CN110500883A - 管式加热炉、采用其的工业设备及加热方法 - Google Patents

Abstract

一种管式加热炉、采用其的工业设备及加热方法。该管式加热炉包括炉膛和布置在炉膛内的燃烧单元和热交换单元，其中燃烧单元为采用催化燃烧方式的催化燃烧单元，布置在炉膛的下部和/或底部；热交换单元的炉管布置在炉膛内，燃料在催化燃烧单元中燃烧产生的热量加热炉管内的工作介质。本发明的管式加热炉将气体燃料的催化燃烧与大风量烟气循环技术相结合，不仅大幅降低燃烧过程中生成的氮氧化物和一氧化碳，还能大幅节省燃料；同时，大幅降低加热炉的体积，减少加热炉的金属和非金属消耗量，大幅降低加热炉制造和运行成本；该新型加热炉具备经济、高效、节能、低排放的特征。

Description

管式加热炉、采用其的工业设备及加热方法

技术领域

本发明涉及化工装备技术领域，具体涉及一种管式加热炉、采用其的工业设备及加热方法。

背景技术

管式加热炉在化工工艺流程中占重要位置，是重要的化工装备，管式加热炉也是昂贵的装备，例如一台乙烯裂解炉的价值可高达几亿元。目前，管式加热炉设计、制造、使用上存在如下几方面的问题：

1、管式加热炉是高耗能设备。国内石油化工等行业在用的大型管式加热炉数量在一万套左右，每台管式加热炉的热负荷为几十MW，管式加热炉的能耗占这些行业总能耗的30％以上。现有技术不够完善，还有较大的节能减排潜力。管式加热炉节能不仅为这些行业节省大量成本，也可以减少大量污染物排放。

2.管式加热炉结构不合理。加热炉辐射段中被加热介质吸收的热量为燃料燃烧总发热量的40％左右，需要在对流段内余热回收，才能维持较高的热效率，从而浪费大量燃料。

3、管式加热炉燃烧过程生成的污染物较多。现有的管式加热炉采用扩散火焰燃烧方式，由于燃烧火焰存在温度高区域(大于1500℃)，而不可避免地生成氮氧化物。现有改进的低氮燃烧技术，如分级燃烧、烟气循环、预混燃烧等，难以经济、稳定地将燃烧过程中的氮氧化物降低到30mg/m³以下，尤其是在低负荷操作条件下，很难既维持较高热效率，又减少生成NO_x和CO。

3、现有的管式加热炉体积大，消耗金属量大。一台加热炉总重量至少为几百吨，金属消耗量大。1000万吨/年常减压装置的常压炉金属消耗量750吨；用于炉膛内的平均温度通常在800～1000℃，炉膛表面要衬上大量保温隔热材料，减少热量损失，导致非金属消耗量175吨。制造管式加热炉所消耗的大量金属和非金属材料，使管式加热炉的制造成本较高，也使材料生产、加工、运输、安装等各环节消耗大量的材料、能源、人力等。

发明内容

针对现有管式加热炉技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种管式加热炉、采用其的工业设备及加热方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少一个。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种管式加热炉，包括炉膛和布置在炉膛内的燃烧单元和热交换单元，其中：

燃烧单元为采用催化燃烧方式的催化燃烧单元，布置在炉膛的下部和/或底部；

热交换单元包括布置在所述炉膛内的炉管，所述催化燃烧单元产生的热量加热所述炉管内的工作介质。

作为本发明的另一个方面，还提出了一种采用如上所述的管式加热炉的工业设备。

作为本发明的再一个方面，还提出了一种采用如上所述的管式加热炉的加热方法，包括以下步骤：

对催化燃烧单元进行预热；

气体燃料在催化燃烧单元中催化燃烧，主要以高温烟气的对流形式将燃料燃烧的热量传递给炉管中需要加热的工作介质；

燃烧产生的烟气排出炉膛。

基于上述技术方案可知，本发明的管式加热炉及加热方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、超低NO_x排放：本发明的加热炉采用催化燃烧，燃烧在400～1000℃下进行，燃烧过程生成的NO_x浓度在10mg/m³以下；

2、没有CO排放：燃料充分燃烧，不产生CO；

3、热效率高、节省燃料：本发明的加热炉排放的烟气量较少、温度较低，烟气带走的热量少，加热炉的热效率高，可以节省5％以上的燃料；烟气循环量与排放烟气量比，可以达到400％～600％以上。减小了烟气排放量，降低了烟气温度；

4、简化加热炉的工艺流程：新型加热炉采用的催化燃烧为预混燃烧方式，燃料和空气混合后在催化剂床层完全燃烧，不需要传统加热炉的燃烧器和配风系统，最大程度地简化了加热炉的管线和工艺流程；

5、以对流传热为主：本发明的加热炉以对流传热为主，通过强化对流传热方法，把热量传递给需要加热的介质；而传统的加热炉在辐射段以辐射传热为主，燃料燃烧释放的热量90％以上为辐射传热；

6、减小加热炉的体积和重量：本发明的加热炉采用催化燃烧，为无焰燃烧，且采用少量辐射传热与大量对流传热相结合方式，取消了加热炉的辐射段，加热炉的高度和重量都降低一半以上，占地面积也减小一半以上；

7、燃料适应性强：可以使用热值大于57kJ/m³的任何可燃气体作为加热炉的燃料；

8、本发明的新型加热炉将气体燃料的催化燃烧与大风量烟气循环技术相结合，不仅大幅降低燃烧过程中生成的氮氧化物和一氧化碳，还能大幅节省燃料；同时，大幅降低加热炉的体积，减少加热炉的金属和非金属消耗量，大幅降低加热炉制造和运行成本；该新型加热炉具备经济、高效、节能、低排放的特征。

附图说明

图1是一种现有的管式加热炉的结构示意图；

图2是一种现有的催化燃烧加热装置的结构示意图；

图3是作为本发明一优选实施例的管式加热炉的炉管布局示意图；

图4是作为本发明一优选实施例的管式加热炉整体结构示意图。

上图中，附图标记含义如下：

1、催化燃烧单元，2、燃料进料阀门，3、电加热器，4、第一组炉管，5、第二组炉管，6、第三组炉管，7、炉膛，8、烟囱，9、空气预热器，10、循环阀门，11、循环风机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，本发明中所述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词，只表示相对的位置关系，而不用于限定绝对的位置关系。此外，为了描述的方便，在以下的描述中，结合本发明的附图可知，本发明的加热炉采用竖直放置的图示方式描述其上下位置。

在本发明中，部分技术术语的具体含义解释如下：

“管式加热炉”：下文有时简称“加热炉”，是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中使用的工艺加热炉，被加热工作介质在管内流动，加热工作介质的热源通常为气体或液体燃料释放出的热量。现有的管式加热炉通常包括燃烧器、辐射室、对流室和通风系统，加热方式为直接受火；本发明对其具体结构有重大改进，后文中详述。

“超低氮排放”：现有技术把NO_x控制在30mg/m³，为低氮排放。比该指标更严格的就是超低氮排放，如本发明中的10mg/m³。

“对流传热”：热量通过管式加热炉炉管壁两侧的温差传递热量，加大两侧的流速，可以提高传热速率。

“辐射传热”：燃料燃烧产生高温可见光，以光波携带热量高温辐射到管式加热炉炉管的壁面，加热壁面后，把热量传递给炉管内需要加热的工作介质。

石油化工等行业大量使用的大型管式加热炉技术在国内已用了半个多世纪，数量达到上万台，但其结构形式、工艺流程等没有本质变化。从事加热炉设计、制造、使用的人员达几十万，均采用经验估算、热力学第一定律等传统研究手段，认为现有的加热炉技术成熟，没有改进的空间。

但是，本发明人在研究过程中发现：

1、现有管式加热炉的辐射段热量和空间利用率都低，炉管的金属消耗量较多。如图1所示为一传统的管式加热炉的结构示意图，图中左侧为该管式加热炉，下方最大的矩形即辐射段，炉管长为十几米，需要消耗大量金属。此外，由于采用辐射传热，炉管不能互相遮挡，所占辐射段截面面积不到5％，非常浪费空间。另外，辐射段燃料燃烧释放的热量只有一半左右能被炉管内的介质吸收，热量利用率低。

2、现有烟气循环技术的局限性。

采用烟气循环方法可以降低燃烧温度、抑制NO_x产生，且已经有专利申请和工程实际，但有较多的局限。

现有的烟气循环方法，烟气循环回来只返回到空气中，再与燃料气进行非预混燃烧。烟气循环量通常是烟气总量的5％～20％。加大烟气循环量可以降低NO_x，但燃烧会不稳定，燃料会发生不完全燃烧。

3、现有技术中，大型管式加热炉上所采用催化燃烧技术的，不是用于加热介质，而是在烟气管线上安装一个催化燃烧装置，使烟气中没有完全燃烧的烃类和CO彻底反应掉。该技术存在的问题：(1)没有改变现有的管式加热炉的燃烧和加热方法，管式加热炉仍然是体积大、重量大；(2)使管式加热炉结构复杂、管线较长、布置复杂；(3)节能效果有限；该技术只能节能1％，没有进一步节能的可能性。

此外，现有的催化燃烧加热装置可以降低NO_x，但热效率低。如图2所示的催化燃烧装置，以天然气为燃料，用空气与天然气预混后在催化剂床层上催化燃烧。由于天然气的热值较高，为了控制催化剂床层的温度，不烧毁催化剂，需要混合较多的空气，天然气燃烧后形成的烟气量较大。燃烧相同质量的天然气流量，催化燃烧方法排放的烟气量比传统的加热炉多1～2倍，烟气带走更多的热量，其热效率低于传统加热炉。

此外，催化燃烧作为一种新型燃烧技术在国内科研机构也有三十年研究、开发的历史，但从事催化燃烧工程应用的人员以开发催化剂、从事材料开发为主，对催化燃烧用于加热装置等结构和工艺研究经验不足，一些科研机构申请的催化燃烧加热装置功率不到100KW，由于小型催化燃烧加热装置与大型装置的差别大，开发大型催化燃烧装置需要更全面的技术，因此据检索，现有科研院所的研究人员并不具备将催化燃烧技术用于大型催化燃烧工业装置的开发、设计能力。

本发明人自2005年起开始从事大型管式加热炉的开发、优化和设计工作，做了十几年工作，先后采用过计算流体力学、流程模拟、传热强化等先进研究手段，对现有加热炉技术存在的问题有较全面的认识，并发现了大型加热炉存在的上述问题。自2009年起，本发明人从事大型催化燃烧装置开发和设计工作，在采用数值模拟、反应器放大技术、传热强化等先进研究手段后，于2013年建成一套工业规模催化燃烧装置，功率达2MW，具备大型催化燃烧加热装置的开发设计能力。

本发明人经过多年研究和反复试验，将上述两方面的研究工作结合起来，提出了一种全新的管式加热炉，该管式加热炉不仅能大幅降低燃烧过程中生成的氮氧化物和一氧化碳，还能大幅节省燃料；同时，大幅降低管式加热炉的体积，减少管式加热炉的金属和非金属消耗量，从而大幅降低管式加热炉的制造和运行成本。该管式加热炉将气体燃料的催化燃烧与大风量烟气循环技术相结合，得到了热效率高、超低污染物排放的新型管式加热炉，很多应用场合下可以替代目前石化等行业中使用的大型管式加热炉，是非常具有独创性和突破性的，并不是两种技术的简单叠加，毕竟两种技术在国内就至少共存了三四十年，却从来没有技术人员想到要将其结合起来，且这种结合也取得了非常预料不到的、显著的进步。

具体地，本发明提出的一种管式加热炉，包括炉膛和布置在炉膛内的燃烧单元和热交换单元，其中：

燃烧单元为采用催化燃烧方式的催化燃烧单元，布置在炉膛的下部和/或底部；

热交换单元包括布置在所述炉膛内的炉管，所述催化燃烧单元产生的热量加热所述炉管内的工作介质。

其中，该催化燃烧单元包括催化剂床层和位于催化剂床层下的气体分布器，两者可以通过内构件来支撑和固定。对于该催化燃烧单元，其截面形状可以为矩形，也可以为方形或圆形，根据具体厂家型号或生产需要来确定。对于催化剂床层中使用的催化剂，可以为金属氧化物催化剂，其烟气的温度可达1000℃，也可以更换成其它类型的催化剂。而这方面的内容可以采用公知的催化燃烧设备和方法。

其中，该催化燃烧单元采用气体燃料。该气体燃料可以为天然气和/或炼厂气等高热值燃料，也可以为低热值燃料，如低浓度瓦斯、VOCs废气等，其中“低热值燃料”遵循本领域公知的概念，例如热值低于6.28MJ/Nm³的气体燃料。本发明中优选为热值大于57kJ/Nm³的各种低热值燃料，气体燃料先通过气体分布器，再均匀到达催化剂床层。其中，气体燃料可以经过充分预混。

作为优选，气体燃料经过预热处理；进一步优选地，预热处理通过空气预热器来实现，该空气预热器可以为板式换热器，或各种截面形状的光管、翅片管的列管换热器。

此外，该催化燃烧单元还包括预热元件，例如风机和/或电加热器等，用于管式加热炉正常操作前预热其催化剂床层。其中，根据使用要求，可以采用内置的电热丝和/或电加热棒来预热催化剂床层；或采用外置的电加热器来预热催化剂床层。

其中，该催化燃烧单元的工作区间例如为400～1000℃，根据使用的催化剂种类和燃料种类来确定。该催化燃烧单元燃烧过程中生成的NO_x的浓度可以控制在10mg/m³以下，从而实现超低氮排放；该催化燃烧单元燃烧过程中也没有CO排放。

其中，该管式加热炉还可以包括用于防止空气和气体燃料中的颗粒堵塞催化剂而在管线上设置的过滤器，和/或，用于避免出现火灾、爆炸事故后引起气体燃料发生爆炸而在气体燃料管线上安装的阻火器，来辅助该催化燃烧单元的工作。

其中，炉膛内炉管的数量可以为一组或多组，优选为2、3、4或5组。炉膛内的炉管优选为板式换热器形式或列管形式，进一步优选为各种截面形状的光管或翅片管。在本发明的管式加热炉的炉膛中，催化燃烧产生的热量主要以对流传热的方式把热量传递给炉膛内的炉管中需要加热的工作介质，与现有的管式加热炉的辐射传热方式明显不同。

炉膛内的炉管中需要加热的工作介质，可以是水及任何为满足工艺过程要求而需要加热的工作介质，例如釜底油、初底油等。

在一个优选实施方式中，如图3所示，热交换单元的炉管例如为上中下排列的三组炉管，其中B、C两组和A组的下部少数管子例如为光管或翅片管，其中通入的例如为釜底油，A组中间几根管子例如为翅片管，其中通入的例如为1.1MpaG的水蒸气，A组上部的几根管子例如为翅片管，其中通入的例如为0.4MpaG的水蒸气。而这种炉管的选材和其中通入的工作介质的选择均可以根据实际需要来灵活确定。

其中，该管式加热炉催化燃烧产生的烟气与空气预热器中的气体燃料进行热交换，再通过烟囱直接排放到大气中。

其中，该管式加热炉还可以包括烟气循环单元，催化燃烧产生的烟气可以通过循环管路输送到催化燃烧单元的燃料进口，进行催化燃烧以减少NO_x排放和排烟热量损失。

作为优选，该烟气循环单元中烟气循环质量流量与烟气质量流量的比值范围可以为5％～600％，远远突破了现有技术中的5％～20％的烟气循环量的限制。

作为优选，该管式加热炉催化燃烧产生的烟气通过循环管路与该空气预热器中预热后的气体燃料和/或空气混合后，再输送到催化燃烧单元的燃料进口进行催化燃烧。

通过如上改进之后，本发明的管式加热炉的高度可以为现有技术同等功率规格的管式加热炉中高度最小的加热炉高度的一半以下，例如现有常规的10MW以上的管式加热炉的高度在二十多米以上，而本发明同样功率的不超过10米。

本发明的管式加热炉的占地面积同样可以为现有技术同等功率规格的管式加热炉中占地面积最小的加热炉占地面积的一半以下，例如现有常规的10MW以上的管式加热炉的占地面积在二十多平方米以上，而本发明同样功率的不超过其占地面积的一半。

本发明的管式加热炉的重量同样可以为现有技术同等功率规格的管式加热炉中重量最小的加热炉重量的一半以下。

由于现有管式加热炉在功率和种类上的多样性，加热炉的高度、占地面积、重量等参数差别也很大，无法进行详细对比，下文中将通过具体实施例再次举例说明本发明的独创性和优越性。

本发明还公开了一种采用如上所述的管式加热炉的工业设备，该管式加热炉例如可以应用于石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业领域，从而该工业设备也可以是该领域中完成特定目的的工业设备。

本发明还公开了一种采用如上所述的管式加热炉的加热方法，包括以下步骤：

对催化燃烧单元进行预热；

向催化燃烧单元中注入燃料进行催化燃烧，主要以高温烟气的对流形式将燃料燃烧的热量传递给炉管中需要加热的工作介质；

燃烧产生的烟气除少量排出炉膛到大气，多数烟气循环回炉膛。

在一个优选实施例中，如图4所示，本发明的具体工艺流程如下所示：

首先，将催化燃烧单元1内的催化剂床层预热到指定温度。启动风机和电加热器3，将热风送入该催化燃烧单元1，经气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到设定温度后，关闭风机、电加热器3和阀门2。

向气体燃料中掺混空气，以得到设定的气体燃料浓度。混合空气的气体燃料经管线进入空气预热器9，被烟气的余热加热，再与从加热炉中抽出的烟气混合，混合后的气体进入催化燃烧单元，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和高温烟气形式把燃料燃烧的热量传递给炉管4-6内需要加热的介质。炉膛7内的烟气在空气预热器9内进行余热回收后通过烟囱8向大气排出。需要加热的介质从界区外管线输送到加热炉的炉管4-6内，在加热炉内经高温烟气加热后，达到工艺要求的温度，离开加热炉，进入工艺管线。本例中，炉管4-6在加热炉中的排列方式可以参见图3。炉膛7内的部分烟气可以通过循环阀门10和循环风机11与空气预热器9中被加热的气体燃料混合，然后输送到催化燃烧单元1的燃料进口处，进行催化燃烧。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述说明。需要说明的是，本实施例仅是作为举例，并不用于限制本发明。

实施例1

对于一台13MW柴油加氢重沸炉。采用本发明的催化燃烧加热工艺和设备既能实现高效加热，又能大幅度降低NO_x和CO的污染物排放。

催化燃烧装置的截面尺寸为3.6m×4.2m，气体分布器采用组合式导流-筛板-开孔结构，开孔的数量、间距和大小按等阻力原则设计。催化剂为金属氧化物的整体式催化剂，载体为200目的堇青石蜂窝陶瓷。

加热炉炉膛截面尺寸为2.6m×3.4m。本实施例中需要加热的介质为分馏塔底油。炉管采用光管和翅片管。空气预热器内布置有换热的光管和翅片管。

首先，打开阀门2，启动电加热器3，将热风送入催化燃烧装置，经过气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到500℃后，关闭电加热器3，并关闭阀门2。

启动风机，向燃料气中掺混空气。混合空气的气体燃料经空气预热器加热9，从管线进入催化燃烧装置的气体分布器，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和850℃烟气形式将热量传给炉管4内的分馏塔底油，将268.2t/h分馏塔底油从283℃加热到305℃。高温烟气的热量传递给要分馏塔底油后，温度下降到380℃，再分别在炉管5、6内产生1.1MPa和0.4MPa的蒸汽。

降温后的烟气，除一少部分进入空气预热器9加热空气与燃料气混合物，并通过烟囱8排放到大气外，排烟温度为117℃。其余的烟气以数倍于混合空气的气体燃料流量离开加热炉，与预热后的燃料气混合，做烟气循环。

催化燃烧装置数据采集和控制由西门子S7-300型PLC完成。

为实现上述加热过程，传统的加热炉排放的烟气流量大、排烟温度高，需要多消耗6％的燃料气，同时，存在氮氧化物超标排放的问题。采用催化燃烧方式的加热炉，不仅节省了大量燃料，节省了大量运行费用，同时，实现了NO_x超低浓度排放。

传统的加热炉内径6.7m，高度22m，而本发明采用催化燃烧方式的加热炉占地面积为15m²，减小了60％，高度7m，降低了60％，也大幅度降低了加热炉的重量，大大降低了加热炉制造、安装、运行成本。

实施例2

对于一台1000万吨/年常减压装置的常压炉，热负荷为53MW。采用本发明的催化燃烧加热工艺和设备既能实现高效加热，又能大幅度降低NO_x和CO的污染物排放。

催化燃烧装置的截面尺寸为7.5m×10m，气体分布器采用组合式导流-筛板-开孔结构，开孔的数量、间距和大小按等阻力原则设计。催化剂为金属氧化物的整体式催化剂，载体为200目的堇青石蜂窝陶瓷。

本例中需要加热的介质为初底油。炉管采用光管和翅片管。空气预热器为板式空气预热器。

首先，打开阀门2，启动电加热器3，将热风送入催化燃烧装置，经过气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到500℃后，关闭电加热器3，并关闭阀门2。

启动风机，向燃料气中掺混空气。混合空气的气体燃料经空气预热器加热9后，从管线进入催化燃烧装置的气体分布器，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和850℃烟气形式将热量传给炉管4内的初底油，将1068.7t/h初底油从319℃加热到360℃。高温烟气的热量传递给初底油。

降温后的烟气，除一少部分进入空气预热器9加热空气与燃料气混合物，并通过烟囱8排放到大气外，排烟温度为115℃。其余的烟气以数倍于混合空气的气体燃料流量离开加热炉，与预热后的燃料气混合，做烟气循环。

催化燃烧装置数据采集和控制由西门子S7-300型PLC完成。

为实现上述加热过程，传统的加热炉排放的烟气流量大、排烟温度高，需要多消耗5％的燃料气，同时，存在氮氧化物超标排放的问题。采用催化燃烧方式的加热炉，不仅节省了大量燃料，节省了大量运行费用，同时，实现了NO_x超低浓度排放。

传统的加热炉截面为12.6m×18.5m，高度32m，而本发明采用催化燃烧方式的加热炉占地面积减小了近70％，高度9.5m，降低了70％，也大幅度降低了加热炉的重量，大大降低了加热炉制造、安装、运行成本。

上述两个实施例中：

1、实施例1、2中的催化燃烧装置截面形状为矩形，但实际应用时，截面形状也可以是方形或圆形。

2、实施例1、2中的催化剂为金属氧化物催化剂，烟气的温度可达1000℃，也可以更换成其它类型的催化剂。

3、需要加热的介质，实施例1、2中分别是水蒸汽和分馏塔底油、初底油等。在具体应用时，可以是任何为满足工艺过程要求而需要加热的介质。

4、气体燃料可以是常规的燃料，如天然气、炼厂气等高热值燃料，也可以是低浓度瓦斯、有机废气等低热值燃料。

通过上述实施例可知，本发明是对现有管式加热炉的重大革新。除了乙烯裂解炉、蒸汽转化炉等加热介质非常高的加热炉外，石化行业现有大型管式加热炉均可以使用本发明进行改造。不仅能够每年节省大量燃料，降低运行费用，还能实现烟气的NO_x和CO的超低排放，取得良好的经济和社会效益。

在本说明书的描述中，参考术语“一优选实施例”、“示例”或“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管式加热炉，包括炉膛和布置在炉膛内的燃烧单元和热交换单元，其特征在于：

燃烧单元为采用催化燃烧方式的催化燃烧单元，布置在炉膛的下部和/或底部；

热交换单元包括布置在所述炉膛内的炉管，所述催化燃烧单元产生的热量加热所述炉管内的工作介质。

2.如权利要求1所述的管式加热炉，其特征在于，所述催化燃烧单元包括催化剂床层和位于催化剂床层下的气体分布器。

3.如权利要求2所述的管式加热炉，其特征在于，所述催化燃烧单元采用气体燃料，所述气体燃料经过充分预混；

作为优选，所述气体燃料为天然气、炼厂气和/或低热值燃料，其中所述低热值燃料进一步优选为热值大于57kJ/Nm³的低热值燃料；

作为优选，所述气体燃料经过预热处理；进一步优选地，预热处理通过空气预热器来实现，所述空气预热器为板式换热器，或各种截面形状的光管、翅片管的列管换热器。

4.如权利要求2所述的管式加热炉，其特征在于，所述催化燃烧单元还包括预热元件，用于所述管式加热炉正常操作前预热所述催化剂床层；

作为优选，采用内置的电热丝和/或电加热棒来预热所述催化剂床层；

作为优选，采用外置的电加热器来预热所述催化剂床层。

5.如权利要求2所述的管式加热炉，其特征在于，所述管式加热炉还包括防止空气和气体燃料中的颗粒堵塞催化剂而在管线上设置的过滤器，和/或，避免出现火灾、爆炸事故后引起气体燃料发生爆炸而在气体燃料管线上安装的阻火器。

6.如权利要求1所述的管式加热炉，其特征在于，所述管式加热炉还包括烟气循环单元，炉膛内的烟气通过从炉膛上方引出的循环管路输送到所述催化燃烧单元的燃料进口；

作为优选，所述烟气循环单元中烟气循环质量流量与烟气质量流量的比值范围为5％～600％；

作为优选，所述炉膛内炉管的数量为一组或多组，优选为2、3、4或5组；

作为优选，所述炉膛内的热交换单元为板式换热器形式或列管形式，优选为各种截面形状的光管或翅片管。

7.如权利要求1所述的管式加热炉，其特征在于，所述催化燃烧产生的烟气从炉膛排出后先与空气预热器进行热交换，再直接排放到大气中；

作为优选，所述管式加热炉还包括烟气循环单元，炉膛内的烟气通过从炉膛上方引出的循环管路与所述空气预热器中预热后的气体燃料混合后，输送到所述催化燃烧单元的燃料进口。

8.如权利要求1所述的管式加热炉，其特征在于，所述管式加热炉的催化燃烧单元的工作区间为400～1000℃；

作为优选，所述管式加热炉的催化燃烧单元燃烧过程中生成的NO_x的浓度在10mg/m³以下；

作为优选，所述管式加热炉的催化燃烧单元燃烧过程中没有CO排放：

作为优选，所述管式加热炉的炉膛中，催化燃烧产生的热量主要以对流传热的方式把热量传递给炉管中需要加热的工作介质；

作为优选，所述管式加热炉的高度为现有技术中同等功率规格的管式加热炉高度的一半以下；

作为优选，所述管式加热炉的占地面积为现有技术中同等功率规格的管式加热炉占地面积的一半以下；

作为优选，所述管式加热炉的重量为现有技术中同等功率规格的管式加热炉重量的一半以下。

9.一种采用如权利要求1～8任一项所述的管式加热炉的工业设备。

10.一种采用如权利要求1～8任一项所述的管式加热炉的加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

对催化燃烧单元进行预热；

向催化燃烧单元中注入燃料进行催化燃烧，主要以高温烟气的对流形式将燃料燃烧的热量传递给炉管中需要加热的工作介质；

燃烧产生的烟气除少量排出炉膛到大气中外，多数烟气循环回炉膛。