酸性氣燃燒爐爐殼散熱損失的計算

張小虎，蘇 進(jìn)，王 騫

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

熱效率是評價工業(yè)爐設(shè)計和操作水平的一個重要指標(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）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)，在工藝計算時一般不能隨意更改。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提到燃料效率的計算值應(yīng)以所設(shè)計燃料的低發(fā)熱量為準(zhǔn)，并包括計算正常放熱量1.5%的散熱損失，對有空氣預(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)定在無風(fēng)、環(huán)境溫度為27℃（80℉）條件下，輻射段、對流和熱煙風(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。

但對于硫磺回收裝置中的酸性氣燃燒爐和尾氣焚燒爐來說，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控制值；在中國石化《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，爐壁散熱損失是不是會增加不少？爐殼外壁散熱損失到底是多少呢？下面以一個某項(xiàng)目上10萬t/年硫磺回收裝置中的酸性氣燃燒爐為例計算來爐壁外壁熱損失的占比。

1 設(shè)計計算過程

1.1 酸性氣燃燒爐中過程氣的酸露點(diǎn)腐蝕溫度的計算

已知：某項(xiàng)目上10萬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，采用下面兩個公式分別對過程氣介質(zhì)計算酸露點(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的計算結(jié)果，爐殼外壁溫度在運(yùn)行時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，測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)測數(shù)值 （℃）

通過對比設(shè)計工況下，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)計預(yù)期。

1.2 酸性氣燃燒爐爐殼外壁散熱損失的計算

先假設(shè)爐殼附近環(huán)境溫度為20℃，無風(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算可按平壁進(jìn)行計算［2］。

爐殼外壁對大氣的傳熱公式為：

將上面所述的各層間溫度的計算式變換為：

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）

爐墻外壁對大氣的散熱系數(shù)αn包括對流傳熱系數(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一般按下式計算：

對流傳熱分兩種情況，無風(fēng)時屬于自然對流傳熱，有風(fēng)時屬于強(qiáng)制對流傳熱；因此對流傳熱系數(shù)αnc應(yīng)按兩種情況分別采用不同的公式計算，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，ξ=1）

ε—爐墻外表面的黑度，對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，℃

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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—爐墻外壁對大氣的散熱系數(shù)，W/（m2·K）

αnc—爐墻外壁對大氣的對流散熱系數(shù)，W/（m2·K）

αnr—爐墻外壁對大氣的輻射散熱系數(shù)，W/（m2·K）

n—襯里層數(shù)

計算過程略，計算結(jié)果見表3。

1.2 設(shè)計計算心得

（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提到的在無風(fēng)、環(huán)境溫度為27℃（80℉）條件下，輻射段、對流和熱煙風(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，但計算爐殼外表面散熱損失占總熱量的占比為1.486%，總體來說不算高，基本符合SH/T 3036-2012標(biāo)準(zhǔn)中的6.2.2提到燃料效率的計算值應(yīng)以所設(shè)計燃料的低發(fā)熱量為準(zhǔn)，并包括計算正常放熱量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算，預(yù)估爐殼外壁熱量損失時，提供一個基本的參考。

（2）通過烘爐階段現(xiàn)場實(shí)際測量爐殼外壁溫度的結(jié)果來看，爐殼外壁溫度比計算的酸露點(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)計成全包圍結(jié)構(gòu)，并且底部的防雨罩設(shè)計成可打開、可封閉結(jié)構(gòu)。這樣有利于整個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，爐壁溫度可直接計算出來，環(huán)境溫度以及風(fēng)速對散熱損失以及外壁溫度均有一些影響［3］。

2 結(jié)語

（1）在進(jìn)行酸性氣燃燒爐工藝計算時，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)行計算。

（2）酸性氣燃燒爐在運(yùn)行時，爐殼外壁溫度的控制值應(yīng)比酸露點(diǎn)腐蝕溫度計算值至少高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)計為全包圍結(jié)構(gòu)，并且防雨罩底部最好設(shè)計成可打開、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，爐壁溫度可直接計算出來，環(huán)境溫度以及風(fēng)速對散熱損失以及外壁溫度均有一些影響。