工业炉技术安装工程

工业炉技术安装工程一、工业炉一般知识简介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。本章只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TOP(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11-2-1。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。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11-2-2。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11-2-1加热流程图图11-2-2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11-2-3（a）、11-2-3（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。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11/4Cr1/2Mo,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11-2-4。图11-2-3（a）卧管图11-2-3（b）立管立式加热炉图立式加热炉图图11-2-4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11-2-5。图11-2-5制氢转化炉图(3)裂解炉，主要以石油馏分为原料，进行热裂解生产烯烃，其结构特征为：立管加热裂解炉。管式裂解炉为立式钢架结构炉体，炉墙砌筑耐火材料和隔热材料，炉管为立式悬挂变径管，几种不同管径组合成一组，炉底有油气联合喷嘴；对流室在顶部，为卧式盘管，预热原料或燃料等。裂解炉是乙烯装置中的关键设备之一，结构庞大（30万t/a乙烯十一台裂解炉总重4100t）。过去我国乙烯装置中的裂解炉大部分是从国外引进，其结构与国内管式裂解炉相类似，工艺流程及各种技术指标与国内同类炉子水平相近或略高，见图11-2-6。4．管式加热炉金属结构炉体金属结构由炉架、烟道、烟囱、风道、弯头箱门、梯子平台组成。炉架占炉体金属结构重量80%左右，由主框架、中间及边框架、炉底钢结构、炉顶钢结构、端墙钢结构、辐射室及对流室表面钢板等组成。烟道是输送和排放烟气的管道，风道是供给空气的管道。烟风道系统设计的优劣，直接影响预热回收系统的效率、动力消耗、材料消耗。弯头箱门在对流室两侧，是检修对流室弯头的开启门。图11-2-630万t/a轻柴油裂解炉结构图(二)化学反应炉由于石油化工生产面较广，专业众多，除上述常用炉类设备外，尚有一些加热、化学反应炉设备，如合成氨装置中的二段转化炉、蓄热炉、开工加热炉、甲烷化炉，气化炉等。这些炉类设备主要用于石油化工装置中原料气的进一步加热、转化、变换分离及固体焚烧等一系列化学反应。它们的共同特征是均为立式钢壳体，一般外壳为受压容器，体内衬耐火隔热材料或内装催化触媒以及内衬不锈钢板或其他合金钢；炉体安装类似一般反应器或容器类设备，炉型见图11-2-7（a）、11-2-7（b）、11-2-7（c）、11-2-7（d）。(a)二段转化炉图(b)中低温度变换炉(c)甲烷化炉(d)开工加热炉图11-2-7(三)工业炉炉管及配件1．炉管工业炉辐射炉管主要是受火焰的直接辐射，并在高温和高压下进行工作，有时还可能承受硫化物、环烷酸和氯化物等的腐蚀，因此，炉管是在十分苛刻的条件下工作。工业炉炉管的材质根据介质的特性和操作条件不同，应采用优质碳钢、合金钢或不锈钢。炉管除了不同材质的光管外，设计中为了提高对流室的烟气侧传热系数，常在光管上增焊翅片或钉头，故称为翅片管或钉头管，一般翅片管的受热面积为光管的4～9倍；钉头管的受热面积为光管的2～3倍，其型式如图11-2-8（a）、11-2-8（b）。为减少积灰，增加传热能力，现在有使用开口翅片管。制氢装置转化炉的炉管内装有触媒，其型式如图11-2-9（a）。重整装置进料炉辐射室为门型，由集合管分多路入炉内，再汇集于集合管出炉，其型式如图11-2-9（b）。2．炉管连接件及支持件炉管常用的连接件有急弯弯管、箱式回弯头、冲压弯头、U型铸钢弯头，见图11-2-10（a）、11-2-10（b）、11-2-10（c）。急弯弯管材质应与炉管材质相一致，型式有90°和180°两种。箱式回弯头有铸钢和锻钢两种材质，其中铸钢为多，与炉管连接时采用胀接、螺纹连接或焊接的方法均可。回弯头的堵头可以拆卸,便于炉管的检查与清焦及修理。压力分为2.5、6.5、10MPa三个等级，型式有90°和180°两种。支持件是支承或稳定炉管的配件，由于炉管的布置形式不同，对支承件型式的要求也不一样，常分为立装炉管拉钩、卧装炉管托架、弹簧吊架和稳定炉管的管板，常见型式如图11-2-11图11-2-8（b）翅片管图图11-2-9a转化管图1-锥形底；2-触媒支承架；3-转化管本体；4-管端帽；5-热电偶套管；6-活套法兰；7-平盖板；8-垫片；9-管接头图11-2-9（b）辐射室出入口集合管图3．燃烧器燃烧液体或气体的燃烧器，通称为喷嘴，包括燃料喷嘴、调风器、和火道三部分。一般常用的喷嘴种类为油气联合燃烧器、轻油燃烧器等，见图11-2-12。为了控制大气污染，现开发出系列环保高效节能燃烧器，具有20世纪九十年代国际先进水平。按燃料种类分为重油、轻油、气体；按排放污染物分为低一氧化氮（NOx）燃烧器和普通燃烧器。除上述零配件外，还有烟囱的挡板及调节装置、看火门、防爆门、人孔门、吹灰器等配件。图11-2-11(a)炉管拉钩图图11-2-11(b)炉管托架图图11-2-11(c)弹簧吊架(四)工业炉炉衬工程管式炉的炉衬结构，目前采用的有砌砖、拉砖、轻质耐热衬里、轻质浇注料衬里和耐火纤维炉衬、喷涂耐火纤维炉衬、纤维可塑料衬里结构等。1．炉衬结构的种类(1)砌砖结构这是最简单的一种炉墙结构形式。砌砖结构的圆筒形炉墙本身稳定性较好，结构简单，炉墙厚，炉墙高度不受限制，国内圆筒炉的辐射室常采用轻质耐火砖砌砖结构，见图11-2-13（a）。(2)拉砖结构为了增强砌砖炉墙的稳定性，将炉墙砖结构与炉墙钢结构拉接起来，便形成了另一种炉墙形——拉砖炉墙。拉砖炉墙基本不用异型砖，多用于立式方型高炉墙。拉砖炉墙可分为采用重质耐火砖的重型拉砖炉墙和采用轻质耐火砖的轻型拉砖炉墙，重型拉砖炉墙多用于不分段承重的低炉墙，随着炉墙高度的增加使用轻质耐火砖，辐射段采用筒壁钢板和钢架分段承重的轻型拉砖炉墙，它使炉墙重量进一步减轻。国内转化炉和箱型炉当采用附墙火焰燃烧，轻质耐热衬里和耐火纤维炉衬不能满足要求时，可以考虑采用轻型拉砖结构。见图11-2-13（b）。(3)耐火纤维炉衬结构耐火纤维炉衬结构一般由耐火度不同的耐火纤维毡或耐火纤维模块组成。是由隔热层和耐火层组成的多层叠合式结构。耐火纤维炉衬具有隔热性能好、炉墙薄、重量轻、施工简便、施工进度快、不需烘炉等优点。但耐火纤维炉衬强度低，抗气流冲刷性能不如耐火砖和轻质耐热衬里。耐火纤维炉衬分为普铝、高铝和含锆纤维，可用于一般工业炉辐射室的炉墙和炉顶。对于气流冲刷较严重的对流室、烟道和烟囱等部位，不适宜采用。耐火纤维炉衬结构见11-2-14（a），11-2-14（b）。图11-2-12油气联合喷嘴(4)轻质浇注料衬里结构20世纪九十年代以后炉衬里新型材料及配方不断涌现，轻质浇注