一种改进的用于精炼和石化应用的火焰加热器单元

摘要

本发明涉及一种火焰加热器单元，该火焰加热器单元包括至少一个辐射加热部分，其中所述至少一个辐射加热部分中的每一个具有位于其中的加热元件。该火焰加热器单元包括操作性地连接于所述至少一个辐射加热部分的对流部分，其中所述对流部分具有至少一根竖直定向的对流管。所述至少一根对流管中的每一根对流管操作性地连接于所述至少一个辐射加热部分。所述至少一根对流管中的每一根对流管包括：内管，工艺流体流过该内管，其中工艺流体由所述至少一个辐射加热部分加热；和沿着内管的预定部分延伸的外管，其中外管与内管间隔以便在内管和外管之间形成流动路径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有竖直布置的对流部分的、利用正压力的、高效低排放的火焰加热器(fired heater)单元。使用正压力允许强制对流传热，这减少了加热所需的尺寸，导致炉设计紧凑。可设想根据本发明的火焰加热器单元用于精炼和石化应用。

背景技术

在石油精炼厂和石化厂中通常使用火焰加热器，因为这些加热器能够提供较高水平的热力，而这通常不能从其它设备源得到。目前商业实务中的常规火焰加热器包括辐射部分、对流部分、空气预热器和超低NOx燃烧器。对流部分位于辐射部分的顶部。对流部分的对流管为水平朝向。

常规火焰加热器使用预热的空气以使加热器的效率最大化。常规火焰加热器需要带有强制鼓风机和引风机的平衡通风设计。强制鼓风机将环境空气进给预热器并然后送到加热器。引风机抽吸烟气。但是，这种布置易于引入额外的环境空气。环境空气的引入对于加热器的运行具有负面影响。因此，常规火焰加热器必须在3％或更高的过O₂水平下运行以防止燃烧相关的不稳定性。这降低了加热器的效率，使得通常仅能达到91％-92％的最大可实现的加热器效率。效率的降低导致总的NOx和温室气体排放的增加。

随着对燃料日益增高的需求、其增加的成本以及同时对减排日益严格的条例控制，需要一种加热效率最大化并且排放减少的火焰加热器。这种需要特别存在于较大型的加热器(大于100MBtu/hr)中。

发明内容

本发明的实施例的方面涉及一种高效、低排放且设计紧凑的火焰加热器单元。加热器效率的增加将导致燃料消耗减少，从而实现节能以及NOx和温室气体排放的相应减少。

本发明的一个方面是在火焰加热器中利用正压力(即高于大气压)以防止环境空气的进入。可设想整个火焰加热器单元可在正压力下运行。正压力运行的应用使得加热器单元以较低的过O₂量运行。过O₂量的减少导致更高的效率和更低的排放。

正压力运行的应用也使得允许在加热器的对流部分中从烟气到工艺流体的强制对流传热。强制对流传热减少了加热工艺流体所需的有效对流传热表面，这减小了装置尺寸。

本发明的另一方面是提供具有带纵向翅片的竖管的对流部分。该管具有径向延伸的间隔的翅片。此布置加强了对工艺流体的热传递。

本发明的另一方面是提供具有紧凑结构的火焰加热器。该独特的布置通过将对流部分设置在辐射部分之间来实现。

由于根据本发明的加热器在整个加热器中以正压力运行，因此仅需要强制鼓风机。不需要比强制鼓风机更容易出现维护问题的引风机。

(仅)在整个加热器中使用强制鼓风装置，该加热器可在1％-2％的较低过O₂量水平下运行。照此，可达到95％的潜在热效率。此外，由于较高的效率，较低的燃料燃烧使得可实现NOx和温室气体排放减少估计为3％。

可通过本发明实现这些和其他方面，本发明涉及一种火焰加热器单元，该火焰加热器单元包括双室竖管箱型辐射部分，带有竖管朝向的对流部分位于两个辐射室之间。在本发明中对流部分设计概念对于火焰加热器是独特的，描述如下。对流部分的各个管包括裸露件和具有带纵向翅片的管的分段带翅部分。各管的翅片管部分封闭在外部耐火加衬金属套管内以形成烟气壳并因此提供用于烟气流的路径。来自辐射部分的烟气进入对流部分的顶部，与管内工艺流体进行热交换，首先和裸露的部分且然后和各管的烟气壳内的带翅片的部分——类似于常规套管热交换器中的流动路径。因此在各管中烟气流相对于工艺流体流在每个通道中是顺流和逆流流动交替的组合。各管周围的烟气壳焊接到管板内，该管板接着焊接到烟气压力通风装置中。来自各个壳的烟气排到压力通风装置中，流过高效空气预热器单元，然后通过管道输送到排气烟道中。来自强制鼓风机的环境空气在空气预热器单元中预热，然后通过管道输送到位于加热器底部上的燃烧器中。强制鼓风机提供预热燃烧空气流和贯穿整个加热器的空气和烟气流动回路所需要的压头(通常是25英寸水柱)。在本发明中没有引风机。

根据本发明的方面，火焰加热器单元包括至少一个辐射加热部分。每个辐射加热部分包括加热元件。火焰加热器单元还包括与所述至少一个辐射加热部分操作性地连接的对流部分。该对流部分竖直朝向且包括至少一根竖直朝向的对流盘管。具有顶部受支承的管的竖管朝向会使得维护(成本)更低。去除引风机和相关联的管路有利于较低成本的设计。各对流管的一部分操作性地连接到所述至少一个辐射加热部分。

根据本发明，所述至少一根对流管中的每一根都包括其中通过工艺流体的内管。工艺流体由所述至少一个辐射加热部分加热。各对流管还包括沿着内管的预定部分延伸的外管。外管和内管相间隔以在内管和外管之间形成流动路径。该流动路径可包括至少一个径向延伸的位于其中的翅片，该翅片从内管向外管向外延伸。每个翅片沿着外管的长度延伸。强制对流和翅片之间较宽间隔的组合实际上消除了翅片管的结垢。结垢的减轻和/或消除有助于保持设计效率和降低维护成本。每根竖管优选包括被纵向延伸的翅片围绕的内部管。该管和翅片由耐火加衬金属套管围绕。外管优选包括外管周围的耐火层。

根据本发明的方面，流动路径具有第一开口端和第二开口端。流动路径的第一开口端操作性地连接于所述至少一个辐射加热部分。利用这种布置，来自所述至少一个辐射加热部分的烟气通过第一开口端进入该流动路径。烟气进一步加热内管中的工艺流体。第二开口端操作性地连接于压力通风装置使得通过流动路径的烟气通过第二开口端离开流动路径而进入压力通风装置。压力通风装置操作性地联接于预热器单元使得离开流动路径的烟气通过压力通风装置流到预热器单元，在该预热器单元处烟气对引入的环境空气进行预热。

根据本发明的另一方面，火焰加热器单元包括强制鼓风机。该强制鼓风机向预热器单元供应环境空气，该预热器单元然后将空气供给所述至少一个辐射加热部分。根据本发明，仅需要强制鼓风机来供给环境空气，并使该环境空气流动通过加热器单元。这样，加热器单元在正压力下运行。

根据本发明的另外的方面，火焰加热器单元包括第一辐射加热部分和第二辐射加热部分。第一辐射加热部分和第二辐射加热部分位于对流单元的相对侧，使得对流单元位于它们之间。第一辐射加热部分和第二辐射加热部分在工艺流体流过对流单元时加热工艺流体。

可以设想每根对流管可具有大致为U形的内管。每根内管可包括第一竖直延伸部分、第二竖直延伸部分和将第一竖直延伸部分连接到第二竖直延伸部分的连接部分。工艺流体流过第一竖直延伸部分进入连接部分，然后进入第二竖直延伸部分。每个竖直延伸部分可包括沿着竖直延伸部分的预定部分延伸的外管。优选地，第一外管沿着第一竖直延伸部分的预定部分延伸；且第二外管沿着第二竖直延伸部分的预定部分延伸。流动路径位于内管和第一外管之间以及内管和第二外管之间。每个流动路径具有第一开口端和第二开口端。每个流动路径的第一开口端各操作性地连接于第一和第二辐射加热部分使得第一和第二辐射加热部分中的每一个中的烟气通过第一开口端进入流动路径。每个第二开口端操作性地连接于压力通风装置使得流过流动路径的烟气通过第二开口端离开该流动路径。

结合详细描述和附图，本发明的这些和其他方面将变得明显。

附图说明

下面将结合附图描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的实施例的改进的火焰加热器的侧透视图；

图2是图1的改进的火焰加热器的双室竖管箱型辐射部分的示意图；

图3是对流部分管的部分透视图；

图4是对流管的示出内管和翅片的局部透视图；

图5是示出根据本发明的实施例的对流加热部分的透视图；及

图6是根据本发明的对流加热部分附近的一个辐射加热部分的示意图。

具体实施方式

下面将根据附图较详细地描述本发明。图1中示出根据本发明的实施例的火焰加热器单元10。火焰加热器单元10包括将环境空气供应给空气预热器单元12的强制鼓风机单元11。该强制鼓风机单元11在正压力下向空气预热器单元12供给环境空气。强制鼓风机单元11运行以将火焰加热器单元10维持在正压力下以便防止环境空气的进入。

如图1所示，环境空气通过空气预热器单元12。该空气然后通过管道系统13。该管道系统13连接到加热器单元10的至少一个辐射加热部分14。管道系统13将经预热的空气供应到辐射加热部分14。在每个辐射加热部分14内安置有至少一个加热元件141。加热元件141进一步加热经预热的空气。可设想每个加热元件141是燃烧器或其他合适的加热源。加热元件141优选为超低NOx燃烧器，该超低NOx燃烧器已在多种应用(包括不同的加热器尺寸、用途和负载)中得到商业性肯定。

辐射加热部分14由容纳工艺流体的配管142围绕。如图2所示，在辐射加热部分14内加热的空气向上行进。在辐射加热部分14的一侧上安置有竖直布置的对流加热部分15。对流加热部分15在辐射加热部分14的附近定向，使得辐射加热部分14与对流加热部分15操作性地连接。优选设置一对辐射加热部分14a和14b，如图2所示。辐射加热部分14a和14b都操作性地连接于对流加热部分15。利用这种布置，被加热的烟气导入到对流加热部分15中以加热通过对流加热部分15的工艺流体，所述被加热的烟气是在环境空气被加热元件141加热时产生。

下面结合图2和图3更详细地描述对流加热部分15。竖直定向的对流加热部分15设置在所述一对辐射加热部分14a和14b之间。对流加热部分15包括多根竖直延伸管151。每根竖直延伸管151包括内管152，工艺流体流过所述内管。外管153沿着内管152的预定的长度延伸。优选的是外管153不是沿着内管152的整个长度延伸，原因将在下文中给出。外管153和内管152相间隔使得在它们之间形成流动路径154。多个径向延伸的翅片155在流动路径154内从内管152向外管153向外延伸。热传导翅片155在流动路径154内充分间隔以便防止流动路径154内结垢，该结垢可能由通过流动路径154的烟气在翅片155上沉积而形成。外管153可包括外部耐火层156。

如上文提到的，外管153没有在内管152的整个长度上延伸。利用这种布置，在流动路径154的相对端形成开口157和158。第一开口157位于外管153的上端以允许烟气从辐射加热部分14a和14b流进流动路径154。被加热的流动气体流进流动路径154，流过翅片155，从而加热翅片155。接着，热量从翅片155传递到位于内管152内的工艺流体。在烟气进入流动路径154之前，烟气与内管152的上部暴露部分接触。这导致加热内管152。然后，热量传递到流动通过内管152的工艺流体中。

在烟气流过流动路径154之后，烟气通过开口158离开流动路径154。外管153连接到或延伸到位于对流加热部分15下方的压力通风装置16中。采用这种布置，第二开口158位于压力通风装置16内。如图1所示，压力通风装置16连接于空气预热器单元12。离开对流加热部分15进入压力通风装置16的烟气流向空气预热器单元12，烟气在通过烟道17离开之前在该空气预热单元12处预热进入的环境空气，如图1所示。

可以设想内管152可形成多个通过对流加热部分15以加热工艺流体的通道。内管152的每个竖直部分将包括以上述方式沿着内管152的预定的长度延伸的外管153，使得内管152的每个竖直部分包括在其周围形成的相应的流动路径。可在内管152的竖直部分的上下端上形成连接部分以使工艺流体的流动改向进入到另一竖直部分中以实现通过对流加热部分15的流程。还可以设想每个对流加热部分15可包括多根独立的内管152。采用这种布置，可通过单个对流加热部分15来加热多种工艺流体。

由于在整个加热器单元10内采用正压力的强制通风设计，消除了空气进入，这从而允许较低过O₂量的运行。较低的过O₂量导致相应的较高的效率和较低的NOx和温室效应气体的排放。

如以下表1所示，估计相对于使用空气预热器的100MBtu/hr的常规加热器而言本发明使得加热器的热效率增加3％，NOx和温室气体排放减少3％。与没有预热器的常规加热器相比，该增加更加显著。

 

加热器类型效率-LHY％燃烧热MBTU/hr(LHV/HHV)NOx排放LB/MBTU(HHV)和Tons/YrCO₂排放Lb/MBTU(HHV)和kTons/Yr常规加热器83120/1320.020/11.5126/71.5带有空气预热的常规火焰加热器92108/1180.025/13126/64.0具有空气预热的改进的火焰加热器95105/1150.025/12.6126/62.3

在保持本发明的如权利要求中限定的精神和范围之内且不脱离此精神和范围的情况下，可对在此描述的本发明做出各种修改，并且可对所述装置和方法做出很多不同的实施例。在所附说明中包括的全部内容意在理解为仅是说明性的而不是限制性的。