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工艺锅炉相关知识王涛1.1概述•一个设备，具有用耐火材料包围的燃烧室，利用燃料燃烧产生的热量将物质(固体或流体)加热，这样的设备叫做“炉子”。•工业上有各种各样的炉子，如冶金炉、热处理炉、窑炉、焚烧炉和蒸汽锅炉等。石油化工加热炉是其生产过程中的高温反应设备和高温加热设备。•化工生产过程中很多反应需要在特定条件下进行。•例如：乙烯生产装置中的裂解炉将石脑油或轻柴油和一定比例的蒸汽在炉管内从600℃迅速加热到800℃左右，在很短的时间内完成裂解反应。另外，在化工生产过程中有使用热载体加热的设备，这些热载体在专用的炉子里加热以循环使用。总之，随着化学工业的发展，化工加热炉的种类、型式日益繁多，某些炉子往往成为该领域的技术关键。1.1概述1.2加热炉分类1.2.1按外形分类按外形大致上分为以下四类（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。(1)箱式炉:在这种炉子的辐射室内，燃烧器和炉管交错排列，单排管双面辐射，管子沿整个圆周上的热分布要比单面辐射均匀得多，燃烧器顶烧，对流室和烟囱放在地面上。它的缺点是炉子体积大，造价很高，用于单纯加热不经济。目前在合成氨厂常用它作为大型烃蒸汽转化炉的炉型，运转良好。(2)立式炉①底烧横管式(图l-7)传热机理同箱式炉差不多，只是造型上采用了立式炉的特点。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”，提高了辐射传热的效果。现在使用的立式炉多数采用这一型式。图1-7图1-8图1-9②附墙火焰式(图l-8)这种立式炉炉膛当中为一排横管，火焰附墙而上，把两面侧墙的墙壁烧红，使火墙成为良好的热辐射体，以提高辐射传热的效果，它比图l—7型炉传热均匀得多，目前已成为高压加氢、焦化等装置的主流炉型。(2)立式炉图1-7图1-8图1-9④立管立式炉(图l-11)这是我国首创的炉型。图l-7、图1-8型立式炉都为横管，要用大批高铬镍钢的管架。而这种炉型改用立管，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。(2)立式炉图1-10图1-11图1-12(2)立式炉这种炉子都是单排管双面辐射炉型。图l-12型炉在侧壁上安有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烧气体燃料。(3)立式圆筒炉①螺旋管式(图1-14)当炉子热负荷非常小，而且对热效率无要求时，采用这两种炉型。它们是最简单、最便宜的炉子。图1-14型炉内，炉管是一段盘绕成螺旋状的小管，虽然它属于立管式炉型，但其管内特性更接近于水平管，能完全排空，管内压降小。这种炉子的主要缺点是为了便于盘旋，易于制造，被加热介质通常只有一管程。•①螺旋管式(图1-14)•②纯辐射式(图l-15)图1-14图1-15(3)立式圆筒炉无反射锥的辐射-对流型(图1-17)这种圆筒炉取代上述型式，已成为现代立式圆筒炉的主流。它取消了反射锥，能够建造较大的炉子。它的对流室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，结构上和经济性上都开始不利。为了克服这一缺点，可以在大型圆筒炉的炉膛内增添炉管，如图l-18型炉所示。•如图l-19所示，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。(4)大型方炉图1-191.2.2按用途分类按用途管式热加炉大致分为以下几类：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这种炉子管内发生吸热化学反应。按复杂程度来说，它代表了加热炉技术的最高水平。它分为两种：①炉管内装催化剂的，如烃类水蒸气转化炉。②炉管内不装催化剂的，如乙烯裂解炉。无论其中哪一种，不光要求从炉子吸热，而且要满足管路中各段在化学反应方面的各种条件，如温度和热输入量要求等。(1)炉管内进行化学反应的炉子(2)加热液体的炉子•这类炉子可分为三种：①管内无相变化、单纯的液体加热炉这是把工艺液体预热到其沸点以下(如温水加热、液相热载体加热等)使用的炉子。它加热的终温低，管内结焦和腐蚀也小，操作上的问题较少。②管内进口为液相、出口为气液混相的炉子在生产过程中，往往要求被加工的流体在气液混相状态下进入蒸馏塔等，此时使用这种加热炉。在全部工艺加热炉中它的数量最大。对于这种炉子，最重要的是把握住吸热量、气化率、压力降、温度之间的关系。(2)加热液体的炉子③进口为液相、出口全部汽化的炉子这种炉子是反应器的进料加热炉，它把液体完全汽化，加热到一定温度，然后送入工艺反应器。由于反应器的操作条件(如催化剂活性等)在运转期中是变化的，这种炉子的操作温度和压力等往往变化很大。较之上述①、②两种，有必要掌握它的变动范围，以防止裂解和结炭发生。(2)加热液体的炉子(3)气体加热炉如水蒸气的过热、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。(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、管内重量流速、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。1.2.3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表l一1所示。基本炉型对比表项目圆筒炉(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)3.5-4.58-2130-1701003024000-370007.5-9.5①12-15190-230100-15010-3029000-440003-46-8150-20070-903024000-370001.3化工几种常用炉介绍1.3.1裂解炉(1)工艺流程•管式炉裂解的工艺流程包括原料供给和预热、对流段、辐射段、高温裂解气急冷和热量回收等几部分。不同裂解原料和不同热量回收，形成各种不同的工艺流程。图1—20是管式炉裂解的流程示意图。去预分馏系统图1-20鲁姆斯裂解工艺流程举例BFW-锅炉给水DS-稀释蒸气SHPS-超高压蒸气QO-急冷油QW-急冷水FG-燃料气(2)典型管式裂解炉炉型简介目前，世界乙烯裂解炉技术主要有：美国鲁姆斯公司SRT(短停留时问)技术，美国斯通-韦伯斯特公司的USC(超选择性裂解)技术，荷兰动力技术国际公司(简称KTI)的GK技术，美国凯洛格公司的毫秒炉技术，德国林德公司的LSCC技术，以及美国布朗路特公司的HSLR技术等。这些技术的共同之处是满足乙烯生产所需的高温、短停留时间及低烃分压，不同之处在于炉管构型、急冷锅炉的配置、燃烧器的选择、稀释蒸汽的注入方式等方面。1.3.2热媒炉•热媒炉具有低压高温的工作特性，其工作压力一般低于lMPa，供热温度可达液相350℃或汽相400℃。凡是需要均匀稳定地加热，且不允许火焰直接加热，而工艺加热温度在150℃-380℃之间的各种生产场合，均可采用热媒炉供热。某些生活用热也可由热媒炉供给。•其工作原理为：燃料通过燃烧器在炉膛内燃烧产生热量，热量通过炉管以对流和辐射的形式传热给导热油，导热油在循环泵的驱动下通过加热炉出口进入换热器管程内将走壳程的原油加热后回到循环泵，通过加热炉再吸收热量，如此周而复始，以导热油为热载体(或称热媒)实现热量的连续传递。1.3.2热媒炉热媒炉工艺流程如图1-25所示。1.3.3烃类蒸气转化炉以烃类为原料，用蒸汽转化法生产合成氨原料气和氢气，在合成氨、炼油、石油化工、冶金等工业部门具有特定的地位。炼油厂的制氢炉、甲醇厂的制氢转化炉和合成氨厂的一段转化炉等都属于烃类蒸汽转化炉。•烃类蒸汽转化炉的工作条件比较苛刻，使用的都是耐高温的含高镍铬的合金材料，因此在炉子设计时要求合理使用炉管及尽量降低对炉管的要求，防止局部过热，使周向和轴向温度分布均匀。注意设计时所选用的炉型、原料、催化剂和操作条件是一个整体。1.3.3烃类蒸气转化炉1.4管式加热炉的基本构成与组成管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器和通风系统等五部分组成，如图1-27所示。其结构通常包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。图1-27管式加热炉的一般结构1.4.1基本结构、炉膛与部件•1.4.1.1炉膛与炉墙（炉衬）•炉膛是由炉墙、炉顶和炉底围成的空间，是对物质进行加•热的地方。炉墙、炉顶和炉底通称为炉衬，炉衬是加热炉的关键•技术条件之一。在加热炉的运行过程中，不仅要求炉衬能够在高•温和荷载条件下保持足够的强度和稳定性，要求炉衬能够耐受烟•气的冲刷和侵蚀，而且要求有足够的绝热保温和气密性能。1.4.1基本结构、炉膛与部件为此，炉衬通常由耐火层、保温层、防护层和钢结构几部分组成。其中耐火层直接承受炉膛内的高温气流冲刷和侵蚀，通常采用各种耐火材料经砌筑、捣打或浇注形成；保温层通常采用各种多孔的保温材料经砌筑、敷设、充填或粘贴形成，其功能在于最大限度地减少炉衬的散热损失，改善现场操作条件；防护层通常采用建筑砖或钢板，其功能在于保持炉衬的气密性，保护多孔保温材料形成的保温层免于损坏；钢结构是位于炉衬最外层的由各种钢材拼焊、装配成的承载框架，其功能在于承担炉衬、燃烧设施、检测仪器、炉门、炉前管道以及检修、操作人员所形成的载荷，提供有关设施的安装框架。1.4.1基本结构、炉膛与部件管式炉的炉墙结构主要有耐火砖结构、耐火混凝土结构和耐火纤维结构。其中耐火砖结构又分为砌砖炉墙、挂砖炉墙和拉砖炉墙。拉砖炉墙是目前应用比较广泛的炉墙，尤其是温度较高的管式加热炉，如裂解炉和转化炉。典型的拉砖结构如图1-28所示。图1-28拉砖炉墙1.4.1.2炉管管式炉炉管是物料摄取热量的媒介。按受热方式不同可分为辐射炉管和对流炉管，前者设置于辐射室内，后者设置于对流室内。为强化传热，对流管图1-28拉砖炉墙往往采用翅片管或钉头管，其安装方式多采用水平安装。1.4.1.3钢结构钢结构是管式炉的承载骨架。管式炉的其它构件依附于钢结构，其基本元件是各种型钢，通过焊接或螺栓连接构成管式炉的骨架。老式管式炉，如方箱炉、斜顶炉等，其钢结构占整个管式炉投资的比重较小，近代管式炉其钢结构的投资比例越来越大。1.4.1.4其它部件管式炉配件较多，主要有看火孔、点火孔、测试孔、炉用人孔、防爆门、吹灰器、烟囱挡板等。1.4.2辐射室辐射室是加热炉进行热交换的主要场所，其热负荷约占全炉的70％-80％。烃类蒸汽转化炉、乙烯裂解炉的反应和裂解过程全部由辐射室来完成。•辐射室内的炉管，通过火焰或高温烟气进行传热，以辐射热为主，故称之为辐射管。它直接受火焰辐射冲刷，温度高，其材料要具有足够的高温强度和高温化学稳定性。1.4.3对流室对流室是靠辐射室排出的高温烟气进行对流传热来加热物料。烟气以较高的速