【摘要】概述了加热炉的基本原理、技术现状以及设计要素，并从对燃料类型、燃烧方式、炉体结构、新型材料技术的采用等方面介绍了未来的发展方向。
【关键词】加热炉 设计要素 节能减排
加热炉是油田勘探开发中的重要设备之一，同时也是油田生产的主要耗能单元。当今社会，随着资源危机、环境问题的不断加深，寻找更加清洁高效、低碳环保的技术已经刻不容缓。原油开采中最耗能的部分为油田的输油系统，而加热炉是管道输送原油的关键设备，其效率以及能耗直接决定着原油开采的效率和能耗。以秦京输油管道为例，原油开采出来以后通过埋地管道进行输送。大庆原油在经过加热后由秦皇岛输送至北京燕山石化炼油厂，加热炉的作用就是对途经各站的原油进行加热处理。根据统计调查，每年加热炉燃油指标大约为20000吨，2005年加热炉的燃油量为19500吨，据此可见，提高加热炉的加热效率，增强适用性和安全性，对加热炉进行节能减排的技术改造，不但有利于提高生产率，节约能耗，降低成本，促进石油经济的可持续发展，更有利于保护环境，促使国民经济更好更快的发展，因此具有很高的经济和环境效益，是一个十分具有研究价值的方向。
1 加热炉分类以及技术分析
目前，按照加热机理可将加热炉分为直接和间接两种加热方式。其中，直接加热是指将原油直接通过加热炉，使其吸收加热炉放出的热量；间接加热则刚好与直接加热相反，指将原油通过换热器中的中间介质（导热油、饱和水蒸气或饱和水等）吸收热量，达到升温的目的。按照结构加热炉又可分为管式加热炉、水套加热炉、火筒式加热炉、相变加热炉等。其中，管式加热炉是指用燃料燃烧的火焰直接加热炉管中的生产介质，从而对原油达到升温的目的。此种加热炉有加热温度差大，升温快，允许生产介质的压力高，单台功率允许很大，能够用较小的换热面积得到较大的加热功率等优点；但是在加热原油和易结垢介质时，管内壁结垢较快，因而影响炉内热量的转换，且结垢不均匀，导致管壁局部过热、失效等，极易引起爆炸事故；火筒式加热炉是指将燃烧的热量直接通过火筒传递给炉壳内的生产介质。相比较于管式加热炉，火筒式加热炉的结垢敏感性低、对换热影响不太显著。但由于被加热的生产介质在炉壳内缓慢流动，结构件上仍然容易结垢。所以，火筒式加热炉一般不用于易结垢的生产介质（如稠油、三次采油污水等）。这两种加热炉均属于直接加热型，其显著地优点在于结构比较简单，耗材较少、投资成本较低，但最大的问题是由于燃烧筒与生产介质的直接接触导致的结垢和腐蚀问题。水套加热炉相比较于前两种最大的不同在于炉壳内与火筒接触的介质是水，并且在炉壳内增加了特殊的盘管，当火筒加热水时，随着水温的升高，水再传热于通过盘管的生产介质。这种加热炉最大的优点是避免（或减轻）了火筒的结垢和腐蚀，更主要的是火筒不直接与生产介质接触，安全性能好。但水套加热炉也存在着一系列像传热效率偏低、结构较为复杂、钢耗量大、运行中需经常补水等问题。相变加热炉是最近几年来新研制的一种加热炉，其主要结构包括火筒、炉体（蒸汽发生器）和换热盘管。按蒸汽运行的压力不同，可以分为真空相变和承压相变，按换热盘管结构的不同，又可以分为一体式和分体式。其工作机理是将燃料燃烧产生的热量加热炉体内蒸气发生器内的水使之汽化，利用水蒸气加热盘管内的生产介质。当这一过程结束后，水蒸气由于温度降低而冷凝成液态水，重复上一过程。简言之同过水变成水蒸气再变成水的相变过程中产生热交换，来加热生产介质。
2 加热炉设计要素分析
加热炉主要受炉膛体积发热强度、炉管表面热强度、辐射室排烟温度、对流室排烟温度、管内流速、烟气流速、压力降和热效率等8个主要因素影响。其中，炉膛体积发热强度是指单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧所发出的热量；炉管表面热强度是指炉管单位表面积在单位时间内所传递的热量，它直接反应炉管传热强度的大小；辐射室排烟温度指离开辐射室的烟气进入对流室的温度，它反应的是炉膛内烟气温度的高低，它是操作中的重要控制指标之一；对流室排烟温度指离开对流室的烟气进入烟囱的温度，它反应的是对流室内烟气温度的高低，这一指标直接影响烟气离开烟囱时带出热量的多少；管内流速指炉管内流体流动速度，出于安全与经济的考虑，一般限制管内最大流速为临界速度的80%～90%；烟气流速是影响加热炉热效率的重要因素之一，降低烟气流速对相应的减少加热炉的热损失；压力降包括介质流动过程中的压力降和烟气流动过程中的压力降，前者影响管路系统的动力消耗，后者影响烟囱高度或引风机电耗；热效率是指燃料燃烧向炉子提供的能量被有效利用的程度，它是衡量燃料消耗、评价炉子设计与操作水平的重要指标。
3 加热炉未来技术发展方向
3.1 改变燃料类型，改进燃烧方式
通过改进加热炉的结构，使其在能够利用天然气、蒸汽的地区改用相应的燃料。对于没有条件使用替代燃料油的地区，可用煤焦轻油替代（煤焦轻油，一种高品质新型燃料，拥有良好的雾化性，热量值与相似，而且对于二氧化硫、氮氧化合物、烟气黑度等排放指标均能够符合国家环保标准）。在改进燃烧方式上，优化加热炉的燃烧方式以及结构，改进燃烧装置，达到更加高效的燃烧。其具体措施有：改进燃烧器，着重引进转杯雾化和内部混合雾化、外部混合雾化等新技术。同时，为了提高燃烧器的工作效率和稳定性，建议增设燃料油处理系统，以便清除燃料油中的固体杂质；采用高效火嘴，提高燃烧质量，减少燃烧热损失；采用更加高效的相变热传导技术，使加热炉维持在较高的换热效率上（大于90%）；在热盘管结构上采用更加方便清理、维护和更换的分体结构。
3.2 降低烟气的热损失
加热炉的热量损失主要是排烟热损失和散热损失两部分。通过改变加热炉结构，优化相应参数值，不仅提高了热效率和性能，使加热炉安全可靠，便于控制操作，而且同时降低能耗和运行费用。其具体方法有：扩大加热炉内对流段的传热面积，以便更多的吸收烟气中的热量；在炉子尾部加装助燃空气的装置，通过增加其物理显热和燃烧形成的烟气量，来提高燃烧温度；通过变流速法、电除尘法、化学方法、吹灰器法等来除去加热炉中的积灰，从而提高加热炉炉效，节约能源；采用新型保温隔热材料，加强炉体保温性，减少热损失。
3.3 改进对流管，有效降低腐蚀
炉管结垢是导致换热能力下降的主要因素，通过改进对流管进行、及时更换对流管来减少因结垢而带来的热效率降低，同时避免了炉管泄露问题，另外，研究开发新型耐高温耐腐蚀的替代材料也是有效途径之一。
3.4 升级改造旧炉
一方面对旧炉进行升级改造，将自动控制技术应用到加热炉上，确保其长期高效的运行，一次提高加热炉传热效率。另一方面研究开发能充分利用清洁能源的加热炉。
参考文献
[1] 景深，刘明革.油田加热炉设计要素及技术发展，石油机械，2001（02）
[2] 马卫国，孙洪钰，冯定.油田用加热炉技术现状与发展方向，2006（10）
作者简介
李金龙（1980-），男，辽宁盘锦人，工程师，2002年毕业于大庆石油学院化工设备与机械专业，现从事压力容器及非标设备的设计与研究工作。