TW200923279A - A flameless combustion heater - Google Patents

Description

200923279 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 此發明係關於一種無焰燃燒加熱器，一種用於發動一無 焰燃燒加熱器之方法及一種用於控制一無焰燃燒加熱器系 統之溫度之方法。 【先前技術】 在U.S· 7,025,940中描述無焰燃燒加熱器。該專利描述一 種利用無焰燃燒之製程加熱器，其藉由將一燃料及燃燒空 氣預加熱至一高於該混合物之自燃溫度之溫度來達成。該 燃料通過一燃料氣體導管中之複數個孔隨時間以相對小的 增里引入，此在燃料氣體導管與氧化反應室之間提供連 通。如在該專利中所述，一製程室與該氧化反應室成熱交 換關係。 U-S. 5,862,85 8描述在一無焰燃燒器之燃燒室内使用一催 化表面（例如，一貴金屬）以降低該混合物之自燃溫度。發 現此催化表面（例如）在促進甲烷在空氣中在低至5〇〇卞（26〇 C )之溫度下中氧化方面極其有益。 如在上述專利中所述，無焰燃燒加熱提供數個勝於習用 明火加熱器之益處。然而，無焰燃燒加熱器可遭遇與在起 動期間且在操作期間維持該加熱器高於燃料/氧化劑混合 物之自燃溫度有關之問題。未能維持該加熱器中之溫度高 於自燃溫度導致無焰燃燒不穩定。 如在U.S. 5,862,858中所述，在無焰燃燒器中使用觸媒可 降低自燃溫度，此使較易於維持該加熱器高於彼溫度。 133113.doc 200923279 【發明内容】 此發明提供—種無焰燃燒加熱器系統’其包括：―無焰 燃燒加熱器’· 一氧化劑入口 f ; 一燃料入口管；及—用、於 對氧化劑或燃料進行預加熱之預加熱器，該預加熱器包括 一氧化觸媒。 此發明之一個實施例提供一種無焰燃燒加熱器系統，其 中该預加熱11與該氧化劑人σ管流體連通且燃料係在該預 加熱器上游處引入至該氧化劑入口管中以使一燃料-氧化 劑混合物通過該預加熱器。 此發明之另一實施例提供一種無焰燃燒加熱器系統，其 中該預加熱器與該燃料入口管流體連通，且氧化劑在該預 加熱器之上游引入至該燃料入口管中以使一燃料_氧化劑 混合物通過該預加熱器。 此發明亦提供一種用於控制一無焰燃燒加熱器系統之溫 度之方法及一種用於起動一無焰燃燒加熱器系統之方法。 【實施方式】 本發明提供一用於將由燃料之無焰燃燒所釋放熱能直接 轉移至一製程流體之無焰燃燒加熱器系統。該加熱器系統 具有許多可能的用途及應用’包含加熱地下形成物及加熱 製程流。該無焰燃燒加熱器系統尤其用於與實施吸熱反應 (例如，烷基芳族化合物之脫氫及蒸汽曱烷重整）之製程結 合。本發明提供一無焰燃燒加熱器系統，其採用一預加^ 器來改良該加熱器之起動及操作穩定性。 一加熱器中之無焰燃燒可藉由如下方式達成：充分預加 133113.doc 200923279

熱一氧化劑流及一燃料流，以便在該兩個流組合時，該混 合物之溫度超過該混合物之自燃溫度，但該混合物之溫度 小於一在如U.S. 7,〇25,940中所述藉由混合速率對混合由進 行限制時將導致氧化之溫度，該專利以引用方式倂入本文 中。該混合物之自燃溫度相依於燃料及氧化劑之類型及燃 料/氧化劑比率。一無焰燃燒加熱器中使用之混合物之自 燃溫度可在自850它至14〇〇。(：範圍中。若在該加熱器中採 用一氧化觸媒，則該自燃溫度可減小，乃因此類型之觸媒 有效地降低該混合物之自燃溫度，如在u s 5,862,858中所 述’該專利以引用方式併入本文中。 在存在氧化觸媒之情形下使用某些燃料（例如，氫氣 或二甲醚）可准許無焰燃燒在或接近環境溫度下發生。無 焰燃燒可端視所使用之燃料及觸媒在自約3(rc至約1〇〇〇艺 之溫度下發生。 燃料導管以-提供一期望之熱釋放之方式提供進入一氧 化導管中之燃料引人之經控制之速率。熱釋放部分地由開 口的位置及數目確^，豸等開口可經修整以用於每一加熱 器應用。熱釋放可在該加熱器之長度上方恆定，或其可在 該加熱器之長度上方減少或增加。 由於不存在與—燃料之無焰燃燒相關聯之可見火焰，故 無焰燃燒反應在一比在習用明火加熱器中所觀察到的溫度 低的溫度下發生。由於觀察到的較低溫度，及直接加熱之 效率’故可使用較低成本材料設計該加熱器，《而導致減 小之資本支出。 1331I3.doc 200923279 :::燃燒加熱器具有兩個主要元件：一氧化導管及_燃 > s。該氧化導管可係—管子或管，其具有-用於氧化 Μ之入口 用於氧化產物之出口及一在該入口與出口之 間之流動路徑。適宜之氧化劑包含空氣、氧氣及氧化亞 氮。引入至氧化導管中之氧化劑可經預加熱，以便在鱼燃 料混合時，混合物處於一高於該混合物之自燃溫度：溫 度。该氧化劑可在該無焰燃燒加熱器外部加熱。另一選擇 為:該氧化劑可藉由與該加熱器内部之流中之任一者進行 熱交換而在該加熱器内部加熱。該氧化導管可具有—自約 •要cm之内徑。然而’氧化劑導管可端視加熱器 而要大於或小於此範圍。 燃料導管將姆料僂給$ Λ2 肝得輸至加熱斋中並將其引入至氧化 :。該燃料導管可係-管子或管，其具有一燃料之入口及 ΓΓ燃料導管内至氧化導管之流體連通之複數個開 :等=燃料導管可位於氧化導管内並經其環繞。燃 該相口並進入氧化導管中，在該氧化導管處，㈣氧化

劑混t並導致無焰燃燒。燃料導管可具有自約W 料導：佳自力15⑽至5 cm之内徑。然而’端視設計，揪 料導g可具有大於10cm或小於i cm之直徑。 … =燒加熱器之一較佳實施例包一管或管子。燃 _ 及讀個與氧化管流體連通之開 口厂乳化管具有-經預加熱氧化劑之入口，一燃燒產物 之口及介於該入口與出口之間之—流動 入至該燃料管中，且其通過該等.進人該氧化管Π 133113.doc 200923279 化劑及/或燃料經預加熱’以致當其在該加熱器中混合 時’该混合物係處於或高於該混合物之自燃溫度。在此實 化例中，該等開口一般係經鑽入或切入至燃料導管之壁 中。該等開口可係圓形、橢圓形、矩形、具有另一形狀或 甚至不規則形狀。該等開口通常具有自約0.001 cm2至約2 m 較佳自約0.03 cm2至約0.2 cm2之截面積。該等開口 之大小係由進入至氧化導管中之燃料引入之期望速率來決 足，但太小的開口會導致堵塞。 沿加熱器長度之不同開口通常具有相同的截面積。在一 替代實施例中，沿該加熱器該等開口之截面積可不同以提 供期望之熱釋放。另外，沿燃料導管之開口之間之間隔 可不同。該等開口通常具有相同的形狀，但在該替代實施 例中，其可具有不同的形狀。 該無焰燃燒加熱器可另外包括一攜載一製程流體之製程 導管，其中該製程導管與該氧化導管成熱交換關係。在該 加熱器中包含一製程導管允許一製程流之直接加熱。該製 程導管可視情況用於實施一化學反應。該製程導管可含有 觸媒以促進該化學反應。此加熱器對實施吸熱反應尤其有 益，乃因熱係在該反應期間直接添加至該製程。舉例而 言，此加熱器可倂入至脫氫反應器中以直接加熱乙苯至苯 乙烯之脫氫反應。 該無焰燃燒加熱器可視情況包括一氧化劑導管。該氧化 劑導管具有一用於氧化劑之人σa ^ ^ λ ^ 乳l削之入口及一用於經預加熱之氧化 劑之出口，該出口虚負仆道这^ /、乳化導官之入口流體連通。該氧化劑 133113.doc 10 200923279 導管與氧化導管及/或製程導管成— 直接埶以蔣ϋ # π '，，、乂換關係，其提供 將減劑預加熱至一足夠的溫度以便在 :化導管中混合時，該混合物處於或高於自燃溫度： 圖1描緣-無㈣燒加熱H⑽之—總圖及 2改良該加熱器之起動行為及穩定操作之 熱器㈣之位置。該加熱器具有—燃料入口⑹一= =入口（13)及—氧化產物出口（21)。該加熱器亦具有一製 程入口（24)及一製程出口（26)。一 .㈣4滑流官（16)提供到達 ^匕劑^管⑽之燃料流動。該燃料流動可來自主要燃 二二⑽或—分立燃料系統° —燃料間（18)控制通過 δ亥燃料滑流管之流動。 預加熱器(20)較佳位於該氧化劑入口管内 較佳包括一經支撐之氧化觸媒。一 …為 ㈣ H見合器可置於該氧 化劑入口管中，在該觸媒之上游以在該氧化劑入口管中提 供燃料及氧化劑之經改良混合。另—選擇為，該燃料可在 足夠遠上游處進入該氧化劑入口管以良好地混合。有效曰 合通常在燃料進人人口 Μ —離該氧化觸媒該氧化劑入口 官之直徑之十五倍之距離處發生。 在燃料被引入至氧化劑入口管〇4)中時，該管將含有經 預加熱之氧化劑及來自反應之燃燒產物且兩者皆將經由氧 化劑入口（13)被傳輸至該無焰燃燒加熱器。引入至該氧化 劑入口管之燃料之量經控制以使僅氧化劑之一部分I該預 加熱器中經歷無焰燃燒。 該氧化觸媒可係促進正在使用之燃料之無焰燃燒反應之 133113.doc 200923279 任一觸媒Q該氧彳 觸媒可包括一貴金屬，例如，鉑、鈀、 二銀、銀、金或其組合。在該替代實施例中，該氧化觸 '可匕括基本金屬、例如，銅、鐵、錳、釩、鉍、鈷、 銘"、銷、、趙 .. ，‘、鍊或其組合。該等金屬可支撐於使用鑭 二改良之陶兗基板(包含氧化銘、二氧化飾、氧化 I _匕鈦t化；^或其組合）上。該觸媒可以簡單球體 或擠出物（例如，圓知种 , 圓柱體、中空圓柱體及三葉體）之形式。 可以金屬或陶瓷單塊，網狀金屬或陶瓷泡沫或經塗 金屬導線之形式，例如，薄紗、網狀物及螺旋纏繞結 構。 、本發明提,一種用於起動該無焰燃燒加熱器系統之方 、在加熱盗之起動期間，燃料通過燃料滑流管以幫助對 氧化劑進行預加熱。氧化劑入口管中之氧化觸媒允許無焰 燃燒在-較低溫度下發生，且由該氧化劑入口管中之此益 焰燃燒將升高通過氧化劑入口⑼進入加熱器⑽之氧化 劑之溫度。此允許之氧化劑該溫度將升高至一在於燃料在 無焰燃燒加熱器⑽内部混合時將高於自燃溫度之溫度。 在加熱器中達到該自燃溫度之後，可關閉燃料闕⑽以停 止燃料進入至氧化劑入口管（14)中之流動。該觸媒保持在 線路⑽中，但在該管中不存在無焰燃燒乃因在線路 (⑷中不存在燃料。此允許將使用氧化觸媒來幫助起動該 加熱器系統，但接著允許該加熱器在高於該加熱器尹存在 該氧化觸媒之情形下將可能達到之彼等溫度之溫度下操 作。該觸媒不需要自該系統移除，乃因其停止影響該加熱 I33113.doc -12· 200923279 器中之無焰燃燒。 供—種用於控制該加熱器之操作以維持該加 :疋之方法。在該加熱器之操作期間，燃料間 保所二 控制進入該加熱器之氧化劑之溫度，而確 自二枓’礼化劑溫度保持高於該燃料，氧化劑混合物之 度。若經引入至該加熱器中之氧化劑之溫度改變， ==熱器燃燒系統可能經歷不穩定或擾亂，此乃因 中之所得燃料/氧化劑混合物可能低於該混 =:若此發生，則無焰燃燒可能停止且該加熱器 根據此方法，可測定該加熱器之溫度。此溫度可與經饋 合物之自燃溫度相比較。較佳該混合物 之溫度將維持高於自燃溫度，且更佳維持該混合物之溫度 尚於該混合物之自燃溫度至少阶，且最佳維持該混合物 : = 該混合物之自燃温度至少2旳。若該加熱器之 -度開始朝向該混合物之自燃溫度減少，則燃料闊⑽可 打開以允許一增量之燃料自燃料滑流管流入，以致在置於 氧化心口管中之氧化觸媒處發生無焰燃燒反應。此無焰 燃燒反應將對氧化劑進行預加熱且加熱器溫度納…亥 燃料間可經控制以提供該無焰燃燒加熱器系統：穩定操 作。 另一選擇為，該氧化觸媒可置於燃料線路中且一氧化劑 滑流可=至燃料入口管。然而，較佳對氧化劑進行預加 熱，因燃料之過度預加熱會導致該燃料入口管之焦化。 133113.doc -13- 200923279 該無焰燃燒加熱器可端視該加熱器之特定組態及該加熱 器應用在多種條件下操作。在U.S. 7,025,940中描述各種實 例及條件，該專利以引用方式併入本文中。該無焰燃燒加 熱器系統可用於流重整、裂化或各種其他製程中。 本發明之無焰燃燒加熱器系統可用於乙苯之脫氫中以製 成苯乙稀。此通常在存在一基於氧化鐵之脫氫觸媒之情形 下實施。該反應通常在約550°C與680°C之間發生。本發明 之加熱器亦可用於一其中流及碳氫化合物轉變為氫氣、一 氧化碳及二氧化碳之流重整系統中。'此反應之溫度通常自 約 800°C 至 870°C。 在11.8.5,899,269中描述在存在氧化觸媒之情形下，不同 燃料之自燃溫度，該專利以引用方式併入本文中。表1中 展示與此發明有關的某些自燃溫度。 表1 · 燃料 所量測之自燃溫度°F ΓΟ 空氣體積之燃料濃度 % 觸媒 天然氣 1450 (788) 10.5 無 甲烷 590 (310) 13 Pd 氫氣 1218 (659) 13 無 氫氣 120 (49) 13 Pt 氫氣 300 (149) 13 Pd 66.6%氫氣，33.3% CO 1249 (676) 13 無 66.6%氫氣，33.3% CO 416(213) 13 Pt 66.6%氫氣，33.3% CO 310(154) 13 Pd 如由該表可見，該等經催化之自燃溫度可顯著低於未經 催化之自燃溫度。上述苯乙烯及流甲烷重整製程需要將該 133113.doc -14- 200923279 製程流將分別加熱至高於550°C及800°C。一維持在—稍微 南於經催化之自燃溫度之溫度之加熱器將難以將該等製程 流加熱至所需要之溫度。另一方面，一維持在一稍微高= 未經催化之自燃溫度之溫度之加熱器將更能夠提供上述製 程所需要之熱。該氧化觸媒在根據本發明使用時有助於維 持加熱器操作之穩定性，而不顯著降低該加熱器内部之混 合物之自燃溫度。 藉助所描述之開口位置及幾何形狀之細節之任一變更， 本文中所描述之無焰燃燒加熱器可用於任一應用中。 【圖式簡單說明】 圖1描繪一具有一預加熱器之無焰燃燒加熱器系統。 【主要元件符號說明】 12 主要燃料入口管 14 氧化劑入口管 16 燃料滑流管 18 燃料閥 20 預加熱器 10 無焰燃燒加熱器 11 燃料入口 13 氧化劑入口 21 氧化產物出口 24 製程入口 26 製程出口 133113.doc 15

Claims (1)

1. 200923279 十、申請專利範圍： 1 · 種無焰燃燒加熱器系統，其包括：一無焰燃燒加熱 器’—氧化劑入口管；一燃料入口管；及一用於對氧化 劑或燃料進行預加熱之預加熱器，該預加熱器包括一氧 化觸媒。 2·如請求項丨之無焰燃燒加熱器系統，其中該預加熱器係 一該氧化劑入口官流體連通，且燃料係在該預加熱器上 游處引入至該氧化劑入口管中，以致一燃料-氧化劑混合 物通過該預加熱器。 3. 如請求項2之無焰燃燒加熱器系、统，其中該預加熱器係 位於s亥氧化劑入口管内。 4. 如請求们之無焰燃燒加熱器系統，其中該預加熱器係 與該燃料人口管流體連通，且氧化劑係在該預加熱器上 游處引入至該燃料入口管中，以致一燃料_氧化劑混合物 通過該預加熱器。 5. 如請求項4之無焰燃燒加熱器系統，其中該預加熱器係 位於該燃料入口管内。 6. 如請求項u中任一項之無焰燃燒加熱器系統，其中該氧 化觸媒包括一貴金屬。 7. 一種用於起動如請求項2_3中任—項之無@燃燒加熱器系 統之方法，其包括：使氧化劑通過該氧化劑入口管，將 燃料在該預加熱器上游處引入至該氧化劑入口管中以致 在該預加熱器中發生無焰燃燒，使該所得之經加孰氧化 劑通過該無焰燃燒加熱器直至該加熱器高於該燃料及氧 133113.doc 200923279 化劑之期望混合物之自燃溫度，並接著使燃料通過該燃 料^口管以致在該加熱器中發生無焰燃燒。 月长項7之方法’其進—步包括停止燃料流入至該氧 化劑入口管中。 9. 一種用於控制如請求項2-3 Φ杠 κ ^ 峭J中任—項之無焰燃燒加熱器系 統之溫度之方法，其包括： ^ /則疋被引入至該加熱器中之 氧化劑之溫度並調整進入該藍 疋、邊虱化劑入口管中之燃料流 量。 r 1 〇· 一種用於起動如請求項4·5中 甲任項之無焰燃燒加熱器系 、先之方法，其包括.使燃料通過該燃料人口管，將氧化 劑在該預加熱器上游處引入至爷揪祖λ〜山 主这燃枓入口管中以致在該 預加熱器中發生無焰燃燒，僅哕 ^ 便该所侍之經加熱燃料通過 該無焰燃燒加熱器直至該加埶 、 ”、、窃円於該燃料及氧化劑之 期望混合物之自燃溫度，並 ^ I接者使乳化劑通過該氧化劑 入口管以致在該加熱器令發生無焰燃燒。 1 1 ·如請求項1 0之方法，豆進一 ，、 步匕括停止氧化劑流入至該 燃料入D管中。 12. —種用於控制如請求項4 缔夕、〇 W J員之無焰燃燒加熱器系 ，-先之&度之方法，其包括：測定 〜瓜丨八至§亥加埶器φ ‘然料之溫度並調整進入該燃料 B甲之氧化劑流量。 133113.doc