丙烷脫氫裝置進(jìn)料加熱爐散熱損失計算分析

天津渤化石化有限公司 300452

摘要：進(jìn)料加熱爐是丙烷脫氫制丙烯的主要設(shè)備之一，由于裂解所需溫度很高，故其內(nèi)部耐火水泥的澆筑質(zhì)量將直接影響到進(jìn)料加熱爐的壽命以及運(yùn)行成本。本文對進(jìn)料加熱爐耐火水泥的特點、澆筑過程、注意事項及熱損失等都做了初步的論述。

關(guān)鍵詞：丙烷脫氫進(jìn)料加熱爐耐火水泥澆筑

1引言

在丙烷脫氫制丙烯的生產(chǎn)工藝中，進(jìn)料加熱爐是最重要的設(shè)備之一，來自進(jìn)料預(yù)處理單元的丙烷（純度97%以上）在經(jīng)過汽化并二次預(yù)熱后進(jìn)人進(jìn)料加熱爐盤管中進(jìn)行加熱到600℃，并利用煙道氣用來預(yù)熱進(jìn)料丙烷，同時把裝置鍋爐給水從110℃加熱到122℃。

進(jìn)料加熱爐盤管最高工作溫度可以達(dá)到600℃；，輻射段爐內(nèi)壁的溫度可達(dá)700℃，而燒嘴周圍的溫度可以達(dá)到1400℃，但是對于進(jìn)料加熱爐外壁平均溫度要求在70℃以下，以保證熱損失在設(shè)計合理范圍之內(nèi)。這就對進(jìn)料加熱爐耐火、水泥的耐火性能、保溫性能提出了很高的要求。由于箱式進(jìn)料加熱爐的結(jié)構(gòu)特點，對于水泥的強(qiáng)度要求也很嚴(yán)格。因此，能否將耐火水泥精確而堅固的澆筑在爐體鋼板上，將直接影響到進(jìn)料加熱爐的使用壽命和大修周期，對于今后的生產(chǎn)成本也有影響。

天津渤化石化有限公司2012年新建的丙烷脫氫裝置中使用的進(jìn)料加熱爐是意大利ITT公司的產(chǎn)品，生產(chǎn)能力為60萬噸丙烯/年。全爐分為三大模塊：輻射段（radiant module）、對流段（convection module）和煙道段（stack module）?？紤] 到中方施工的實際困難，對流段以及煙道段已經(jīng)在生產(chǎn)廠家澆筑完畢，中方施工的部分為輻射段底板，共有墻板33塊，面積合計708.61㎡。所有底板均在現(xiàn)場澆筑并養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行吊裝，現(xiàn)場總澆筑工程量178.18m3，94.15噸。

1.1 爐墻散熱損失計算

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，爐墻散熱損失計算應(yīng)分為平壁和圓筒壁兩種。當(dāng)圓筒壁內(nèi)徑與外徑之比大于0.5時，可近似按平壁計算。因此，石油化工廠管式 加熱爐爐墻散熱損失計算，均可以按平壁方法計算。通過平壁爐墻的散熱損失可按下式計算：

Q = q? F

q===

Q一一爐墻散熱量，kW；

F一一爐墻面積，m2；

q一一一爐墻散熱強(qiáng)度，kW/m2；

T1，一一-爐墻內(nèi)壁溫度，K；

Ta--爐體附近大氣溫度，K；

Tn-一一爐墻外壁溫度，K；

δi--多層爐墻各層壁厚，m；

λi各層爐墻相對應(yīng)材料導(dǎo)熱系數(shù)，kW/m2 · k；

an一一爐墻外壁對空氣的給熱系數(shù)，kW/m2 ·k。

顯然從上式可以看到，爐墻散熱量的多少與爐墻面積成正比，并受爐墻厚度和爐墻導(dǎo)熱系數(shù)的影響。爐墻越厚，爐墻對應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小散熱越少。這也是爐墻采用不同種耐火水泥的原因，在不同的爐墻溫度區(qū)間選擇最佳的保溫材料，能有效地防止熱量損失。而爐墻的厚度和對應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)最終影響的爐外壁溫度，在爐墻面積和爐墻外大氣溫度無法改變的情況下，爐墻散熱量與爐外壁溫度直接相關(guān)，所有的保溫措施都是為了有效降低爐外壁溫度。在筑爐完成后，可以檢查爐外壁溫度，以確認(rèn)筑爐的質(zhì)量。

1.2爐墻外壁對空氣的給熱系數(shù)αn的計算

αn =anc+anr

αnc = A x

αnr=

nc一一對流傳熱系數(shù)，kW/（m2 · K）；

一一輻射傳熱系數(shù)，kW/（m2 · K）；

A一與爐壁表面散熱有關(guān)的系數(shù)，一般取A

=2.2：

4.54一爐墻外壁黑度一般為0.8，外界空間的 黑度可取為1，絕對黑體表面的輻射系數(shù)為5.67，則：5.67 xO.8 xl =4.54。

最終可以將爐墻的散熱損失公式表示為如下形式：

Q=F

此次筑爐為輻射段箱體，外形尺寸為：長24.74m，高10.19m，寬3.22m，按六面體算得：F =

729.2（m2）T.= 15.4℃，按2006年10月份烘爐時平均氣溫計算。

爐膛溫度在正常工作溫度670℃時，測得外壁平均溫度Tn=43.1℃。

外壁溫度Tn與爐墻熱損失Q之間的關(guān)系如下表，表中還根據(jù)爐墻熱損失，折算出了消耗的天然氣量以及全年的天然氣消耗費(fèi)用。

天然氣熱值按每標(biāo)準(zhǔn)立方米8000大卡（33.5kJ）計算，天然氣單價按1.6萬立方米計算，全年按8000小時操作時間計算，見表4所示。

表1爐端散熱損失及天然氣消耗表

爐壁溫度Tn（℃）單位熱損失

（kw/m3）爐墻總熱損失Q（KW）爐墻總熱損失Q（KJ/h）天然氣消耗

V（m3/h）天然氣年消耗

V ‘（Km3/a）天然氣年消耗費(fèi)用（萬元）

20.00.0425.892.82.822.23.5

30.00.1395.8344.910.382.413.2

40.00.24176.6635.819.0151.824.3

43.I0.28203.4732.421.9174.928.0

50.00.36265.9957.428.6228.636.6

60.00.50363.01306.639.0312.049.9

70.00.64467.31682.350.2401.764.3

80.00.79578.82083.862.2497.679.6

90.00.96697.52511.075.0599.695.9

100.01.I3823.42964.388.5707.9113.3

110.0I.31956.63443.9102.8822.4131.6

120.0I.501097.33950.4117.9943.4150.9

2結(jié)論

丙烷脫氫進(jìn)料加熱爐輻射段爐底實際測量后計算 的單位熱損失為O.28kW/m2，僅為設(shè)計熱損失量（0.62 -0.73kW/㎡）的約30%，顯示出極好的澆筑質(zhì)量。在測量爐壁溫度的過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有裂紋的地方，爐外壁溫度會異常升高，從表3中可以看到爐外壁溫度每升高10℃，每年就要多消耗10 - 19萬元的天然氣。爐壁損失雖然不算大，但長久運(yùn)行，仍然不可忽視。

參考文獻(xiàn)：

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[4]姚玉英主編.化工原理.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社出版