工業爐設計一般流程

摘要：工業爐是現代工業化生產中的重要設備，其設計溫度高，內部物料流動劇烈，因此工業爐設計工作需要更加嚴謹。因為大多數工業爐都屬于非標設備，需要根據每個項目獨特的工藝要求進行個性化設計，所以無法直接采用以往的工業爐。現對工業爐相關的設計技術規范進行了整理，結合以往的工作經驗，歸納總結了工業爐設計的一般流程和需要重點考慮的問題。

關鍵詞：工業爐;設計;流程

0 引言

工業爐是現代工業化生產中的重要設備，其內部運行工況惡劣，故對設備的要求非常嚴格。大多數工業爐屬于非標設備，需根據每個項目獨特的工藝要求進行獨立設計。本文對工業爐相關的設計技術規范進行了整理，結合筆者實踐經驗，歸納總結了工業爐設計的一般流程和需要重點考慮的問題。

1 工業爐的設計前準備

1.1? ? 設備工藝要求

工業爐作為整體工藝的重要組成部分，其本質是服務于工藝，因此工業爐應與整體工藝要求相匹配。一般需要了解的工藝要求包括如下內容：

（1）工藝物料狀態（氣態、液態、固態），影響工業爐設備的排渣結構形式;（2）工藝反應類型（氧化、還原），影響工業爐尺寸、設計壓力的選取以及密封結構的設計等;（3）工藝溫度，影響工業爐內襯設計及外殼溫度設計;（4）工藝壓力，影響設備結構的強度設計;（5）特殊工藝物料（有毒、有害、易燃、腐蝕），影響設備材質選擇、輔機選型、密封性要求等。

1.2? ? 選擇相應的設計規范

在正式開始工業爐設計之前，應根據設備工藝要求，判斷設備工藝特點，并選擇相應的設計標準作為設計依據。

根據設備的設計壓力不同，工業爐設備的類型也不一樣。其中設計壓力大于0.1 MPa或者真空度小于0.02 MPa的屬于壓力容器。對屬于壓力容器的工業爐設備來說，應參考《壓力容器》（GB 150—2011）標準;對于設計壓力為常壓的工業爐設備，應參考《鋼制焊接常壓容器》（NB/T 47003.1—2009）標準。

根據整體工藝所屬行業不同，還應選擇相應行業的設計規范。例如，為化工工藝服務的工業爐，應符合《鋼制化工容器結構設計規定》（HG/T 20583）及《鋼制化工容器制造技術要求》（HG/T 20584）等的要求。對于內部有高溫內襯（耐火材料）的工業爐設備，還應對相應內襯做出相關規定，可引用的規范包括《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》（GB 50211—2014）及《化學工業爐砌筑技術條件》（HG/T 20543）。除了以上標準規范外，如《工業爐設計手冊》（第3版）等，也可以作為設計依據。

2 工業爐本體設計的一般流程

2.1? ? 工業爐結構形式選擇

一般的工業爐結構形式主要分為立式和臥式兩種，具體需要根據工藝而定。

立式工業爐一般適用于小型設備，其占地面積小，啟動運行升溫快，排渣簡單。沿煙氣流動方向受熱更加均勻，更適合布置換熱面，適用于需要在爐內換熱的工藝。臥式工業爐一般適用于大型設備，占地面積大，啟動升溫慢，排渣較為復雜。物料停留時間長，適用于需要保證一定反應時間的工藝。

2.2? ? 工業爐爐膛結構設計

爐膛是工業爐內部反應空間，爐膛尺寸大小由爐膛容積熱負荷和截面熱負荷決定。

爐膛容積熱負荷（kW/m3）=爐膛內熱功率（kW）/爐膛容積（m3）

爐膛截面熱負荷（kW/m2）=爐膛內熱功率（kW）/爐膛截面積（m2）

爐膛內熱功率為忽略掉散熱的有效功率;爐膛容積為爐內有效容積;爐膛截面積為垂直于物料流向的截面面積。

爐膛容積熱負荷與爐膛溫度直接相關。爐膛容積熱負荷越高，爐膛平均溫度越高，反之，則平均溫度越低。

爐膛截面熱負荷反應所取截面溫度，一般取反應區截面溫度。爐膛截面熱負荷越高，反應區溫度越高，有利于反應充分，反之，則反應區溫度越低。

在設計過程中，可以根據工藝不同，選取類似設備的熱負荷參考值。以燃氣鍋爐為例，其容積熱負荷一般取1 150～1 800 kW/m3，截面熱負荷一般取4 000～6 150 kW/m2。

根據工藝提供的反應功率數值，選取適當的爐膛容積熱負荷和爐膛截面熱負荷數值，即可計算得到爐膛內部容積尺寸和爐膛截面尺寸。對物料反應時間有要求的設備，還應校核物料停留時間。

爐膛長度（m）=爐膛截面熱負荷（kW/m2）/爐膛容積熱負荷（kW/m3）

物料停留時間（s）=爐膛長度（m）/物料流速（m/s）

2.3? ? 工業爐內襯設計

工業爐是高溫設備，一般都需要在內部設置耐高溫內襯。耐火內襯對于工業爐的使用壽命有很大影響。耐火內襯的選擇受到物料類型、溫度、運行方式等方面的影響。物料類型是選擇工作層的重要依據。工作層直接與物料接觸，需要通過材料侵蝕實驗，確保物料與工作層不會發生高溫反應。

爐內溫度對耐火內襯設計影響最大。一般耐火內襯分為工作層和保溫層，部分高溫工業爐，還應增加絕熱層。工作層直接接觸爐內高溫，要求在最高設計溫度保持性能穩定。一般要求其耐火度高于最高設計溫度至少200 ℃。保溫層隔熱性能好，但耐溫不超過800 ℃。絕熱層在工作層和保溫層之間，既耐高溫，又能隔熱，可防止保溫層超溫。設備外殼的溫度應低于50 ℃，對于有酸性氣體的設備，外殼溫度應高于露點溫度20～30 ℃。設備運行方式對內襯方案設計也有影響。例如，在局部高溫區選取耐火度更高的材料;在需要換熱的區域取消部分內襯結構。

2.4? ? 工業爐設備殼體設計

工業爐殼體應考慮設備結構穩定性和功能性。工業爐是高溫設備，其結構穩定性直接關系到設備的安全性能。工業爐重量較大，設計殼體壁厚應參考相關設計手冊，綜合考慮剛度條件和強度條件。殼體材質應考慮物料腐蝕的影響，例如爐內有大量含Cl物料，則材質不應用奧氏體不銹鋼。設計爐殼支撐時，應考慮爐殼在運行狀態下熱膨脹的影響，選擇合理支撐點，盡量利用設備自身的結構形式釋放膨脹量。

工業爐是為工藝服務，需要設計各種功能性接口。在設計物料進出口時，應考慮物料的進出方式，固體物料一般上進下出，氣體物料一般下進上出，液體進料應設置噴頭，噴頭方向一般與流向一致。物料進口和出口夾角一般不小于120°，確保物料充分流經設備中心區，防止物料反應不徹底。工業爐內的溫度和壓力應滿足工藝要求，為了實時校核這些工藝參數，需要在爐殼上設置在線檢測點。檢測點位置應選在有代表性的特征區域，對于特征區域范圍較大的設備，可以設置多個監測點。

3 工業爐設計應考慮的其他問題

工業爐并不是孤立設備，為維持其穩定運行，需要在周邊設置一整套機構進行配合。不同的設備需要的輔助機構不同，此處只做簡單概括描述。

首先是設備鋼結構。工業爐的體積都較大，需要設置鋼結構便于巡檢操作。工業爐的設備鋼結構應與工業爐的支撐結構相匹配，如果工業爐要支撐在鋼結構上，還應提前校核鋼結構強度。鋼結構巡檢通道應經過設備所有檢測儀表位置，對較大的鋼結構還應設置雙通道，以滿足消防要求。在需要連續操作的位置，應設置獨立的操作平臺。其次是工業爐的配套輔機。輔機的選擇根據工藝的不同而不同。從通用的角度考慮，輔機應具備一定的設計余量，例如風機水泵，一般壓力應預留10%的余量，流量應預留20%的余量。輔機的布置應盡可能圍繞在工業爐周圍，一般在設計殼體管口時，就要規劃好配套輔機的安裝位置。最后是工業爐儀表。需要與物料直接接觸的儀表，儀表材質應能夠長期穩定接觸物料。儀表量程應適當，一般測量值在儀表總量程的1/2～2/3為宜。對于工作情況惡劣，直接測量儀表容易損壞的測點，優先考慮采用間接測量法。如必須直接測量的，應選用更換方便的儀表。

4 結語

工業爐是一種非標設備，每臺設備都需要根據項目要求量身定做，即使是針對同一種工藝而設計的工業爐，也會因為項目實際情況的不同而有所差別，這就需要工程設計人員在進行工業爐設計時，充分考慮工藝要求和項目實際情況。本文總結了工業爐設計過程中的一般流程，并對需要重點關注的問題進行了梳理，對于剛接觸工業爐設計的人員來說具有一定的指導意義。

收稿日期：2020-05-29

作者簡介：曹彤（1984—），男，江蘇揚州人，工程師，主要從事化工環保項目方面工作。