CN109312236A - 带有热管预热器的火焰加热器 - Google Patents
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Abstract
一种改进的火焰加热器，其中通过一个或多个热管提供空气预热。该火焰加热器可以包括：至少一个燃烧器，该至少一个燃烧器用于使燃料流和空气流燃烧并产生被加热的废气；热气流动路径和至少一个导管，该至少一个导管含有待通过来自被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；以及空气预热器，该空气预热器包括至少一个热管，该至少一个热管具有暴露于所述被加热的废气的第一区段和暴露于空气流的第二区段，其中该热管被定位和布置成将热量从所述被加热的废气传递到空气流，其中所述至少一个热管含有被密封在所述热管内的工作流体，其中所述工作流体将热量从所述被加热的废气传递到待预热的空气流。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有热管预热器的火焰加热器。
背景技术
空气预热器用于提高火焰加热器的热效率。在通常的应用中，热交换器用于将来自离开火焰加热器的烟道气(flue gas)的热量传递给热交换器的进入的燃烧空气。这种装置通常需要很大的管道以便将烟道气引导到热交换器的位置，然后引导到烟道气烟囱(flue gas stack)和附加的管道，以便将进入的燃烧空气从热交换器引导到火焰加热器的燃烧器。另外，通常需要送风机(forced draft fans)来驱动进入的燃烧空气通过限制性的热交换器，并且通常需要引风机(induced draft fans)“拉动”烟道气通过热交换器并从烟道气烟囱排出。
因此，希望提供一种用于火焰加热器的新型空气预热系统，其避免了现有系统的一些缺点。
发明内容
我们现在已经开发了一种改进的火焰加热器，其中通过一个或多个热管提供空气预热。该火焰加热器可以包括：至少一个燃烧器，该至少一个燃烧器用于使燃料流和空气流燃烧并产生被加热的废气；热气流动路径和至少一个导管，所述至少一个导管含有待通过来自被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；以及空气预热器，该空气预热器包括至少一个热管，该至少一个热管具有暴露于被加热的废气的第一区段和暴露于空气流的第二区段，其中该热管被定位和布置成将热量从被加热的废气传递到空气流，其中所述至少一个热管含有被密封在所述热管内的工作流体，其中所述工作流体将热量从被加热的废气传递到待预热的空气流。
还提供了一种用于操作火焰加热器的方法。该方法包括：使燃料流和空气流燃烧以产生被加热的废气；使所述被加热的废气暴露于导管，该导管输送待通过来自所述被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；使所述被加热的废气暴露于该导管下游的至少一个热管；将热量从被加热的废气传递到所述至少一个热管中的工作流体；以及，将热量从工作流体传递到空气流以预热该空气流。
附图说明
图1是示出了根据本发明的一个或多个实施例的包括热管预热器的火焰加热器的示意图。
图2是示出了图1的火焰加热器的热管预热器的详细视图。
图3是示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于火焰加热器的热管预热器的详细视图。
具体实施方式
提供了改进的火焰加热器，该火焰加热器包括用于对燃烧空气进行预热的热管空气预热器。如本文所用，术语“火焰加热器”是指直燃式热交换器，其利用燃烧的热量来升高流过遍及该加热器的一个或多个盘管的材料的温度。流过所述一个或多个盘管的材料能够是任何类型的待加热材料，例如工艺流体。例如，该材料能够是用于另一种工艺的进给材料，例如用于裂解装置的进料(feed)。在一些实施例中，火焰加热器可以是用于延迟焦化器单元(delayed coker unit)的炉子，并且该工艺流体可以是来自真空蒸馏单元(vacuumdistillation unit)的残余油。
在一些实施例中，该改进的火焰加热器能够避免与传统的空气预热器热交换器相关的一个或多个缺点。例如，在一些实施例中，该空气预热器可以与火焰加热器的对流区段或辐射区段邻接，从而避免或限制将被加热的废气引导到热交换器所需的管道。此外，该改进的火焰加热器能够利用一个或多个热管，该一个或多个热管被定位和布置成限制被加热的废气或燃烧空气通过空气预热器的流动限制。通过限制空气预热器上的压降，能够在没有引风机(例如，在预热器的被加热的废气侧上)辅助的情况下提供空气预热。因此，在一些实施例中，废气能够不受引风机协助地流动并且完全通过利用由燃料气体在火焰加热器的燃烧器处燃烧产生的热虹吸效应的自然通风(natural draft)来流动。
该改进的火焰加热器能够包括至少一个燃烧器，该至少一个燃烧器用于使燃料流和空气流燃烧并产生被加热的废气；热气流动路径；至少一个导管，该至少一个导管含有待通过来自被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；以及空气预热器，该空气预热器包括至少一个热管，该至少一个热管具有暴露于被加热的废气的第一区段和暴露于空气流的第二区段。该热管被定位和布置成将热量从被加热的废气传递到空气流。该热管含有被密封在热管内的工作流体，并且该工作流体将热量从被加热的废气传递到待预热的空气流。
在任一实施例中，空气预热器能够包括多个热管，每个热管均具有延伸到热气流动路径中的蒸发器区段，该热管穿过空气预热器中的通道。该通道可以与火焰加热器的对流区段邻接(或者，如果火焰加热器不包括对流区段，则与辐射区段邻接)。每个热管还可以包括冷凝区段，该冷凝区段延伸到用于接收火焰加热器的燃烧空气流的通道中。该热管的冷凝区段可以相对于热管的蒸发器区段升高。例如，热管可以具有延伸通过蒸发器区段和冷凝器区段的中心轴线，并且该中心轴线可以相对于地平线形成至少10度的角度。
优选地，该通道中的热管的数量、尺寸和布置可以构造成提供小于0.8英寸水柱(inch water column)的压降，更优选小于0.7英寸水柱，更优选小于0.6英寸水柱，更优选小于0.5英寸水柱，更优选小于0.4英寸水柱，更优选小于0.3英寸水柱，更优选小于0.2英寸水柱，更优选小于0.1英寸水柱，更优选小于0.05英寸水柱，用于使在空气预热器的烟道气侧入口处的流速为11英尺/秒。
由于通过空气预热器提供了这种很小的流动阻力，所以被加热的烟道气可以仅通过自然通风而移动通过对流区段和空气预热器。类似地，用于燃烧的空气流可以仅通过自然通风而通过空气预热器被供给。在其它实施例中，尽管与传统的热交换器用于空气预热器的情况相比，预期采用引风机的需求将大大减少，但也可以采用引风机。例如，在任一实施例中，能够在空气预热器和烟道气烟囱之间采用引风机，该引风机提供小于0.8英寸水柱的动压力(motive pressure)，例如小于0.5英寸水柱，或小于0.1英寸水柱。此外，在一些实施例中，在被加热的废气流接触空气预热器的热管之前，被加热的废气流可以在管式空气预热器中被冷却。
在任一实施例中，通过预热器的烟道气侧的入口的烟道气的运行速度可以是0.1英尺/秒到25英尺/秒，但优选在0.1英尺/秒到15英尺/秒的范围内，并且更优选在0.1英尺/秒到11英尺/秒之间，或1英尺/秒到11英尺/秒，或2英尺/秒到11英尺/秒，或3英尺/秒到11英尺/秒，或4英尺/秒到11英尺/秒，或5英尺/秒到11英尺/秒。
该改进的火焰加热器还可包括废气烟囱，该废气烟囱位于对流区段下游。在一些实施例中，该废气烟囱可以与火焰加热器的对流区段和/或辐射区段以及包含热管的蒸发器区段的空气预热器的所述通道大致竖直对准。热管的蒸发器区段可以位于包含对流区段的工艺流体的所述导管的同一高度水平处或在所述导管上方，并且在废气烟囱的下方或内部。
图1中示出了一个示例性实施例。火焰加热器10包括空气预热器12，该空气预热器12具有多个热管28，该空气预热器12在周围的燃烧空气通过管道14到达燃烧器16之前预热该燃烧空气，在此燃烧器16中，该燃烧空气和燃料被点燃。由空气和燃料的燃烧产生的热量在辐射区段18中加热辐射盘管20以及通过该辐射盘管20的工艺流体。被加热的废气通过对流区段22，在该对流区段22中，废气加热对流盘管24和流过对流盘管24的流体。在对流盘管24中被加热的流体可以是与在辐射盘管20中被加热的工艺流体相同或不同的流体。
然后，被加热的废气通过空气预热器12的通道26，在该通道26中，热管28的延伸到通道26中的区段被加热。然后，该热量被传递到热管28的其它区段，所述其它区段加热通过空气预热器12的燃烧空气。然后，在被加热的废气被释放到大气中之前，该被加热的废气通过烟囱30。
如图1中所示，空气预热器12可以与火焰加热器的对流区段22邻接(或者，在火焰加热器不包括单独的对流区段的情况下，空气预热器12可以与辐射区段18邻接)。这避免了对将废气输送到放置在地面图(ground plot.)上的不同位置的热交换器的额外管道的需要。热管空气预热器12可以是足够小和轻的，以在火焰加热器10和烟囱30之间直接固定到火焰加热器10(即，热管可以设置在被加热的废气的通道26中，该通道26与对流区段22或辐射区段18大致竖直对准，并且还与烟囱30大致竖直对准)。
图2中更详细地示出了图1的空气预热器12。空气预热器12通常包括多个热管28，该热管28具有第一区段和第二区段，该第一区段延伸到被加热的废气的通道26中，该第二区段延伸到燃烧空气通道32中。每个热管28均部分地填充有工作流体(例如水或碳氢化合物)，并且被密封。通过通道26的被加热的废气将热量传递到热管28的蒸发器区段以蒸发工作流体，并且被加热的蒸汽流到另一端，即冷凝器端，在该端处，被加热的蒸汽向流经热管28的冷凝器区段的进入的燃烧空气释放热量。冷凝器端相对于蒸发器端被升高，使得冷凝的工作流体在重力作用下回流到蒸发器端。冷凝器端优选比蒸发器端升高10度或更多(即，热管具有延伸穿过第一区段和第二区段的中心轴线，并且该中心轴线相对于地平线形成至少10度的角度)。
每个热管28通常包括外容器和容纳在该外容器中的工作流体。该外容器将工作流体与被加热的废气及燃烧空气隔离。该容器优选可以由碳钢制成。通道26和通道32也由分隔器(管板)或其它结构间隔开，以维持烟道气和燃烧空气之间的物理分离。
选择热管28内的工作流体以具有适合于预期操作的蒸汽温度范围。该工作温度范围内的蒸汽压力应足够大，以避免高蒸汽速度，这可能导致流动不稳定。流体应表现出：良好的热稳定性，在整个温度范围内蒸汽压力不能太高或太低，高潜热、高导热性、低液体和蒸汽粘度，以及可接受的冰点或倾点(pour point.)。该选择还应基于热力学考虑因素，该考虑因素涉及对热管内发生的热流的各种限制，诸如粘性、声波、毛细管、夹带水平和泡核沸腾水平。虽然本文公开的管位置不需要芯吸材料，但并不排除它。
示例性的工作流体包括丙酮和诸如乙醇、甲醇、丙醇和丁醇的其它醚、醇，诸如甲苯、全卤烃、萘的烃，DowthermTM热传递流体和水。虽然汞可能是合适的，但出于环境原因可能不是优选的。虽然液态金属诸如钠、锂和钠/钾合金在高温应用方面是有用的，但在当前应用中通常不需要。
在任一实施例中，空气预热器可以包括额外的特征以提高预热器的性能。例如，该空气预热器可以包括在热管上游的管式热交换器，在某些情况下，这可有助于在被加热的废气暴露于热管之前进一步冷却所述被加热的废气。如图3中所示，燃烧空气可以经由歧管40通过管式热交换器42的内部被供给。来自被加热的废气的热量通过热交换器42传递给空气，使得在将热量传递到热管46之前，通过通道48的被加热的废气被冷却。燃烧空气进入通道44，然后在通道44中被热管46进一步加热。这种构造在以下情况下是特别有用的：被加热的废气的温度会导致热管46超过工作流体的临界温度，或者会导致热管46在其理想范围之外运行。所述热管能够包括各种特征，以改善到热管或来自热管的热传递，例如翅片或其它热传递元件。
还提供了以下实施例：
实施例1-一种火焰加热器，包括：至少一个燃烧器，该至少一个燃烧器用于使燃料流和空气流燃烧并产生被加热的废气；热气流动路径和至少一个导管，该至少一个导管含有待通过来自被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；以及空气预热器，该空气预热器包括至少一个热管，该至少一个热管具有暴露于被加热的废气的第一区段和暴露于空气流的第二区段，其中所述热管被定位和布置成将热量从被加热的废气传递到空气流，其中所述至少一个热管含有被密封在所述热管内的工作流体，其中所述工作流体将热量从被加热的废气传递到待预热的空气流。
实施例2-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，该空气预热器包括多个热管。
实施例3-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，该热管的第一区段延伸到热气流动路径中。
实施例4-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，该空气预热器包括用于使被加热的废气通过的通道。
实施例5-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，该通道与火焰加热器的对流区段邻接，该对流区段包括含有工艺流体的至少一个导管，并且其中该通道被流体连接到热气流动路径。
实施例6-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，空气预热器提供小于0.8英寸水柱的压降，用于使通过所述通道的入口的流速为11英尺/秒。
实施例7-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，还包括位于对流区段下游的废气烟囱，其中，所述热管的第一区段位于对流区段的导管的同一高度水平处或在该导管上方，并且在废气烟囱的下方或内部。
实施例8-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，所述热管的第二区段相对于热管的第一区段被升高。
实施例9-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，所述热管具有延伸穿过第一区段和第二区段的中心轴线，并且该中心轴线相对于地平线形成至少10度的角度。
实施例10-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，被加热的烟道气仅通过自然通风而移动通过所述对流区段和空气预热器。
实施例11-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，空气流仅由送风机被供应通过空气预热器并供应到所述至少一个燃烧器。
实施例12-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，空气流仅由送风机被供应通过空气预热器并供应到所述至少一个燃烧器。
实施例13-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，所述火焰加热器是延迟焦化器。
实施例14-根据任何其它实施例的火焰加热器或方法，其中，在被加热的废气流通过热管的第一区段之前，该被加热的废气流在管式空气预热器中被冷却。
实施例15-一种用于操作火焰加热器的方法，包括：(a)使燃料流和空气流燃烧以产生被加热的废气；(b)使被加热的废气暴露于导管，该导管输送待通过来自被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；(c)使被加热的废气暴露于该导管下游的至少一个热管；(d)将热量从被加热的废气传递到所述至少一个热管中的工作流体；以及(e)将热量从该工作流体传递到空气流以预热空气流。
实施例16-根据实施例15的方法，其中，步骤(a)-(e)是在没有引风机辅助的情况下执行的。
Claims (16)
1.一种火焰加热器，包括：
至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器用于使燃料流和空气流燃烧并产生被加热的废气；
热气流动路径和至少一个导管，所述至少一个导管含有待通过来自所述被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；以及
空气预热器，所述空气预热器包括至少一个热管，所述至少一个热管具有第一区段和第二区段，所述第一区段暴露于所述被加热的废气，所述第二区段暴露于所述空气流，其中所述热管被定位和布置成将热量从所述被加热的废气传递到所述空气流，其中所述至少一个热管含有被密封在所述热管内的工作流体，其中所述工作流体将热量从所述被加热的废气传递到待预热的所述空气流。
2.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述空气预热器包括多个热管。
3.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述热管的第一区段延伸到所述热气流动路径中。
4.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述空气预热器包括用于使所述被加热的废气通过的通道。
5.根据权利要求4所述的火焰加热器，其中，所述通道与所述火焰加热器的对流区段邻接，所述对流区段包括含有所述工艺流体的所述至少一个导管，并且其中所述通道被流体连接到所述热气流路径。
6.根据权利要求4所述的火焰加热器，其中，所述空气预热器提供小于0.8英寸水柱的压降，用于使通过所述通道的入口的流速为11英尺/秒。
7.根据权利要求1所述的火焰加热器，还包括废气烟囱，所述废气烟囱位于所述对流区段的下游，其中，所述热管的第一区段位于所述对流区段的所述导管的同一高度水平处或在所述导管上方，并且在所述废气烟囱的下方或内部。
8.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述热管的第二区段相对于所述热管的第一区段被升高。
9.根据权利要求8所述的火焰加热器，其中，所述热管具有延伸穿过所述第一区段和第二区段的中心轴线，并且所述中心轴线相对于地平线形成至少10度的角度。
10.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，被加热的烟道气仅通过自然通风而移动通过所述对流区段和所述空气预热器。
11.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述空气流仅由送风机被供应通过所述空气预热器并供应到所述至少一个燃烧器。
12.根据权利要求10所述的火焰加热器，其中，所述空气流仅由送风机被供应通过所述空气预热器并供应到所述至少一个燃烧器。
13.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，所述火焰加热器是延迟焦化器。
14.根据权利要求1所述的火焰加热器，其中，在被加热的废气流通过所述热管的第一区段之前，所述被加热的废气流在管式空气预热器中被冷却。
15.一种用于操作火焰加热器的方法，包括：
(a)使燃料流和空气流燃烧以产生被加热的废气；
(b)使所述被加热的废气暴露于导管，所述导管输送待通过来自所述被加热的废气的热传递来加热的工艺流体；
(c)使所述被加热的废气暴露于所述导管下游的至少一个热管；
(d)将热量从所述被加热的废气传递到所述至少一个热管中的工作流体；以及
(e)将热量从所述工作流体传递到所述空气流，以预热所述空气流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)-(e)是在没有引风机辅助的情况下执行的。
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