TW202344778A

TW202344778A - 外部燃燒空氣預熱

Info

Publication number: TW202344778A
Application number: TW112110771A
Authority: TW
Inventors: 寶終趙; 學平李; 亞歷杭德羅卡里略
Original assignee: 美商魯瑪斯科技有限責任公司
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-11-16
Also published as: US20230324123A1; WO2023183418A1

Abstract

用於向爐提供預熱燃燒空氣之外部燃燒空氣預熱的系統及製程。爐系統之對流加熱區域包含用於餘熱回收之多個加熱線圈。加熱線圈可用於預熱進料（進料預熱線圈），加熱鍋爐給水，過熱蒸汽，或在進料被送入輻射線圈之前加熱或過熱進料流。燃燒氣體中的餘熱亦被用以加熱熱傳流體，熱傳流體可用於預熱燃燒空氣或用於工廠內之其他用途。

Description

外部燃燒空氣預熱

本發明實施方式一般關於燃燒管式爐。更具體而言，本發明實施方式關於用於碳氫化合物熱裂解的熱裂解爐。再更具體而言，本發明實施方式關於一種有效預熱空氣的安排，允許減少燃燒管式爐的二氧化碳排放。

US2020/0172814(Oud)描述用於提高輻射效率及減少排放的熱回收系統，其中從裂解氣體產品中回收熱量以預熱碳氫化合物進料。數個實施方式被描述，由此可以藉由燃燒煙道氣與氧化劑之間的間接熱交換獲得預熱的氧化劑。於一實施方式中，氧化劑預熱器位於對流區域的下游(即煙道氣最冷的地方)。

WO2021052642(Wijnja及Oud)類似地描述了一種三步進料預熱方案，其中燃燒空氣預熱器位於對流區域的下游側且理想地在所有其他對流區域組的下游。用於熱裂解反應的熱量由煙道氣、燃燒空氣及可選地在再循環煙道氣存在下的「高度脫氮的氧氣」提供。在所有的氮氣被再循環煙道氣取代的限制下，該系統可被視為是氧氣燃燒，其優點是煙道氣中的二氧化碳濃度極高，適用於二氧化碳捕捉過程，同時消除了氮氧化物生成的問題。然而，所提供的氧氣必須與大氣分離，其會帶來顯著的資本成本，並且分離所需的能量必須計入運營成本。

Albano等人(1992)描述使用來自燃氣輪機 (GT) 的熱廢氣進行燃燒空氣預熱，其有降低的含氧量(15-17莫耳%，而空氣為約21莫耳%)。聯合生產電力(30-60 MW)是可能的，這對工廠經濟有重大影響。使用渦輪機廢氣 (TEG)進行高位空氣預熱降低加熱器的燃料需求。然而，與空氣預熱系統不同，由於TEG含氧量降低，通過爐子的煙道氣總質量流量增加。這導致熱裂解模組的對流(熱回收)區域的蒸汽產量增加。

US4617109(Wells及Petterson)描述一種空氣預熱方案，其中燃燒空氣通過與蒸汽間接熱交換來預熱，該蒸汽通過蒸汽渦輪機從爐子的最熱區域產生的高壓蒸汽中膨脹出來。與前述例子相同，輻射效率增加，然而，燃燒空氣不直接與對流區域中的煙道氣進行熱交換。

US4044820(Nobles)教示使用熱傳流體經由具有高熱容(質量流量與比熱容的乘積)的連續流動的熱傳流體將熱量從煙道氣回收到燃燒空氣流。所提出的方法涉及雙室系統，其中第一室(用於冷卻煙道氣)與第二室(用於加熱空氣)由公共壁隔開。熱傳流體的高循環率確保熱傳表面的溫度保持在煙道氣的酸露點以上，從而防止冷凝及相關的腐蝕風險。

US3623549(Smith)提出一種液氣熱交換裝置，其具有將熱量從一位置中相對熱的氣體傳遞到另一位置中相對冷的氣體的功能。具有不同相變特性的多種熱傳流體用於覆蓋比使用單一熱傳流體(例如水)可能覆蓋的溫度範圍更廣的溫度範圍。此種系統是作為復熱式熱交換器(熱氣通過熱傳表面與冷氣分離)或再生式熱交換器(熱氣和冷氣週期性地通過熱質循環)的替代品提出的。

US20170363288(Lee及Sadler)描述一種帶有熱管預熱器的燃燒加熱器系統。熱管係包含工作流體的密封管，其將熱量從熱源傳遞到較冷的槽。熱管用於將熱煙道氣中的熱量傳遞給燃燒空氣，而無需將燃燒空氣引入煙囪。相反地，一個單獨的空氣預熱器管道連接到煙囪，熱管穿過煙囪壁。雖然此種佈置避免了在爐之對流區域中加入空氣預熱器的需要，惟其並未解決將設備安裝在煙囪上相關的結構成本。工作流體應被仔細選擇，因其必須同時滿足多個限制條件，如黏性、聲波、毛細作用、夾帶及核沸騰水平，熱管系統才能正確工作。該系統不允許空氣預熱器除了在煙囪外面以外位置的靈活性。

在許多工業應用中，熱傳流體 (HTF)用於從單個熱源向多個熱需求提供所需量的熱量。例如，已知使用生質熱源提供高溫熱力，其使用熱傳流體作為蒸汽產生的替代。將燃燒加熱器與製程適當結合可以整體減少能源需求及資本投資。然而，在生產例如乙烯、丙烯、丁烯及芳香烴等大宗化學品的蒸汽裂解爐等大型專用爐中，非製程熱回收是通過產生蒸汽來實現的，而蒸汽又用於驅動壓縮機和其他在下游分離區域的製程。因此，用於下游製程的能量實際上來自蒸汽裂解爐中的燃料燃燒。［先前技術文獻］［專利文獻］

［先前技術文獻1］US2020/0172814 ［先前技術文獻2］WO2021052642 ［先前技術文獻3］US4617109 ［先前技術文獻4］US4044820 ［先前技術文獻5］US3623549 ［先前技術文獻6］US20170363288

於一態樣中，本發明實施方式涉及一種用於裂解碳氫化合物之爐系統。爐系統包含一具有輻射加熱區域及對流加熱區域之爐，其中該輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器配置為用預熱氣流燃燒燃料，以產生供給該對流加熱區域之煙道氣。一熱傳流體加熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域。爐系統亦包含一進料預熱線圈，配置用於接收及預熱碳氫化合物進料，以產生預熱之碳氫化合物進料。一輻射製程線圈設置於該輻射加熱區域內，配置為接收該預熱之碳氫化合物進料並生產裂解之碳氫化合物產品。爐系統進一步包含一空氣預熱器，具有空氣入口、預熱空氣出口、熱傳流體入口、熱傳流體出口及一或多個熱交換表面，該熱交換表面用於通過與經由該熱傳流體入口接收之熱的熱傳流體進行間接熱交換來間接加熱經由該空氣入口接收的空氣，以產生該預熱氣流，該預熱氣流通過該預熱空氣出口回收，以及一冷卻熱傳流體，該冷卻熱傳流體通過該熱傳流體出口回收。一或多條流動管線將該預熱空氣出口與該一或多個燃燒器流體連接，用於將該預熱氣流供應至該一或多個燃燒器。亦包含一熱傳流體循環系統，具有用於將該冷卻熱傳流體從該熱傳流體出口循環到設置在該爐之該對流加熱區域內之該熱傳流體加熱線圈之入口之流動管線，以及用於將該熱的熱傳流體從該熱傳流體加熱線圈之出口循環到該熱傳流體入口之流動管線。

於部分實施方式中，爐系統包含設置於該爐之該對流加熱區域內的選擇性催化還原觸媒床。於部分此等實施方式中，該熱傳流體加熱線圈可具有一上熱傳流體加熱線圈及一下熱傳流體加熱線圈，其中該選擇性催化還原觸媒床設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該下熱傳流體加熱線圈位置上方及該上熱傳流體加熱線圈位置下方。

於另一態樣中，本發明實施方式涉及一種使用如上所述之系統裂解碳氫化合物之方法。該方法包含：於熱傳流體加熱線圈中加熱熱傳流體，以產生該熱的熱傳流體；於該空氣預熱器中藉由與該熱的熱傳流體之間接熱交換加熱空氣，以產生預熱空氣；以及將該預熱空氣與燃料混合，形成燃燒混合物，並在該一或多個燃燒器中燃燒該燃燒混合物。

於部分實施方式中，例如包含選擇性催化還原觸媒床之實施方式，該方法可進一步包含控制進入該選擇性催化還原觸媒床之該煙道氣的溫度。

於一進一步之態樣中，本發明實施方式涉及一種改造裂解爐之方法，該裂解爐具有一蒸汽過熱線圈、一鍋爐給水加熱線圈及一進料預熱線圈，各線圈包含連接至進料集管及出料集管之多根管。該改造方法包含：將該鍋爐給水加熱線圈之一或多根管從一鍋爐給水循環系統斷開；將該一或多根管與熱傳流體循環系統進行流體連接；以及將一空氣預熱器與該熱傳流體循環系統及該裂解爐之燃燒器進行流體連接。

於又另一態樣中，本發明實施方式涉及一種加熱器系統。該加熱器系統包含：一具有輻射加熱區域及對流加熱區域之爐，其中該輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器配置為用預熱氣流燃燒燃料。一熱傳流體加熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域。該加熱器系統包含一空氣預熱器，其具有空氣入口、預熱空氣出口、熱傳流體入口、熱傳流體出口及一或多個熱交換表面，該熱交換表面用於通過與經由該熱傳流體入口接收的熱的熱傳流體的間接熱交換，間接加熱經由該空氣入口接收的空氣，以產生該預熱氣流，該預熱氣流通過該預熱空氣出口回收，以及一冷卻熱傳流體，該冷卻熱傳流體通過該熱傳流體出口回收。一或多條流動管線將該預熱空氣出口與該一或多個燃燒器流體連接，用於將該預熱氣流供應至該一或多個燃燒器。該加熱器系統進一步包含一熱傳流體循環系統，包含用於將該冷卻熱傳流體從該熱傳流體出口循環到設置在該爐之該對流加熱區域內之該熱傳流體加熱線圈之入口之流動管線，以及用於將該熱的熱傳流體從該熱傳流體加熱線圈之出口循環到該熱傳流體入口之流動管線。於多種實施方式中，該熱傳流體加熱線圈配置為多個加熱線圈區域，由一或多個額外的熱回收線圈隔開，該熱回收線圈配置為加熱碳氫化合物進料、水、蒸汽或其混合物中之一種或多種。

如上所述，先前實施通常涉及對流區域之昂貴修改，旨在提高燃燒室輻射效率，從而通過增加用於製程加熱(進料氣體或氧化劑)的熱量，犧牲用於非製程加熱(如產生蒸汽)的熱量來減少燃料消耗。

煙道氣與氧化劑之間的熱交換，例如在Oud或Oud和Wijnja的情況下，發生在對流區域的下游(即，熱與最冷的煙道氣交換)。

通過與膨脹蒸汽的間接熱交換來加熱空氣可在對流區域的外部，但並未解決為了首先產生蒸汽而必須消耗燃料（以及相關的排放）的問題。

使用熱管換熱器、多流回路或雙室系統從煙道氣中回收熱而不將空氣引入對流區域的做法已經實施，惟此等方法需要大量的結構改造(在改裝的情況下)或昂貴的對流區域設計來連接到加熱器對流區域。

在許多工業應用中，熱傳流體(HTF)被用來從單一熱源向多個熱需求提供所需的熱量。例如，已知使用生質熱源提供高溫熱力，其使用熱傳流體作為蒸汽產生的替代。將燃燒加熱器與製程適當結合可以整體減少能源需求及資本投資。這與全球乙烯工業尤為相關，因為其安裝基座非常龐大。由於結構鋼和地基載荷的限制，將先前技術方法應用至此大型安裝基座係不切實際的，或係極其昂貴的。需要一種簡單而不昂貴的方法來減少CO ₂排放，並且可快速應用於乙烯蒸汽裂解爐安裝基座。

然而，在大型專用爐中，例如用於生產乙烯、丙烯、丁烯及芳香烴等大宗化學品的蒸汽裂解爐，非製程熱回收是通過生產蒸汽，而蒸汽又用於驅動下游分離區域的壓縮機及其他製程。因此，實際上，下游製程的能源來自蒸汽裂解爐中的燃料燃燒。

本發明之實施方式涉及替代熱回收方法，該方法不需通過產生蒸汽(與相關的排放)將燃料的化學能轉化為熱能和工作能，且可顯著降低現有爐子的燃料消耗，至少降低5%，最高可達30%。本發明所述之此等實施方式亦不昂貴，且不需對對流區域進行重大的額外結構改變。此外，於此之實施方式的熱回收在對流區域維持了期望的熱分布，具高效率，且允許進料預熱的靈活性。最後，此種熱回收方法可應用於現有的爐子，而無需對加熱表面、結構及基礎載荷進行重大修改。本發明的實施方式滿足該些目標中之一或多個，並在部分實施方式中，滿足所有該些目標。

本發明之實施方式涉及用於處理碳氫化合物的爐系統。更具體地，本發明之實施方式涉及爐系統及此等爐的對流區域內熱回收線圈的佈置。

根據本發明實施方式的爐系統具有輻射區域及對流加熱區域。輻射區域，也稱為輻射區或燃燒加熱器箱，包含一或多個燃燒器，例如用於燃燒燃料、產生輻射熱與燃燒氣體的地板及/或壁式燃燒器。燃燒氣體在作為煙道氣排放到大氣之前從輻射區域傳送到對流加熱區域。一或多個輻射製程線圈設置於輻射區域內，製程線圈被來自燃燒器的輻射熱加熱，導致被處理的流體的加熱及/或轉化。

對流加熱區域包含用於餘熱回收的多個加熱線圈。加熱線圈可用於預熱進料(進料預熱線圈)、加熱鍋爐給水、過熱蒸汽，或者在進料被供給到輻射線圈之前加熱或過熱進料流。燃燒氣體中之餘熱亦用於加熱熱傳流體，熱傳流體可用於預熱燃燒空氣或用於工廠內的其他目的。

本發明之實施方式允許根據需要在加熱器的任何區域從燃燒的煙道氣中提取熱量進入熱交換介質(熱傳流體)。部分實施方式從多個區域提取熱量。相反地，在先前技術中，用於空氣預熱的熱量提取通常限於對流區域的最冷部分。當熱量根據本發明之實施方式從多個區域提取到熱傳流體中時，該些區域可為串聯或並聯，或為串聯與並聯的組合。

可根據本發明之實施方式使用熱傳流體進行熱提取。熱傳流體可為一種或不同類型的流體以針對不同的使用溫度。使用熱傳流體從加熱器提取的熱量接著可用於加熱燃燒氧化劑或其他製程流體。

本發明之實施方式可使用熱傳流體的熱提取以同樣調節對流區域中的煙道氣溫度分布。調節煙道氣溫度分布的能力可改善加熱器製程性能及減少排放，例如通過控制選擇性催化還原(SCR)催化劑床的煙道氣溫度以實現最佳的氮氧化物減排。

從選定的加熱器提取的熱量，例如用於加熱燃燒空氣或其他流體的熱量，可以間接地應用回相同的加熱器或其他熱傳設備。此外，本發明之實施方式可提供用煙道氣稀釋預熱氧化劑的選項(例如，外部煙道氣再循環到燃燒器以降低氮氧化物)。

先前技術的燃燒空氣預熱方法如圖1及1A所示。為簡單起見，未示出所描述的流動管線。碳氫化合物進料在對流區域的進料預熱線圈FP中預熱，與稀釋蒸汽混合，並可選地在外部熱交換器(STLE，未示出)中針對冷卻的裂解氣體產品進一步預熱。碳氫化合物加上稀釋蒸汽混合物在混合預熱線圈MP中針對對流區域中的熱燃燒氣體又進一步預熱，並送入輻射箱，其中熱裂解碳氫化合物以產生裂解氣體產品所需的能量是通過在氧化劑流中燃燒燃料以產生熱煙道氣5來提供的。在對流區域的兩個進料預熱區域FP、MP之間，通過連續地加熱鍋爐給水線圈BFW中的鍋爐給水、將加熱後的鍋爐給水送入蒸汽鼓(未示出)、通過冷卻離開輻射區域的熱裂解氣體產生蒸汽，並進一步加熱對流區域的高壓蒸汽，以在上蒸汽過熱區域USSH及下蒸汽過熱區域LSSH產生過熱蒸汽。在對流區域的最冷區域，引入一個空氣預熱器(APH)，在將產生的熱空氣12與燃燒器中的燃料混合之前，將熱從煙道氣間接轉移到燃燒空氣10。APH的添加，無論是在圖1所示的同一對流區域內還是在圖1A所示的單獨熱回收區域內，都能提高輻射效率，同時保持較高的整體熱效率。

輻射效率是在輻射區域中傳遞的熱量除以所提供的總能量。輻射線圈吸收的熱加上輻射區域的熱損失等於煙道氣在絕熱火焰溫度下到離開輻射區域時的溫度所放棄的熱。輻射效率受輻射熱轉移到對流區域的影響，而此又取決於燃燒器的位置，因為位於燃燒器中較高位置的燃燒器將向對流區域輻射更多的熱，而這些熱不會傳遞到燃燒器中的反應。

此等先前技術的對流熱傳方案有一些變化，但一般而言，除了預熱碳氫化合物進料及碳氫化合物進料加稀釋蒸汽外，熱煙道氣的能量亦被用以預熱鍋爐給水、產生蒸汽及過熱蒸汽。通過預熱碳氫化合物進料及稀釋蒸汽；通過使用實用預熱，即鍋爐給水預熱、稀釋蒸汽過熱、高壓蒸汽過熱或通過預熱燃燒空氣，在對流區域節省能源。部分對流區域亦可包含用於通過選擇性催化還原(SCR)技術去除氮氧化物的集成催化劑系統，由此煙道氣中存在的氮氧化物與氨反應。

本發明之實施方式係關於爐系統，例如用於裂解碳氫化合物的系統。如圖2所示，該等爐包含輻射加熱區域50及對流加熱區域52，其中輻射加熱區域包含一或多個燃燒器54，該燃燒器54配置為用預熱空氣流12燃燒燃料56以產生供給對流加熱區域的煙道氣60。輻射處理線圈62設置於輻射加熱區域內，接收預熱的處理流體，例如碳氫化合物，用於碳氫化合物的進一步加熱及裂解。

本發明之實施方式進一步涉及設置於對流加熱區域內加熱線圈的佈置(在圖2A-2E中示出並於下進一步描述)。於此之實施方式包含：配置於爐的對流加熱區域52內的熱傳流體加熱線圈22；一或多個蒸汽加熱線圈(參見圖2A-2E；及一或多個碳氫化合物進料預熱線圈(參見圖2A-2E)，其配置以接收和預熱碳氫化合物進料以產生預熱的碳氫化合物進料。設置於輻射加熱區域內的輻射處理線圈62配置以接收預熱的碳氫化合物進料並生成裂解碳氫化合物產品。

具有空氣入口70、預熱空氣出口72、熱傳流體入口74、熱傳流體出口76及一或多個熱交換表面(未圖示)的空氣預熱器32被配置為通過與經由熱傳流體入口74接收的熱傳熱流體進行間接熱交換來間接加熱經由空氣入口70接收的空氣10，以產生預熱空氣流12。預熱空氣流12通過預熱空氣出口72回收，冷卻的熱傳流體通過熱傳流體出口76回收。一或多根流動管線(未圖示)將預熱空氣出口與一或多個燃燒器流體連接，用於將預熱空氣流12供應到一或多個燃燒器。進一步地，熱傳流體循環系統24包含用於將冷卻的熱傳流體從熱傳流體出口76循環到設置於爐的對流加熱區域52內的熱傳流體加熱線圈22的入口的流動管線28，以及用於將熱的熱傳流體從熱傳流體加熱線圈的出口循環到熱傳流體入口74的流動管線30。泵26可用於在熱傳流體循環系統24內輸送熱傳流體。

圖2A-E示出根據本發明之實施方式的具有中間熱傳流體熱回收的用於預熱燃燒空氣的系統。該等實施方式之共同特點包含：(1)循環熱傳流體，(2)對流區域內的熱回收區域或區域22(熱傳流體加熱線圈)，(3)用於循環熱傳流體的熱傳流體循環回路24，以及(4)空氣預熱器APH。

在高達400°C的高溫下使用的熱傳流體可分為合成物、熱油及無機物，包含聚矽氧。在需要升高液態溫度的製程中，合適的合成熱傳流體通常為聯苯與二苯醚的共熔混合物，通常稱為聯苯或HTF(熱傳流體)。此種流體可在市場上找到，例如品牌名稱DOWTHERM-A及THERMINOL VP-1。此類流體可在高達400°C的溫度下使用。其他熱傳流體可根據其等在操作條件下的特性及穩定性被選擇。諸如SYLTHERM 800等品牌提供的聚矽氧系熱傳流體也適用。

對於利用高溫製程餘熱的系統，HTF加熱器代表最高局部流體膜溫度以及最大流體整體溫度。熱傳表面上的HTF速度應最大化，因這將導致較低的表面溫度。應避免導致高滯留時間的死流區。出於這個原因，在管內包含HTF的配置為較佳的，熱傳流體速度在2-3 m/s或更高的範圍內。

根據本發明之實施方式，熱傳流體循環回路包含從膨脹槽(未圖示)到泵26的管道，從泵到一或多個熱傳流體加熱線圈22的管道28，以及從熱傳流體加熱線圈到外部熱交換器32的管道30。在圖2A-E中，外部熱交換器為空氣預熱器，用於預熱用以在輻射燃燒室中燃燒燃料的氧化劑混合物(例如空氣)。一旦操作溫度低於熱傳流體的正常沸點，熱傳回路即可不加壓。若熱傳流體的操作溫度高於其正常沸點範圍，則可能需要通過膨脹槽施加惰性氣體(通常是N ₂)的加壓液相系統，以保持熱傳流體為液體。

用於合成二苯醚/聯苯類流體的加壓氣相系統亦為可能。氣相系統可設計為使用泵或靜水壓力將冷凝液從散熱器（空氣預熱器）重力返回到汽化器（對流區域線圈）。更複雜的系統需要閃蒸槽、冷凝液回收槽及冷凝液回收泵。增加的資本設備成本及氣相系統的複雜性被單位質量的熱傳流體所增加的熱傳遞所抵消。

空氣預熱器可為每個加熱器的單個熱交換器，或每個加熱器的多個熱交換器，或多個加熱器的單個預熱器，其變化取決於單個單元的大小和容量。空氣預熱器可為板式或管式熱交換器，且可包含延伸的加熱表面，例如螺柱或翅片。由於與熱傳流體相比，低壓空氣的熱傳係數相當低，適當的設計為熱傳流體在管內流動，而空氣在管外流動。可在管外提供熱傳翅片形式的延伸表面，以增加熱傳表面積，並補償空氣側的低得多的熱傳係數。管可為圓形或橢圓鋼管。翅片可以螺旋翅片或螺形翅片的形式應用於管上，該等翅片連續纏繞在每個單獨的管子周圍，可為邊緣纏繞，通過張力黏合在管子上，L型腳或嵌入管子表面的凹槽中。抑或，藉由將管插入板翅片組並將管機械擴展到板片組中，可將許多管納入板翅片結構中。在上述任一設計中，空氣將相對於熱傳流體交錯流動，且熱傳管側可具有多通道。

除熱傳流體加熱線圈22之外，一或多個額外的加熱線圈可設置在對流加熱區域內並且如圖2A-2E所示佈置。此種額外的加熱線圈可包含蒸汽過熱線圈(SSH)。其他加熱線圈可包含用於加熱碳氫化合物進料的進料預熱線圈(FP)、用於混合碳氫化合物及蒸汽混合物的混合進料預熱線圈(MP)以及鍋爐給水(BFW)加熱線圈。特定類型的線圈在對流區域內的相對位置由上部(U)、中部(M)或下部(L)表示，例如，USSH為上部蒸汽過熱線圈。

本發明之各種實施方式包含佈置於爐的對流加熱區域內且在熱傳流體加熱線圈22的位置上方的進料預熱線圈(FP)。正如所屬技術領域中具通常知識者所認知，在特定線圈位置的煙道氣溫度隨著與輻射加熱區域煙道氣出口的距離而降低，部分原因為通過多個加熱線圈的熱提取。因此，上述情況可以重述為進料預熱線圈的煙道氣溫度低於熱傳流體加熱線圈的溫度。

進一步地，於本發明之實施方式包含鍋爐給水加熱線圈及一或多個蒸汽過熱線圈，其設置於爐的對流加熱區域內。熱傳流體加熱線圈可設置在鍋爐給水加熱線圈的位置下方及蒸汽過熱線圈的位置上方。

本發明之部份實施方式亦可包含設置於爐之對流加熱區域內的選擇性催化還原觸媒床。一部份實施方式亦可包含多個熱傳流體加熱線圈，例如上熱傳流體加熱線圈及下熱傳流體加熱線圈。在部分配置中，熱傳流體加熱線圈包含上熱傳流體加熱線圈及下熱傳流體加熱線圈，其中選擇性催化還原觸媒床設置於爐的對流區域內，在下熱傳流體加熱線圈的位置上方及上熱傳流體加熱線圈的位置下方。

在又另外的實施方式中，可在對流熱傳區域內的外部提供外部進料及/或混合進料預熱區域。

以下參照圖2A-2E具體說明與描述如上概述的各種配置。

圖2A說明根據本發明實施方式之從煙道氣中回收熱的一個實施方式。包含在爐之對流加熱區域內的線圈按以下順序排列，從最低(煙道氣溫度最高，最接近燃燒箱)到最高(煙道氣溫度最低，離燃燒箱出口最遠)：混合預熱線圈(MP)；下蒸汽過熱線圈(LSSH)；上蒸汽過熱線圈(USSH)，熱傳流體加熱線圈22，鍋爐給水加熱線圈(BFW)，以及進料預熱線圈(FP)。如上所述，熱傳流體加熱線圈22從循環泵26接收冷卻的熱傳流體，加熱熱傳流體，加熱的熱傳流體通過流動管線30循環到空氣預熱線圈APH，其可包含一或多個翅片管或其他上述的熱傳表面。

對於改造熱回收系統的實施方式，如圖1所示，為了達到如圖2A所示的熱回收系統，對熱回收系統進行改造，使從前用於預熱BFW之一部分管被重新用於加熱熱傳流體。在部份實施方式中，上蒸汽過熱線圈亦被改造，以考慮到較少的蒸汽產生量。減少蒸汽的產生為本發明部份實施方式之目標。

圖2B說明根據本發明實施方式之從煙道氣中回收熱的一個實施方式。包含在爐之對流加熱區域內的線圈按以下順序排列，從最低(煙道氣溫度最高，最接近燃燒箱)到最高(煙道氣溫度最低，離燃燒箱出口最遠)：混合預熱線圈(MP)；下蒸汽過熱線圈(LSSH)；上蒸汽過熱線圈(USSH)；熱傳流體加熱線圈22，包含一下傳熱流體加熱線圈及一上傳熱流體加熱線圈，其中間為選擇性催化還原觸媒床(SCR)；鍋爐給水加熱線圈(BFW)；以及進料預熱線圈(FP)。如上所述，熱傳流體加熱線圈22從循環泵26接收冷卻的熱傳流體，加熱熱傳流體，加熱的熱傳流體通過流動管線30循環到空氣預熱線圈APH，其可包含一或多個翅片管或其他上述的熱傳表面。

於圖2B中，熱回收區域與圖2A類似地進行修改，然而，用於脫除氮氧化物之觸媒床上方及下方之BFW線圈皆被重新用於加熱熱傳流體。於此情況下，熱傳流體被串聯在兩個區域中加熱。

圖2C說明根據本發明實施方式之從煙道氣中回收熱的一個實施方式。包含在爐之對流加熱區域內的線圈按以下順序排列，從最低(煙道氣溫度最高，最接近燃燒箱)到最高(煙道氣溫度最低，離燃燒箱出口最遠)：混合預熱線圈(MP)；下蒸汽過熱線圈(LSSH)；中蒸汽過熱線圈(MSSH)；上蒸汽過熱線圈(USSH)；熱傳流體加熱線圈22；鍋爐給水加熱線圈(BFW)；以及進料預熱線圈(FP)。

圖2C為與圖2A類似的佈置，惟其係修改翅片密度以解決蒸汽產生減少的問題，而非取消USSH線圈中之部分管。

圖2D示出根據本發明實施方式之從煙道氣中回收熱的一個實施方式。包含在爐之對流加熱區域內的線圈按以下順序排列，從最低(煙道氣溫度最高，最接近燃燒箱)到最高(煙道氣溫度最低，離燃燒箱出口最遠)：混合進料預熱線圈；下蒸汽過熱線圈；中蒸汽過熱線圈；上蒸汽過熱線圈；熱傳流體加熱線圈；以及鍋爐給水加熱線圈。圖2D之爐系統進一步包含與燃氣輪機排氣(未圖示)相連的煙囪40。煙囪40包含進料預熱線圈(FP)及第二混合進料預熱線圈(SMP)，第二混合進料預熱線圈與混合進料預熱線圈(MP)流體連接。

於改造以達成圖2D之佈置時，進料預熱（FP）線圈及一部分USSH與LSSH線圈被通過，且部分BFW線圈被用於熱傳流體加熱區域。燃氣輪機排氣（GTE）流被額外用於預熱進料（FP）及部分預熱混合進料（MP），其為之前在對流區域所實施。藉由將進料預熱及混合進料預熱移到具有GTE加熱之新區域，允許從GTE回收最大量的熱，及為熱傳流體回收區域且因此為空氣預熱區域的更多可用負載。

圖2E示出根據本發明實施方式之從煙道氣中回收熱的另一實施方式。包含在爐之對流加熱區域內的線圈按以下順序排列，從最低(煙道氣溫度最高，最接近燃燒箱)到最高(煙道氣溫度最低，離燃燒箱出口最遠)：下混合預熱線圈；下蒸汽過熱線圈；中蒸汽過熱線圈；上蒸汽過熱線圈；熱傳流體加熱線圈，包含下熱傳流體加熱線圈及上熱傳流體加熱線圈，其中間從低到高為上混合進料預熱線圈、稀釋蒸汽過熱線圈及下進料預熱線圈；以及進料預熱線圈。

於改造以達成圖2E之實施方式中，BFW加熱線圈被替換為熱傳流體區域。USSH區域之一部分亦被熱傳流體加熱線圈替換。

對於上述各實施方式，基於重新安排預先存在的對流佈局與採用根據本發明實施方式的熱傳流體的對流區域，進行熱計算。其結果總結於表1中。與沒有熱傳流體加熱線圈及外部熱傳流體空氣預熱器之佈置相比，輻射效率的提升為3-10%。由此產生的二氧化碳排放量降低了8-20%。

表1 輻射效率及二氧化碳排放
實施方式	先前技術輻射效率	本發明輻射效率	二氧化碳排放降低
圖 2A	42.1%	46.8%	15.2%
圖2B	41.4%	47.1%	20.3%
圖2C	35.3%	41.0%	18.7%
圖2D	35.6%	45.6%	12.6%
圖2E	41.7%	44.6%	8.0%

雖以上針對單一爐與熱傳流體循環系統進行描述，本發明實施方式考慮將熱傳流體循環系統與多個爐流體連接。例如，於此之實施方式可包含具有輻射加熱區域及對流加熱區域之第二爐，其中輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器被配置為用預熱氣流燃燒燃料，以產生供給對流加熱區域之煙道氣，其中第二爐包含與熱傳流體循環系統流體連接的空氣預熱器。

燃燒加熱器中之加熱表面可為管狀或任何其他類型之表面形式。熱提取可來自加熱器或任何其他類型之載熱流反應器。

於此之實施方式亦可用於輸入熱、而非提取熱(例如，將煙道氣加熱到下游受熱流的服務溫度窗口，包含SCR應用)。例如，熱傳流體循環系統中可用之多餘熱可用於向設置在SCR觸媒床上游的熱傳流體冷卻線圈提供熱、而非提取熱。通過冷卻線圈的熱傳流體流速可被控制，以便在SCR觸媒床的入口獲得理想的煙道氣溫度。

於各種實施方式中，外部空氣預熱可與來自包含用於加熱燃燒氧化劑之熱的其他流之熱傳相結合。例如，工廠內的製程或公共設施流可用於預熱空氣預熱器(APH)上游的燃燒空氣或進一步加熱空氣預熱器(APH)下游的燃燒空氣。抑或，來自熱傳流體之多餘熱可用於加熱工廠內的其他流，其中此等額外提供的熱可有助於進一步減少整個工廠的二氧化碳排放。

每個爐可使用單個空氣預熱器。抑或，熱傳流體可分成多個回路，包含藉由與各單獨的燃燒器直接耦合的預熱器單元加熱燃燒空氣之實施方式。

可使用液相或氣相熱傳流體。

除了來自對流區域的熱回收外，熱傳流體循環回路可包含其他補充餘熱源。例如，其他餘熱源可用於預熱或進一步加熱循環回路內的熱傳流體。

先前技術的佈置通常用於直接用燃燒煙道氣或外部餘熱來加熱燃燒空氣。進一步，以先前技術的佈置從煙道氣中提取熱需要為煙道氣或加熱空氣或二者做大量的管道工作，並為結構鋼、基座及/或地塊空間增加大量的負荷。此外，以先前技術的佈置從其他來源的餘熱中提取熱將無法調節加熱器對流區域的煙道氣溫度。若製程原料被改變或變化，則可能需要為進料預熱區域提供不同的熱輸入。保持加熱器熱效率的唯一方法為調整燃燒速度。相較之下，於此之實施方式允許改變熱流體的溫度或流速，因此從煙道氣中回收熱的區域內之熱傳可獨立於任何其他工廠系統而變化。因此，本發明之實施方式應用中間熱傳流體來加熱燃燒氧化劑，允許緊湊的設計及各種加熱方案的靈活性。

本發明之實施方式將對加熱器結構鋼、基座負荷產生最小的影響，並且需要最小的地塊空間。相較之下，在對流區域添加空氣預熱器涉及重大的結構改變。

除了以上確定的優點外，本發明之實施方式節省地塊空間，並對加熱器區域造成較少的擁堵，該等擁堵可能干擾加熱器的操作及維護。

本發明之實施方式亦關於使用如上所述的系統裂解碳氫化合物的方法，例如於圖2A-2E中之一個或多個中說明的。裂解碳氫化合物的方法可包含在熱傳流體加熱線圈中加熱熱傳流體以產生熱的熱傳流體。該方法亦包含通過與空氣預熱器中之熱的熱傳流體進行間接熱交換以加熱空氣。並且，該方法包含將預熱的空氣與燃料混合以形成燃燒混合物，並在一或多個燃燒器中燃燒該燃燒混合物。

對於包含SCR觸媒床之實施方式，本發明之實施方式可進一步包含控制進入選擇性催化還原觸媒床的煙道氣的溫度。例如，熱傳流體循環系統內的熱傳流體的流速可用於調整SCR觸媒床入口的煙道氣溫度。

進一步，本發明之實施方式可用於改造現有的對流區域熱回收系統。例如，當改造具有蒸汽過熱線圈、鍋爐給水加熱線圈及進料預熱線圈的裂解爐時，各線圈包含連接到進料集管及出料集管的多個管，該方法可包含：將鍋爐給水加熱線圈之一或多個管與鍋爐給水循環系統斷開；將該一或多個管與熱傳流體循環系統流體連接；以及將空氣預熱器與熱傳流體循環系統和爐的燃燒器流體連接。改造亦可包含將蒸汽過熱線圈的一或多個管停止使用，及/或修改蒸汽過熱線圈之管的密度。改造可使熱傳表面優化或滿足新的製程設計要求，包含材料升級、延伸表面調整（翅片或螺柱等）、管及翅片尖端圓直徑的改變、製程流向的改變及流體流或平行通道的數量。進一步地，由於現有的加熱器在對流區域可能有備用的管排，備用的管排可用來加熱熱傳流體，抑或備用的管排與現有的部分加熱表面相結合，可形成一個新的線圈來加熱熱傳流體。

如本發明所使用的，線圈係根據被處理的材料來提及（命名），且本發明說明書及請求項中提及的具體線圈係根據線圈功能來定義（例如「鍋爐給水加熱」線圈）。由此類線圈定義之及包含此類線圈之系統必然包含從進料供給系統（如水槽）到出料處理系統（如鍋爐）之流體連接，以及進料及出料處理系統之相關水槽、泵、閥、控制器等。

除非另有定義，所使用的技術及科學術語與該些系統、裝置、方法、製程及組成物之技術領域中具通常知識者通常理解的含義相同。

單數形式的「一（a）」、「一個（an）」及「該（the）」包含複數指稱，除非上下文明確規定了其他情況。

如同本文及所附請求項中使用的，詞語「包含」、「具有」及「包括」以及其所有語法變化各自旨在具有開放的、非限制性的含義，不排除其他元素或步驟。

「可選地」係指隨後描述的事件或情況可以發生或不發生。該描述包含發生該事件或情況的例子及不發生的例子。

當使用「約」或「大約」一詞時，該用語可能意味著可有不超過±10%、不超過5%、不超過2%、不超過1%、不超過0.5%、不超過0.1%或不超過0.01%的值差異。

範圍可以表示為從大約一個特定值到大約另一個特定值，包含端值。當表達這樣的範圍時，應理解為另一個實施方式是從一個特定值到另一個特定值，以及該範圍內的所有特定值及其組合。

雖然本發明內容包含有限數量的實施方式，但受益於本發明內容的本發明所屬技術領域中具通常知識者將理解，可設計出不偏離本發明範圍的其他實施方式。因此，其範圍應僅由所附的請求項來限制。

5:煙道氣 10:空氣 12:熱空氣、預熱空氣流 22:加熱線圈 24:熱傳流體循環系統、熱傳流體循環回路 26:泵 28:流動管線、管道 30:流動管線、管道 32:空氣預熱器、外部熱交換器 40:煙囪 50:輻射加熱區域 52:對流加熱區域 54:燃燒器 56:燃料 60:煙道氣 62:輻射處理線圈 70:空氣入口 72:預熱空氣出口 74:熱傳流體入口 76:熱傳流體出口

〔圖1〕說明先前技術之燃燒空氣預熱方法。［圖1A］說明先前技術之燃燒空氣預熱方法。［圖2］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。［圖2A］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。［圖2B］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。［圖2C］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。［圖2D］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。［圖2E］示出根據本文實施方式之利用中間熱傳流體熱回收的熱回收及空氣預熱系統。

Claims

一種用於裂解碳氫化合物之爐系統，包含：一具有輻射加熱區域及對流加熱區域之爐，其中該輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器配置為用預熱氣流燃燒燃料，以產生供給該對流加熱區域之煙道氣；一設置於該爐之該對流加熱區域之熱傳流體加熱線圈；一進料預熱線圈，配置用於接收及預熱碳氫化合物進料，以產生預熱之碳氫化合物進料；一設置於該輻射加熱區域之輻射製程線圈，配置為接收該預熱之碳氫化合物進料並生產裂解之碳氫化合物產品；一空氣預熱器，具有空氣入口、預熱空氣出口、熱傳流體入口、熱傳流體出口及一或多個熱交換表面，該熱交換表面用於通過與經由該熱傳流體入口接收之熱的熱傳流體進行間接熱交換來間接加熱經由該空氣入口接收的空氣，以產生該預熱氣流，該預熱氣流通過該預熱空氣出口回收，以及一冷卻熱傳流體，該冷卻熱傳流體通過該熱傳流體出口回收；一或多條流動管線，將該預熱空氣出口與該一或多個燃燒器流體連接，用於將該預熱氣流供應至該一或多個燃燒器；及一熱傳流體循環系統，包含用於將該冷卻熱傳流體從該熱傳流體出口循環到設置在該爐之該對流加熱區域內之該熱傳流體加熱線圈之入口之流動管線，以及用於將該熱的熱傳流體從該熱傳流體加熱線圈之出口循環到該熱傳流體入口之流動管線。
如請求項1所述之系統，其中該進料預熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該熱傳流體加熱線圈位置上方。
如請求項1所述之系統，包含設置於該爐之該對流加熱區域內的一鍋爐給水加熱線圈及一或多個蒸汽過熱線圈，其中該熱傳流體加熱線圈設置於該鍋爐給水加熱線圈位置下方及該一或多個蒸汽過熱線圈位置上方。
如請求項3所述之系統，包含設置於該爐之該對流加熱區域內的選擇性催化還原觸媒床，且其中該熱傳流體加熱線圈包含一上熱傳流體加熱線圈及一下熱傳流體加熱線圈，其中該選擇性催化還原觸媒床設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該下熱傳流體加熱線圈位置上方及該上熱傳流體加熱線圈位置下方。
如請求項1所述之系統，其中該進料預熱線圈包含一上進料預熱線圈及一下進料預熱線圈，且其中該熱傳流體加熱線圈包含一上熱傳流體加熱線圈及一下熱傳流體加熱線圈，其中：該上進料預熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該下進料預熱線圈位置上方；該上熱傳流體加熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該下熱傳流體加熱線圈位置上方；該上進料預熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該上熱傳流體加熱線圈位置上方；以及該下進料預熱線圈設置於該爐之該對流加熱區域內，位於該下熱傳流體加熱線圈位置上方。
如請求項1所述之爐系統，包含線圈，於該爐之該對流加熱區域內由低至高按以下順序排列：一混合預熱線圈；一下蒸汽過熱線圈；一上蒸汽過熱線圈；該熱傳流體加熱線圈；一鍋爐給水加熱線圈；以及該進料預熱線圈。
如請求項1所述之爐系統，包含線圈，於該爐之該對流加熱區域內由低至高按以下順序排列：一混合預熱線圈；一下蒸汽過熱線圈；一上蒸汽過熱線圈；該熱傳流體加熱線圈，包含一下熱傳流體加熱線圈及一上熱傳流體加熱線圈，其中間為一選擇性催化還原觸媒床；一鍋爐給水加熱線圈；以及該進料預熱線圈。
如請求項1所述之爐系統，包含線圈，於該爐之該對流加熱區域內由低至高按以下順序排列：一混合預熱線圈；一下蒸汽過熱線圈；一中蒸汽過熱線圈；一上蒸汽過熱線圈；該熱傳流體加熱線圈；一鍋爐給水加熱線圈；以及該進料預熱線圈。
如請求項1所述之爐系統，包含線圈，於該爐之該對流加熱區域內由低至高按以下順序排列：一下混合預熱線圈；一下蒸汽過熱線圈；一中蒸氣過熱線圈；一上蒸汽過熱線圈；該熱傳流體加熱線圈，包含一下熱傳流體加熱線圈及一上熱傳流體加熱線圈，其中間由低至高為一上混合進料預熱線圈、一稀釋蒸汽過熱線圈及一下進料預熱線圈；以及該進料預熱線圈。
如請求項1所述之爐系統，包含線圈，於該爐之該對流加熱區域內由低至高按以下順序排列：一混合預熱線圈；一下蒸汽過熱線圈；一中蒸汽過熱線圈；一上蒸汽過熱線圈；該熱傳流體加熱線圈；以及一鍋爐給水加熱線圈。
如請求項10所述之爐系統，包含一與燃氣輪機排氣相連的煙囪，該煙囪包含一進料預熱線圈及一第二混合進料預熱線圈，該第二混合進料預熱線圈與該混合進料預熱線圈流體連接。
如請求項1所述之爐系統，包含一具有輻射加熱區域及對流加熱區域之第二爐，其中該輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器配置為以預熱氣流燃燒燃料，以產生供給該對流加熱區域之煙道氣，其中該第二爐包含與該熱傳流體循環系統流體耦合之空氣預熱器。
一種使用如請求項1所述之系統裂解碳氫化合物之方法，包含：於該熱傳流體加熱線圈中加熱熱傳流體，以產生該熱的熱傳流體；於該空氣預熱器中藉由與該熱的熱傳流體之間接熱交換加熱空氣，以產生預熱空氣；以及將該預熱空氣與燃料混合，形成燃燒混合物，並在該一或多個燃燒器中燃燒該燃燒混合物。
一種使用如請求項4所述之系統裂解碳氫化合物之方法，包含：於該熱傳流體加熱線圈中加熱熱傳流體，以產生該熱的熱傳流體；於該空氣預熱器中藉由與該熱的熱傳流體之間接熱交換加熱空氣，以產生預熱空氣；將該預熱空氣與燃料混合，形成燃燒混合物，並在該一或多個燃燒器中燃燒該燃燒混合物；以及控制進入該選擇性催化還原觸媒床之該煙道氣的溫度。
如請求項14所述之方法，包含將部分之該煙道氣與空氣進料混合，以提供稀釋的空氣進料，作為該空氣預熱器中加熱之該空氣。
一種改造裂解爐之方法，該裂解爐具有一蒸汽過熱線圈、一鍋爐給水加熱線圈及一進料預熱線圈，各線圈包含連接至進料集管及出料集管之多根管，該方法包含：將該鍋爐給水加熱線圈之一或多根管從一鍋爐給水循環系統斷開；將該一或多根管與熱傳流體循環系統進行流體連接；以及將一空氣預熱器與該熱傳流體循環系統及該裂解爐之燃燒器進行流體連接。
如請求項16所述之方法，包含將該蒸汽過熱線圈之一或多根管停用。
如請求項16所述之方法，包含修改該蒸汽過熱線圈之管的翅片密度。
一種加熱器系統，包含：一具有輻射加熱區域及對流加熱區域之爐，其中該輻射加熱區域包含一或多個燃燒器，該燃燒器配置為用預熱氣流燃燒燃料；一設置於該爐之該對流加熱區域之熱傳流體加熱線圈；一空氣預熱器，具有空氣入口、預熱空氣出口、熱傳流體入口、熱傳流體出口及一或多個熱交換表面，該熱交換表面用於通過與經由該熱傳流體入口接收的熱的熱傳流體的間接熱交換，間接加熱經由該空氣入口接收的空氣，以產生該預熱氣流，該預熱氣流通過該預熱空氣出口回收，以及一冷卻熱傳流體，該冷卻熱傳流體通過該熱傳流體出口回收；一或多條流動管線，將該預熱空氣出口與該一或多個燃燒器流體連接，用於將該預熱氣流供應至該一或多個燃燒器；及一熱傳流體循環系統，包含用於將該冷卻熱傳流體從該熱傳流體出口循環到設置在該爐之該對流加熱區域內之該熱傳流體加熱線圈之入口之流動管線，以及用於將該熱的熱傳流體從該熱傳流體加熱線圈之出口循環到該熱傳流體入口之流動管線。
如請求項19所述之加熱器系統，其中該熱傳流體加熱線圈配置為多個加熱線圈區域，由一或多個額外的熱回收線圈隔開，該熱回收線圈配置為加熱碳氫化合物進料、水、蒸汽或其混合物中之一種或多種。