CN101852550B - 管式工业加热炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管式工业加热炉，具体地一种可以水煤浆、天然气或燃油为燃料的立式多用途管式工业加热炉，所述加热炉采用圆形非等径设计，燃烧室直径小于辐射室，燃烧室侧面呈切圆布置有多个燃烧器，每个燃烧器均含有可切换的水煤浆及天然气或燃油喷嘴，燃烧室及灰渣斗内壁采用密度较轻的浇注料构成多层复合式衬里，水煤浆、天然气及燃油均能稳定燃烧，燃烧效果好，炉效高，实现了一炉多用途，特别适合化工、石化行业应用于煤代油改造。

Description

管式工业加热炉
技术领域
本发明涉及一种管式工业加热炉，具体地说是一种既可以水煤浆为燃料，也可以天然气或燃油为燃料的立式多用途管式工业加热炉，这种加热炉尤其适用于化工及石化行业。
背景技术
目前，石化、化工行业加热炉常用的燃料多数为渣油、重油等高含硫油，采用了这种高含硫燃料，导致加热炉向大气中排放的二氧化硫超标，严重污染了工厂周围环境，给环保和污染治理带来了很大的压力。同时，随着世界原油价格日益高涨，燃油的价格也将随之上涨，石化、化工行业的生产成本也将会持续增加。用煤代替燃油可以缓解对石油需求的矛盾，研究及实践证明，水煤浆是以煤代油的最理想的煤炭产品，以水煤浆为燃料代替目前通常使用的渣油等高含硫油，可有效减少环境污染，其中二氧化硫的排放量可减少50％以上。目前，水煤浆技术已在电站锅炉、供汽炉、城市供暖炉、煤矿的链条炉、陶瓷热风炉、轧钢加热炉、烧结炉、膨化炉等多种不同类型的锅炉中应用，但由于技术上的难度，水煤浆在石化、化工行业加热炉中的应用还是空白。
代油用水煤浆一般由65～70％的固体煤粉与30～35％的水分组成，由于水分的存在，水煤浆着火温度高，稳定燃烧温度一般在1200～1400℃，大大高于700～800℃的燃油燃烧温度，燃烧性质与燃油存在很大差别。现有石化、化工行业加热炉一般均为以导热油为热载体的燃油加热炉。由于燃油燃烧温度较低，现有的燃油加热炉一般均不设独立的燃烧室，而是只有一个燃烧辐射室，燃油在燃烧辐射室中燃烧并辐射加热炉管中的导热油。但是水煤浆的燃烧温度远高于燃油，在这样的燃油炉中燃烧，将导致炉管中导热油严重结焦，造成加热炉无法正常运转，因此普通燃油加热炉不能直接改烧水煤浆。现有技术针对水煤浆在多种锅炉中代替燃料油做出了尝试。由于水煤浆中含有大量水分，普通锅炉在设计时均会提高热负荷，保证水煤浆的可靠着火和稳定燃烧，而锅炉以水为热载体，均具有水冷壁，热量可以被迅速带走，不存在结焦的问题。但由于导热油温度过高会存在结焦问题，已公开的燃水煤浆锅炉并不适用作为石化行业的导热油炉。中国专利ZL03262284.8公开了一种新型的水煤浆热水锅炉，其特点是燃烧辐射室和对流冷却室构成了类似动力锅炉的∏型结构，该锅炉采用旋焰墙、折焰墙提高了燃烧辐射室的火焰充满度，保证了水煤浆的可靠着火和稳定燃烧，但这样的设计必然导致炉膛热负荷很高，容易结焦，不能用来作为以导热油为热载体的加热炉。ZL03216769.5公开了一种燃水煤浆的导热油炉，其特点是炉膛内设有不小于整个炉膛体积四分之一到五分之一的前置燃烧室，水煤浆从专用燃烧器喷出，经过较大的前置燃烧室，遇高温和较长的行程延长了水煤浆在炉膛中的停留时间，提高了着火区温度。但该炉前置燃烧室较大，燃烧器朝一个方向横置，这样的设计不适用于大型的石化导热油炉，有效载荷低，并且如果换烧燃油或天然气，将造成辐射室热负荷过低，达不到燃水煤浆的加热效果。
发明内容
本发明的目的是设计一种能以水煤浆作原料的、能满足石化、化工行业稳定生产需要的工业加热炉。本发明所要解决的问题之一是克服现有燃油加热炉不能稳定燃烧水煤浆，水煤浆锅炉不适于加热导热油，容易结焦与燃烧不稳定等的不足，设计一种独特的新型管式导热油加热炉，可以稳定燃烧水煤浆，并且不易结焦。本发明所要解决的问题之二是克服现有管式加热炉炉体结构仅适合燃烧单一燃料的缺点，设计一种既可以水煤浆为燃料，也可以燃油或天然气为燃料，均能保证燃料稳定着火燃烧，达到加热效果的管式导热油加热炉，从而使用户能够根据自身情况自由切换燃烧水煤浆、燃油或是天然气，带来极大的效率和便利，满足了石化、化工装置稳定运行的需要。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
1.一种管式工业加热炉，其特征在于包含如下结构：加热炉的炉体为立式圆形非等径设计，在炉体(6)辐射段(4)的下方设有燃烧室(3)，且燃烧室(3)的直径小于辐射段(4)的直径，燃烧室(3)四周的炉体上布置有两个或两个以上向燃烧室(3)内喷射燃料的燃烧器(2)。
2.根据上述1所述的加热炉，其特征是以水煤浆、天然气和/或燃油为燃料。
3.根据上述1或2所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里采用由耐火层(18)、隔热层(19)及保温层(20)多层复合构成的复合式衬里，优选其中耐火层(18)采用密度≤2400kg/m3的重质浇注料。
4.根据上述1至3任何一项所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的直径为辐射段(4)的直径的70～98％、优选75％～95％。
5.根据上述1至4任何一项所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的高度与直径的比值在0.2～5之间、优选在0.5～1之间。
6.根据上述1至5任何一项所述的加热炉，其特征是燃烧器(2)布置有水煤浆喷嘴，同时还布置有天然气喷嘴、燃油喷嘴中的一种或两种。
7.根据上述1至6任何一项所述的加热炉，其特征是燃烧器(2)喷嘴在燃烧室(3)四周的炉体上呈成对称切圆布置。
8.根据上述3至7任何一项所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里的隔热层(19)采用轻质浇注料，和/或保温层(20)采用气硬性浇注料。
9.根据上述3至8任何一项所述的加热炉，其特征是：以质量百分数计所述重质浇注料中包含25～40％的Al2O3，55～70％的SiO2，0.2～1％的CaO，1～5％的TiO2。
10.根据上述3至9任何一项所述的加热炉，其特征是：以质量百分数计所述重质浇注料中包含如下组分：
浇注料骨料                        45～70％
其中：粒度5～10mm占               20～40％
      粒度1～3mm占                20～40％
      粒度0.5～1mm占              10～25％
      粒度0.088～0.5mm占          5～20％
粘土粉料                          25～50％
其中：粒度5～88μm占              70～90％
      粒度0.1～5μm占             10～30％
粒度＜5μm的TiO2超微粉            1～5％
聚磷酸钠                          0.01～0.5％
本发明的一个特定技术方案是：一种以水煤浆、天然气或燃油为燃料的多用途管式工业加热炉，其特征在于包含如下结构：加热炉的炉体为立式圆形非等径设计，在炉体(6)辐射段(4)的下方设有燃烧室(3)，且燃烧室(3)的直径为辐射段(4)直径的70～98％，燃烧室(3)的高度与直径的比值在0.2～5之间；燃烧室(3)四周的炉体上布置有两个或两个以上向燃烧室(3)内喷射燃料的燃烧器(2)；燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里采用由耐火层(18)、隔热层(19)及保温层(20)多层复合构成的复合式衬里，其中耐火层(18)采用密度≤2400kg/m3的重质浇注料。
特别地，在上述技术方案中，燃烧室(3)的直径为辐射段(4)直径的75％～95％；燃烧室(3)的高度与直径的比值在0.5～1之间；燃烧器(2)布置有水煤浆喷嘴，同时还布置有天然气喷嘴、燃油喷嘴中的一种或两种；燃烧器(2)喷嘴在燃烧室(3)四周的炉体上呈成对称切圆布置；燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里的隔热层(19)采用轻质浇注料，保温层(20)采用气硬性浇注料；燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里耐火层重质浇注料以质量百分数计包含25～40％的Al2O3，55～70％的SiO2，0.2～1％的CaO，1～5％的TiO2，物料组分以质量百分数计包含：
浇注料骨料                       45～70％
其中：粒度5～10mm占              20～40％
      粒度1～3mm占               20～40％
      粒度0.5～1mm占             10～25％
      粒度0.088～0.5mm占         5～20％
粘土粉料                         25～50％
其中：粒度5～88μm占             70～90％
粒度0.1～5μm占                  10～30％
粒度＜5μm的TiO2超微粉           1～5％
聚磷酸钠                         0.01～0.5％
研究表明，水煤浆的燃烧温度为1200～1400℃，远高于燃油与天然气的燃烧温度700～800℃。石化装置中的燃油管式加热炉一般没有燃烧室，燃料在辐射段燃烧，如果采用水煤浆为燃料，由于水煤浆燃烧温度高，将导致炉膛热负荷过高从而造成导热油结焦；本发明在炉体辐射段下方增设燃烧室，使燃料在燃烧室燃烧，降低了辐射段的热负荷，解决了结焦问题。由于水煤浆中含有30％以上的水分，造成水煤浆不易点火和稳定燃烧。普通水煤浆锅炉由于具有水冷壁，热量可以被迅速带走，不需要考虑结焦问题，因此可以将炉膛热负荷设计得较高，以保证水煤浆的可靠点火和稳定燃烧。但导热油加热炉由于没有水冷壁，热量不易迅速带走，热负荷过高会导致导热油结焦，因此炉膛热负荷不能设计得过高，从而造成带有燃烧室的水煤浆导热油炉难以保证可靠点火并稳定燃烧，容易熄火。本发明采用非等径设计，其中燃烧室的直径小于辐射室直径，优选燃烧室的直径为辐射室的直径的70～98％，这样使得辐射室的空间大小不改变，保持较低的热负荷，避免了导热油结焦，同时减小了燃烧室的截面，提高了燃烧室的温度与单位面积热负荷，解决了水煤浆含水量大不易着火和稳定燃烧的问题，使得加热炉得以在燃烧室保持较高的热负荷而在辐射室保持较低的热负荷，彻底解决了现有加热炉无法同时解决导热油结焦与含燃烧室锅炉水煤浆不易着火且不能稳定燃烧的难题。
在优选的实施方案中，本发明采用切圆布置燃烧嘴，使燃料切假想圆燃烧，可形成刚性有力火焰，有利于强化辐射段的对流传热，补充上部炉管处削弱了的辐射传热，无需布置旋焰墙及折焰墙。
水煤浆燃烧温度高，达到1200～1400℃，这要求炉体衬里必须具备良好的耐火耐热性。同时，水煤浆燃烧产物中含有灰分，会对炉壁产生强烈的冲刷，这又要求炉体衬里迎火面必须具备良好的耐冲刷性。因此，在本发明优选的实施方案中，本发明所述燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里采用由耐火层(18)、隔热层(19)及保温层(20)多层复合构成的复合式衬里。其中处于迎火面的耐火层采用本发明的重质浇注料，耐火效果好并耐冲刷，不易开裂，同时密度小于普通重质浇注料，有效减低了衬里重量，利于炉体结构设计和施工；中间的隔热层采用轻质浇注料，耐热隔热效果好，并且进一步减低了衬里重量，利于炉体结构稳定；外侧的保温层采用气硬性浇注料，起到了有效保温的效果。这种多层复合衬里耐火、耐热、隔热、保温效果好，强度高，耐冲刷，不易开裂，特别适合燃水煤浆加热炉，保证了加热炉能够长期稳定运转。
重质浇注料为达到足够的耐压、抗折强度以及耐冲刷磨损度，其密度一般均大于2400kg/m3，且导热系数较大。但浇注料密度过高会造成炉壁衬里过重，给炉体钢架结构带来较重的负担，不利于炉体结构的稳定，导热系数大则不利于隔热和保温。本发明所述的重质浇注料以质量百分数计包含25～40％的Al2O3，55～70％的SiO2，0.2～1％的CaO，1～5％的TiO2。在一特定实施方案中，本发明所述的重质浇注料以质量百分数计包含：
浇注料骨料                    45～70％
其中：粒度5～10mm占           20～40％
      粒度1～3mm占            20～40％
      粒度0.5～1mm占          10～25％
      粒度0.088～0.5mm占      5～20％
粘土粉料                      25～50％
其中：粒度5～88μm占          70～90％
      粒度0.1～5μm占         10～30％
粒度＜5μm的TiO2超微粉        1～5％
聚磷酸钠                      0.01～0.5％
按本发明方法得到的重质浇注料密度≤2400kg/m3，制作的衬里重量较小，减轻了炉体钢架结构的负荷，结构稳定，导热系数低，隔热效果好，同时仍保持较高的耐压、抗折强度，能满足加热炉的设计要求，耐高温、耐磨损、线变化率小。
在一个实施方案中，本发明加热炉以水煤浆为燃料。由于加热炉底部要设灰渣斗排渣，故采用侧面布置燃烧器的方案。辐射段与对流段并列布置，可降低加热炉的整体高度。
在一个实施方案中，本发明加热炉包括自下而上设置的灰渣斗、燃烧室、辐射段。灰渣斗及燃烧室均不布置炉管。
在一个特定实施方案中，加热炉具有如下尺寸：
灰渣斗上口内径为8.9m，高度为7.6m；
燃烧室内径为8.9m，高度为6m；
辐射段内径为10.76m，高度为23m；
本发明对流段尺寸可以为：长度9.3m，宽度3.1m，高度16.3m。
辐射段布置炉管，传热面积1090m2，对流段炉管传热面积503m2。
在一个特定实施方案中，本发明加热炉具有如下燃烧器布置：
燃烧器布置在燃烧室侧面，共8套(分4组，每组分上下两层布置)。每套燃烧器水煤浆燃烧量可以为～1280kg/h(按7套正常运行计算)。水煤浆燃烧器可以采用过热蒸汽雾化。
燃烧器布置成切圆燃烧方式，有利于促使水煤浆稳定燃烧，炉膛温度均匀。同时，烟气行程加长，提高燃料的燃烬率，也强化辐射段的对流传热。
本发明加热炉除设有水煤浆燃烧器外，还可以附加设有同样功率的气体燃烧器。这样，既可以有助于开工初期从燃料气平稳过渡到燃用水煤浆，同时也可以在水煤浆供应不正常时切换燃烧燃料气，以保证装置运行的可靠性、稳定性及生产的长周期。
本发明加热炉可以使用撞击式多级雾化型水煤浆喷嘴。在一个实施方案中雾化蒸汽压力≥1.3Mpa(炉前)，雾化细度(SMD)≤95μm。在一个特定实施方案中，雾化蒸汽消耗率0.2kg汽/kg浆。
本发明加热炉采用创造性的炉体结构，结合优化的燃烧器布置，采用新型的衬里材料组合构成结构简单、性能特别好的复合式浇注料衬里，保证了水煤浆、天然气或燃油等不同种类燃料在本发明加热炉中均能稳定燃烧，用户仅需根据燃料的种类切换不同类型的喷嘴即可换烧不同燃料，真正实现一炉多用途，将大大降低石化行业应用煤代油新技术的风险，节约设备投资，提高石化行业用户生产的稳定性，能有效促进煤代油这种节能环保新技术在化工、石化行业的推广。
附图说明
图1是本发明炉体的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明燃烧器结构示意图。
图4是本发明炉体燃烧室及灰渣斗衬里的结构示意图。
图5是实施例1炉体的结构示意图。
图6是图5的俯视图。
具体实施方式
下面以实施例来更加详细地说明本发明的具体实施方式，然而本发明并不受这些实施例的限制。
如图1、图2、图3所示，本发明所述加热炉包括炉体(6)，炉体(6)设有燃烧室(3)和辐射室(4)，其中燃烧室(3)在下，辐射室(4)在上，燃烧室(3)炉体四周呈切圆布置有两个或两个以上燃烧器(2)，每个燃烧器包含水煤浆喷嘴(11)、天然气喷嘴(10)及燃油喷嘴(9)各一，在辐射室(4)内壁立式均布有吸收辐射热的热管(5)；辐射室(4)顶部设有出烟口(7)。炉体的下部连接有灰渣斗(1)，燃烧后的灰渣从灰渣斗底部的出口(8)排出炉外。如图4所示，本发明所述燃烧室衬里包括多层复合的衬里层体，其技术要点在于多层复合衬里层体自迎火面向炉壁依次为采用重质浇注料的耐火层(18)、采用轻质浇注料的隔热层(19)以及采用气硬性浇注料的保温层(20)。
本发明的工作过程为：本发明加热炉的燃烧器(2)布置在燃烧室(3)侧面，燃烧时以辐射换热的形式加热立式均布在辐射室内的热管(5)内的导热介质，导热介质从热管入口(15)进，从热管出口(12)出；产生的烟气从辐射室(4)顶部的出烟口(7)排出进入后续系统；燃烧过程中产生的灰渣通过布置在燃烧室(3)底部的灰渣斗(1)收集通过灰渣斗底部的出口(8)排放。
【实施例1】
结构按图5、图6所示的加热炉，炉体(6)设有燃烧室(3)和辐射室(4)，其中燃烧室(3)在下，辐射室(4)在上，辐射室(4)高30m，直径10m；燃烧室(3)高15m，直径8m。燃烧室(3)炉体四周呈切圆布置有四个燃烧器(2)；每个燃烧器包含水煤浆喷嘴(11)、天然气喷嘴(10)及燃油喷嘴(9)各一。在辐射室(4)内壁立式均布有吸收辐射热的热管(5)，热管(5)分为3组，导热油从热管入口(15)、(16)、(17)进，从热管出口(12)、(13)、(14)出。在炉体的一侧并列安装有对流段(21)(它是壳体和其中安装有换热管的总称)，对流段21与炉体6高度相当，对流段(21)的进气口与炉体(6)上部的出烟口(7)通过烟道(22)相连，对流段(21)的壳体内水平布置有两组对流换热器组(23)，在对流段下部设有烟气出口(24)，烟气出口(24)与余热回收系统相连。炉体的下部连接有灰渣斗(1)，燃烧后的灰渣从灰渣斗底部的出口(8)排出炉外。
加热炉热工参数及运行数据列入表1。
表1
  燃料   水煤浆   天然气   燃油
  导热油入口温度℃   278   280   279
  导热油出口温度℃   313   315   314
  热油流量t/h   1195   1225   1250
  热负荷MJ/h   102165   102064   104042
  负荷率％   65.82   65.75   67.03
  炉效率％   88.93   89.61   87.47
  氧含量％   4.3   3.5   2.8
  过剩空气系数   1.29   1.22   1.17
  排烟温度℃   161   161   212
  炉膛温度℃   740   686   780
  燃烧室温度℃   1098   1006
  稳定燃烧时间h   ＞2400   ＞2400   ＞2400
【实施例2】
配制Al2O3质量百分数32％，SiO2质量百分数61％，CaO质量百分数0.9％，TiO2质量百分数2.94％的重质浇注料。具体配方(以质量百分数计)如下：浇注料骨料60％，粘土粉料37％，粒度＜5μm的TiO2超微粉2.94％，聚磷酸钠0.06％。其中浇注料骨料中粒度5～10mm占30％，粒度1～3mm占30％，粒度0.5～1mm占20％，粒度0.088～0.5mm占20％；粘土粉料中粒度5～88μm占70％，粒度0.1～5μm占30％。浇注料骨料为刚玉与莫来石按质量分数1∶2的混合物，粘土粉料为97％SiO2微粉与α-Al2O3微粉的混合物以及3％的铝酸盐水泥。用4×4×16cm的试模浇注成型后测其性能，结果见表2。
表2

Claims (13)

1.一种管式工业加热炉，其特征在于包含如下结构：加热炉的炉体为立式圆形非等径设计，在炉体(6)辐射段(4)的下方设有燃烧室(3)，且燃烧室(3)的直径小于辐射段(4)的直径，燃烧室(3)四周的炉体上布置有两个或两个以上向燃烧室(3)内喷射燃料的燃烧器(2)。
2.根据权利要求1所述的加热炉，其特征是以水煤浆、天然气和/或燃油为燃料。
3.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里采用由耐火层(18)、隔热层(19)及保温层(20)多层复合构成的复合式衬里。
4.根据权利要求3所述的加热炉，其中耐火层(18)采用密度≤2400kg/m3的重质浇注料。
5.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的直径为辐射段(4)的直径的70～98％。
6.根据权利要求5所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的直径为辐射段(4)的直径的75～95％。
7.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的高度与直径的比值在0.2～5之间。
8.根据权利要求7所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)的高度与直径的比值在0.5～1之间。
9.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征是燃烧器(2)布置有水煤浆喷嘴，同时还布置有天然气喷嘴、燃油喷嘴中的一种或两种。
10.根据权利要求1或2所述的加热炉，其特征是燃烧器(2)喷嘴在燃烧室(3)四周的炉体上成对称切圆布置。
11.根据权利要求3所述的加热炉，其特征是燃烧室(3)及灰渣斗(1)内壁衬里的隔热层(19)采用轻质浇注料，和/或保温层(20)采用气硬性浇注料。
12.根据权利要求4所述的加热炉，其特征是：以质量百分数计所述重质浇注料中包含25～40％的Al2O3，55～70％的SiO2，0.2～1％的CaO，1～5％的TiO2。
13.根据权利要求4所述的加热炉，其特征是：以质量百分数计所述重质浇注料中包含如下组分： 
Figure FSB00000842541600021
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