加热炉论文

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探讨加热炉的主要节能措施及制约因素

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潘诚

(塔里木油田公司塔西南石化厂炼油二车间 新疆泽普 844804)

“嘉少有远量。汉末天下将乱,自弱冠匿名迹,密交结英隽,不与俗接,故时人多莫知唯识达者奇之。”陈寿著《三国志》时在《郭嘉传》内引入了《傅子》这段话,对郭嘉的评价很高。无论我们对三国的印象是从《三国志》,还是《三国演义》中得来,都应该知道郭嘉是曹操手下的杰出谋士。郭嘉并没有陪曹操走完整个争霸天下的马拉松,他在常年征战中,身患重疾,年仅三十七岁便逝世了——但曹操却在被火烧赤壁之后仍感慨道:“若奉孝在,决不使吾有此大失也!……哀哉奉孝!痛哉奉孝!惜哉奉孝!”“奉孝”就是郭嘉的字,他是颖川阳翟(今河南禹县境内)人,生于东汉建宁三年(公元170年)。郭嘉少负气节,胸怀大志,洞察力远胜常人。各朝军阀混战,历

摘要:本文介绍了加热炉主要的节能途径、主要技术措施及应注意的问题,并阐述了进一步提高加热炉节能水平的制约因素。

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关键词:炼油装置 加热炉 节能 热效率

1 前言

自燃料气单价从今年4月1日起由0.51元每方涨到0.81元每方后,加热炉就成了重整装置的能耗大户,其节能措施对于提高装置的节能水平具有重要意义。

本文重点介绍加热炉一些主要节能途径;探讨节能途径的主要技术措施。以及提高加热炉节能水平的制约因素:降低排烟温度,要考虑经济性和露点腐蚀;过分降低炉外壁温度,会导致费用过高;预热空气温度过高对环保不利。提出了进一步提高加热炉节能水平的建议;开发新的余热回收工艺。

2 加热炉节能的主要途径

炼油装置加热炉的节能措施比一般工业炉要灵活得多,这是由于它所加热的工艺介质在经过后续设备完成蒸馏或其他加工过程之后,产品需要冷却到一定温度才能送出下一个装置,冷的原料和热的产品之间往往要进行复杂的热交换。另外,一个装置内常常不只有一台加热炉,还有各种其他设备,它们之间在热能利用方面往往是可以互补的。这就有可能也有必要首先把加热炉同整个装置结合在一起,全面考虑和优化,以便采取综合节能措施。

2.1 优化换热流程,降低加热炉热负荷

炼油装置的特点是:加热炉的热负荷随换热流程的不同而改变。优化换热流程、降低加热炉热负荷,是减少燃料消耗、降低装置能耗最直接、最有效的措施。以本装置重整炉为例:重整进料前的精制油温度即冷路温度57℃,,经过一组利用反应器出口余热为能量的换热器E1201和E1202后精制油被加热到400℃,然后再经过四合一炉进一步将已有一定温度的(400℃)油气加热到480℃。经过换热流程的优化,原油换热终温(即四合一炉入口温度)从57℃提高到了400℃, 重整炉热负荷几乎减少了近80%,取得了显著成果。

2.2 加热炉与其他设备联合回收余热

炼油装置的产品,有一些是要经过空冷才能送出下一个单元的。如果将这些空气冷却器排出来的热空气(例如本装置重整空气冷却器下方或附近的环境温度一般都有50~60℃甚至更高)收集起来供给炉子作燃烧空气或者用来加热冷油,那么就可以回收一部分热能,从而降低装置的能耗。常见的有用热油式空气预热器代替空冷器,将原来空冷的油品引入热油式空气预热器,冷却后送出下一个单元。

2.3 提高加热炉热效率[1]

热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标,其高低关系着炼油装置能耗的高低。可用简化的热效率平衡表达式描述:

η =(1- Q1- Q2- Q3)×100%

式中:η 为加热炉热效率;Q1为排烟损失占加热炉总供热的比值, 是排烟温度和过剩空气系数的函数;Q2为不完全燃烧损失占加热炉总供热的比值;Q3为散热损失占加热炉总供热的比值。

2.3.1 降低排烟温度以减少排烟损失[2]

排烟损失在加热炉的热损失中占极大的比例:当炉子热效率较高(例如90%)时,排烟损失所占比例为70%~80%;当炉子热效率较低(例如70%)时,所占比例高达90%以上。

降低排烟温度和降低过剩空气系数都能减少排烟损失。降低排烟温度的主要措施有以下几种:① 减小末端温差, 即减小排烟温度与被加热介质入对流室温度之差。这项措施涉及到一次投资和运转费用的权衡问题,应该由详细的技术经济比较来决定。末端温差大,一次投资少,但加热炉热效率低,运转费用高;末端温差小,一次投资大,热效率高,运转费用低。② 将需要加热的低温介质,如热载体等引入对流室末端。把加热炉的对流室作为换热器,加入换热流程中一并优化。③ 采用各种空气预热器以预热空气,烟气预热空气是加热炉回收烟气余热、提高热效率主要的和最常用的方法。④ 采用烟气“余热锅炉”分担一部分热载体炉的热负荷。如重整装置的“四合一”重整炉:四个炉辐射室用隔墙分别隔开,各炉辐射室的烟气混合后集中通过炉子顶部共用的对流段先加热热载体,再通过热管预热空气。⑤ 除灰除垢, 以保证加热炉长期在高热效率下运转。不完全燃烧产生的炭粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管的外表面和空气预热器的换热面,增加热阻,降低传热效果。随着积灰的增加,排烟温度迅速上升,热效率显著下降。为了保证加热炉长期在高热效率下运转,必须坚持用吹灰器定期清除积灰。

2.3.2 降低过剩空气系数以减少排烟损失[3]

加热炉是靠燃料燃烧供给热量的。在工业炉中,燃料不可能在化学平衡的空气量(理论空气量)下完全燃烧,总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。对于一般炼油装置的加热炉在烧气时,正常的过剩空气系数α 为1.05~1.15。在实际操作中,如果过剩空气量增加,排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气,使排烟损失增加,热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的, 所以排烟温度越高,过剩空气带走的热量就越多,对热效率的影响也就越大。降低过剩空气系数的办法很多:首先是要选用性能良好的燃烧器,保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧;其次是应做好加热炉的堵漏,因为炼油加热炉几乎都是负压操作的,如果看火门、人孔门、弯头箱门等关闭不严或炉墙有泄漏之处,从这些地方漏入炉内的空气一般都不参与燃烧而白白带走热量。

2.3.3 减少不完全燃烧损失

在排烟损失中,除了前面所述的烟气物理热损失之外, 还有由于不完全燃烧而造成的化学热损失。不完全燃烧除造成热损失、降低热效率外,还造成大气污染。减少不完全燃烧损失的措施,首先是选用性能良好的燃烧器,并及时和定期进行维护,使燃烧器长期保持在良好状态下运行,以保证在正常操作范围内能完全燃烧;其次是在操作中精心调节,以保证过剩空气量既不太多,也不太少[4]。

2.3.4 减少散热损失

加热炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热,散热量与炉外壁温度、环境温度和加热炉所处位置的风速等有关。对于已经使用多年、炉墙已有损坏的炉子,及时修补炉墙以减少散热损失、提高热效率却是很有必要的。

3 加热炉节能措施的制约因素

加热炉热效率的提高并不是无止境的,它要受技术、经济和环保等方面的制约。对制约因素不采取行之有效的解决措施,而过分追求高热效率并不是明智的。其所付出的代价可能是过高的一次投资、过早的设备损坏或者较短的操作周期等等。

3.1 降低排烟温度的制约因素

从理论上讲, 排烟温度可以降到接近环境温度,这时可以获得最高的热效率。但在工程实际中,这是不可能的,因为排烟温度的降低要受经济和技术两方面的制约[5]。随着排烟温度的降低,烟气余热回收系统的末端温差越来越小,传热效果也越来越差,回收余热的换热面积也就越来越大。因此,必须根据经济评价确定一个经济合理的余热回收末端温差。另外降低排烟温度在技术方面主要受烟气露点的制约。余热回收换热面的温度必须高于烟气的露点温度,否则换热面将受到露点腐蚀而损坏。另外,换热面在露点下积的灰将是“黏灰”,黏灰是很难清除的。这种黏灰越积越多,烟气侧的阻力迅速增加,甚至使余热回收系统难以操作而被迫停运[6]。防止露点腐蚀和黏灰沉积的有效办法是将低温段换热面的温度控制在如图3-1 所示的曲线以上。

图3-1 燃料中硫含量与最低金属壁温度的关系

当炼油加热炉烧劣质燃料时,这些劣质燃料中在所难免都含硫、氮化物等杂质。在这种条件下,提高热效率和降低排烟温度比较困难。

3.2 降低炉外壁温度的局限性

降低炉外壁温度,减少散热损失,提高热效率,这是肯定的。但炉外壁温度降到多少才是合理的,这要通过技术经济分析才能决定。分析时应考虑到两点:包括炉墙材料费在内的一次投资随着炉外壁温度的降低而增加;包括燃料费在内的运行费用随炉外壁温度的降低而减少。该温度主要取决于耐火隔热材料的价格和燃料价格。因此,过分追求太低的炉外壁温度,要求更厚的炉衬厚度或更高级的耐火隔热材料,也有失偏颇。另外,炉外壁温度的确定还要考虑安全方面的要求, 以避免烫伤。

3.3 环保方面的局限性

烟气预热空气是提高加热炉热效率最常用的措施。但是,随着空气温度的提高,空气密度下降, 燃烧产物中的NOx增加。如果没有适当的措施来降低NOx,则对环保不利。

4 加热炉进一步节能的期望和建议

从20 世纪70 年代至今,炼油加热炉的热效率一再提高, 从70%左右提高到现在的90%左右,各种节能设备和监控设施已基本完善,取得了很大成绩。但是,加热炉的节能征途并未走到胜利的终点,还有较大的进取空间。当然,这需要做很多工作,但这并不是不可能的。下面将探讨加热炉今后的工作方向。

4.1 认真净化燃料,降低露点温度

国内个别在用加热炉的热效率已有达到93%的。分析其原因,都是燃料很干净,基本上不含硫。因此,为了进一步提高加热炉热效率,首要的任务就是净化燃料。对于烧燃料气的加热炉,净化燃料主要是燃料气脱硫。气体脱硫是很成熟的工业技术,可以说燃料气达到基本上不含硫。这时,从余热回收系统排出的烟气温度可以在100℃左右, 热效率可达94%。

4.2 开发新的余热回收工艺,解决露点腐蚀和黏灰堵塞[7]

对于露点腐蚀,通常的解决方法是选用耐露点腐蚀的材料( 如铸铁、ND 钢、搪瓷管、玻璃管等) 作换热面,或净化燃料如降低燃料气中的硫含量来降低露点。这是很正常的,多年来也是这么做的。但是,也可以换个角度思维:将可能产生露点腐蚀的部位独立出来,采用有一定耐露点腐蚀的材料作换热面,让其腐蚀,并设计成便于用高压水冲洗清除黏灰和便于拆换的结构。这种结构能够在烟气露点温度之下回收热能,只要定期用高压水冲洗就能安全操作,直到其腐蚀到一定程度,不能再坚持使用时,再更换新的换热面。

4.3 开发新的燃烧方式

节能从源头做起,到目前为止,炼油装置加热炉是用常规燃烧方法将热量释放出来,被加热介质在辐射室主要通过辐射传热方式吸热。烟气中剩余的热量,还需要建立对流室,让烟气余热主要以对流传热方式传给被加热介质。为了节能,烟气中最后剩余的热量还要通过空气预热器回收。一般来说,烟气与炉管之间的传热方式中,辐射传热的速率数值是两者温度数值的4 次方差,而对流传热的速率数值则是两者温度数值的1 次方差。因此,辐射传热是最经济的传热方式。也就是说,传递同样多的热量,辐射传热所需的传热面积最小。如果加热炉采用新的燃烧方式,只用辐射室,不用对流室,同时做到高热效率完成传热任务,将节省大量投资。

5 结语

综上所述,虽然加热炉在节能方面取得了较大的成绩,但还未登上最高峰。只要我们不断地开发新技术,克服制约、局限节能的因素,就可以更上一层楼。

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  工业炉窑不管是燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等,节能高效是技术关键。

  烟气带走加热炉大量的高温热量,能量白白浪费,热利用率较低。余热回收可以使用使用蜂窝陶瓷蓄热体,但投入大,维修成本高,切换过程中也带走未燃烧的燃气,造成能源严重流失。 加热炉使用换热器则可且投资少、无切换机构、免维修。但如果使用金属换热器,由于材质的*,抗氧化能力差,不能在高温下长期使用,余热回收率低。如烟道温度达到800度以上,金属换热器非常容易被高温损坏,无法达到余热回收的目的。因此不论如何,加热炉高效换热是技术攻关难点。

  下面介绍蓄热式加热炉和管式加热炉处理能力的改造技术

  蓄热式余热回收

  目前国内外开始流行的一种*性的全新燃烧技术--蓄热式高温空气燃烧技术,它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至前所未有的800℃高温,同时大幅度降低Nox排放量,使排烟温度控制在*以上、150℃以下范围内,最大限度地回收烟气余热,使炉内燃烧温度更趋均匀。HTAC技术针对燃料种类或热值的不同,有单蓄热与双蓄热之分。一般认为油类、高热值煤气及含焦油粉尘的热脏发生炉煤气则只需或只能采用助燃空气单蓄热方式;清洁的低热值燃料(高炉煤气、转炉煤气)可采用双蓄热方式。

  蓄热式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体,主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。

  蓄热室是蓄热式加热炉烟气余热回收的主体,它是填满蓄热体的室状空间,是烟气和空气流动通道的一部分。在加热炉中,蓄热室总是成对使用,一台炉子可以用一对,也可以用几对,甚至几十对。在国内的一些大型加热炉上,最多用到四十几对。

  在蓄热式加热炉中,换向阀起到了至关重要的作用。为配合换向阀安全准确地工作,必须配备一套可简可繁的控制系统。

  蓄热体通常采用直径12~15mm的Al2O3质陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窝体。

  传统的燃烧方式是空气和煤气预混和扩散燃烧,在燃烧器周围存在一个局部高温区,造成炉温不均匀,影响加热质量。同时,在高温区内,氮气参与燃烧反应,导致烟气中NOx含量高,造成大气污染。蓄热式燃烧则完全不同,在蓄热式炉中,整个炉膛为一个反应体,空气和煤气充满炉膛,在这个炉膛内弥散燃烧,不存在局部高温区,氮气几乎不参与燃烧反应。与传统燃烧方式相比,其优势表现在下面几个方面:

  1 炉温更加均匀

  2 燃料选择范围更大

  采用蓄热式燃烧技术,空气预热温度由过去的400~600℃可提高到800~1100℃。由于燃料的理论燃烧温度大幅度提高,使燃料的选择范围更大,特别是可燃用800kcal/m3以下的低热值燃料,如高炉煤气或其他低热值劣质燃料。

  适合轻油、重油、天然气、液化石油气等各种燃料,尤其是对低热值的高炉煤气、发生炉煤气具有很好的预热助燃作用,扩展了燃料的应用范围。铝熔化燃油单耗指标在60kg/t.A以内。

  3 大幅度节能

  由于烟气经蓄热体后温度降低到150℃以下(特殊情况下可降至70~80℃),将烟气的绝大部分显热传给了助燃空气,做到了烟气余热的“极限回收”,因此,炉子燃料消耗量大幅度降低。对于一般大型加热炉,可节能25%~30%;对于热处理炉,可节能30%~65%。

  4 NOX生成量更低

  采用传统的节能技术,助燃空气预热温度越高,烟气中NOX含量越大;而采用蓄热式高温空气燃烧技术,在助燃空气预热温度高达800℃的情况下,炉内NOX生成量反而大大减少。由于蓄热式燃烧是在相对的低氧状态下弥散燃烧,没有火焰中心,因此,不存在大量生成NOx的条件。烟气中NOx含量低,有利于保护环境。

  5 金属氧化烧损低

  低氧燃烧的另一个好处是可降低被加热金属的氧化烧损。此外,蓄热式燃烧还可以提高火焰辐射强度,强化辐射传热,提高炉子产量。

  6 既适合新建熔铝炉或加热炉,更适合旧型熔铝炉或加热炉的蓄热式技术改造,可保留原炉基础及钢结构不动,在炉两侧或同侧增加蓄热式烧嘴,施工简单,技术先进成熟。

  7 项目投资不大,节能效益显着,投资回收期短。

  管式加热炉处理能力的技术改造

  针对早期建造的炼油厂和化工厂在役管式加热炉热负荷和热效率低的状况,提出了若干技术改造措施包括,增大对流管表面积以增大对流段的热负荷;增加辐射管的换热面积;修正烟囱高度;换用新型燃烧器,变自然通风为强制供风,以增大燃烧器的发热量,减小过剩空气系数,节省燃料2%~3%;在对流段和烟囱之间增设空气预热器以提高空气入炉温度;采用高温辐射涂料增强辐射换热效果,从而增加热源对炉壁的辐射传热量和炉管的传热量等。

  装置减少,而早期建造的加热炉,由于受当时技术条件的*,大多在低负荷条件下运行,热效率低。因此,对原有管式炉实施改造已成为日益迫切的任务。针对这种状况,笔者对现役管式加热炉做了深入调查及理论分析,总结出一套提高管式炉处理能力和热效率的措施,期望对我国炼油厂和化工厂旧设备的挖潜改造有所裨益。

  改造加热炉的目的就是增加热负荷,提高热效率。在实际操作过程中,为了提高管式炉的处理量,通过增强燃烧的办法,可提高热负荷10%左右。但因受辐射管壁温度过高、火焰*炉管和炉膛产生正压等条件*,其处理能力难以管式加热炉是炼油厂和化工厂重要的供热设备。目前,由于国家宏观经济政策的调整,新建加热再提高,仍不能满足热负荷要求〔1〕。

  因此,在改造之前,应收集分析和现场标定加热炉的性能指标,包括设计数据和操作时炉内各部位烟气温度和压力;燃烧空气温度、压力降及过剩空气系数;介质的进、出口温度和压力等。

  经综合分析,可从以下6个方面对管式加热炉进行改造。

  1.增加对流管表面积

  增加对流管表面积能增大对流段的热负荷。对流段位于辐射室上部,增加对流室高度比增加辐射室高度容易。在常减压装置、焦化装置中通常可采用这种改造方法。对流段排烟温度与介质进口温度之差,国外要求低于30℃,国内多为100~150℃。可从以下三个方面进行改造。

  其一,增加对流管数量。管式加热炉对流段上部一般留有高度不小于800mm的检修空间,小型加热炉高度不小于600mm,可在此空间加装对流管。若空间不够,可加高对流段,以增加对流管的换热面积。

  山东省某炼油厂250×105t/a常减压装置加热炉,设计热负荷23.255MW,对流段炉管为

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