第六章管式加热炉的使用与维护

1、第六章第六章 管式加热炉的使用与维护管式加热炉的使用与维护 目标：了解管式加热炉的工作过程及主要技术指标目标：了解管式加热炉的工作过程及主要技术指标 了解管式加热炉的类型了解管式加热炉的类型 掌握其主要构件的作用和特点掌握其主要构件的作用和特点 了解管式加热炉的检修内容了解管式加热炉的检修内容第三组：靳静云，张景芳，崔宴福，代鹏伟，吴军治第三组：靳静云，张景芳，崔宴福，代鹏伟，吴军治第一节第一节 管式加热炉的工作过程及类型管式加热炉的工作过程及类型一一.管式加热炉的工作过程及作用管式加热炉的工作过程及作用一个设备，具有用耐火材料包围的燃烧室，利用燃料一个设备，具有用耐火材料包围的燃烧室，利用燃

2、料燃烧产生的热量将物质（固体或流体）加热，这样的燃烧产生的热量将物质（固体或流体）加热，这样的设备叫做设备叫做“炉子炉子”。工业上有各种各样的炉子，如冶。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。金炉、热处理炉、窑炉、焚烧炉和蒸汽锅炉等。“管式加热炉管式加热炉”是石油炼制、石油化工和化学、化纤是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉。工业中使用的工艺加热炉。化工生产过程中很多反应需要在特定条件下进行。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

3、从油和一定比例的蒸汽在炉管内从600迅速加热到迅速加热到800左右，在很短的时间内完成裂解反应。另外，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，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、型式随着化学工业的发展，化工加热炉的种类、型式日益繁多，日益繁多，某些炉子往往成为该领域的技术关键。某些炉子往往成为该领域的技术关键。二二.管式加热炉的主要工艺管式加热炉的主要工艺参数参数 1.炉出口温度指物料出炉时被加热的温度。不同的工艺过程，对

4、炉出口温度有不同的要求，操作时应该按照工艺要求严格控制炉出口温度。2.加热炉有效热负荷Q加热炉的有效热负荷是指单位时间内物料通过炉管所吸收的总热量。无论吸收的热量用于升温，汽化或化学反应，均为有效热负荷。3.加热炉的热效率 加热炉热效率表示管式炉体系中参与热交换过程的热能的利用程度。它的供给能量中一般只包括燃料低热值和燃料、空气及雾化蒸汽带入的显热。损失能量包括排烟带走的热量和散失的热量。从这个意义上说，它也可以叫做“燃料效率”。4.过剩空气系数过剩空气系数加热炉燃料燃烧时，实际空气用量与理论空加热炉燃料燃烧时，实际空气用量与理论空气用量之比称为过剩空气系数，即：气用量之比称为过剩空气系数，即

5、：0LL理论空气量实际空气量在保证燃烧完全的前提下，使炉子在低而稳定的过在保证燃烧完全的前提下，使炉子在低而稳定的过剩空气系数下操作是有利的。过剩空气系数过小会剩空气系数下操作是有利的。过剩空气系数过小会造成燃烧不完全而浪费燃料；过剩空气系数过大，造成燃烧不完全而浪费燃料；过剩空气系数过大，进入炉膛的空气量大，炉膛温度下降，影响传热效进入炉膛的空气量大，炉膛温度下降，影响传热效率。率。5.辐射室烟气平均温度辐射室烟气平均温度tg辐射室烟气平均温度的高低对辐射室的传热效辐射室烟气平均温度的高低对辐射室的传热效果，炉管表面热强度等影响很大。果，炉管表面热强度等影响很大。6.炉膛体积热强度炉膛体积热

6、强度qv燃料燃烧放出的总热量与辐射室体积之比，称炉膛燃料燃烧放出的总热量与辐射室体积之比，称炉膛体积热强度。体积热强度。它表示单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃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，一般用烧所发出的热量，一般用kW/m3为单位。为单位。VQqnvqv：炉膛体积发热强度，：炉膛体积发热强度，kW/m3； Qn：燃料低热值，：燃料低热值，kJ/kg燃料；燃料； V：炉膛体积，：炉膛体积，m3。7.炉管表面热强度炉管表面热强度每平方米炉管单位表面积一小时内所吸收的热量每平方米炉管单位表面积一小时内所吸收的热量叫炉管表面热强度叫炉管表面热强度(千卡千卡/米米2小时小时)。

7、炉管表面热强度越高，在一定的热负荷下所用的炉炉管表面热强度越高，在一定的热负荷下所用的炉管就越少，炉子的尺寸可减小，投资可降低，所以管就越少，炉子的尺寸可减小，投资可降低，所以要尽可能地提高炉管的表面热强度。但炉管表面热要尽可能地提高炉管的表面热强度。但炉管表面热强度不能无限制地提高强度不能无限制地提高8.炉管内原料的质量流速炉管内原料的质量流速原料在炉管内的质量流速大一些对传热较有利，但也会使炉原料在炉管内的质量流速大一些对传热较有利，但也会使炉管压降增大，动力消耗增加，质量流速过小对传热不利，原管压降增大，动力消耗增加，质量流速过小对传热不利，原料易沉积结焦，炉管易烧坏。料易沉积结焦，炉管

8、易烧坏。9.炉管压降炉管压降它是原料进出炉管的压差。正常操作下，炉管压降的变化它是原料进出炉管的压差。正常操作下，炉管压降的变化 是判断炉管内物料是否结焦的重要标志。是判断炉管内物料是否结焦的重要标志。10.烟气出炉温度烟气出炉温度ts烟气出炉温度指烟气对流室的温度。为保证对流室传热效果，烟气出炉温度指烟气对流室的温度。为保证对流室传热效果，烟气与被加热物料的温差不能过小，一般控制在烟气与被加热物料的温差不能过小，一般控制在100-150范围内。范围内。1.箱式炉箱式炉在这种炉子的辐射室内，燃烧器和炉管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，管子沿整交错排列，单排管双面辐射

9、，管子沿整个圆周上的热分布要比单面辐射均匀得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氨厂常用它作为大型烃蒸汽转化炉的炉型，运转良好。型，运转良好。三三.管式加热炉的类型管式加热炉的类型（一）按外形分类（一）按外形分类2.立式炉立式炉（1）底烧横管式）底烧横管式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。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。

10、炉管布置在两侧壁，中央是一列底烧的燃烧器。烟气由辐射炉管布置在两侧壁，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，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间距较小，从而在炉子中央形成一道火焰“膜膜”，提高了辐，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。射传热的效果。现在使用的立式炉多数采用这一型式。（2）附墙火焰式）附墙火焰式 这种立式炉炉膛当中为一排横管，火焰附墙而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，使火墙成为良好的上，把两面侧墙的墙壁烧红，使火墙成为良好的热

11、辐射体，以提高辐射传热的效果，它比图热辐射体，以提高辐射传热的效果，它比图l7型炉传热均匀得多，目前已成为高压加氢、焦化型炉传热均匀得多，目前已成为高压加氢、焦化等装置的主流炉型。等装置的主流炉型。（3）立管立式炉）立管立式炉 这是我国首创的炉型图立式炉都为横管，要用大批这是我国首创的炉型图立式炉都为横管，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钢，同时又保留了立式炉的优点，常用作大型加热炉的炉型。型。3、立式圆筒炉、立式圆筒炉 （1）螺旋管式）螺旋管式 当炉子热负荷非常小，而

12、且对热效率无要求时，采用这两种炉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。旋，易于制造，被加热介质通常只有一管程。螺旋管式螺旋管式纯辐射式纯辐射式（2）有反射锥的辐射）有反射锥的辐射-对流

13、型对流型这种炉子为了强化传热，在炉膛顶部使用了反射锥，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舔到反射锥上造成烧损。尖部也容易舔到反射锥上造成烧损。（3）无反射锥的辐射）无反射锥的辐射-对流型对流型这种圆筒炉取代上述型式，已成为现代立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，干排管子，并尽量使用钉头管和翅片管，热效率较高

14、。热效率较高。4、大型方炉、大型方炉这种炉子用两排炉管把炉膛分成若干小间，每间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，称之为个方向进行，称之为“十字交叉十字交叉”分隔法。它通分隔法。它通常把对流室单独放到地面上。常把对流室单独放到地面上。（二）按用途分类（二）按用途分类 (1)炉管内进行化学反应的炉子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。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：炉技术的最高水平。它分为两种：

15、炉管内装催化剂的，如烃类水炉管内装催化剂的，如烃类水蒸气转化炉。蒸气转化炉。 炉管内不装催化剂的，如乙烯裂解炉。炉管内不装催化剂的，如乙烯裂解炉。2、加热液体的炉子、加热液体的炉子可分为三种：可分为三种：（1）、管内无相变化、单纯的液体加热炉）、管内无相变化、单纯的液体加热炉 （2）、管内进口为液相、出口）、管内进口为液相、出口为气液混相的炉子为气液混相的炉子 （3）、进口为液相、出口全部汽化的炉子）、进口为液相、出口全部汽化的炉子3、气体加热炉、气体加热炉 如水蒸气的过热、工艺气如水蒸气的过热、工艺气体的预热就使用这种炉子。它多体的预热就使用这种炉子。它多在较高温度下操作，但因为是纯在较高温

16、度下操作，但因为是纯气相，结焦的可能性不大。应该气相，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，必须从结构上保证的路数很多，必须从结构上保证各路均匀，防止偏流。各路均匀，防止偏流。4、加热混相流体的炉子、加热混相流体的炉子 这种炉子常用于加氢精制、加氢裂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，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、盘设计上要更重视管

17、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。和分叉管的配管设计等。（三）、炉型选择（三）、炉型选择(1)从结构、制造、投资费用方面从结构、制造、投资费用方面考虑，应优先选择辐射室用立考虑，应优先选择辐射室用立管的加热炉。管的加热炉。(2)对一般用途的中小负荷炉子，宜优先考对一般用途的中小负荷炉子，宜优先考虑立式圆筒炉。虑立式圆筒炉。（3）单排管双面辐射加热炉一般只推荐）单排管双面辐射加热炉一般只推荐用用于烃类蒸汽转化和乙烯裂解等高温过程。于烃类蒸汽转化和乙烯裂解等高温过程。第二节第二节 管式加热炉的结构管式加热炉的结构 管式

18、加热炉由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧系统、通风系统五部分组成。 1、辐射室是热交换的主要场所，火焰和高温烟气与炉管进行辐射换热，炉管材质要求有一定的高温强度和高温化学稳定性。 2、对流室、对流室是以对流换热为主的区域。依靠高温烟气与是以对流换热为主的区域。依靠高温烟气与管束对流换热，通常采用用翅片管、钉头管管束对流换热，通常采用用翅片管、钉头管做对流管束，以强化换热。做对流管束，以强化换热。 3、余热回收系统、余热回收系统是用来回收对流室出来的烟气余是用来回收对流室出来的烟气余热，节约能源提高炉子热效率。热，节约能源提高炉子热效率。一类是预热炉子自身燃烧用的空一类是预热炉子自身燃烧用的空

19、气的，称空气预热器；一类是加气的，称空气预热器；一类是加热其它介质的，通常是蒸汽发生热其它介质的，通常是蒸汽发生器，称废热锅炉。器，称废热锅炉。 4、燃烧系统、燃烧系统是以燃烧器和配风器组成的，使是以燃烧器和配风器组成的，使加热炉完成燃料燃烧过程。其性加热炉完成燃料燃烧过程。其性能好坏直接决定燃烧质量。能好坏直接决定燃烧质量。5、通风系统、通风系统作用是将燃烧用的空气导入燃烧作用是将燃烧用的空气导入燃烧器，将废烟气引出炉子，一般采器，将废烟气引出炉子，一般采用机械通风方式，安装吸、送风用机械通风方式，安装吸、送风机。机。二二.管式加热炉的炉体及炉管管式加热炉的炉体及炉管（一）炉体（一）炉体1.

20、钢架钢架钢架用以保护炉形及支承炉墙，炉管，顶盖，吊架，扶梯，平台等各部件钢架用以保护炉形及支承炉墙，炉管，顶盖，吊架，扶梯，平台等各部件的重量，根据各种不同的炉形，用不同的型钢焊接而成。的重量，根据各种不同的炉形，用不同的型钢焊接而成。2.炉墙炉墙主要有砖结构，轻质耐热混凝土结构及耐火纤维毡结构三种类型。砖结构主要有砖结构，轻质耐热混凝土结构及耐火纤维毡结构三种类型。砖结构的炉墙主要由耐火层，保温层及钢板保护层组成。耐火层常用的材料是耐的炉墙主要由耐火层，保温层及钢板保护层组成。耐火层常用的材料是耐火砖，要求必须能耐一定的高温。保温层常用的材料主要是保温砖，要求火砖，要求必须能耐一定的高温。保

21、温层常用的材料主要是保温砖，要求具有良好的保温性能。具有良好的保温性能。（二（二)炉管及配件炉管及配件1.炉管炉管是炉子的主要部件，其金属耗量占炉子金属总耗量的是炉子的主要部件，其金属耗量占炉子金属总耗量的40%-50%，投资占炉，投资占炉子总投资的子总投资的60%以上。炉管是在具有一定腐蚀性的原料及高温高压下长期工以上。炉管是在具有一定腐蚀性的原料及高温高压下长期工作的，应选择适宜的管材。要求管材持久强度要高，抗氧化性和耐腐蚀性作的，应选择适宜的管材。要求管材持久强度要高，抗氧化性和耐腐蚀性好。热稳定性和热加工性，特别是焊接性要好。好。热稳定性和热加工性，特别是焊接性要好。2.炉管配件炉管配

22、件主要有炉管连接件和炉管支承件。把一根根炉管连接成串联的一组盘管主要有炉管连接件和炉管支承件。把一根根炉管连接成串联的一组盘管的连接件叫炉管弯头或弯管。常用的支承件有管板，管架，托架，拉钩的连接件叫炉管弯头或弯管。常用的支承件有管板，管架，托架，拉钩等。一般水平安装的辐射炉管的中间支承用管架，两端的支承用管板：等。一般水平安装的辐射炉管的中间支承用管架，两端的支承用管板：对流管的支承构件均用管板。对立管式加热炉，位于两根炉管顶部弯头对流管的支承构件均用管板。对立管式加热炉，位于两根炉管顶部弯头上的承重构件称为托架：不承受垂直重量。而仅是限制炉管水平位移，上的承重构件称为托架：不承受垂直重量。而

23、仅是限制炉管水平位移，使炉管保持稳定的支承件则称拉钩。使炉管保持稳定的支承件则称拉钩。三三.管式加热炉的燃烧器管式加热炉的燃烧器一个完整的燃烧器通常包括燃料喷嘴、配风器和燃烧道三部分。一个完整的燃烧器通常包括燃料喷嘴、配风器和燃烧道三部分。 燃料喷嘴是供给燃料并使燃料完成燃烧前准备的部件。燃料油喷嘴的主要任务燃料喷嘴是供给燃料并使燃料完成燃烧前准备的部件。燃料油喷嘴的主要任务是使燃料油雾化并形成便于与空气混合的雾化炬。外混式燃料气喷嘴将燃料气是使燃料油雾化并形成便于与空气混合的雾化炬。外混式燃料气喷嘴将燃料气分散成细流，并以恰当的角度导入燃烧道，以便与空气良好混合。预混式燃料分散成细流，并以恰

24、当的角度导入燃烧道，以便与空气良好混合。预混式燃料气喷嘴则使将燃料气和空气均匀混合后供给燃烧的。气喷嘴则使将燃料气和空气均匀混合后供给燃烧的。 配风器的作用是使燃烧空气与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰形状。配风器的作用是使燃烧空气与燃料良好混合并形成稳定而符合要求的火焰形状。特别是在烧燃料油的情况下，为了保证重质燃料油燃烧良好，除了使之良好雾特别是在烧燃料油的情况下，为了保证重质燃料油燃烧良好，除了使之良好雾化外，还必须有良好的配风器，使空气和迅速、完善的混合。尤其是在火焰根化外，还必须有良好的配风器，使空气和迅速、完善的混合。尤其是在火焰根部必须保证有足够的空气供应，以避免燃料油受热

25、时因缺氧而裂解，产生黑部必须保证有足够的空气供应，以避免燃料油受热时因缺氧而裂解，产生黑烟。烟。 （一）气体燃烧器（一）气体燃烧器按燃料与空气的混合形式可分为预混式、半预混式、外混式三种。按燃料与空气的混合形式可分为预混式、半预混式、外混式三种。1、预混式气体燃烧器、预混式气体燃烧器燃烧气和空气在喷嘴内预先混合均匀，燃烧过程在燃烧道内完成，炉燃烧气和空气在喷嘴内预先混合均匀，燃烧过程在燃烧道内完成，炉膛内无火焰。膛内无火焰。2、外混式气体燃烧器、外混式气体燃烧器燃料气与空气在喷嘴外一边混合一边燃烧，常用的双火道气体燃烧器燃料气与空气在喷嘴外一边混合一边燃烧，常用的双火道气体燃烧器采用二次调风。

26、第一火道是发火区燃料气与一次空气在此混合燃烧。采用二次调风。第一火道是发火区燃料气与一次空气在此混合燃烧。第二火道进入二次空气，与燃烧的气体再次混合使燃料燃烧完全。第二火道进入二次空气，与燃烧的气体再次混合使燃料燃烧完全。3、半预混式气体燃烧器、半预混式气体燃烧器燃料气在喷嘴内与一部分空气预先混合，另一部分空气靠外部供给，燃料气在喷嘴内与一部分空气预先混合，另一部分空气靠外部供给，常用的类型有辐射墙式无焰燃烧器。常用的类型有辐射墙式无焰燃烧器。（二）液体燃烧器（二）液体燃烧器液体燃料燃烧时需要先经过喷嘴雾化成细小微粒，进入燃烧器火道和液体燃料燃烧时需要先经过喷嘴雾化成细小微粒，进入燃烧器火道和炉膛，在高温辐射下被加热汽化，然后才着火燃烧。燃料油雾化方式炉膛，在高温辐射下被加热汽化，然后才着火燃烧。燃料油雾化方