专利名称：一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属于炼油、石油化工领域，涉及一种炼油、石油化工、煤化工管式加热 炉，具体是一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，该加热炉为可用于制氢、重整、转化和裂解 的管式加热炉。
背景技术：
在炼油工程上，采用管式加热炉始于1910 1911年间。在没有采用管式加热炉 之前，原油加工方式均为釜式蒸馏，处理量小、且为间歇生产。管式加热炉的使用使炼油工 业由小处理量、间歇生产转向大处理量、连续生产。目前，几乎每一套炼油、石油化工装置中 都有管式加热炉，也就是说管式加热炉几乎参与了炼油、石油化工整个生产过程。没有管 式加热炉，就没有现代化的炼油、石油化工工业。管式加热炉是炼油、石油化工装置耗能大户，其燃料耗量约占炼油、石油化工企业 总能耗60%。工艺加热炉燃料耗量每降低1%，炼油、石油化工企业总能耗降低0.5%。目 前全国炼油、石油化工装置管式加热炉燃料耗量约1800万吨/年。管式加热炉热效率每提 高1 %，炼油、石油化工企业可节省燃料20万吨/年，降低生产成本6亿元/年；少排放烟 气量30亿Nm3/年。炼油、石油化工装置加热炉的燃料为国民经济发展需要液体或气体燃 料。减少炼油、石油化工装置加热炉的燃料耗量对降低炼油、石油化工企业总能耗和国民经 济发展的意义重大。一般炼油装置管式加热炉的造价约占总投资的20% ；裂解炉和转化炉(制氢)的 造价约占装置总投资的35%。管式加热炉的造价大小直接影响着炼油厂、石油化生产装置 的基建投资。炉管在高温之下操作，需要优质钢材；通常这类优质钢材其价格比一般钢材贵 好几倍；炉管及回弯头的费用约占管式加热炉的造价总数的60%以上；且炉管又需要经常 更换，折旧率最大，所以节省炉管钢材用量对降低管式加热炉的造价有着重要意义。减少炉 管用量，就意味着提高全炉炉管平均表面热强度。被加热的油品处在高温、高压下，如果炉 管某些部位因局部过热关系强度变低，高压的热油就会把炉管进裂而喷射出，会造成极严 重的事故。提高全炉炉管平均表面热强度的关键是改善辐射室温度分布，降低辐射炉管受 热不均勻系数，消除辐射炉管局部过热。炼油、石油化工装置管式加热炉排放的烟气中NOx、SOx, CO2等有害成分对操作工 人和周边居民的生活或身体健康都有着直接影响。国家对加热炉排放烟气中NOx、SOx等 有害成分含量实行总量和浓度双重控制，促使石化管式加热炉向洁净燃烧、低污染排放发展。目前在用的炼油、石油化工、煤化工管式加热炉(制氢、重整、转化和裂解管式加 热炉)主要由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五部分所组成。设计热 效率90%，实际运行热效率彡87% ；排放烟气中的N0x、S0x、C02等有害成分含量也没有达 到国家标准规定值。蓄热式高温燃烧技术是20世纪90年代初在日本、美国和欧洲发展起来的一种新型燃烧技术。工作原理如图1所示。常温空气由鼓风机送入，在通过已蓄热的燃烧器蓄热 体时被迅速加热至高温，温度可以达到仅比炉膛烟气温度低100°c左右。如此高温的空气喷 入炉膛时，将卷吸炉膛内的烟气形成贫氧高温气流，燃料就在这种贫氧的气氛下燃烧。与此 同时，引风机通过另一侧的燃烧器将烟气吸出，热烟气将热量传递给蓄热体而降温后经换 向阀、引风机和烟囱排入大气。换向阀按一定的频率切换，使两侧的燃烧器在蓄热和放热的 状态下交替工作。蓄热式高温燃烧技术的特点是燃料在贫氧环境下燃烧，NOx的生成受到抑制，排 烟中NOx含量大大减少。空气被预热到850°C左右，燃料实现了无焰燃烧，整个炉膛形成一个 温度相对均勻的高温强辐射黑体，炉膛传热效率因而显著提高。但蓄热式高温燃烧技术并 不适用于炼油、石油化工管式加热炉。主要原因是为满足炼油、石油化工装置生产工艺要 求，管式加热炉被加热介质出炉温度必须稳定在规定值的士 1°C，两套燃烧系统频繁换向， 不能保证被加热介质出炉温度稳定，影响整个装置平稳生产。炼油、石油化工管式加热炉连 续生产周期长(5年)，换向阀的切换周期为几十秒，频繁换向，不能保证炼油、石油化工管 式加热炉整个运行周期的安全运行，一旦换向阀出现故障，将会造成严重的后果。如图2，中国专利ZL200620089730. 4公布了一种高效节能蓄热管式加热炉，解决 了现有的蓄热式加热炉排烟温度较高、余热回收系统露点腐蚀非常严重及炉内温度分布不 均勻、局部温度过高的问题，它有一个炉体，其特殊之处是在炉体侧壁上均布有烧嘴，烧嘴 通过管路与换向阀相连接，换向阀通过管路引出鼓风口和引风口，所述的烧嘴是由蓄热室、 与炉体内膛相通的喷嘴、设置在蓄热室内的蓄热体和设置在蓄热室上与炉体内膛相通的空 气及烟气转换嘴构成。优点是排烟温度低、热效率高、可有效解决露点腐蚀问题、能防止炉 内局部温度过高，使炉内温度均勻分布，且维修方便。该发明的特点是通过高温燃烧来提高 管式加热炉的热效率，但由于与蓄热室相连的换向阀需要频繁切换，容易出现故障。这对需 要长周期(5年)连续生产运行的石油化工、煤化工管式加热炉来说，一旦快速切换的换向 阀出现故障，将会造成严重的后果。如图3，中国专利CN01271095. 4公布了一种高效环保管式加热炉。该实用新型涉 及一种高效环保管式炉，包括炉体、设在炉体内壁上的耐火炉衬、由耐火炉衬所围成的空 间构成炉膛、设在所述的炉膛内的用于加热介质的炉管，在炉体壁上并穿过耐火炉衬设有 至少一对用于向炉膛喷射燃料的燃料喷嘴，在与燃料喷嘴相邻处的炉体壁设有至少一对排 烟、送风管道，所述的排烟、送风管道内设有蓄热体，所述的一对排烟、送风管道通过四通换 向阀交叉相连。该管式炉采用的是高温蓄热式贫氧燃烧技术，这种技术能够最大限度地回 收烟气的显热，能将空气或燃料气预热几乎接近炉膛内烟气的温度，使炉膛内燃料充分、均 勻燃烧。该型管式加热炉同样不能用于需要连续生产的石油化工装置上。由于它需要四通 换向阀交替地在烟气和空气管道之间切换，一旦出现故障，将会给加热炉的运行带来很大 的风险。传统管式加热炉存在的问题是(1)由于辐射室有明确的火焰，辐射室温度场不 均勻；(2)全炉炉管平均传热强度较低；需要大量昂贵的炉管；(3) NOx排放偏高。蓄热式高温燃烧管式加热炉，由于需要四通换向阀交替地在烟气和空气管道之间 频繁切换，一旦出现故障，将会给加热炉的运行带来很大的风险。因此，蓄热式高温燃烧管 式加热炉不适用于石油化工管式加热炉。[0013]随着国民经济发展对轻质燃料需求量的不断增加和国家对环保要求越来越高，为 满足国民经济发展对轻质燃料需求和环保的需要，加氢、制氢、重整技术将会得到迅速发展 和推广。制氢、加氢和重整加热炉的共同特点是被加热介质出炉温度高、操作压力高、允许 压降小、体积流量大；炉管价格昂贵、炉管平均表面热强度高、要求炉管受热均勻，燃料为洁 净的高热值瓦斯、烟气出辐射室温度高、50%的热量用于产生蒸汽。因炼油厂不缺少蒸汽， 制氢和重整加热炉50%的热量用于产生蒸汽，不但使得制氢和重整装置能耗高，而且用洁 净的高热值瓦斯产生蒸汽不合理，不经济，也可以说是一种浪费。为了减少制氢、加氢和大 型重整加热炉的产汽量，在工艺上采取各种措施，费尽了心机、却收获不大。
发明内容本实用新型的高温空气贫氧燃烧管式加热炉主要解决了传统管式加热炉存在的 问题和蓄热式高温贫氧燃烧加热炉的缺陷。本实用新型的技术方案是一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，主要由鼓风机、冷 风进口通道、引风机、烟气排出通道、高温空气预热器、高温空气管道、高温空气分配管道、 燃烧器、炉本体、管系、炉管支架和高温烟气通道组成，所述鼓风机通过冷风进口通道连接 高温空气预热器的进风口，高温空气预热器的烟气出口通过引风机连接烟气排出通道；高 温空气预热器的高温空气出口连接有高温空气管道，高温空气管道连通过高温空气分配管 道连接燃烧器，燃烧器上方设有炉本体，炉本体内设有若干炉管支架，炉管支架上设有管 系；炉本体上方烟气出口通过高温烟气通道连接高温空气预热器的烟气进口。所述炉本体内部设有炉墙，炉墙两侧分别设有炉管支架和管系。所述高温烟气通道上设有调节挡板。本实用新型还包括烟囱，所述烟囱与高温烟气通道之间通过高温烟气旁路通道连 通，高温烟气旁路通道内设有密封挡板。所述引风机和鼓风机与所述烟@连通。本实用新型的高温空气贫氧燃烧管式加热炉主要由辐射室、热风(烟气)系统、冷 风(空气)系统、燃烧系统、高温空气预热系统等组成。与传统的管式加热炉相比，高温空 气贫氧燃烧管式加热炉取消了对流段。来自高温空气贫氧燃烧管式加热炉辐射室(ΙΟΟΟ 左右)的高温烟气经烟气集合通道进入高温空气预热器，与空气换热后将温度降低到高于 烟气露点温度10°c后进烟囱排放。常温空气由鼓风机送入高温空气预热器，与高温烟气换 热被加热(90(TC左右)后经燃烧系统喷入辐射室。本实用新型的有益效果是本实用新型的高温空气贫氧燃烧管式加热炉的优点 为①管式加热炉变成了纯辐射型炉，可节省大量价格昂贵的炉管(辐射室炉管表面平均 表面热强度是对流室炉管表面平均表面热强度的2倍)。②由于在高温空气中燃烧，没有明确的火焰，整个炉膛温度非常平均，炉管平均热 强度可接近允许的最高热强度，使传热面积减到最小。③由于采用了耐高温碳化硅管空气预热器和石墨-热管空气预热器回收烟气余 热(石墨为非金属材料，有极好的抗露点腐蚀性能)，排烟温度可降到接近烟气露点温度， 从而得到最高的热效率。④由于采用了高温空气贫氧燃烧技术，排放烟气中NOx含量大大减少。[0025]⑤高温空气预热器由耐高温碳化硅管空气预热器和石墨-热管空气预热器组成 (碳化硅为非金属材料，长期安全使用温度为1800°C ；石墨为非金属材料，有极好的抗露点 腐蚀性能)，从而实现了高温空气预热器长周期、安全连续运行。⑥高温空气贫氧燃烧管式加热炉除鼓风机和引风机外，没有转动部件或设备，从 而为高温空气贫氧燃烧管式加热炉长周期、安全连续运行奠定基础。本实用新型的高温空气贫氧燃烧管式加热炉对于减少制氢、加氢和重整装置能 耗，提高制氢、加氢和重整装置技术水平，优化炼油企业燃料利用有着重要意义。因此这项 技术必将有良好的应用前景。
图1为现有的蓄热式高温燃烧技术的工作原理图。图2为中国专利ZL200620089730. 4公布的一种高效节能蓄热管式加热炉的结构
示意图。图3为中国专利CN01271095. 4公布的一种高效环保管式加热炉的结构示意图。图4为本实用新型的结构示意图。图中部件说明1——鼓风机 2——冷风进口通道3——弓丨风机 4——烟气 排出通道5——高温空气预热器 6——高温空气管道7——高温空气分配管道8—— 燃烧器9——炉墙 10——炉本体11——管系 12——炉管支架13——调节挡板 14——高温烟气通道15——高温烟气旁路通道16——密封挡板。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述一种高温空气贫氧燃烧管式加热 炉，主要由鼓风机1、冷风进口通道2、引风机3、烟气排出通道4、高温空气预热器5、高温空 气管道6、高温空气分配管道7、燃烧器8、炉本体10、管系11、炉管支架12和高温烟气通道 14组成，所述鼓风机1通过冷风进口通道2连接高温空气预热器5的进风口，高温空气预 热器5的烟气出口通过引风机3连接烟气排出通道4 ；高温空气预热器5的高温空气出口 连接有高温空气管道6，高温空气管道6连通过高温空气分配管道7连接燃烧器8，燃烧器 8上方设有炉本体10，炉本体10内设有若干炉管支架12，炉管支架12上设有管系11 ；炉本 体10上方烟气出口通过高温烟气通道14连接高温空气预热器5的烟气进口。炉本体10 内部设有炉墙9，炉墙9两侧分别设有炉管支架12和管系11。高温烟气通道14上设有调节挡板13。本实用新型还包括烟囱17，所述烟囱17与高温烟气通道14之间通过高温烟气旁 路通道15连通，高温烟气旁路通道15内设有密封挡板16。引风机3和鼓风机1与所述烟囱17连通。本实用新型的工作原理过程为这样来自辐射室(1000°C左右)的高温烟气先经 过调节挡板13，高温烟气通道14，进入高温空气预热器5，与常温空气换热后，烟气温度降 低至高于烟气露点温度10°C，经烟气排出管道4由引风机3送入烟囱17。常温空气由鼓风 机1经冷风进口通道2送入高温空气预热器5，与高温烟气换热后，经高温空气管道6、高温 空气分配管道7进入燃烧器8，与燃料混合后喷入辐射室。高温空气喷入辐射室时将卷吸辐射室的烟气，形成贫氧的高温气流，燃料就在这种贫氧的气氛下燃烧。燃料燃烧将化学能转 化成高温热能；高温烟气通过辐射把高温热能传给炉管，炉管通过传导将热量传给被加热 介质。在加热炉开工初期，由于辐射室烟气温度低，烧燃烧器满负荷运行，炉温升高后， 燃料量采用被加热介质出口温度/炉膛温度串级调节控制。空气量采用0/C0串级调节控制；以烟气0含量为主控制、烟气CO含量为副控制。 利用设置在烟气余热回收系统烟气出口 CO含量在线分析仪和氧化锆测定烟气中的0和CO 含量并转化成电讯号送到控制室的DCS系统。DCS系统通过对氧化锆和CO在线分析仪取得 的讯号进行分析处理，对鼓风机变频调速器发出指令，变频调速器根据指令改变鼓风机的 转速，实现供风量调节与控制，把排烟中氧含量控制在3%，CO含量80ppm。选择空气预热器的冷空气旁路流量为调节对象条，利用设在空气预热器烟气出口 的在线烟气露点温度测定仪测定烟气露点温度，设在空气预热器烟气出口的热电偶测定加 热炉排烟温度。温度调节器根据排烟温度与烟气露点温度的差值调节控制空气预热器的 冷空气旁路阀开度。当排烟温度与烟气露点温度差小于10°c时，温度调节器打开冷空气旁 路阀，使一部分冷空气经过旁路进入热风道，减小冷空气换热负荷，使排烟温度升高。当排 烟温度与烟气露点温度差大于10°c时，温度调节器调小冷空气旁路阀开度(甚至关闭冷空 气旁路阀)，加大冷空气换热负荷，使排烟温度降低；保证排烟温度始终高于烟气露点温度 IO0C以上，使加热炉获得最大热效率；又使空气预热器不会发生烟气酸露点腐蚀和传热元 件严重积灰、积垢问题。上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实 用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计构思前提下，本领域中普通工程 技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范 围，本实用新型请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
权利要求1.一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征它主要由鼓风机(1)、冷风进口通道 O)、引风机C3)、烟气排出通道(4)、高温空气预热器( 、高温空气管道(6)、高温空气分配 管道⑵、燃烧器(8)、炉本体(10)、管系(11)、炉管支架(12)和高温烟气通道(14)组成， 所述鼓风机(1)通过冷风进口通道( 连接高温空气预热器(5)的进风口，高温空气预热 器(5)的烟气出口通过引风机(3)连接烟气排出通道⑷；高温空气预热器(5)的高温空 气出口连接有高温空气管道(6)，高温空气管道(6)连通过高温空气分配管道(7)连接燃烧 器(8)，燃烧器(8)上方设有炉本体(10)，炉本体(10)内设有若干炉管支架(12)，炉管支架 (12)上设有管系(11)；炉本体(10)上方烟气出口通过高温烟气通道(14)连接高温空气预 热器(5)的烟气进口。
2.根据权利要求1所述的一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征在于所述炉本体 (10)内部设有炉墙(9)，炉墙(9)两侧分别设有炉管支架(12)和管系(11)。
3.根据权利要求1所述的一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征在于所述高温烟 气通道(14)上设有调节挡板(13)。
4.根据权利要求1所述的一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征在于还包括烟囱 (17)，所述烟囱(17)与高温烟气通道(14)之间通过高温烟气旁路通道(1 连通，高温烟 气旁路通道(1 内设有密封挡板(16)。
5.根据权利要求1所述的一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征在于所述引风机 ⑶和鼓风机⑴与所述烟囱(17)连通。
专利摘要一种高温空气贫氧燃烧管式加热炉，其特征它主要由鼓风机(1)、冷风进口通道(2)、引风机(3)、烟气排出通道(4)、高温空气预热器(5)、高温空气管道(6)、高温空气分配管道(7)、燃烧器(8)、炉本体(10)、管系(11)、炉管支架(12)和高温烟气通道(14)组成，本实用新型的高温空气贫氧燃烧管式加热炉对于减少制氢、加氢和重整装置能耗，提高制氢、加氢和重整装置技术水平，优化炼油企业燃料利用有着重要意义。因此这项技术必将有良好的应用前景。
文档编号F27B17/00GK201909533SQ201020578850
公开日2011年7月27日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者奚华, 彭明东, 田志锋, 郑战利, 高晓红 申请人:中国石化集团南京工程有限公司, 中国石油化工集团公司