【正文】 摘 要 對于石油化工等行業(yè)，管式加熱爐是使用最普遍的加熱設(shè)備。在石油加工的各項工作之中，管式加熱爐都起著重要作用。使用管式加熱爐技術(shù)，除了可以降低生產(chǎn)成本外,還能夠有效地節(jié)約能源。但在當今節(jié)能減排的大形勢之下，管式加熱爐的耗能過大缺點還是日顯突出。在本設(shè)計中，通過優(yōu)化管式加熱爐的整體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)裝置的操作情況和特點制定出一套改善方案，來提高管式加熱爐的熱效率，從而實現(xiàn)節(jié)能作用。本設(shè)計適用于使用常減壓工藝技術(shù)的管式加熱爐，通過對整個工藝過程的仔細分析，及對各種優(yōu)化方案的選擇，最終確定了使用兩臺輻射對流型圓筒加熱爐共同工作的設(shè)計方案。除此之外，通過對管式加熱爐的工藝進行計算，包括輻射室及對流室的結(jié)構(gòu)尺寸、燃料用量、爐內(nèi)壓力等參數(shù)的計算，以達到管式加熱爐結(jié)構(gòu)優(yōu)選的目的。通過使用螺桿膨脹機以實現(xiàn)煙氣余熱二次利用，進一步提高熱效率，實現(xiàn)能源的節(jié)約。關(guān)鍵詞：熱效率；結(jié)構(gòu)優(yōu)選；輻射—對流型加熱爐；余熱二次利用IAbstract Tube heating furnace is the most widely used heating equipment in the petrochemical industry. Tube heating furnace play a most significant role in the works of petroleum processing. Using the technology of Tube heating furnace can not only reduce the cost of production, but also can reserve energy effectively .however，in the trend of saving energy nowadays, the drawbacks of Tube heating furnace that it cost so much energy bees more and more obvious each day . In this design, I made a optimized plan by optimizing the Overall Structure of Tube heating furnace and also according to operating conditions and characteristics of the device. With the help of the optimized plan, we can rise the thermal efficiency of Tube heating furnace ,and then reach the goal of Energy conservation. The tube heating furnace in this design is applied to the atmosphericvacuum technology，after a careful analysis of the entire process and the choices of a variety of optimizations, I finally made the bined operation scheme of two sets of radiationconvection cylindrical heating furnaces. Besides, in the process calculation of the tube furnace, which include the calculation of the structural dimensions of the radiation chamber and convection room, the calculation of furnace pressure, the calculation of fuel consumption, to reach the appointment of optimizing the structure of Tube heating furnace. By using the screw expander as the waste heat recycling equipment of flue gas can improve thermal efficiency and saves energy much better.IIKey words: Thermal efficiency 。structure optimizing。 Radiationconvection type heating furnace。 heat RecyclingIII目 錄摘要 IAbstract II1 引 言 1 課題的選擇依據(jù)及其意義 1 當今國內(nèi)外煉化加熱爐的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展 1 當今國內(nèi)外煉化加熱爐的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 1 我國煉化加熱爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況 2 3 3 確定設(shè)計方案 42 管式加熱爐工藝計算 5 計算設(shè)計熱負荷及加熱爐選型 5 計算設(shè)計熱負荷 5 燃燒過程計算 7 8 計算理論空氣量 9 選取過?？諝庀禂?shù)及加熱爐排煙溫度 9 計算加熱爐熱設(shè)計效率 10 燃料氣用量 11 計算煙氣流量 12 輻射室熱力計算 12 估算輻射段熱負荷 13 選取輻射室爐管表面熱強度 14 估算輻射室爐管管壁溫度 15 計算輻射室爐管加熱表面積 16 確定輻射室爐管管程數(shù)、管徑及管心距 17 輻射室爐體尺寸 18 輻射爐管的節(jié)圓直徑、有效長度 18 輻射爐管根數(shù) 18 輻射段爐膛直徑 19 輻射段爐膛高度 20 21 對流室爐管管徑、管心距 21 對流室爐管管長及對流室寬度 22 輻射段傳熱核算 25 當量冷平面 25 總輻射交換因數(shù) 26 輻射段熱平衡 28 輻射段煙氣出口溫度 29 核算輻射段熱負荷 30 核算輻射段表面熱強度 30 核算輻射段油料入口溫度及輻射段爐管壁溫 31 對流段的傳熱計算 32 對流段熱負荷 32 對流段內(nèi)的傳熱平均溫差 32 對流室爐管內(nèi)膜傳熱系數(shù) 33 對流室爐管外膜傳熱系數(shù) 35 對流管的總傳熱系數(shù) 38 對流室內(nèi)爐管表面積及管排數(shù) 39 對流爐管的表面?zhèn)鳠釓姸?40 過熱蒸汽段計算 40 過熱蒸汽段煙氣平均溫度 41 過熱蒸汽段兩種介質(zhì)換熱的平均溫差 41 管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流速 42 過熱蒸汽管的對流傳熱系數(shù) 43 過熱蒸汽段爐管表面積及管排數(shù) 45 爐管壓降計算（有相變化） 47 汽化段壓力降 47 加熱段壓力降 54 加熱爐爐管總壓力降 56 加熱爐爐管入口壓力 56 煙囪計算 56 煙氣通過對流段的阻力 57 煙氣由輻射段到對流段的阻力 59 煙氣由過熱蒸汽段到煙囪的阻力 60 煙氣在煙囪擋板處的阻力 61 煙氣在煙囪內(nèi)的摩擦損失 61 煙氣在煙囪內(nèi)的動能損失 63 煙囪高度 63 643 輻射—對流型圓筒加熱爐配件及爐管系統(tǒng)的選用 67 爐管材料的選擇 67 釘頭管 67 爐管吊鉤 68 爐管拉鉤 68 看火門 69 69 防爆門 71 清掃門和吹灰器 724 輻射—對流型圓筒加熱爐結(jié)構(gòu)的選用 72 加熱爐主體結(jié)構(gòu) 74 輻射室結(jié)構(gòu) 74 對流室結(jié)構(gòu) 745 優(yōu)化煙氣余熱再利用方案 76結(jié) 論 77謝 辭 78參考文獻 794煉廠管式加熱爐工藝設(shè)計1 引 言 課題的選擇依據(jù)及其意義在近些年中，我國的經(jīng)濟發(fā)展形式日益壯大，與此同時，我們對能源的需求與依賴也日益凸顯。隨著人們對環(huán)保理念愈發(fā)重視，節(jié)能減排在我們的生活中也隨處可見。石油通過煉化過程后，其得到的產(chǎn)物是人類必不可少的使用資源。然而，石油的煉化過程也是一個耗能的過程，并且會產(chǎn)生大量的廢物。管式加熱爐是最常見的煉油以及石油化工生產(chǎn)裝置的加熱爐，其能耗最高能達到煉化企業(yè)耗能的40%。管式加熱爐通常是指煉油和石油化工生產(chǎn)裝置的工藝加熱爐，簡稱為石化工藝加熱爐[15]。管式加熱爐幾乎參與了各類工藝過程，成為進行裂解、轉(zhuǎn)化反應(yīng)的核心設(shè)備，支配著整個工廠或裝置的產(chǎn)品質(zhì)量﹑能耗等，推動了石油煉制和化工工藝的發(fā)展進步[15]。原油的裂解、轉(zhuǎn)化等反應(yīng)基本都發(fā)生于管式加熱爐中。管式加熱爐的性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，決定著煉化產(chǎn)品的質(zhì)量，也直接影響著能耗量。所以，在現(xiàn)如今能源供應(yīng)愈發(fā)緊張的階段，通過合理設(shè)計、優(yōu)化加熱爐的結(jié)構(gòu)，提高熱效率，降低污染物的排放量，對能源的節(jié)約及環(huán)境的保護做出了巨大貢獻。 當今國內(nèi)外煉化加熱爐的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展 當今國內(nèi)外煉化加熱爐的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀在國外，石油煉化設(shè)備的設(shè)計制造工作，與其運輸、安裝、調(diào)試等工作，并非由一個公司單獨完成。國外煉化爐的節(jié)能技術(shù)主要存在于前期優(yōu)化過程中，主要包含有如下技術(shù)特點：(1)專利商、大型工程公司依據(jù)工藝的特殊要求開發(fā)、制造、安裝的專利技術(shù)及專有技術(shù)，如UOP的U型管重整爐；(2)大型化裝置體現(xiàn)在常減壓蒸餾、連續(xù)重整芳烴裝置的單臺加熱爐熱負荷超過150MW；(3) 利用FRNCSTAAD PRO、CFX、FLUENT等先進的行業(yè)設(shè)計軟件；(4)在加熱爐詳細設(shè)計時，根據(jù)運輸尺寸和吊裝能力水平進行模塊化設(shè)計、制造、運輸及組裝；(5)對于歐洲和日本等能源匱乏的國家，要求熱負荷超過24MW的加熱爐熱效率應(yīng)不小于90%；(6) 低NOx燃燒器、低NOx催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、高效吹灰器、聲波氣體溫度測量系統(tǒng)等主流節(jié)能技術(shù)。 我國煉化加熱爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況伴隨國家對科學發(fā)展觀的逐步落實，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的地位日益突出。國內(nèi)各煉化企業(yè)也更加重視加熱爐優(yōu)化設(shè)計，通過對加熱爐的改造來實現(xiàn)降低能耗，減少污染物排放。國內(nèi)煉化企業(yè)主要通過管式空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐等技術(shù)的應(yīng)用來降低排煙溫度，回收余熱；應(yīng)用蒸汽、激波、聲波等方式清除灰塵，減少熱量損失；使用重質(zhì)燃油助燃劑或者應(yīng)用強化傳熱型助燃器來提高燃燒效率；利用優(yōu)質(zhì)隔熱材料來降低熱量散失；利用煙氣分析儀、紅外熱像儀等檢測技術(shù)時時監(jiān)控排煙指標。2011年5月，遼陽石化公司引進美國GTC公司技術(shù)對其45萬噸/年對二甲苯裝置的3臺加熱爐實施在線清灰清垢，不僅減少了煙氣排放量，增強了熱能傳導，而且降低了能耗。利用煙氣分析儀、紅外熱像儀等檢測技術(shù)時時監(jiān)控排煙指標。 2011年8月，吉林石化煉油廠對加熱爐實施技術(shù)改造，進一步完善加熱爐燃燒系統(tǒng)，以提高加熱爐熱效率，降低加熱爐燃料消耗[6]。不僅減少了煙氣排放量，增強了熱能傳導，而且降低了能耗[7]。2011年7月，加熱爐在線機械清焦技術(shù)首次應(yīng)用于克拉瑪依石化公司150萬噸/年延遲焦化裝置[8]。從整體來看，我國的煉化爐的設(shè)計、制造、新型材料和新型設(shè)備組的開發(fā)應(yīng)用都遠不及國外技術(shù)水平，仍有待提高。 管式加熱爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢在當今經(jīng)濟、環(huán)境、能源的總體形勢之下，世界各國都將減少能源的使用、降低污染物的排放作為發(fā)展本國經(jīng)濟的大前提。因此，管式加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化成為了各國研究者競相研究的課題。來達到能源、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境這四個方面因素的協(xié)調(diào)，制造出低能耗、低污染、低成本、高效率的新一代加熱爐體系。除此之外，應(yīng)用先進的燃燒技術(shù)、新型爐用材料、脫硫技術(shù)、余熱回收技術(shù)等使加熱裝置得到更多的發(fā)展[9]。 節(jié)能設(shè)計的新型技術(shù)通過研究初始參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)計手冊以及參考文獻，得到了如下幾方面的新興技術(shù)：將使用燃料油更換為燃料氣，降低了原本使用燃料油時的過量空氣系數(shù)，使燃料能在燃燒爐中充分燃燒，提高了燃燒爐的熱效率；將流室內(nèi)釘頭管布置為交錯排列的結(jié)構(gòu)，強化煙氣與管內(nèi)原油的傳熱，從而也提高了加熱爐的熱效率；采用爐管吊鉤，優(yōu)化了吊鉤結(jié)構(gòu)的復雜程度和重量；通過優(yōu)化加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高生產(chǎn)能力，節(jié)約能源；通過使用采用輕質(zhì)的澆注料，改變其自身性質(zhì)，應(yīng)用致密陶瓷纖維材料作為里襯，以及噴涂隔熱涂料，都能夠降低熱量的散失，提高效率；將全密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于對流室彎頭箱，通過多種方式提高爐體的整體密封性，減少熱量散失。 確定設(shè)計方案根據(jù)以往加熱爐的實際設(shè)計要求，綜合考慮到設(shè)計時的實際參數(shù)、對加熱爐的設(shè)計要求、資金投入情況以及實際工作時的運行要求，確定采用兩臺輻射對流型圓筒加熱爐并聯(lián)運行設(shè)計方案。 圖0： 管式加熱爐2 管式加熱爐工藝計算 計算設(shè)計熱負荷及加熱爐選型 計算設(shè)計熱負荷 熱爐每小時傳給被加熱物料的總熱量被稱為有效熱負荷，體現(xiàn)了爐子的供熱能力（生產(chǎn)能力）[15,911]。加熱爐的總負荷包括原料及水蒸汽通過加熱爐所吸收的熱量和注水汽化熱等其他熱負荷[15,911]。根據(jù)燃料和過熱蒸汽的特性，計算加熱爐的總負荷，計算公式如下： 式中： Q180。 — 加熱爐計算總熱負荷，kJ/s ； WF — 油料流量，kg/s ； Ws — 過熱蒸汽流量， kg/s ； e — 管內(nèi)介質(zhì)在爐出口處的氣化率，%； IL — 油料出爐溫度下液相熱焓， kJ/kg； IV — 油料出爐溫度下氣相熱焓， kJ/kg； Ii — 油料入爐溫度下液相熱焓， kJ/kg； IS1 — 過熱蒸汽入爐溫度下熱焓， kJ/kg； IS2 — 過熱蒸汽出爐溫度下熱焓， kJ/kg； Q″ — 其他熱負荷， kJ/s 。由設(shè)計初始數(shù)據(jù)得： （一）原油參數(shù) （1）原油流量WF：； （2）原油入爐溫度：280 ℃ ；