CN112179138A - 一种高效低nox排放多孔介质燃烧加热炉 - Google Patents

一种高效低nox排放多孔介质燃烧加热炉 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油化工设备技术领域，涉及一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，特别是石油化工领域的加热炉。炉体包括燃烧室和中低温对流换热室，管式炉体内部炉膛是空腔结构，燃烧器安装在炉膛中央，燃烧器底部装有燃气/空气预混气体进口，燃烧器与炉膛内表面之间形成的空腔为燃烧室，燃烧室也是辐射换热室，燃烧器与炉膛内表面之间装有辐射换热管，炉膛内表面衬有碳化硅材质辐射反射镜，辐射换热室的上方为烟气排放通道，形成对流换热室。这种加热炉基于碳化硅泡沫陶瓷为介质的多孔介质燃烧技术，较常规明焰燃烧热辐射强度可提高一倍以上，具有显著的节省燃气和低NOX、CO排放的效果，尾气不经处理即可达到环保排放要求。

Description

一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉
技术领域
本发明属于石油化工设备技术领域，涉及一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，适用于各种加热炉，特别是石油化工领域的加热炉。
背景技术
目前，在石油化工行业中，通常采用加热炉来提高生产管道内的物料温度以达到工艺要求，这类加热炉包括常压炉、减压炉、制氢炉、重整炉、焦化炉、转化炉及裂解炉等，燃料多为天然气、液化气、干气等。
现有加热炉多采用明焰烧嘴，由于该类烧嘴燃烧过程的特性，充分燃烧后烟气中氮氧化物通常超过规定含量，且空气过量造成能耗增加；如燃烧不充分将会产生一氧化碳、黑烟等有害气体，不仅污染环境，且燃料使用量也会增加，增加了单产能耗。一般管式加热炉列管长度较大，有的甚至达到十米以上，就要求烧嘴火焰长度也非常长，燃烧区域温度场均匀性难以保障，存在上、下部热强度的不均匀性，管式加热炉运行过程中，火焰或高温烟气通过辐射、对流及传导传热量到需被加热的介质，其中辐射为主要的传热换方式，一般全炉热量的70～80％由其完成交换，对流传热占20～30％，由于烟气成分复杂，不同气体热辐射对于波长的选择性，烟气辐射不具有全光谱特性，大量的实验表明CO2和H2O的热辐射能力分别与温度的3.5次方和3次方成比例关系，烟气的红外辐射系数约为0.23，红外辐射传热能力有限，所以为了提高加热炉热辐射强度满足加热需求，燃烧温度势必提高，而固体材料热辐射能力与温度的4次方成比例关系，辐射能力较气体大大增强，如能通过技术手段将气体辐射转变成固体辐射不仅可提高辐射传热效率，同时还可以降低燃烧温度，进而大幅度提高全炉热效率，节省燃气。
多孔介质燃烧技术是最近十余年国际燃烧领域发展的一种全新的燃烧方式。相比燃烧时存在局部高温的“明焰”燃烧，这种燃烧没有明火焰，燃烧面温度及其均匀性可显著提高，NOX(如：一氧化氮和二氧化氮等)等污染物的生成显著降低(可达70％以上)，其中NOX低于30ppm，CO低于10ppm，直排即可满足环保要求，并且由于固体多孔介质(红外辐射系数>0.9)的存在使得辐射传热的大大增强，而且由于固体辐射对于红外辐射无波长选择性，较烟气的辐射传热能力大大强化，可使得燃烧热利用效率大幅度提高(有些情况甚至超过50％)。
随着环保意识的加强，在石油化工领域对烟气中氮氧化物的含量控制要求也越来越高，同时处于高效节能的考虑，然而现有的加热炉技术中节能手段有限，目前，未见到有效的加热炉及燃烧控制方法，保证烟气达标排放并同时具有降低能耗的效果。而多孔介质燃烧技术在石油化工领域加热炉中的应用还未见报道，因此开发高效、低NOX的多孔介质燃烧加热炉，开发全燃烧面强化辐射传热的低NOX高效燃烧加热炉是行业所期待的。
发明内容
针对现有“明焰”燃气加热炉的不足，本发明的目的是提供一种更加高效低NOX排放加热炉，这种加热炉基于碳化硅泡沫陶瓷为介质的多孔介质燃烧技术，较常规明焰燃烧热辐射强度可提高一倍以上，具有显著的节省燃气和低NOX排放的效果，尾气不经处理即可达到环保排放要求。
为了实现以上目的，本发明的技术方案是：
一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，包括：炉体、燃烧器、辐射换热室、对流换热室、辐射换热管、辐射反射镜，具体结构如下：
管式炉体内部炉膛是空腔结构，燃烧器安装在炉膛中央，燃烧器底部装有燃气/空气预混气体进口，燃烧器与炉膛内表面之间形成的空腔为燃烧室，燃烧室也是辐射换热室，燃烧器与炉膛内表面之间装有辐射换热管，炉膛内表面衬有碳化硅材质辐射反射镜，辐射换热室的上方为烟气排放通道，形成对流换热室。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，辐射换热管是钢制列管或者螺旋盘管，辐射换热管内部为流动的需加热物料或导热流体。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，对流换热室内部装有换热列管或者螺旋盘管组成的对流换热管，并且对流换热管有序排列，对流换热室上方的炉体内侧设置烟气挡板，烟气挡板的上方为尾气排放用的烟囱。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，整个炉体内部装有保温层，炉***于炉膛外侧的部分内表面与辐射反射镜之间为保温层。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，燃烧室的下端为燃烧室入口，燃烧室的上端为排烟口，炉体和燃烧室的两端之间分别密封连接，在靠近所述燃烧室入口的炉体壁上设有受热介质出口，在靠近排烟口的炉体壁上设有受热介质入口。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，燃烧器的内层为气体腔，燃烧器的表层为燃烧区，气体腔、燃烧区之间装有布气板，燃烧器的中心设置燃气/空气预混气体通道，燃气/空气预混气体通道的下端为燃气/空气预混气体进口，气体腔的侧面中部与燃气/空气预混气体通道相连通，燃气/空气预混气体经燃气/空气预混气体通道进入气体腔后，经布气板分配均匀后流入燃烧区，在其内燃烧，形成燃烧面，向外辐射传递热量。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，燃烧区采用碳化硅泡沫陶瓷，碳化硅泡沫陶瓷的孔径为5～30PPI，孔隙率70～85％，碳化硅泡沫陶瓷表面涂覆高温抗烟气腐蚀、氧化的热障涂层，要求耐温1500℃以上。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，布气板要求耐温1400℃以上，布气板的材质选用碳化硅、堇青石、氧化钇、氮化硅、氧化铝或陶瓷纤维板，上面均匀排布Φ1～3mm的直通孔。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，该加热炉使用的燃气热值变化范围是300～9000kcal/m3，采用炼厂干气、煤气、高焦混合煤气、天然气或者液化气。
所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，加热炉的炉体内部炉膛是管式长方体空腔结构或者管式圆柱形空腔结构，适用于各种加热炉，特别是石油化工领域的加热炉。
本发明的设计思想是：采用现有燃烧技术中最具先进性和发展前景的多孔介质燃烧技术，利用泡沫碳化硅作为多孔介质材料，提供模块化燃烧器组装技术，基于多孔介质燃烧的特点，燃烧***热效率高，燃料利用率高，排放物不经处理即可达到现有环保要求；同时结合碳化硅材料的高红外辐射性能，创新性的提出利用碳化硅材料作为炉内衬反射红外热量，可使得换热器的面向燃烧面和背面温场均匀，传热效果更高，整体燃烧炉的效率、污染排放情况将是现有燃烧设备中的最佳选择。
本发明可解决的一个技术问题是：现有燃气加热炉多采用“明焰”烧嘴，由于该类烧嘴燃烧过程的特性，充分燃烧后烟气中氮氧化物通常超过规定含量，且空气过量造成能耗增加；如燃烧不充分将会产生一氧化碳、黑烟等有害气体，不仅污染环境，单产能耗减低空间有限。为解决以上问题，本发明提供的柱状多孔介质燃烧器基于多孔介质燃烧理论，燃烧面温度及其均匀性可显著提高，NOX、CO等污染物的生成显著降低，直排即可满足环保要求，同时可节省燃气30％。
本发明可解决的另一个技术问题是：现有燃气加热炉辐射换热室内辐射传热以高温烟气辐射为主，其红外辐射系数低于0.23，辐射传热效率低。针对以上问题，本发明提供的基于多孔介质燃烧的柱状燃烧器可实现燃料高效率燃烧，提高燃料利用率；兼之燃烧面温度均匀，可很好控制燃烧温度，避免NOX、CO等污染物的生成，其中NOX低于30ppm，CO低于10ppm，尾气不经处理即可达到国家排放标准；燃烧面为碳化硅泡沫陶瓷材料，其红外发射系数在0.9以上，同时炉壁内侧还衬有高红外发射系数的陶瓷反射内衬，二者结合和大大提高加热炉的辐射换热效率，提高加热炉换热效率。
本发明具有如下的优点及有益效果：
1、在石油化工工艺过程中广泛采用燃气加热炉，气体燃料的来源是生产过程中自产的瓦斯气或天然气、液化气等。本发明所述加热炉基于多孔介质燃烧理论，采用碳化硅泡沫陶瓷为多孔介质，燃烧无明焰，燃烧充分，燃烧面温度均匀，可避免局部温度超高而产生热力型NOX的问题，实现低NOX排放，尾气中NOX低于30ppm，CO低于10ppm，降低污染物处理成本。
2、本发明的加热炉适应的燃料气体热值变化范围大，可在300～9000kcal/m3,可以是炼厂干气、煤气、高焦混合煤气、天然气或者液化气等多种类型气体燃料。
3、本发明的炉壁内侧还衬有高红外发射系数的陶瓷反射内衬，配合柱状多孔介质燃烧器的燃烧面，可使得辐射传热效率较明焰烧嘴的烟气辐射大大提高，强化了辐射传热效率。
4、本发明所述的加热炉，其炉体和燃烧室为管式圆形炉腔或者方形炉腔等多种形式，可以根据实际需要，制成管式高温高压加热炉、管式蒸汽发生炉、管式导热媒加热炉等多种形式。
总之，该种新型多孔介质燃烧加热炉强化了红外辐射传热效率，具有明显的高效节能、低NOX等污染物排放的显著优势。
附图说明
图1是多孔介质燃烧加热炉结构示意图。
图中，1、炉体；2、燃烧器；3、辐射换热室；4、对流换热室；5、辐射换热管；6、对流换热管；7、保温层；8、辐射反射镜；9、燃气/空气预混气体进口；10、烟气挡板；11、烟囱。
图2是方柱状多孔介质燃烧器示意图。图中，9、燃气/空气预混气体进口；21、燃烧面；26、正方体燃烧单元模块。
图3是圆柱状多孔介质燃烧器示意图。图中，9、燃气/空气预混气体进口；21、燃烧面；27、弧形体燃烧单元模块。
图4是方柱状多孔介质燃烧器或圆柱状多孔介质燃烧器的半剖示意图。图中，21、燃烧面；22、气体腔；23、碳化硅泡沫陶瓷燃烧区；24、布气板；25、燃气/空气预混气体通道。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例
以方形炉体多孔介质燃烧加热炉为例，说明采用多孔介质燃烧器的加热炉的具体实施方式。
如图1-图4所示，本发明高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，主要包括：炉体1、燃烧器2、辐射换热室3(燃烧室)、对流换热室4、辐射换热管5、对流换热管6、保温层7、辐射反射镜8、燃气/空气预混气体进口9、烟气挡板10、烟囱11等，具体结构如下：
燃烧室部分炉体内表面衬有高红外辐射系数陶瓷反射镜，材质为碳化硅，朝向换热器一面经过一定的抛光处理，增加红外反射效果。
管式炉体1内部炉膛是长方体空腔结构，方柱状多孔介质燃烧器2安装在炉膛中央，燃烧器2底部装有燃气/空气预混气体进口9，燃气/空气预混气体由燃气/空气预混气体进口9进入并均分到每个燃烧器单元之内，通过布气板24使燃气/空气预混气体均匀分布并流出进入碳化硅泡沫陶瓷燃烧区23燃烧，炉体1前面安有检修用炉门。燃烧器2与炉膛内表面之间形成的空腔为燃烧室，也是辐射换热室3，燃烧器2与炉膛内表面之间装有辐射换热管5，辐射换热管5可以是钢制列管或者螺旋盘管，辐射换热管5内部为流动的需加热物料或导热流体，炉膛内表面衬有高红外发射系数的碳化硅材质辐射反射镜8，可起到增强辐射换热的作用，朝向辐射换热室3一面经过一定的抛光处理，增加红外反射效果。辐射换热室3(燃烧室)的上方为烟气排放通道，形成对流换热室4，对流换热室4内部装有换热列管或者螺旋盘管组成的对流换热管6，并且对流换热管6有序排列，用于300～500℃中低温换热。对流换热室4上方的炉体内侧设置烟气挡板10，烟气挡板10的上方为尾气排放用的烟囱11，整个炉体内部装有保温层7，起到保温隔热作用，炉体1位于炉膛外侧的部分内表面与辐射反射镜8之间为保温层。燃烧室的下端为燃烧室入口，燃烧室的上端为排烟口，炉体1和燃烧室的两端之间分别密封连接，在靠近所述燃烧室入口的炉体壁上设有受热介质出口，在靠近排烟口的炉体壁上设有受热介质入口，管式炉体的总长度是其直径的5～45倍。其中，“受热介质”是指水、蒸汽、导热油、原油或者其他需要加热的化工介质，受热介质入口为受热介质进入热交换器通道，介质流经换热列管，经过高温辐射换热室和中低温换热室，换热后加热到工艺需求温度后由受热介质出口流出。
如图2所示，方柱状多孔介质燃烧器2由多个正方体燃烧单元模块26排列组合而成，方柱状多孔介质燃烧器2的四个侧面为燃烧面21，方柱状多孔介质燃烧器2的底部装有燃气/空气预混气体进口9。
如图1、图4所示，燃烧器2由多个正方体燃烧单元模块26或弧形体燃烧单元模块27排列组合后，其内部半剖截面结构如下：燃烧器2的内层为气体腔22，燃烧器2的表层为碳化硅泡沫陶瓷燃烧区23，气体腔22、碳化硅泡沫陶瓷燃烧区23之间装有布气板24，燃烧器2的中心设置燃气/空气预混气体通道25，燃气/空气预混气体通道25的下端为燃气/空气预混气体进口9，气体腔22的侧面中部与燃气/空气预混气体通道25相连通，燃气/空气预混气体经燃气/空气预混气体通道25进入气体腔22后，经布气板24分配均匀后流入碳化硅泡沫陶瓷燃烧区23，在其内燃烧，形成燃烧面21，向外辐射传递热量。
表1、多孔介质燃烧加热炉主要几何尺寸可以按下表取值：
Figure BDA0002697130670000061
应用本发明装置，具体举例如下：
如图1-图4所示，选用导热油作为被加热介质作为对比，导热油由对流换热管6进口流入，由辐射换热管5流出，通过燃气/空气预混气体通道25分别向每个燃烧单元通入燃气/空气预混气体，燃烧产生的高温烟气通过对流换热和辐射换热分别加热对流换热管6和辐射换热管5内的导热油流体，不同炉型导热油流量不同。
热负荷：通过燃气流量计算，每个燃烧器单元模块燃烧面当量热负荷为20KW；1#炉型全炉热负荷为1920kW；2#炉型全炉热负荷为2560kW；3#炉型全炉热负荷为3200kW。
加热效果：1#炉型导热油流量2.91吨/小时，导热油温升250℃；2#炉型导热油流量4.01吨/小时，导热油温升253℃；3#炉型导热油流量5.05吨/小时，导热油温升249℃。
全炉热效率：1#炉型95％；2#炉型97％，3#炉型97％。
尾气排放：1#炉型NOX：15ppm、CO：5ppm；2#炉型NOX：18ppm、CO：8ppm；3#炉型NOX：20ppm、CO：7ppm。
本实施例仅列出了方形炉腔燃烧炉的三个实施案例，还可以将炉体1内部炉膛设计为管式圆柱形空腔结构，具体实施方式与本实施例相似，只是将正方体燃烧单元模块26的组合换成弧形体燃烧单元模块27的组合即可，炉体1内换热管等结构转变成使用管式圆柱形空腔结构设计即可。如图3所示，圆柱状多孔介质燃烧器2由多个弧形体燃烧单元模块27排列组合而成，圆柱状多孔介质燃烧器2的侧面为燃烧面21，圆柱状多孔介质燃烧器2的底部装有燃气/空气预混气体进口9。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例结果表明，本发明提供了一种新型高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，此种多孔介质燃烧炉具有很高的热效率，尾气排放污染物含量低，可不经处理即可达到现有环保要求，具有显著的经济性及环保特征。

Claims (10)

1.一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，包括：炉体、燃烧器、辐射换热室、对流换热室、辐射换热管、辐射反射镜，具体结构如下：
管式炉体内部炉膛是空腔结构，燃烧器安装在炉膛中央，燃烧器底部装有燃气/空气预混气体进口，燃烧器与炉膛内表面之间形成的空腔为燃烧室，燃烧室也是辐射换热室，燃烧器与炉膛内表面之间装有辐射换热管，炉膛内表面衬有碳化硅材质辐射反射镜，辐射换热室的上方为烟气排放通道，形成对流换热室。
2.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，辐射换热管是钢制列管或者螺旋盘管，辐射换热管内部为流动的需加热物料或导热流体。
3.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，对流换热室内部装有换热列管或者螺旋盘管组成的对流换热管，并且对流换热管有序排列，对流换热室上方的炉体内侧设置烟气挡板，烟气挡板的上方为尾气排放用的烟囱。
4.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，整个炉体内部装有保温层，炉***于炉膛外侧的部分内表面与辐射反射镜之间为保温层。
5.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，燃烧室的下端为燃烧室入口，燃烧室的上端为排烟口，炉体和燃烧室的两端之间分别密封连接，在靠近所述燃烧室入口的炉体壁上设有受热介质出口，在靠近排烟口的炉体壁上设有受热介质入口。
6.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，燃烧器的内层为气体腔，燃烧器的表层为燃烧区，气体腔、燃烧区之间装有布气板，燃烧器的中心设置燃气/空气预混气体通道，燃气/空气预混气体通道的下端为燃气/空气预混气体进口，气体腔的侧面中部与燃气/空气预混气体通道相连通，燃气/空气预混气体经燃气/空气预混气体通道进入气体腔后，经布气板分配均匀后流入燃烧区，在其内燃烧，形成燃烧面，向外辐射传递热量。
7.按照权利要求6所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，燃烧区采用碳化硅泡沫陶瓷，碳化硅泡沫陶瓷的孔径为5～30PPI，孔隙率70～85％，碳化硅泡沫陶瓷表面涂覆高温抗烟气腐蚀、氧化的热障涂层，要求耐温1500℃以上。
8.按照权利要求6所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，布气板要求耐温1400℃以上，布气板的材质选用碳化硅、堇青石、氧化钇、氮化硅、氧化铝或陶瓷纤维板，上面均匀排布Φ1～3mm的直通孔。
9.按照权利要求1所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，该加热炉使用的燃气热值变化范围是300～9000kcal/m3，采用炼厂干气、煤气、高焦混合煤气、天然气或者液化气。
10.按照权利要求6所述的高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉，其特征在于，加热炉的炉体内部炉膛是管式长方体空腔结构或者管式圆柱形空腔结构，适用于各种加热炉，特别是石油化工领域的加热炉。
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