管式加热炉设计和应用第一章

管式加热炉设计和应用第一章第一页，共三十五页，2022年，8月28日目录1管式炉的种类、用途和主要指标2管式炉在炼油工艺过程中的作用3管式加热炉工艺计算4管式加热炉钢结构设计7加热炉的操作、常见故障处理和管理维护5加热炉的节能途径与措施8加热炉的发展趋势及技术交流6加热炉的检测技术第二页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.1概述

加热炉的定义：在炼厂生产的主要装置中，对原油或油品进行加工时，一般都需要在较高的温度下进行，因此必须有提供热源的加热设备，这种加热设备叫加热炉。

现代炼厂都采用管式加热炉，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的火焰与高温烟气作为热源，来加热在炉管中高速流动的油品，使其达到工艺规定的温度，以供给原油或油品在进行分馏、裂解或反应等加工过程中所需要的热量，从而保证生产正常进行。

第三页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

（1）被加热介质在管内流动，故仅限于加热气体或液体。而且，这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质，同锅炉加热水或蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛刻得多。◆管式加热炉的特征：（2）加热方式为直接受火式。（3）只烧液体或气体燃料。（4）长周期连续运转，不间断操作。第四页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标◆

管式加热炉的重要性：

（1）管式炉的基建投资费用，一般约占炼油装置总投资的10~20%，占总设备费用的30%左右。在重整制氢和裂解等化工装置中则占建设费用的25%左右。管式炉的基建投资费用大小直接影响着整个生产装置或炼油厂、石油化工厂的基建投资。被加热型管式炉的工程费用占装置工程费用的比例较小，加热—反应型管式炉占的比例则较大，详见下表1工程费比例。表1工程费比例（%）工程费常减压蒸馏焦化连续重整柴油加氢制氢乙烯管式炉/装置10~1710~1212~166~825~3025~30第五页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

（2）管式炉是炼厂消耗燃料的主要设备。一般加工深度较浅的炼厂所用燃料量约占加工能力的3~6%，中等加工深度的约占4~8%，较深的为8~15%，其费用约占总运行操作费用的60~70%。因此，炉子热效率的高低与节约燃料、降低成本有极密切的关系。表2列举了石油加工常见装置的能耗比例。表2能耗比例（%）装置名称常减压蒸馏焦化连续重整柴油加氢管式炉能耗/装置总能耗82~92~90~82~30

在生产中，我们总是希望整个装置达到“三高一低”（高处理量、高质量、高效率和低消耗）及“长周期安全运转”，大量实践表明，管式炉设计与操作的好坏，往往是关键问题之一。第六页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.2管式加热炉的一般结构管式加热炉的一般结构

管式加热炉如下图所示，一般由盘管及其支撑系统、钢结构、炉衬、燃烧器系统，以及余热回收系统等部分组成。

第七页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

1）盘管

炉管与弯头或集合管连接组成盘管。在纯加热型管式炉中,工艺介质在盘管内边流动、边吸热，出炉后进入分馏塔、反应器、换热器等后续设备。在加热一反应型管式炉中，如制氢转化炉，每根炉管就是一个直接火焰加热的转化反应器，管内装填有催化剂、工艺介质(烃+水蒸汽)，边吸热、边进行着复杂的烃一蒸汽转化反应、水煤气反应和析炭消炭反应等，工艺介质离开转化炉时，已经转化成氢+水蒸汽+二氧化碳+一氧化碳。第八页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

2）钢结构管式炉的钢结构是用来支撑全炉重量，同时还要承受风荷载和地震力。3）炉衬

管式炉的炉衬主要起耐火保温作用，它的受热面要承受几百摄氏度甚至一千多摄氏度的高温，同时要使炉外壁温度降到100℃以下，以避免人员烫伤和减少散热损失。第九页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

4）燃烧器系统燃烧器系统一般包括燃烧器、燃料供给及其自控系统。燃烧器的好坏，直接影响着管式炉的热效率、大气污染和噪音污染等。为了满足节能和环保方面越来越高的要求，开发和研制性能优良的燃烧器及其控管系统，是十分必要的。第十页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

5）余热回收系统余热回收系统一般包括空气预热器或废热锅炉、鼓风机、引风机、烟道、风道等。管式炉设置余热回收系统的目的，是为了回收烟气余热，

以提高管式炉的热效率，降低石油化工厂的能耗。第十一页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.3管式加热炉的种类各种管式加热炉通常可按外形或用途来分类。

1.3.1按外形分类

按外形大致上分为以下四大类（16类）：箱式炉（6类）、立式炉（6类）、圆筒炉（3类）、大型方炉（1类）。这种划分法系按辐射室的外观形状，而与对流室无关。所谓箱式炉，顾名思义其辐射室为一“箱子状”的六面体。与它相比，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。圆筒炉、大型方炉的称呼也按同理而来。第十二页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1）箱式炉

包括6类：烟气下行式、大型箱式炉、横管大型箱式炉、立管大型箱式炉、顶烧式、斜顶炉。烟气下行式大型箱式炉横管大型箱式炉立管大型箱式炉顶烧式斜顶炉第十三页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标2）立式炉

包括6类：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、阶梯炉。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阶梯炉第十四页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标3）圆筒炉

螺旋管式纯辐射式辐射对流型第十五页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标4）大型方炉

这种炉子用两排炉管把炉膛分成若干小间，每间设置一或二个大容量高强燃烧器。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用烟道汇集拢来，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，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而开发的。

第十六页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.3.2按用途分类

按用途管式加炉热大致分为以下几类：炉管内进行化学反应的炉子、加热液体的炉子、加热气体的炉子和加热气、液混相流体的炉子。

1）炉管内进行化学反应的炉子

它分为两种：a、炉管内装催化剂的，如烃类水蒸汽转化炉。b、炉管内不装催化剂的，如乙烯裂解炉。第十七页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

2）加热液体的炉子

它分为三种：a、管内无相变化、单纯的液体加热炉。b、管内进口为液相，出口为气、液混相的炉子。c、进口为液相、出口全部汽化的炉子。第十八页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

3）气体加热炉

如水蒸汽的过热、工艺气体的预热就使用这种炉子。它多在较高温度下操作，但因为是纯气相，结焦的可能性不大。应该注意的是当气体量很大时，炉管的路数很多，必须从结构上保证各路均匀，防止偏流。第十九页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

4）加热混相流体的炉子这种炉子常用于加氢精制、加氢裂化等装置的反应器进料加热。由于管内流体从炉子入口起就是气、液混相，较上述纯气体加热炉更难保证各路流量的均匀，设计上要更重视管径、管内质量流速、盘管路数的选取，以及管内流动状态的判断和分叉管的配管设计等。第二十页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.3.3炉型选择的基本原则

如何正确选择上述各种炉型没有绝对不变的标准，对具体情况要作具体分析。对于圆筒炉、横管立式炉和立管箱式炉等三种基本炉型，其技术指标的对比如下表3所示。项目圆筒炉(中问不排管)横管立式炉立管箱式炉(中问排管)炉体占地面积／(m2／MW)金属材料用量／(t/MW)高铬镍合金钢管架用量／(kg／MW)投资对比适用热负荷范围／Mw辐射室炉管表面平均热强度／(W／m2)3.5-4.58-2130-170100<3024000-370007.5-9.512-15190-230100-15010-3029000-440003-46-8150-20070-90>3024000-37000第二十一页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标以下原则可供选型时参考：辐射室用立管有很多优点：炉管的支承结构简单，辐射管架合金钢用量少；管子不承受由自重而引起的弯曲应力；管系的热膨胀易于处理；炉子旁边不需要预留抽炉管所需的空地等。

横管仅在下列特殊情况下才有优点：被加热介质容易结焦或堵塞，炉管要求用带堵头的回弯头连接，以便除焦或清洗；要求管系能完全排空；管内为混相状态，要求流动平稳、可靠等。1）从结构、制造、投资费用方面考虑，应优先选择辐射室用立管的加热炉。第二十二页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标

2）对一般用途的中小负荷炉子，宜优先考虑立式圆筒炉。

3）具体来讲，一般应符合下列要求。

a.设计热负荷小于1MW时，宜选用纯辐射型管式炉，并优先选用纯辐射型圆筒炉。当管式炉炉群（如重整装置加热炉）共用一个余热回收系统时，则不受此限。b.设计热负荷为1MW～30MW时，应优先选用辐射一对流型圆筒炉。c.设计热负荷大于30MW时，应通过技术经济对比选用炉膛中间排管的圆筒炉、立式炉、箱式炉或其它炉型。d.被加热介质重度大、易结焦、气化率大、或有特殊工艺要求的管式炉,如焦化炉、减粘炉、沥青炉等宜选用水平管立式炉。第二十三页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标e.被加热介质易脱析出晶体，或含有固体物质时，如石蜡加氢炉，白土精制炉等，宜选用螺旋管圆筒炉。f.炉管价格昂贵，要求提高炉管表面利用率，或要求减少加热面积，缩短流程长度，以减少压降时，如重油加氢反应炉、催化重整炉、加氢裂解炉、加氢精制炉等，宜选用单排管双面辐射的炉型。g.被加热介质以气相为连续相，体积流量大、要求压降小时（如重整炉），宜选用集合管竖管式、U型或倒U型盘管结构的箱式炉；小负荷时也可采用盘管为集合管连接的立管圆筒炉。h.被加热介质有化学反应时，如制氢炉、合成氨一段转化炉等，炉内温度场应与管内化学反应过程相适应，并选用单排管双面辐射的箱式炉。第二十四页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.4近年来新出现的炉型

1.4.1长圆形螺旋管箱式炉

长圆形螺旋管箱式炉是为适应煤制油工艺的要求而开发的。煤制油工艺加热炉的盘管内介质是气、液、固三相流。在较高流速下，三相流中的固体颗粒对炉管壁金属的冲蚀非常严重，尤其是急拐弯处，因此不能用急弯弯管。一般认为拐弯处回转直径应大于6倍管径，冲蚀才可缓解。长圆形螺旋管因此而产生。为避免拐弯处的冲蚀，应尽量采用直管，但加热炉内长圆形螺旋盘管俯视示意第二十五页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标不可能是单一直管，必须在拐弯处选用螺旋盘管，这样就构成了长圆形螺旋盘管。煤制油工艺加热炉炉管内介质一般是油煤浆加氢气，操作压力为17～18MPa，与高压加氢差不多。炉管材质为昂贵的TP347不锈钢，因此采用单排管双面辐射炉型。其俯视图很象运动场的跑道。由于不能用急弯弯管，这种炉子也不可能设置对流室。高温烟气只好送到烟气余热锅炉发生蒸汽。第二十六页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.4.2双室圆筒炉

双室圆筒炉(俗称“双胞胎炉”)是为克服大型圆筒炉中间闲置空间太大的缺点而开发的。由于炉管管心距按SH/T3036的规定为2倍炉管直径，随着热负荷的增加，圆筒炉辐射室的节圆直径也增加，而火焰中心至炉管中心的距离也要符合SH/T3036的规定，这就使得大型化的圆筒炉中间闲置空间随热负荷的增加而增加。当然在炉膛中间排管可以充分利用中间的闲置空间，但因炉顶双室圆筒炉有对流室，中间管排的支承比较困难。另外，中间管排的运行情况也很难观察清楚。为了充分发挥圆筒炉结构简单和节省投资等优点，克服大型化后中间闲置空间过大的缺点就产生了双室圆筒炉，即由两个圆筒形第二十七页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标辐射室共用一个对流室构成的炉型。这种炉型适用于热负荷50～80MW的加热炉，近几年来已在国内建造了5、6台。第二十八页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.5管式炉的主要技术指标

1.5.1热负荷

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MW为单位。管内介质所吸收的热量用于升温、汽化或化学反应，全部是有效利用热。此值越大，炉子的生产能力也越大。

设计热负荷确定原则：1）凡已提供最大热负荷者,即最大热负荷作为设计热负荷，辐射管表面平均热强度选用高值。2）凡给定正常热负荷者，即正常热负荷作为设计热负荷，辐射表面平均热强度选用偏低值。第二十九页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.5.2炉膛体积发热强度

燃料燃烧的总热量除以炉膛体积，称之为炉膛体积发热强度，简称为体积热强度，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kw/m3为单位。

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，火焰容易舔到炉管和管架上，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，一般控制在燃油时小于125kW/m3，烧气时小于165kW/m3。第三十页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标1.5.3辐射表面热强度

qR

辐射炉管每单位表面积(一般按炉管外径计算表面积)、每单位时间内所传递的热量称为炉管的辐射表面热强度qR,也称为辐射热通量或热流率，单位为W/m2。

qR表示辐射室炉管传热强度的大小。应注意qR一般指全辐射室所有炉管的平均值。由于辐射室内各部位受热不一致，不同的炉管以及同一根炉管的不同位置，实际上局部热强度很不相同。qR值越大，完成一定加热任务所需的辐射炉管就越少，辐射室体积越紧凑，投资也可降低，所以要尽可能提高炉管表面热强度。各种炉子的辐射表面热强度推荐值见表4。第三十一页，共三十五页，2022年，8月28日第一章管式炉的结构、种类和主要指标管式炉名称平均表面热强度W/m²最高油膜温度限制ºC常压蒸馏炉30000~37000420减压蒸馏炉24000~32000470减压蒸馏炉(润滑油)24000~29000焦化炉24000~29000减粘加热炉（上流）23000~27000重整加热炉22000~32000预加氢炉24000~32000加氢精制炉23000~32000重沸炉23000~32000加氢裂化循环氢反应进料加热炉37500~47220（双）加氢裂化反应进料加热炉（炉前混氢）37500~47220（双）482加氢裂化分馏塔进料加热炉26500454渣油加氢脱硫反应进料加