再生气加热炉设计与管理

2016-02-08李成吕静

设备管理与维修 2016年12期

关键词：压力降炉管加热炉

李成，吕静

（1.标映天成电子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒达石油技术有限公司，北京100107）

再生气加热炉设计与管理

李成1，吕静2

（1.标映天成电子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒达石油技术有限公司，北京100107）

针对目前工业应用中再生气加热炉的情况、标准规范的要求，并以2700 kW再生气加热炉为例，介绍再生气加热炉的热力计算、水动力计算、烟风阻力计算等设计过程，以及选用条件、结构组成、结构形式的原则等。

再生气加热炉；辐射；对流；设计；选用原则

0 引言

随着世界能源需求量不断增长，石油的开采成本也在日益上升，石油能源的短缺，使天然气的开发应用日益受到重视，天然气已是一种优质、高效、清洁的能源与化工原料。我国天然气资源丰富，加快天然气的利用对改善国内能源结构具有重要的现实意义。天然气相对于石油来说使用成本低，与煤和石油相比，作为燃料可以明显减少环境污染，其燃烧排放量远低于石油和煤。已广泛用于工业部门、发电、天然气汽车、天然气化工及天然气合成油等方面。液化天然气（Liquefied Natural Gas即LNG）是天然气的一种应用形式。LNG生产过程是将油气田开采出来的天然气，经过脱水、脱烃、脱酸性气体处理后，采用制冷工艺使天然变为液体，体积仅为原气态时的1/600，此时储存和运输十分方便。而再生气加热炉在LNG生产中的作用是使分子筛塔重新恢复吸附功能，如再生气加热炉对天然气进行加热，在加热到一定温度时，高温的再生气进入分子筛塔，使分子筛塔在某个温度恒温一段时间，从而脱除分子筛上吸附的水分子，这样就可使分子筛塔吸附功能得以恢复。

图1 全辐射再生气加热炉结构图

1 再生气加热炉结构设计

1.1 再生气加热炉结构

（1）目前再生气加热炉结构形式属于管式炉范畴。再生气加热炉在应用中一般以立式为主，立式结构一般有全辐射和辐射对流相结合的两种结构形式，这两种结构中又有带辐射锥和不带辐射锥两类。全辐射式无对流段，效率较低，一般从炉体排出的烟气温度较高。为节约能源后部需要设置空气预热器或是省煤器，从而进一步回收烟气中的热量，从而实现节能、环保要求。辐射对流相结合的结构对流管一般采用钉头管或翅片管，这两种管子作用是扩大换热面积，提高热传递的效率，可以看成是受热面的延伸和扩展；其次这两种管子使烟气在流道内形成强烈的扰流，并使流动边界层和热边界层断裂、重组，从而强化换热。

（2）设备结构与特点。这两种立式再生气加热炉结构特点是：炉体较窄、占地面积小；结构简单；燃烧器设置在底部，一般根据情况设置一组或多组燃烧器，底部为发热面。燃烧方向和抽力方向一致，因而可减少火焰乱流现象，燃烧和操作比较稳定。常用的全辐射再生气加热炉结构，图1。辐射对流结合再生气加热炉结构，图2。

图2 辐射对流结合再生气加热炉结构图

1.2 再生气加热炉系统计算

1.2.1 燃烧系统热力计算

（1）辐射段计算。热力计算的主要目的是确定足够的受热面，以保证加热炉合理的出力和热效率。再生气加热炉燃烧系统辐射段计算采用罗伯-伊万斯（LOBO-EVANS）的图解法。首先假设辐射段炉膛温度Tg，K；假设辐射段炉膛热负荷QR，kW，《管式加热炉规范》SY/T0538-2012中推荐热负荷，按照总热负荷的65%～75%来估算；辐射炉管的平均温度Tw，K，《管式加热炉规范》中按辐射炉管内介质平均温度，加30～60℃来考虑。辐射段传热速率方程式，式（1）。

式中QR——辐射段热负荷，kW

Fa——有效吸收因数

ACP——当量平面，m2

F——气体交换因数

Tg——辐射段炉膛平均烟气温度，K

KTw——辐射段炉管管壁平均温度，K

C1——系数。

辐射段热平衡方程式，式（2）。

式中QR——辐射段热负荷，kW

B——燃料用量，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料气）

Qe——燃料低热值，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料气）

Qa——空气进炉显热，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料气）Qf——燃料进炉显热，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料气）Qs——雾化蒸汽进炉显热，kJ/kg（燃料）

qR——辐射段表面散热损失，取1%～1.5%

qg——离开辐射段炉膛的烟气带走的热量损失，kW

采用试算法，按照假设各种炉膛温度带入公式（1）和公式（2）计算，直至公式（1）和公式（2）计算QR近似相等，此时的Tg和QR即为最终计算结果。

（2）对流段计算。对流段总传热系数，按照式（3）计算。

式中kC——对流段总传热系数，kW/(m2·K)

目前常用对流段管子有光管、钉头管、翅片管。钉头管和翅片管换热系数比光管大很多，但是容易积灰，设计者可根据实际情况进行选用。

1.2.2 燃烧系统烟气阻力计算

本设计的再生气加热炉结构中燃烧系统包括的烟风阻力分为沿程摩擦阻力和局部阻力。

沿程摩擦阻力，式（4）：

式中Δhmc——沿程摩擦阻力，Pa

λ——沿程摩擦阻力系数

l——管道长度，m

d——通道当量直径，m

ξjb——局部阻力系数，其值决定于各种局部阻力的形式

本文设计的燃气锅炉为微正压燃烧，正压通风，选用燃烧器时需考虑保证所需的功率前提下，确保在燃烧器的背压范围内。

1.2.3 炉管压力降计算

通过炉管的压力降，式（6）：

ω——气流速度，m/s，按照气流平均温度计算

g——重力加速度，m/s2

r——气体重度，N/m3，按照气流平均温度计算

ρ——气体密度，kg/m3。

男性检验值和标准值有8个单词存在显著性差异（占比57%），女性检验值和标准值有10个存在显著性差异（占比71%），明显高于F1差异显著比重。说明男性学生和女性学生在舌位的前后和嘴唇的圆展方面问题较多。所有数据中，V1均小于V2，无一例外。这一现象说明，贵州民族学生，无论男生还是女生，舌位通常比母语发音人更靠后，唇形更圆。

局部阻力，式（5）：

式中ΔP——通过炉管的压力降，MPa

Le——炉管当量长度，m

di——炉管内径，m

f——水力摩擦系数

u——管内介质流速，m/s

ρ——管内介质密度，kg/m3

被加热介质进口高度高于工艺管线造成的压降，式（7）：