小負荷管式加熱爐的設計

許東方，王廣勝

（江蘇東方成套設備制造集團有限公司，湖南炎陵 412500）

小負荷管式加熱爐的設計

許東方，王廣勝

（江蘇東方成套設備制造集團有限公司，湖南炎陵 412500）

探討了小負荷管式加熱爐的設計問題，利用 PFR FRNC-5PC 軟件，模擬計算加熱爐模型，完成加熱爐設計。小負荷管式加熱爐在設計過程中有其特殊性，為了滿足加熱爐的高徑比要求，需要降低輻射室爐管的排管密度，同時需要反復校核設計方案，直至軟件輸出結果滿足設計要求。

管式加熱爐 ；PFR FRNC-5PC ；高徑比 ；設計方案

管式加熱爐是石油煉制、石油化工、化學工業普遍使用的工藝加熱爐，作為煉油化工工藝流程中的主要能源消耗設備，在煉化工藝中起著重要的作用。近年來，隨著煉油化工企業大力倡導節能減排降耗、提高效率，加熱爐的優化設計顯得愈發重要。

1 管式加熱爐簡介

加熱爐是煉油化工企業廣泛使用的工業加熱爐，是煉油工藝中的主要供能設備，其一般結構為：輻射室、對流室、余熱回收系統、煙囪和燃燒器。其中輻射室主要是通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱，輻射室是熱交換的主要場所，占全爐熱效率的70%～80% ；對流室是靠輻射室出來的高溫煙氣進行對流換熱的部分，一般承擔全爐熱負荷的20%～30%。

2 管式加熱爐設計

在進行加熱爐設計的過程中，設計熱負荷為1～30MW 是較為常見的工況，設計負荷大于30MW 和設計負荷不足1MW的工況均不多見。相對于常規負荷設計，負荷較大和負荷較小的加熱爐在設計過程中存在其特殊性，本文主要針對熱負荷不足1MW的加熱爐，提出設計過程中的問題，并給出相應的解決方案。使用PFR FRNC-5PC 軟件進行管式加熱爐的設計。

2.1 爐型選擇

在加熱爐規劃設計時，首先確定加熱爐的爐型，常見的管式爐爐型包括純輻射圓筒爐、輻射對流型圓筒爐、立式爐和箱式爐等。根據設計參數中的熱負荷和設計要求選定加熱爐的爐型。對于設計熱負荷不足1MW的加熱爐，優先選用圓筒爐。

2.2 高徑比的確定

加熱爐爐型確定后，根據輻射爐管的平均熱強度，管內介質的質量流速，允許壓降的要求，調整加熱爐的爐管管程數、爐管管徑、爐管數量以及爐管排布問題，確定加熱爐爐體的尺寸。

對于負荷較小的加熱爐，優先選擇立式圓筒爐。設計工況下，根據設計熱負荷和輻射爐管平均熱強度的推薦值選定爐管的規格和數量，通過計算得出圓筒爐的節圓直徑（所謂節圓直徑即為輻射爐管的中心所在圓周的直徑）。《一般煉油裝置用火焰加熱爐》SH/T 3036—2012 規定，立式圓筒爐的最大高徑比為2.75[高徑比即輻射段凈高（耐火層內表面）與輻射爐管的節圓直徑之比]。當加熱爐的設計熱負荷不超過1MW時，在推薦的輻射爐管平均熱強度下，所需要的輻射爐管換熱面積比較小，此時輻射爐管長度和爐管數量相互約束；同時加熱爐用燃燒器的最小火焰長度約為3m，《一般煉油裝置用火焰加熱爐》SH/T 3036—2012中規定燃燒器的可見火焰長度不超過輻射段高度的 2/3，因此輻射室的高度至少應為 4.5m，考慮到設計余量，建議輻射爐管的長度取6m左右，最小可取至5m；確定了輻射爐管的最小長度后，所需要的爐管數量也隨之確定。一般情況下，低負荷工況所需要的爐管數量較少，通過計算得出的節圓直徑較小，由此得到的高徑比遠大于2.75，不滿足規范要求。針對此種情況，通過擴大輻射爐管的節圓直徑和輻射室筒體外徑，滿足高徑比要的求，此時輻射爐管在選定的節圓直徑上對稱排布，無法排滿節圓直徑所在圓周，存在一部分輻射爐墻直接與火焰接觸。

例如某項目中加熱爐的設計，設計熱負荷0.86MW，介質入口條件 ：40℃，700kPa，出口條件 ：300℃，600kPa，介質流量為 3 070kg/h。設計時綜合上述要求，最終設計結果為輻射爐管管徑為 Φ89mm，管長為 6 000mm，爐管數量為 14 根，輻射室爐管的節圓直徑為 2 800mm，爐體內徑為 3 067mm，輻射室高度為 7 000mm，高徑比為 2.5，滿足規范要求。

2.3 PFR FRNC-5PC輸出結果調試

確定好爐管排布、爐體尺寸后，將相關參數輸入到 PFR FRNC-5PC 軟件中，運行輸出結果并進行調試。輸出結果中重點關注的設計參數有：火墻溫度、介質進出口條件、輻射爐管的平均熱強度、介質流速和介質壓降、煙氣流速、排煙溫度等。

火墻溫度指煙氣離開輻射室進入對流室時的溫度，表征爐膛內煙氣溫度的高低，一般要求不超過850℃。火墻溫度高，說明輻射室熱強度大，但火墻溫度過高，則意味著火焰過于猛烈，容易燒毀爐管和爐管支撐件等。

校核介質的進出口溫度、壓力、氣化率、熱負荷是否滿足設計參數的要求。管內介質所吸收的熱量用于升溫、氣化或化學反應，全部是有效利用熱，輸出結果必須保證加熱爐的有效熱負荷能夠滿足工藝介質的氣化率、出口溫度、壓力等的要求。

輻射爐管的熱強度反應了爐管傳熱強度的大小，一般取所有輻射爐管的平均熱強度。不同的工藝流程、不同的被加熱介質，要求的輻射爐管表面熱強度有所不同，例如常壓立式蒸餾爐的輻射爐管的平均熱強度要求 30 000～37 000W/m2，減壓立式蒸餾爐的輻射爐管的平均熱強度要求 24 000～31 000W/ m2。在相同的設計負荷下，爐管的熱強度越高，所需的換熱面積越小，加熱爐設備投資相應減少，但存在介質結焦、爐管溫度高、易損壞等問題；平均熱強度低，則會增大設備投入。因此在進行加熱爐設計時，應根據不同的設計要求，選擇最合理的輻射爐管熱強度。

介質流速和壓降：介質的流速越低，傳熱系數越小，壓降越低，但爐管的外壁溫度越高，結果是介質易結焦，爐管易損壞；介質的流速越高，介質流經加熱爐爐管所產生的壓降越高，增加爐管系統的動力消耗。不同的工藝流程、不同的被加熱介質，要求的介質流速略有差異，一般情況下，要求工藝介質流速滿足 1 000～1 500 kg/（m2?s）。

煙氣流速：煙氣流速直接影響煙氣經過對流室的壓降，一般要求對流室光管處的煙氣流速在1～3kg/s/m2。煙氣流速過低，對流爐管表面易積灰，降低爐管的傳熱效率，煙氣流速過高，則增加煙氣通過對流室的壓力損失，導致煙囪入口處的抽力不足，無法滿足煙氣排放要求。

排煙溫度：即煙囪入口處的煙氣溫度，排煙溫度對加熱爐熱效率有很大的影響，排煙溫度高，則排放煙氣中所含的熱量大，損失的熱量就高，加熱爐的熱效率降低，排煙溫度升高10℃，煙氣熱損失大約增加0.5% ；排放溫度低，一旦低于酸露點腐蝕溫度，則會產生嚴重的酸露點腐蝕，影響加熱爐的使用壽命。不含余熱回收系統的加熱爐，其排煙溫度與介質入口溫度和酸露點腐蝕溫度有關。一般來說，排煙溫度比介質入口溫度高60～80℃，且不可低于酸露點腐蝕溫度，此時的設備投資最為經濟，加熱爐的熱效率也較高。含有余熱回收系統的加熱爐，其排煙溫度主要考慮酸露點腐蝕溫度。對于燃料比較清潔、硫含量低的情況，排煙溫度可以稍低些，一般在120℃左右 ；對于硫含量高，尤其是燃燒液體燃料的情況，此時酸露點腐蝕溫度較高，一般要控制排煙溫度在200℃左右甚至更高，具體由酸露點腐蝕溫度決定。

3 結束語

管式加熱爐是石油煉化過程中的核心供能設備，小負荷加熱爐在處理量小的煉油工藝中較為常見。借助 PFR FRNC-5PC軟件，進行加熱爐設計時要重點考慮加熱爐的高徑比，最大不超過2.75 ；輻射爐管的平均熱強度，不同的處理工藝，其推薦數值略有差異 ；加熱爐的橋墻溫度，一般要求控制在850℃以下；介質的進出口條件，要求滿足設計參數的要求；工藝介質的流速，不同的加工工藝，其推薦數值略有差異，一般為 1 000～1 500kg/s/m2；介質壓降要滿足設計參數中允許壓降的要求 ；煙氣流速滿足 1～3kg/s/m2；排煙溫度要綜合考慮介質入口溫度和酸露點腐蝕溫度，選擇最合理的排煙溫度。

[1] 錢家麟 .管式加熱爐 [M].北京 ：中國石化出版社，2003.

[2] 全民 .通過優化設計提高加熱爐熱效率 [J].河南化工，2012，（9）：54-56.

[3] 樊 夢芳，盧 浩 .管式 加熱爐煙氣 余熱 利用技術 [J]. 石油規 劃設 計，2013，24（4）：47–48.

[4] 張偉，徐明海，遲進華 .管式原油加熱爐設計應注意的幾個問題 [J].油氣儲運，2008，27（10）：48-50.

[5] 李 文輝 .加熱 爐 爐管內 膜溫度 控制 [J].石油化 工設備 技術，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