工业炉在石油化工领域的使用及发展情况

工业炉在石油化工领域的使用及发展情况

工业炉是石油化工装置中常见的生产工艺过程中的关键设备。如炼油及石油化工装置管式加热炉、转化炉、裂解炉；合成氨装置高温加热、高温反应的以煤为原料的气化炉或以燃气为原料的一段转化炉、二段转化炉等。这些工业炉类设备的特点是：结构较为复杂，施工工期长，工艺条件要求严格，工程质量标准高。工业炉的类型很多，而且结构多样。本调研报告简要叙述石油化工常见几种工业炉工作原理、结构型式、所用材料及初步设计概算的编制。

一、工业炉知识简介

工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备。

(一) 工业炉在生产工艺过程中的作用

在石油化工生产工艺过程中，介质(物料)的化学反应较为复杂，如石油烃类的裂解过程，除裂解反应外，还伴随着脱氢、异构化、环化、缩合、迭合等反应的发生。按其不同的工艺性能要求，工业炉在石油化工生产过程中的作用可归纳如下：

1．加热介质，使其达到所需要的温度后以满足下一工艺过程的需要，发生物理变化和相态转变（由液态变为气态）。一般称为纯加热用加热炉。

2．加热某种介质，使其达到化学反应所需的温度，或者在触媒的作用下进行化学反应。一般称为加热反应用加热炉。

(二)工业炉的分类

石油化工行业工业炉的类型较多，按其外型结构特征及加热工艺过程不同可划分为五大类：

1．管式加热炉

按形状分为圆筒炉、立式炉、箱型炉。管式炉炉体一般由钢架及筒体（或箱体）组成，炉内衬有耐火材料和隔热材料，还有炉管系统、炉配件和烟囱等部分。根据其受热形式有纯辐射式和辐射-对流式。管式加热炉是石油化工行业最常用的炉型，以后各节主要围绕管式加热炉展开介绍。

2．立式反应炉

这类炉的炉体基本上是受压容器，如甲烷化炉、中（低）温变换炉、气化炉、二段转化炉等；另一部分类似平顶(底)或锥形顶(底)的常压容器，如沸腾炉、蓄热炉、煤气发生炉等，炉体多数均有复杂的内件和衬耐火材料，催化剂填料等。

3．卧式旋转反应炉

炉体呈卧式旋转筒体，内部装有螺旋输运器或加热炉管，外部有传动及减速装置，如HF旋转反应炉等。

4．带传动、升降投料装置的反应炉

这类炉设备类似容器，但外部有投料提升装置，炉内有内衬或砌筑耐火和隔热材料，如电热炉等。

5．其他工业炉

焚烧炉：用于废气、废液、废渣的焚烧。将其中有害物质经焚烧转化为无害物质排出。如污泥焚烧炉、硫磺回收装置焚烧炉。干燥炉：用于干燥工艺物料。热载体炉：塑料厂用的较多。

(三) 工业炉常用材料

工业炉通常都是由金属和非金属材料制造、安装、砌筑而成。对于由金属壳体或钢架、炉管、各种配件组合的炉体结构，要求能承受相当高的温度、各种介质的腐蚀以及承受一定的压力和荷载，其中，尤以炉管为著。工业炉使用的金属材料种类很多，常用的有普通碳钢、各种耐高温合金钢及不锈钢。此外，对构成工业炉实体的内衬耐火材料、隔热保温材料种类也很多。有耐火砖、不定型耐火材料、耐火纤维、纤维可塑料、岩棉板、微孔硅酸钙制品等。

二、石油化工装置常用工业炉

(一) 管式加热炉

管式加热炉是属于提供热源的火焰加热设备，作用是将通过炉管中的介质加热到所需温度，然后进入下一段工艺过程，又称之为管式炉。

1．管式加热炉的工作原理

管式加热炉由辐射室、对流室和烟囱组成，辐射室和对流室内均装有炉管，烟囱内装有挡板。燃料经过喷嘴在辐射室燃烧，产生的高温火焰以辐射传热方式，将大部分热量传给辐射室炉管内流动着的介质，温度降低后的高温烟气再进入对流室，以对流方式继续将部分热量传给对流室炉管内流动着的介质，降温后的烟气最终进入烟道，通过烟囱排入大气。介质的流向一般是先经过对流室炉管，再经过辐射室的炉管。其介质在流动过程中不断吸入高温烟气经炉管壁传来的热量，逐步升高到所需要的温度成为高温介质流出。管式加热炉的流程见图1。为了综合利用能源常在对流室和烟道与炉体部分增设余热回收系统，或加热空气或加热水、水蒸汽，生成蒸汽或过热蒸汽，供生产使用。

图1加热流程图

2．管式加热炉的类型

常见的管式炉中，有圆筒加热炉和立式加热炉。炉体外形分为立式圆筒形和立式长方形、箱型，而老式斜顶形加热炉在炼油装置中已很少采用。

圆筒式加热炉又称圆筒立式加热炉，其炉型见图2。图中（a）型是一种纯辐射型圆筒加热炉，只有辐射室，没有对流室，喷嘴设在底部向上安装，炉管直立沿炉墙布置。这种加热炉结构简单、重量轻，其热效较低。图中（b）型是辐射对流型圆筒加热炉，在炉体上部设有水平方向布置的对流室，底部为辐射室，结构较复杂。

图2 圆筒式加热炉图

立式加热炉分为卧管立式加热炉和立管立式加热炉，这两种加热炉的示意见图3（a）、图3（b）。立式加热炉高度通常为宽度的2—3倍，炉内呈长方形，又称立方式型炉，由型钢组成的立柱支撑。立式加热炉的结构分上、中、下三部分，上部分为烟囱，内设挡板调节气流和风量，中部为对流室，下部为辐射室。

图3 立式加热炉

喷嘴在炉底向上放置或侧壁水平放置，辐射炉管沿炉墙呈卧式或立式排列，对流段炉管均为卧式安装，用管板支撑。

3．特殊类型加热炉

由于采用技术不同，有些装置的立式方型炉炉管及燃烧器的位置与常见炉型不同。如重整装置四合一炉，管系为正U型上面2个集合管，或倒U型下面2个集合管。集合管材质 1 1/4Cr1/2Mo, 15CrMo,Cr5Mo,形状为直管,炉管材质Cr9Mo。燃烧器有设置在炉墙侧面，或设置在炉底部。加氢裂化装置设计的炉型有炉管放在中间，采用双面辐射方式，支撑架为HK-40的离心浇注管。以下介绍几种不同于一般管式加热炉结构的炉型。

(1)重整装置四合一炉：该四个重整进料加热炉的辐射室是四个完全独立的在一个箱体钢结构内的立式炉，用来分别加热重整进料介质。介质出炉温度为500°C左右，炉内烟气温度为800～900°C，见图4。

图4催化重整炉图

(2)制氢装置转化炉与其他加热炉不同之处是炉管里装有催化剂，制氢反应过程在炉管内完成。炉内温度较高，达到1000°C，反应介质出口温度为800°C 左右，此炉有两种型式：一种是立式长方形炉，燃烧器侧面安装；另一种是大型的立式箱型炉，燃烧器顶置，对流室另设一个系统，炉型见图5。