CN105627749B - 一种管式加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管式加热炉，该管式加热炉包括对流段和辐射段以及连接对流段和辐射段的遮蔽段，其中，所述遮蔽段包括多个并联的换热管排，每个换热管排含有多根串联的换热管，且至少一根所述换热管设置为强化传热管，且流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05‑1.35倍。本发明提供的管式加热炉可以在压降较小的情况下达到较好的强化传热效果，同时对辐射段各炉管中流量的分配无明显影响，进而达到能够更多的吸收高品位能量，从而减少燃料使用量，起到明显的节能效果。

Description

一种管式加热炉

技术领域

本发明涉及化工强化传热领域，具体地，涉及一种管式加热炉。

背景技术

管式加热炉根据用途可以分为管内有反应的管式加热炉和管内无反应的管式加热炉；前者如烃类水蒸汽转化炉和乙烯裂解炉；后者如油田和长管线的加热炉、蒸馏炉、残渣油加热炉、加氢炉，重整炉，润滑油加热炉以及气体加热炉。下面以乙烯加热炉和常、减压加热炉为例进行说明。

石油烃类裂解制乙烯、丙烯以及丁二烯等产物是一个高温强吸热的过程，因此不仅需要把反应物料加热到600-900℃的比较高的温度以引发裂解反应，而且还需要在反应过程中持续提供足够的能量以达到所需要的转化率。当前，工业上主要采用裂解炉在高温条件下生产乙烯，管外利用燃烧器来提供热源。裂解炉主要分为对流段、辐射段和废锅段。其中，对流段的作用是回收烟气余热，用来预热并汽化原料油，并将原料油和稀释蒸汽过热至物料的横跨温度，剩余的热量用来过热超高压蒸汽和预热锅炉给水；辐射段为主反应区；废锅段的作用是终止裂解反应并回收高品位的能量。裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占到乙烯流程工业能耗的60％左右，是一个耗能大户。

常压加热炉和减压加热炉是炼油工艺中的重要设备，均为管式加热炉。常压加热炉和减压加热炉通常由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧系统和通风系统五部分组成。其中，辐射室通过燃气燃烧火焰或高温烟气对炉管进行加热，其热负荷占全炉的70～80％；对流室中，烟气以较高速度冲刷炉管管壁，从而利用辐射室排出的高温烟气进行对流传热来加热物料，其热负荷占全炉的20～30％，对流室内的换热管多采用钉头管和翅片管。余热回收系统通过空气预热回收和废热锅炉回收的方式来回收加热炉的排烟余热。

通过上述可知，管式加热炉的能耗很高，因此，如何对管式加热炉进行节能改造一直是相关科技人员的研究热点。中国专利申请CN1260469A将各种异型炉管(扭曲片)在加热炉(或裂解炉)的辐射段进行安装，取得了比较好的节能效果。中国专利申请CN103791761A将异型换热管(扭曲片)应用到废热锅炉中也取得了比较好的效果，节能效果达到5％以上。管式加热炉的遮蔽段是连接对流段和辐射段的一组换热管。遮蔽段由于长度较短，总的吸热量占管式加热炉总体的吸热量较少，往往被忽略。

发明内容

为了降低管式加热炉的能耗，本发明提出了一种管式加热炉，该管式加热炉的遮蔽段具有强化传热管。本发明提供的管式加热炉可以在压降较小的情况下达到较好的强化传热效果，从而起到明显的节能效果。

本发明的发明人经研究后发现，连接管式加热炉对流段和辐射段的遮蔽段的炉管外温度一般在500-600℃，与辐射段温度比较接近，通常以辐射传热为主，能量品位相对较高。当将遮蔽段的管件换成强化换热管件，并保证流体经过遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍时，对辐射段各炉管中流量的分配无明显影响，还可以达到较好的强化传热效果，从而起到明显的节能效果。

本发明提供了一种管式加热炉，该管式加热炉包括对流段和辐射段以及连接对流段和辐射段的遮蔽段，其中，所述遮蔽段包括多个并联的换热管排，每个换热管排含有多根串联的换热管，且至少一根所述换热管设置为强化传热管，且流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍。

本发明提供的管式加热炉可以在压降较小的情况下达到较好的强化传热效果，同时对辐射段各炉管中流量的分配无明显影响，进而达到能够更多的吸收高品位能量，从而减少燃料使用量，起到明显的节能效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的顺序词如“第一”和“最后”，以及方位词“前”，通常是指在本发明的管式加热炉在正常工作的情况下，按照换热管内流体的流动方向确定的，流体最先流过的换热管称为第一根换热管，最后流过的换热管为最后一根换热管，在某根换热管中，物流的上游称为“前”。在本发明中，术语“轴向距离”是指沿着传热管的中轴方向上的距离。

本发明提供了一种管式加热炉，该管式加热炉包括对流段和辐射段以及连接对流段和辐射段的遮蔽段，其中，所述遮蔽段包括多个并联的换热管排，每个换热管排含有多根串联的换热管，且至少一根所述换热管设置为强化传热管，且流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍。

根据本发明，通过控制流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍，从而保证所述辐射段各个炉管内流体流量的均匀分布。优选地，流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.3倍。所述管式加热炉遮蔽段规定的压降是指为了保证辐射段内流体的均匀分布所必须限制的流体压力的下降水平，当管式加热炉内的原料、管式加热炉的进出口设计压力和对流段和辐射段的结构均确定的情况下，流体经过连接所述对流段和所述辐射段的遮蔽段的设计压降就已经确定。

根据本发明，优选地，为了使位于所述遮蔽段和所述辐射段之间的文丘里管可以有效地向所述辐射段分配流体，使所述辐射段各个炉管内流体的流量分布均匀，每个换热管排中的最后一根换热管不使用强化传热管的形式。进一步优选地，为了更好地控制流体经过所述遮蔽段的压降，每个换热管排中的第一根换热管的前1/4-1/3长度(优选1/3长度)上不使用强化传热管的形式。

根据本发明，所述强化传热管可以为异型管。所述异型管可以为扭曲片换热管、不连续的内肋换热管或椭圆型换热管。

所述扭曲片换热管可以为管腔内具有扭曲片的换热管。所述扭曲片可以理解成一条水平方向上的线段绕其自身中点旋转，同时还在竖直方向上向上或者向下平移而形成的轨迹曲面。所述扭曲片的扭曲比可以为1：(1-4)，优选1：(2-3)。相邻扭曲片之间的轴向距离可以为20-100mm，优选20-50mm。所述扭曲比是指节距与换热管的内径的比值。所述节距是指扭曲片的上侧边旋转180度后的轴向长度。扭曲片的旋转角度决定了扭曲片的扭曲程度。所述扭曲片的旋转角度是指上述水平方向上的线段形成所述扭曲片所旋转的角度。

所述不连续的内肋换热管可以为管腔内具有内肋的换热管。所述内肋的高度和宽度比可以为1：(0.1-30)，优选1：(1-10)。所述不连续的内肋换热管的相邻内肋之间的轴向距离可以为20-100mm，优选20-50mm。

所述椭圆型换热管可以为换热管的内壁和外壁的横截面均为椭圆形的换热管。所述椭圆形的短轴和长轴比可以为1：(1.1-5)，优选1：(1.5-3.5)。

根据本发明，所述多个并联的换热管排可以平行排列。所述多个并联的换热管排可以是相同的，也即每个换热管排均含有完全相同数目的换热管，并且每根相对应的换热管均具有完全相同的结构。所述每个换热管排含有的多根串联的换热管可以平行排列。

根据本发明，所述强化传热管可以与遮蔽段其他部分所用材料相同。

本发明提供的管式加热炉通过将连接对流段和辐射段的遮蔽段的至少一根换热管设置为强化传热管，同时保证流体经过遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍，不仅可以达到较好的强化传热效果，同时对辐射段各炉管中流量的分配无明显影响，进而达到能够更多的吸收高品位能量，从而减少燃料使用量，起到明显的节能效果。

以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例和对比例中使用的石脑油的油品性质如表1所示。

表1中，“初馏点”为石脑油开始蒸发时的温度，“10％、30％、50％、70％、90％和干点”依次为石脑油蒸发掉10质量％、30质量％、50质量％、70质量％、90质量％和全部蒸发时的温度；“P”为石脑油中烷烃的质量百分含量，“O”为石脑油中烯烃的质量百分含量，“A”为石脑油中芳香烃的质量百分含量，单位为“质量％”。

表1

对比例1

使用一台生产能力为6万吨/年的SRT-IV型乙烯裂解炉，以具有表1所示油品性质的石脑油为原料，控制辐射段出口温度为820℃以对该石脑油进行裂解来制备乙烯。在该乙烯裂解炉中，连接对流段和辐射段的遮蔽段含有8个相同的、并联的换热管排，每个换热管排含有4根相同的、互相平行排列并通过弯管串联起来的换热管，每个换热管排的第一根换热管均分别和对流段相连，每个换热管排的第四根(即最后一根)均分别和辐射段相连。每根换热管的规格均为：外径为114.3mm、厚度为5.3mm、长度为0.72m。该乙烯裂解炉的遮蔽段的设计压降为1.36×10⁵pa。

在该乙烯裂解炉达到正常工作状态后，测得其遮蔽段进口处的流体温度为389℃，出口处的流体温度为541℃；流体经过该乙烯裂解炉的遮蔽段后的压降为1.36×10⁵pa；辐射段各根炉管内的流体流量分布均匀。

实施例1

在对比例中使用的生产能力为6万吨/年的SRT-IV型乙烯裂解炉的基础上，将连接对流段和辐射段的遮蔽段含有的8个并联的换热管排的每个换热管排的前三根换热管均换成具有相同内径和长度的、用与原来的换热管同样材料制成的扭曲片强化传热管，而每个换热管排的第四根(即：均和辐射段相连的最后一根)换热管仍然保留原来的光滑换热管。同时，为了更好地控制流体经过遮蔽段的压降，每个换热管排中的第一根换热管的前1/3长度(即朝向对流段的0.24米长度)上不使用扭曲片强化传热管的形式。每根扭曲片强化传热管中，扭曲片的扭曲比为1：2，相邻扭曲片之间的轴向距离为50mm。

同样以具有表1所示油品性质的石脑油为原料，控制辐射段出口温度为820℃以对该石脑油进行裂解来制备乙烯。

在该乙烯裂解炉达到正常工作状态后，测得其遮蔽段进口处的流体温度为359℃，出口处的流体温度为541℃；流体经过该乙烯裂解炉的遮蔽段后的压降为1.734×10⁵pa，达到乙烯裂解炉遮蔽段设计压降的1.275倍；辐射段各根炉管内的流体流量分布均匀。

实施例2

除以下条件外，其他条件均和实施例1相同。

将实施例1中使用的扭曲片强化传热管换成不连续的内肋换热管。该不连续的内肋换热管的内肋的高度为7mm，内肋的高度和宽度比为1：0.2，相邻内肋之间的轴向距离为70mm。

在该乙烯裂解炉达到正常工作状态后，测得其遮蔽段进口处的流体温度为350℃，出口处的流体温度为538℃；流体经过该乙烯裂解炉的遮蔽段后的压降为1.831×10⁵pa，达到乙烯裂解炉遮蔽段设计压降的1.346倍；辐射段各根炉管内的流体流量分布均匀。

实施例3

除以下条件外，其他条件均和实施例1相同。

将实施例1中使用的扭曲片强化传热管换成椭圆型换热管。该椭圆型换热管长轴的外径为114.3mm、厚度为5.3mm；该椭圆型换热管的内壁和外壁的横截面均为椭圆形，该椭圆形的短轴和长轴比为1：1.2。

在该乙烯裂解炉达到正常工作状态后，测得其遮蔽段进口处的流体温度为362℃，出口处的流体温度为540℃；流体经过该乙烯裂解炉的遮蔽段后的压降为1.721×10⁵pa，达到乙烯裂解炉遮蔽段设计压降的1.265倍；辐射段各根炉管内的流体流量分布均匀。

由此可见，与对比例1相比，通过在该乙烯裂解炉的遮蔽段设置强化传热管，本发明的乙烯裂解炉可以保证辐射段各炉管中流量的均匀分配，很好的控制流体经过该乙烯裂解炉的遮蔽段后的压降，同时提高流体在遮蔽段的换热效率，从而减少燃料使用量，起到明显的节能效果。

Claims (16)

1.一种管式加热炉，该管式加热炉包括对流段和辐射段以及连接对流段和辐射段的遮蔽段，其特征在于，所述遮蔽段包括多个并联的换热管排，每个换热管排含有多根串联的换热管，且至少一根所述换热管设置为强化传热管，且流体经过所述遮蔽段产生的压降小于管式加热炉遮蔽段设计压降的1.05-1.35倍；

其中，每个换热管排中的最后一根换热管不使用强化传热管的形式；

每个换热管排中的第一根换热管的前1/4-1/3长度上不使用强化传热管的形式。

2.根据权利要求1所述的管式加热炉，其中，所述强化传热管为异型管。

3.根据权利要求2所述的管式加热炉，其中，所述异型管为扭曲片换热管、不连续的内肋换热管或椭圆型换热管。

4.根据权利要求3所述的管式加热炉，其中，所述扭曲片换热管为管腔内具有扭曲片的换热管。

5.根据权利要求4所述的管式加热炉，其中，所述扭曲片的扭曲比为1：(1-4)。

6.根据权利要求5所述的管式加热炉，其中，所述扭曲片的扭曲比为1：(2-3)。

7.根据权利要求6所述的管式加热炉，其中，相邻扭曲片之间的轴向距离为20-100mm。

8.根据权利要求7所述的管式加热炉，其中，相邻扭曲片之间的轴向距离为20-50mm。

9.根据权利要求3所述的管式加热炉，其中，所述不连续的内肋换热管为管腔内具有内肋的换热管。

10.根据权利要求9所述的管式加热炉，其中，所述内肋的高度和宽度比为1：(0.1-30)。

11.根据权利要求10所述的管式加热炉，其中，所述内肋的高度和宽度比为1：(1-10)。

12.根据权利要求9所述的管式加热炉，其中，所述不连续的内肋换热管的相邻内肋之间的轴向距离为20-100mm。

13.根据权利要求12所述的管式加热炉，其中，所述不连续的内肋换热管的相邻内肋之间的轴向距离为20-50mm。

14.根据权利要求3所述的管式加热炉，其中，所述椭圆型换热管为换热管的内壁和外壁的横截面均为椭圆形的换热管。

15.根据权利要求14所述的管式加热炉，其中，所述椭圆形的短轴和长轴比为1：(1.1-5)。

16.根据权利要求15所述的管式加热炉，其中，所述椭圆形的短轴和长轴比为1：(1.5-3.5)。