石油化工管式工艺加热炉简介

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石油化工管式工艺加热炉简介

郑战利

管式加热炉

在一个有衬里的密闭体内设置有大量的相互连接的优质或合金无缝钢管，被加热介质在一连串的无缝钢管内以很高流速通过，燃料在密闭体内燃烧产生高温烟气，高温烟气通过辐射、对流和传导把热量传给被加热介质，把被加热介质加热到生产工艺规定的温度或完成一定的化学反应深度；这类设备统称为管式加热炉。管式加热炉的范畴包含热水和蒸汽锅炉、热载体加热炉、油田水套炉、输油管道加热炉、炼油和石化生产装置的工艺加热炉等。今天我们所讲的管式加热炉是炼油和石油化工生产装置的工艺加热炉，简称为石化工艺加热炉。

石化工艺加热炉的主要特点是

1.被加热介质为易燃、易爆的液体或气体，且温度和压力较高。操作条件苛刻。安全运行要求高。

2. 加热方式为明火加热。

3. 长周期连续生产。

4. 所用燃料为液体或气体燃料。

管式加热炉应满足的要求

1. 完成一定的传热任务，燃料耗量少、需要的传热面积小。

2. 被加热介质不受局部过热。

3. 在纯加热型管式加热炉中，被加热介质无分解或仅有极少量分解。

4. 在加热—反应型管式加热炉中，保证被加热介质的反应深度达到生产工艺要求，且炉管中结焦量最少。

5. 安全、稳定、连续运行周期在3~5年。

6. 排烟中的有害物含量和噪声必须符合国家标准规定。

管式加热炉的主要操作参数

1、有效热负荷：为各种被加热介质从体系入口状态到出口状态所吸收的能量之和，它等于供给能量与损失能量之差， Kw

2、排烟损失热量：排出体系的烟气带走的热量。Kw

3、燃料不完全燃烧损失热量：由于燃烧设备及燃烧工况等原因造成燃料没有完全燃烧而未能释放出的反应热。 Kw

4、散热损失热量：体系内所有设备及管线表面向周围环境中散失的热量。Kw

5、附属设备能耗：鼓风机、引风机、吹灰器、热载体循环泵等辅助设备所耗掉的能量，按供给这些设备的能量计算。 Kw

6、燃料效率：有效吸能量占供给燃料燃烧放出热量的百分数，其数值可能大于l00％。%

7、全炉热效率：有效吸能量占供给炉子总热量（不含附属设备损失）的百分数。%

8、综合效率：是体系供给能量利用的有效程度在数量上的表示，它等于有效能量对供给能量的百分数。 %

9、炉膛热强度：指单位时间内单位炉膛体积所传递的热量，单位为kw/m3。 10、炉管平均表面热强度：指单位时间内单位炉管表面积所传递的热量，单位为kw/m2。 11、排烟温度：烟气离开被加热介质加热段的最终温度。℃ 12、排烟氧含量：烟气最终离开被加热介质加热段时中的氧含量。V% 13、炉膛Tp温度：烟气出辐射室时的温度。℃ 14、燃烧过剩空气系数：燃料燃烧理论空气量与供风量的比值。 15、燃料耗量：单位时间内，加热炉消耗燃料总和（Kg/h或Nm3/h）。 16、质量流量：单位时间内，流过单位炉管内截面积的加热介质的质量（Kg/m2.h）。 17、全炉压力降：被加热介质流过炉管系统的压力损失。MPa

管式加热炉的结构简介

石油化工工艺管式加热炉由辐射室、对流室、余热回收装置、燃烧器、供风系统和排烟系统等部分所组成（由炉管系统、钢结构、衬里、余热回收装置、燃烧器、供风系统和排烟系统等部分所组成）。

辐射室

辐射室是加热炉辐射传热起支配作用的部分。由于是火焰直接所在的场所，所以它是加

热炉温度最高的部分，对其所用材料的成分、强度、厚度和机械的结构，需要仔细考虑，同时在功能上，全炉热负荷70~80% 的热量是在辐射室被吸收。在流体有反应转化和裂解的炉子上，反应和裂解等一般都全部在辐射室内完成。所以说辐射室的好坏决定加热炉的好坏，并非过言。

对流室

对流室是加热炉对流传热起支配作用的部分，对流室有排列很密的管束，这种结构使得烟气通过对流管的速度提高，得到有效的对流传热。一般对流室吸收全炉热负荷的20~30%的热量。对流室可设在辐射室上部；也可设在地面上，用烟道与炉本体连接，但在本质上机理一样。在对流室可以采用钉头管或翅片管。

余热收回装置

余热收回装置是指用来回收对流室出来的烟气，或者当没有对流室时直接从辐射室出来的烟气中热量的设备。目前国内外各炼厂采用的余热回收措施大致有以下几种类型： 1．从工艺流程与装置总体平衡考虑，冷进料–热油空气预热空气。 2．从改进和简化循环系统考虑有热载体循环–热油空气预热空气。，包括开路与闭路热载体循环。 3．从增加附属回收设备考虑，有①钢管式；②玻璃管式；③回转式；④铸铁管式；⑤扰流子式；⑥热管式；

⑦板式空气预热器等。 4．从与其他设备联合节能考虑，有①余热锅炉；②热电联产。

燃烧器

燃烧器是加热炉的重要组成部分之一，技术性能的优劣以及是否与加热炉工艺要求、炉型结构、传热特点相匹配对加热炉的运行、能耗或环保都有着直接影响。选用技术性能与加热炉工艺要求、炉型结构、传热特点相匹配的燃烧器对保证加热炉高效或“长、安、稳、满”运行有着重要意义。

通风装置

通风装置的职能是把燃烧用空气引进的同时，把烟气向炉外排出，有自然通风和强制通风两种。前者靠烟囱的通气力；后者用引风机，强力引出烟气。一般炉内压力损失小时，多采用烟囱自然通风方式，烟囱安装在炉的上部，与加热炉成为一体，烟囱的高度，以克服炉内的压力损失，并保持充分的通风力为佳。加热炉构造复杂，炉内压力损失大的加热炉或有废热回收装置的加热炉多采用安装引风机，强力通风方式。

炉管和弯头

炉管和弯头是管式加热炉中最重要的部分，占管式加热炉总钢材量的 40%，总投资的60%。因为要耐压力，耐腐蚀，抵抗火焰的直接灼热，为了完成工艺任务和生产安全，根据下列标准设计炉管：

炉管的长度和总根数根据管式加热炉的热负荷、热效率和加热炉的构造来决定。

管径和管程数，根据流量、允许压力损失、停留时间决定。壁厚由内部压力、热应力、静荷重、管壁温度、材料强度（包括高温蠕变性和脆性等）和腐蚀裕度等决定。

材料由许用温度及高温强度（包括蠕变强度）、耐热性、腐蚀性和脆性等决定。炉管温度低于 500℃时使用碳钢炉管；炉管温度在500℃~700℃时使用低合金钢炉管（T9~T22）；炉管温度在 700℃~800℃时使用不锈钢炉管（304、316）；炉管温度在800℃~900℃时使用309炉管；炉管温度超过900℃时使用高合金钢离心浇铸炉管（ HK-40）。

管式加热炉辐射炉管采用光管，对流室采用钉头管或翅片管。炉管与弯头连接方式有焊接和胀接两种。采用焊接时，弯头为炉管压制成的急弯弯头，以 180°的弯头为代表，铸造的不多。采用胀接时，采用有堵头的铸造回弯头，卸下堵头，管内能够用机械清焦，缺点是较贵，材料和炉管相同。如被加热油品较轻，炉管不易结焦或采用了在线清焦技术的加热炉可全部采用急弯弯头，如被加热油品较重，炉管易结焦，且没采用了在线清焦技术的加热炉

可在辐射室部分采用铸造回弯头。

管支架和导架

管支架承受炉内加热管的重量，并将其重量传给加热炉的框架。管支架要具备的条件是：优越的抗氧化腐蚀性能和高的高温强度，以及随着加热管的温度变化，在结构上，管支架可以保持伸缩自由。管支架的材料，在辐射室和对流室下部采用 25Cr— 12Ni钢或25Cr—20Ni 钢。在对流室上部采用密烘铸铁“ HR”和5Cr合金钢。采用高铬钢存在的问题是高温脆性，还有燃料中含钒硫所引起的腐蚀。在这种场合支架应设计成具有可换性的构造，对高温脆性要用铁素体加以抑制，对钒的腐蚀可用浇注保护层处理。一般在辐射室采用刀架形管支架，在对流室采用孔板形管支架，导管架仅起管子导向作用。

耐火材料

耐火材料是加热炉的必需材料，大致分为定形的材料和非定形的材料两种。 a. 定形耐火材料定形耐火材料就是重质耐火砖、轻质耐火砖和保温砖等，重质耐火砖以耐火性为主，用于燃烧器的燃烧道、温度较高加热炉辐射室迎火面衬里。轻质耐火砖兼具有耐火性和保温性，多用于炉的侧壁和炉顶。保温砖的耐热性很低，多用于炉底和侧壁的内衬里，用量不多。

b. 非定形耐火材料一般指由骨料和水泥用水和成，象混凝土那样施工的无定形耐火材料，简称为浇注料。分为以耐火性为主，并具有一定的保温性的浇注料（重质浇注料）和保温型的浇注料（轻质），施工方法有注入、涂抹和喷抹三种。对于管式加热炉，以耐火性为主，并具有一定的保温性可塑浇注料，用于炉顶、侧壁和炉底。烟道和烟囱衬里及侧壁的内衬里，则采用保温性的可塑浇注料。陶纤块、岩棉毡、陶纤喷涂也属于非定型耐火材料。

炉框架、侧壁和平台

炉框架是承受加热炉全部荷重的钢结构，材料是普通碳钢，多用槽钢和工字钢。侧板就是炉壁外表面的钢板，其作用是防雨、防尘，同时防止不必要的空气漏入炉内，按作用可以分为分担部分钢结构荷重和仅起覆盖作用两类。平台和梯子是为操作和维修而设立，用于日常操作维修和检查。

主要炼油装置加热炉简介

烟气阻断档板调节档板声波吹灰器

三

焦化加热炉

焦化加热炉由钢结构，耐火隔热衬里，辐射和对流炉管，燃烧器，烟气余热回收器，供风系统和烟气排放系统等主要部件组成是延迟焦化装置的核心设备，它为整个装置提供热量，其能 . 耗占整个延迟焦化装置能耗的 75%；也是影响延迟焦化装置操作的平稳性和生产周期的关键设备。由于卧管立式加热炉具有结构简单，可以安装较多数量的燃烧器；水平炉管内介质流动状态稳

定；沿炉管长度方向受热较均匀；便于炉管内清焦等优点，延迟焦化加热炉均为卧管立式加热炉。

石化工艺加热炉的发展过程

在炼油工程上，采用管式加热炉开始于1910年~1911年间，在没有采用管式加热炉之前原油加工方式均为釜式蒸馏，小处理量、且为间歇生产。管式加热炉的使用是炼油工业由小处理量、间歇生产转向大处理量、连续生产的标志。初期的管式加热炉为如图-1所示的堆形炉。传热面由一管束所组成。管与管之间的联接件也置于炉中。最低一排的受热强度达到56-78 kw/m2，而最上排管的受热强度就不超过9-11kw/m2，因此下排管常常被烧坏，而管间联接件也易松漏引起火灾。但上排炉管的效率却又很低。

为了克服堆形管式加热炉存在的缺点，人们设计出了一种只装对流管的管式加热炉，如图-2所示。当时的设想是既然堆形炉的最下排炉管直接受到高温燃气的辐射，表面热强度

很高，因此用火墙把管子和燃烧室隔开，使炉管受不到火焰的辐射，那些炉管过热的问题就应该能解决。但是实践的结果证明这种设想是不符合实际的，因为燃料燃烧生成的高温烟气在进入对流室之前，没有和一个吸热面进行热交换，烟气温度过高的问题没有得到解决，头几排管子仍有被烧坏的危险。若减低火墙上烟道气的温度，则必须大量增加过剩空气，这就降低了炉子的热效率，并会引起炉管表面氧化的加剧。这种炉子比堆形炉完善些，管子接头在对流室外安装，后来并采用了回弯头，减少了火灾的危险。钢材消耗有所下降，但炉的热效率太低，因此在保护炉顶对流管的不受损坏以求降低炉管更换率，降低钢材消耗的同时，却带来了燃料消耗太大及炉管氧化这一后果。

后来发现，可以根本不用提高空气过剩系数的方法来避免炉管烧毁，而用在燃烧室内安装辐射管取走部分热量的方法来降低燃气温度，从而不仅对流室顶管免于过热损坏，辐射室的炉管也因热源温度降低了，传热强度不致过大，所以也是比较安全的。这样具有辐射室和对流室的方形炉就出现了。方形炉的顶辐射管最早是垂直于火墙排列的，由于火墙上面的温度高，所有辐射管经常仅仅因为那部分被烧穿而不得不更换全部管子，这样很不经济。后来改为辐射管平行于火墙的排列方式。如图-3所示。

在方箱管式加热炉中，对流室的顶管被烧坏的问题解决了，但由于它的形状，使部分炉管受热过多，那里的炉管很易烧坏，限制了全部炉管传热强度的提高，这又成了方箱管式加热炉的关键问题。在后期发展起来的斜顶炉，由于加大了靠近火墙的顶辐射管与火墙的距离，在一定程度上改善了近火墙辐射管与近火嘴辐射管表面热强度的差值。但与此同时，却加大了底辐射管与上二个位置处顶辐射管热强度的差值。在操作不小心时，常易发生底辐射管烧弯、烧坏现象。因此辐射管表面热强度的不均匀性，就成为管式加热炉改进的主要问题。炉管表面热强度的不均匀性，危害尚不止此。在表面热强度过高的地方，往往会引起油品的分解，甚至于结焦。为了降低钢材消耗量，总是希望提高炉管平均表面热强度，从而减少炉管数目，但是上列不良后果却限制了炉管表面平均热强度的进一步提高。因此人们所作的努力，很自然就集中在如何使炉管受热均匀这一问题上。因此一系列的新的炉型就出现了，其中之一就是直立圆筒形加热炉，如图3-4所示。这种加热炉辐射管垂直地分布在圆筒状炉壁的周围，使炉管不仅在半径方向，而且在沿炉高方向的热负荷强度也变得均匀。从最初的堆形炉的纯辐射式管式加热炉改为对流式管式加热炉，再到辐射室和对流室同时起作用，从而解决了前述矛盾，使管式加热炉达到了一个新的水平。

1936年，由于石油化工工业的出现和原油加工向重质化和深加工的发展，管式加热炉的被加热介质的加热温度、压力越来越高；为满足高温、高压的使用要求，管式加热炉的炉管必须使用耐高温、高压的特殊钢材制造，价格昂贵。为提高炉管的利用率，降低管式加热炉建设费用，需要进一步减低炉管受热不均匀性，提高炉管表面热强度。由于直立圆筒形加热炉使炉管表面热强度的均匀性增加有局限性。原因是，炉管一面向高温的火焰，在这一面上的表面热强度显然比背向火焰的一面要高。因此炉管表面热强度的均匀性包括两个方面，其一是炉管与炉管之间的均匀性，另一方面是同一根炉管向火焰和背火焰的两面也存在着不均匀性。在直立圆筒形加热炉中同一根炉管向火焰和背火焰的两面热强度不均匀性的问题尚未解决，限制了炉管受热均匀性的增加。因此双面辐射管式加热炉（图3-5）就因之产生，在这种炉子中，辐射管每排所受之热量与直接辐射传给第一排及第二排的热量总和相同。为了达到使炉管受热均匀的目的，在改进炉管排列的同时，还采用了多火嘴，均匀地分布在炉壁两侧，燃料迅速地燃烧完全成为高温气体向炉管均匀的给热。但此种炉子要用特殊的气体燃烧器来加热。

早期的双面辐射管式加热炉均采用全部侧壁燃烧器；由于全部采用侧壁燃烧器存在有燃烧器数量多、燃料配管复杂、操作调整工作量大、只能用气体燃料等缺点，20世纪70年代开始采用侧壁燃烧器与底部燃烧器联合使用；底部燃烧器的供热量占总供给热量的80%；20

世纪90年代，KeLLogg、Braun和S、W公司都成功地设计出了全部采用底部燃烧器的双面辐射管式加热炉。双面辐射管式加热炉全部采用底部燃烧器不仅可以减少燃烧器的数量，使燃烧器和配管的设计大为简化、而且操作调整方便、维修工作量小，燃料选择的灵活性增加，适合用于空气预热或与燃气轮机联合，从此意义上讲，双面辐射管式加热炉全部采用底部燃烧器是双面辐射管式加热炉发展趋势。

管式加热炉的发展动力

年处理量为一百万吨的常减压蒸馏装置全部钢材约为 1000吨，而其中常压炉和减压炉所需要的钢材有200吨，约占20%。管式加热炉所需的钢材中，炉管及回弯头所用钢材约为 80吨约占炉子所用钢材总数 40%，炉管在高温之下操作，需要优质钢材。通常这类优质钢材其价格比一般钢材贵好几倍。炉管又需要经常更换，折旧率最大，所以节省炉管钢材用量就成为管式加热炉不断改进的一个重要发展动力。减少炉管用量，就意味着提高全炉炉管平均表面热强度。提高辐射室炉管平均表面热强度的关键是改善辐射室温度分布，使辐射炉管受热均匀，降低辐射炉管受热不均匀系数，消除辐射炉管局部过热，管式加热炉的炉型结构的发展就是沿着这一工艺要求而前进的；进一步使辐射炉管受热均匀，达到提高辐射炉管平均表面热强度还有很大潜力，仍是今后管式加热炉发展的推动力之一。由于对流室管内传热膜系数大于管外传热膜系数，提高对流炉管平均表面热强度的关键是强化管外传热，提高管外传热膜系数，钉头管和翅片管就是为此目的而开发的。

管式加热的燃料为液体或气体燃料。在炼油生产装置，加工深度较浅的生产装置，管式加热炉消耗的燃料量约占其处理原油量的3~6%，中等深度的生产装置，管式加热炉消耗的燃料量占其处理原油量的4~8%，深加工装置，管式加热炉消耗的燃料量为其处理原油量的8~15%。乙烯、化肥、化纤等石油化工生产装置管式加热炉消耗的燃料量占其处理原油量的比例更大。随着我国国民经济建设事业的发展，对燃料油的需求量越来越大。减少管式加热炉消耗的燃料量不但有利于国民经济建设事业的发展，而且可以直接降低生产成本。因此千方百计的提高管式加热炉的热效率、降低燃料的消耗是管式加热炉不断进步的另外一个重要的推动力。提高管式加热炉的热效率措施有降低排烟温度、减少排烟量、减少散热损失等；排烟带出的热量约占全炉热损失的80%，开发研制高效烟气余热回收器，回收烟气中的余热，降低排烟温度和开发研制低过剩空气系数燃烧器、开发和采用全密封技术，减少排烟量是提高管式加热炉的热效率的重点；尽管在这方面已经做了大量的工作，已开发研制出了各种烟气余热回收装置或设备和许多系列的节能燃烧器，陶纤、岩棉等新型材料或陶纤喷涂技术应用，过剩空气系数明显降低、排烟温度大幅度降低，加热炉热效率达到或超过90%；但还有很大潜力，仍是今后管式加热炉发展的推动力之一。

管式加热炉加热各种不同油品，油品处在高温、高压下，如果炉管某些部分发生渗漏或炉管某些部分因过热关系强度变低，高压的热油就会把炉管迸裂而喷射出来，这些喷射出来热油的温度都在其本身自燃温度以上，即令不与火焰接触，也会自行燃烧，造成极严重的事故，何况外面又是高温的烟气，因此确保管式加热炉长周期安全运行是推动管式加热炉不断改进或发展强大动力之一。确保管式加热炉长周期安全运行的技术措施有使辐射炉管受热均匀，降低辐射炉管受热不均匀系数，消除辐射炉管局部过热；开发研制并采用耐高温、高压性能更加优越的炉管；开发研制并采用各种检测仪器设备；开发研制并采用更先进的自动化或计算机控制技术等。随着石油化工工业向大型化，高温、高压和高技术化发展，上述确保管式加热炉长周期安全运行的技术措施均是推动管式加热炉今后不断改进或发展强大动力之一。

管式加热炉广泛的应用在炼油和石油化工工业中的各种加工过程上。在不同的加工过程中，完成不同的工艺任务，对它们也有不同的工艺要求。完成炼油和石油化工工业中的各种加工过程不同的工艺任务和满足不同的工艺要求，是推动管式加热炉不断改进或发展最重要

的动力。炼油和石油化工工业对管式加热炉要求的多样性，是管式加热炉炉型、结构、工艺条件和操作要求多样化的原因。

随着国民经济的高速发展，对各种燃料油或各种石油化工产品的需求量越来越大，为满足国民经济高速发展对各种燃料油或各种石油化工产品的需求，炼油和石油化工生产装置的规模越来越大。作为炼油和石油化工生产装置的主要设备之一的管式加热炉必然随着炼油和石油化工生产装置大型化向着大型化发展。管式加热炉的大型化对炉型结构、燃烧与传热、周期安全运行和操作控制等方面提出了更高的技术要求，需要解决许多的技术难题。解决管式加热炉大型化中的技术难题将是今后管式加热炉技术开发工作的重点。

在保证安全生产并达到工艺要求和完成工艺任务的前提下，节省钢材消耗与燃料消耗量，既是对管式加热炉基本要求，又是推动管式加热炉不断改进或发展最重要的动力。这四个因素是互相联系，互相制约，而又互相促进的关系。管式炉的全部发展史，就是一部不断的解决它们之间的矛盾的历史。随着石油化工工业向大型化，高温、高压和高技术化发展，在更高的技术层次上，实现与生产工艺要求相匹配、完成工艺任务、基建费用低、热效率高、长周期安全运行将是推动管式加热炉今后不断改进或发展强大动力。

管式加热炉在炼油和石油化工生产中的地位

在炼油工程上，采用管式加热炉开始于 1910年~1911年间，在没有采用管式加热炉之前原油加工方式均为釜式蒸馏，小处理量、且为间歇生产。管式加热炉的使用是炼油工业由小处理量、间歇生产转向大处理量、连续生产的标志

。

常减压蒸馏装置是原油初加工装置，其的处理能力决定了整个炼油厂加工能力或规模。在常减压蒸馏装置中，常压炉的处理能力决定了常减压蒸馏装置处理能力，如果常压炉的处理能力不够，整个装置将无法完成预定的任务。

石化工艺加热炉的能耗约占整个生产装置能耗的 50%~60%，其热效率的高低直接决定着整个生产装置能耗大小，直接影响着生产成本。

石化工艺加热炉的基建投资费用，约占一般炼油装置总投资的10%~20%，总设备费用的30%左右；在重整、制氢等装置中则占装置总投资的25%%左右；乙烯裂解炉和化肥转化炉的基建投资费用约占装置总投资的35%%左右。石化管式加热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。

由于石油化工工艺管式加热炉的被加热工艺介质为易燃、易爆的液体或气体，且压力较高，一旦发生重大事故，后果不堪设想。因此，石油化工工艺管式加热炉能否长周期安全、稳定运行对整个装置或全厂实现“长周期安全、稳定运转”有着直接的影响。

几乎每一套炼油和石油化工装置中都有管式加热炉，也就是说：管式加热炉几乎参与了炼油和石油化工的整个生产过程。管式加热炉是炼油装置中的三大主力设备之一（塔器、换热器和管式加热炉），是乙烯和化肥等石油化工生产装置的“心脏”设备，没有石油化工工艺管式加热炉，就没有现代化的炼油和石油化工工业。

石油化工工艺管式加热炉排放的烟气中 NOx、SOx、CO2等有害成分含量是否达到国家标准规定，对操作工人和周边居民的生活或身体健康都有着直接影响。上述充分说明了管式加热炉在炼油和石油化工生产中占有十分重要的地位，搞好石油化工工艺管式加热炉操作、管理工作对炼油和石油化工生产装置实现高处理量、高质量、高效率、低能耗和长期安全、稳定运转及减轻对环境的污染有着重大意义。

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