CN108786666B - 侧烧转化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧烧转化炉，该侧烧转化炉，包括：辐射段炉膛，辐射段炉膛包括：入口炉膛和出口炉膛，入口炉膛和出口炉膛之间设置有辐射转对流热烟道；多路并联转化管，每路转化管包括：入口转化管、出口转化管及柔性中尾管，入口转化管并联垂直设置于入口炉膛内，两端伸出入口炉膛；出口转化管并联垂直设置于出口炉膛内，两端伸出出口炉膛；入口转化管与出口转化管通过设置于辐射段炉膛顶部的柔性中尾管连接；侧壁燃烧器，侧壁燃烧器设置于入口炉膛和出口炉膛的侧墙侧面，辐射供热和炉管壁温均匀、可根据供热需求调节各炉膛负荷和沿炉管长度方向的受热负荷，管系膨胀相对简单，吊挂结构简洁，便于检维修。

Description

侧烧转化炉

技术领域

本发明涉及石油化工设备领域，具体地，涉及一种侧烧转化炉。

背景技术

目前炼油化工装置中通常会使用如制氢转化炉，CO转化炉，合成氨转化炉等管内发生反应的转化炉，炉内设置多根转化管，转化管内设置催化剂，每根转化管就是一个小反应器。以制氢装置为例，制氢转化炉是制氢装置中转化反应的反应器，属于装置的心脏设备，内部设置外热式列管，由于转化反应的强吸热及高温等特点，这种反应器被设计成加热炉的形式，催化剂装在一根根转化炉管内，被炉膛内的燃烧器直接辐射加热，反应介质通过炉管内的催化剂床层进行反应。由于转化炉的操作条件苛刻，其炉型结构，炉管材料，炉管系统支撑，炉管系统膨胀及补偿，燃烧供热，烟气流动及分配，耐火材料等各方面都必须精心设计。

目前典型转化炉的炉型按辐射室供热方式主要分为以下四类：

1)顶烧炉：燃烧器布置在辐射室顶部，火焰垂直向下，与转化管平行，对转化管进行双面辐射，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室，向炉膛端部的对流室方向流动。其优点在于火焰相对集中在炉顶，该处辐射传热能力非常强，具有非常高的局部热强度，在管内顶部反应最激烈处能供给最多的热量，燃料放热分布与反应热需求分布相对协调。其缺点在于炉管顶部管壁温度最高，炉管纵向温度无法调节，在操作末期或催化剂积碳情况下，由于上部反应较少，管内介质温度升高很快，炉管壁温升高，对炉管寿命不利；此外顶烧炉的炉顶结构非常复杂，需要容纳入口集合管，入口集合管弹簧吊架，转化管弹簧吊架，上尾管，上尾管弹簧吊架，燃料气配管，空气风道配管等多项配件，炉顶空间非常拥挤，对散热和检维修不利。

2)侧烧炉：燃烧器布置在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧，对转化管形成双面辐射，烟气上行，经过炉顶热烟道，向顶部或端侧的对流室流动。其优点在于，由燃烧火焰附墙产生的辐射墙对转化管进行双面辐射，传热均匀，避免壁温峰值，降低设计壁温，减少转化管壁厚，提高平均热强度，减少转化管数量。其缺点在于燃烧器数量较多，分布在侧墙的燃料气配管和空气风道配管较多。

3)梯形炉：辐射室侧墙呈梯台形状，燃烧器火焰沿倾斜的炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传热，传热方式与侧烧炉类似。

4)底烧炉：普通底烧炉多用于小型装置，燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。由于转化反应所需要的转化管高度通常较高，约为8-14米，致使炉管壁温纵向分布不均匀。

上述典型的转化炉型，其管系设置均为：介质入口集合管设置在炉顶，再分配至多路上尾管，然后进入多路转化管内的催化剂床层进行转化反应，从转化管底部经多路下尾管或经内部设有引导管的刚性短管进入出口集合管，出口集合管设置在炉底，可采用热壁集合管，冷壁集合管或冷、热壁结合的方式。

由于转化反应所需要的转化管高度通常较高，约为8-14米，且路数众多，导致整个管系的热膨胀非常复杂，至少包含：底部出口集合管的水平膨胀，转化管的纵向膨胀，顶部入口集合管的水平膨胀等，一般设置上尾管，下尾管或组合使用，来吸收上述管系膨胀和产生的相对位移，同时设置入口集合管弹簧吊架，转化管弹簧吊架，上尾管弹簧吊架等来承担各部分的重量。

因此，有必要开发一种辐射供热和炉管壁温均匀、可根据供热需求调节炉管长度方向的受热负荷，管系膨胀相对简单，吊挂结构简洁，便于检维修的侧烧转化炉。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种侧烧转化炉，辐射供热和炉管壁温均匀、可根据供热需求调节炉管长度方向的受热负荷，管系膨胀相对简单，吊挂结构简洁，便于检维修的侧烧转化炉。

为了实现上述目的，本发明提出了一种侧烧转化炉，包括：

辐射段炉膛，所述辐射段炉膛包括：入口炉膛和出口炉膛，所述入口炉膛及所述出口炉膛之间设置有辐射转对流热烟道；

多路并联转化管，每路所述转化管包括：入口转化管、出口转化管及柔性中尾管，所述入口转化管并联垂直设置于所述入口炉膛内，两端伸出所述入口炉膛；所述出口转化管并联垂直设置于所述出口炉膛内，两端伸出所述出口炉膛；所述入口转化管及所述出口转化管通过设置于所述辐射段炉膛顶部的柔性中尾管连接；

侧壁燃烧器，所述侧壁燃烧器设置于所述入口炉膛及所述出口炉膛的侧墙侧面。

优选地，还包括入口集合管及出口集合管，所述入口集合管设置于所述入口炉膛底部连通于所述入口转化管，所述出口集合管设置于所述出口炉膛底部连通于所述出口转化管。

优选地，还包括鞍式支座，所述鞍式支座设置于所述入口集合管和出口集合管底部。

优选地，还包括导向套管，所述导向套管设置在所述入口转化管和所述出口转化管上，位于所述辐射段炉膛顶部，所述导向套管能够跟随所述入口转化管及所述管出口转化管沿水平方向的膨胀自由移动。

优选地，还包括可拆卸配对法兰，所述可拆卸配对法兰设置于所述入口转化管和所述出口转化管顶部。

优选地，还包括膨胀保温套，所述膨胀保温套的顶部与底部分别固定于所述可拆卸配对法兰及所述导向套管。

优选地，所述柔性中尾管为螺旋型尾管，Ω型尾管或多折型尾管中的至少一种。

优选地，还包括加强接头，所述加强接头设置于所述入口转化管和所述出口转化管伸出所述辐射段炉膛顶部的直管段的侧面，所述柔性中尾管通过所述加强接头将所述入口转化管及所述出口转化管连通。

优选地，所述入口炉膛与所述出口炉膛之间的水平距离大于1m，形成散热空间和燃烧器配管空间。

优选地，所述侧壁燃烧器沿所述入口炉膛和所述出口炉膛侧墙的两侧的垂直方向不同高度处设置多排，且对称设置于所述入口转化管和所述出口转化管两侧。

本发明的有益效果在于：辐射段炉膛包含入口炉膛和出口炉膛，炉膛里面分别设置入口转化管直管段和出口转化管直管段；每个辐射炉膛提供了两面侧墙，为设置多排侧壁附墙燃烧器提供了空间，实现对转化炉管直管段绝对对称的双面辐射供热方式，实现对转化炉管直管段垂直方向的均匀辐射供热方式，实现对多路并联转化管排沿水平方向的均匀辐射供热方式。由于入口炉膛和出口炉膛分开及燃烧器分别布置，可以根据转化反应要求，实现入口炉膛、出口炉膛的差别负荷供热方案，同时使侧烧转化炉辐射供热和炉管壁温均匀、可根据供热需求调节沿炉管长度方向的受热负荷，管系膨胀相对简单，吊挂结构简洁。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1a和图1b分别示出了现有技术的顶烧型供热的转化炉的主视图及俯视图。

图2a和图2b分别示出了现有技术的侧烧型供热的转化炉的主视图及俯视图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的主视图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的侧视图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的俯视图。

图6a-c示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的详细节点图。

附图标记说明：

1、现有技术辐射段；2、现有技术燃烧器；3、现有技术炉顶入口集合管；4、现有技术上尾管；5、现有技术转化管；6、现有技术下尾管；7、现有技术炉底出口集合管；8、现有技术辐射烟道墙；9、现有技术入口集合管弹簧；10、现有技术上尾管弹簧；11、现有技术转化管弹簧；12、辐射段炉膛；13、辐射转对流热烟道；14、侧壁附墙燃烧器；15、入口集合管；16、入口转化管；17、柔性中尾管；18、出口转化管；19、冷壁出口集合管；20、鞍式支座；21、催化剂托盘；22、缩颈加强接头；23、内置薄壁漏斗；24、内置薄壁导引管；25、导向套管；26、膨胀保温套；27、可拆卸配对法兰。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的一种侧烧转化炉，包括：

辐射段炉膛，辐射段炉膛包括：入口炉膛和出口炉膛，入口炉膛和出口炉膛之间设置有辐射转对流热烟道；

多路并联转化管，每路转化管包括：入口转化管、出口转化管及柔性中尾管，入口转化管并联垂直设置于入口炉膛内，两端伸出入口炉膛；出口转化管，出口转化管并联垂直设置于出口炉膛内，两端伸出出口炉膛；入口转化管及出口转化管通过设置于辐射段炉膛顶部的柔性中尾管连接；

侧壁附墙燃烧器，侧壁附墙燃烧器设置于入口炉膛和出口炉膛侧墙侧面。

具体地，通过辐射段炉膛包括：入口炉膛及出口炉膛，将多路并联转化管设置在入口炉膛和出口炉膛内，通过柔性中尾管连接入口转化管和出口转化管，在入口炉膛和出口炉膛的侧墙侧面设置侧壁燃附墙烧器，使侧烧转化炉辐射供热和炉管壁温均匀、可根据供热需求调节沿炉管长度方向的受热负荷，管系膨胀相对简单，吊挂结构简洁，便于检维修的侧烧转化炉。

典型设计的单根转化管和催化剂的重量较重，炉顶需要设置转化管恒力弹簧进行支撑，同时吸收纵向热膨胀。本发明的转化管分为入口和出口两段，单根直管的重量减少约50％，在单根入口直管底部设置加强管接头可支撑入口单根直管的重量，单根出口直管底部设置引导管和环形内部衬里，隔绝反应出口介质约950℃左右的高温，降低外壳管壁温，外壳管可支撑出口单根直管的重量。由于直管段穿过炉顶处设置了导向套管，可导向“扶正”直管段自由向上膨胀并自由水平位移。因此炉顶不需要设置转化管恒力弹簧、可变弹簧、平衡吊或刚性吊杆等任何用于支撑转化管的吊架设施。

具体地，柔性中尾管由Incoloy800H系列材料制成。

具体地，入口转化管伸出炉底的部位设置内置催化剂托盘。

具体地，出口转化管伸出炉底的部位设置内置催化剂托盘，内置薄壁漏斗，内置引导管，外壳承重管和加强接头，内置引导管与外壳承重管之间的环形空间填充衬里保温材料。

具体地，入口炉膛和出口炉膛的侧墙设置内部衬里，由侧壁附墙燃烧器形成的附墙式发散火焰对衬里进行直接辐射，形成蓄热均匀、内壁温度均匀的辐射幕帘衬里供热体。

具体地，辐射转对流热烟道设置于入口炉膛和出口炉膛之间，与辐射炉膛顶部相连，引导热烟气向端部的对流段方向流动，辐射转对流热烟道的顶板与辐射段炉膛标高一致。

具体地，典型设计的单根转化管长度一般在10～14米，转化管向上的纵向热膨胀达到近400mm，且炉顶入口集合管沿水平长度方向存在热膨胀，因此需要设置很长的多弯头柔性上尾管以吸收转化管纵向和集合管的水平热膨胀。采用入口转化管和出口转化管，可将原转化管长度平均分成两段，单根直管的纵向热膨胀减少约50％，且入口转化管和出口转化管的膨胀方向一致向上，两者壁温不同带来的纵向热膨胀差别较小，炉顶设置的柔性中尾管可完全吸收。

在一个示例中，还包括入口集合管和出口集合管，入口集合管设置于入口炉膛底部连通于入口转化管，出口集合管设置于出口炉膛底部连通于出口转化管。

具体地，本发明的转化管的入口集合管和出口集合管均设置于炉底，两集合管沿长度膨胀方向一致，由于两集合管不同的膨胀系数和壁温带来的相对位移，同样可由位于炉顶的柔性中尾管吸收。

具体地，入口集合管采用321SS和/或347SS型不锈钢管道制成。

更优选地，出口集合管为带有内衬的冷壁出口集合管。

在一个示例中，鞍式支座，鞍式支座设置于入口集合管和出口集合管底部。

在一个示例中，还包括导向套管，导向套管设置在入口转化管及出口转化管上，位于辐射段炉膛顶部，导向套管能够跟随入口转化管及管出口转化管沿水平方向的膨胀自由移动。

具体地，导向套管可跟随入口转化管或出口转化管沿水平方向的膨胀自由移动。

在一个示例中，还包括可拆卸配对法兰，可拆卸配对法兰设置于入口转化管及出口转化管顶部。每根直管段顶部端头设置了可拆卸法兰，用于装填和置换催化剂。由于单根管催化剂量为典型设计的一半，因此装填和抽真空换剂操作更简便易操作。

在一个示例中，还包括膨胀保温套，膨胀保温套的顶部与底部分别固定于可拆卸配对法兰及导向套管。

在一个示例中，柔性中尾管为螺旋型尾管，Ω型尾管或多折型尾管中的至少一种。

更优选地，柔性中尾管相对较短，重量较轻，可设置小荷载恒力弹簧进行支撑。

在一个示例中，还包括加强接头，加强接头设置于入口转化管及出口转化管伸出辐射段炉膛的直管段的侧面，柔性中尾管通过加强接头将入口转化管及出口转化管连通。

具体地，柔性中尾管的两端通过与加强管接头焊接连通入口转化管及出口转化管。

具体地，炉膛顶部空间极其简洁，只需容纳可拆卸法兰，伸缩保温套，中尾管极其弹簧即可，对于炉顶的散热，检维修，催化剂的填装和换剂工作大为有利。

在一个示例中，入口炉膛与出口炉膛之间的水平距离大于1m，形成散热空间和燃烧器配管空间。

在一个示例中，侧壁燃烧器沿入口炉膛及出口炉膛侧墙的两侧的垂直方向不同高度处设置多排，且对称设置于入口转化管及出口转化管两侧。

具体地，侧壁附墙燃烧器的排数，高度，数量和设计负荷相同。

具体地，侧壁附墙燃烧器可以为附墙燃烧器，附墙燃烧器形成附墙式发散型火焰。采用附墙燃烧器，可形成发散的喇叭形火焰，火焰紧贴衬里内壁，向四周衬里进行热量辐射。在侧墙的不同高度设置多排附墙燃烧器，实现对炉膛衬里进行全方位热量辐射，形成蓄热均匀、内壁温度均匀的辐射幕帘衬里供热体，辐射幕帘衬里供热体对多路并联转化管排的水平长度方向、直管段的周向和直管段的垂直径向进行极其均匀地双面辐射供热，有利于缓解炉管管壁温度，增加炉管管壁温度分布的均匀度，延长炉管使用寿命，明显提高炉膛温度全方位的均匀性。

具体地，侧壁附墙燃烧器供热可根据转化反应需要进行差异化调整。按转化反应需求的迫切程度，可对入口炉膛和出口炉膛进行整体炉膛负荷差异化调整操作也可沿炉管长度方向进行精细化燃烧器负荷调整操作，使辐射供热强度与反应速率变化相匹配。且在发生催化剂积碳，局部管壁温度超高或特定工况需要时，可定点定时局部调节燃烧器热负荷，缓解局部热强度，及时保护炉管。

实施例1：

图3示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的主视图。图4示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的侧视图。图5示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉的俯视图。图6a-c示出了根据本发明的一个实施例的侧烧转化炉侧烧转化炉的详细节点图。

如图3、4、5、6a、6b及6c所示，该侧烧转化炉，包括：辐射段和辐射转对流热烟道13，其中，辐射炉膛12包括对称设置的入口炉膛和出口炉膛，炉膛内分别设有多路并联的入口转化管16和出口转化管18，管排高度为原典型设计转化炉单管程反应长度的50％，入口转化管16和出口转化管18中间通过中尾管17相连，形成完整的转化管，入口转化管16底部设置入口集合管15，出口转化管18底部设置有冷壁出口集合管19，入口集合管15及冷壁出口集合管19下方设置鞍式支座20，在入口转化管16和出口转化管18的左右侧墙不同标高处对称设置多排侧壁附墙燃烧器14，数量相同，排数相同，设计负荷相同，形成完全对称的双面辐射。

入口转化管16与入口集合管15之间设置催化剂托盘21，支撑催化剂重量，并设置缩颈加强接头22，支撑整根入口转化管16和催化剂的重量。

出口转化管18与设置有冷壁出口集合管19之间设置催化剂托盘21，支撑催化剂重量。内部设置内置薄壁漏斗23和内置薄壁引导管24，引导高温转化气进入冷壁出口集合管19。出口转化管18与内部引导管24之间的环形区域填塞保温材料，降低外壳承重部分的外壁温度，形成外部承重壳管，与下方设置的缩颈加强接头22相焊接，支撑整根出口转化管18和催化剂的重量。

入口转化管16和出口转化管18穿过炉顶的位置设置导向套管25，可允许转化管纵向自有膨胀。转化管顶部设置可拆卸法兰27，用于催化剂填装和换剂。法兰27与导向套管25之间设置可伸缩的保温套26，密封导向套管25的内部空隙，隔绝高温烟气及隔热高温多路并联转化管。

由于顶部设置了柔性中尾管17，可吸收由入口转化管16和出口转化管18壁温温差带来的纵向热膨胀相对位移，可吸收由于入口集合管15和冷壁出口集合管19的壁温温差带来的水平方向热膨胀相对位移。

工作时，工艺介质从入口集合管15进入，分配至多路并联的入口转化管16，通过中尾管17，进入出口转化管18，再汇集至冷壁出口集合管19。高温烟气由辐射段炉膛12侧壁的附墙燃烧器14燃烧产生，向上汇集至每个辐射段炉膛12的侧面顶部出口，进入辐射转对流热烟道13，向端部的对流段方向流动。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种侧烧转化炉，包括：

辐射段炉膛，所述辐射段炉膛包括：入口炉膛和出口炉膛，所述入口炉膛与所述出口炉膛之间设置有辐射转对流热烟道；

多路并联转化管，每路所述转化管包括：入口转化管、出口转化管及柔性中尾管，所述入口转化管并联垂直设置于所述入口炉膛内，两端伸出所述入口炉膛；所述出口转化管并联垂直设置于所述出口炉膛内，两端伸出所述出口炉膛；所述入口转化管及所述出口转化管通过设置于所述辐射段炉膛顶部的柔性中尾管连接；

侧壁燃烧器，所述侧壁燃烧器设置于所述入口炉膛和所述出口炉膛侧墙的侧面；

还包括入口集合管及出口集合管，所述入口集合管设置于所述入口炉膛底部连通于所述入口转化管，所述出口集合管设置于所述出口炉膛底部连通于所述出口转化管；

还包括导向套管，所述导向套管设置在所述入口转化管和所述出口转化管上，位于所述辐射段炉膛顶部，所述导向套管能够跟随所述入口转化管及所述出口转化管沿水平方向的膨胀自由移动；

所述入口转化管与所述入口集合管之间设置第一催化剂托盘，所述出口转化管与所述出口集合管之间设置第二催化剂托盘；

还包括可拆卸配对法兰，所述可拆卸配对法兰设置于所述入口转化管和所述出口转化管顶部；

还包括加强接头，所述加强接头设置于所述入口转化管和所述出口转化管伸出所述辐射段炉膛顶部的直管段的侧面，用于支撑所述直管段；

所述柔性中尾管通过所述加强接头将所述入口转化管及所述出口转化管连通。

2.根据权利要求1所述的侧烧转化炉，其中，还包括鞍式支座，所述鞍式支座设置于所述入口集合管和出口集合管底部。

3.根据权利要求2所述的侧烧转化炉，其中，还包括膨胀保温套，所述膨胀保温套的顶部与底部分别固定于所述可拆卸配对法兰及所述导向套管。

4.根据权利要求1所述的侧烧转化炉，其中，所述柔性中尾管为螺旋型尾管，Ω型尾管或多折型尾管中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的侧烧转化炉，其中，所述入口炉膛与所述出口炉膛之间的水平距离大于1m，形成散热空间和燃烧器配管空间。

6.根据权利要求1所述的侧烧转化炉，其中，所述侧壁燃烧器沿所述入口炉膛和所述出口炉膛侧墙的两侧的垂直方向不同高度处设置多排，且对称设置于所述入口转化管和所述出口转化管两侧。

Images