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）

針對目前工業應用中再生氣加熱爐的情況、標準規范的要求，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，使天然氣的開發應用日益受到重視，天然氣已是一種優質、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境污染，其燃燒排放量遠低于石油和煤。已廣泛用于工業部門、發電、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為液體，體積僅為原氣態時的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，從而實現節能、環保要求。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，一般根據情況設置一組或多組燃燒器，底部為發熱面。燃燒方向和抽力方向一致，因而可減少火焰亂流現象，燃燒和操作比較穩定。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 再生氣加熱爐系統計算

1.2.1 燃燒系統熱力計算

（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

ACP——當量平面，m2

F——氣體交換因數

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。

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，按照式（3）計算。

式中kC——對流段總傳熱系數，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比光管大很多，但是容易積灰，設計者可根據實際情況進行選用。

1.2.2 燃燒系統煙氣阻力計算

本設計的再生氣加熱爐結構中燃燒系統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

l——管道長度，m

d——通道當量直徑，m

ξjb——局部阻力系數，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。所有數據中，V1均小于V2，無一例外。這一現象說明，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

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 主要技術參數和計算結果

2.1 用戶提供再生氣加熱爐的參數（表1，表2）

表1 用戶提供主要技術參數

2.2 計算結果

根據上述計算方法，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

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及燃燒器保證加熱爐的安全運行，能根據出口的溫度情況及時調節燃燒器的運行工況，可避免浪費，節約能源。

表4 再生氣加熱爐運行值與設計值比較

［1］工業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：石油化學工業出版社.

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

〔編輯王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.02