專利名稱：熱解加熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用來熱解烴的加熱器，特別是涉及一種用來蒸汽裂解烷烴生產(chǎn)烯烴的加熱器。
背景技術：
用來生產(chǎn)烯烴的蒸汽裂解或者熱解烴過程幾乎完全在燃燒加熱器內(nèi)安置的盤管中進行。熱解過程被認為是烯烴生產(chǎn)工廠的核心并且對整個工廠的經(jīng)濟具有顯著影響。
烴進料可以是廣泛的典型裂解進料中任何一種類型，例如甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，這些氣體的混合物，石腦油，粗柴油等。產(chǎn)品蒸汽中包含多種成份，其濃度部分取決于選擇的進料。在傳統(tǒng)的熱解過程中，汽化的進料和稀釋蒸汽一起送進到位于燃燒加熱器內(nèi)的管狀反應器。需要的稀釋蒸汽數(shù)量取決于選擇的進料；較輕的進料例如乙炔需要較低的蒸汽(0.2磅/每磅進料)，而較重的進料例如石腦油和粗柴油需要蒸汽/進料比率為0.5到1.0。稀釋蒸汽具有降低烴的局部壓力和減少熱解盤管的滲碳率雙重作用。
在一個典型的熱解過程中，蒸汽/進料混合物預先加熱到正好低于裂解反應開始的溫度，一般為650℃。該預熱發(fā)生在加熱器的對流部分?；旌衔镫S后通過熱解反應發(fā)生的輻射區(qū)。一般在熱解盤管的滯留時間在0.2到0.4秒的范圍內(nèi)，并且反應的出口溫度為700℃到900℃。導致飽和烴轉(zhuǎn)變到烯烴的反應是高度吸熱的，因而需要大量的熱輸入。該熱輸入必須在提高的反應溫度產(chǎn)生。一般在該行業(yè)中認為，對于多數(shù)進料特別是對較重的進料例如石腦油，由于次級降解反應減少，滯留時間越短導致乙烯和丙烯的選擇性越高。并認為，在反應環(huán)境中烴的局部壓力越低，該選擇性越高。
燃燒加熱器輻射部分的煙道氣溫度一般高于1100℃。在傳統(tǒng)設計中，進入加熱器燃料的大約32％到40％的燃燒熱量傳給輻射區(qū)的盤管。其余在對流區(qū)的熱量可以通過進料預熱或者產(chǎn)生蒸氣而回收。由于盤管容量小限制了取得短的滯留時間和高的處理溫度，故熱量難以傳入反應管。使用高的熱通量，并且即使對于特種金屬，操作的管金屬溫度接近于機械極限。在多數(shù)情況下，作為在盤管出口所需的更高的處理溫度和縮減的管長度(從而管表面積減少)組合的結果，管金屬溫度限制了滯留時間可以縮減的程度，導致較高的熱通量和較高的管金屬溫度。位于裂解加熱器輻射部分內(nèi)的特種金屬反應管占該加熱器成本的決大部分，因此充分利用它們是很重要的。由于加熱器在熱通量和金屬溫度的高水平和均勻性盡可能與加熱器設計目標一致的情況下操作，利用率受到限制。這將減少管的數(shù)量和長度，以及減少對于給定的熱解能力所需的金屬總量。
在大多數(shù)的裂解爐中，通過爐膛燃燒器供給熱量，該爐膛燃燒器安裝在燃燒室底板上并且沿著壁垂直向上燃燒。由于這些燃燒器火焰的特定形狀，產(chǎn)生了一個不均勻的熱通量分布。典型的分布顯示熱通量的峰值在燃燒室中間高度附近，而燃燒室頂部和底部部分溫度相對較低。在選擇的加熱器中，輻射爐壁燃燒器安裝在側(cè)壁上部，用來使頂部的熱通量分布均勻。對于爐膛燃燒器、爐膛燃燒器與爐壁燃燒器組合在同一熱釋放率狀況下，典型的表面熱通量分布和金屬溫度分布顯示在燃燒室下部熱通量和金屬溫度較低，這意味著這部分的盤管利用不充分。由于還有另外氮氧化物(NOx)的要求以及對燃燒器更高熱釋放量的需求不斷增加，改進爐底燃燒器熱通量分布是困難的。使熱通量分布圖均勻的另一條途徑唯有使用爐壁燃燒器，但是由于爐壁燃燒器的最大熱釋放量大約是爐膛燃燒器的十分之一，燃燒器的數(shù)量將會過多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及熱解加熱器，特別是用來裂解烴生產(chǎn)烯烴的熱解加熱器，在燃燒室內(nèi)布置燃燒器用來改進熱通量和金屬溫度分布。本發(fā)明的目的是提供一種燃燒器布置，其中包括加熱燃燒室底板的燃燒器，使得底板作為一個輻射表面從而在燃燒室的下部增加到反應管的熱通量，并且在燃燒室高度上形成更均勻的垂直熱通量分布。這些底板燃燒器稱為爐底燃燒器，并且和垂直燃燒的爐膛燃燒器一起工作，可選地和在燃燒室上部的爐壁燃燒器一起工作。本發(fā)明進一步目的是增加傳送到輻射裂解盤管的總體熱量，而不增加盤管金屬溫度。


圖1是一個剖面簡圖，示出了一個典型的現(xiàn)有技術熱解加熱器。
圖2是一個圖表，示出了在現(xiàn)有技術熱解加熱器整個高度上，典型的表面熱通量分布。
圖3是一個圖表，示出了通過現(xiàn)有技術熱解加熱器整個高度上，典型的金屬溫度分布。
圖4A和4B是熱解加熱器的剖面簡圖，示出了根據(jù)本發(fā)明燃燒器構造的兩個變體。
圖5是局部熱解加熱器下部的透視圖，示出了爐底燃燒器和爐膛燃燒器。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式爐底燃燒器的一個實施例。
圖7是一個剖面圖，示出了包括多孔陶瓷燃燒器的另一爐底燃燒器。
圖8A到8D的圖表顯示了在熱解加熱器整個高度上，四個通道的表面熱通量，比較現(xiàn)有技術類型的加熱器和本發(fā)明具有爐底燃燒器的加熱器。
圖9A到9D的圖表顯示了也是在熱解加熱器整個高度上的四個通道的平均金屬溫度，作為沿現(xiàn)有技術盤管長度位置的函數(shù)，比較現(xiàn)有技術的加熱器和本發(fā)明的加熱器。
具體實施例方式
在講述本發(fā)明優(yōu)選實施方式的詳細內(nèi)容之前，將參照示出了加熱器操作參數(shù)的圖表講述典型的現(xiàn)有技術熱解加熱器。圖1示出了現(xiàn)有技術加熱器的剖面圖。該加熱器具有一個輻射加熱區(qū)14和一個對流加熱區(qū)16。位于對流加熱區(qū)16內(nèi)的是此處圖示為用來預熱烴進料22的熱交換表面18和20。這個區(qū)域也可以包含用來產(chǎn)生蒸汽的熱交換表面。自對流區(qū)經(jīng)預熱的進料在24送進到位于輻射加熱區(qū)14內(nèi)大體上由26代表的加熱盤管。自加熱盤管26的裂解物在30排出。加熱盤管可以是任何需要的構造，包括在該行業(yè)中常見的垂直和水平盤管。
輻射加熱區(qū)14包括由34和36代表的爐壁以及底板或底部爐膛42。垂直燃燒的爐膛燃燒器46安裝在底板上，它沿著壁朝向上并且供給空氣47和燃料49。在壁內(nèi)通常安裝有爐壁燃燒器48，它是放射狀燃燒器，設計為產(chǎn)生扁平火焰型態(tài)，并且漫布爐壁，避免火焰沖擊盤管。
圖2顯示了如圖1所示的現(xiàn)有技術加熱器的一個典型的表面熱通量分布圖，該圖中顯示了在一場合所用的爐膛燃燒器和爐壁燃燒器開啟的情況以及在另一場合開啟爐膛燃燒器而關閉爐壁燃燒器的情況。圖3顯示了在相同條件下的管金屬溫度。這些圖中顯示了在燃燒室中下部和燃燒室上部具有低的熱通量和低的金屬溫度，并且顯示了在最小和最大溫度或者熱通量之間的很大差異。它們清楚地顯示了爐底較冷并且示出了在爐底附近盤管利用率較低。圖3也示出了燃燒分布對于管金屬溫度的重要性。當關閉爐壁燃燒器時，需要爐膛燃燒器增加燃燒。由于爐底燃燒器熱釋放分布的形狀，管金屬溫度增加大約20℃。這種增加會由于傳統(tǒng)裂解加熱器的污垢，對于使用壽命具有直接的負面影響。
圖4A和4B顯示了熱解加熱器，它具有根據(jù)本發(fā)明一個實施方式構造的燃燒器，圖4A的輻射加熱區(qū)14顯示了在該輻射加熱區(qū)上部具有爐壁燃燒器48的第一個變體，圖4B的輻射加熱區(qū)14顯示了沒有爐壁燃燒器的第二個變體。盡管這些圖4A和4B顯示了單個單元的加熱器，該構思同樣也可以用于多單元加熱器或者具有更敞開結構的裂解加熱器。在圖4A和4B以及圖5中顯示了加熱區(qū)14的一部分，爐底燃燒器50安置在底板或者爐底42上。這些爐底燃燒器50構造成使燃燒水平地橫過爐底以加熱爐底本身，因而成為一個輻射面。在優(yōu)選實施方式中，這些爐底燃燒器50和爐壁燃燒器48相同或者相近，它們以圍繞燃燒器成放射狀或橢圓狀的火焰形式燃燒。圖6顯示了一個實施例，其中燃料/空氣混合物通過管道52進入燃燒器50。燃料/空氣混合物流過頂蓋56下的縫54并且被點燃。通過橫過底板的槽和蓋，火焰被導向水平。爐底燃燒器可以按照不同的熱釋放率操作，從而給盤管較冷的通道提供較多熱量，給較熱的通道提供較少的熱量。朝向盤管的槽也可以堵塞或者省去，從而避免火焰沖擊盤管。
本發(fā)明的一個替代實施方式中使用多孔耐火或者陶瓷燃燒器塊，它也至少形成爐底或爐床的一部分。預先混合的燃料/空氣蒸汽送進到燃燒器并且通過多孔媒介。燃燒主要在燃燒器表面發(fā)生，使得燃燒器表面以及熱解爐底本身成為一個高度輻射表面。圖7中顯示了一個典型的陶瓷燃燒器，包括殼體58，殼體中容納了多孔陶瓷塊60并且具有燃料/空氣混合物的進口62。燃料/空氣混合物流過塊60并且在表面64燃燒形成火焰66。這些燃燒器也可以包含催化材料。這些多孔陶瓷燃燒器的優(yōu)點是由于火焰容納在陶瓷輻射表面內(nèi)，在底板上沒有直接的火焰。進一步的優(yōu)點是以特別低的氮氧化物水平下施加熱量。相對于通常是自然通風或者呼吸式燃燒器的爐壁燃燒器來說，基本上這些燃燒器是強迫通風式燃燒器。這令到陶瓷底板爐底燃燒器具有低氮氧化物容量。需要指出雖然講述了兩個特定燃燒器實施例，但本發(fā)明并不局限于這些特定的燃燒器。
已知在亞化學計量條件下(減少氧水平)通過降低火焰溫度將減少氮氧化物。亞化學計量條件也創(chuàng)造了一個減少氮氧化物的還原環(huán)境。進一步知道將燃料分階段(以不同水平燃燒燃料)也通過降低火焰溫度而減少氮氧化物。在操作該組合系統(tǒng)的一種選擇中，爐底燃燒器可以被亞化學計量地操作，產(chǎn)生的溢出物中有未燃燒燃料，基本上沒有氧并且很少氮氧化物。由于該氣體的位置在底板上并且接近爐膛燃燒器，然后該氣體將混入爐膛燃燒器的垂直火焰。垂直燃燒的爐膛燃燒器可以故意地用過量空氣操作。這本身將降低火焰溫度并且減少氮氧化物。由于混在來自爐膛燃燒器的氣流中，來自爐底燃燒器的所混入燃料將進行燃燒。操作條件的這種組合可以顛倒過來，爐底燃燒器用過量空氣操作而爐膛燃燒器亞化學計量地操作。對于兩種選擇，將燃燒過程分階段都減少了氮氧化物的形成。這種組合將明顯減少來自裂解加熱器的全部氮氧化物，實現(xiàn)均勻的熱釋放。
現(xiàn)有技術的熱解加熱器底板沒有有效地用作輻射表面。本發(fā)明中通過爐底燃燒器加熱底板，底板用作一個輻射表面，從而增加在燃燒室下部的熱通量并且趨向于使在整個燃燒室高度上的熱通量分布均勻。這個可以在圖8A到8D中看出。這些圖代表了乙烯熱解加熱器的四個盤管通道中每一個的熱通量分布，示出了使用爐壁燃燒器和爐膛燃燒器的所謂常規(guī)情況，以及本發(fā)明中使用爐底燃燒器，爐壁燃燒器和爐膛燃燒器的這種爐底燃燒器情況。每個爐底燃燒器以燃燒率為1MM BTU/hr作。因此，當爐膛燃燒器以7.6MM BTU/hr操作和爐壁燃燒器以1MM BTU/hr作時，整個燃燒在常規(guī)情況基礎上名義上增加11％。在這些條件下，到盤管的送進量增加11％，也導致輻射盤管容量凈增加11％。管金屬表面溫度在圖9A到9D中示出。對于增加11％容量的情況，任何通道金屬溫度的最高峰值僅僅增加6℃。在實際中，從這個通道橫跨的爐底燃燒器的燃燒率可能會稍微減少，從而來獲得均勻的金屬溫度和整個盤管容量的提高。如果沒有爐底燃燒器而獲得相等的容量增加，爐膛燃燒器的燃燒率將不得不增加1MM BTU/hr。在這種情況下，管金屬溫度的峰值將增加20℃，等價于圖3所示出的情況，關閉1MM BTU/hr的爐壁燃燒器并且爐膛燃燒器燃燒率增加1MMBTU/hr。如上所述，這對于管性能具有顯著的負面影響。
權利要求
1.一種用來熱解烴的熱解加熱器，包括a.一個具有底部爐膛的輻射加熱區(qū)，一個鄰近所述爐膛并從所述爐膛向上延伸的下部，以及一個從所述下部向上延伸的上部；b.至少一個用來處理所述烴的管狀加熱盤管，它位于所述輻射加熱區(qū)并且延伸進入所述上部和所述下部；c.多個位于鄰近所述爐底的爐膛燃燒器，它朝向上用來垂直向上穿過所述下部并且進入所述上部燃燒；以及d.多個位于所述底部爐膛的爐底燃燒器，用來和所述底部爐膛相接觸燃燒從而產(chǎn)生被加熱的輻射爐底表面。
2.一種如權利要求1所述的熱解加熱器，其特征在于，所述輻射加熱區(qū)包括爐壁，并且還包括位于所述上部的所述壁上的爐壁燃燒器。
3.一種如權利要求1所述的熱解加熱器，其特征在于，還包括位于所述輻射加熱區(qū)上方的對流區(qū)。
4.一種如權利要求1所述的熱解加熱器，其特征在于，所述爐底燃燒器被導向水平地橫過并接觸所述底部爐膛燃燒。
5.一種如權利要求1所述的熱解加熱器，其特征在于，所述爐底燃燒器包括多孔陶瓷燃燒器，并且所述多孔陶瓷燃燒器至少是所述底部爐膛的一部分。
6.一種用于在烯烴生產(chǎn)中熱解烴的加熱器，其中所述加熱器包括一個具有底部爐膛的輻射加熱區(qū)，一個鄰近所述底部爐膛并從所述底部爐膛向上延伸的下部，一個從所述下部向上延伸的上部，以及至少一個用來處理所述烴的管狀加熱盤管，該盤管位于所述輻射加熱區(qū)并且延伸進入所述上部和所述下部，以及燃燒器組合，用來增加在所述輻射加熱區(qū)的所述下部和上部內(nèi)熱通量的均勻性并且增加所述加熱盤管溫度的均勻性，所述燃燒器組合包括a.多個位于鄰近所述底部爐膛的爐膛燃燒器，它向上用來垂直向上燃燒穿過所述下部并且進入所述上部；以及b.多個位于所述底部爐膛的爐底燃燒器，用來在所述底部爐膛上直接燃燒從而產(chǎn)生熱的輻射底部爐膛表面。
7.一種如權利要求6所述的熱解加熱器，其特征在于，所述爐底燃燒器水平燃燒橫過所述底部爐膛。
8.一種如權利要求6所述的熱解加熱器，其特征在于，所述爐底燃燒器包括多孔陶瓷燃燒器，并且所述多孔陶瓷燃燒器至少為所述底部爐膛的一部分。
9.一種操作用于在烯烴生產(chǎn)中熱解烴的加熱器的方法，其中所述加熱器包括a.一個具有底部爐膛的輻射加熱區(qū)，一個鄰近所述底部爐膛并從所述底部爐膛向上延伸的下部，以及一個從所述下部向上延伸的上部；b.至少一個用來處理所述烴的管狀加熱盤管，它位于所述輻射加熱區(qū)并且延伸進入所述上部和所述下部；c.多個位于鄰近所述底部爐膛的爐膛燃燒器，它向上用來垂直向上燃燒穿過所述下部并且進入所述上部；以及d.多個位于所述底部爐膛的爐底燃燒器，直接在所述底部爐膛上燃燒從而產(chǎn)生被加熱的輻射底部爐膛表面；所述方法包括燃燒所述多個爐底燃燒器和所述多個爐膛燃燒器的步驟，使得所述多個燃燒器中的一個燃燒器以亞化學計量地燃燒，并且其它所述多個燃燒器用過量空氣燃燒，通過所述輻射加熱區(qū)的所述下部和上部，燃料燃燒是分階段的，從而減少氮氧化物的形成。
全文摘要
一種熱解加熱器，特別是用來在烯烴生產(chǎn)中熱解烴的熱解加熱器，在燃燒室內(nèi)具有直接加熱燃燒室底部爐膛的燃燒器布置，使得底部爐膛成為一個輻射表面。爐底燃燒器和垂直燃燒的爐膛燃燒器一起操作，可選地和在燃燒室上部的爐壁燃燒器一起操作。
文檔編號C07C11/04GK1503732SQ02808709
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月24日 優(yōu)先權日2001年4月24日
發(fā)明者E·M·J·普拉特沃特, E M J 普拉特沃特, R·J·加特塞德, 加特塞德 申請人:Abb拉默斯環(huán)球有限公司