后，会对外发射出辐射能，这种能量以 电磁波的形式发射并传播，当辐射到另一物体被吸收时转变为热
