環境因素對石化加熱爐熱損的影響分析

(吉林化工學院機電工程學院,吉林 132022)

0 引 言

加熱爐是石化企業中主要的耗能設備，提高加熱爐的熱效率對于提高全廠的經濟效益起著關鍵作用，為此各企業都采取了很多措施來降低加熱爐的能耗[1-3]。石化加熱爐的熱損失主要包括通過爐壁的散熱損失和被煙氣帶走的排煙損失，而加熱爐在石化企業中一般都是露天布置的，因此，在評估這兩項損失時必須要考慮環境因素的影響。

1 環境因素對加熱爐散熱損失的影響

1.1 爐壁熱損的計算方法

石化加熱爐是以燃料在爐膛燃燒產生的高溫煙氣加熱物料的。從爐壁向外界散失熱量的過程為：高溫煙氣首先以對流傳熱和輻射傳熱的方式將熱量傳遞給爐墻內壁，然后熱量以熱傳導的方式從爐內壁傳至爐墻外表面，再以對流傳熱和輻射傳熱的方式將熱量散發給大氣環境，從而形成一個傳熱過程。在工況穩定條件下，可認為爐墻內表面溫度一定，對于平面爐墻，其熱損計算式為：

(1)

式中：q為爐壁熱流密度；ti為爐壁內表面溫度；tf為環境溫度；δi為爐墻各層保溫層的厚度；λi為爐墻各層保溫層的導熱系數；ho為外界環境與爐外壁面間總的表面傳熱系數(復合傳熱表面傳熱系數)。

1.2 環境溫度對爐壁熱損的影響

由式(1)的分析可知，加熱爐爐墻內表面溫度與環境溫度的差值是爐壁散熱量的驅動力，環境溫度tf越低，溫差驅動力越大，爐壁熱損也越大。

以中石油某延遲焦化加熱爐輻射段側墻為例，其設計參數如下：爐內壁溫度為1 100 ℃；爐墻結構從內到外分別為厚度δ1=160 mm的耐火纖維組塊，厚度的δ2=140 mm輕質耐火澆注料和厚度δ3=6 mm的Q235鋼板。在忽略風速的情況下，該段爐墻的爐壁熱損和爐墻外表面溫度隨環境溫度的變化見表1。

表1 環境溫度對爐壁熱損的影響

由表1可知，隨著環境溫度由-20 ℃變化到30 ℃，爐壁外表面溫度比原來增加了142.3%，而爐壁的熱損失僅降低了4.5%。結果表明，環境溫度對爐壁外表面的影響是劇烈的，而對爐壁熱損的影響較小。因此，一些企業的工作人員簡單的以爐壁外表面溫度作為評判爐壁保溫損傷的標準，顯然是不夠準確的[4-6]。

1.3 風速對爐壁熱損的影響

當外界空氣以一定的速度(有風時)流過加熱爐爐墻外表面時，風速越大空氣對邊界層的擾動越大，相應地外界環境與爐外壁面間總的表面傳熱系數越大，從而導致爐壁向外界散失的熱量也越多。同樣以上述某延遲焦化加熱爐輻射段側墻為例，在環境溫度為20 ℃時，爐壁熱損隨風速的變化見表2。

表2 風速對爐壁熱損的影響

由表2可看出，風速同樣是對于爐壁外表面溫度的影響要比對爐壁熱損的影響劇烈得多。風速從0 m/s變化到4 m/s時，爐壁外表面溫度和熱損的變化幅度要較之其后的變化幅度大一些，這是因為風速為0 m/s時外界空氣與爐壁的傳熱方式屬于自然對流，而有風時屬于強制對流，兩者的傳熱強度相差較大。

當環境溫度和風速同時變化時，爐壁外表面溫度和熱損隨環境變化的部分數據見表3。

表3 環境溫度和風速的共同影響

2 環境因素對加熱爐排煙損失的影響

由于技術經濟條件的限制，排煙在離開加熱爐時，其排煙溫度要比進入加熱爐的空氣溫度高很多，因此不可避免地要產生排煙熱損失。可按下式計算：

(2)

環境溫度越高，入爐空氣所帶進的物理顯熱就越高，爐子熱效率就越高，其排煙熱損失也就越低。仍以前述延遲焦化加熱爐為例，在其他條件相同的情況下，其排煙損失隨環境溫度的變化見表4。

表4 環境溫度對排煙熱損的影響

3 結 論

作為一種露天布置的設備，石化加熱爐的熱效率不可避免地要受到環境因素的影響，因此在加熱爐的設計、運行以及熱損測試過程中要采取一些措施，盡可能地減小影響。

(1)環境因素對于石化加熱爐爐壁外表面溫度的影響是劇烈的，而對爐壁熱損的影響較小，因而在對爐子進行熱損和保溫測試過程中不可簡單地將爐壁外表面溫度作為評判標準。

(2)對于一年中溫度和風速變化均較大的北方地區，加熱爐設計時環境溫度可取低一些，風速取大一些，并且選擇絕熱性能好的耐火襯里，平時運行過程中注意維護。

(3)利用排煙對助燃空氣進行預熱，降低排煙溫度，可有效地降低爐子排煙損失、提高熱效率，但在操作過程中要避免露點腐蝕。

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