CN1307286C - 具有成对燃烧器分段燃烧系统的热解加热器 - Google Patents

Abstract

一个热解加热器，具有成组在一起的工艺盘管入口段以及同样成组在一起的工艺盘管出口段。高热量释放炉膛燃烧器置于盘管入口段附近，而较低热量释放燃烧器置于出口段附近。燃烧器的辅燃料喷嘴朝向相邻的加热器壁倾斜。靠近盘管入口的高热量释放炉膛燃烧器成对间隔布置，每对燃烧器中的辅燃烧器喷嘴朝向其它对燃烧器倾斜。

Description

具有成对燃烧器分段燃烧系统的热解加热器

技术领域

本发明涉及热解加热器特别是一种改良后的燃烧器装置，其用于控制工艺盘管中不同段的热流量。

背景技术

一个典型的热解加热器包括一个或多个燃烧室，燃烧室由辐射加热段和一个或多个包括物料预热器的上部对流段构成。辐射加热段包括多个悬于燃烧室两辐射壁之间中心面的辐射工艺盘管。每排盘管的通道大部分锻造为朝着出口端直径逐渐变大的管子。通常盘管在入口端具有一定数量平行的较小的管子，在出口端具有少数较大的管子。

垂直燃烧器置于燃烧室的炉膛或底板上，这些燃烧器作为许多类型的热解加热器内的热源使用。在乙烯裂解加热器中，同样的炉膛燃烧器沿着每个燃烧室的两个长壁间隔排放在炉膛中，从而燃烧器为工艺盘管内部原料的热解提供了必要的高强度释放热量。用于特殊情况的特殊燃烧器必须提供可接受性能范围内高度的函数的热量释放速度。这就确保了工艺盘管从顶部到底部接受足够的热流量，并且没有产生热点，其中该热点促使工艺盘管内部沉淀物的形成且减少加热器的生产效率。在乙烯工厂中的典型热解加热器中，其中按顺序放置有八到十个用于轻原料的炉膛燃烧器，或者十八到二十个用于重原料的炉膛燃烧器，这些炉膛燃烧器沿着燃烧室侧面上的每排耐火壁放置，同时燃烧室中工艺盘管悬于两壁间的中心处。所有燃烧器具有相同的设计并以差不多同样的速度沿着壁向上燃烧。这使得工艺盘管的入口通道和出口通道以同样的流量或热量释放速度被加热。由于在工艺盘管中朝向盘管的出口端的气体较热，这些出口端更容易受到内部焦炭沉积物的影响。当盘管的入口端和出口端以同样的速度被加热时，焦化就更有可能了。更进一步的讲，在出口通道上具有较热加工温度和相同流量的情况下，出口通道管子的金属温度通常最高。在典型的辐射盘管中，操作受最高金属温度的限制，因为这些昂贵合金管以接近于粘滞流量极限工作。

发明内容

本发明的目的在于更有效对热解加热器的工艺盘管进行加热，同时以增加较冷入口段的热流量和减少较热出口段的热流量的方式进行加热。目的是减少较热出口段热流量，从而减少炼焦形成的趋势，同时保持着裂解所需总热量的输入。更具体地讲，本发明包括对盘管入口形成组段以及出口形成组段，同时提供高输出量和低输出量的燃烧器。成对排放的燃烧器产生一个温度场，该温度场分成较热区域和较冷区域，这两个区恰当地与工艺盘管的特殊段相对准。再更具体说，本发明涉及对从燃烧器中出来的火焰进行引导，从而得到期望的温度区。

根据本发明，提供了一种用于将烃转化为烯烃的热解加热器包括：a、一个辐射加热区；b、在所述辐射加热区内具有多个加热盘管，每个加热盘管具有成一线排列的入口通道和出口通道，每个盘管的入口通道与相邻盘管的入口通道相对应，每个盘管的出口通道与相邻盘管的出口通道相靠近；以及c、多个炉膛燃烧器，它们沿着与所述盘管线平行并隔开的直线彼此分开放置，所述炉膛燃烧器包括具有第一燃烧速度的燃烧器和具有第二较高燃烧速度的燃烧器，所述具有第一燃烧速度的燃烧器对准盘管的出口通道，具有第二较高燃烧速度的燃烧器对准盘管的入口通道，所述具有第二较高燃烧速度的燃烧器相邻成对间隔排放，每个燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴和朝向相邻的成对燃烧器成角度倾斜的燃料喷嘴，其角度倾斜度足以向入口通道施加至少3％的增加热流量。

根据本发明，还提供了一种用于将烃转化为烯烃的热解加热器包括：a、一个辐射加热区；b、在所述辐射加热区内具有多个加热盘管，每个加热盘管具有在辐射加热区中成一线排列的入口通道和出口通道，至少一些盘管的入口通道与相邻盘管的入口通道相靠近，至少一些所述盘管的出口通道与相邻盘管的出口通道相靠近；以及c、多个炉膛燃烧器，它们沿着与所述盘管线平行并隔开的直线彼此分开，所述炉膛燃烧器包括与盘管出口通道对准的第一炉膛燃烧器和与盘管入口通道对准的第二炉膛燃烧器，所述每个第一炉膛燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴，所述第二炉膛燃烧器相邻成对间隔布置，每个第二炉膛燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴和朝向相邻成对的第二炉膛燃烧器成一个角度倾斜的燃料喷嘴，其角度倾斜度足以向入口通道施加至少3％的增加热流量。

附图说明

图1为一个典型热解加热器的简化垂直横剖图。

图2为在具有炉膛燃烧器的热解加热器燃烧室中的典型流量模式示意图。

图3为现有技术中热解加热器燃烧室下部的水平剖面图，图中示出了炉膛燃烧器在炉膛中沿壁间隔排放。

图4A为图3中一个燃烧器的剖面图，图中示出了在剖面图平面中的主和辅燃料喷嘴和燃烧方向。

图4B为图4A中燃烧器的正视图，图中示出了在平行于壁的平面内辅燃料喷嘴的燃烧方向。

图5为类似于图3中燃烧室下部的水平剖视图，但是图中所示的为本发明的燃烧器装置。

图6A为图5中一个燃烧器的剖面图，图中示出了在剖面图平面中的主和辅燃料喷嘴和燃烧方向。

图6B为图6A中燃烧器的正视图，图中示出了在平行于壁的平面内主和辅燃料喷嘴的燃烧方向。

图7为从本发明燃烧器装置中出来的火焰流量模式的示意图。

图8A为表示现有技术中采用分区燃烧器排放的热解加热器的辐射强度分部的灰度色标示意图。

图8B为类似于图7A的灰度色标图，但是图中示出了本发明的辐射强度。

图9为一个图表，示出了本发明的流量与现有技术的流量之比的比率。

具体实施方式

在具体描述本发明优选实施例之前，先描述一下现有技术中的热解加热器。图1中为这样一种现有技术中加热器的剖视图。这种加热器具有一个辐射加热区14和一个对流加热区16。换热面18和20置于对流加热区16中，此时示出的换热面用于预热烃物料。这个区域还可以包括用于产生蒸汽的换热面。从对流加热区中出来的预热物料沿着24所指进入到位于辐射加热区14中的加热盘管26中。从加热盘管26裂解后的产物沿着30所指排出。

辐射加热区14包括壁34和36以及底板或炉膛42。垂直燃烧的炉膛燃烧器46安装在底板上。这些燃烧器46通常包括穿过所有垂直输入的燃烧空气的耐火瓦47和一系列引入到气流的燃料喷嘴48。燃料喷嘴48置于耐火瓦47的外部，用于燃烧辅燃料，而附加燃料喷嘴置于耐火瓦内部，用于燃烧主燃料，这将在下文中进行描述。由于燃烧区中辅燃料慢速的扩散混合，这被称为分段燃烧，这种混合使得火焰大概到达炉高度一半的时候就达到了最大温度。除了炉膛燃烧器外，还可以包括壁燃烧器49。这些辐射形式的燃烧器产生平焰模式，燃烧器穿过壁排放从而避免了火焰对盘管管束的影响。

图2示出了裂解加热器内部的流量模式，显示出炉膛燃烧器卷流在加热器中产生一个双重涡流。从燃烧器中出来的热气体沿壁上升，同时沿着中心处的较冷工艺盘管26的下降气流到底部后分开，返回到燃烧器中。驱动力包括高速燃料喷射、混入燃烧器的气流和浮力。因为所有的炉膛燃烧器同时工作且在没有水平组件和相互作用的情况下垂直燃烧，所以这个双涡流模式容易形成且有效率。这就造成了个别燃烧器卷流与从盘管中出来的再流通气体快速混合，使主要系统对于个别燃烧器的输出量的变化显得稍微迟钝了些。

图3为燃烧室一半的下部的水平剖面图，图中示出了现有技术中分区燃烧的燃烧器的布置，燃烧器中包括一些普通热量输出燃烧器和另一些高热量输出燃烧器。在此一半的燃烧室剖面图中示出了三排分隔的盘管50、52和54，其具有小入口管56，大出口管58和介于入口管和出口管之间的具有中间尺寸的管60。在此布置中，为了试图使入口管56获得的热量多于出口管58获得的热量，与出口管58相邻的炉膛燃烧器62具有普通燃烧速度的普通热量释放燃烧器，同时与入口管56相邻的燃烧器64具有较高燃烧速度的高热量释放燃烧器。

图4A为图3中的燃烧器62或64之一的剖视图，而图4B为图4A中右侧燃烧器的正视图。燃烧器包括陶瓷耐火瓦47、置于耐火瓦47外部的辅燃料喷嘴48和置于耐火瓦内部的主燃料喷嘴66。燃料喷嘴包括与带有燃烧喷嘴的燃料供给管连接的空心球体，燃烧喷嘴带有小孔，该孔通过钻削或其他方式以适当角度穿过球壁而形成。如图4A和4B所示，引出的主燃料喷嘴66沿着箭头67所示垂直燃烧。辅燃烧喷嘴48在如图4B的平面中沿箭头49所示垂直引出，而在如图4A的平面中喷嘴沿箭头49所示为具有一个朝向壁34的元件，这个元件迫使火焰进入壁中。朝向壁的倾斜度优选地与垂直线成12度到16度。高热量释放燃烧器排布多于低热量释放燃烧器，使得从某一高度向上的差别很小。

为了增加图3中所示分区燃烧的温度控制效率，本发明使相邻的高热量释放燃烧器成对排放。普通热量释放燃烧器62没有变化。图5中示出了分区燃烧系统中成对燃烧器的排布情况。燃烧室包括和图3中具有相同装置的盘管50、52及54和管56、58及60。它还包括相同类型的普通热量释放燃烧器62，这些燃烧器靠近具有出口管58的盘管部分并与其成一线排列。为了利于普通热量释放燃烧器的位置摆放，一排例如盘管50的盘管出口与其相邻的一排例如盘管52的盘管出口相靠近放置。

在本发明中，高热量释放燃烧器68不同于图3中的高热量释放燃烧器64。目的是形成一个温度场，该温度场分成热区和冷区，而热区和冷区与工艺盘管特殊段对齐。通过为这些成对燃烧器的喷嘴提供侧向元件，使得该成对燃烧器之间的火焰混合，并且引导火焰沿壁向上。这个侧向元件优选地与垂直线成16度到30度的角。自一对这种燃烧器出来的冷气流朝燃烧器62向外侧向流动，且对准出口管58。从图5以及图6B更清楚地看到，如箭头73所示，每个高热量释放燃烧器68中的辅燃料喷嘴72倾斜于相邻的高热量释放燃烧器68的垂直方向。这里把侧向元件引入到来自高热量释放燃烧器中的火焰，此侧向元件使火焰合并。主燃料喷嘴70优选的仍然保持着如箭头71所示的垂直燃烧。图7示出了从燃烧器喷出的火焰的流量模式。

在这种燃烧模式中，较冷气流围绕盘管卷动且下落到底板的趋势快于成对的高热量释放燃烧器形成卷流的趋势。通过相邻高热量释放燃烧器的分段燃烧喷嘴72的结合形成了较热卷流，该较热卷流为盘管的第一入口通道提供增加的热流量。在卷动下落之前在燃烧室中的热卷流到达较高点。在较长的一段时间内相对于盘管的入口通道供给更多的高温气体，对于出口通道减少高温气体。这在图8A和8B中示出，其中这两幅图对图8A中传统的区域燃烧与图8B中成对燃烧器的区域燃烧的辐射强度进行了比较。为了清楚表示，这两幅图中仅仅示出了入口管56。从图8B所示的本发明和图8A中所示的现有技术的进行比较可以看出，入口管区域内的辐射程度有所增加，出口管区域内的辐射程度有所下降。同时，较冷的卷流朝着中心处流出，并流入靠近盘管出口通道的盘管下游区域。对于在不同程度穿过部件的温度分布的相似比较可以看出，现有技术中的温度分布具有明显的一致性，而本发明盘管入口区域的温度明显高于盘管出口区域的温度。图9为一个流量比率图表，其示出了用于成对燃烧器装置的流量与用于六盘管单元一半中的三盘管的不同管子的普通区域燃烧装置的流量之比。可以看出包括入口管1到9、21到28和29到36的第一通道具有超过3％更多的热流量。更为重要的是，包括10到19和37到42的后部通道热流量有所减少(不及2-3％)，且后部通道具有较低的最高金属温度。

实际中，由于减少了盘管出口中流量，可允许乙烯加热器的设计者增加在成对区域燃烧盘管的总平均流量，从而减少了盘管出口结垢并减少了盘管出口的最高金属温度。通过允许在最大金属温度处增加流量，使得转换量或生产量或是二者都能够得到提高。因而当以同样最大金属温度操作时，本发明在生产能力或热量输入的总预定增加值为相对流量差额的总和或超过5％。

Claims (5)

1.一种用于将烃转化为烯烃的热解加热器包括：

a、一个辐射加热区；

b、在所述辐射加热区内具有多个加热盘管，每个加热盘管具有成一线排列的入口通道和出口通道，每个盘管的入口通道与相邻盘管的入口通道相对应，每个盘管的出口通道与相邻盘管的出口通道相靠近；以及

c、多个炉膛燃烧器，它们沿着与所述盘管线平行并隔开的直线彼此分开放置，所述炉膛燃烧器包括具有第一燃烧速度的燃烧器和具有第二较高燃烧速度的燃烧器，

所述具有第一燃烧速度的燃烧器对准盘管的出口通道，具有第二较高燃烧速度的燃烧器对准盘管的入口通道，

所述具有第二较高燃烧速度的燃烧器相邻成对间隔排放，每个燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴和朝向相邻的成对燃烧器成角度倾斜的燃料喷嘴，其角度倾斜度足以向入口通道施加至少3％的增加热流量。

2.如权利要求1中所述的热解加热器，其中具有所述第一和第二燃烧速度的燃烧器与加热器壁相靠近的布置，其中每个燃烧器包括主和辅燃料喷嘴，其中所述的辅燃料喷嘴以一个角度朝向壁倾斜。

3.一种用于将烃转化为烯烃的热解加热器包括：

a、一个辐射加热区；

b、在所述辐射加热区内具有多个加热盘管，每个加热盘管具有在辐射加热区中成一线排列的入口通道和出口通道，至少一些盘管的入口通道与相邻盘管的入口通道相靠近，至少一些所述盘管的出口通道与相邻盘管的出口通道相靠近；以及

c、多个炉膛燃烧器，它们沿着与所述盘管线平行并隔开的直线彼此分开，所述炉膛燃烧器包括与盘管出口通道对准的第一炉膛燃烧器和与盘管入口通道对准的第二炉膛燃烧器，

所述每个第一炉膛燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴，所述第二炉膛燃烧器相邻成对间隔布置，每个第二炉膛燃烧器包括向上引出的燃料喷嘴和朝向相邻成对的第二炉膛燃烧器成一个角度倾斜的燃料喷嘴，其角度倾斜度足以向入口通道施加至少3％的增加热流量。

4.如权利要求3中所述的热解加热器，其中所述第一炉膛燃烧器的燃烧速度低于第二炉膛燃烧器的燃烧速度。

5.如权利要求3中的热解加热器，其中所述的第一和第二炉膛燃烧器与加热器壁靠近布置，其中每个燃烧器包括主和辅燃料喷嘴，同时所述辅燃料喷嘴朝向所述的壁成一个角度倾斜。

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