管式加热炉的分类及详细解析

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接下来，我们将深入探讨管式加热炉的结构与分类。管式加热炉，这一多样化的设备，不仅外形各异，更蕴含着丰富的技术知识。无论是哪种类型的炉子，都有其独特之处，值得我们去细细品味。在此，我们特别整理了管式加热炉的几种常见分类，以供大家参考。其中，箱式炉便是其中之一。

1.横管和立管大型箱式炉

如图7-2和图7-3所示，这两种类型的管式加热炉在结构上颇为相似，主要区别在于其管道是横置还是竖置。通过增加中央隔墙的数量，这类炉型可以在保持炉膛体积热强度不变的同时，实现模块化的组合扩展，非常适合大型化需求。然而，这类炉型也存在一些不足，例如敷管率相对较低，需要使用合金吊挂炉管，导致造价相对较高，并且需要独立烟囱等辅助设施。

2.顶烧式炉

如图7-4所示，顶烧式炉的燃烧器和辐射炉管采用交错排列，形成单排列双面辐射的结构。这种设计使得管子能够沿整个圆周均匀分布热量，而燃烧器则位于顶部进行烧蚀。此外，对流室和烟囱都位于地面，方便了设备的布置和烟气的排放。然而，这种炉型的缺点在于其体积较大，造价相对较高，因此在单纯用于加热的场合可能不够经济。尽管如此，它在合成氨厂中常被用作大型轻烃蒸汽转化炉的炉型，发挥其独特的作用。

3.斜顶炉

斜顶炉，由箱式炉改进而来，常见的是双斜顶炉设计，如图7-5所示。通过倾斜的顶部设计，该炉型有效改善了箱式炉的受热不均问题，并提升了处理能力。其独特之处在于对流室位于中央，烟气在地下或地面烟道中下行，最终排入烟囱。此外，烟道处还可加装空气预热器，进一步提升炉子效率。然而，斜顶炉并未完全克服箱式炉的其他不足，因此，除了在原有老装置中得以保留外，新建装置较少选用此设计。

4.立式炉

立式炉的设计理念与斜顶炉截然不同，其显著特点是炉体呈垂直状态，如图7-6所示。这种设计在一定程度上弥补了斜顶炉的某些不足，特别是在新建装置中，立式炉因其独特的优势而受到青睐。其优点包括结构紧凑、占地面积小，以及热效率相对较高。然而，立式炉也存在一些挑战，如对操作技术和设备维护的要求相对较高。尽管如此，随着技术的不断进步和操作的日益成熟，立式炉在工业生产中的应用越来越广泛。

5.底烧横管立式炉

图7-6展示了一种典型的底烧横管立式炉。这种炉型的传热方式与箱式炉颇为相似，其中辐射室的设计保留了立式炉的特色。炉管被精心布置在炉子的两侧，而中间则是一列底烧的燃烧器。烟气在炉内经过辐射室、对流室，最终由烟囱排出。这种设计的燃烧器能量适中且数量众多，它们在炉子中央共同营造出一道火焰膜，从而增强了辐射传热的效果。实际上，目前市场上广泛使用的立式炉多数都采用了这种设计。

6.附墙火焰立式炉

图7-7描绘了一种独特的附墙火焰立式炉。这种炉型在炉膛内设有火墙，这一设计不仅增大了炉膛内的辐射面积，还提升了炉管的受热强度。同时，火墙巧妙地将辐射室分隔为两个独立的空间，使得每室都可以独立流通一路油品，并分别进行温度的精准调控。

7.环形管立式炉

图7-8展示了一种环形管立式炉的设计。该炉型巧妙地利用多根U型炉管将火焰完全包围，特别适用于炉管路数众多且管内压力降较小的场景。随着炉子热负荷的增加，U形炉管的数量也可相应增多，甚至可达两个或三个，以满足更高的热负荷需求，如图7-9所示。

8.立管立式炉

图7-10展示了一种独特的炉型——立管立式炉，这是我国自主研发的创新设计。其炉管呈直立排列，紧贴墙面，与传统的横管立式炉相比，能够显著节省高铬镍钢管架的使用，同时保留了立式炉的诸多优点。因此，这种炉型常被用于需要高热负荷的加热炉中。

9.无焰燃烧炉与阶梯炉

这两种炉型均属于单排管双面辐射类型。图7-11描绘了无焰燃烧炉的外观，其侧壁布满了小能量气体无焰燃烧器，从而实现了侧壁的均匀辐射。这种设计不仅加热均匀，还能进行分区温度调控，非常适合乙烯裂解和烃类蒸汽转化等工艺。然而，由于其高昂的造价，在纯加热场合下可能并不经济。

10.阶梯炉

阶梯炉，其设计特点是在每级“阶梯”的底部都配备了一排扁平附墙火焰燃烧器。相较于无焰燃烧炉，其燃烧器数量较少，因此造价更为亲民。但值得注意的是，其在加热均匀程度以及分区温度调控方面，可能略逊于无焰燃烧炉。

11.三、立式圆筒炉

立式圆筒炉，以其独特的结构，在工业领域中占据一席之地。其设计理念在于最大化地利用空间，同时确保炉内的温度均匀分布。这种炉型在处理大量物料时，显示出其优越性，能够高效地完成加热任务。然而，与阶梯炉相比，其燃烧器的配置可能更为复杂，造价也相对较高。

12. 螺旋管式、纯辐射式炉

在炉子热负荷较小、对热效率要求不甚严格的情况下，这两种炉型常被采用。它们结构简洁，造价亲民。图7-13所示的螺旋管式炉，其炉管以螺旋状盘绕，呈现立式炉型的特点，但管内特性更类似于水平管，能够彻底排空且管内压降较小。然而，其主要不足在于被加热介质通常仅经过一路（即管程数为1）。
纯辐射式炉，如图7-14所示，不设对流室，其火嘴置于炉底，而炉管则沿着炉墙直立排成一圈。这种炉型结构简单、重量轻便，但相较于其他炉型，其热效率较低。
在纯辐射式圆筒炉的顶部增加一个辐射锥，可以有效地提高上部炉管的受热强度，确保炉管全长均匀受热。然而，这种辐射锥通常由昂贵的高铬镍钢制成，存在易烧毁或腐蚀损坏的风险。因此，近年来采用辐射锥的方式已经相对较少。
辐射—对流式炉
它在辐射室顶部增设了水平管式对流室，并选用钉头管和翅片管，从而提高了热效率。但值得注意的是，这种炉型结构较为复杂，金属材料用量较大。通常，为了避免对流管面积过大，一般要求其面积小于辐射炉管面积。此外，国内常见的辐射-对流式炉的高径比约为1.7-2.5。

接下来，我们来看大型方炉。
图7-17展示了一种大型方炉的设计，它通过两排炉管将炉膛巧妙地划分为多个小间，每个小间都配备了一个或两个大能量高强燃烧器。这种“十字交叉”的分隔方法使得分隔可以沿两个方向进行。通常，大型方炉会将对流室单独设置在地面上，或者通过烟道将几台炉子的烟气汇集起来，送入一个公共的对流室或废热锅炉进行处理。这种设计不仅结构简单、节省空间，还有利于余热的回收利用，同时能够实现多炉集中排烟，有助于减轻大气污染。

13.管式加热炉的基本构成

管式加热炉，这一重要的热工设备，通常由五个关键部分组成：辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧系统以及通风系统。其结构主要包括钢结构框架、炉管、炉墙内衬、高效的燃烧器以及一系列的孔类配件等。这些组件的精心设计和合理布局，共同确保了管式加热炉能够高效、稳定地运行。

14. 辐射室：

作为加热炉进行热交换的核心区域，辐射室承担着高达70%至80%的热负荷。在此，烃类蒸汽转化炉和乙烯裂解炉的反应与裂解过程得以顺利完成。其内部布置的炉管，借助火焰或高温烟气进行传热，以辐射热为主要方式，因此得名辐射管。这些辐射管直接受到火焰的强烈辐射和冲刷，因此需要选用具有出色高温强度和化学稳定性的材料。
对流室利用辐射室排出的高温烟气进行对流传热，从而实现对物料的加热。在此过程中，烟气以较高的速度冲击炉管管壁，从而实现高效的对流传热。对流室通常位于辐射室之上，有时也可独立设置在地面上。为了进一步增强传热效果，常采用钉头管和翅片管等特殊设计。

15. 余热回收系统

余热回收系统旨在充分利用加热炉排烟中剩余的热量。该系统包含两种主要的回收方式：一是通过预热燃烧空气来回收热量，并将其重新引入炉内；二是利用独立的回收系统来捕捉热量。前者被称为空气预热方式，后者通常采用水回收，即废热锅炉方式。在空气预热方式中，常见的设备包括直接对流室上方的固定管式空气预热器，以及地面上的回转空气预热器等。

当前，炉子余热回收系统多采用空气预热方式，而高温管式炉（如烃类蒸汽转化炉、乙烯裂解炉）和纯辐射炉则更倾向于使用废热锅炉。对于这些排烟温度较高的炉子，安装余热回收系统后，其整体效率可提升至88%-90%。

16. 燃烧器

燃烧器是燃料燃烧的核心设备，其作用是为热交换提供必要的热量。它通常由燃料喷嘴、配风器和燃烧道三个关键部分组成。根据所使用燃料的不同，燃烧器可分为燃油燃烧器、燃气燃烧器和油-气联合燃烧器。

燃烧器的性能对燃烧质量和炉子的热效率产生直接影响。在操作过程中，需特别关注火焰的稳定性，确保其刚直有力。同时，通过调整火嘴，力求使炉膛受热均匀，避免火焰直接接触炉管，并努力实现低氧燃烧。此外，为保证燃烧质量和热效率，必须配备可靠的燃料供应系统以及高效的空气预热系统。

17. 通风系统

通风系统的主要任务是向燃烧器输送燃烧所需的空气，并从炉子中排出废烟气。该系统可采用自然通风或强制通风两种方式。自然通风依赖烟囱的抽力，而强制通风则借助风机来实现。随着炉子结构的日益复杂化，强制通风方式已逐渐成为主流。

18. 主要结构：

钢结构作为管式炉的承载主体，支撑并连接着炉子的其他各个组件。其基本构成元素是型钢，通过焊接或螺栓等方式，构建出炉子的整体框架。在老式的管式炉中，如方箱炉和斜顶炉，钢结构的投资占比相对较小。然而，随着近代管式炉技术的发展，钢结构的投资比例正在逐渐增加。

炉墙是管式炉的重要部分，其结构类型包括耐火砖、耐火混凝土和耐火纤维等。其中，拉砖炉墙因其出色的耐高温性能，在高温管式炉如裂解炉和转化炉中得到了广泛的应用。

炉管是管式炉中传递热量的关键部件。它们根据受热方式的不同，可分为辐射炉管和对流炉管。前者通常置于辐射室内，而后者则位于对流室内。为增强传热效果，对流炉管常采用翅片管和钉头管设计，并且多以水平方式安装。

此外，管式炉还配备了多种配件，如看火孔、点火孔、炉用人孔、防爆门、吹灰器以及烟囱挡板等，以确保炉子的安全、高效运行。

19. 热负荷

指每台加热炉在单位时间内向管内介质传递的总热量，其单位为瓦特（W）或千焦耳每小时（kJ/h）。炉子的热负荷越高，其生产能力也相应增强。
炉膛热强度，也被称为体积热强度，是通过将燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积来计算的。它反映了单位体积的炉膛在单位时间内燃料燃烧所释放的热量。这一指标的单位为kJ/m3·h或W/m3。炉膛热强度越高，意味着完成相同热任务所需的炉子设计可以更为紧凑。

20. 炉管表面热强度

炉管表面热强度，是指单位时间内单位炉管表面积所传递的热量。其单位为kJ/m2·h或W/m2。该指标反映了炉管传热效率的高低。炉管表面热强度越大，意味着在完成相同热任务时，所需的传热面积越小，进而使用的炉管数量也相应减少，这有助于减小炉子体积并降低投资成本。值得注意的是，炉管表面热强度通常指的是平均值。

21. 炉膛温度（亦称火墙温度）

炉膛温度，即烟气离开辐射室进入对流室时的温度，是衡量炉膛内烟气温度高低的关键指标。在炉子操作过程中，它扮演着至关重要的控制角色。

22. 管内流速与压力降

管内流速的高低对炉膛操作有着显著的影响。当液体在管内流速较低时，边界层会增厚，导致传热系数减小，管壁温度上升，进而使介质在炉内的停留时间延长。这样的结果可能导致介质结焦，甚至炉管受损。然而，过高的流速又会增加管内的压力降，增大管路系统的动力消耗。