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        酸性氣燃燒爐爐殼散熱損失的計(jì)算

        2022-05-10 10:48:04張小虎
        工業(yè)爐 2022年1期
        關(guān)鍵詞:爐殼爐墻外壁

        張小虎,蘇 進(jìn),王 騫

        (河南方圓工業(yè)爐設(shè)計(jì)制造有限公司,河南 洛陽(yáng) 471133)

        熱效率是評(píng)價(jià)工業(yè)爐設(shè)計(jì)和操作水平的一個(gè)重要指標(biāo),定義為:總吸熱量除以總輸入熱量,其中總輸入熱量為燃料燃燒產(chǎn)生的熱量,加上空氣、燃料氣、霧化介質(zhì)的顯熱。

        煙氣排煙熱損失:指排入大氣的廢煙氣溫度高于周圍空氣溫度所造成的能量損失。影響排煙熱損失的主要因素是排煙量和排煙溫度;爐壁散熱損失:通過加熱爐、煙道和附屬設(shè)備(有熱回收設(shè)備時(shí))外表面散發(fā)到周圍的熱量。

        煙氣排煙熱損失中的排煙煙氣的量以及排煙的溫度是工藝參數(shù),在工藝計(jì)算時(shí)一般不能隨意更改。爐壁散熱損失跟爐壁外壁溫度以及爐壁外表面的面積大小有關(guān),在不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中都有相應(yīng)的規(guī)定:在SH/T 3036-2012《一般煉油裝置用火焰加熱爐》中6.2.2提到燃料效率的計(jì)算值應(yīng)以所設(shè)計(jì)燃料的低發(fā)熱量為準(zhǔn),并包括計(jì)算正常放熱量1.5%的散熱損失,對(duì)有空氣預(yù)熱系統(tǒng)的加熱爐,應(yīng)包括基于低發(fā)熱量的燃料放熱量2.5%的散熱損失[1];在SH/T 3036-2012《一般煉油裝置用火焰加熱爐》中11.1.2規(guī)定在無(wú)風(fēng)、環(huán)境溫度為27℃(80℉)條件下,輻射段、對(duì)流和熱煙風(fēng)管道的外壁溫度應(yīng)不超過82℃(180℉)、輻射段底部外表面溫度不超過90℃(194℉);API 560-2016《Fired Heatersfor General Refinery Service》關(guān)于散熱損失以及爐壁溫度的規(guī)定和SH/T 3036-2012基本一致的。

        但對(duì)于硫磺回收裝置中的酸性氣燃燒爐和尾氣焚燒爐來(lái)說(shuō),SH/T 3036-2012《一般煉油裝置用火焰加熱爐》關(guān)于爐壁外壁溫度的規(guī)定并不完全適用,主要原因是爐膛內(nèi)部的過程氣中含有大量的H2S、SO2、H2O等氣體,通過計(jì)算煙氣中酸露點(diǎn)腐蝕溫度Tsld,再加5~20℃的溫度裕量,就是爐殼外壁溫度的最低控制值;然后在運(yùn)行過程中需要控制爐殼外壁溫度不能低于這個(gè)控制值;在中國(guó)石化《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》實(shí)施細(xì)則中規(guī)定:控制燃燒反應(yīng)爐的外壁溫度大于150℃,避免露點(diǎn)腐蝕,這和SH/T 3036-2013以及API 560-2016中爐殼外壁溫度限值82℃(側(cè)壁)是相悖的,當(dāng)爐壁外壁溫度遠(yuǎn)大于82℃時(shí),爐壁散熱損失是不是會(huì)增加不少?爐殼外壁散熱損失到底是多少呢?下面以一個(gè)某項(xiàng)目上10萬(wàn)t/年硫磺回收裝置中的酸性氣燃燒爐為例計(jì)算來(lái)爐壁外壁熱損失的占比。

        1 設(shè)計(jì)計(jì)算過程

        1.1 酸性氣燃燒爐中過程氣的酸露點(diǎn)腐蝕溫度的計(jì)算

        已知:某項(xiàng)目上10萬(wàn)t/a硫磺回收裝置中的酸性氣燃燒爐,殼體內(nèi)徑φ3 800 mm,爐膛內(nèi)徑φ2 986 mm,過程氣操作溫度1 314℃,襯里為三層磚結(jié)構(gòu),耐火層為剛玉磚,厚度175 mm,中間層為NM28隔熱磚,厚度為114 mm,最外層為NM26隔熱磚,厚度為114 mm,如圖1所示。

        圖1 酸性氣燃燒爐襯里結(jié)構(gòu)示意圖

        過程氣的介質(zhì)組成見表1。

        表1 過程氣介質(zhì)組成

        根據(jù)表1,采用下面兩個(gè)公式分別對(duì)過程氣介質(zhì)計(jì)算酸露點(diǎn)腐蝕溫度:

        (1)采用Halstead曲線擬合公式Tsld=113.021 9+15.077 7×lg VH2SO4+2.097 5×(lg VH2SO4)2=113.021 9+15.077 7×2.820 89+2.097 5×2.820 892=172.43℃

        (2)采用Muller曲線,由賈明生采用Origin軟件擬合得到公式Tsld=116.551 5+16.063 29×lg VSO3+1.053 77(lg VSO3)2=170.24℃;

        綜合上面①②的計(jì)算結(jié)果,爐殼外壁溫度在運(yùn)行時(shí)控制爐殼外壁溫度不低于175℃,則可以避免爐殼遭受酸露點(diǎn)腐蝕。

        根據(jù)烘爐階段控制酸性氣燃燒爐爐膛溫度1 316℃時(shí),測(cè)量酸性氣燃燒爐爐殼外壁溫度數(shù)據(jù)(見表2)。

        表2 酸性氣燃燒爐外壁溫度實(shí)測(cè)數(shù)值 (℃)

        通過對(duì)比設(shè)計(jì)工況下,烘爐階段關(guān)于爐膛溫度、酸露點(diǎn)腐蝕溫度、爐殼外壁溫度的數(shù)值,可以看出爐殼外壁溫度的控制完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

        1.2 酸性氣燃燒爐爐殼外壁散熱損失的計(jì)算

        先假設(shè)爐殼附近環(huán)境溫度為20℃,無(wú)風(fēng)的工況。

        因爐殼直徑為3 800 mm,襯里厚度為407 mm,3 800/407=9.337>8,則酸性氣燃燒爐襯里的熱工計(jì)算可按平壁進(jìn)行計(jì)算[2]。

        爐殼外壁對(duì)大氣的傳熱公式為:

        將上面所述的各層間溫度的計(jì)算式變換為:

        上面將兩式相加,可得:

        可求出:

        則爐墻的傳熱公式為q=K(t1-ta)

        爐墻外壁對(duì)大氣的散熱系數(shù)αn包括對(duì)流傳熱系數(shù)αnc和輻射傳熱系數(shù)αnr兩大部分:

        其中,輻射傳熱系數(shù)αnr一般按下式計(jì)算:

        對(duì)流傳熱分兩種情況,無(wú)風(fēng)時(shí)屬于自然對(duì)流傳熱,有風(fēng)時(shí)屬于強(qiáng)制對(duì)流傳熱;因此對(duì)流傳熱系數(shù)αnc應(yīng)按兩種情況分別采用不同的公式計(jì)算,工程上一般采用的經(jīng)驗(yàn)公式為:

        式中:A—與爐墻表面所處位置有關(guān)的系數(shù)(豎直散熱表面(如側(cè)壁)A=2.2;散熱表面朝上(如爐頂)A=2.8;散熱表面朝下(如爐頂)A=1.4)

        u—風(fēng)速,m/s(風(fēng)速u為0 m/s時(shí),ξ=1)

        ε—爐墻外表面的黑度,對(duì)于一般涂深色油漆或被氧化了鋼板外表面,可取ε=0.8

        Q—通過爐墻的散熱量,W

        q—爐墻散熱強(qiáng)度,W/m2

        F—爐墻外表面積,m2

        K—總傳熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)

        t1—爐膛內(nèi)壁溫度,℃

        綜上,新型“互聯(lián)網(wǎng)+”下的教學(xué)模式改革是高校教學(xué)工作改革面臨的新挑戰(zhàn)。我們將以網(wǎng)絡(luò)化、多樣化、個(gè)性化為著力點(diǎn),對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方案和教學(xué)方式進(jìn)行綜合性的改革,形成合力,以達(dá)到培養(yǎng)高質(zhì)量多樣化人才的目的。

        tn+1—爐殼外壁溫度,℃

        ta—環(huán)境(大氣)溫度,℃

        δi—i層襯里厚度,mm

        λi—i層材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)

        αn—爐墻外壁對(duì)大氣的散熱系數(shù),W/(m2·K)

        αnc—爐墻外壁對(duì)大氣的對(duì)流散熱系數(shù),W/(m2·K)

        αnr—爐墻外壁對(duì)大氣的輻射散熱系數(shù),W/(m2·K)

        n—襯里層數(shù)

        計(jì)算過程略,計(jì)算結(jié)果見表3。

        1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算心得

        (1)雖然酸性氣燃燒爐爐殼外壁溫度的控制值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SH/T 3036-2012標(biāo)準(zhǔn)中的11.1.2提到的在無(wú)風(fēng)、環(huán)境溫度為27℃(80℉)條件下,輻射段、對(duì)流和熱煙風(fēng)管道的外壁溫度應(yīng)不超過82℃(180℉)、輻射段底部外表面溫度不超過90℃(194℉)的規(guī)定,但計(jì)算爐殼外表面散熱損失占總熱量的占比為1.486%,總體來(lái)說(shuō)不算高,基本符合SH/T 3036-2012標(biāo)準(zhǔn)中的6.2.2提到燃料效率的計(jì)算值應(yīng)以所設(shè)計(jì)燃料的低發(fā)熱量為準(zhǔn),并包括計(jì)算正常放熱量1.5%的散熱損失的規(guī)定。這為以后進(jìn)行酸性氣燃燒爐工藝計(jì)算,預(yù)估爐殼外壁熱量損失時(shí),提供一個(gè)基本的參考。

        (2)通過烘爐階段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量爐殼外壁溫度的結(jié)果來(lái)看,爐殼外壁溫度比計(jì)算的酸露點(diǎn)腐蝕溫度高的并不多,考慮到不同季節(jié)、不同天氣情況以及有風(fēng)的工況,建議酸性氣燃燒爐外部的防雨罩設(shè)計(jì)成全包圍結(jié)構(gòu),并且底部的防雨罩設(shè)計(jì)成可打開、可封閉結(jié)構(gòu)。這樣有利于整個(gè)爐殼外壁溫度的一致性,有利于爐殼外壁防酸露點(diǎn)腐蝕。

        (3)在爐膛溫度和爐墻結(jié)構(gòu)一定的情況下,熱流密度已經(jīng)確定,爐壁溫度可直接計(jì)算出來(lái),環(huán)境溫度以及風(fēng)速對(duì)散熱損失以及外壁溫度均有一些影響[3]。

        2 結(jié)語(yǔ)

        (1)在進(jìn)行酸性氣燃燒爐工藝計(jì)算時(shí),如需考慮爐殼外壁溫度散熱損失,可按照1.5%的散熱損失進(jìn)行計(jì)算。

        (2)酸性氣燃燒爐在運(yùn)行時(shí),爐殼外壁溫度的控制值應(yīng)比酸露點(diǎn)腐蝕溫度計(jì)算值至少高5℃以上,最好高10℃左右為宜。

        表3 爐殼外壁散熱損失結(jié)算結(jié)果

        (3)酸性氣燃燒爐防雨罩盡可能設(shè)計(jì)為全包圍結(jié)構(gòu),并且防雨罩底部最好設(shè)計(jì)成可打開、可封閉結(jié)構(gòu)。這樣有利于控制爐殼外壁溫度的一致性,有利于避免爐殼外壁防酸露點(diǎn)腐蝕。

        (4)在爐膛溫度和爐墻結(jié)構(gòu)一定的情況下,熱流密度確定,爐壁溫度可直接計(jì)算出來(lái),環(huán)境溫度以及風(fēng)速對(duì)散熱損失以及外壁溫度均有一些影響。

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