CN116829872A - 用于操作加热装置的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于操作加热装置的系统和方法。首先对含氧流进行处理，以产生包含多于25体积％的氧气的氧气流。然后将氧气流与空气流混合，以产生含有21.5体积％至27体积％的氧气的燃烧气体流。燃料在燃烧气流中燃烧以为加热装置提供热量。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年12月21日提交的美国临时专利申请第63/128,793号的优先权权益，其全部内容通过引用整体并入本文。
发明领域
本发明一般涉及用于操作加热装置的系统和方法。更具体地，本发明涉及产生用于在加热装置中燃烧燃料的富氧的燃烧废气。
发明背景
加热是化学加工工业的最重要的方法之一。通常，为了向化工生产过程提供热量，在加热装置(例如，炉、锅炉和换热器)中将燃料在空气中燃烧。然而，包括蒸汽裂解在内的许多化工生产过程都是在高温下进行的，这就要求燃烧过程的强度很高。目前在空气中燃烧燃料的方法在为化工生产过程提供足够的热量方面存在局限性，导致化工生产效率有限。虽然大多数加热器的容量可以通过简单地用力燃烧，即推入更多的燃料来增加，但对燃烧空气的需求也会随之增加。该炉可以达到以下一个或多于一个限制，包括(1)工艺侧的机械流量限制，如峰值速度；(2)燃料气总管压力限制；(3)燃烧空气流量限制。这导致炉成为进一步提高工厂生产能力的限制设备。可以探索各种方案来解决炉容量限制，其中可以包括安装新的炉、升级炉的设计、燃烧器或其组合、使用富氧燃料燃烧等。然而，所有这些方案都是高度资本密集型的，并可能会抑制成本。对于纯O2燃烧，主要的挑战包括O2的可用性和成本以及炉和燃烧器的改装成本。在需要小幅或中等水平增产的情况下，另一种选择是使用富O2燃烧，而不是纯O2燃烧。
总之，虽然存在操作加热装置的方法，但是鉴于常规方法的前述缺点，该领域仍需要改进。
发明内容
已经发现了与操作加热装置的方法相关的至少上述问题的解决方案。该解决方案在于操作加热装置的方法，方法包括使用基于膜的分离组件以产生作为燃烧气体的富氧空气(>21体积％O2)，并燃烧燃烧气体中的燃料。与常规方法相比，这至少有利于提高燃料的能量效率。此外，所公开的方法还可以包括使第一空气流流经穿过膜组件，并使第二空气流与第一空气流逆流流经穿过单独的空气入口，以产生穿过膜组件渗透侧的空气逆流扫掠，从而提高膜分离过程的能量效率。此外，所公开的方法还可以包括使用安装在加热装置入口处的膜分离单元，从而消除排风机、鼓风机和管道工程的资本性支出。此外，所公开的方法可以包括经由扩散器在加热装置(例如，蒸汽裂解炉)的上喷入富氧空气，从而与常规方法相比，提高了氧气和燃料的混合效率。因此，本发明公开的系统和方法为与用于操作加热装置的常规系统和方法相关的问题提供了技术解决方案。
本发明的实施方案包括操作加热装置的方法。方法包括使含氧的第一流在加热装置的第一入口处流经穿过一个或多于一个氧分离膜组件，以产生富氧流。方法包括将第二流和氧气流相互逆流流入加热装置中，使得第二流与氧气流混合以产生富氧燃烧气体流。方法还包括在加热装置中燃烧富氧燃烧气体流中的燃料以产生热量。
本发明的实施方案包括操作加热装置的方法。方法包括使第一空气流流经穿过加热装置的第一入口处设置的一个或多于一个氧分离膜组件，以产生富氧空气流。方法包括使第二空气流和氧气流相互逆流流入加热装置中，以产生穿过氧气分离膜组件渗透侧的空气逆流扫掠，并且第二空气流与氧气流混合以产生包含21.5体积％至27体积％的O2的富氧燃烧气体流。方法还包括在加热装置中燃烧富氧燃烧气体流中的燃料以产生热量。
本发明的实施方案包括操作加热装置的方法。方法包括使含氧流流经穿过一个或多于一个基于膜的氧分离组件，以产生富氧流。方法包括将氧气流与气体流混合以形成包含多于21重量％的氧气的燃烧气体流。方法包括通过一个或多于一个扩散器将燃烧气体流喷入加热装置的空气入口上游，使得燃烧气体流与燃料混合。方法还包括在加热装置中燃烧燃烧气体中的燃料以产生热量。
以下包括本说明书中使用的各种术语和短语的定义。
术语“大约”或“近似”被定义为本领域普通技术人员所理解的接近于。在一个非限制性实施方案中，该术语定义为偏差在10％以内，优选5％以内，更优选1％以内，最优选0.5％以内。
术语“重量％”、“体积％”或“摩尔％”分别指基于包含组分的材料总重量、总体积或总摩尔数的该组分的重量、体积或摩尔百分比。在一个非限制性实例中，100摩尔材料中的10摩尔组分是10摩尔％的组分。
术语“基本上”被定义为包括偏差在10％以内、5％以内、1％以内或0.5％以内的范围。
术语“抑制”或“减少”或“防止”或“避免”或这些术语的任何变体当在权利要求书和/或说明书中使用时，包括为了实现预期结果的任何可测量的减少或完全的抑制。
术语“有效地”当使用在权利要求书和/或说明书中时，指足以达到期望的、预期的或预想的结果。
当与权利要求或说明书中的术语“包含”、“包括”、“含有”或“具有”结合使用时，在元素前不使用数字可以表示“一个”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。
词语“包含”、“包括”、“具有”或“含有”都是包容性的或开放的并且不排除其他未提及的元素或方法步骤。
本发明的方法可以“包含”在本说明书全文所公开的特定材料、成分、组合物等，或“基本上由”或“由”在本说明书全文所公开的特定的组分、组合物、成分等“构成”。
术语“主要地”当使用在权利要求书和/或说明书中时，是指大于50重量％、50摩尔％和50体积％中的任何。例如，“主要地”可以包括50.1重量％至100重量％以及其间的所有值和范围、50.1摩尔％至100摩尔％以及其间的所有值和范围或50.1体积％至100体积％以及其间的所有值和范围。
根据以下附图、具体实施方式和实施例，本发明的其他目的、特征和优点将变得明显。然而，应当理解，附图、具体实施方式和实施例虽然表明了本发明的具体实施方案，但是仅以说明的方式给出，并不意味着限制。另外，预期根据该具体实施方式，本发明的精神和范围内的改变和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。在其他实施例中，来自特定实施例的特征可以与来自其他实施例的特征组合。例如，来自一个实施例的特征可以与来自任何其他实施例的特征组合。在其他的实施例中，可以将附加特征添加到本文描述的特定实施例中。
附图的简要说明
为了更完整地理解，现结合附图参考以下描述，其中：
图1A至图1D示出了根据本发明的实施方案，用于操作加热装置的系统的示意图；图1A示出了用于操作加热装置的系统的示意图，该系统包括在加热装置的入口处的膜分离组件；图1B示出了用于操作加热装置的系统的示意图，该系统包括多个膜分离组件；图1C示出了可用于图1B所示系统中的扩散器的示意图；图1D示出了根据本发明的实施方案，具有用于富氧气体的最佳入口的加热装置的燃烧器；
图2A和图2B示出了根据本发明的实施方案，用于操作加热装置的方法的示意流程图；和
图3A和图3B示出了根据本发明的实施方案，用于操作加热装置的各种通风方案的示意图；图3A示出了用于加热装置的诱导通风的示意图；图3B示出了用于加热装置的平衡通风的示意图。
具体实施方式
目前，燃烧燃料和空气混合物被以向加热装置提供热量，而加热装置又被用于向生产过程提供热量。然而，常规方法的加热效率和/或燃料效率相对有限。由于火焰温度较高，在纯氧中燃烧燃料可以提高燃料效率。然而，用纯氧改造现有的空气燃烧炉需要大量的资本支出。例如，乙烯使用的大多数炉是自然通风或诱导通风的。这些都需要通过烟气再循环转换成强制通风或平衡通风以便在纯氧燃烧下操作。燃烧器的配置也需要用纯氧进行改变。通过烟气再循环优化设计的纯氧燃烧可以最大限度地减少对燃烧器和对流部分的改变，但这通常被用作CO2捕捉的机会。本发明为这些问题中的至少一些提供了解决方案。该解决方案的前提是向加热装置提供热量的方法，包括使用基于膜的分离组件来产生富氧燃烧气体(O2体积％>21体积％)，从而导致更高的燃料效率。此外，所公开的方法没有显著减少烟气的产生，减轻了纯氧中燃烧的热量分布问题。此外，所公开的方法能够在膜组件的渗透侧产生逆流扫掠，从而降低基于膜的氧分离的能量消耗。本发明的这些和其他非限制性方面将在以下章节中进一步详细讨论。
A.用于操作加热装置的系统
在本发明的实施方案中，用于向加热装置提供热量的系统使用富氧气体(O2体积％>21体积％)以获得更高的燃料效率。值得注意的是，该方法能够产生足够的烟气以维持加热装置中的热量分布，同时保持比常规方法更高的燃烧效率。参照图1A，示出了用于向加热装置提供热量的系统100的示意图。
根据本发明的实施方案，加热装置可以包括炉、锅炉、减压蒸馏单元加热器、原油蒸馏单元加热器、硫酸再生加热器或其组合。在本发明的实施方案中，系统100包括被配置为在其中燃烧燃烧气体中的燃料的第一加热装置101。第一加热装置101可以包括锅炉或包括一个或多于一个燃烧器的炉。炉可以是常规蒸汽裂解单元的炉。
在本发明的实施方案中，系统100还包括被配置为从第一流11分离氧气的膜分离单元102，以产生包含28重量％至35重量％氧气的气体。第一流11可以包含空气。根据本发明的实施方案，膜分离单元102可以包括多个膜分离组件103。膜分离组件103可以包括基于陶瓷的膜、基于聚合物的膜、金属络合物增强膜或其组合。膜分离组件103可以包括压缩机组件、透平式膨胀机组件、串联(即，堆叠配置)的膜组件、过滤器组件。
根据本发明的实施方案，膜分离单元102可以包括被配置为在其中接收其他流13的其他入口，使得从第一流11分离的氧气与其他流13混合以形成第一燃烧气体流14。第一燃烧气体流14可以包含多于21体积％的氧气，优选25体积％至35体积％的氧气。在本发明的实施方案中，其他流13可以包含空气。在本发明的实施方案中，膜分离单元102安装在加热装置101的燃烧器的第一入口处。
根据本发明的实施方案中，加热装置101的燃烧器包括被配置为将第二流12接收到燃烧器中的第二入口。第二入口被配置为使得第二流12和第一流11逆流流入燃烧器中，以产生穿过膜分离组件103的渗透侧的空气的逆流扫掠。在本发明的实施方案中，逆流扫掠能够降低膜分离单元102中氧气分离的能量消耗。在本发明的实施方案中，由膜分离单元102或第一燃烧气体流14产生的氧气与第二流12组合以形成富氧燃烧气体流15。第二流12可以包含空气。富氧燃烧气体流15可以包含21.5体积％至27体积％的氧气。加热装置101可以用诱导通风和/或自然通风来操作。在本发明的实施方案中，强制通风是通过在加热器(例如，加热装置101)的底部放置排风机来产生的，这导致超压以通过燃烧器空气入口将空气驱动到加热器中。如图3A所示，平衡通风是通过调整强制通风和诱导通风来产生的，以达到燃烧器内的大气压力，从而避免意外的其他空气流入加热装置中。如图3B所示，诱导通风是通过使用放置在加热器顶部的轴流风机将空气吸入加热器(例如，加热装置101)来产生诱导通风。诱导通风被配置为在加热器中产生低压，其通过加热器的燃烧器空气入口吸入空气。
参照图1B，示出了用于向加热装置提供热量的系统200的示意图。根据本发明的实施方案，系统200包括第二加热装置201。第二加热装置201可以包括炉、锅炉、再沸器、换热器或其组合。在本发明的实施方案中，系统200包括被配置为压缩第一含氧流21以形成经压缩的含氧流23的压缩机204。第一含氧流21可以包含空气。
根据本发明的实施方案，压缩机204的出口可以与第二膜分离单元203的入口流体连通，使得经压缩的含氧流从压缩机204流向第二膜分离单元203。第二膜分离单元203可以包括一个或多于一个平行操作的第二膜组件206。第二膜组件206可以包括基于陶瓷的膜、基于聚合物的膜、金属络合物增强膜或其组合。第二膜分离单元203的第二膜组件206可以包括压缩机、透平式膨胀机、串联(即，堆叠配置)的膜组件、不同型号的过滤器。第二膜分离单元203可以被配置为处理经压缩的含氧流23以产生第二富氧流22。第二富氧流22可以包含25体积％至30体积％的氧气。作为分离经压缩的含氧流23的替代或补充，第二膜分离单元203可以被配置为处理含氧流21以产生第二富氧流22。
根据本发明的实施方案，膜分离单元203的出口与中央管道202流体连通。位于中心的膜组件被配置为用于强制通风炉或平衡通风炉。膜分离单元203的膜组件可以位于接近鼓风机的位置，鼓风机被配置为向炉提供燃烧空气。扩散器305被配置为将第二富氧流22(25重量％至35重量％的氧气)喷入中央燃烧空气管道，使得第二富氧流22从膜分离装置203流向中央管道202。如图1C所示，每个扩散器205可以包括多个用于释放气体的槽。扩散器205还被配置为将第二富氧流22与包含中央管道202中的空气的第二空气流24混合，以形成第三燃烧气体流25。第三燃烧气体流25可以包含21.5体积％至27体积％的氧气。
根据本发明的实施方案，中央管道202连接到第二加热装置201，使得在中央管道装置202中释放的第二富氧流22流入第二加热装置201的一个或多于一个燃烧器中。第二加热装置201可以包括蒸汽裂解炉、蒸汽转化炉、锅炉、减压蒸馏单元加热器、原油蒸馏单元加热器、硫酸再生加热器或其组合。在本发明的实施方案中，第二加热装置201可以在强制通风或平衡通风的情况下操作。
根据本发明的实施方案，对于系统100和/或系统200，包含富氧空气的富氧气体，可以在中央位置和/或中央设备中产生。如图1D所示，在中央位置和/或中央设备中产生的富氧气体可以在燃烧器的空气室处被喷入加热装置的燃烧器中。富氧气体可以通过一个或多于一个扩散器喷入燃烧器。
B.操作加热装置的方法
已经发现了操作加热装置的方法。与常规方法相比，该方法可能能够提高燃料燃烧效率。如图2A所示，本发明的实施方案包括操作加热装置的方法300。方法300可以由系统100实现。
根据本发明的实施方案，如框301所示，方法300包括使第一流11流经穿过设置在加热装置101的第一入口处的膜分离单元102的一个或多于一个膜分离组件103以产生氧气流。在本发明的实施方案中，第一流11为含氧流。含氧流可以包含空气。在本发明的实施方案中，由膜分离单元102产生的氧气流包含28体积％至35体积％的氧含量。在本发明的实施方案中，在框301，一个或多于一个膜分离组件103在3巴至15巴的操作压力下操作。一个或多于一个膜分离组件103可以在10℃至50℃、优选25℃至30℃的操作温度下操作。
根据本发明的实施方案，如框302所示，方法300包括使第二流12和氧气流相互逆流，从而产生穿过一个或多于一个分离膜组件103渗透侧的气体的逆流扫掠。在本发明的实施方案中，逆流扫掠被配置为减少使用一个或多于一个膜分离组件103从第一流11分离氧气的能量消耗。在本发明的实施方案中，第二流12包含空气。在本发明的实施方案中，如方框303所示，方法300包括将氧气流与第二流12混合以产生燃烧气体流15。燃烧气体流15可以包含含有21.5体积％至27体积％的氧气的富氧空气。方框302和方框303可以同时进行。
作为将氧气流与第二流12混合以形成燃烧气体流15的替代或补充，如方框304所示，方法300可以包括使其他流13流经穿过加热装置101的第一入口，使得氧气流和其他流13形成第一燃烧气体流14。其他流13可以包含空气。在本发明的实施方案中，第一燃烧气体流14可以包含25体积％至30体积％的氧气。在本发明的实施方案中，如方框305所示，方法300包括将第一燃烧气体流14与第二流12混合以形成燃烧气体流15。方框302和方框305可以同时进行。燃烧气体流15可以包含含有21.5体积％至27体积％的氧气的富氧空气流。
根据本发明的实施方案，如方框306所示，方法300包括在加热装置101中燃烧燃烧气体流15中的燃料以产生热量。在本发明的实施方案中，示例性燃料可以包括天然气、乙烷、丙烷、CH4或其组合。在本发明的实施方案中，方法300在没有再循环烟气的情况下进行。第一加热装置101可以在平衡通风和/或强制通风的情况下操作。
如图2B所示，本发明的实施方案包括操作加热装置的方法400。方法400可以由系统200实现。根据本发明的实施方案，如方框401所示，方法400包括使第一含氧流21流经穿过一个或多于一个第二膜组件206以产生第二富氧流22。第二富氧流22可以包含25体积％至30体积％的氧气。在本发明的实施方案中，在方框401中，一个或多于一个第二膜组件206的操作压力为3巴至15巴。一个或多于一个第二膜组件206可以在10℃至50℃的操作温度下操作。
根据本发明的实施方案，如方框402所示，方法400包括通过一个或多于一个扩散器205在第二加热装置201的空气入口上游的位置处喷入第二富氧流22。在本发明的实施方案中，第二富氧流22被喷入中央管道202中。根据本发明的实施方案，如方框403所示，方法400包括将第二富氧流22与第二空气流24混合以形成第三燃烧气体流25。第三燃烧气体流25可以包含21.5体积％至27体积％的氧气。方框402和方框403可以在中央管道202中同时进行。在方框403中，第二富氧流22与第二空气流24的体积流量比可以为0.3至0.65。
根据本发明的实施方案，如方框404所示，方法400包括在第二加热装置201中燃烧第三燃烧气体流25中的燃料以产生热量。在本发明的实施方案中，示例性燃料可以包括天然气、H2、CH4、乙烷、丙烷或其组合。在本发明的实施方案中，方法400在没有再循环烟气的情况下进行。在本发明的实施方案中，第二加热装置201在强制通风或平衡通风的情况下操作。在本发明的实施方案中，方法300和/或方法400可以通过在中央位置或连接到加热装置的中央设备中喷入富氧空气来进行。
尽管参照图2A和图2B中的方框描述了本发明的实施方案，应当理解，本发明的操作不限于图2A和图2B中所示的特定方法框和/或特定的方法框顺序。因此，本发明的实施方案可以使用不同于图2A和图2B的顺序排列的不同方法框来提供本文所述的功能。
本文描述的系统和方法还可以包括化学加工领域的技术人员公知的未示出的各种设备。例如，可能未示出的一些控制器、管道、计算机、阀、泵、加热器、热电偶、压力指示器、混合器、换热器等。
尽管已经详细描述了本申请的实施方案及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的实施方案的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组合物、手段、方法和步骤的特定实施方案。如本领域普通技术人员根据上述公开内容将容易理解的，可以利用当前存在的或以后将要开发的执行与本文所述的相应实施方案基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些工艺、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤包括在其范围内。
Claims (15)
1.一种操作加热装置的方法，所述方法包括：
使包含氧气的第一流在加热装置的第一入口处流经穿过一个或多于一个氧气分离膜组件，以产生富氧流；
使包含氧气的第二流和富氧流相互逆流流入加热装置中，使得第二流与富氧流混合以产生富氧燃烧气体流；和
在加热装置中燃烧富氧燃烧气体流中的燃料以产生热量。
2.一种操作加热装置的方法，所述方法包括：
使第一空气流流经穿过一个或多于一个设置在加热装置的第一入口处的氧气分离膜组件，以产生富氧流；
使其他空气流流经穿过加热装置的第一入口，使得其他空气流与氧气流形成第一燃烧气体流；
使第二空气流和富氧流相互逆流流入加热装置中，从而产生穿过氧气分离膜组件渗透侧的空气逆流扫掠；
将第二空气流与第一燃烧气体流混合以产生富氧燃烧气体流；和
在加热装置中燃烧富氧燃烧气体流中的燃料以产生热量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中逆流扫掠被配置为减少用于分离氧气的能量消耗。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中富氧燃烧气体流包含21.5体积％至27体积％的O2。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中逆流扫掠被配置为减少用于分离氧气的能量消耗。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中加热装置在平衡通风的情况下操作，以供燃烧气体的进气。
7.一种操作加热装置的方法，所述方法包括：
使含氧流流经穿过一个或多于一个基于膜的氧气分离组件，以产生包含多于25体积％的氧气的富氧流；
通过一个或多于一个扩散器将富氧流喷入加热装置空气入口的上游；
将氧气流与空气混合以形成包含多于21体积％的氧气的燃烧气体流；和
在加热装置中燃烧燃烧气体中的燃料以产生热量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中一个或多于一个基于膜的氧气分离组件是并行操作的。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中加热装置包括蒸汽裂解炉、蒸汽转化炉、锅炉、减压蒸馏单元加热器、原油蒸馏单元加热器、硫酸再生加热器或其组合。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中加热装置能够在强制通风或平衡通风的情况下操作。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中富氧流包含28体积％至25体积％的氧气。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中燃烧气体流包含21.5体积％至27体积％的氧气。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中加热装置在没有再循环烟气的情况下操作。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中膜组件的膜包括基于陶瓷的膜、基于聚合物的膜、金属络合物增强膜或其组合。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中燃料包括CH4、H2、丙烷、乙烷或其组合。
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