1、,第九章 加热炉操作、控制与优化技术,加热炉正常操作状况,介质的总出口温度、各路流量、温差及炉膛温度等均在工艺指标范围内；辐射室出口处的负压保持在-19.6-39.2Pa；过剩空气系数要符合要求；燃烧器的燃烧情况良好，火焰刚直有力，稳定并呈天蓝色或桔黄色；各炉管没有弯曲、脆皮、鼓包、发红、发暗现象，等等。,9-1 加热炉操作范围,炉子操作的上限,通常允许的操作上限为设计热负荷的120%,提高操作负荷的限制因素：,操作负荷过大，火焰有可能舔到辐射室炉管或遮蔽管上，危及炉子的安全。,负荷，烟气量，阻力。同时, 烟气温度，使抽力。当两者的增加处于平衡时，便是烟气侧阻力所决定的上限。,负荷增加, 可以
2、提高介质流速。但介质在管内的流速不能过高。,负荷越大，炉膛温度越高，超负荷运转时结构和材料方面可能产生问题，易损坏炉管支撑件。,炉膛体积、烟气侧阻力、管内流速、火墙温度等,炉子操作的下限,受热均匀性 局部过热,降低负荷后，只点一半甚至1/3以下的燃烧器，使各炉管受热不均。若关小每个燃烧器，沿火焰长度方向炉管热强度分布的不均匀性会比正常负荷下大。,降量操作时，由于管内流量减小，管内介质的传热系数有可能大幅度下降，管内介质的流动状态有可能改变，盘管各路之间也更容易发生偏流。 选择管径时不仅应按正常情况下的流量计算，还必须校核低负荷下的管内流动状态。,热效率和操作负荷的关系,降低负荷后的热效率,理论
3、上, 正确操作时, 热效率应该有所上升。,实际上，由于炉子漏风，不易调好燃烧空气量等问题存在，在现场操作中负荷显著降低后，炉子的过剩空气系数变大，热效率反而下降。,超负荷时的热效率,热效率当然会逐渐降低，其下降的程度也随炉子的使用条件和设计条件而有所不同。,热效率表达式：,9-2 管内结焦,结焦的形态,管内壁结上一层焦炭以后，增加了一层焦垢热阻，使管壁温度升高。其后，气相和液相介质将继续渗透到焦层的孔隙中去，继续结焦，逐渐形成越来越厚的坚实的焦层，使管外壁温度最终升高到允许值以上，炉管外表面的局部区域颜色发生明显变化。,结焦的危害,管壁温度急剧上升，加剧了炉管的腐蚀和高温氧化，引起炉管鼓包、破
4、裂，同时使管内压力降升高，炉子操作性能恶化，甚至造成装置停产。,结焦过程：热裂解聚缩流速小，达不到紊流状态 聚缩物残留在管壁上 逐渐沉积形成焦层。,决定结焦多少的因素：焦炭生成速率及焦层脱落速率。,9-3 加热炉烟气最佳含氧量,加热炉烟气含氧量应控制在既有利于燃料完全燃烧，又不能造成不良影响的状况下。,影响烟气含氧量的因素,炉膛负压 燃烧器特性 燃烧器点燃数量 弯头箱 其他,烟气最佳含氧量的确定,9-4 炉管的损坏,炉管损坏的形态,传热恶化 腐蚀立管的氧化减薄 偏流,介质含盐,炉管损坏的原因与预防措施,原 因,9-5 加热炉的控制,抽力-烟道挡板自控系统含氧量自控系统含氧量-CO含量自控系统,
5、被加热介质出炉温度控制,流量的控制,燃烧控制,介质出炉温度自动调节系统介质出炉温度与燃料流量串级调节,返回,返回,返回,抽力-烟道挡板自控,返回,返回,返回,9-6 加热炉的优化技术,优化设计的目标函数,反映工艺功能的,反映经济功能的,性能稳定，安全可靠，便于控制，具有一定的操作弹性；布局合理，符合环保要求,材料消耗少，基建投资低；各部件寿命长，便于检修，维修费用低；燃料及辅助能耗低，能量利用率高；日常操作费用少。,优 化 内 容,节能目标函数优化值的确定,炉膛温度优化值的确定,燃烧技术的优化,辐射室的优化技术,节能目标函数优化值的确定,经济排烟温度：,排烟温度降低,节能收益（减少燃料消耗）增
6、加,烟气与吸热介质间的温差减小，投资费用增加。,由综合经济效益确定排放烟气与入炉介质间的最小经济温差，即最低经济排烟温度。,炉壁经济温度：,炉壁温度的降低,散热强度近似线性地下降,保温厚度的增加呈一条二次曲线的规律,根据节能与投资两个方面，综合考虑经济效果，决定出炉墙外表面与大气间的最小经济温差，从而求出炉壁的经济厚度。,返回,炉膛温度优化值是要解决投资与安全生产的矛盾。,炉膛温度优化值的确定,炉膛温度 增加,辐射和对流平均热强度 、 增加，投资费用降低；,管壁温度 、 相应增加，安全性降低。,约束条件：,目标函数 只受管材安全许用温度限制。,炉管最高管壁温度,管材安全许用温度,炉膛温度优化值
7、,：,而管壁温度,为保证生产安全 ,显然,受介质温度与管表面热强度控制。,污垢层热阻,硬焦层热阻,以底烧立管式加热炉为例给出 的确定方法,举例,返回,设最高热强度与最高介质温度在同一位置,底烧立管式加热炉 的确定,炉管受热的周向、轴向不均匀系数,联立上两式可求解未知数 ，解得的炉膛温度 即为优化值，它在安全生产这一约束条件下使全炉炉管材料消耗最少，尤其当炉管为优质材料时节省投资的效果更为显著。,求解该方程是非常困难的，需采用猜算法。,返回,燃烧技术的优化,有效能,燃烧化学能是优质能，具有很大的做功能力，可考虑应用。,烟气喷射的温度与燃烧器燃料燃尽率,提高焰烟初始喷射温度与速度，减少燃料化学能转
8、化为烟气热能过程中有效能的损失并合理利用之。,燃烧器内燃料燃尽率 、过剩空气系数 是决定焰烟初始喷射温度 的关键参数。也是反映燃烧器这方面性能的主要指标。,高效燃烧器的特点,除了实现在较低的过剩空气和较少的辅助能耗下，使燃烧化学能稳定、充分地转化成烟气热能之外, 还必须以减少能量转化过程“质”的下降（即过程损失）为前提，使烟气保持较高的做功能力。,返回,辐射室的优化技术,目的: 强化对流传热,辐射室烟气流场,炉膛的主要气流,燃烧器喷出的射流,返回的回流,形成循环气流,循环气流对辐射室传热的调节作用：,可以降低炉管周向不均匀系数，而且还可以使轴向不均匀性得到很大改善。,辐射室对流传热,理论对流传
9、热系数为：,烟气流速,提高喷射速度可加强分子间的动量交换，增强引射能力，迫使烟气加剧循环，使回流烟气的量与速度增大，达到强化对流传热的目的。,返回,第九章小结,9-1 加热炉操作范围,炉子操作的上、下限 热效率和操作负荷的关系,9-2 管内结焦,结焦的形态 结焦的危害 影响结焦的因素及防止措施,9-3 加热炉烟气最佳含氧量,影响烟气含氧量的因素 烟气最佳含氧量的确定,9-4 炉管的损坏,9-5 加热炉的控制,被加热介质出炉温度控制,流量的控制,燃烧控制,9-6 加热炉的优化技术,节能目标函数优化值的确定,炉膛温度优化值的确定,燃烧技术的优化,辐射室的优化技术,炉管损坏的形态 炉管损坏的原因与预防措施,有关加热炉的书刊 书: 管式加热炉 烃加工出版社 TE963 炼油专用设备及配件 烃加工出版社 TE96 管式加热炉技术问答 中国石化出版社 TE963-44 管式加热炉工艺计算 石油工业出版社 化学工程手册 化学工业出版社 杂志: 石油化工设备技术 化工炼油机械 石油炼制 石油化工 炼油设计 配管技术 Hydrocarbon Process,
