工業(yè)爐設(shè)計一般流程

摘要：工業(yè)爐是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其設(shè)計溫度高，內(nèi)部物料流動劇烈，因此工業(yè)爐設(shè)計工作需要更加嚴謹。因為大多數(shù)工業(yè)爐都屬于非標設(shè)備，需要根據(jù)每個項目獨特的工藝要求進行個性化設(shè)計，所以無法直接采用以往的工業(yè)爐。現(xiàn)對工業(yè)爐相關(guān)的設(shè)計技術(shù)規(guī)范進行了整理，結(jié)合以往的工作經(jīng)驗，歸納總結(jié)了工業(yè)爐設(shè)計的一般流程和需要重點考慮的問題。

關(guān)鍵詞：工業(yè)爐;設(shè)計;流程

0 引言

工業(yè)爐是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其內(nèi)部運行工況惡劣，故對設(shè)備的要求非常嚴格。大多數(shù)工業(yè)爐屬于非標設(shè)備，需根據(jù)每個項目獨特的工藝要求進行獨立設(shè)計。本文對工業(yè)爐相關(guān)的設(shè)計技術(shù)規(guī)范進行了整理，結(jié)合筆者實踐經(jīng)驗，歸納總結(jié)了工業(yè)爐設(shè)計的一般流程和需要重點考慮的問題。

1 工業(yè)爐的設(shè)計前準備

1.1? ? 設(shè)備工藝要求

工業(yè)爐作為整體工藝的重要組成部分，其本質(zhì)是服務(wù)于工藝，因此工業(yè)爐應(yīng)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(nèi)容：

（1）工藝物料狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)），影響工業(yè)爐設(shè)備的排渣結(jié)構(gòu)形式;（2）工藝反應(yīng)類型（氧化、還原），影響工業(yè)爐尺寸、設(shè)計壓力的選取以及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計等;（3）工藝溫度，影響工業(yè)爐內(nèi)襯設(shè)計及外殼溫度設(shè)計;（4）工藝壓力，影響設(shè)備結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計;（5）特殊工藝物料（有毒、有害、易燃、腐蝕），影響設(shè)備材質(zhì)選擇、輔機選型、密封性要求等。

1.2? ? 選擇相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范

在正式開始工業(yè)爐設(shè)計之前，應(yīng)根據(jù)設(shè)備工藝要求，判斷設(shè)備工藝特點，并選擇相應(yīng)的設(shè)計標準作為設(shè)計依據(jù)。

根據(jù)設(shè)備的設(shè)計壓力不同，工業(yè)爐設(shè)備的類型也不一樣。其中設(shè)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(yè)爐設(shè)備來說，應(yīng)參考《壓力容器》（GB 150—2011）標準;對于設(shè)計壓力為常壓的工業(yè)爐設(shè)備，應(yīng)參考《鋼制焊接常壓容器》（NB/T 47003.1—2009）標準。

根據(jù)整體工藝所屬行業(yè)不同，還應(yīng)選擇相應(yīng)行業(yè)的設(shè)計規(guī)范。例如，為化工工藝服務(wù)的工業(yè)爐，應(yīng)符合《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》（HG/T 20583）及《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》（HG/T 20584）等的要求。對于內(nèi)部有高溫內(nèi)襯（耐火材料）的工業(yè)爐設(shè)備，還應(yīng)對相應(yīng)內(nèi)襯做出相關(guān)規(guī)定，可引用的規(guī)范包括《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50211—2014）及《化學(xué)工業(yè)爐砌筑技術(shù)條件》（HG/T 20543）。除了以上標準規(guī)范外，如《工業(yè)爐設(shè)計手冊》（第3版）等，也可以作為設(shè)計依據(jù)。

2 工業(yè)爐本體設(shè)計的一般流程

2.1? ? 工業(yè)爐結(jié)構(gòu)形式選擇

一般的工業(yè)爐結(jié)構(gòu)形式主要分為立式和臥式兩種，具體需要根據(jù)工藝而定。

立式工業(yè)爐一般適用于小型設(shè)備，其占地面積小，啟動運行升溫快，排渣簡單。沿?zé)煔饬鲃臃较蚴軣岣泳鶆?，更適合布置換熱面，適用于需要在爐內(nèi)換熱的工藝。臥式工業(yè)爐一般適用于大型設(shè)備，占地面積大，啟動升溫慢，排渣較為復(fù)雜。物料停留時間長，適用于需要保證一定反應(yīng)時間的工藝。

2.2? ? 工業(yè)爐爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計

爐膛是工業(yè)爐內(nèi)部反應(yīng)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(nèi)熱功率（kW）/爐膛容積（m3）

爐膛截面熱負荷（kW/m2）=爐膛內(nèi)熱功率（kW）/爐膛截面積（m2）

爐膛內(nèi)熱功率為忽略掉散熱的有效功率;爐膛容積為爐內(nèi)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(guān)。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(yīng)所取截面溫度，一般取反應(yīng)區(qū)截面溫度。爐膛截面熱負荷越高，反應(yīng)區(qū)溫度越高，有利于反應(yīng)充分，反之，則反應(yīng)區(qū)溫度越低。

在設(shè)計過程中，可以根據(jù)工藝不同，選取類似設(shè)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(jù)工藝提供的反應(yīng)功率數(shù)值，選取適當?shù)臓t膛容積熱負荷和爐膛截面熱負荷數(shù)值，即可計算得到爐膛內(nèi)部容積尺寸和爐膛截面尺寸。對物料反應(yīng)時間有要求的設(shè)備，還應(yīng)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(yè)爐內(nèi)襯設(shè)計

工業(yè)爐是高溫設(shè)備，一般都需要在內(nèi)部設(shè)置耐高溫內(nèi)襯。耐火內(nèi)襯對于工業(yè)爐的使用壽命有很大影響。耐火內(nèi)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(jù)。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(fā)生高溫反應(yīng)。

爐內(nèi)溫度對耐火內(nèi)襯設(shè)計影響最大。一般耐火內(nèi)襯分為工作層和保溫層，部分高溫工業(yè)爐，還應(yīng)增加絕熱層。工作層直接接觸爐內(nèi)高溫，要求在最高設(shè)計溫度保持性能穩(wěn)定。一般要求其耐火度高于最高設(shè)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(shè)備外殼的溫度應(yīng)低于50 ℃，對于有酸性氣體的設(shè)備，外殼溫度應(yīng)高于露點溫度20～30 ℃。設(shè)備運行方式對內(nèi)襯方案設(shè)計也有影響。例如，在局部高溫區(qū)選取耐火度更高的材料;在需要換熱的區(qū)域取消部分內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

2.4? ? 工業(yè)爐設(shè)備殼體設(shè)計

工業(yè)爐殼體應(yīng)考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能性。工業(yè)爐是高溫設(shè)備，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接關(guān)系到設(shè)備的安全性能。工業(yè)爐重量較大，設(shè)計殼體壁厚應(yīng)參考相關(guān)設(shè)計手冊，綜合考慮剛度條件和強度條件。殼體材質(zhì)應(yīng)考慮物料腐蝕的影響，例如爐內(nèi)有大量含Cl物料，則材質(zhì)不應(yīng)用奧氏體不銹鋼。設(shè)計爐殼支撐時，應(yīng)考慮爐殼在運行狀態(tài)下熱膨脹的影響，選擇合理支撐點，盡量利用設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)形式釋放膨脹量。

工業(yè)爐是為工藝服務(wù)，需要設(shè)計各種功能性接口。在設(shè)計物料進出口時，應(yīng)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(yīng)設(shè)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(jīng)設(shè)備中心區(qū)，防止物料反應(yīng)不徹底。工業(yè)爐內(nèi)的溫度和壓力應(yīng)滿足工藝要求，為了實時校核這些工藝參數(shù)，需要在爐殼上設(shè)置在線檢測點。檢測點位置應(yīng)選在有代表性的特征區(qū)域，對于特征區(qū)域范圍較大的設(shè)備，可以設(shè)置多個監(jiān)測點。

3 工業(yè)爐設(shè)計應(yīng)考慮的其他問題

工業(yè)爐并不是孤立設(shè)備，為維持其穩(wěn)定運行，需要在周邊設(shè)置一整套機構(gòu)進行配合。不同的設(shè)備需要的輔助機構(gòu)不同，此處只做簡單概括描述。

首先是設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)。工業(yè)爐的體積都較大，需要設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)便于巡檢操作。工業(yè)爐的設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)與工業(yè)爐的支撐結(jié)構(gòu)相匹配，如果工業(yè)爐要支撐在鋼結(jié)構(gòu)上，還應(yīng)提前校核鋼結(jié)構(gòu)強度。鋼結(jié)構(gòu)巡檢通道應(yīng)經(jīng)過設(shè)備所有檢測儀表位置，對較大的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)置雙通道，以滿足消防要求。在需要連續(xù)操作的位置，應(yīng)設(shè)置獨立的操作平臺。其次是工業(yè)爐的配套輔機。輔機的選擇根據(jù)工藝的不同而不同。從通用的角度考慮，輔機應(yīng)具備一定的設(shè)計余量，例如風(fēng)機水泵，一般壓力應(yīng)預(yù)留10%的余量，流量應(yīng)預(yù)留20%的余量。輔機的布置應(yīng)盡可能圍繞在工業(yè)爐周圍，一般在設(shè)計殼體管口時，就要規(guī)劃好配套輔機的安裝位置。最后是工業(yè)爐儀表。需要與物料直接接觸的儀表，儀表材質(zhì)應(yīng)能夠長期穩(wěn)定接觸物料。儀表量程應(yīng)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(yōu)先考慮采用間接測量法。如必須直接測量的，應(yīng)選用更換方便的儀表。

4 結(jié)語

工業(yè)爐是一種非標設(shè)備，每臺設(shè)備都需要根據(jù)項目要求量身定做，即使是針對同一種工藝而設(shè)計的工業(yè)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(shè)計人員在進行工業(yè)爐設(shè)計時，充分考慮工藝要求和項目實際情況。本文總結(jié)了工業(yè)爐設(shè)計過程中的一般流程，并對需要重點關(guān)注的問題進行了梳理，對于剛接觸工業(yè)爐設(shè)計的人員來說具有一定的指導(dǎo)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(huán)保項目方面工作。