丙烷脫氫裝置進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：進料加熱爐是丙烷脫氫制丙烯的主要設備之一，由于裂解所需溫度很高，故其內部耐火水泥的澆筑質量將直接影響到進料加熱爐的壽命以及運行成本。本文對進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。

關鍵詞：丙烷脫氫進料加熱爐耐火水泥澆筑

1引言

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

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

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料加熱爐是意大利ITT公司的產品，生產能力為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）。考慮 到中方施工的實際困難，對流段以及煙道段已經在生產廠家澆筑完畢，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㎡。所有底板均在現場澆筑并養護后再進行吊裝，現場總澆筑工程量178.18m3，94.15噸。

1.1 爐墻散熱損失計算

根據熱傳導理論，爐墻散熱損失計算應分為平壁和圓筒壁兩種。當圓筒壁內徑與外徑之比大于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一一一爐墻散熱強度，kW/m2；

T1，一一-爐墻內壁溫度，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各層爐墻相對應材料導熱系數，kW/m2 · k；

an一一爐墻外壁對空氣的給熱系數，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熱系數的影響。爐墻越厚，爐墻對應材料的導熱系數越小散熱越少。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材料的導熱系數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，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，以確認筑爐的質量。

1.2爐墻外壁對空氣的給熱系數αn的計算

αn =anc+anr

αnc = A x

αnr=

nc一一對流傳熱系數，kW/（m2 · K）；

一一輻射傳熱系數，kW/（m2 · K）；

A一與爐壁表面散熱有關的系數，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之間的關系如下表，表中還根據爐墻熱損失，折算出了消耗的天然氣量以及全年的天然氣消耗費用。

天然氣熱值按每標準立方米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結論

丙烷脫氫進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，僅為設計熱損失量（0.62 -0.73kW/㎡）的約30%，顯示出極好的澆筑質量。在測量爐壁溫度的過程中，發現內壁有裂紋的地方，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，但長久運行，仍然不可忽視。

參考文獻：

[l]國家醫藥管理局上海醫藥設計院編.化工工藝設計手冊.第二版.北京：化學工業出版社，1996

[2]錢家麟主編管式加熱爐第二版.北京：中國石化出版社，2003

[3]代有凡編.石油化工廠設備檢修手冊.第7分冊，加熱爐.北京：中國石化出版社，2001

[4]姚玉英主編.化工原理.天津：天津科學技術出版社出版