过剩空气系数对加热炉的影响

过剩空气系数对加热炉的影响

张德余 王刚 万斌

（中国石油抚顺石化公司洗涤剂化工厂）

摘要：本文从理论上分析了过剩空气系数对加热炉节能和对大气环境的影响，并结合实际操作提出了对加热炉优化控制的方案。

关键词：过剩空气系数、加热炉、节能、氧含量、环境、热效率。

1 前言：

能源是经济发展的基石，但我国人均能源占有量低且能耗高。石油化工企业作为能源生产和消耗大户，提高加热炉效率、降低燃料消耗尤为关键。同时，石油化工企业也是大气污染的主要源头，为保护环境，必须优化燃烧、减少排放，并遵守严格的环保法规。影响加热炉节能和环保的因素众多，但过剩空气系数是关键参数。它影响加热炉操作和热效率，并减少燃料燃烧污染。过剩空气系数是实际供给空气量与理论空气量之比，一般选a=1.2以保证燃料完全燃烧。

2 过剩空气系数对加热炉的影响:

   主要有以下三点:

(1)影响加热炉内辐射段和对流段传热量的比例分配造成加热炉热效率下降。

(2)使炉管露点腐蚀温度升高。

(3)生成NOx、CO、等有毒气体对大气的污染。

针对过剩空气系数对加热炉的影响现逐步加以分析。

2.1加热炉的传热方式主要有辐射传热和对流传热，过剩空气系数增加改变辐射段和对流段传热量比例分配，空气带走大量热量，使加热炉效率降低。

    辐射室高温火焰及烟气传给辐射管的热量由两部分组成，一部分是火焰和烟气以辐射方式传给炉管的，一部分烟气以对流的方式传给炉管的，由于对流传热的比例很小因此辐射室主要以辐射传热加以考虑。

         Lobo-Evans法辐射传热公式：

Qr=5.68aAcpF[(Tg/100)4-(Tw/100)4]

  式中：Qr—辐射传热吸收量W

aAcp—当量冷平面m2

F—总交换因数，与烟气的辐射率有关的一个参数

        Tg—辐射室中烟气的平均温度K

        Tw—辐射室外壁平均温度K

   对已设计完成的加热炉，aAcp已成定值，当热负荷Qr固定时，过剩空气系数的大小影响总交换因数F，从而影响Tg和Tw

过剩空气系数对对流段的影响:

在加热炉的对流室，介质与烟气之间主要以对流形式传热，对流段的总传热系数可表示为：

式中：hj—管外膜传热系数，W（m2.℃）

      hO—管外膜传热系数，W(m2.℃)

由于管外烟气的膜传热系数比管内膜传热系数小得多，所以起决定作用的是烟气侧，以翅片管为例，其外表面膜传热系数用Briggs的准数可表示为：

      ho=0.1603kg/Db(Re)0.718(Pr)1/3[dp/l]0.296

对于已设计完成的加热炉，DP、dp l是固定值，随着过剩空气系数的增加，烟气的量随之增大，意味着对流室的烟气质量流速随之增大，导致雷诺准数增加，而烟气本身的物理属性受剩空气系数的影响很小,外膜传热系数有所提高,对流室吸收的热量有所增加.

从上面分析可知,过剩空气系数增高时,辐射室吸收的热量减少而对流室吸收热量增加,对流室吸收的热量能否弥补辐射室减少的热量呢?现分析如下:

加热炉热负荷Q=Qr+Qn

在辐射室通过辐射所获得热量与高温烟气Tg的绝对温度成四次方的关系而过剩空气系数对燃料燃烧的温度影响很大，如图1

                图1                                  图2

过剩空气系数从1.2至1.6，最高温降330℃，热效率下降。对流室中流速增加，Ho变化小，对流室吸热量增加远小于辐射室损失，总热量Q减少，加热炉效率降低。图2示空气系数每增0.1时热效率下降情况。保持热负荷需增加燃油，不利节能。F-501加热炉空气系数从1.2至1.4时（热负荷不变）燃油用量增加。：

燃油量增加0.127吨即燃油损失4%。

2.2当过剩空气系数增加时使露点温度升高。

由于燃油中含有1%的S，S燃烧生成SO2，过剩空气系数大时过量的氧气与SO2生成SO3其反应方程式如下：

     SO2+1/2O2≒SO3+23kcal/mol

这是可逆反应，由于反应的放热性，当温度降低时，平衡向右方移动随着烟气上升时温度下降SO3生成的量变大。过剩空气系数与SO2转化成SO3的比率如图3：

本装置燃油含S 1%，烟气中水蒸气约10-12%。露点温度随SO3含量升高，需提高排烟温度或改善炉管材质以防腐蚀，但不利节能。设计操作中需保持加热炉尾部受热面壁温高于露点温度，防止腐蚀和堵塞。加热炉热效率常受限于低温露点腐蚀。

2.3生成的NOx  CO对大气环境污染的影响

过剩空气系数影响大气环境，特别是NOx排放。NO2是严重污染物，对呼吸道有害，还能引发光化学二次污染。

N2+O2=2NO             2NO+O

2=2NO2

NO由N2和O2高温生成，NO2则不需高温，加热炉中过量氧气促使NO与O2迅速化合为NO2。NO2危害大，需减少其生成。选取合适过剩空气系数可显著降低NO2生成机率。

当过剩空气系数较低时，氧含量也较低，燃料不完全燃烧，2C+O2=2CO，生成的CO其危害性与NO2相似，生成的CO不仅污染大气而且浪费了燃料。大气污染严重的城市其空气成分与国家制定的清洁空气成分列表如下：(单位ppm)

从表中可以看出燃料燃烧所造成的大气污染主要是SO2、CO、NOx。而SO2的含量主要与燃油的含S量有关，与过剩空气系数无关。

综上所述，加热炉过剩空气系数控制的高低，对加热炉的节能和大气环境的保护会产生很大的影响，因此必需选择一个合适的过剩空气系数，实际操作中一般选取过剩空气系数为1.2。

3.优化操作和控制

针对过剩空气系数，对加热炉的影响，在今后的加热炉操作中应做好以下二点：

3.1 加强对三门一板维护和保养。据报到对于一台热负荷为25KW的加热炉当炉底负压为-98Pa时，每0.1M2的漏缝可以导致大约3000M3/H的空气漏入，使过剩空气系数增大0.1。因此对加热炉的看火孔、点火孔要盖紧盖严，可以将看火孔类的窗口用高温玻璃做成视镜，加强对风门和烟道挡板的维护，使其能有效调节，让空气从风门进入，严禁从其它部位漏入。

3.2 改进控制方案。

F-501加热炉通过500-PIC-59自动调节烟道挡板开度，同时监视AR-64A、AR-64B氧含量表。此法未考虑燃烧器风门影响，辐射室负压不精确反映氧含量。建议采用氧含量直接控制进风挡板，利用氧化锆在线测氧仪表提供可靠调节讯号，改善F-501控制。

这种控制方案既能保证合理的过剩空气系数，使燃油完全燃烧，又能使炉膛负压恒定，同时减轻了操作工的劳动强度。

4 结束语

    综上所述，选择合适的过剩空气系数对加热炉的节能和减少大气污染有着十分重要的意义，在今后的操作中必须将加热炉的过剩空气系数控制在a=1.2左右。确保加热炉在高效、环保的状态运行。