CN110026133B - 转化炉 - Google Patents

Abstract

一种转化炉，包括辐射段、烟道箱和对流段，其中，辐射段的炉顶设有顶烧燃烧器，炉底设有用于烟气引出的通气槽，通气槽上设置烟气分配器；烟道箱设置于辐射段的炉底下方，通过通气槽和烟气分配器与辐射段相连通；对流段设置于辐射段的端墙外侧，通过烟道箱与辐射段相连通。该转化炉对高温烟气具有良好的分配导流效果，能够保证炉膛内温度的均匀性。

Description

转化炉

技术领域

本发明涉及石油化工设备领域，具体涉及一种转化炉。

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、甲醇转化炉等管内发生反应的转化炉。在这类转化炉中，辐射炉膛内设置多根转化管，转化管内填装催化剂，工艺介质在管内发生化学反应，每根转化管就是一个外热式反应器。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，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。由于转化反应的强吸热及高温等特点，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，炉膛内部设置热烟道，导流热烟气进入烟道，向炉膛端部的对流室方向流动。

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，炉顶设置热烟道，导流热烟气进入烟道，向炉膛顶部或端部的对流室方向流动。

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，其烟道设置和烟气流动路径与侧烧炉类似。

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。

上述典型的转化炉型，其转化管高度和炉膛高度通常很高，达到约8～14米，高温烟气的流动路径直接影响了炉膛辐射传热的均匀性、转化炉管热强度的均匀性以及管内反应的均匀性。尤其是大型转化炉，其配套的对流段通常落地设置在辐射炉膛的端部，与辐射段端部相连，连通高温烟气。高温烟气如果没有良好的流动分配，燃烧器火焰产生的高温烟气会集中向对流段所在端墙的方向倾斜偏流(图1a和图1b中箭头所示)，整个炉膛温度沿炉膛的高度方向和长度分配不均匀，远离对流段的端墙区域温度明显偏低，整个转化管排所受的辐射传热不均匀性、炉管管壁温度不均匀性及管内反应不均匀性大大增加。

为了尽可能导流高温烟气沿炉管垂直方向平行流动，现有技术通常在炉膛内部设置多排高温烟气隧道，高温烟气隧道位于炉底板之上，位于相邻两排转化管之间，隧道高度约3-4米，隧道侧墙一般采用带有若干烟气流通孔洞的花式侧墙来分配高温烟气(图2a和图2b中箭头所示)的流动，或者采用花式侧墙结合隧道内部阶梯式导流板的方法，分配高温烟气均匀垂直向下流动，防止烟气朝向对流段一侧发生偏流。但是，在辐射炉膛内部设置高温烟气隧道，耐高温耗材量大，施工难度大，精度要求高，且其隧道高度较高，稳性相对较差，受到高温烟气和火焰直接辐射，对烟道墙体的材质和强度要求高。时有报道该高温烟气隧道局部发生坍塌事故。

因此，有必要开发一种既能有优良烟气分配功能，又能显著降低耐高温耗材、施工难度和增加稳定性的转化炉。

发明内容

本发明提出了一种转化炉，其能够克服现有转化炉中高温烟气容易发生偏流、高温烟气隧道耗材量大，施工难度大的缺陷。

本发明提出了一种转化炉，包括辐射段、烟道箱和对流段，其中，所述辐射段的炉顶设有顶烧燃烧器，炉底设有用于烟气引出的通气槽，所述通气槽上设置烟气分配器；所述烟道箱设置于所述辐射段的炉底下方，通过所述通气槽和烟气分配器与所述辐射段相连通；所述对流段设置于所述辐射段的端墙外侧，通过所述烟道箱与所述辐射段相连通。

优选地，所述辐射段的炉膛内设有多排沿垂直方向设置的转化管，所述顶烧燃烧器设置于所述转化管的管排两侧，其火焰垂直向下。

优选地，所述通气槽的位置正对所述顶烧燃烧器，且沿所述管排的延伸方向设置，所述通气槽的数量与所述顶烧燃烧器的排数相同。

优选地，所述烟道箱的位置正对所述通气槽，且沿所述管排的延伸方向设置，端部与所述对流段相连接，所述烟道箱的数量与所述通气槽的数量相同。

优选地，所述烟道箱由金属制成，内部铺设隔热保温材料。

优选地，所述烟气分配器设置于所述通气槽的上方、中间或下方，所述烟气分配器上设有用于分配烟气流通的烟气孔洞。

优选地，沿着逐渐接近所述对流段的方向，所述烟气分配器的孔洞率逐渐减小，所述孔洞率是指单位面积的烟气分配器上所述烟气孔洞的面积所占的比率。

优选地，所述烟气分配器由耐火砖砌成，或者由不定型非金属材料预制或浇注成型，或者由金属托盘与非金属材料层复合制成。

优选地，所述烟气分配器还包括堵漏块，所述堵漏块可移除地设置于所述烟气孔洞中。

优选地，所述烟气分配器包括多个分配器模块，所述多个分配器模块相互拼接，相邻分配器模块之间设有膨胀缝，所述膨胀缝内设置可压缩填塞物。

优选地，在平行于所述端墙的横截面上，沿着逐渐接近所述对流段的方向，所述烟道箱的横截面积逐渐变大。

本发明的有益效果在于：

1.不在高温炉膛内部设置高温烟气隧道，而是通过设于炉底下方的烟道箱对高温烟气进行导流输送，避免了高温烟气隧道对于隧道墙体的材质和强度的过高要求，不需考虑高温烟气隧道受热膨胀时的复杂性，降低了施工难度。这种设置方式还能够降低炉膛的重心，增加其稳定性，还可以相应地降低对流段的高度。

2.对高温烟气具有良好的分配导流效果，烟气分配器和烟气出口通气槽设于炉底，使高温烟气能够一直下行到炉膛底部，而不会在炉膛中下部就向对流段偏流，也不会像高温烟气隧道的情况那样在炉膛中下部就从高温烟气隧道的侧墙孔洞中进入隧道，从而保证了炉膛内部沿高度方向的温度均匀性，也就保证了炉膛内转化管沿整个有效辐射受热高度方向的温度均匀性。

3.在通气槽上设置烟气分配器，烟气分配器上设有烟气孔洞，沿着逐渐接近对流段的方向，烟气分配器的孔洞率逐渐减小，从而可以限制靠近对流段一端的高温烟气过快流动，使得高温烟气沿着辐射段的长度方向均匀分配，避免了高温烟气的倾斜偏流，从而可以保证炉膛内温度的均匀性。此外，与在炉膛内设置高温烟气隧道相比，高温烟气的路径更加简化，减少了烟气转弯压降损耗，可以减少后续引风机的压头和负荷。

4.烟气分配器上设置堵漏快，与设置炉内高温烟气隧道相比，可以在停工检修期间，更加方便的通过直接搭放堵漏块，对烟气分配器的孔洞率进行调整，修正烟气分配。另外，也更便于直接更换或者修补某一个破损的分配器模块。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1a和图1b分别示出了现有技术的未设置内部高温烟气隧道的转化炉的主视图、侧视图及其烟气流型。

图2a和图2b分别示出了现有技术的设置花墙式高温烟气隧道的转化炉的主视图、侧视图及其烟气流型。

图3示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的主视图及其烟气流型。

图4示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的侧视图及其烟气流型。

图5示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的烟气分配器的结构示意图。

附图标记说明：

101-辐射段，102-对流段，103-燃烧器，104-入口集合管，105-转化管，106-出口集合管，107-花墙式高温烟气隧道；

1-辐射段，2-对流段，3-顶烧燃烧器，4-入口集合管，5-转化管，6-出口集合管，7-烟道箱，8-膨胀缝，9-烟气分配器，10-堵漏块，11-分配器模块，12-炉底衬里，13-通气槽，14-烟气孔洞。

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例，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例所限制。相反，提供这些实施例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。

根据本发明的示例性实施例的转化炉包括辐射段、烟道箱和对流段。辐射段的炉顶设有顶烧燃烧器，炉底设有用于烟气引出的通气槽，通气槽上设置烟气分配器；烟道箱设置于辐射段的炉底下方，通过通气槽和烟气分配器与辐射段相连通；对流段设置于辐射段的端墙外侧，通过烟道箱与辐射段相连通。

根据实施例的转化炉在辐射段的炉底设置用于烟气引出的通气槽和烟气分配器，在炉底下方设置与对流段和辐射段相连通的烟道箱，顶烧燃烧器燃烧产生的高温烟气垂直下行到炉膛底部，通过炉底的烟气分配器和通气槽进入烟道箱，随后进入对流段。

由于烟气分配器和通气槽设于炉底，高温烟气能够一直下行到炉膛底部，而不会在炉膛中下部就向对流段偏流(如图1b所示)，也不会在炉膛中下部就从高温烟气隧道的侧墙孔洞中进入隧道(如图2a所示)，从而保证了炉膛内部沿高度方向的温度均匀性，也就保证了炉膛内转化管沿整个有效辐射受热高度方向的温度均匀性。

此外，与图2a和图2b所示的方案相比，根据实施例的转化炉不在高温炉膛内部设置高温烟气隧道，而是通过设于炉底下方的烟道箱对高温烟气进行导流输送，避免了高温烟气隧道对于烟道墙体的材质和强度的过高要求，不需考虑高温烟气隧道受热膨胀时的复杂性，降低了施工难度、消除了烟气隧道坍塌的风险。

在一个示例中，辐射段的炉膛内设有多排沿垂直方向设置的转化管，顶烧燃烧器设置于转化管的管排两侧，其火焰垂直向下，对转化管进行双面辐射。

在一个示例中，通气槽的位置正对顶烧燃烧器，且沿管排的延伸方向设置，通气槽的数量与顶烧燃烧器的排数相同。这种设置便于高温烟气直接下行通过通气槽，有利于高温烟气的流动。

在一个示例中，烟道箱的位置正对通气槽，且沿管排的延伸方向设置，烟道箱的端部与对流段相连接，烟道箱的数量与通气槽的数量相同。这种设置便于高温烟气直接下行进入烟道箱，有利于高温烟气的流动。

在一个示例中，所述烟道箱由金属制成，内部铺设隔热保温材料，以达到隔热保温的效果。

在一个示例中，烟气分配器设置于通气槽的上方、中间或下方，烟气分配器上设有用于分配烟气流通的烟气孔洞。

例如，烟气分配器可设置于通气槽的中间，与两侧的炉底衬里连成一体。或者，烟气分配器可设置于通气槽的上方，例如搭放在炉底衬里上，烟气分配器也可设置于通气槽的下方，例如从炉底衬里底部进行固定连接。

高温烟气通过烟气分配器上的烟气孔洞进入烟道箱，通过调整烟气孔洞的设置，可以对烟气流通进行分配。

在一个示例中，沿着逐渐接近对流段的方向，烟气分配器的孔洞率逐渐减小，孔洞率是指单位面积的烟气分配器上烟气孔洞的面积所占的比率。

转化炉工作时，辐射段靠近对流段的一端高温烟气的流速更快，更易进入对流段中，从而导致高温烟气朝靠近对流段的一侧端墙集中倾斜偏流，如图1b中箭头所示，整个炉膛内的温度沿着辐射段的长度方向(即图1b中的水平方向)分布不均匀。

在本发明实施例中，在通气槽上设置烟气分配器，烟气分配器上设有烟气孔洞，沿着逐渐接近对流段的方向，烟气分配器的孔洞率逐渐减小，即烟气分配器靠近对流段的一端孔洞率最小，远离对流段的一端孔洞率最大。通过设置逐渐减小的孔洞率，可以限制靠近对流段一端的高温烟气过快流动，使得高温烟气沿着辐射段的长度方向均匀分配，避免了高温烟气的倾斜偏流，从而可以保证炉膛内温度的均匀性。此外，与在炉膛内设置高温烟气隧道相比，高温烟气的路径更加简化，减少了烟气转弯压降损耗，可以减少后续引风机的压头和负荷。

在一个示例中，烟气分配器为板状镂空结构，镂空部分形成烟气孔洞。特别地，烟气分配器的形状与通气槽的形状相适应，例如，一般情况下，通气槽的横截面为矩形，那么烟气分配器可为矩形板状镂空结构。烟气分配器的镂空部分即烟气孔洞，高温烟气通过烟气孔洞和通气槽进入烟道箱内，进而流入对流段。

在一个示例中，烟气分配底衬盘由耐火砖砌成，或者由不定型非金属材料预制或浇注成型，或者由金属托盘与非金属材料层复合制成。

在一个示例中，烟气分配器还包括堵漏块，堵漏块可移除地设置于烟气孔洞中。需要调整烟气分配器某一部分的孔洞率时，可将堵漏块放置在烟气孔洞中，或者将堵漏块从烟气孔洞中移除，从而可以调整对高温烟气的流动分配。例如，可以在转化炉停工检修期间，通过放置或移除堵漏块调整烟气分配底衬盘各部分的孔洞率。堵漏块可由耐火砖或其他耐高温材料制成。

在一个示例中，烟气分配器包括多个分配器模块，多个分配器模块相互拼接，相邻分配器模块之间设有膨胀缝。

在高温烟气的作用下，烟气分配器会受热膨胀。为了避免应力集中导致烟气分配器受损，烟气分配器包括相互拼接的多个分配器模块，分配器模块之间设有膨胀缝。通过多个分配器模块拼接形成烟气分配器还有利于检维修。例如，当某个分配器模块损坏时，可以在转化炉停工检修期间，直接更换或修补损坏的模块。膨胀缝的宽度可根据转化炉的工作温度和烟气分配器的膨胀性质确定。

特别地，烟气分配器与辐射段的端墙之间也设有膨胀缝。优选地，膨胀缝内设有可压缩填塞物，填塞物一方面可以避免高温烟气通过膨胀缝进入烟道箱内，影响烟气分配器的烟气分配效果，另一方面在受热时可以吸收分配器模块的热膨胀。可压缩填塞物可以是陶瓷纤维等。

在一个示例中，分配器模块的端部为锯齿状，从而便于相邻的分配器模块相互拼接，有利于提高密封性。

在一个示例中，烟气分配器可搭置于炉底衬里上方，沿着烟气分配器的宽度方向，即与辐射段的端墙平行的方向，烟气分配器可自由膨胀。

特别地，在停工检修时如果发现烟气分配器某部位发生破损，可方便的更换破损所在的模块即可。

在一个示例中，烟道箱的内衬由密度较小、导热率较低的纤维材料制成，以减轻炉底烟道箱的重量。

在一个示例中，在平行于端墙的横截面上，沿着逐渐接近对流段的方向，烟道箱的横截面积逐渐变大。烟道箱的横截面积逐渐变大，即高温烟气的流动通道的横截面积逐渐变大，高温烟气不断汇集之后仍能保持较为恒定的流向和流速，有利于保持辐射段和烟道箱内高温烟气的流场稳定。

实施例

图3示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的主视图及其烟气流型，图4示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的侧视图及其烟气流型，图5示出了根据本发明的一个实施例的转化炉的烟气分配器的结构示意图。

如图3-5所示，转化炉包括辐射段1、烟道箱7和对流段2。

辐射段1的炉顶设有多排顶烧燃烧器3，顶烧燃烧器3的火焰垂直向下。辐射段1的炉底设有炉底衬里12，炉底衬里12上设有通气槽13，通气槽13上方设置烟气分配器9，烟气分配器9上设有烟气孔洞14。辐射段1的炉膛内部设有沿垂直方向设置的多排转化管5。多排转化管5在上方汇集到入口集合管4，在下方汇集到出口集合管6。顶烧燃烧器3设置于转化管5的管排两侧，对转化管进行双面辐射。对流段2设置于辐射段1的端墙外侧，通过烟道箱7与辐射段1相连通。烟道箱7设置于炉底衬里12下方，通过通气槽13和烟气孔洞14与辐射段1相连通。

如图3和4所示，在平行于端墙的横截面上，烟道箱7的横截面为矩形，且沿着逐渐接近对流段的方向(即图4中从左向右的方向)，烟道箱7的横截面积逐渐变大。

如图5所示，烟气分配器9为矩形，由耐火砖砌成，其包括四个分配器模块11，每个分配器模块11的端部为锯齿状，以便于相互拼接。相邻的分配器模块11之间设有膨胀缝8，膨胀缝8内设有可压缩填塞物(未示出)。沿着逐渐接近对流段的方向(即图5中从左向右的方向)，分配器9的孔洞率逐渐减小，从而强制高温烟气均匀向下流动，进入炉底衬里12下方的烟道箱7中，再朝向对流段流动。烟气分配器9还包括堵漏块10，其可放置在烟气孔洞中，或者从烟气孔洞中移除，以调整烟气分配器9的孔洞率。

如图3和4中的箭头显示了高温烟气的流动方向，从图3和4中可以看出，在本实施例的转化炉中，高温烟气沿着辐射段的高度方向和长度方向能够均匀分配，避免了高温烟气的倾斜偏流，从而可以保证炉膛内温度的均匀性。

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。

Claims (7)

1.一种转化炉，其特征在于，包括辐射段、烟道箱和对流段，其中，所述辐射段的炉顶设有顶烧燃烧器，炉底设有用于烟气引出的通气槽，所述通气槽上设置烟气分配器；所述烟道箱设置于所述辐射段的炉底下方，通过所述通气槽和烟气分配器与所述辐射段相连通；所述对流段设置于所述辐射段的端墙外侧，通过所述烟道箱与所述辐射段相连通，所述烟气分配器包括多个分配器模块，所述多个分配器模块相互拼接，相邻分配器模块之间设有膨胀缝，所述烟气分配器与所述辐射段的端墙之间也设有所述膨胀缝；

所述烟气分配器为板状镂空结构，镂空部分形成烟气孔洞，所述烟气分配器的形状与通气槽的形状相适应，所述烟气分配器还包括堵漏块，所述堵漏块可移除地设置于所述烟气孔洞中；沿着逐渐接近所述对流段的方向，所述烟气分配器的孔洞率逐渐减小，所述孔洞率是指单位面积的烟气分配器上所述烟气孔洞的面积所占的比率；

在平行于所述端墙的横截面上，沿着逐渐接近所述对流段的方向，所述烟道箱的横截面积逐渐变大。

2.根据权利要求1所述的转化炉，其特征在于，所述辐射段的炉膛内设有多排沿垂直方向设置的转化管，所述顶烧燃烧器设置于所述转化管的管排两侧，其火焰垂直向下。

3.根据权利要求2所述的转化炉，其特征在于，所述通气槽的位置正对所述顶烧燃烧器，且沿所述管排的延伸方向设置，所述通气槽的数量与所述顶烧燃烧器的排数相同。

4.根据权利要求2所述的转化炉，其特征在于，所述烟道箱的位置正对所述通气槽，且沿所述管排的延伸方向设置，端部与所述对流段相连接，所述烟道箱的数量与所述通气槽的数量相同。

5.根据权利要求1所述的转化炉，其特征在于，所述烟道箱由金属制成，内部铺设隔热保温材料。

6.根据权利要求1所述的转化炉，其特征在于，所述烟气分配器设置于所述通气槽的上方、中间或下方。

7.根据权利要求1所述的转化炉，其特征在于，所述烟气分配器由耐火砖砌成，或者由不定型非金属材料预制或浇注成型，或者由金属托盘与非金属材料层复合制成。

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