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工業(yè)爐窯不管是燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐等,節(jié)能高效是技術(shù)關(guān)鍵。

  煙氣帶走加熱爐大量的高溫?zé)崃浚芰堪装桌速M(fèi),熱利用率較低。余熱回收可以使用使用蜂窩陶瓷蓄熱體,但投入大,維修成本高,切換過程中也帶走未燃燒的燃?xì)?,造成能源?yán)重流失。 加熱爐使用換熱器則可且投資少、無切換機(jī)構(gòu)、免維修。但如果使用金屬換熱器,由于材質(zhì)的限制,抗氧化能力差,不能在高溫下長期使用,余熱回收率低。如煙道溫度達(dá)到800度以上,金屬換熱器非常容易被高溫?fù)p壞,無法達(dá)到余熱回收的目的。因此不論如何,加熱爐高效換熱是技術(shù)攻關(guān)難點(diǎn)。

  下面介紹蓄熱式加熱爐和管式加熱爐處理能力的改造技術(shù)

  蓄熱式余熱回收
  目前國內(nèi)外開始流行的一種革命性的全新燃燒技術(shù)--蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù),它通過高效蓄熱材料將助燃空氣從室溫預(yù)熱至前所未有的800℃高溫,同時(shí)大幅度降低Nox排放量,使排煙溫度控制在露點(diǎn)以上、150℃以下范圍內(nèi),最大限度地回收煙氣余熱,使?fàn)t內(nèi)燃燒溫度更趨均勻。HTAC技術(shù)針對燃料種類或熱值的不同,有單蓄熱與雙蓄熱之分。一般認(rèn)為油類、高熱值煤氣及含焦油粉塵的熱臟發(fā)生爐煤氣則只需或只能采用助燃空氣單蓄熱方式;清潔的低熱值燃料(高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣)可采用雙蓄熱方式。

  蓄熱式加熱爐實(shí)質(zhì)上是高效蓄熱式換熱器與常規(guī)加熱爐的結(jié)合體,主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統(tǒng)以及燃料、供風(fēng)和排煙系統(tǒng)構(gòu)成。
  蓄熱室是蓄熱式加熱爐煙氣余熱回收的主體,它是填滿蓄熱體的室狀空間,是煙氣和空氣流動通道的一部分。在加熱爐中,蓄熱室總是成對使用,一臺爐子可以用一對,也可以用幾對,甚至幾十對。在國內(nèi)的一些大型加熱爐上,最多用到四十幾對。
  在蓄熱式加熱爐中,換向閥起到了至關(guān)重要的作用。為配合換向閥安全準(zhǔn)確地工作,必須配備一套可簡可繁的控制系統(tǒng)。
  蓄熱體通常采用直徑12~15mm的Al2O3質(zhì)陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窩體。

  傳統(tǒng)的燃燒方式是空氣和煤氣預(yù)混和擴(kuò)散燃燒,在燃燒器周圍存在一個(gè)局部高溫區(qū),造成爐溫不均勻,影響加熱質(zhì)量。同時(shí),在高溫區(qū)內(nèi),氮?dú)鈪⑴c燃燒反應(yīng),導(dǎo)致煙氣中NOx含量高,造成大氣污染。蓄熱式燃燒則完全不同,在蓄熱式爐中,整個(gè)爐膛為一個(gè)反應(yīng)體,空氣和煤氣充滿爐膛,在這個(gè)爐膛內(nèi)彌散燃燒,不存在局部高溫區(qū),氮?dú)鈳缀醪粎⑴c燃燒反應(yīng)。與傳統(tǒng)燃燒方式相比,其優(yōu)勢表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面:
  1 爐溫更加均勻
  2 燃料選擇范圍更大
  采用蓄熱式燃燒技術(shù),空氣預(yù)熱溫度由過去的400~600℃可提高到800~1100℃。由于燃料的理論燃燒溫度大幅度提高,使燃料的選擇范圍更大,特別是可燃用800kcal/m3以下的低熱值燃料,如高爐煤氣或其他低熱值劣質(zhì)燃料。
  適合輕油、重油、天然氣、液化石油氣等各種燃料,尤其是對低熱值的高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣具有很好的預(yù)熱助燃作用,擴(kuò)展了燃料的應(yīng)用范圍。鋁熔化燃油單耗指標(biāo)在60kg/t.A以內(nèi)。
  3 大幅度節(jié)能
  由于煙氣經(jīng)蓄熱體后溫度降低到150℃以下(特殊情況下可降至70~80℃),將煙氣的絕大部分顯熱傳給了助燃空氣,做到了煙氣余熱的“極限回收”,因此,爐子燃料消耗量大幅度降低。對于一般大型加熱爐,可節(jié)能25%~30%;對于熱處理爐,可節(jié)能30%~65%。
  4 NOX生成量更低
  采用傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù),助燃空氣預(yù)熱溫度越高,煙氣中NOX含量越大;而采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù),在助燃空氣預(yù)熱溫度高達(dá)800℃的情況下,爐內(nèi)NOX生成量反而大大減少。由于蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態(tài)下彌散燃燒,沒有火焰中心,因此,不存在大量生成NOx的條件。煙氣中NOx含量低,有利于保護(hù)環(huán)境。
  5 金屬氧化燒損低
  低氧燃燒的另一個(gè)好處是可降低被加熱金屬的氧化燒損。此外,蓄熱式燃燒還可以提高火焰輻射強(qiáng)度,強(qiáng)化輻射傳熱,提高爐子產(chǎn)量。
  6 既適合新建熔鋁爐或加熱爐,更適合舊型熔鋁爐或加熱爐的蓄熱式技術(shù)改造,可保留原爐基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)不動,在爐兩側(cè)或同側(cè)增加蓄熱式燒嘴,施工簡單,技術(shù)先進(jìn)成熟。
  7 項(xiàng)目投資不大,節(jié)能效益顯著,投資回收期短。

  管式加熱爐處理能力的技術(shù)改造

  針對早期建造的煉油廠和化工廠在役管式加熱爐熱負(fù)荷和熱效率低的狀況,提出了若干技術(shù)改造措施包括,增大對流管表面積以增大對流段的熱負(fù)荷;增加輻射管的換熱面積;修正煙囪高度;換用新型燃燒器,變自然通風(fēng)為強(qiáng)制供風(fēng),以增大燃燒器的發(fā)熱量,減小過??諝庀禂?shù),節(jié)省燃料2%~3%;在對流段和煙囪之間增設(shè)空氣預(yù)熱器以提高空氣入爐溫度;采用高溫輻射涂料增強(qiáng)輻射換熱效果,從而增加熱源對爐壁的輻射傳熱量和爐管的傳熱量等。

  裝置減少,而早期建造的加熱爐,由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,大多在低負(fù)荷條件下運(yùn)行,熱效率低。因此,對原有管式爐實(shí)施改造已成為日益迫切的任務(wù)。針對這種狀況,筆者對現(xiàn)役管式加熱爐做了深入調(diào)查及理論分析,總結(jié)出一套提高管式爐處理能力和熱效率的措施,期望對我國煉油廠和化工廠舊設(shè)備的挖潛改造有所裨益。
  改造加熱爐的目的就是增加熱負(fù)荷,提高熱效率。在實(shí)際操作過程中,為了提高管式爐的處理量,通過增強(qiáng)燃燒的辦法,可提高熱負(fù)荷10%左右。但因受輻射管壁溫度過高、火焰舔爐管和爐膛產(chǎn)生正壓等條件限制,其處理能力難以管式加熱爐是煉油廠和化工廠重要的供熱設(shè)備。目前,由于國家宏觀經(jīng)濟(jì)政策的調(diào)整,新建加熱再提高,仍不能滿足熱負(fù)荷要求〔1〕。
  因此,在改造之前,應(yīng)收集分析和現(xiàn)場標(biāo)定加熱爐的性能指標(biāo),包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和操作時(shí)爐內(nèi)各部位煙氣溫度和壓力;燃燒空氣溫度、壓力降及過??諝庀禂?shù);介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度和壓力等。
  經(jīng)綜合分析,可從以下6個(gè)方面對管式加熱爐進(jìn)行改造。
  1.增加對流管表面積
  增加對流管表面積能增大對流段的熱負(fù)荷。對流段位于輻射室上部,增加對流室高度比增加輻射室高度容易。在常減壓裝置、焦化裝置中通常可采用這種改造方法。對流段排煙溫度與介質(zhì)進(jìn)口溫度之差,國外要求低于30℃,國內(nèi)多為100~150℃??蓮囊韵氯齻€(gè)方面進(jìn)行改造。
  其一,增加對流管數(shù)量。管式加熱爐對流段上部一般留有高度不小于800mm的檢修空間,小型加熱爐高度不小于600mm,可在此空間加裝對流管。若空間不夠,可加高對流段,以增加對流管的換熱面積。
  山東省某煉油廠250×105t/a常減壓裝置加熱爐,設(shè)計(jì)熱負(fù)荷23.255MW,對流段爐管為?152mm×8mm,18排,每排12根,共計(jì)216根。欲提高處理量,該爐熱負(fù)荷就不夠,于是在對流段上部增加一組爐管,計(jì)6排,72根對流管,熱負(fù)荷增加20%,滿足了工藝要求。
  其二,用擴(kuò)大表面管替代光管。舊式加熱爐對流段有的用光管,可以用翅片管或釘頭管代替。釘頭管表面積是光管的2~3倍,翅片管表面積是光管的8~11倍〔2〕。代替后原來的管板不能再用,需重新制作管板。如果燃燒器燒油,需增設(shè)吹灰器吹灰。建議采用聲波吹灰器,吹灰介質(zhì)為壓縮空氣,吹灰效果好,可提高對流傳熱系數(shù),降低排煙溫度,同樣可提高加熱爐的熱負(fù)荷。
  其三,用翅片管替代釘頭管。舊式管式爐對流管若燒氣體燃料,可用傳熱面積更大的翅片管代替釘頭管,但要保證外部安裝尺寸與釘頭管的相同,以便仍使用原來的管板。
  某原油加熱爐采取油氣混燒,對流段為釘頭管,現(xiàn)改為只燒氣體燃料。為提高加熱爐的熱負(fù)荷,將原來的6排釘頭管拆下,換用6排翅片管。結(jié)果對流段排煙溫度降低,熱負(fù)荷增加5%。
  用擴(kuò)大表面管替代光管或用翅片管替代釘頭管,會增大爐內(nèi)煙氣側(cè)壓力降,降低排煙溫度,使煙囪抽力減小。若抽力不足,需增加煙囪高度,或在對流段上部增設(shè)引風(fēng)機(jī)。同時(shí)應(yīng)核算加熱爐鋼結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)是否滿足載荷增加的要求。若基礎(chǔ)受到載荷限制,上述改造方案難以實(shí)施,可考慮將整個(gè)對流段置于地面,并設(shè)一獨(dú)立煙囪。增加對流爐管也會使?fàn)t管內(nèi)介質(zhì)的壓力降增加,故應(yīng)核算加熱爐燃料進(jìn)料泵的揚(yáng)程,保證不影響加熱爐的處理能力。
  2.增加輻射管換熱面積
  很多情況下,可通過增加輻射室的高度(即輻射管的高度)來增加圓筒形立式爐輻射管的換熱面積。對水平管箱式爐,在爐管上部或接近爐底的下部有可利用的空間用來增加爐管數(shù)量,從而增加輻射管的換熱面積。輻射管的根數(shù)與爐管直徑、管心距有關(guān),輻射段尺寸受加熱爐地基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)、燃燒器布置等影響。
  某圓筒形立式加熱爐熱負(fù)荷為29.069MW,四管程,88根管,管外徑127mm,管心距250mm,爐管壓力降為3.1MPa。若輻射盤管改用外徑152mm爐管,并加高1.5m,則只有72根管,管心距304mm,管內(nèi)介質(zhì)壓力降減小到2.24MPa。但使用大直徑爐管,須重新制作爐管吊鉤和爐管拉鉤,爐底導(dǎo)向管和轉(zhuǎn)油線也應(yīng)相應(yīng)修改。
  3.修正煙囪高度
  煙囪的主要用途是安全有效地排放煙氣。如果結(jié)構(gòu)不合理,爐膛便產(chǎn)生正壓而限制加熱爐的操作。煙囪可通過增加高度或直徑加以修正,但煙囪所受的風(fēng)載荷會增加,故加熱爐基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性須重新核算,以保證滿足風(fēng)載荷增加后煙囪的力學(xué)性能要求。
  某裝置有一臺常壓加熱爐和一臺減壓加熱爐,都采取自然通風(fēng),獨(dú)立煙囪,對流段位于爐頂部,欲通過加高對流段來提高熱負(fù)荷。為了減輕基礎(chǔ)載荷,去掉各自獨(dú)立煙囪,采用了一聯(lián)合落地?zé)焽?。因?qū)α鞫螣煔鈧?cè)壓力降較大,煙氣排放不暢,減壓加熱爐內(nèi)產(chǎn)生正壓,于是在減壓爐對流室上部安裝一獨(dú)立煙囪,抽力增大,解決了正壓問題。
  4.換用新型燃燒器或變自然通風(fēng)為強(qiáng)制供風(fēng)
  燃燒器是加熱爐的關(guān)鍵設(shè)備,自然通風(fēng)的燃燒器需要更多的過??諝?,火焰長,通過燃燒器的空氣壓降為7.6~15.2mmH2O,燃燒空氣被低速導(dǎo)入,很難與燃油充分混合。燃油的過剩空氣系數(shù)為0.30~0.40;氣體燃料為0.15~0.20。
  強(qiáng)制供風(fēng)的燃燒器壓力降為50.8~152.4mm H2O,空氣高速進(jìn)入,湍流激烈,火焰短小有力,爐膛內(nèi)爐管受熱均勻,空氣壓力使燃料和空氣充分混合,燃料油的過??諝庀禂?shù)為0.10~0.15,燃料氣的為0.05~0.10,燃燒充分,放射煙塵粒子減少,火焰形狀和剛度易于控制,工作噪聲低〔3〕。
  減小過??諝庀禂?shù)一般能節(jié)省燃料2%~3%。但對低氮燃燒器而言,其火焰很長,若過??諝庀禂?shù)減小到設(shè)計(jì)值,則操作較困難。
  以渣油為燃料的VI型或VIB型燃燒器負(fù)荷稍大時(shí)顯得供風(fēng)不足,燃燒不充分,火焰偏瘦,充滿度偏小,使一部分二次風(fēng)與霧化蒸汽未充分混合而進(jìn)入爐膛。應(yīng)適當(dāng)增大霧化角或減小火道尺寸,以保證一、二次風(fēng)的充分混合。
  5.增設(shè)空氣預(yù)熱系統(tǒng)
  這是加熱爐常見的改造方式。煙氣出口溫度每下降35℃,熱效率提高1%。如果煙氣溫度高于340℃,熱負(fù)荷大于9.3MW,應(yīng)在對流段和煙囪之間增設(shè)空氣預(yù)熱器預(yù)熱燃燒空氣,余熱可以利用。同時(shí)要安裝強(qiáng)制供風(fēng)燃燒器、鼓風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)道、熱風(fēng)道和煙道等。預(yù)熱器用于中小型加熱爐時(shí),應(yīng)盡量頂置,以簡化結(jié)構(gòu),降低改造費(fèi)用。一般靠爐子原來的煙囪自然排煙,應(yīng)避免排煙溫度接近露點(diǎn)溫度,排煙溫度以200~250℃為宜。
  燃料中有6%~10%的硫燃燒后轉(zhuǎn)化成SO3,繼而生成硫酸。煙氣內(nèi)SO3含量越高,露點(diǎn)溫度越高。管壁溫度至少要高于煙氣露點(diǎn)溫度25℃。若燃料中硫含量小于1%,管壁溫度最低為135℃;若燃料中硫含量為4%~5%,管壁溫度最低為149℃〔1〕。
  避免煙氣露點(diǎn)腐蝕的措施有:用低壓蒸汽或熱油預(yù)熱空氣;用預(yù)熱器出口高溫空氣循環(huán)預(yù)熱進(jìn)口空氣,以保持較高的空氣進(jìn)口溫度;采用低合金耐腐蝕鋼或非金屬材料。
  6.應(yīng)用高溫輻射涂料增強(qiáng)換熱效果
  近幾年來,在管式爐爐膛內(nèi)表面噴涂高溫輻射涂料,以增強(qiáng)輻射傳熱量。爐內(nèi)壁常用的耐火材料(耐火磚、耐火混凝土和耐火纖維氈三大類)輻射系數(shù)小,而高溫輻射涂料的幅射系數(shù)大,涂抹后會增加熱源對爐壁的輻射傳熱量,使?fàn)t壁表面溫度上升,達(dá)到增大爐管的傳熱量和加熱爐的熱負(fù)荷之目的〔3〕。

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