管式加熱爐設計和應用

關(guān)于管式加熱爐設計和應用第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.1概述

加熱爐的定義：在煉廠生產(chǎn)的主要裝置中，對原油或油品進行加工時，一般都需要在較高的溫度下進行，因此必須有提供熱源的加熱設備，這種加熱設備叫加熱爐。

現(xiàn)代煉廠都采用管式加熱爐，它利用燃料在爐膛內(nèi)燃燒時產(chǎn)生的火焰與高溫煙氣作為熱源，來加熱在爐管中高速流動的油品，使其達到工藝規(guī)定的溫度，以供給原油或油品在進行分餾、裂解或反應等加工過程中所需要的熱量，從而保證生產(chǎn)正常進行。

第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

（1）被加熱介質(zhì)在管內(nèi)流動，故僅限于加熱氣體或液體。而且，這些氣體或液體通常都是易燃易爆的烴類物質(zhì)，同鍋爐加熱水或蒸汽相比，危險性大，操作條件要苛刻得多?！?/p>

管式加熱爐的特征：（2）加熱方式為直接受火式。（3）只燒液體或氣體燃料。（4）長周期連續(xù)運轉(zhuǎn)，不間斷操作。第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標◆

管式加熱爐的重要性：

（1）管式爐的基建投資費用，一般約占煉油裝置總投資的10~20%，占總設備費用的30%左右。在重整制氫和裂解等化工裝置中則占建設費用的25%左右。管式爐的基建投資費用大小直接影響著整個生產(chǎn)裝置或煉油廠、石油化工廠的基建投資。被加熱型管式爐的工程費用占裝置工程費用的比例較小，加熱—反應型管式爐占的比例則較大，詳見下表1工程費比例。表1工程費比例（%）第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

（2）管式爐是煉廠消耗燃料的主要設備。一般加工深度較淺的煉廠所用燃料量約占加工能力的3~6%，中等加工深度的約占4~8%，較深的為8~15%，其費用約占總運行操作費用的60~70%。因此，爐子熱效率的高低與節(jié)約燃料、降低成本有極密切的關(guān)系。表2列舉了石油加工常見裝置的能耗比例。表2能耗比例（%）

在生產(chǎn)中，我們總是希望整個裝置達到“三高一低”（高處理量、高質(zhì)量、高效率和低消耗）及“長周期安全運轉(zhuǎn)”，大量實踐表明，管式爐設計與操作的好壞，往往是關(guān)鍵問題之一。第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.2管式加熱爐的一般結(jié)構(gòu)管式加熱爐的一般結(jié)構(gòu)

管式加熱爐如下圖所示，一般由盤管及其支撐系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)、爐襯、燃燒器系統(tǒng)，以及余熱回收系統(tǒng)等部分組成。

第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

1）盤管

爐管與彎頭或集合管連接組成盤管。在純加熱型管式爐中,工藝介質(zhì)在盤管內(nèi)邊流動、邊吸熱，出爐后進入分餾塔、反應器、換熱器等后續(xù)設備。在加熱一反應型管式爐中，如制氫轉(zhuǎn)化爐，每根爐管就是一個直接火焰加熱的轉(zhuǎn)化反應器，管內(nèi)裝填有催化劑、工藝介質(zhì)(烴+水蒸汽)，邊吸熱、邊進行著復雜的烴一蒸汽轉(zhuǎn)化反應、水煤氣反應和析炭消炭反應等，工藝介質(zhì)離開轉(zhuǎn)化爐時，已經(jīng)轉(zhuǎn)化成氫+水蒸汽+二氧化碳+一氧化碳。第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

2）鋼結(jié)構(gòu)管式爐的鋼結(jié)構(gòu)是用來支撐全爐重量，同時還要承受風荷載和地震力。3）爐襯

管式爐的爐襯主要起耐火保溫作用，它的受熱面要承受幾百攝氏度甚至一千多攝氏度的高溫，同時要使爐外壁溫度降到100℃以下，以避免人員燙傷和減少散熱損失。第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

4）燃燒器系統(tǒng)燃燒器系統(tǒng)一般包括燃燒器、燃料供給及其自控系統(tǒng)。燃燒器的好壞，直接影響著管式爐的熱效率、大氣污染和噪音污染等。為了滿足節(jié)能和環(huán)保方面越來越高的要求，開發(fā)和研制性能優(yōu)良的燃燒器及其控管系統(tǒng)，是十分必要的。第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

5）余熱回收系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)一般包括空氣預熱器或廢熱鍋爐、鼓風機、引風機、煙道、風道等。管式爐設置余熱回收系統(tǒng)的目的，是為了回收煙氣余熱，

以提高管式爐的熱效率，降低石油化工廠的能耗。第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.3管式加熱爐的種類各種管式加熱爐通?？砂赐庑位蛴猛緛矸诸?。

1.3.1按外形分類

按外形大致上分為以下四大類（16類）：箱式爐（6類）、立式爐（6類）、圓筒爐（3類）、大型方爐（1類）。這種劃分法系按輻射室的外觀形狀，而與對流室無關(guān)。所謂箱式爐，顧名思義其輻射室為一“箱子狀”的六面體。與它相比，立式爐的輻射室寬度要窄一些，其兩側(cè)墻的間距與爐膛高度之比約為1：2。圓筒爐、大型方爐的稱呼也按同理而來。第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1）箱式爐

包括6類：煙氣下行式、大型箱式爐、橫管大型箱式爐、立管大型箱式爐、頂燒式、斜頂爐。煙氣下行式大型箱式爐橫管大型箱式爐立管大型箱式爐頂燒式斜頂爐第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標2）立式爐

包括6類：底燒橫管式、附墻火焰式、環(huán)形管立式爐、立管立式爐、無焰燃燒爐、階梯爐。底燒橫管式附墻火焰式環(huán)形管立式爐立管立式爐無焰燃燒爐階梯爐第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標3）圓筒爐

螺旋管式純輻射式輻射對流型第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標4）大型方爐

這種爐子用兩排爐管把爐膛分成若干小間，每間設置一或二個大容量高強燃燒器。分隔可以沿兩個方向進行，稱之為“十字交叉”分隔法。它通常把對流室單獨放到地面上。還有把幾臺爐子的煙氣用煙道匯集攏來，送進一個公用的對流室或廢熱鍋爐。這種爐子結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省占地，便于回收余熱，容易實現(xiàn)爐群集中排煙，減輕大氣污染。它是專為超大型加熱爐而開發(fā)的。

第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.3.2按用途分類

按用途管式加爐熱大致分為以下幾類：爐管內(nèi)進行化學反應的爐子、加熱液體的爐子、加熱氣體的爐子和加熱氣、液混相流體的爐子。

1）爐管內(nèi)進行化學反應的爐子

它分為兩種：a、爐管內(nèi)裝催化劑的，如烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化爐。b、爐管內(nèi)不裝催化劑的，如乙烯裂解爐。第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

2）加熱液體的爐子

它分為三種：a、管內(nèi)無相變化、單純的液體加熱爐。b、管內(nèi)進口為液相，出口為氣、液混相的爐子。c、進口為液相、出口全部汽化的爐子。第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

3）氣體加熱爐

如水蒸汽的過熱、工藝氣體的預熱就使用這種爐子。它多在較高溫度下操作，但因為是純氣相，結(jié)焦的可能性不大。應該注意的是當氣體量很大時，爐管的路數(shù)很多，必須從結(jié)構(gòu)上保證各路均勻，防止偏流。第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

4）加熱混相流體的爐子這種爐子常用于加氫精制、加氫裂化等裝置的反應器進料加熱。由于管內(nèi)流體從爐子入口起就是氣、液混相，較上述純氣體加熱爐更難保證各路流量的均勻，設計上要更重視管徑、管內(nèi)質(zhì)量流速、盤管路數(shù)的選取，以及管內(nèi)流動狀態(tài)的判斷和分叉管的配管設計等。第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.3.3爐型選擇的基本原則

如何正確選擇上述各種爐型沒有絕對不變的標準，對具體情況要作具體分析。對于圓筒爐、橫管立式爐和立管箱式爐等三種基本爐型，其技術(shù)指標的對比如下表3所示。第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標以下原則可供選型時參考：輻射室用立管有很多優(yōu)點：爐管的支承結(jié)構(gòu)簡單，輻射管架合金鋼用量少；管子不承受由自重而引起的彎曲應力；管系的熱膨脹易于處理；爐子旁邊不需要預留抽爐管所需的空地等。

橫管僅在下列特殊情況下才有優(yōu)點：被加熱介質(zhì)容易結(jié)焦或堵塞，爐管要求用帶堵頭的回彎頭連接，以便除焦或清洗；要求管系能完全排空；管內(nèi)為混相狀態(tài)，要求流動平穩(wěn)、可靠等。1）從結(jié)構(gòu)、制造、投資費用方面考慮，應優(yōu)先選擇輻射室用立管的加熱爐。第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標

2）對一般用途的中小負荷爐子，宜優(yōu)先考慮立式圓筒爐。

3）具體來講，一般應符合下列要求。

a.設計熱負荷小于1MW時，宜選用純輻射型管式爐，并優(yōu)先選用純輻射型圓筒爐。當管式爐爐群（如重整裝置加熱爐）共用一個余熱回收系統(tǒng)時，則不受此限。b.設計熱負荷為1MW～30MW時，應優(yōu)先選用輻射一對流型圓筒爐。c.設計熱負荷大于30MW時，應通過技術(shù)經(jīng)濟對比選用爐膛中間排管的圓筒爐、立式爐、箱式爐或其它爐型。d.被加熱介質(zhì)重度大、易結(jié)焦、氣化率大、或有特殊工藝要求的管式爐,如焦化爐、減粘爐、瀝青爐等宜選用水平管立式爐。第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標e.被加熱介質(zhì)易脫析出晶體，或含有固體物質(zhì)時，如石蠟加氫爐，白土精制爐等，宜選用螺旋管圓筒爐。f.爐管價格昂貴，要求提高爐管表面利用率，或要求減少加熱面積，縮短流程長度，以減少壓降時，如重油加氫反應爐、催化重整爐、加氫裂解爐、加氫精制爐等，宜選用單排管雙面輻射的爐型。g.被加熱介質(zhì)以氣相為連續(xù)相，體積流量大、要求壓降小時（如重整爐），宜選用集合管豎管式、U型或倒U型盤管結(jié)構(gòu)的箱式爐；小負荷時也可采用盤管為集合管連接的立管圓筒爐。h.被加熱介質(zhì)有化學反應時，如制氫爐、合成氨一段轉(zhuǎn)化爐等，爐內(nèi)溫度場應與管內(nèi)化學反應過程相適應，并選用單排管雙面輻射的箱式爐。第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.4近年來新出現(xiàn)的爐型

1.4.1長圓形螺旋管箱式爐

長圓形螺旋管箱式爐是為適應煤制油工藝的要求而開發(fā)的。煤制油工藝加熱爐的盤管內(nèi)介質(zhì)是氣、液、固三相流。在較高流速下，三相流中的固體顆粒對爐管壁金屬的沖蝕非常嚴重，尤其是急拐彎處，因此不能用急彎彎管。一般認為拐彎處回轉(zhuǎn)直徑應大于6倍管徑，沖蝕才可緩解。長圓形螺旋管因此而產(chǎn)生。為避免拐彎處的沖蝕，應盡量采用直管，但加熱爐內(nèi)長圓形螺旋盤管俯視示意第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標不可能是單一直管，必須在拐彎處選用螺旋盤管，這樣就構(gòu)成了長圓形螺旋盤管。煤制油工藝加熱爐爐管內(nèi)介質(zhì)一般是油煤漿加氫氣，操作壓力為17～18MPa，與高壓加氫差不多。爐管材質(zhì)為昂貴的TP347不銹鋼，因此采用單排管雙面輻射爐型。其俯視圖很象運動場的跑道。由于不能用急彎彎管，這種爐子也不可能設置對流室。高溫煙氣只好送到煙氣余熱鍋爐發(fā)生蒸汽。第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.4.2雙室圓筒爐

雙室圓筒爐(俗稱“雙胞胎爐”)是為克服大型圓筒爐中間閑置空間太大的缺點而開發(fā)的。由于爐管管心距按SH/T3036的規(guī)定為2倍爐管直徑，隨著熱負荷的增加，圓筒爐輻射室的節(jié)圓直徑也增加，而火焰中心至爐管中心的距離也要符合SH/T3036的規(guī)定，這就使得大型化的圓筒爐中間閑置空間隨熱負荷的增加而增加。當然在爐膛中間排管可以充分利用中間的閑置空間，但因爐頂雙室圓筒爐有對流室，中間管排的支承比較困難。另外，中間管排的運行情況也很難觀察清楚。為了充分發(fā)揮圓筒爐結(jié)構(gòu)簡單和節(jié)省投資等優(yōu)點，克服大型化后中間閑置空間過大的缺點就產(chǎn)生了雙室圓筒爐，即由兩個圓筒形第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標輻射室共用一個對流室構(gòu)成的爐型。這種爐型適用于熱負荷50～80MW的加熱爐，近幾年來已在國內(nèi)建造了5、6臺。第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.5管式爐的主要技術(shù)指標

1.5.1熱負荷

每臺管式加熱爐單位時間內(nèi)向管內(nèi)介質(zhì)傳遞熱量的能力稱為熱負荷，一般用MW為單位。管內(nèi)介質(zhì)所吸收的熱量用于升溫、汽化或化學反應，全部是有效利用熱。此值越大，爐子的生產(chǎn)能力也越大。

設計熱負荷確定原則：1）凡已提供最大熱負荷者,即最大熱負荷作為設計熱負荷，輻射管表面平均熱強度選用高值。2）凡給定正常熱負荷者，即正常熱負荷作為設計熱負荷，輻射表面平均熱強度選用偏低值。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.5.2爐膛體積發(fā)熱強度

燃料燃燒的總熱量除以爐膛體積，稱之為爐膛體積發(fā)熱強度，簡稱為體積熱強度，它表示單位體積的爐膛在單位時間里燃料燃燒所發(fā)出的熱量，一般用kw/m3為單位。

爐膛大小對燃料燃燒的穩(wěn)定性有影響，如果爐膛體積過小，則燃燒空間不夠，火焰容易舔到爐管和管架上，爐膛溫度也高，不利于長周期安全運行，因此爐膛體積發(fā)熱強度不允許過大，一般控制在燃油時小于125kW/m3，燒氣時小于165kW/m3。第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.5.3輻射表面熱強度

qR

輻射爐管每單位表面積(一般按爐管外徑計算表面積)、每單位時間內(nèi)所傳遞的熱量稱為爐管的輻射表面熱強度qR,也稱為輻射熱通量或熱流率，單位為W/m2。

qR表示輻射室爐管傳熱強度的大小。應注意qR一般指全輻射室所有爐管的平均值。由于輻射室內(nèi)各部位受熱不一致，不同的爐管以及同一根爐管的不同位置，實際上局部熱強度很不相同。qR值越大，完成一定加熱任務所需的輻射爐管就越少，輻射室體積越緊湊，投資也可降低，所以要盡可能提高爐管表面熱強度。各種爐子的輻射表面熱強度推薦值見表4。第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標表4輻射爐管表面熱強度、最高油膜溫度推薦值第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.5.4對流表面熱強度

qC

含義同輻射熱強度一樣，單位也是W/m2，但它是對對流室而言。目前，加熱爐對流室多以釘頭管或翅片管代替過去的光管，以強化傳熱。釘頭管或翅片管的熱強度一般為光管的兩倍以上。也就是說，一根釘頭管或翅片管相當于兩根以上光管的傳熱能力。第32頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第一章管式爐的結(jié)構(gòu)、種類和主要指標1.5.5熱效率