一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐的製作方法

2023-09-20 15:33:10 2

專利名稱：一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於煉油、石油化工領域，涉及一種煉油、石油化工、煤化工管式加熱 爐，具體是一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，該加熱爐為可用於制氫、重整、轉化和裂解 的管式加熱爐。
背景技術：
在煉油工程上，採用管式加熱爐始於1910 1911年間。在沒有採用管式加熱爐 之前，原油加工方式均為釜式蒸餾，處理量小、且為間歇生產。管式加熱爐的使用使煉油工 業由小處理量、間歇生產轉向大處理量、連續生產。目前，幾乎每一套煉油、石油化工裝置中 都有管式加熱爐，也就是說管式加熱爐幾乎參與了煉油、石油化工整個生產過程。沒有管 式加熱爐，就沒有現代化的煉油、石油化工工業。管式加熱爐是煉油、石油化工裝置耗能大戶，其燃料耗量約佔煉油、石油化工企業 總能耗60%。工藝加熱爐燃料耗量每降低1%，煉油、石油化工企業總能耗降低0.5%。目 前全國煉油、石油化工裝置管式加熱爐燃料耗量約1800萬噸/年。管式加熱爐熱效率每提 高1 %，煉油、石油化工企業可節省燃料20萬噸/年，降低生產成本6億元/年；少排放煙 氣量30億Nm3/年。煉油、石油化工裝置加熱爐的燃料為國民經濟發展需要液體或氣體燃 料。減少煉油、石油化工裝置加熱爐的燃料耗量對降低煉油、石油化工企業總能耗和國民經 濟發展的意義重大。一般煉油裝置管式加熱爐的造價約佔總投資的20% ；裂解爐和轉化爐(制氫)的 造價約佔裝置總投資的35%。管式加熱爐的造價大小直接影響著煉油廠、石油化生產裝置 的基建投資。爐管在高溫之下操作，需要優質鋼材；通常這類優質鋼材其價格比一般鋼材貴 好幾倍；爐管及回彎頭的費用約佔管式加熱爐的造價總數的60%以上；且爐管又需要經常 更換，折舊率最大，所以節省爐管鋼材用量對降低管式加熱爐的造價有著重要意義。減少爐 管用量，就意味著提高全爐爐管平均表面熱強度。被加熱的油品處在高溫、高壓下，如果爐 管某些部位因局部過熱關係強度變低，高壓的熱油就會把爐管進裂而噴射出，會造成極嚴 重的事故。提高全爐爐管平均表面熱強度的關鍵是改善輻射室溫度分布，降低輻射爐管受 熱不均勻係數，消除輻射爐管局部過熱。煉油、石油化工裝置管式加熱爐排放的煙氣中NOx、SOx, CO2等有害成分對操作工 人和周邊居民的生活或身體健康都有著直接影響。國家對加熱爐排放煙氣中NOx、SOx等 有害成分含量實行總量和濃度雙重控制，促使石化管式加熱爐向潔淨燃燒、低汙染排放發展。目前在用的煉油、石油化工、煤化工管式加熱爐(制氫、重整、轉化和裂解管式加 熱爐)主要由輻射室、對流室、餘熱回收系統、燃燒器以及通風系統五部分所組成。設計熱 效率90%，實際運行熱效率彡87% ；排放煙氣中的N0x、S0x、C02等有害成分含量也沒有達 到國家標準規定值。蓄熱式高溫燃燒技術是20世紀90年代初在日本、美國和歐洲發展起來的一種新型燃燒技術。工作原理如圖1所示。常溫空氣由鼓風機送入，在通過已蓄熱的燃燒器蓄熱 體時被迅速加熱至高溫，溫度可以達到僅比爐膛煙氣溫度低100°c左右。如此高溫的空氣噴 入爐膛時，將卷吸爐膛內的煙氣形成貧氧高溫氣流，燃料就在這種貧氧的氣氛下燃燒。與此 同時，引風機通過另一側的燃燒器將煙氣吸出，熱煙氣將熱量傳遞給蓄熱體而降溫後經換 向閥、引風機和煙囪排入大氣。換向閥按一定的頻率切換，使兩側的燃燒器在蓄熱和放熱的 狀態下交替工作。蓄熱式高溫燃燒技術的特點是燃料在貧氧環境下燃燒，NOx的生成受到抑制，排 煙中NOx含量大大減少。空氣被預熱到850°C左右，燃料實現了無焰燃燒，整個爐膛形成一個 溫度相對均勻的高溫強輻射黑體，爐膛傳熱效率因而顯著提高。但蓄熱式高溫燃燒技術並 不適用於煉油、石油化工管式加熱爐。主要原因是為滿足煉油、石油化工裝置生產工藝要 求，管式加熱爐被加熱介質出爐溫度必須穩定在規定值的士 1°C，兩套燃燒系統頻繁換向， 不能保證被加熱介質出爐溫度穩定，影響整個裝置平穩生產。煉油、石油化工管式加熱爐連 續生產周期長(5年)，換向閥的切換周期為幾十秒，頻繁換向，不能保證煉油、石油化工管 式加熱爐整個運行周期的安全運行，一旦換向閥出現故障，將會造成嚴重的後果。如圖2，中國專利ZL200620089730. 4公布了一種高效節能蓄熱管式加熱爐，解決 了現有的蓄熱式加熱爐排煙溫度較高、餘熱回收系統露點腐蝕非常嚴重及爐內溫度分布不 均勻、局部溫度過高的問題，它有一個爐體，其特殊之處是在爐體側壁上均布有燒嘴，燒嘴 通過管路與換向閥相連接，換向閥通過管路引出鼓風口和引風口，所述的燒嘴是由蓄熱室、 與爐體內膛相通的噴嘴、設置在蓄熱室內的蓄熱體和設置在蓄熱室上與爐體內膛相通的空 氣及煙氣轉換嘴構成。優點是排煙溫度低、熱效率高、可有效解決露點腐蝕問題、能防止爐 內局部溫度過高，使爐內溫度均勻分布，且維修方便。該發明的特點是通過高溫燃燒來提高 管式加熱爐的熱效率，但由於與蓄熱室相連的換向閥需要頻繁切換，容易出現故障。這對需 要長周期(5年)連續生產運行的石油化工、煤化工管式加熱爐來說，一旦快速切換的換向 閥出現故障，將會造成嚴重的後果。如圖3，中國專利CN01271095. 4公布了一種高效環保管式加熱爐。該實用新型涉 及一種高效環保管式爐，包括爐體、設在爐體內壁上的耐火爐襯、由耐火爐襯所圍成的空 間構成爐膛、設在所述的爐膛內的用於加熱介質的爐管，在爐體壁上並穿過耐火爐襯設有 至少一對用於向爐膛噴射燃料的燃料噴嘴，在與燃料噴嘴相鄰處的爐體壁設有至少一對排 煙、送風管道，所述的排煙、送風管道內設有蓄熱體，所述的一對排煙、送風管道通過四通換 向閥交叉相連。該管式爐採用的是高溫蓄熱式貧氧燃燒技術，這種技術能夠最大限度地回 收煙氣的顯熱，能將空氣或燃料氣預熱幾乎接近爐膛內煙氣的溫度，使爐膛內燃料充分、均 勻燃燒。該型管式加熱爐同樣不能用於需要連續生產的石油化工裝置上。由於它需要四通 換向閥交替地在煙氣和空氣管道之間切換，一旦出現故障，將會給加熱爐的運行帶來很大 的風險。傳統管式加熱爐存在的問題是(1)由於輻射室有明確的火焰，輻射室溫度場不 均勻；(2)全爐爐管平均傳熱強度較低；需要大量昂貴的爐管；(3) NOx排放偏高。蓄熱式高溫燃燒管式加熱爐，由於需要四通換向閥交替地在煙氣和空氣管道之間 頻繁切換，一旦出現故障，將會給加熱爐的運行帶來很大的風險。因此，蓄熱式高溫燃燒管 式加熱爐不適用於石油化工管式加熱爐。[0013]隨著國民經濟發展對輕質燃料需求量的不斷增加和國家對環保要求越來越高，為 滿足國民經濟發展對輕質燃料需求和環保的需要，加氫、制氫、重整技術將會得到迅速發展 和推廣。制氫、加氫和重整加熱爐的共同特點是被加熱介質出爐溫度高、操作壓力高、允許 壓降小、體積流量大；爐管價格昂貴、爐管平均表面熱強度高、要求爐管受熱均勻，燃料為潔 淨的高熱值瓦斯、煙氣出輻射室溫度高、50%的熱量用於產生蒸汽。因煉油廠不缺少蒸汽， 制氫和重整加熱爐50%的熱量用於產生蒸汽，不但使得制氫和重整裝置能耗高，而且用潔 淨的高熱值瓦斯產生蒸汽不合理，不經濟，也可以說是一種浪費。為了減少制氫、加氫和大 型重整加熱爐的產汽量，在工藝上採取各種措施，費盡了心機、卻收穫不大。
發明內容本實用新型的高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐主要解決了傳統管式加熱爐存在的 問題和蓄熱式高溫貧氧燃燒加熱爐的缺陷。本實用新型的技術方案是一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，主要由鼓風機、冷 風進口通道、引風機、煙氣排出通道、高溫空氣預熱器、高溫空氣管道、高溫空氣分配管道、 燃燒器、爐本體、管系、爐管支架和高溫煙氣通道組成，所述鼓風機通過冷風進口通道連接 高溫空氣預熱器的進風口，高溫空氣預熱器的煙氣出口通過引風機連接煙氣排出通道；高 溫空氣預熱器的高溫空氣出口連接有高溫空氣管道，高溫空氣管道連通過高溫空氣分配管 道連接燃燒器，燃燒器上方設有爐本體，爐本體內設有若干爐管支架，爐管支架上設有管 系；爐本體上方煙氣出口通過高溫煙氣通道連接高溫空氣預熱器的煙氣進口。所述爐本體內部設有爐牆，爐牆兩側分別設有爐管支架和管系。所述高溫煙氣通道上設有調節擋板。本實用新型還包括煙囪，所述煙囪與高溫煙氣通道之間通過高溫煙氣旁路通道連 通，高溫煙氣旁路通道內設有密封擋板。所述引風機和鼓風機與所述煙@連通。本實用新型的高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐主要由輻射室、熱風(煙氣)系統、冷 風(空氣)系統、燃燒系統、高溫空氣預熱系統等組成。與傳統的管式加熱爐相比，高溫空 氣貧氧燃燒管式加熱爐取消了對流段。來自高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐輻射室(ΙΟΟΟ 左右)的高溫煙氣經煙氣集合通道進入高溫空氣預熱器，與空氣換熱後將溫度降低到高於 煙氣露點溫度10°c後進煙囪排放。常溫空氣由鼓風機送入高溫空氣預熱器，與高溫煙氣換 熱被加熱(90(TC左右)後經燃燒系統噴入輻射室。本實用新型的有益效果是本實用新型的高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐的優點 為①管式加熱爐變成了純輻射型爐，可節省大量價格昂貴的爐管(輻射室爐管表面平均 表面熱強度是對流室爐管表面平均表面熱強度的2倍)。②由於在高溫空氣中燃燒，沒有明確的火焰，整個爐膛溫度非常平均，爐管平均熱 強度可接近允許的最高熱強度，使傳熱面積減到最小。③由於採用了耐高溫碳化矽管空氣預熱器和石墨-熱管空氣預熱器回收煙氣餘 熱(石墨為非金屬材料，有極好的抗露點腐蝕性能)，排煙溫度可降到接近煙氣露點溫度， 從而得到最高的熱效率。④由於採用了高溫空氣貧氧燃燒技術，排放煙氣中NOx含量大大減少。[0025]⑤高溫空氣預熱器由耐高溫碳化矽管空氣預熱器和石墨-熱管空氣預熱器組成 (碳化矽為非金屬材料，長期安全使用溫度為1800°C ；石墨為非金屬材料，有極好的抗露點 腐蝕性能)，從而實現了高溫空氣預熱器長周期、安全連續運行。⑥高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐除鼓風機和引風機外，沒有轉動部件或設備，從 而為高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐長周期、安全連續運行奠定基礎。本實用新型的高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐對於減少制氫、加氫和重整裝置能 耗，提高制氫、加氫和重整裝置技術水平，優化煉油企業燃料利用有著重要意義。因此這項 技術必將有良好的應用前景。

圖1為現有的蓄熱式高溫燃燒技術的工作原理圖。圖2為中國專利ZL200620089730. 4公布的一種高效節能蓄熱管式加熱爐的結構
示意圖。圖3為中國專利CN01271095. 4公布的一種高效環保管式加熱爐的結構示意圖。圖4為本實用新型的結構示意圖。圖中部件說明1——鼓風機 2——冷風進口通道3——弓丨風機 4——煙氣 排出通道5——高溫空氣預熱器 6——高溫空氣管道7——高溫空氣分配管道8—— 燃燒器9——爐牆 10——爐本體11——管系 12——爐管支架13——調節擋板 14——高溫煙氣通道15——高溫煙氣旁路通道16——密封擋板。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱 爐，主要由鼓風機1、冷風進口通道2、引風機3、煙氣排出通道4、高溫空氣預熱器5、高溫空 氣管道6、高溫空氣分配管道7、燃燒器8、爐本體10、管系11、爐管支架12和高溫煙氣通道 14組成，所述鼓風機1通過冷風進口通道2連接高溫空氣預熱器5的進風口，高溫空氣預 熱器5的煙氣出口通過引風機3連接煙氣排出通道4 ；高溫空氣預熱器5的高溫空氣出口 連接有高溫空氣管道6，高溫空氣管道6連通過高溫空氣分配管道7連接燃燒器8，燃燒器 8上方設有爐本體10，爐本體10內設有若干爐管支架12，爐管支架12上設有管系11 ；爐本 體10上方煙氣出口通過高溫煙氣通道14連接高溫空氣預熱器5的煙氣進口。爐本體10 內部設有爐牆9，爐牆9兩側分別設有爐管支架12和管系11。高溫煙氣通道14上設有調節擋板13。本實用新型還包括煙囪17，所述煙囪17與高溫煙氣通道14之間通過高溫煙氣旁 路通道15連通，高溫煙氣旁路通道15內設有密封擋板16。引風機3和鼓風機1與所述煙囪17連通。本實用新型的工作原理過程為這樣來自輻射室(1000°C左右)的高溫煙氣先經 過調節擋板13，高溫煙氣通道14，進入高溫空氣預熱器5，與常溫空氣換熱後，煙氣溫度降 低至高於煙氣露點溫度10°C，經煙氣排出管道4由引風機3送入煙囪17。常溫空氣由鼓風 機1經冷風進口通道2送入高溫空氣預熱器5，與高溫煙氣換熱後，經高溫空氣管道6、高溫 空氣分配管道7進入燃燒器8，與燃料混合後噴入輻射室。高溫空氣噴入輻射室時將卷吸輻射室的煙氣，形成貧氧的高溫氣流，燃料就在這種貧氧的氣氛下燃燒。燃料燃燒將化學能轉 化成高溫熱能；高溫煙氣通過輻射把高溫熱能傳給爐管，爐管通過傳導將熱量傳給被加熱 介質。在加熱爐開工初期，由於輻射室煙氣溫度低，燒燃燒器滿負荷運行，爐溫升高後， 燃料量採用被加熱介質出口溫度/爐膛溫度串級調節控制。空氣量採用0/C0串級調節控制；以煙氣0含量為主控制、煙氣CO含量為副控制。 利用設置在煙氣餘熱回收系統煙氣出口 CO含量在線分析儀和氧化鋯測定煙氣中的0和CO 含量並轉化成電訊號送到控制室的DCS系統。DCS系統通過對氧化鋯和CO在線分析儀取得 的訊號進行分析處理，對鼓風機變頻調速器發出指令，變頻調速器根據指令改變鼓風機的 轉速，實現供風量調節與控制，把排煙中氧含量控制在3%，CO含量80ppm。選擇空氣預熱器的冷空氣旁路流量為調節對象條，利用設在空氣預熱器煙氣出口 的在線煙氣露點溫度測定儀測定煙氣露點溫度，設在空氣預熱器煙氣出口的熱電偶測定加 熱爐排煙溫度。溫度調節器根據排煙溫度與煙氣露點溫度的差值調節控制空氣預熱器的 冷空氣旁路閥開度。當排煙溫度與煙氣露點溫度差小於10°c時，溫度調節器打開冷空氣旁 路閥，使一部分冷空氣經過旁路進入熱風道，減小冷空氣換熱負荷，使排煙溫度升高。當排 煙溫度與煙氣露點溫度差大於10°c時，溫度調節器調小冷空氣旁路閥開度(甚至關閉冷空 氣旁路閥)，加大冷空氣換熱負荷，使排煙溫度降低；保證排煙溫度始終高於煙氣露點溫度 IO0C以上，使加熱爐獲得最大熱效率；又使空氣預熱器不會發生煙氣酸露點腐蝕和傳熱元 件嚴重積灰、積垢問題。上面所述的實施例僅僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，並非對本實 用新型的構思和範圍進行限定，在不脫離本實用新型設計構思前提下，本領域中普通工程 技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變型和改進，均應落入本實用新型的保護範 圍，本實用新型請求保護的技術內容已經全部記載在權利要求書中。
權利要求1.一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵它主要由鼓風機(1)、冷風進口通道 O)、引風機C3)、煙氣排出通道(4)、高溫空氣預熱器( 、高溫空氣管道(6)、高溫空氣分配 管道⑵、燃燒器(8)、爐本體(10)、管系(11)、爐管支架(12)和高溫煙氣通道(14)組成， 所述鼓風機(1)通過冷風進口通道( 連接高溫空氣預熱器(5)的進風口，高溫空氣預熱 器(5)的煙氣出口通過引風機(3)連接煙氣排出通道⑷；高溫空氣預熱器(5)的高溫空 氣出口連接有高溫空氣管道(6)，高溫空氣管道(6)連通過高溫空氣分配管道(7)連接燃燒 器(8)，燃燒器(8)上方設有爐本體(10)，爐本體(10)內設有若干爐管支架(12)，爐管支架 (12)上設有管系(11)；爐本體(10)上方煙氣出口通過高溫煙氣通道(14)連接高溫空氣預 熱器(5)的煙氣進口。
2.根據權利要求1所述的一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵在於所述爐本體 (10)內部設有爐牆(9)，爐牆(9)兩側分別設有爐管支架(12)和管系(11)。
3.根據權利要求1所述的一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵在於所述高溫煙 氣通道(14)上設有調節擋板(13)。
4.根據權利要求1所述的一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵在於還包括煙囪 (17)，所述煙囪(17)與高溫煙氣通道(14)之間通過高溫煙氣旁路通道(1 連通，高溫煙 氣旁路通道(1 內設有密封擋板(16)。
5.根據權利要求1所述的一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵在於所述引風機 ⑶和鼓風機⑴與所述煙囪(17)連通。
專利摘要一種高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐，其特徵它主要由鼓風機(1)、冷風進口通道(2)、引風機(3)、煙氣排出通道(4)、高溫空氣預熱器(5)、高溫空氣管道(6)、高溫空氣分配管道(7)、燃燒器(8)、爐本體(10)、管系(11)、爐管支架(12)和高溫煙氣通道(14)組成，本實用新型的高溫空氣貧氧燃燒管式加熱爐對於減少制氫、加氫和重整裝置能耗，提高制氫、加氫和重整裝置技術水平，優化煉油企業燃料利用有著重要意義。因此這項技術必將有良好的應用前景。
文檔編號F27B17/00GK201909533SQ201020578850
公開日2011年7月27日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者奚華, 彭明東, 田志鋒, 鄭戰利, 高曉紅 申請人:中國石化集團南京工程有限公司, 中國石油化工集團公司