TW200925520A - A flameless combustion heater - Google Patents

Description

200925520 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及一種用於向一製程 提供熱之方法。 【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管道中之複數個孔隨時間以相對小的 增量引入’此在燃料氣體管道與一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。 如在上述專利中所描述，無焰燃燒加熱器提供勝於習用 明火加熱器之數個益處。然而，無焰燃燒加熱器可遭遇與 氧化劑在燃料及氧化劑在氡化反應室中之混合有關的問 題0 ❹ & 峰值溫度可發生在燃料管道中之每一開口附近，且此不 均勻加熱致使該燃料管道不均句熱膨脹。因此，該燃料管 - 道具有一彎曲趨向，此彎曲將該等燃料管道開口定位成接 •近氧化反應室之壁且可產生可導致氧化反應室壁故障之熱 點。 另外’通過該#開口之燃料可在其進入氧化反應室時展 示一喷射效應。若該氧化反應室之太接近於該開口，則該 燃料將直接撞擊於該壁上。此需要在該燃料管道之外部與 133112.doc 200925520 該氧化反應室之内部之間維持一最小 【發明内容】 一最小距離。 ，其包括：一氧化管道

本發明提供一種無焰燃燒加熱器， 及一具有複數個定中心器之燃料管道 至該燃料管道之外壁，其中至少一個 器之一部分相餅於结撇魁您、谷...... »，一定中心器之一部分相對於該燃料管道之縱軸成角 度；提供一與該氧化管道成熱交換關係之製程管道；將燃 料引入至該燃料管道中；將一氧化劑引入至該氧化管道 中；並透過該複數個開口將該燃料引入至該氧化管道中， 以致在該氧化管道中發生無焰燃燒。 【實施方式】 本發明提供一用於直接轉移由燃料之無焰燃燒所釋放熱 能之無焰燃燒加熱器。該加熱器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 器尤其用於與實施吸熱反應（例如’烧基芳族化合物之脫 氫及蒸汽曱烷重整）之製程結合《本發明提供一具有附裝 至燃料管道之外壁之定中心器之一經改良設計之無焰燃燒 加熱器。該等定中心器係附裝至該燃料管道之外壁以防止 該燃料管道與該氧化管道之間之接觸之突出物。 133112.doc • 8 · 200925520 本發明解決上述問題。使用成角度之定中心器導致燃料 及空氣在該加熱器内之經改良混合，減小或消除峰值溫度 並幫助防止該氧化管道之内部上之燃料撞擊。 一加熱器中之無焰燃燒可藉由如下方式達成：充分預加 ， 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 ❹ 行限制時將導致氧化之溫度，該專利以引用方式併入本文 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°C至140(TC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，因此類型之觸媒可 有效地降低該混合物之自燃溫度。 燃料管道以可提供期望熱釋放之方式提供進入一氧化管 道中之燃料引入之經控制之速率。熱释放部分係由開口的 Q 位置及數目決定，其可對每一加熱器應用作調整。熱釋放 可在該加熱器之長度上保持恆定，或其可在該加熱器之長 度上減少或增加。 '由於不存在與一燃料之無焰燃燒相關聯之可見火焰，故 無焰燃燒反應係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，從而導致 減小之資本支出。 無焰燃燒加熱器具有兩個主要元件：一氧化管道及—燃 133I12.doc 200925520 料管道。該氧化管道可係-管或導管，其具有一氧化劑之 入口，—氧化產物之出口及-在該人σ與出σ之間之流動 路徑。適宜之氧化劑包含空氣、氧氣及一氧化二氮。引入 至氧化管道中之氧化劑可經預加熱’以致在與燃料混合 • _，混合物係、處於高於該混合物之自燃溫度的溫度。該氧 化劑可在該無焰燃燒加熱器之外部加熱。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献交換: ❹ 而在該加熱器内部加熱。該氧化管道可具有自約2 cm至約 20 cm之内徑。然而，氧化劑管道可視加熱器需求而大於 或小於此範圍。 燃料管道將燃料傳輸至加熱器中並將其引入至氧化管道 _。該燃料管道可係一管或導管，其具有一用於燃料之入 口及自該燃料管道内至氧化管道提供流體連通之複數個開 口。該燃料管道可位於氧化管道内並由其環繞。燃料通過 該等開口並進入氧化管道中，在該氧化管道處其與氧化 ❹劑混合並導致無焰燃燒。燃料管道可具有-自約i cm至約 10 cm較佳自約i 5 cm至約5 cm之内徑。然而，端視設 計，燃料管道可具有一大於1〇cm或小於icm之直徑。 等開可鐵入或切入至燃料管道之壁中。燃料管道之 壁通常具有自約0.25 cm至約2 5 cm之厚度。該等開口可 具有圓形、橢圓形、弧形、具有另一形狀或甚至不規則形 狀之截面。該等開口較佳具有一圓形截面。 “等開口可具有一自約0.001 cm2至約2 cm2，較佳自約 0.03 cm至約〇 2 cm2之截面積。該等開口之大小係由進入 133112.doc 200925520 至氧化管道中之燃料引入之期望之速率來確定，但太小的 開口可導致堵塞》該等開口可沿燃料管道定位，沿轴向方 向離開任一其他開口一自1 cm自100 cm之距離。該等門口 較佳沿軸向方向間隔開自15 cm至50 cm。該等開口可、梯 料管道之長度以不同的定向沿其相應的徑向平面定位。舉 例而言’該等開口之定位可沿燃料管道之長度沿徑向平面 交替180度，或其可交替120度或9〇度。因此，該等開口在 〇 M管道中之定位可使得其在徑向平面中之定向沿燃料管 道之長度與其定向交替隔開30度至18〇度。該等開口之徑 向定向較佳沿燃料管道之長度以自6〇度至i 2〇度交替。 在-個實施例中’除開口之外亦可使用一燒結板來自燃 料管道至氧化區域提供流體連通，且一燒結板中之開口可 具有一大約為10-100微米之直徑。 沿加熱器之長度之不同的開口通常具有相同的截面積。 在替代實施例中，開口之截面積可不同以提供期望之熱釋 ❹ 放。另外，沿燃料管道之開口之間之間隔可不同以提供期 望之熱釋放。該等開口通常具有相同的形狀。在替代實施 例中，開口可具有不同的形狀。 '該得定中心器之定向對該加熱器之設計及操作頗重要； 且該等定中心器可成角度以產生不同的溫度曲線並克服由 於加熱器系、统之流體及混合動力學而引起之問題。每一定 中心器皆具有一近端’最接近於燃料入口之端；及一遠 端，離燃料入口最遠之端。 該等定中心器可係三角形、矩形、半圓形或任一其他形 133112.doc -11- 200925520 狀。該等定中心器可由一比用作氧化管道之材料軟的材料 製成或塗覆有該材料，因此該等定中心器在安移 燃料管道時不損壞該氧化管道。舉例而言，咕榮—丄 ^ 琢等定中心器 可由一較軟金屬或一陶瓷製成。 該燃料管道具有一縱軸，該縱軸由連接該管道之截面 中心之線界^。該等定中心器中之至少—者相對於該燃料 管道之縱軸成角度。該定中心器可處於不平行於且不垂至

於該燃料管道之縱軸之任一角度。一既不平行於亦不垂至 於該燃料管道之縱軸之定中心器在本文令稱為一成角度之 定中心器。 一成角度之定中心器可成角度以使該定中心器與該燃料 管道之縱軸之間形成之角度小於九十度。一成角度之定中 心器可成角度以使該定中心器與該燃料管道之縱軸之間形 成之角度小於六十度或較佳小於四十五度。 將成角度之定中心器定位在一燃料管道開口之上游（較 接近於氧化劑入口）處致使該氧化劑在其通過該燃料管道 開口時沿一局部正切方向流動。此正切流動分量減小喷射 效應並最小化該等管道之間所需之最小距離。該局部正切 μ動亦有助於經改良混合及一更均勻之徑向溫度曲線。熱 圍繞該燃料管道之周邊更均勻地分佈。 該等成角度之定中心器可係直立或彎曲以在氧化管道中 提供氧化劑之期望之流動特性。一直立定中心器係一個其 中該定中心器位於一個幾何平面中之定中心器。另一方 面 擎曲定中心器具有處於至少兩個非平行幾何平面中 133112.doc •12· 200925520 之部分。若定中心器為彎曲，則該定中心器之一部分可平 行於燃料管道之縱軸。 圖la及lb描繪一具有如上所述之成角度之定中心器（16) 之無焰燃燒加熱器（10)。加熱器（10)具有一燃料管道（12)及 一氧化管道（14)。此類型之加熱器被稱為兩管加熱器。燃 料管道（12)係一圓柱形導管，其具有一燃料之入口（24)及 複數個開口（20)。氧化管道（14)係一圓柱形導管，其具有 一經預加熱之氧化劑之入口（26)及一燃燒產物之出口 (30)。在替代實施例中，氧化劑可於（3〇)處進入且燃燒產 物可於（26)處退出。在操作期間，燃料經由入口（24)進入 燃料管道（12)並接著在其通過開口（20)之後在氧化管道（14) 中與氧化劑混合。較佳地’ 一成角度之定中心器〇6)定位 於每一開口（20)之上游（較接近於氧化劑入口）處。 該無焰燃燒加熱器可視該加熱器之特定组態及該加熱器 應用而在多種條件下操作。在U.S. 5,255,742及U.S. 7’025,940中描述各種實例及條件，該等專利以引用方式倂 入本文中。 該無焰燃燒加熱器可用於一乙苯脫氯單元中。將一含有 蒸汽及乙苯之製程進料饋入至脫氩反應器。該脫氫反應器 含有一適宜之脫氫觸媒’其可係基於氧化鐵之觸媒，並提 供用於使該製程進料與該脫氫觸媒接觸之構件。一脫氫反 應器流出物自該脫氫反應器排出並被引入至該無焰燃燒加 熱器中》由於脫氫反應係一吸熱反應’因此脫氫反應器流 出物將具有比到達該脫氫反應器之製程進料之溫度低的溫 133112.doc -13- 200925520 度。該無焰燃燒加熱器用於在脫氫反應器流出物被引入至 第二級脫氫反應器之前對其進行加熱。—脫氳反應器流出 物自該第二級脫氫反應器排出。脫氫製程可藉助多於兩個 反應器實施，在此情形下，一無焰燃燒加熱器可置於每一 額外反應器前面。 藉助所描述之定中心器定向之細節之任一變更，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la描繪-具有成角度之定中心器之兩管無焰燃燒加熱 器。 圖lb描繪一具有成角度之定中心器之燃料管道之一外部 視圖。 【主要元件符號說明】 10 12 14 16 20 24 26 30 〇 加熱器 燃料管道 氧化管道 成角度之定中心器 開口 用於燃料之入口 用於經預加熱之氧化劑之入口 用於燃燒產物之出口 133112.doc •14·

Claims (1)

1. 200925520 〇 十、申請專利範固： 1. -種無焰燃燒加熱器，其包括：一氧化管道及一具有複 數個疋中心器之燃料管道，該等定中心器係附裝至該燃 料g道之外壁’其中至少一個定中心器或一定中心器之 一部分相對於該燃料管道之縱軸成角度。 2. 如請求項1之加熱器’其中該至少-個定中心器相對於 該燃料管道之該縱轴形成小於九十度之角度。 3. 如請求項1之加熱器，其中該至少一個定中心器經脊 曲以致該定中心器之至少一部分相對於該燃料管道之 該縱軸成角度。 月求項u中任一項之加熱器，其中所有該等定中心器 中之全部或大部分相對於該燃料管道之該縱軸成角度。 用长項1-4中任一項之加熱器，其中該等定中心器係由 不同於該氧化管道壁之材料的材料製成。 月求項1-5中任一項之加熱器，其中該等定中心、器塗覆 有一不同於該氧化管道壁之材料的材料。 月求項1_6中任一項之加熱器，其中該定中心器為 形。 8 種向一製程管道提供熱之方法，其包括： 提供一氧化管道； =供燃料管道，其具有複數個提供自該燃料管道内 其5氧化官道之流體連通之開口及複數個附裝至該燃料 之定中心器，其中至少一個定中心器或一定中心器 之一部分相對於該燃料管道之縱軸成角度； 4. 5. 6. 7. 133112.doc 200925520 提供一與該氧化管道成熱交換闕係之製程管道； 將燃料引入至該燃料管道中； 將一氧化劑引入至該氧化管道令，·及 透過該複數個開口將該燃料引入至該氧化管道中， 致在該氧化管道中發生無焰燃燒。

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