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1、管 式 加 热 炉 第一节 概述 l 在石油化工厂装置内所用的加热炉，都是通过管子将油品或其它介质 进行加热的，故称为管式加热炉，通常简称为加热炉或炉子。 l 炼油工业采用管式加热炉始于1900年左右，最初出现的是“堆形炉”。 它参考釜式蒸锅的原理，吸热面为管束，管子间的联接弯头也置于炉中 ，由于燃烧器直接装在管束下方，此种炉各排管子的受热强度极不均匀 ，底排管常常烧穿，管间联接弯头也易松漏引起火灾。当时认为这是因 为辐射热太强了，于是便出现了纯对流炉。纯对流炉全部炉管都装在对 流室内，用隔墙把对流室与燃烧室分开，避免炉管受到火焰的直接冲刷 。然而，在操作中又发现对流室顶排管经常烧坏，而且炉管
2、受热仍然很 不均匀。这是因为高温烟气在进入对流室之前未能和一个吸热面换热， 在对流室入口处温度仍能高达1000左右。后来人们发现，在燃烧室内 安装一些炉管，一方面可取走部分热量降低烟气温度，解决对流室顶管 的过热烧坏问题，同时可利用高温辐射传热强度大的特点，节省炉管， 缩小炉子体积，这样，具有辐射室和对流室。方箱式加热炉开始出现了 ，这种箱式炉便是现代各种炉型的始祖。 l 由于管式炉较之釜式蒸锅性能优越，符合现代石油化学工业自动化、 连续化、大型化的要求，所以其技术发展很快，它几乎参与了石油炼制 化工生产的各类工艺过程，并对各类工艺技术的进步起到了很大的推动 作用。 第二节 管式加热炉种类 一
3、 箱式炉 l 箱式炉因其辐射室为一“箱子状”的六面体而得名，它又可分为以下几种：烟气立 行式、大型箱式、横管大型箱式、立管大型箱式、顶烧式和斜顶炉等。 l 烟气下行式炉是早期的管式炉型式，燃烧器横烧，烟气越过辐射室和对流室的 隔墙自上而下流经对流室。这种炉型的主要缺点是敷管率（辐射室排有管子的炉壁 占辐射室全部炉壁面积的比例）低，炉子体积大，需独立烟囱等。 l 大型箱式炉则在炉膛中间设一隔墙，把辐射室分成两间，从而大大提高了传热 反射面。它在炉膛的三个侧面上都安装了炉管，因此炉壁利用率有所提高，对流室 和烟囱都放在炉顶，烟气流动的阻力减少、横管和立管大型箱式炉与其基本结构差 不多，只是它们在隔
4、墙两侧也安装了炉管，以便更有效地利用炉膛空间和炉壁。它 们的优点是只要增加中央的隔墙数目，可在保持炉膛体积发热强度不变的前提下， “积木组合式”地把炉子放大，所以特别适合于大型炉。 l 顶烧式炉子的辐射室内，燃烧器和炉管交错排列，单排管双面辐射，管子沿整 个园周上的热分布要比单面辐射均匀得多。且燃烧器设在顶上向下燃烧，对流室和 烟囱放在地面上。缺点是炉子体积大，造价很高，用于单纯加热不经济。 l 斜顶炉由箱式炉演变而来，是箱式砍去炉膛内烟气流动的死角区而成，虽然它 对辐射室的传热均匀性有所改善，但并没有克服箱式炉的其它缺点，近年来几乎不 再采用。 二 立式炉 l 立式炉的辐射室的形状也是一个六
5、面体，与箱式炉相比，立式炉的辐射室宽度 要窄一些，其两侧墙的间距与炉膛高度之比约为1：2。立式炉可分为：底烧横管式 、附墙火焰式、环形管立式炉、立管立式炉、无焰燃烧炉等。 l 底烧横管式炉的炉管布置在两侧壁，中央是一列底烧的燃烧器，烟气由辐射室 、对流室经烟囱一直上行。燃烧器能量较小，数目较多，间距较小，从而在炉子中 央形成一道火焰“膜”，提高了辐射的效果。 l 附墙火焰式炉子炉膛中有一道火墙，火焰附墙而上，把墙壁烧红，使火墙成为 良好的热辐射体，以提高辐射传热的效果。 l 环形管式炉是用多根弯成U字形的炉管把火焰“包围”起来，适用于炉管路数多， 要求管内压力降小的场合。随炉子热负荷的增大，U
6、形弯可以增加到二个甚至三个 。 l 立管立式炉是我国首创的炉型，原来采用横管时要用大批的合金钢的管架，改 用立管后，节省了这批合金钢，同时又保留了立式炉的优点，常用作大型加热炉的 炉型。 l 无焰燃烧炉是单排管双面辐射炉型，它通过左侧壁上安装许多小型的气体无焰 燃烧器，使整个侧壁成为均匀的辐射墙面，有优越的加热均匀性，可分区调节各区 温度，是乙烯裂解和烃类蒸汽转化最合适的炉型之一。但造价昂贵，用于纯加热非 常不合算。还有一个缺点是只能燃烧气体燃料。 三 立式园筒炉 l 这种炉因辐射室为园筒形而得其名，它又可分为：纯辐射式、有反射 锥的辐射对流型，无反射锥的辐射对流型等。 l 纯辐射炉是最简单、
7、最便宜的炉子。当炉子热负荷非常小，而且对流 效率无要求时，采用这两种炉型。 l 有反射锥的辐射对流型炉是过去园筒炉的典型代表，最适于流体 进出炉温升不大时使用。但由于这种炉子为了强化传热在炉膛顶部使用 了反射锥，当炉子烧劣质燃料时容易腐蚀损坏，燃烧器的火焰尖部也容 易烧到反射锥上造成烧损。 l 现代立式园筒炉的主流是无反射锥的辐射对流型炉。它取消了反 射锥，能够建造较大的炉子。它的对流段水平布置若干排管子，并尽量 使用钉头管和翅片管，热效率较高。它的制造及施工简单，造价低，是 管式加热炉中应用最广泛的炉型。但是这种炉子放大以后，炉膛内显得 太空，炉膛体积发热强度将急剧下降，结构上和经济上都不利
8、。 四 大型方炉 l压力降也是判断炉管是否结焦的一个重要指标。如果流体 流速未变，而压力降增加，就是炉管结焦的象征。 l因此，加热炉的热效率在设计负荷下一般将达到最高值， 在此基础上，无论降低还是增加负荷，炉子热效率都会降低 。 l这种炉子用两排炉管把炉膛分成若干小间，每间设置一或 两个大容量强燃烧器，分隔可以沿两个方向进行，称之为“ 十字交叉”分隔法。它通常把对流室单独放到地面上。还有 把几台炉子的烟气先汇集过来，送进一个公用的对流室或废 热锅炉。这种炉子结构简单，节省占地面积，便于回收余热 ，容易实现炉群集中排烟，减轻大气污染。它是专为超大型 加热炉开发的。 第三节 管式炉的主要技术指标
9、一 热负荷 l每台管式加热炉单位时间内向管内介质传 递热量的能力称为热负荷，一般用kca1h 为单位。 l一般的辐射对流型的加热炉，辐射室 热负荷约占7080，对流室约占2030 。 二 炉膛体积发热强度 l燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积，称之为炉膛 体积发热强度。它表示单位体积的炉膛在单位时间 里燃料燃烧所发出的热量，一般用Kca1m3h为 单位。 l炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有影响，如果炉膛 体积过小，则燃烧空间不够，火焰容易舐到炉管和 管架上，炉膛温度也高，不利于长周期安全运行， 因此炉膛体积发热强度不允许过大，一般控制在10 万Kca1m3h以下。 三辐射表面热强度 l辐射炉管每单位表
10、面积（一般按炉管外径计算表 面积），每单位时间内所传递的热量qr称为炉管的 辐射表面热强度，也称为辐射热通量或热流率，单 位为Kcalm2h。 lqr表示了辐射室炉管传热强度的大小（一般指主 辐射室所有炉管的平均值）。一台炉子的平均辐射 热强度究竟取多少为宜，与许多因素有关，例如管 内介质特性、管内介质的流速、炉型、炉管材料、 炉管尺寸、炉管的排列方式等等。 四 对流表面热强度qc l含义同qr一样，单位也是Kcalm2h，但它 是对对流室而言。 l近年来为提高对流传热，对流炉管的管外 侧大量使用了钉头或翅片，钉头管或翅片管 的对流表面热强度习惯上仍按炉管外径计算 表面积，而不计钉头或翅片本身
11、的面积。钉 头管或翅片管按此计算出的热强度一般在光 管的二倍以上。 五热效率 l 热效率表示向炉子提供的能 量被有效利用的程度，其定 义可用下式来表达： l式中有效吸热量即为炉子 的热负荷，总发热量一般为 燃料的发热量。可见，当炉 子热负荷不变时，热效率越 高，则燃料用量越少。 六 炉膛温度 l又叫火墙温度，指烟气离开辐射室进入对流室时 的温度，它表征炉膛内烟气温度的高低，是炉子操 作中主要的控制指标。 l炉膛温度不能太高，一般控制在850以下，但 不是绝对的。炉膛温度高有利于辐射传热，但太高 后会使炉管热强度过高，容易使炉管结焦和烧坏。 此外进入对流室的烟气温度也会过高，使对流管易 烧坏。因
12、此，炉膛温度是确保加热炉长周期安全运 行的一个重要指标。 七 管内流体的流速及压力降 l流体在炉管内的流速不能太低，否则容易 使管内的介质结焦而烧坏炉管。因为流速太 低时，管内边界层厚度大，传热慢，管壁温 度升高，而且介质在管内停留时间长，但流 速过高又会增加管内压力降，增加了管路系 统的动力消耗。 l压力降也是判断炉管是否结焦的一个重要 指标。如果流体流速未变，而压力降增加， 就是炉管结焦的象征。 第四节 管式炉的一般结构和零部件 一 辐射室 l辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传 热的部分。这个部分直接受到火焰冲刷，温 度最高，必须充分考虑所用材料的强度，耐 热性等。这个部分是热交换的主要
13、场所，全 炉热负荷的7080是由辐射室承担的，它 是全炉最重要的部位。可以说，一个炉子是 优是劣主要看它的辐射室的性能如何。 1 辐射室尺寸 l辐射室的尺寸主要是从以下三个方面来考 虑的：辐射室热负荷及辐射管外表面平均 热强度；管心距和管墙距；燃烧器的能 量（发热量）型式和布置以及炉管至火焰的 距离。 2 辐射室零配件的设置 l为了便于操作和保证运行安全，管式炉辐 射室应设置下列零配件：看火门、人孔门、 防爆门，热电偶套管，测压管，灭火蒸汽管 等。 看火门 l看火门主要是用来观察炉内火焰状况和辐 射管运行情况的，因此看火门的数量和位置 应能看到所有燃烧器燃烧状况，并能观察到 所有的辐射管 人孔
14、门及检修孔门 l为了能进入辐射室进行检修，需要设置人 孔门和检修门。当辐射室内有隔墙分开并且 不能通行时，每间内必须设置一个人孔门。 l对于炉底无法安装人孔门的小园筒炉，检 修时可拆下燃烧器，其开孔兼作人孔。 防爆门 l当炉内积存可燃气体和空气的混合物时， 就有发生爆炸的危险，因此辐射室均应设置 防爆门，以便在发生爆炸事故时，能及时卸 压。防爆门的位置应能保证卸压时喷出的热 气流不致危及人员和临近设备的安全。 l为了能及时卸压，防爆门的数量应与辐射 室的空间成比例，多室炉膛每室至少应有一 个防爆门。 热电偶套管和测压表 l烟气出辐射室的温度是必须测量的特性温度。对 于园筒炉和立式炉，烟气出辐射
15、室的温度测点设在 辐射室至对流室的过渡处。斜顶炉和方箱炉，该测 温点设在火墙上方，因点温度通常又称为火墙温度 。 l管式炉都是在负压下操作的，为了保证炉内各点 均处于负压下，以避免烟气外溢而损坏钢结构，通 常要求炉顶（辐射室顶）负压保持在2mmH2O左右 ，因此，在辐射室顶部设置测压管。 灭火蒸汽线 l当炉膛失火时，需要通入蒸汽灭火。在开门点火 之前，也需要通入蒸汽以置换炉内可能存在的可燃 气体同空气混合物，避免点火时发生爆炸事故。因 此需在辐射室的底部专门设置灭火蒸汽管。 l在某些情况下，还需在弯头箱内安设灭火蒸汽线 ，以确保炉子安全。这些情况是；a.管子被加热介 质腐蚀和冲蚀很厉害，弯头有
16、可能在运转中被腐蚀 穿；b.采用带堵头的回弯头，因而有可能在运转中 发生泄漏。 管式炉结构简图 二 对流室 l对流室是靠由辐射室出来的烟气进行对流 换热的部分，但实际上它也占有部分辐射热 交换，而且有时辐射换热还占有颇大的比例 。所谓对流室不过是指“对流传热起交换作用 ”的部位。它一般担负全炉热负荷的2030 ，对流宝吸热量的比例越大，全炉的热效率 越高。 l对流室一般都布置在辐射室之上，与辐射 室分开，单独放在地面上也可以。 1对流室尺寸 l管式炉的对流室一般采用箱形，截面为长方形。确定对流 室截面积的主要参数是烟气流速。烟气流速与对流传热系数 成指数关系，与烟气压降几乎成平方关系。 l对流室截面尺寸的确定，往往还受结构设计的限制，如立 式炉的对流室长度一般与辐射室一样，即使缩短，也不能太 短，以避免在辐射室造成较大的死角，而对流室宽度如果太 窄，又给排管施工带来困难。因此，立式炉的对流室截面常 常偏大，烟气流速较低
