小負(fù)荷管式加熱爐的設(shè)計(jì)

許東方，王廣勝

（江蘇東方成套設(shè)備制造集團(tuán)有限公司，湖南炎陵 412500）

小負(fù)荷管式加熱爐的設(shè)計(jì)

許東方，王廣勝

（江蘇東方成套設(shè)備制造集團(tuán)有限公司，湖南炎陵 412500）

探討了小負(fù)荷管式加熱爐的設(shè)計(jì)問(wèn)題，利用 PFR FRNC-5PC 軟件，模擬計(jì)算加熱爐模型，完成加熱爐設(shè)計(jì)。小負(fù)荷管式加熱爐在設(shè)計(jì)過(guò)程中有其特殊性，為了滿足加熱爐的高徑比要求，需要降低輻射室爐管的排管密度，同時(shí)需要反復(fù)校核設(shè)計(jì)方案，直至軟件輸出結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

管式加熱爐 ；PFR FRNC-5PC ；高徑比 ；設(shè)計(jì)方案

管式加熱爐是石油煉制、石油化工、化學(xué)工業(yè)普遍使用的工藝加熱爐，作為煉油化工工藝流程中的主要能源消耗設(shè)備，在煉化工藝中起著重要的作用。近年來(lái)，隨著煉油化工企業(yè)大力倡導(dǎo)節(jié)能減排降耗、提高效率，加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得愈發(fā)重要。

1 管式加熱爐簡(jiǎn)介

加熱爐是煉油化工企業(yè)廣泛使用的工業(yè)加熱爐，是煉油工藝中的主要供能設(shè)備，其一般結(jié)構(gòu)為：輻射室、對(duì)流室、余熱回收系統(tǒng)、煙囪和燃燒器。其中輻射室主要是通過(guò)火焰或高溫?zé)煔膺M(jìn)行輻射傳熱，輻射室是熱交換的主要場(chǎng)所，占全爐熱效率的70%～80% ；對(duì)流室是靠輻射室出來(lái)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流換熱的部分，一般承擔(dān)全爐熱負(fù)荷的20%～30%。

2 管式加熱爐設(shè)計(jì)

在進(jìn)行加熱爐設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1～30MW 是較為常見(jiàn)的工況，設(shè)計(jì)負(fù)荷大于30MW 和設(shè)計(jì)負(fù)荷不足1MW的工況均不多見(jiàn)。相對(duì)于常規(guī)負(fù)荷設(shè)計(jì)，負(fù)荷較大和負(fù)荷較小的加熱爐在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在其特殊性，本文主要針對(duì)熱負(fù)荷不足1MW的加熱爐，提出設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題，并給出相應(yīng)的解決方案。使用PFR FRNC-5PC 軟件進(jìn)行管式加熱爐的設(shè)計(jì)。

2.1 爐型選擇

在加熱爐規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定加熱爐的爐型，常見(jiàn)的管式爐爐型包括純輻射圓筒爐、輻射對(duì)流型圓筒爐、立式爐和箱式爐等。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)中的熱負(fù)荷和設(shè)計(jì)要求選定加熱爐的爐型。對(duì)于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷不足1MW的加熱爐，優(yōu)先選用圓筒爐。

2.2 高徑比的確定

加熱爐爐型確定后，根據(jù)輻射爐管的平均熱強(qiáng)度，管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速，允許壓降的要求，調(diào)整加熱爐的爐管管程數(shù)、爐管管徑、爐管數(shù)量以及爐管排布問(wèn)題，確定加熱爐爐體的尺寸。

對(duì)于負(fù)荷較小的加熱爐，優(yōu)先選擇立式圓筒爐。設(shè)計(jì)工況下，根據(jù)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷和輻射爐管平均熱強(qiáng)度的推薦值選定爐管的規(guī)格和數(shù)量，通過(guò)計(jì)算得出圓筒爐的節(jié)圓直徑（所謂節(jié)圓直徑即為輻射爐管的中心所在圓周的直徑）?！兑话銦捰脱b置用火焰加熱爐》SH/T 3036—2012 規(guī)定，立式圓筒爐的最大高徑比為2.75[高徑比即輻射段凈高（耐火層內(nèi)表面）與輻射爐管的節(jié)圓直徑之比]。當(dāng)加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷不超過(guò)1MW時(shí)，在推薦的輻射爐管平均熱強(qiáng)度下，所需要的輻射爐管換熱面積比較小，此時(shí)輻射爐管長(zhǎng)度和爐管數(shù)量相互約束；同時(shí)加熱爐用燃燒器的最小火焰長(zhǎng)度約為3m，《一般煉油裝置用火焰加熱爐》SH/T 3036—2012中規(guī)定燃燒器的可見(jiàn)火焰長(zhǎng)度不超過(guò)輻射段高度的 2/3，因此輻射室的高度至少應(yīng)為 4.5m，考慮到設(shè)計(jì)余量，建議輻射爐管的長(zhǎng)度取6m左右，最小可取至5m；確定了輻射爐管的最小長(zhǎng)度后，所需要的爐管數(shù)量也隨之確定。一般情況下，低負(fù)荷工況所需要的爐管數(shù)量較少，通過(guò)計(jì)算得出的節(jié)圓直徑較小，由此得到的高徑比遠(yuǎn)大于2.75，不滿足規(guī)范要求。針對(duì)此種情況，通過(guò)擴(kuò)大輻射爐管的節(jié)圓直徑和輻射室筒體外徑，滿足高徑比要的求，此時(shí)輻射爐管在選定的節(jié)圓直徑上對(duì)稱(chēng)排布，無(wú)法排滿節(jié)圓直徑所在圓周，存在一部分輻射爐墻直接與火焰接觸。

例如某項(xiàng)目中加熱爐的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷0.86MW，介質(zhì)入口條件 ：40℃，700kPa，出口條件 ：300℃，600kPa，介質(zhì)流量為 3 070kg/h。設(shè)計(jì)時(shí)綜合上述要求，最終設(shè)計(jì)結(jié)果為輻射爐管管徑為 Φ89mm，管長(zhǎng)為 6 000mm，爐管數(shù)量為 14 根，輻射室爐管的節(jié)圓直徑為 2 800mm，爐體內(nèi)徑為 3 067mm，輻射室高度為 7 000mm，高徑比為 2.5，滿足規(guī)范要求。

2.3 PFR FRNC-5PC輸出結(jié)果調(diào)試

確定好爐管排布、爐體尺寸后，將相關(guān)參數(shù)輸入到 PFR FRNC-5PC 軟件中，運(yùn)行輸出結(jié)果并進(jìn)行調(diào)試。輸出結(jié)果中重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)有：火墻溫度、介質(zhì)進(jìn)出口條件、輻射爐管的平均熱強(qiáng)度、介質(zhì)流速和介質(zhì)壓降、煙氣流速、排煙溫度等。

火墻溫度指煙氣離開(kāi)輻射室進(jìn)入對(duì)流室時(shí)的溫度，表征爐膛內(nèi)煙氣溫度的高低，一般要求不超過(guò)850℃?；饓囟雀?，說(shuō)明輻射室熱強(qiáng)度大，但火墻溫度過(guò)高，則意味著火焰過(guò)于猛烈，容易燒毀爐管和爐管支撐件等。

校核介質(zhì)的進(jìn)出口溫度、壓力、氣化率、熱負(fù)荷是否滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。管內(nèi)介質(zhì)所吸收的熱量用于升溫、氣化或化學(xué)反應(yīng)，全部是有效利用熱，輸出結(jié)果必須保證加熱爐的有效熱負(fù)荷能夠滿足工藝介質(zhì)的氣化率、出口溫度、壓力等的要求。

輻射爐管的熱強(qiáng)度反應(yīng)了爐管傳熱強(qiáng)度的大小，一般取所有輻射爐管的平均熱強(qiáng)度。不同的工藝流程、不同的被加熱介質(zhì)，要求的輻射爐管表面熱強(qiáng)度有所不同，例如常壓立式蒸餾爐的輻射爐管的平均熱強(qiáng)度要求 30 000～37 000W/m2，減壓立式蒸餾爐的輻射爐管的平均熱強(qiáng)度要求 24 000～31 000W/ m2。在相同的設(shè)計(jì)負(fù)荷下，爐管的熱強(qiáng)度越高，所需的換熱面積越小，加熱爐設(shè)備投資相應(yīng)減少，但存在介質(zhì)結(jié)焦、爐管溫度高、易損壞等問(wèn)題；平均熱強(qiáng)度低，則會(huì)增大設(shè)備投入。因此在進(jìn)行加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，選擇最合理的輻射爐管熱強(qiáng)度。

介質(zhì)流速和壓降：介質(zhì)的流速越低，傳熱系數(shù)越小，壓降越低，但爐管的外壁溫度越高，結(jié)果是介質(zhì)易結(jié)焦，爐管易損壞；介質(zhì)的流速越高，介質(zhì)流經(jīng)加熱爐爐管所產(chǎn)生的壓降越高，增加爐管系統(tǒng)的動(dòng)力消耗。不同的工藝流程、不同的被加熱介質(zhì)，要求的介質(zhì)流速略有差異，一般情況下，要求工藝介質(zhì)流速滿足 1 000～1 500 kg/（m2?s）。

煙氣流速：煙氣流速直接影響煙氣經(jīng)過(guò)對(duì)流室的壓降，一般要求對(duì)流室光管處的煙氣流速在1～3kg/s/m2。煙氣流速過(guò)低，對(duì)流爐管表面易積灰，降低爐管的傳熱效率，煙氣流速過(guò)高，則增加煙氣通過(guò)對(duì)流室的壓力損失，導(dǎo)致煙囪入口處的抽力不足，無(wú)法滿足煙氣排放要求。

排煙溫度：即煙囪入口處的煙氣溫度，排煙溫度對(duì)加熱爐熱效率有很大的影響，排煙溫度高，則排放煙氣中所含的熱量大，損失的熱量就高，加熱爐的熱效率降低，排煙溫度升高10℃，煙氣熱損失大約增加0.5% ；排放溫度低，一旦低于酸露點(diǎn)腐蝕溫度，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的酸露點(diǎn)腐蝕，影響加熱爐的使用壽命。不含余熱回收系統(tǒng)的加熱爐，其排煙溫度與介質(zhì)入口溫度和酸露點(diǎn)腐蝕溫度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，排煙溫度比介質(zhì)入口溫度高60～80℃，且不可低于酸露點(diǎn)腐蝕溫度，此時(shí)的設(shè)備投資最為經(jīng)濟(jì)，加熱爐的熱效率也較高。含有余熱回收系統(tǒng)的加熱爐，其排煙溫度主要考慮酸露點(diǎn)腐蝕溫度。對(duì)于燃料比較清潔、硫含量低的情況，排煙溫度可以稍低些，一般在120℃左右 ；對(duì)于硫含量高，尤其是燃燒液體燃料的情況，此時(shí)酸露點(diǎn)腐蝕溫度較高，一般要控制排煙溫度在200℃左右甚至更高，具體由酸露點(diǎn)腐蝕溫度決定。

3 結(jié)束語(yǔ)

管式加熱爐是石油煉化過(guò)程中的核心供能設(shè)備，小負(fù)荷加熱爐在處理量小的煉油工藝中較為常見(jiàn)。借助 PFR FRNC-5PC軟件，進(jìn)行加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮加熱爐的高徑比，最大不超過(guò)2.75 ；輻射爐管的平均熱強(qiáng)度，不同的處理工藝，其推薦數(shù)值略有差異 ；加熱爐的橋墻溫度，一般要求控制在850℃以下；介質(zhì)的進(jìn)出口條件，要求滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求；工藝介質(zhì)的流速，不同的加工工藝，其推薦數(shù)值略有差異，一般為 1 000～1 500kg/s/m2；介質(zhì)壓降要滿足設(shè)計(jì)參數(shù)中允許壓降的要求 ；煙氣流速滿足 1～3kg/s/m2；排煙溫度要綜合考慮介質(zhì)入口溫度和酸露點(diǎn)腐蝕溫度，選擇最合理的排煙溫度。

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Design of Small Load Tube Furnace

Xu Dong-fang，Wang Guang-sheng

The design problem of small-load tubular heating furnace is discussed.The design of heating furnace is completed by PFR FRNC-5PC software.Small load tube heating furnace in the design process has its particularity，in order to meet the requirements of the calorimeter diameter，the need to reduce the radiation chamber tube tube tube density ；at the same time need to repeatedly check the design，until the software output to meet the design results Claim.

tubular heating furnace ；PFR FRNC-5PC ；height ratio ；design scheme

TK175

：A

：1003–6490（2017）07–0125–02