CN102072654A - 外燃式蓄热加热炉 - Google Patents

Abstract

一种外燃式蓄热加热炉，其特征是燃烧室设置于蓄热加热炉的外部，热效率高、安全性高、适应性强。可运用于各种可燃气体和非可燃气体的加热，包括空气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、瓦斯、煤气、天然气等。燃料可以是煤、油页岩等固体燃料，也可以是燃烧油等液体燃料，也可以是煤气、瓦斯、天然气等气体燃料。

Description

外燃式蓄热加热炉

技术领域

本发明涉及一种用外燃方法在蓄热加热炉中对被加热气体进行蓄热加热的装置。

背景技术

蓄热加热炉是一种利用先进的蓄热技术对热载体进行加热的装置，它具有结构紧凑、换热面积大、热效率高、使用寿命长等优点。在冶金行业、机械行业、化工行业、油页岩干馏炼油行业得到广泛使用。目前在工业生产中使用的蓄热加热炉大都为内燃式。蓄热加热炉按其燃烧方式的不同可以分成顶燃式，底燃式、侧燃式三种。其工艺流程是将煤气和助燃空气引入蓄热加热炉的燃烧室燃烧，燃烧产生的高温烟气用来加热炉内的蓄热体。蓄热体在吸收高温烟气的热量后，将热量蓄积在蓄热体内。在下一个流程中又将热量交换给需要加热的热载体(空气或瓦斯等)，供给生产用。这种蓄热加热炉热量的来源是在炉内直接燃烧煤气。由于燃烧是在设置在蓄热加热炉炉内的燃烧室进行，一般称之谓内燃式蓄热炉。典型的内燃式蓄热炉的结构见图1。图中，1、安全阀，2、燃烧室，3、被加热的热载体排出口，4、格子砖，5、炉箟，6、换向阀，7、烟气排出口，8、加热的热载体进入口，9、燃烧煤气入口，10、助燃空气入口，11、煤气烧嘴，12、人孔。工作时，燃烧煤气和助燃空气混合后从煤气烧嘴中喷出，在燃烧室中燃烧，燃烧产生的烟气将格子砖加热后从底部排出；换向后，被加热的热载体从底部进入，经过格子砖被加热后从蓄热炉的上部排出口排出。内燃式蓄热炉有很多优点，但也存在一些共同的缺陷。主要有：一是燃烧在加热炉内进行，加热炉内有空气和瓦斯存在，在换向时很难清除干净，如果加热的是可燃气体的话，常会发生爆燃、甚至爆炸事件；二是由于煤气在炉内燃烧，燃烧产生高温，特别是当温度超过1100℃时，在蓄热体表面常会出现结焦、析碳等现象，需要定期清除，影响连续稳定生产；三是这种蓄热加热炉只能使用气体燃料，对没有煤气或煤气量不够的生产单位则需要先用煤来制取煤气，制取煤气的投资往往大于蓄热加热炉本身的投资，而且在煤气制取过程中，又会产生煤气净化、焦油回收、废水处理等诸多复杂的环保问题。基于以上原因，蓄热加热炉尽管有很多优点，但使用范围却受到了限制，一般不使用于可燃气体的加热，不使用于缺少煤气的企业。因为冶金行业有大量的高炉煤气和焦炉煤气，而且需要加热的是空气，所以内燃式蓄热加热炉在冶金行业得到了较多的使用，被称作热风炉。而在化工、石油等行业由于需要加热的热载体是可燃气体，蓄热加热炉则很少运用。

发明内容

本发明的目的在于拓展蓄热加热炉的使用范围，使蓄热加热炉可以用来加热可燃气体，可以使用于没有煤气的企业，同时简化蓄热加热炉的内部结构，降低蓄热加热炉的制造成本和运行管理成本，提高蓄热加热炉使用的安全性。本发明的外燃式蓄热加热炉具体工艺和结构为：

一、一种利用高温烟气作为热源的外燃式蓄热加热炉。其特征是由干气炉和蓄热加热炉两部分组成，燃烧室设置于外部干气炉内，蓄热和换热在蓄热加热炉内进行，干气炉和蓄热加热炉之间通过烟气管道联接在一起。所述的外燃式蓄热加热炉加热格子砖的高温烟气通过设置在蓄热加热炉外部的干气炉中燃烧固体燃料(煤或油页岩等)获得。工艺流程是：将固体燃料(煤或油页岩等)从干气炉的前侧上方加入，落到链条炉排上，固体燃料在链条炉排上燃烧产生高温烟气，一般可达到1100℃～1300℃左右，高温烟气从干气炉的后上方引出，进入蓄热加热炉。高温烟气在经过蓄热加热炉时，将蓄热加热炉中的格子砖加热，蓄积热量，烟气温度被降低到250℃以下被引风机引出，排入烟囱。这时换向阀动作，切断烟气供应，烟气出口成为被加热气体的入口，被加热气体进入蓄热加热炉后，吸收格子砖内蓄积的热量，温度上升到800℃以上，从设置在蓄热加热炉上部的被加热气体排出口排出，送往生产需要的地方。一台干气炉的后部配置二台蓄热加热炉。当第一台蓄热加热炉进入和热载体换热程序时，第二台蓄热加热炉则进入加热格子砖的程序。两台蓄热加热炉交替工作，保证向用户供应连续的符合工艺要求的热载体。这种加热方式得到的高温热载体的温度是波动的，随时间的延长温度逐渐下降。当温度低于设定值时，第一台蓄热加热炉停止供热，转入加热程序。第二台蓄热加热炉则进入供热程序。有些行业，比如油页岩干馏行业，希望得到稳定的、温度不波动的高温热载体。则可以采取配置三台蓄热加热炉，“二送一烧”，错时交叉供热的方法，将高温热载体的温度波动控制在额定范围之内。也可以采取在高温热载体中回兑低温热载体的方法将热载体的温度波动控制在额定范围之内。高温烟气进入蓄热加热炉的温度用回兑加热炉排出的低于250℃的低温烟气调节。需要烟气温度高时，可少兑低温烟气，需要烟气温度低时，可多兑低温烟气。高温烟气进入蓄热加热炉的温度可掌控在900℃～1300℃之间。被加热气体排出蓄热加热炉的温度用控制格子砖温度的办法来调节，高温烟气进入蓄热加热炉的温度高，格子砖的温度也相应高，高温烟气进入蓄热加热炉的温度低，格子砖的温度也相应低。一般，格子砖的温度控制在800℃～1200℃之间，被加热气体的出口温度可控制在700℃～1100℃之间。为防止露点腐蚀，外燃式蓄热加热炉的排烟温度不宜过低，一般不要低于150℃。干气炉也可以使用液体燃料或气体燃料，当使用液体燃料或气体燃料时，干气炉内可安装燃油或燃气烧嘴。

二、一种实现所述的本发明工艺要求的外燃式蓄热加热炉，其结构见图2，其联接方式见图3。其特征在于：燃烧煤的干气炉设置在蓄热加热炉的外部，干气炉和蓄热加热炉之间用烟气管道联接。干气炉的前侧上方设置煤的料斗，料斗下部设有给料机。干气炉下部设有链条炉排，链条炉排下部为灰渣室，灰渣室底部设置刮板运输机。干气炉的后上方设有烟气排出口，烟气排出口通过联接管和蓄热加热炉相连，回兑低温烟气的管道和烟气排出管相连。蓄热加热炉为一个顶部为半球形的直立圆筒体。内壁为耐火砖，外部包有钢板。高温烟气的入口设置于蓄热加热炉的上部，蓄热加热炉的内部用格子砖填充，格子砖下部设有炉箟。烟气出口设置于炉箟的下部。烟气出口通过管道和换向阀相连接。换向阀两端分别连接烟气排出管和被加热气体进入管。被加热气体排出管设置于蓄热加热炉的上部。蓄热加热炉的顶部设有安全阀，蓄热加热炉的底部设有灰渣室，灰渣室内设有刮板运输机。当有特殊需要时，蓄热加热炉的烟气进入管和被加热气体排出管可设置于蓄热加热炉的下部，烟气排出管和被加热气体进入管可设置于蓄热加热炉的上部。

本发明采取了调整燃烧方式，即改内燃为外燃的办法来解决蓄热加热炉不适用于加热可燃气体的问题，同时也解决了没有煤气的用户如何使用蓄热加热炉的问题。由于燃烧方式的改变，将燃烧室设置于蓄热加热炉的外部，简化了蓄热加热炉的内部结构，提高了其使用的安全性。本发明的技术关键是：将有可能造成可燃气体爆燃、爆炸的空气中的氧气隔离在蓄热加热炉之外。不同的可燃混合气体中的氧含量的爆炸极限浓度一般为5％以上。据理论计算和实验测定，本发明工艺进入蓄热加热炉的烟气中的氧含量一般低于4％，所以当可燃气体进入蓄热加热炉加热时，其氧气浓度远低于爆炸极限浓度，安全性能高。而在内燃式蓄热加热炉中，由于直接在蓄热加热炉中燃烧煤气，氧气含量较高，明火又无法避免，因此，在蓄热加热炉中加热可燃气体是十分危险的。本发明工艺和装置为用蓄热加热炉加热可燃气体创造了基础条件。本发明采用了以下技术以达到发明的目的。

一是外燃工艺。燃烧室设置于蓄热加热炉的外部。传统蓄热加热炉采用内燃工艺，煤气完全燃烧需要过量空气，也就是说，不但在煤气燃烧过程中，炉腔内混合气体中存在大量氧气，而且当燃烧过程结束后，由于供给了过量空气，烟气中仍然含有很多的氧气，充满在整个蓄热加热炉的炉腔内，因此在蓄热加热炉换向时，为保证运行的安全性，通常采用氮气和蒸汽吹扫的方法来清除残氧，这不仅增加了运行管理的复杂程度，而且使生产不能连续进行，更严重的是，即使采取了这一措施，格子砖的孔隙中，蓄热加热炉的边角等局部区域仍可能存在残氧，爆燃、爆炸仍时有发生。而采用外燃工艺之后，煤在炉排上的燃烧，过剩空气系数一般较低，烟气中的含氧量一般低于4％，进入蓄热加热炉后如有残存瓦斯，首先发生燃烧，将残氧耗尽，所以整个蓄热加热炉的炉腔内的烟气含氧量几乎为零，当加热可燃气体时，已不可能引爆可燃气体。

二是用回兑低温烟气的方法来调控烟气温度。据实验测定，当温度超过1100℃时，煤气中的烷烃类物质会发生分解析炭现象，温度越高，分解析炭现象越严重。运行时间一长，格子砖上会挂焦，影响传热效果。而在内燃式蓄热加热炉中，燃烧温度高达1100℃～1400℃，无法降低。这是因为过剩空气系数低了，燃烧不完全，造成热能浪费，效率低下，过剩空气系数高了，燃烧强度加大，造成炉温升高，炉内烟气含氧量增加，很难调控。而在外燃式蓄热加热炉中，由于燃烧发生在干气炉中，在蓄热加热炉炉内没有燃烧，只要调控烟气的入炉温度，就可以调控蓄热加热炉的炉内温度。通常，在干气炉中，燃烧温度也很可能超过1100℃，但可根据工艺要求，将蓄热加热炉排出的低于250℃的烟气回兑进来，这样就可以很方便地将进入蓄热加热炉的烟气温度控制在1100℃以下或更低，大大减少了格子砖上的挂焦析炭现象的发生。另外采取烟气回兑措施后，等于使排烟温度降低到环境温度，节能效果十分明显。

本发明外燃式蓄热加热炉拓展了蓄热加热炉的使用范围，使蓄热加热炉可以用来加热可燃气体，干气炉又可以使用固体燃料、液体燃料、气体燃料，适应性很强。和传统的内燃式蓄热加热炉相比，外燃式蓄热加热炉具有如下明显的优点。

1、简化了可燃气体的加热工艺。传统内燃式蓄热加热炉工艺有二次燃烧，二次换热的过程。首先将煤在发生炉中燃烧制成煤气，对煤气降温净化后再将煤气送入蓄热加热炉中燃烧，和可燃气体进行换热；而本工艺只有一次燃烧，一次换热的过程。即在干气炉中燃烧煤，在蓄热加热炉中和可燃气体换热。另外，内燃式蓄热加热炉工艺在煤气燃烧前为保证燃烧时煤气和空气混合的均匀性，需要在予烧炉进行予烧，燃烧过程结束后，为防止爆炸，需要对蓄热加热炉进行吹扫。而外燃式蓄热加热炉，这些工艺过程都不需要，使可燃气体的加热工艺大大简化，热效率大大提高。

2、适应性强。传统内燃式蓄热加热炉工艺基本上用于对非可燃气体的加热，燃烧只能用气体燃料，如瓦斯、煤气、天然气等。而外燃式蓄热加热炉工艺可运用于各种可燃气体和非可燃气体的加热，包括空气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、瓦斯、煤气、天然气等。本发明的干气炉燃料可以是煤、油页岩等固体燃料，也可以是燃烧油等液体燃料，也可以是煤气、瓦斯、天然气等气体燃料。将蓄热加热炉的使用范围大大拓宽。

3、增加了运行的安全性、可靠性。传统内燃式蓄热加热炉工艺中的设备煤气发生炉和蓄热加热炉在运行中都有瓦斯燃烧，有空气进入，均有发生爆炸的可能性，是整个可燃气体的加热工艺的两大危险车间。而外燃式蓄热加热炉工艺中的干气炉是烧煤的，一般不会发生爆炸，在蓄热加热炉内没有燃烧，只有蓄热和换热，通常也不会发生爆炸。这样就使可燃气体的加热工艺的安全性和使用的可靠性大大增加。可以实现长周期稳定运行。

4、提高了环保性能。在传统内燃式蓄热加热炉工艺中需要用发生炉制取煤气，需对煤气进行降温、除尘、收油等净化工艺，工艺中必然要产生油泥、废水、烟尘等污染物，需要处理后才能排放，增加了清洁生产的压力和投入。而外燃式蓄热加热炉工艺中只是煤的常规燃烧，特别是没有废水、废油产生，烟气的排放达标容易做到，成本也低。

5、节省了投资。外燃式蓄热加热炉工艺和传统内燃式蓄热加热炉工艺比较，建设投资大大节省。例如，建设一个处理油页岩800万吨项目而言，仅瓦斯加热一项，可节省投资3亿元左右。其中，干气炉和发生炉相比，投资节省6000万元，蓄热加热炉因炉内没有燃烧，只有蓄热和换热，设备大大简化，将节省投资1.4亿元以上。油回收系统设备减少、功率降低，控制系统的简化等将节省投资1亿元以上。

6、降低了可燃气体的加热工艺运行管理成本。由于工艺和设备的简化，热效率提高，动力消耗降低，操作运行人员减少，可燃气体的加热工艺运行管理成本也将大幅度降低。

7、可降低对运行管理人员技能水平的要求。内燃式蓄热加热炉工艺相对复杂，控制参数较多，而且操作不好容易产生爆炸，有一定危险性。对运行管理人员技能水平的要求较高；而外燃式蓄热加热炉工艺相对简单，控制参数较少，即使操作不当，也不会产生爆炸，没有危险性。对运行管理人员技能水平的要求较低，这对于偏僻和边远地区的建设项目具有重要意义。

附图说明

图1是内燃式蓄热加热炉结构示意图；

图2是外燃式蓄热加热炉的工作原理和结构示意图；

图3是外燃式蓄热加热炉的联接方式示意图。

具体实施方式

本发明外燃式蓄热加热炉的工作原理和结构如图2所示，从图中可以看到外燃式蓄热加热炉的结构特征。外燃式蓄热加热炉109为一个顶部为半球形的直立圆筒体。内壁为耐火砖110，外部包有钢板111，炉腔内填充格子砖113。在生产运行时，煤从设置于干气炉105的前侧上方的料斗101加入，经给料机102加到链条炉排103上，煤在链条炉排上燃烧产生高温烟气，达到1100℃以上，高温烟气从干气炉105的后上方经排出管106引出，排出管106上设有低温烟气配兑管132，低于250℃的烟气由此进入，将高温烟气配兑成低于1100℃的工艺需要的温度，配兑后的高温烟气通过联接管107进入蓄热加热炉109。高温烟气在经过蓄热加热炉时，将蓄热加热炉中的格子砖113加热到900℃～1100℃，烟气温度被降低到250℃以下从烟气排出口115引出，排入烟囱。这时换向阀116动作，切断烟气供应，烟气排出口115成为被加热气体的入口，被加热气体进入蓄热加热炉后，吸收格子砖113内蓄积的热量，被加热气体的温度上升到700℃～1100℃左右，从设置在蓄热加热炉上部的被加热气体排出口112排出，送往生产需要的地方。煤在链条炉排103上燃烬后，落入设置在链条炉排下部的灰渣室121，烟气中的灰尘也落入灰渣室120，灰渣室121底部设置刮板运输机104，将灰渣排出炉外。蓄热加热炉109的底部设置灰渣室120，烟气经过蓄热加热炉109后的灰尘落入灰渣室120，灰渣室120底部设置刮板运输机119，将灰渣排出炉外。

外燃式蓄热加热炉的联接方式见图3。其特征在于：一台干气炉的后部配置二台蓄热加热炉；当第一台蓄热加热炉109进入和热载体换热程序时，第二台蓄热加热炉129则进入加热格子砖的程序，两台蓄热加热炉交替工作，保证向用户供应连续的符合工艺要求的热载体。产生烟气的干气炉105设置在蓄热加热炉109、129的外部，干气炉105和蓄热加热炉109、129之间用烟气管道107、127联接。干气炉的前侧上方设置煤的料斗101，料斗下部设有给料机102。干气炉105的后上方设有烟气排出管106，烟气排出管106通过联接管107、127和蓄热加热炉109、129相连。排出管106上设有低温烟气配兑管132。蓄热加热炉的烟气的排出口口115、125设置于蓄热加热炉109、129的下部，烟气出口115、125通过管道和换向阀118相连接。换向阀118两端分别连接烟气排出管117、和被加热气体进入管116。烟气排出管117和引风机131相连接。被加热气体进入管116和鼓风机130相连接。被加热气体排出管112、122设置于蓄热加热炉109、129的上部。

当有特殊需要时，可以采取一台干气炉配置三台蓄热加热炉，“二送一烧”，错时交叉供热的方法，将高温热载体的温度波动控制在额定范围之内。也可以采取在高温热载体中回兑低温热载体的方法将热载体的温度波动控制在额定范围之内。根据工艺需要也可将蓄热加热炉的高温烟气进入管和被加热气体排出管设置于蓄热加热炉的下部，低温烟气排出管和被加热气体进入管可设置于蓄热加热炉的上部。

本发明外燃式蓄热加热炉的热效率取决于排烟总量和排烟温度。回兑低温烟气量越多，排烟量越小，热效率越高；排烟温度越低，热效率越高。因为本发明采用了蓄热技术，排烟温度可以降得很低，但为了防止对设备的腐蚀，一般不能低于露点，以不低于150℃为宜。另外本工艺采用了外设干气炉和低温烟气回兑的办法，烟气需要通过管道输送，应尽量缩短输送距离，并对输送管道进行保温，以降低热量损失，提高系统的热效率。

本发明外燃式蓄热加热炉的安全性取决于烟气中的含氧量，一般当干气炉燃煤时过剩空气系数在1.3左右时，烟气中氧含量低于4％，运行是安全的。但为了提高安全保障程度，在运行中，应对烟气中的氧含量进行在线监测，超过5％时应采取稀释、吹扫等相应措施。

本发明外燃式蓄热加热炉可运用于各种可燃气体和非可燃气体的加热，包括空气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、瓦斯、煤气、天然气等。本发明外燃式蓄热加热炉中的干气炉燃料可以是煤、油页岩等固体燃料，也可以是燃烧油等液体燃料，也可以是煤气、瓦斯、天然气等气体燃料。使用液体燃料和气体燃料时对干气炉的结构需作相应调整，在干气炉内增加安装燃油或燃气烧嘴。

Claims (10)

1.一种外燃式蓄热加热炉，其特征是：由干气炉和蓄热加热炉两部分组成，燃烧室设置于外部干气炉内，蓄热和换热在蓄热加热炉内进行，干气炉和蓄热加热炉之间通过烟气管道联接在一起。

2.根据权利要求1所述的外燃式蓄热加热炉，其特征是：干气炉的前侧上方设置固体燃料的料斗，料斗下部设有给料机，干气炉内设有链条炉排，链条炉排下部设灰渣室，灰渣室底部设置刮板运输机，干气炉的后上方设有烟气排出口，烟气排出口通过烟气管道和蓄热加热炉相连接。

3.根据权利要求1所述的外燃式蓄热加热炉，其特征是：蓄热加热炉为一个顶部为半球形的直立圆筒体，内壁为耐火砖，外部包有钢板，炉腔内部用格子砖填充，格子砖下部设有炉箟，高温烟气的入口设置于蓄热加热炉的上部，蓄热加热炉的烟气出口设置于炉箟的下部，烟气出口通过管道和换向阀相连接，换向阀两端分别连接烟气排出管和被加热气体进入管，被加热气体排出管设置于蓄热加热炉的上部，蓄热加热炉的顶部设有安全阀，蓄热加热炉的底部设有灰渣室，灰渣室内设有刮板运输机。

4.根据权利要求1所述的外燃式蓄热加热炉，其特征是：蓄热加热炉的烟气进入管和被加热气体排出管设置于蓄热加热炉的下部，烟气排出管和被加热气体进入管可设置于蓄热加热炉的上部。

5.根据权利要求1所述的外燃式蓄热加热炉，其特征是：干气炉使用的燃料可以是煤、油页岩等固体燃料，也可以是燃烧油等液体燃料，也可以是煤气、瓦斯、天然气等气体燃料，使用液体燃料和气体燃料时对干气炉的结构需作相应调整，在干气炉内增加安装燃油或燃气烧嘴。

6.根据权利要求1所述的外燃式蓄热加热炉，其特征是：可运用于各种可燃气体和非可燃气体的加热，包括空气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、瓦斯、煤气、天然气等。

7.一种外燃式蓄热加热炉，其特征是：一台干气炉的后部配置二台蓄热加热炉；当第一台蓄热加热炉进入和热载体换热程序时，第二台蓄热加热炉则进入加热格子砖的程序，两台蓄热加热炉交替工作，保证向用户供应连续的符合工艺要求的热载体。

8.一种外燃式蓄热加热炉，其特征是：一台干气炉配置三台蓄热加热炉，“二送一烧”，错时交叉供热，将高温热载体的温度波动控制在额定范围之内。

9.一种外燃式蓄热加热炉，其特征是：用回兑低温烟气的方法来调控蓄热加热炉内格子砖和被加热气体的出口温度，需要温度高时，可少兑低温烟气，需要温度低时，可多兑低温烟气；高温烟气进入蓄热加热炉的温度可掌控在900℃～1300℃之间；格子砖的最高温度控制在800℃～1200℃之间，被加热气体排出蓄热加热炉的温度控制在700℃～110℃之间。

10.一种外燃式蓄热加热炉，其特征是：采取在高温热载体中回兑低温热载体的方法将热载体的温度波动控制在额定范围之内。

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