工业炉设计一般流程

摘要：工业炉是现代工业化生产中的重要设备，其设计温度高，内部物料流动剧烈，因此工业炉设计工作需要更加严谨。因为大多数工业炉都属于非标设备，需要根据每个项目独特的工艺要求进行个性化设计，所以无法直接采用以往的工业炉。现对工业炉相关的设计技术规范进行了整理，结合以往的工作经验，归纳总结了工业炉设计的一般流程和需要重点考虑的问题。

关键词：工业炉;设计;流程

0 引言

工业炉是现代工业化生产中的重要设备，其内部运行工况恶劣，故对设备的要求非常严格。大多数工业炉属于非标设备，需根据每个项目独特的工艺要求进行独立设计。本文对工业炉相关的设计技术规范进行了整理，结合笔者实践经验，归纳总结了工业炉设计的一般流程和需要重点考虑的问题。

1 工业炉的设计前准备

1.1    设备工艺要求

工业炉作为整体工艺的重要组成部分，其本质是服务于工艺，因此工业炉应与整体工艺要求相匹配。一般需要了解的工艺要求包括如下内容：

（1）工艺物料状态（气态、液态、固态），影响工业炉设备的排渣结构形式;（2）工艺反应类型（氧化、还原），影响工业炉尺寸、设计压力的选取以及密封结构的设计等;（3）工艺温度，影响工业炉内衬设计及外壳温度设计;（4）工艺压力，影响设备结构的强度设计;（5）特殊工艺物料（有毒、有害、易燃、腐蚀），影响设备材质选择、辅机选型、密封性要求等。

1.2    选择相应的设计规范

在正式开始工业炉设计之前，应根据设备工艺要求，判断设备工艺特点，并选择相应的设计标准作为设计依据。

根据设备的设计压力不同，工业炉设备的类型也不一样。其中设计压力大于0.1 MPa或者真空度小于0.02 MPa的属于压力容器。对属于压力容器的工业炉设备来说，应参考《压力容器》（GB 150—2011）标准;对于设计压力为常压的工业炉设备，应参考《钢制焊接常压容器》（NB/T 47003.1—2009）标准。

根据整体工艺所属行业不同，还应选择相应行业的设计规范。例如，为化工工艺服务的工业炉，应符合《鋼制化工容器结构设计规定》（HG/T 20583）及《钢制化工容器制造技术要求》（HG/T 20584）等的要求。对于内部有高温内衬（耐火材料）的工业炉设备，还应对相应内衬做出相关规定，可引用的规范包括《工业炉砌筑工程施工及验收规范》（GB 50211—2014）及《化学工业炉砌筑技术条件》（HG/T 20543）。除了以上标准规范外，如《工业炉设计手册》（第3版）等，也可以作为设计依据。

2 工业炉本体设计的一般流程

2.1    工业炉结构形式选择

一般的工业炉结构形式主要分为立式和卧式两种，具体需要根据工艺而定。

立式工业炉一般适用于小型设备，其占地面积小，启动运行升温快，排渣简单。沿烟气流动方向受热更加均匀，更适合布置换热面，适用于需要在炉内换热的工艺。卧式工业炉一般适用于大型设备，占地面积大，启动升温慢，排渣较为复杂。物料停留时间长，适用于需要保证一定反应时间的工艺。

2.2    工业炉炉膛结构设计

炉膛是工业炉内部反应空间，炉膛尺寸大小由炉膛容积热负荷和截面热负荷决定。

炉膛容积热负荷（kW/m3）=炉膛内热功率（kW）/炉膛容积（m3）

炉膛截面热负荷（kW/m2）=炉膛内热功率（kW）/炉膛截面积（m2）

炉膛内热功率为忽略掉散热的有效功率;炉膛容积为炉内有效容积;炉膛截面积为垂直于物料流向的截面面积。

炉膛容积热负荷与炉膛温度直接相关。炉膛容积热负荷越高，炉膛平均温度越高，反之，则平均温度越低。

炉膛截面热负荷反应所取截面温度，一般取反应区截面温度。炉膛截面热负荷越高，反应区温度越高，有利于反应充分，反之，则反应区温度越低。

在设计过程中，可以根据工艺不同，选取类似设备的热负荷参考值。以燃气锅炉为例，其容积热负荷一般取1 150～1 800 kW/m3，截面热负荷一般取4 000～6 150 kW/m2。

根据工艺提供的反应功率数值，选取适当的炉膛容积热负荷和炉膛截面热负荷数值，即可计算得到炉膛内部容积尺寸和炉膛截面尺寸。对物料反应时间有要求的设备，还应校核物料停留时间。

炉膛长度（m）=炉膛截面热负荷（kW/m2）/炉膛容积热负荷（kW/m3）

物料停留时间（s）=炉膛长度（m）/物料流速（m/s）

2.3    工业炉内衬设计

工业炉是高温设备，一般都需要在内部设置耐高温内衬。耐火内衬对于工业炉的使用寿命有很大影响。耐火内衬的选择受到物料类型、温度、运行方式等方面的影响。物料类型是选择工作层的重要依据。工作层直接与物料接触，需要通过材料侵蚀实验，确保物料与工作层不会发生高温反应。

炉内温度对耐火内衬设计影响最大。一般耐火内衬分为工作层和保温层，部分高温工业炉，还应增加绝热层。工作层直接接触炉内高温，要求在最高设计温度保持性能稳定。一般要求其耐火度高于最高设计温度至少200 ℃。保温层隔热性能好，但耐温不超过800 ℃。绝热层在工作层和保温层之间，既耐高温，又能隔热，可防止保温层超温。设备外壳的温度应低于50 ℃，对于有酸性气体的设备，外壳温度应高于露点温度20～30 ℃。设备运行方式对内衬方案设计也有影响。例如，在局部高温区选取耐火度更高的材料;在需要换热的区域取消部分内衬结构。

2.4    工业炉设备壳体设计

工业炉壳体应考虑设备结构稳定性和功能性。工业炉是高温设备，其结构稳定性直接关系到设备的安全性能。工业炉重量较大，设计壳体壁厚应参考相关设计手册，综合考虑刚度条件和强度条件。壳体材质应考虑物料腐蚀的影响，例如炉内有大量含Cl物料，则材质不应用奥氏体不锈钢。设计炉壳支撑时，应考虑炉壳在运行状态下热膨胀的影响，选择合理支撑点，尽量利用设备自身的结构形式释放膨胀量。

工业炉是为工艺服务，需要设计各种功能性接口。在设计物料进出口时，应考虑物料的进出方式，固体物料一般上进下出，气体物料一般下进上出，液体进料应设置喷头，喷头方向一般与流向一致。物料进口和出口夹角一般不小于120°，确保物料充分流经设备中心区，防止物料反应不彻底。工业炉内的温度和压力应满足工艺要求，为了实时校核这些工艺参数，需要在炉壳上设置在线检测点。检测点位置应选在有代表性的特征区域，对于特征区域范围较大的设备，可以设置多个监测点。

3 工业炉设计应考虑的其他问题

工业炉并不是孤立设备，为维持其稳定运行，需要在周边设置一整套机构进行配合。不同的设备需要的辅助机构不同，此处只做简单概括描述。

首先是设备钢结构。工业炉的体积都较大，需要设置钢结构便于巡检操作。工业炉的设备钢结构应与工业炉的支撑结构相匹配，如果工业炉要支撑在钢结构上，还应提前校核钢结构强度。钢结构巡检通道应经过设备所有检测仪表位置，对较大的钢结构还应设置双通道，以满足消防要求。在需要连续操作的位置，应设置独立的操作平台。其次是工业炉的配套辅机。辅机的选择根据工艺的不同而不同。从通用的角度考虑，辅机应具备一定的设计余量，例如风机水泵，一般压力应预留10%的余量，流量应预留20%的余量。辅机的布置应尽可能围绕在工业炉周围，一般在设计壳体管口时，就要规划好配套辅机的安装位置。最后是工业炉仪表。需要与物料直接接触的仪表，仪表材质应能够长期稳定接触物料。仪表量程应适当，一般测量值在仪表总量程的1/2～2/3为宜。对于工作情况恶劣，直接测量仪表容易损坏的测点，优先考虑采用间接测量法。如必须直接测量的，应选用更换方便的儀表。

4 结语

工业炉是一种非标设备，每台设备都需要根据项目要求量身定做，即使是针对同一种工艺而设计的工业炉，也会因为项目实际情况的不同而有所差别，这就需要工程设计人员在进行工业炉设计时，充分考虑工艺要求和项目实际情况。本文总结了工业炉设计过程中的一般流程，并对需要重点关注的问题进行了梳理，对于刚接触工业炉设计的人员来说具有一定的指导意义。

收稿日期：2020-05-29

作者简介：曹彤（1984—），男，江苏扬州人，工程师，主要从事化工环保项目方面工作。