小负荷管式加热炉的设计

许东方，王广胜

（江苏东方成套设备制造集团有限公司，湖南炎陵 412500）

小负荷管式加热炉的设计

许东方，王广胜

（江苏东方成套设备制造集团有限公司，湖南炎陵 412500）

探讨了小负荷管式加热炉的设计问题，利用 PFR FRNC-5PC 软件，模拟计算加热炉模型，完成加热炉设计。小负荷管式加热炉在设计过程中有其特殊性，为了满足加热炉的高径比要求，需要降低辐射室炉管的排管密度，同时需要反复校核设计方案，直至软件输出结果满足设计要求。

管式加热炉 ；PFR FRNC-5PC ；高径比 ；设计方案

管式加热炉是石油炼制、石油化工、化学工业普遍使用的工艺加热炉，作为炼油化工工艺流程中的主要能源消耗设备，在炼化工艺中起着重要的作用。近年来，随着炼油化工企业大力倡导节能减排降耗、提高效率，加热炉的优化设计显得愈发重要。

1 管式加热炉简介

加热炉是炼油化工企业广泛使用的工业加热炉，是炼油工艺中的主要供能设备，其一般结构为：辐射室、对流室、余热回收系统、烟囱和燃烧器。其中辐射室主要是通过火焰或高温烟气进行辐射传热，辐射室是热交换的主要场所，占全炉热效率的70%～80% ；对流室是靠辐射室出来的高温烟气进行对流换热的部分，一般承担全炉热负荷的20%～30%。

2 管式加热炉设计

在进行加热炉设计的过程中，设计热负荷为1～30MW 是较为常见的工况，设计负荷大于30MW 和设计负荷不足1MW的工况均不多见。相对于常规负荷设计，负荷较大和负荷较小的加热炉在设计过程中存在其特殊性，本文主要针对热负荷不足1MW的加热炉，提出设计过程中的问题，并给出相应的解决方案。使用PFR FRNC-5PC 软件进行管式加热炉的设计。

2.1 炉型选择

在加热炉规划设计时，首先确定加热炉的炉型，常见的管式炉炉型包括纯辐射圆筒炉、辐射对流型圆筒炉、立式炉和箱式炉等。根据设计参数中的热负荷和设计要求选定加热炉的炉型。对于设计热负荷不足1MW的加热炉，优先选用圆筒炉。

2.2 高径比的确定

加热炉炉型确定后，根据辐射炉管的平均热强度，管内介质的质量流速，允许压降的要求，调整加热炉的炉管管程数、炉管管径、炉管数量以及炉管排布问题，确定加热炉炉体的尺寸。

对于负荷较小的加热炉，优先选择立式圆筒炉。设计工况下，根据设计热负荷和辐射炉管平均热强度的推荐值选定炉管的规格和数量，通过计算得出圆筒炉的节圆直径（所谓节圆直径即为辐射炉管的中心所在圆周的直径）。《一般炼油装置用火焰加热炉》SH/T 3036—2012 规定，立式圆筒炉的最大高径比为2.75[高径比即辐射段净高（耐火层内表面）与辐射炉管的节圆直径之比]。当加热炉的设计热负荷不超过1MW时，在推荐的辐射炉管平均热强度下，所需要的辐射炉管换热面积比较小，此时辐射炉管长度和炉管数量相互约束；同时加热炉用燃烧器的最小火焰长度约为3m，《一般炼油装置用火焰加热炉》SH/T 3036—2012中规定燃烧器的可见火焰长度不超过辐射段高度的 2/3，因此辐射室的高度至少应为 4.5m，考虑到设计余量，建议辐射炉管的长度取6m左右，最小可取至5m；确定了辐射炉管的最小长度后，所需要的炉管数量也随之确定。一般情况下，低负荷工况所需要的炉管数量较少，通过计算得出的节圆直径较小，由此得到的高径比远大于2.75，不满足规范要求。针对此种情况，通过扩大辐射炉管的节圆直径和辐射室筒体外径，满足高径比要的求，此时辐射炉管在选定的节圆直径上对称排布，无法排满节圆直径所在圆周，存在一部分辐射炉墙直接与火焰接触。

例如某项目中加热炉的设计，设计热负荷0.86MW，介质入口条件 ：40℃，700kPa，出口条件 ：300℃，600kPa，介质流量为 3 070kg/h。设计时综合上述要求，最终设计结果为辐射炉管管径为 Φ89mm，管长为 6 000mm，炉管数量为 14 根，辐射室炉管的节圆直径为 2 800mm，炉体内径为 3 067mm，辐射室高度为 7 000mm，高径比为 2.5，满足规范要求。

2.3 PFR FRNC-5PC输出结果调试

确定好炉管排布、炉体尺寸后，将相关参数输入到 PFR FRNC-5PC 软件中，运行输出结果并进行调试。输出结果中重点关注的设计参数有：火墙温度、介质进出口条件、辐射炉管的平均热强度、介质流速和介质压降、烟气流速、排烟温度等。

火墙温度指烟气离开辐射室进入对流室时的温度，表征炉膛内烟气温度的高低，一般要求不超过850℃。火墙温度高，说明辐射室热强度大，但火墙温度过高，则意味着火焰过于猛烈，容易烧毁炉管和炉管支撑件等。

校核介质的进出口温度、压力、气化率、热负荷是否满足设计参数的要求。管内介质所吸收的热量用于升温、气化或化学反应，全部是有效利用热，输出结果必须保证加热炉的有效热负荷能够满足工艺介质的气化率、出口温度、压力等的要求。

辐射炉管的热强度反应了炉管传热强度的大小，一般取所有辐射炉管的平均热强度。不同的工艺流程、不同的被加热介质，要求的辐射炉管表面热强度有所不同，例如常压立式蒸馏炉的辐射炉管的平均热强度要求 30 000～37 000W/m2，减压立式蒸馏炉的辐射炉管的平均热强度要求 24 000～31 000W/ m2。在相同的设计负荷下，炉管的热强度越高，所需的换热面积越小，加热炉设备投资相应减少，但存在介质结焦、炉管温度高、易损坏等问题；平均热强度低，则会增大设备投入。因此在进行加热炉设计时，应根据不同的设计要求，选择最合理的辐射炉管热强度。

介质流速和压降：介质的流速越低，传热系数越小，压降越低，但炉管的外壁温度越高，结果是介质易结焦，炉管易损坏；介质的流速越高，介质流经加热炉炉管所产生的压降越高，增加炉管系统的动力消耗。不同的工艺流程、不同的被加热介质，要求的介质流速略有差异，一般情况下，要求工艺介质流速满足 1 000～1 500 kg/（m2•s）。

烟气流速：烟气流速直接影响烟气经过对流室的压降，一般要求对流室光管处的烟气流速在1～3kg/s/m2。烟气流速过低，对流炉管表面易积灰，降低炉管的传热效率，烟气流速过高，则增加烟气通过对流室的压力损失，导致烟囱入口处的抽力不足，无法满足烟气排放要求。

排烟温度：即烟囱入口处的烟气温度，排烟温度对加热炉热效率有很大的影响，排烟温度高，则排放烟气中所含的热量大，损失的热量就高，加热炉的热效率降低，排烟温度升高10℃，烟气热损失大约增加0.5% ；排放温度低，一旦低于酸露点腐蚀温度，则会产生严重的酸露点腐蚀，影响加热炉的使用寿命。不含余热回收系统的加热炉，其排烟温度与介质入口温度和酸露点腐蚀温度有关。一般来说，排烟温度比介质入口温度高60～80℃，且不可低于酸露点腐蚀温度，此时的设备投资最为经济，加热炉的热效率也较高。含有余热回收系统的加热炉，其排烟温度主要考虑酸露点腐蚀温度。对于燃料比较清洁、硫含量低的情况，排烟温度可以稍低些，一般在120℃左右 ；对于硫含量高，尤其是燃烧液体燃料的情况，此时酸露点腐蚀温度较高，一般要控制排烟温度在200℃左右甚至更高，具体由酸露点腐蚀温度决定。

3 结束语

管式加热炉是石油炼化过程中的核心供能设备，小负荷加热炉在处理量小的炼油工艺中较为常见。借助 PFR FRNC-5PC软件，进行加热炉设计时要重点考虑加热炉的高径比，最大不超过2.75 ；辐射炉管的平均热强度，不同的处理工艺，其推荐数值略有差异 ；加热炉的桥墙温度，一般要求控制在850℃以下；介质的进出口条件，要求满足设计参数的要求；工艺介质的流速，不同的加工工艺，其推荐数值略有差异，一般为 1 000～1 500kg/s/m2；介质压降要满足设计参数中允许压降的要求 ；烟气流速满足 1～3kg/s/m2；排烟温度要综合考虑介质入口温度和酸露点腐蚀温度，选择最合理的排烟温度。

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[5] 李 文辉 .加热 炉 炉管内 膜温度 控制 [J].石油化 工设备 技术，2016，37（2）：41-43.

Design of Small Load Tube Furnace

Xu Dong-fang，Wang Guang-sheng

The design problem of small-load tubular heating furnace is discussed.The design of heating furnace is completed by PFR FRNC-5PC software.Small load tube heating furnace in the design process has its particularity，in order to meet the requirements of the calorimeter diameter，the need to reduce the radiation chamber tube tube tube density ；at the same time need to repeatedly check the design，until the software output to meet the design results Claim.

tubular heating furnace ；PFR FRNC-5PC ；height ratio ；design scheme

TK175

：A

：1003–6490（2017）07–0125–02