再生氣加熱爐設計與管理

李成，呂靜

（1.標映天成電子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒達石油技術有限公司，北京100107）

再生氣加熱爐設計與管理

李成1，呂靜2

（1.標映天成電子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒達石油技術有限公司，北京100107）

針對目前工業(yè)應用中再生氣加熱爐的情況、標準規(guī)范的要求，并以2700 kW再生氣加熱爐為例，介紹再生氣加熱爐的熱力計算、水動力計算、煙風阻力計算等設計過程，以及選用條件、結構組成、結構形式的原則等。

再生氣加熱爐；輻射；對流；設計；選用原則

0 引言

隨著世界能源需求量不斷增長，石油的開采成本也在日益上升，石油能源的短缺，使天然氣的開發(fā)應用日益受到重視，天然氣已是一種優(yōu)質、高效、清潔的能源與化工原料。我國天然氣資源豐富，加快天然氣的利用對改善國內能源結構具有重要的現(xiàn)實意義。天然氣相對于石油來說使用成本低，與煤和石油相比，作為燃料可以明顯減少環(huán)境污染，其燃燒排放量遠低于石油和煤。已廣泛用于工業(yè)部門、發(fā)電、天然氣汽車、天然氣化工及天然氣合成油等方面。液化天然氣（Liquefied Natural Gas即LNG）是天然氣的一種應用形式。LNG生產過程是將油氣田開采出來的天然氣，經過脫水、脫烴、脫酸性氣體處理后，采用制冷工藝使天然變?yōu)橐后w，體積僅為原氣態(tài)時的1/600，此時儲存和運輸十分方便。而再生氣加熱爐在LNG生產中的作用是使分子篩塔重新恢復吸附功能，如再生氣加熱爐對天然氣進行加熱，在加熱到一定溫度時，高溫的再生氣進入分子篩塔，使分子篩塔在某個溫度恒溫一段時間，從而脫除分子篩上吸附的水分子，這樣就可使分子篩塔吸附功能得以恢復。

圖1 全輻射再生氣加熱爐結構圖

1 再生氣加熱爐結構設計

1.1 再生氣加熱爐結構

（1）目前再生氣加熱爐結構形式屬于管式爐范疇。再生氣加熱爐在應用中一般以立式為主，立式結構一般有全輻射和輻射對流相結合的兩種結構形式，這兩種結構中又有帶輻射錐和不帶輻射錐兩類。全輻射式無對流段，效率較低，一般從爐體排出的煙氣溫度較高。為節(jié)約能源后部需要設置空氣預熱器或是省煤器，從而進一步回收煙氣中的熱量，從而實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保要求。輻射對流相結合的結構對流管一般采用釘頭管或翅片管，這兩種管子作用是擴大換熱面積，提高熱傳遞的效率，可以看成是受熱面的延伸和擴展；其次這兩種管子使煙氣在流道內形成強烈的擾流，并使流動邊界層和熱邊界層斷裂、重組，從而強化換熱。

（2）設備結構與特點。這兩種立式再生氣加熱爐結構特點是：爐體較窄、占地面積小；結構簡單；燃燒器設置在底部，一般根據(jù)情況設置一組或多組燃燒器，底部為發(fā)熱面。燃燒方向和抽力方向一致，因而可減少火焰亂流現(xiàn)象，燃燒和操作比較穩(wěn)定。常用的全輻射再生氣加熱爐結構，圖1。輻射對流結合再生氣加熱爐結構，圖2。

圖2 輻射對流結合再生氣加熱爐結構圖

1.2 再生氣加熱爐系統(tǒng)計算

1.2.1 燃燒系統(tǒng)熱力計算

（1）輻射段計算。熱力計算的主要目的是確定足夠的受熱面，以保證加熱爐合理的出力和熱效率。再生氣加熱爐燃燒系統(tǒng)輻射段計算采用羅伯-伊萬斯（LOBO-EVANS）的圖解法。首先假設輻射段爐膛溫度Tg，K；假設輻射段爐膛熱負荷QR，kW，《管式加熱爐規(guī)范》SY/T0538-2012中推薦熱負荷，按照總熱負荷的65%～75%來估算；輻射爐管的平均溫度Tw，K，《管式加熱爐規(guī)范》中按輻射爐管內介質平均溫度，加30～60℃來考慮。輻射段傳熱速率方程式，式（1）。

式中QR——輻射段熱負荷，kW

Fa——有效吸收因數(shù)

ACP——當量平面，m2

F——氣體交換因數(shù)

Tg——輻射段爐膛平均煙氣溫度，K

KTw——輻射段爐管管壁平均溫度，K

C1——系數(shù)。

輻射段熱平衡方程式，式（2）。

式中QR——輻射段熱負荷，kW

B——燃料用量，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）

Qe——燃料低熱值，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）

Qa——空氣進爐顯熱，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）Qf——燃料進爐顯熱，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）Qs——霧化蒸汽進爐顯熱，kJ/kg（燃料）

qR——輻射段表面散熱損失，取1%～1.5%

qg——離開輻射段爐膛的煙氣帶走的熱量損失，kW

采用試算法，按照假設各種爐膛溫度帶入公式（1）和公式（2）計算，直至公式（1）和公式（2）計算QR近似相等，此時的Tg和QR即為最終計算結果。

（2）對流段計算。對流段總傳熱系數(shù)，按照式（3）計算。

式中kC——對流段總傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

目前常用對流段管子有光管、釘頭管、翅片管。釘頭管和翅片管換熱系數(shù)比光管大很多，但是容易積灰，設計者可根據(jù)實際情況進行選用。

1.2.2 燃燒系統(tǒng)煙氣阻力計算

本設計的再生氣加熱爐結構中燃燒系統(tǒng)包括的煙風阻力分為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——沿程摩擦阻力系數(shù)

l——管道長度，m

d——通道當量直徑，m

ξjb——局部阻力系數(shù)，其值決定于各種局部阻力的形式

本文設計的燃氣鍋爐為微正壓燃燒，正壓通風，選用燃燒器時需考慮保證所需的功率前提下，確保在燃燒器的背壓范圍內。

1.2.3 爐管壓力降計算

通過爐管的壓力降，式（6）：

ω——氣流速度，m/s，按照氣流平均溫度計算

g——重力加速度，m/s2

r——氣體重度，N/m3，按照氣流平均溫度計算

ρ——氣體密度，kg/m3。

男性檢驗值和標準值有8個單詞存在顯著性差異（占比57%），女性檢驗值和標準值有10個存在顯著性差異（占比71%），明顯高于F1差異顯著比重。說明男性學生和女性學生在舌位的前后和嘴唇的圓展方面問題較多。所有數(shù)據(jù)中，V1均小于V2，無一例外。這一現(xiàn)象說明，貴州民族學生，無論男生還是女生，舌位通常比母語發(fā)音人更靠后，唇形更圓。

局部阻力，式（5）：

式中ΔP——通過爐管的壓力降，MPa

Le——爐管當量長度，m

di——爐管內徑，m

f——水力摩擦系數(shù)

u——管內介質流速，m/s

ρ——管內介質密度，kg/m3

被加熱介質進口高度高于工藝管線造成的壓降，式（7）：

式中ΔP'——被加熱介質進口高度高于工藝管線造成的壓降，MPa

ΔH——被加熱介質進口標高與工藝管線標高之差，m

再生氣加熱爐壓力降為輻射段壓力降、對流段壓力降、被加熱介質進口與工藝管線間高度差造成的壓力降3部分之和。

2 主要技術參數(shù)和計算結果

2.1 用戶提供再生氣加熱爐的參數(shù)（表1，表2）

表1 用戶提供主要技術參數(shù)

2.2 計算結果

根據(jù)上述計算方法，以2700 kW再生氣加熱爐為例，其計算結果見表3。

3 結論

（1）表4給出了相變換熱加熱爐運行值與設計值的比較情況。

（2）此設計用戶要求使用全輻射式再生氣加熱爐，全輻射式再生氣加熱爐由于排煙溫度高，一般尾部設置余熱回收設備，從而避免浪費。

表2 用戶提供燃料參數(shù)

表3 再生氣加熱爐計算結果

（3）再生氣加熱爐應配備先進的控制系統(tǒng)及燃燒器保證加熱爐的安全運行，能根據(jù)出口的溫度情況及時調節(jié)燃燒器的運行工況，可避免浪費，節(jié)約能源。

表4 再生氣加熱爐運行值與設計值比較

［1］工業(yè)鍋爐設計計算標準方法[M].北京:中國標準出版社，2003.

［2］管式加熱爐規(guī)范[M].SY/T 0538-2012.

［3］管式加熱爐工藝計算[M].北京：石油化學工業(yè)出版社.

［4］油田油氣集輸設計技術手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社，1994，688～689.

〔編輯王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.02