CN103363802A - 一种火焰加热炉 - Google Patents

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杨利然
张铁峰
李心芳
满晓伟
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Abstract

本发明公开了一种火焰加热炉，克服现有技术排烟温度高，浪费能源的问题。由加热炉体(1)、鼓风机(4)、引风机(5)、烟囱(8)、空气混合罐(15)、蓄热室(12)、蓄热室(14)、四通阀(11)和四通阀(13)组成，引风机(5)与加热炉体(1)和四通阀(11)相连，鼓风机(4)与加热炉体(1)和空气混合罐(15)相连，蓄热室(14)入口与四通阀(11)相连，蓄热室(14)出口与四通阀(13)相连，蓄热室(12)入口与四通阀(11)相连，蓄热室(12)出口与四通阀(13)相连，四通阀(13)与烟囱(8)相连。

Description

一种火焰加热炉
技术领域
本发明属于工业加热技术领域，特别涉及一种石油、石化和天然气工业用火焰加热炉。
背景技术
火焰加热炉是石油、石化和天然气工业中广泛使用的工艺加热炉，以燃油或燃气为燃料，火焰直接加热炉管内连续流动的工艺物流，满足下游设备对工艺物流的温度要求。
火焰加热炉空气预热系统是火焰加热炉的重要组成部分，但由于烟气酸露点的影响，空气预热系统低温露点腐蚀的问题时有发生。为避免发生露点腐蚀，中国标准SH/T3036-2003《一般炼油装置用火焰加热炉》、美国标准ANSI/API560-2007《一般炼油装置用火焰加热炉》和国际标准化组织标准ISO13705：2006《石油、石化和天然气工业-一般炼油装置用火焰加热炉》给出了烟气中暴露表面推荐的最低金属温度图，可以根据燃料中硫的质量分率查到推荐的最低金属温度，例如：燃料中硫的质量分率为0％、0.5％、3.0％时，可以查到推荐的最低金属温度分别为93、135、149℃。但是，上述标准推荐的最低金属温度，只是推荐了烟气中暴露表面的最低“金属”温度，对“非金属”温度没有推荐，也没有推荐具体的排烟温度。另外，上述标准中均没有切换型蓄热式空气预热器的内容。
目前，火焰加热炉设计排烟温度一般在130～180℃范围内，热效率在88～92％(以燃料低热值为计算基准)之间，和冷凝式锅炉相比，火焰加热炉排放的烟气中还有一定量的显热和潜热没有利用，热效率还有提升的空间。如果采用非金属材料的空气预热器，通风机避开最低金属温度区，低温烟道内没有暴露的金属表面，可以允许烟气中水蒸汽冷凝，那么，火焰加热炉就变成了冷凝式火焰加热炉，其热效率就可以接近或达到冷凝式锅炉的热效率。
文献《新型高频换向陶瓷蓄热式换热器性能分析及实验研究》(严亮，华中科技大学，2007年)，介绍了一种结合高频换向技术的新型陶瓷蓄热式换热器的工作原理，对蜂窝陶瓷蓄热体的换热性能和阻力性能进行实验测试。实验证明采用蜂窝陶瓷蓄热式空气预热器是可行的。但该文献没有涉及如何处理蓄热室切换时的炉膛温度波动问题和炉膛负压波动问题。也没有涉及蓄热室切换时，由于容积效应，蓄热室内滞留的原本排向烟囱的烟气，因为换向而转入风道送入炉膛可能造成火焰加热炉的缺氧熄火问题。
美国专利US 6640752提出了一种强化SO3捕集的锅炉和蓄热式空气预热器，该专利提出的蓄热式空气预热器为旋转式，采用过量空气冷却蓄热组件，将蓄热组件温度降至烟气酸露点温度以下，当烟气接触冷却后的蓄热组件时，烟气中含SO3的蒸汽冷凝，从而去除烟气中的SO3。该专利不涉及切换型蓄热式空气预热器的内容，也没有涉及旋转蓄热组件的材质问题。
中国专利ZL 200610017305.9提出了一种新型火焰加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成。该专利提出的冷凝式空气预热器可以回收烟气中的部分水蒸汽冷凝释放的潜热。但该专利的冷凝式空气预热器没有涉及蓄热式空气预热器的内容。
发明内容
本发明是针对现有技术中火焰加热炉排烟温度偏高、热效率偏低，没有利用烟气露点以下的低温显热和潜热的不足，而提供一种新型火焰加热炉。使用本发明所提供的火焰加热炉，排烟温度可以降到烟气酸露点以下，实现烟气中含酸水蒸汽的部分冷凝，在回收烟气低温显热的同时，回收部分含酸水蒸汽的冷凝潜热，进一步提高火焰加热炉热效率，节约能源。同时解决火焰加热炉采用切换型蓄热式空气预热器在阀门换向瞬间引发的炉膛压力波动、温度波动及燃烧器可能熄火等问题，使火焰加热炉在稳定的温度、压力下正常操作。
本发明提供的一种火焰加热炉，由加热炉体1、鼓风机4、引风机5、烟囱8、空气混合罐15、蓄热室12、蓄热室14、四通阀13和组成，其特征在于：鼓风机4与加热炉体1和四通阀11相连，引风机5与加热炉体1和空气混合罐15相连，蓄热室14入口与四通阀11相连，蓄热室14出口与四通阀13相连，蓄热室12入口与四通阀11相连，蓄热室12出口与四通阀13相连，四通阀13与烟囱8相连。
所述的蓄热室12和蓄热室14底部设有冷凝液出口20，冷凝液出口20与中和罐21相连。
所述的一种火焰加热炉，特征在于：引风机5与加热炉体1和烟气除尘器10入口相连，烟气除尘器10出口与四通阀11相连。
所述的一种火焰加热炉，特征在于：空气预热器3与引风机5和加热炉体1相连，空气预热器3与鼓风机4相连。
所述的一种火焰加热炉，特征在于：蓄热室14和蓄热室12由四通阀11和四通阀13控制进行切换。
所述的一种火焰加热炉，特征在于：冷凝液中和罐21内填装有碱性颗粒以中和冷凝液的酸性物质。
所述的碱性颗粒为至少氧化镁、碱石灰、白云石碎屑和石灰石中一种
所述的一种火焰加热炉，特征在于：所述的蓄热室14和蓄热室12内装有蓄热体。
所述的蓄热体为至少蜂窝陶瓷、陶瓷填料、陶瓷球中一种。
所述的空气预热器3为常规空气预热器。
本发明一种火焰加热利用蜂窝陶瓷具有耐温、耐水、耐酸的特点，作为蓄热式空气预热器的蓄热体炉，引风机5位于烟气路线的上游，蓄热室位于烟气路线的下游，保证火焰加热炉烟气连续抽出，同时保证引风机不受烟气露点腐蚀的影响；鼓风机4位于空气路线的下游，蓄热室位于空气路线的上游，保证火焰加热炉助燃空气连续供应。本发明利用引风机5和鼓风机4将火焰加热炉体1与切换型蓄热式空气预热器9隔开，利用引风机和鼓风机连续工作的特性，吸收或屏蔽切换型蓄热式空气预热器9在四通阀换向瞬间引发的烟气或者空气流量和压力的波动，减少波动对连续操作的火焰加热炉的影响，从而保证火焰加热炉炉膛温度和压力的稳定。
本发明所述的切换型蓄热式空气预热器，利用蜂窝陶瓷具有耐温、耐水、耐酸的特点，作为蓄热式空气预热器的蓄热体，使离开空气预热器的烟气温度可以降到露点以下，充分释放烟气的显热和烟气中水蒸汽的冷凝潜热，同时回收烟气冷凝下来的酸性水，不存在金属空气预热器的低温露点腐蚀问题。
本发明一种火焰加热炉，将加热炉排出的烟气通过切换型蓄热式空气预热器四通阀采用旋转四通换向阀与空气换热，提高进入加热炉空气的温度，充分利用烟气余热，减少加热炉燃料用量。
与现有技术相比，本发明具有体积小、密封性能好、开闭速度快，使用寿命长等特点。允许烟气中的水蒸汽在蓄热室内冷凝，冷凝液经中和后无害排出。
本发明的空气预热系统中，在鼓风机和切换型蓄热式空气预热器之间设有一个空气混合罐，以解决切换型蓄热式空气预热器蓄热室切换时的容积效应问题，空气混合罐的容积为单个蓄热室容积的6倍以上。此空气混合罐可以把由于容积效应裹挟来的烟气与空气充分混合，并保证混合罐内气体的最低氧含量体积分率在17.5％以上，使通过鼓风机的气流能够保证火焰加热炉燃烧稳定，避免熄火。同时，此空气混合罐在四通阀换向瞬间还能起到缓冲作用，减小四通阀换向瞬间引发的空气流量和压力的波动对炉膛的影响。
本发明的空气预热系统中，在引风机和切换型蓄热式空气预热器之间设有一个烟气除尘罐，以解决烟尘堵塞蓄热式空气预热器蓄热体问题。除尘罐内可以采用布袋除尘或电除尘等方法，也可以采用过滤层+水冲洗的方法除尘。为叙述方便，后面的举例中采用了过滤层+水冲洗的除尘方法。同时，此烟气除尘罐在四通阀换向瞬间还能起到缓冲作用，减小四通阀换向瞬间引发的烟气流量和压力波动对炉膛负压的影响。
本发明的空气预热系统中，冷凝液中和罐设置在蓄热室的下部接收烟气冷凝液，冷凝液中和罐内填装有碱性颗粒以中和冷凝液的酸性物质。中和后的冷凝液可以无害排出。中和罐内的碱性颗粒可以定期更换，中和罐整体也可以定期更换。
附图及附图说明
下面的附图示意说明了本发明的三种形式，但不限制本发明的形式。
图1为一般火焰加热炉系统示意图；
图2为本发明的第一种形式的火焰加热炉系统示意图(A蓄热室蓄热)；
图3为本发明的第一种形式的火焰加热炉系统示意图(B蓄热室蓄热)；
图4为本发明的第二种形式的火焰加热炉系统示意图(A蓄热室蓄热)；
图5为本发明的第二种形式的火焰加热炉系统示意图(B蓄热室蓄热)；
图6为本发明的第三种形式的火焰加热炉系统示意图(A蓄热室蓄热)；
图7为本发明的第三种形式的火焰加热炉系统示意图(B蓄热室蓄热)；
图中：
1.加热炉，2.空气，3.空气预热器，4.鼓风机，5.引风机，6.烟气，7.进风口，8.独立烟囱，9.切换型蓄热式空气预热系统，10.烟气除尘罐，11.A四通阀，12.B蓄热室，13.B四通阀，14.B蓄热室，15.空气混合罐，16.蓄热体，17.过滤层，18.水冲洗设施，19.空气入口分别管，20.冷凝液出口，21.冷凝液中和罐，22.碱性中和颗粒，23.排水。
具体实施方式
实施例1
如图1所示为一般火焰加热炉系统示意图，主要由加热炉本体1、空气2、常规空气预热器3、鼓风机4、引风机5、烟气6、进风口7和独立烟囱8组成。
图1所示系统工作时，烟气6出加热炉本体1进入空气预热器3放热，放热后的烟气6在大约130～180℃情况下，通过引风机5返回加热炉本体1上的烟囱排入大气，或通过独立烟囱(可选)8排入大气。空气2在鼓风机4的作用下，从进风口7吸入后进入常规空气预热器3吸热，预热后的空气2进入加热炉本体1助燃。
实施例2
本发明的第一种形式：
第一种形式的火焰加热炉系统适用于烟气出火焰加热炉本体温度在250～150℃，烟气含尘量较多，需要清灰工况。
图2、3为本发明的第一种形式的火焰加热炉系统示意图，主要由加热炉本体1、热空气2、鼓风机4、引风机5、烟气6、进风口7、独立烟囱8和切换型蓄热式空气预热系统9组成。切换型蓄热式空气预热系统9包括：烟气除尘罐10、A四通阀11、A蓄热室12、B四通阀13、B蓄热室14、空气混合罐15、冷凝液中和罐21。烟气除尘罐10内包含：过滤层17、水冲洗设施18。A蓄热室12和B蓄热室14内装填蓄热体16。空气混合罐15内含有空气入口分别管19。
切换型蓄热式空气预热系统9的换热分两个阶段交替进行，A蓄热室12和B蓄热室14交替蓄热(放热)，即当热烟气进入一蓄热室时，冷空气进入另一蓄热室。第一阶段，热烟气通过A蓄热室12，将热量传给A蓄热室12内的蓄热体16贮蓄起来，此阶段B蓄热室14放热。第二阶段，冷空气通过A蓄热室12，吸收A蓄热室12内的蓄热体16所储蓄的热量被加热，此阶段B蓄热室14蓄热。第一、第二两个阶段交替进行，周而复始。图2所示系统为第一阶段，图3所示系统为第二阶段。
图2所示系统为第一阶段，具体工作方式举例如下：
为叙述方便，假设本发明中的切换型蓄热式空气预热器的阀门切换周期为30s，即蓄热周期30s，放热周期也是30s。假设烟气酸露点温度为100℃。选取4个关键切换计时时间段举例说明如下。
切换计时为0～3秒时，四通阀换向刚刚完成
烟气路线：温度大约200℃的烟气6通过引风机5后，进入切换型蓄热式空气预热系统9，首先进入烟气除尘罐10除尘，除尘后干净烟气在A四通阀11的导向作用下，烟气6进入A蓄热室12放热，此时蓄热体冷端最低温度低于烟气露点，烟气中的含酸水蒸汽在蓄热体冷端表面冷凝析出，析出的冷凝液20通过A蓄热室12底部开口流出，冷凝液20进入冷凝液中和罐21中和后溢流为排水23排出。放热后的烟气6从A蓄热室12侧面开孔流出，进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，通过独立烟囱8排入大气。烟气除尘罐10内的水冲洗设施18根据过滤层17的积灰情况设定为每天启动1次，1次5s。
空气路线：环境温度大约为20℃的空气2首先进入切换型蓄热式空气预热系统9预热，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。在切换型蓄热式空气预热系统9中，空气2从进风口7进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，进入B蓄热室14，同时将B蓄热室内刚刚滞留的烟气推出，大约200℃的滞留烟气进入A四通阀11，在A四通阀11的导向作用下进入空气混合罐15，与空气混合罐15内的空气混合，混合后气流最低含氧量体积分率为17.5％，最低含氧量为17.5％的混合气流从空气混合罐15下侧流出，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。此时火焰加热炉处于低氧燃烧状态。
切换计时为5～7秒时，滞留烟气排除完毕：
烟气路线：温度大约200℃的烟气6通过引风机5后，进入切换型蓄热式空气预热系统9，首先进入烟气除尘罐10除尘，除尘后干净烟气在A四通阀11的导向作用下，烟气6进入A蓄热室12放热，此时蓄热体冷端最低温度仍低于烟气露点，烟气中的含酸水蒸汽继续冷凝析出，析出的冷凝液20通过A蓄热室12底部开口继续流出，冷凝液20进入冷凝液中和罐21中和后溢流为排水23继续排出。放热后的烟气6从A蓄热室12侧面开孔流出，进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，通过独立烟囱8排入大气。
空气路线：大约20℃的空气2从进风口7进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，进入B蓄热室14预热，此时，B蓄热室14内全是空气已无滞留烟气。预热后空气2进入A四通阀11，在A四通阀11的导向作用下进入空气混合罐15，与空气混合罐15内的空气混合，混合后气流从空气混合罐15下侧流出，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。此时混合气流含氧量为空气正常含氧量，火焰加热炉正常燃烧。
切换计时为20～23秒时，烟气中的含酸水蒸汽不再冷凝：
烟气路线：温度大约200℃的烟气6通过引风机5后，进入切换型蓄热式空气预热系统9，首先进入烟气除尘罐10除尘，除尘后干净烟气在A四通阀11的导向作用下，烟气6进入A蓄热室12放热，此时蓄热体冷端最低温度已高于烟气酸露点温度，烟气中的含酸水蒸汽不再冷凝。放热后的烟气6从A蓄热室12侧面开孔流出，进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，通过独立烟囱8排入大气。
空气路线：大约20℃的空气2从进风口7进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，进入B蓄热室14预热，预热后空气2进入A四通阀11，在A四通阀11的导向作用下进入空气混合罐15，与空气混合罐15内的空气混合，混合后气流从空气混合罐15下侧流出，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。此时混合气流含氧量为空气正常含氧量，火焰加热炉正常燃烧。
切换计时为27～29秒时(四通阀换向动作前)：
烟气路线：温度大约200℃的烟气6通过引风机5后，进入切换型蓄热式空气预热系统9，首先进入烟气除尘罐10除尘，除尘后干净烟气在A四通阀11的导向作用下，烟气6进入A蓄热室12放热，此时蓄热体冷端最低温度继续高于烟气露点，烟气中的含酸水蒸汽不冷凝。放热后的烟气6从A蓄热室12侧面开孔流出，进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，通过独立烟囱8排入大气。
空气路线：环境温度大约为20℃的空气2首先进入切换型蓄热式空气预热系统9预热，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。在切换型蓄热式空气预热系统9中，空气2从进风口7进入B四通阀13，在B四通阀13的导向作用下，进入B蓄热室14预热，预热后空气2进入A四通阀11，在A四通阀11的导向作用下进入空气混合罐15，与空气混合罐15内的空气混合，混合后气流从空气混合罐15下侧流出，然后通过鼓风机4进入加热炉本体1助燃。此时混合气流含氧量为空气正常含氧量，火焰加热炉正常燃烧。
图3所示与图2所示第一阶段对应，为系统的第二阶段，此时：A四通阀11换向，B四通阀13换向，A蓄热室12放热，B蓄热室14蓄热，空气进A蓄热室12，烟气进B蓄热室14。具体工作方式与图2相似，此处不再详述。
图2所示第一阶段、图3所示第二阶段，两个阶段交替进行，周而复始。
实施例3
本发明的第二种形式：
第二种形式的火焰加热炉系统适用于烟气出火焰加热炉本体温度在250～150℃，烟气含尘量很少，不需要清灰的工况。
图4、5为本发明的第二种形式的火焰加热炉系统示意图，与本发明的第一种形式相比，第二种形式取消了烟气除尘罐10，其余相同，不再详述。
图4所示第一阶段、图5所示第二阶段，两个阶段交替进行，周而复始。
实施例4
本发明的第三种形式：
第三种形式的火焰加热炉系统适用于烟气出火焰加热炉本体温度大于250℃、烟气含尘量较多、需要清灰的工况。
图6、7为本发明的第一种形式的火焰加热炉系统示意图，与本发明的第一种形式相比，第三种形式在火焰加热炉本体和通风机之间增加了一台常规空气预热器3，这样，烟气和空气路线均有所增加。
烟气增加路线：高于250℃的高温烟气进入常规空气预热器3将温度降低到200～130℃后，再进入引风机，保证引风机在适宜的工作温度下正常工作。
空气增加路线：空气2经切换型蓄热式空气预热系统9预热后，经鼓风机4送入常规空气预热器3再预热后，再进火焰加热炉本体1助燃。
图6所示第一阶段、图7所示第二阶段，两个阶段交替进行，周而复始。
其余与第一种形式相同，不再详述。

Claims (10)

1.一种火焰加热炉，由加热炉体(1)、鼓风机(4)、引风机(5)、烟囱(8)、空气混合罐(15)、蓄热室(12)、蓄热室(14)、四通阀(11)和四通阀(13)组成，其特征在于：引风机(5)与加热炉体(1)和四通阀(11)相连，鼓风机(4)与加热炉体(1)和空气混合罐(15)相连，蓄热室(14)入口与四通阀(11)相连，蓄热室(14)出口与四通阀(13)相连，蓄热室(12)入口与四通阀(11)相连，蓄热室(12)出口与四通阀(13)相连，四通阀(13)与烟囱(8)相连。
2.依照权利要求1所述的一种火焰加热炉，其特征在于：所述的蓄热室(12)和蓄热室(14)底部设有冷凝液出口(20)，冷凝液出口(20)与冷凝液中和罐(21)相连。
3.依照权利要求1所述的一种火焰加热炉，其特征在于：引风机(5)与加热炉体(1)和烟气除尘器(10)入口相连，烟气除尘器(10)出口与四通阀(11)相连。
4.依照权利要求1所述的所述的一种火焰加热炉，其特征在于：空气预热器(3)与引风机(5)和加热炉体(1)相连，空气预热器(3)与鼓风机(4)相连。
5.依照权利要求1所述的所述的一种火焰加热炉，其特征在于：蓄热室(14)和蓄热室(12)由四通阀(11)和四通阀(13)控制进行切换。
6.依照权利要求1所述的一种火焰加热炉，其特征在于：冷凝液中和罐(21)中填装有碱性颗粒。
7.依照权利要求6所述的一种火焰加热炉，其特征在于：所述的碱性颗粒为至少氧化镁、碱石灰、白云石碎屑和石灰石中一种。
8.依照权利要求1所述的所述的一种火焰加热炉，其特征在于：所述的蓄热室(14)和蓄热室(12)内装有蓄热体。
9.依照权利要求1和8所述的一种火焰加热炉，其特征在于：所述的蓄热体为至少蜂窝陶瓷、陶瓷填料、陶瓷球中一种。
10.依照权利要求1和8所述的一种火焰加热炉，其特征在于：所述的蓄热体为蜂窝陶瓷。 
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