【doc】过剩空气系数对加热炉的影响

【doc】过剩空气系数对加热炉的影响 过剩空气系数对加热炉的影响 工业炉石油化工设备技 术,2002,23(5)?29?Petro—ChemicalEquipmentTechnology 过剩空气系数对加热炉的影响 蒋国芳 (中国石化工程建设公司,北京100011) 摘要:从理论上分析了过剩空气系数对辐射传热和对流传热的影响,并通过计算实例说明了过剩空气 系数对加热炉实际操作的影响. 关键词:过剩空气系数;辐射传热;对流传热;热效率;加热炉 中图分类号:TE963文献标识码:I3文章编号:1006—8805(2002)05—0029—03 1概述 在工业实践中,燃料在化学平衡中所需空气 量即理论空气量下是不可能完全燃烧的,因此需 要多供应一些空气即过剩空气,以保证燃料的完 全燃烧.实际供给的空气量与理论空气量之比叫 做过剩空气系数.在加热炉的设计和操作中,过 剩空气系数是一个非常重要的参数,石化标准规 定,设计时,对于自然通风的加热炉以烧气为主 时,过剩空气量为20.但是因为加热炉是在负 压下运行,即炉膛和烟道内保持一定的负压,外界 的空气会不断地从加热炉不严密处漏入,实际的 过剩空气系数是很容易超过设计值的. 在实际操作中,过剩空气系数对加热炉的影 响是多方面的,它直接影响加热炉的热效率,过剩 空气系数太小会造成不完全燃烧,增加不完全燃 烧热损失,降低热效率;过剩空气系数太大,多余 的空气在排烟温度下排入大气将带走大量热量, 直接增加排烟热损失而使热效率降低;其次过剩 空气系数的大小直接影响烟气阻力的大小;再者, 烟气含氧量增加会增加炉内构件的氧化,并且,烟 气中过多的氧还会增加SO向SO.转化,加重低 温烟气露点腐蚀.过剩空气系数在这些方面的影 响为人们所熟知,但过剩空气系数对加热炉对流 室和辐射室热负荷比例的影响一般不受重视,本 文将讨论这方面的问题. 通常,对流一辐射型加热炉在辐射室和对流室 加热同一种工艺介质时,也就是工艺介质先通过 对流室从烟气中取热后,再进入辐射室换热,对流 室和辐射室总吸热量为工艺要求的总热负荷.过 剩空气系数增大时,表明进入炉内过剩空气多,烟 气量也随之增多,介质在对流室吸收的热量也多; 由于总供热量是由炉出口温度控制的,加热炉的 总热负荷不变,对流室热负荷增大致使辐射室吸 热量减少,过剩空气系数的加大只改变了辐射室 与对流室的热负荷的比例,使加热炉的热效率降 低,不影响工艺介质的总负荷要求.如果对流室 和辐射室不是加热同一种介质,过剩空气系数的 影响就不这么简单,例如在近几年的重整装置扩 能改造中,为了弥补塔底加热炉热负荷的不足,新 建的重整反应炉的对流室用于加热两台或三台塔 底加热炉的部分介质,即辐射室和对流室加热的 是不同种工艺介质,过剩的空气系数对这种加热 炉的辐射室与对流室介质的影响是完全不同的. 在实际运行中,由于操作不当,使过剩空气系数过 高,对流室介质超温严重,甚至使某些加热炉根本 无法运行.因此设计时合理选用过剩空气系数并 能在实际操作中控制好,对加热炉非常重要.下 面将从理论上并结合设计实例进行论述. 2理论分析 2.1过剩空气系数对辐射传热的影响 Iobo—Evans法认为,辐射室高温火焰及烟气 传给辐射管的热量由两部分组成:一部分是火焰 及烟气以辐射方式传给炉管的;另一部分是烟气 以对流的方式传给炉管的.由于对流传热的比例 很小,因此辐射室主要以辐射传热加以考虑. 收稿日期:2002—04—25 作者简介:蒋国芳(1969一),女,北京人,工程师.1991年毕 业于西北工业大学热能工程专业,获学士学位,现在中国石 化工程建设公司从事炼油厂加热炉的设计工作. 石油化工设备技术 Lobo—Evans法辐射传热公式为: Qe8aAF[()()] 式中:Q——辐射传热吸热量,W aA——当量冷平面,m; F——总交换因素,与烟气的辐射率有关 的一个参数; 丁——辐射室中烟气的平均温度,K; 丁w——辐射管外壁平均温度,K. 对已设计完成的加热炉,aA已成定值,当热 负荷Q固定时,过剩空气系数的大小影响总交 换因素F,从而影响丁和丁w. 在炉辐射室的高温范围内,O和N.等分子 结构对称的双原子气体实际上并无发射与吸收辐 射能的能力,可认为是不参与辐射传热的透明体, 但是CO.,HO等三原子气体则具有相当大的辐 射和吸收能力,燃料燃烧后烟气中含有的CO:和 H.O是主要辐射成分. 烟气的辐射率与烟气中CO和HO的分压 之和成正比关系,烟气中CO和H.O的分压值 与过剩空气系数成反比关系,当过剩空气系数增 大时,烟气中O.和N.的比例提高了,而CO.和 H.O的含量反而下降了,它们的分压之和必然降 低,导致烟气辐射率降低,总交换因素F减小. 当辐射热负荷固定时,只有提高丁才可满足要 求.即过剩空气系数加大使烟气温度升高. 2.2过剩空气系数对对流传热的影响 在加热炉的对流室,除了遮蔽管部分外,介质 与烟气之间主要以对流形式传热,对流段的总传 热系数可表示为: K一{ 式中:.——管内膜传热系数; . —— 管外膜传m.?s); 是——烟气的导热系数,w/(m?C); c——烟气的比热,J/(kg?.C); —— 烟气的粘度,kg/(m?s). 对于已设计完成的加热炉,D,d.,Z是固定 值,随着过剩空气系数的增加,烟气量也随之增 大,意味着对流室的烟气质量流速也随之增大,导 致雷诺准数增加,而烟气本身的物理属性受过剩 空气系数的影响很小,外膜传热系数提高了,对流 部分的吸热量增加.由于对流室加热的是与辐射 室完全不同的介质,吸热量的大小无法影响辐射 室热负荷,只能随着烟气量的增加,吸收更多的热 量,而且,对流各段的介质因烟气温度的高低不 同,受影响的比例也不尽相同.可见,过剩空气系 数一味地加大,对流介质会出现超温现象,无法满 足工艺的要求. 3计算实例分析 以石家庄炼油厂400kt/a逆流移动床重整装 置新建的”三合一”加热炉为例,此炉辐射室是重 整二,三,四反应进料加热炉,即F202,F203, F204,对流室自下而上依次加热蒸发塔底加热炉 Fl03,脱戊烷塔底加热炉F205和预分馏塔底加 热炉F101的部分介质,在满足辐射热负荷的情 况下,对流三种介质的热负荷无法控制. 应用美国PFR公司开发的计算程序FRNC 一 5,将辐射室三炉热负荷固定,在正常操作范围 内,过剩空气系数分别取1.2,1.3,1.4,计算结果 见表1. 从表1中可以看出: a)过剩空气系数由1.2增大为1.4时,CO. 和HzO的含量降低,辐射室各炉的烟气出炉温度 有所升高;为了将进入炉内的过量空气加热,并提 高烟气温度,燃料量却增加了10.由于程序未 考虑火焰长度的影响,燃料量增大会使火焰长度 变长,烟气的温度会升高,实际的出炉温度可能会 比计算值略高一些. b)过剩空气系数由1.2增大为1.4时,燃料 量增加了10,烟气量随之增加了26,导致对 第23卷第5期蒋国芳.过剩空气系数对加热炉的影响 流各段的总传热系数提高,又加之烟气温度的升 高,对流各段吸热量均提高了,F103炉热负荷增 大了11,F205炉热负荷增加了24O,F101炉 增幅最大,达到32,由此可见,即使在正常操作 范围内,过剩空气系数对对流室热负荷的影响已 十分显着,应引起重视. 表1过剩空气系数对对流室热负荷的影响 过剩辐射室烟气平均C02+H20F1O3F205F101辐射热负全炉 空气温度/c烟气流量/荷占全炉燃料量/排烟温度/(体积分数) ,吸热量/吸热量/吸热量/热效率, 系数F202F203F204kg?S,总负荷比kg?SMWMWMW 例, 1.276472O7O424.221O.13.2O2.491.2467.788.9O.612O8 1.37677247O622.6O11.43.382.841.4465.488.10.64213 1.47687247O821.1912.73.543.101.6463.487.5O.67218 4过剩空气系数在加热炉高低负荷运行时的影 响对比 在加热炉的实际操作中,降量运行经常发生. 个别炼油厂由于降量运行,使加热炉对流室介质 严重超温,这又是过剩空气系数过大造成的后果. 理论计算中,过剩空气系数对高低两种负荷工况 的影响有一些区别.仍以石家庄炼油厂400kt/a 逆流移动床重整装置新建的”三合一”加热炉计算 为例,当处理量降到250kt/a,过剩空气系数取值 1.2时,热效率为90.6,而在400kt/a时,在相 同的过剩空气系数情况下热效率为88.9O,低处 理量时热效率反而有所提高.但在实际操作中, 低负荷所需风量要小,但由于炉子漏风严重及燃 烧器配风门调节能力差等原因,过剩空气系数更 容易超出设计值.有的炼油厂在实际操作中,过 剩空气系数曾达到过2.25,造成炉子无法操作. 图1是对流室各炉介质热负荷在400kt/a和 250kt/a两种处理量工况下受过剩空气系数影响 的对比.从图1中可看出,在两种工况下,随着过 剩空气系数的增加,F101和F205的热负荷基本 上以线性系数增加,当过剩空气量为100时,两 炉热负荷都增加了1倍以上,F1O1在处理量 400kt/a时热负荷竟增加了2倍.如果对流室的 部分介质热负荷占全炉热负荷的比例较高,过大 的过剩空气系数将使另一部分介质非但不能取 热,只有放热才可满足总负荷要求,这显然不合 理.而F103位于对流室的遮蔽管段,辐射传热 量占有很大比例,受过剩空气系数的影响不明显. 5结束语 综上所述,对于对流室和辐射室加热不同介 质的加热炉,在设计时应高度重视过剩空气系数 的影响,应采用合理的供热方案,使对流室各炉热 负荷占全炉总负荷比例尽可能的小,对于受过剩 空气系数影响很大的对流介质,建议取3O9/6以 下,即便过剩空气系数高于设计值,也能够在其它 取热处有可调节性. 1—400 2400 3400 4250 5—250 6250 时 时 时 时 时 时 F2 F1 F1 F2 F1 F1 的变化曲线 的变化曲线 的变化曲线 的变化曲线 的变化曲线 的变化曲线 1.21.41.61.82 过剩空气系数 图1过剩空气系数对不同处理量工况 下对流室各炉介质热负荷的影响 必须设置氧分析器并尽可能与燃烧器配风进 行连锁,以便在现场根据烟气含氧量随时调节进 风量. 进一步开发新型高效的燃烧器,使燃料能在 较低过剩空气系数下燃烧良好.操作过程中,应 最大可能地降低炉子漏风,确实管理好三门一板, 将过剩空气系数控制在1.4以下,确保加热炉正 常操作. 参考文献: 1钱家麟等着.管式加热炉[M].北京:烃加工出版社, 1987 76543210 幂