專利名稱：無焰燃燒加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無焰燃燒加熱器，一種用于起動(dòng)無焰燃燒加熱器的方法及一種用 于控制無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的溫度的方法。
背景技術(shù)：
在U. S. 7，025，940中描述了無焰燃燒加熱器。該專利描述了一種利用無焰燃燒的 處理工藝加熱器，其通過將燃料及燃燒空氣預(yù)加熱至高于該混合物的自燃溫度的溫度來實(shí) 現(xiàn)。燃料通過燃料氣體導(dǎo)管中的多個(gè)孔隨時(shí)間而以相對(duì)小的增量引入，所述多個(gè)孔在燃料 氣體導(dǎo)管與氧化反應(yīng)室之間提供連通。如在該專利中所述，處理工藝室與氧化反應(yīng)室成熱 交換關(guān)系。U. S. 5，862，858描述了在無焰燃燒器的燃燒室內(nèi)使用一催化表面(例如，一貴金 屬)以降低該混合物的自燃溫度。已發(fā)現(xiàn)此催化表面(例如)在促進(jìn)甲烷在空氣中于低至 500° F(260°C)的溫度下的氧化方面極其有益。如在上述專利中所述，無焰燃燒加熱提供數(shù)個(gè)勝于常用明火加熱器的益處。然而， 無焰燃燒加熱器可遭遇與在起動(dòng)期間以及在操作期間維持該加熱器高于燃料/氧化劑混 合物的自燃溫度有關(guān)的問題。不能維持該加熱器中的溫度高于自燃溫度則會(huì)導(dǎo)致無焰燃燒 不穩(wěn)定。如在U. S. 5，862，858中所述，在無焰燃燒器中使用催化劑可降低自燃溫度，這樣 將易于維持該加熱器高于所述自燃溫度。

發(fā)明內(nèi)容
此發(fā)明提供一種無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其包括無焰燃燒加熱器；氧化劑入口管； 燃料入口管；及用于對(duì)氧化劑或燃料進(jìn)行預(yù)加熱的預(yù)加熱器，該預(yù)加熱器包括有氧化催化 劑。此發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器與氧化 劑入口管流體連通，且燃料是在該預(yù)加熱器上游處引入至該氧化劑入口管中以使燃料-氧 化劑混合物通過該預(yù)加熱器。本發(fā)明的另一實(shí)施例提供一種無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器與燃料 入口管流體連通，且氧化劑在預(yù)加熱器的上游引入至燃料入口管中以使燃料_氧化劑混合 物通過該預(yù)加熱器。本發(fā)明還提供一種用于控制無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的溫度的方法及一種用于起動(dòng) 無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的方法。


圖1描繪了具有預(yù)加熱器的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供用于將由燃料的無焰燃燒所釋放的熱能直接轉(zhuǎn)移至處理工藝流體的 無焰燃燒加熱器系統(tǒng)。該加熱器系統(tǒng)具有許多可能的用途及應(yīng)用，包括加熱地下形成物及 加熱處理工藝流。該無焰燃燒加熱器系統(tǒng)尤其用于與實(shí)施吸熱反應(yīng)(例如，烷基芳香烴化 合物的脫氫及蒸汽甲烷重整)的處理工藝相結(jié)合。本發(fā)明提供了一種無焰燃燒加熱器系 統(tǒng)，其采用預(yù)加熱器來改良該加熱器的起動(dòng)及操作穩(wěn)定性。加熱器中的無焰燃燒可通過如下方式達(dá)成充分預(yù)加熱氧化劑流及燃料流，以便 在該兩種流組合時(shí)，所產(chǎn)生的混合物的溫度超過該混合物的自燃溫度，但該混合物的溫度 低于在如U. S. 7，025，940中所述的通過混合速率對(duì)混合進(jìn)行限制時(shí)將導(dǎo)致氧化的溫度，該 專利以引用方式結(jié)合在本申請(qǐng)中。該混合物的自燃溫度依賴于燃料及氧化劑的類型及燃料 /氧化劑比率。無焰燃燒加熱器中使用的混合物的自燃溫度可在850°C至1400°C范圍中。 若在該加熱器中采用氧化催化劑，則該自燃溫度可減小，這是因?yàn)榇祟愋偷拇呋瘎┯行У?降低了該混合物的自燃溫度，如在U. S. 5，862，858中所述，該專利以引用方式結(jié)合在本申 請(qǐng)中。在存在氧化催化劑的情形下使用某些燃料(例如，氫氣或二甲醚)可允許無焰燃 燒在環(huán)境溫度下或接近環(huán)境溫度下發(fā)生。無焰燃燒可依據(jù)所使用的燃料及催化劑而在從約 30°C至約1000°C的溫度下發(fā)生。燃料導(dǎo)管以提供期望的熱釋放的方式提供引入氧化導(dǎo)管中的燃料的受控速率。熱 釋放部分地由開口的位置及數(shù)目確定，這些開口可經(jīng)修整以用于每一加熱器應(yīng)用。熱釋放 可在該加熱器的長度上恒定，或其可在該加熱器的長度上減少或增加。由于不存在與燃料的無焰燃燒相關(guān)聯(lián)的可見火焰，故無焰燃燒反應(yīng)在比于常用明 火加熱器中所觀察到的溫度低的溫度下發(fā)生。由于觀察到的較低溫度，及直接加熱的效率， 故可使用較低成本材料設(shè)計(jì)該加熱器，從而導(dǎo)致減小的資本支出。無焰燃燒加熱器具有兩個(gè)主要組件氧化導(dǎo)管及燃料導(dǎo)管。該氧化導(dǎo)管可為管子 或管，其具有用于氧化劑的入口、用于氧化產(chǎn)物的出口及在該入口與出口之間的流動(dòng)路徑。 適宜的氧化劑包含空氣、氧氣及氧化亞氮。引入氧化導(dǎo)管中的氧化劑可經(jīng)預(yù)加熱，以便在與 燃料混合時(shí)，混合物處于高于該混合物的自燃溫度的溫度。該氧化劑可在該無焰燃燒加熱 器外部加熱。另一選擇為，該氧化劑可通過與該加熱器內(nèi)部的流中的任一種進(jìn)行熱交換而 在該加熱器內(nèi)部加熱。氧化導(dǎo)管可具有約2cm至約20cm的內(nèi)徑。然而，氧化劑導(dǎo)管可依據(jù) 加熱器需要而大于或小于此范圍。燃料導(dǎo)管將燃料傳輸至加熱器中并將其引入至氧化導(dǎo)管中。該燃料導(dǎo)管可為管子 或管，其具有燃料入口及提供自該燃料導(dǎo)管內(nèi)至氧化導(dǎo)管的流體連通的多個(gè)開口。該燃料 導(dǎo)管可位于氧化導(dǎo)管內(nèi)并由其環(huán)繞。燃料通過這些開口并進(jìn)入氧化導(dǎo)管中，在所述氧化導(dǎo) 管處，燃料與氧化劑混合并導(dǎo)致無焰燃燒。燃料導(dǎo)管可具有自約Icm至約IOcm的內(nèi)徑，優(yōu) 選為約1.5cm至5cm的內(nèi)徑。然而，根據(jù)設(shè)計(jì)，燃料導(dǎo)管可具有大于IOcm或小于Icm的直 徑。無焰燃燒加熱器的一優(yōu)選實(shí)施例包括兩個(gè)管或管子。燃料管具有燃料入口及多個(gè) 與氧化管流體連通的開口。該氧化管具有用于經(jīng)預(yù)加熱氧化劑的入口、燃燒產(chǎn)物的出口及 介于該入口與出口之間的流動(dòng)路徑。燃料被引入該燃料管中，且其通過所述開口進(jìn)入所述氧化管中。氧化劑及/或燃料經(jīng)預(yù)加熱，以致當(dāng)其在該加熱器中混合時(shí)，該混合物處于或高 于該混合物的自燃溫度。在該實(shí)施例中，所述開口通常在燃料導(dǎo)管壁中經(jīng)鉆制或切制而成。 所述開口可為圓形、橢圓形、矩形、具有另一形狀或甚至不規(guī)則形狀。所述開口通常具有從 約0. OOlcm2至約2cm2、優(yōu)選從約0. 03cm2至約0. 2cm2的截面積。所述開口的大小是由進(jìn)入 氧化導(dǎo)管中的燃料引入的期望速率來決定，但太小的開口會(huì)導(dǎo)致堵塞。沿加熱器長度的不同開口通常具有相同的截面積。在一替代實(shí)施例中，沿該加熱 器的這些開口的截面積可不同以提供一期望的熱釋放。另外，沿燃料導(dǎo)管的開口之間的間 隔可不同。所述開口通常具有相同的形狀，但在該替代實(shí)施例中，其可具有不同的形狀。該無焰燃燒加熱器可另外包括承載處理工藝流體的處理工藝導(dǎo)管，其中該處理工 藝導(dǎo)管與氧化導(dǎo)管成熱交換關(guān)系。在該加熱器中包含處理工藝導(dǎo)管則允許對(duì)處理工藝流直 接加熱。該處理工藝導(dǎo)管可視情況用于實(shí)施化學(xué)反應(yīng)。所述處理工藝導(dǎo)管可含有催化劑以 促進(jìn)該化學(xué)反應(yīng)。此加熱器對(duì)實(shí)施吸熱反應(yīng)尤其有益，這是因?yàn)闊崃吭谠摲磻?yīng)期間直接添 加至處理工藝。舉例來說，此加熱器可結(jié)合在脫氫反應(yīng)器中以直接加熱乙苯轉(zhuǎn)換至苯乙烯 的脫氫反應(yīng)。該無焰燃燒加熱器可選擇地包括氧化劑導(dǎo)管。該氧化劑導(dǎo)管具有氧化劑入口及用 于經(jīng)預(yù)加熱的氧化劑的出口，該出口與氧化導(dǎo)管的入口流體連通。該氧化劑導(dǎo)管與氧化導(dǎo) 管和/或處理工藝導(dǎo)管成熱交換關(guān)系，其對(duì)氧化劑直接提供熱量而將氧化劑預(yù)加熱至一足 夠高的溫度，以便在氧化劑與燃料在氧化導(dǎo)管中混合時(shí)，該混合物處于或高于自燃溫度。圖1描繪了一無焰燃燒加熱器10的總體視圖，及含有用于改良該加熱器的起動(dòng)行 為及穩(wěn)定操作的氧化催化劑的預(yù)加熱器20的位置。該加熱器具有燃料入口 11、氧化劑入 口 13及氧化產(chǎn)物出口 21。該加熱器還具有處理工藝入口 24及處理工藝出口 26。一燃料 滑流管16提供到達(dá)氧化劑入口管14的燃料流。該燃料流可來自主燃料入口管12或一分 立的燃料系統(tǒng)。燃料閥18控制通過該燃料滑流管的流動(dòng)。預(yù)加熱器20優(yōu)選位于該氧化劑入口管內(nèi)。該預(yù)加熱器優(yōu)選包括受支撐的氧化催 化劑。一靜態(tài)混合器可置于該氧化劑入口管中，且在該催化劑的上游以在該氧化劑入口管 中提供燃料及氧化劑的經(jīng)改良混合。另一選擇為，燃料可在足夠遠(yuǎn)上游處進(jìn)入該氧化劑入 口管以良好地混合。有效混合通常在燃料進(jìn)入所述入口管于離該氧化催化劑一定距離處發(fā) 生，該距離為氧化劑入口管直徑的十五倍。在燃料被引入至氧化劑入口管14中時(shí)，該氧化劑入口管將含有經(jīng)預(yù)加熱的氧化 劑及來自反應(yīng)的燃燒產(chǎn)物且兩者皆經(jīng)由氧化劑入口 13被傳輸至無焰燃燒加熱器。被引入 至氧化劑入口管的燃料的量受控制以使僅氧化劑的一部分在該預(yù)加熱器中經(jīng)歷無焰燃燒。氧化催化劑可為促進(jìn)正在使用的燃料的無焰燃燒反應(yīng)的任一種催化劑。氧化催化 劑可包括貴金屬，例如，鉬、鈀、銠、銀、銥、金或其組合。在替代實(shí)施例中，氧化催化劑可包括 一基本金屬、例如，銅、鐵、錳、釩、鉍、鈷、鉻、鉬、釕、鎢、錸或其組合。所述金屬可支撐于使 用鑭系元素改良的陶瓷基板(包含氧化鋁、二氧化鈰、氧化鋯、氧化鈦、二氧化硅或其組合) 上。催化劑可為簡單球體或擠出物(例如，圓柱體、中空?qǐng)A柱體及三葉體)的形式。催化劑 可為金屬單塊或陶瓷單塊、網(wǎng)狀金屬或陶瓷泡沫或經(jīng)涂覆的金屬線的形式，例如，薄紗、網(wǎng) 狀物及螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供一種用于起動(dòng)該無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的方法。在加熱器的起動(dòng)期間，燃料通過燃料滑流管以幫助對(duì)氧化劑進(jìn)行預(yù)加熱。氧化劑入口管中的氧化催化劑允許無焰 燃燒在一較低溫度下發(fā)生，且由該氧化劑入口管中的無焰燃燒所提供的熱量將升高通過氧 化劑入口 13進(jìn)入加熱器10的氧化劑的溫度。這允許將氧化劑的溫度升高至當(dāng)將氧化劑與 燃料在無焰燃燒加熱器10內(nèi)部混合時(shí)的自燃溫度之上的溫度。在加熱器中達(dá)到該自燃溫 度之后，可關(guān)閉燃料閥18以停止燃料進(jìn)入至氧化劑入口管14中的流動(dòng)。催化劑保持在管 路14中，但在該管中不存在無焰燃燒，因?yàn)樵诠苈?4中不存在燃料。這就允許使用氧化催 化劑來幫助起動(dòng)該加熱器系統(tǒng)，但接著允許加熱器在高于在加熱器中存在氧化催化劑的情 形下將可能達(dá)到的溫度的溫度下操作。該催化劑不需要自該系統(tǒng)移除，因其停止影響該加 熱器中的無焰燃燒。本發(fā)明還提供一種用于控制該加熱器的操作以維持該加熱器的穩(wěn)定性的方法。在 該加熱器操作期間，燃料閥18可受控以控制進(jìn)入該加熱器的氧化劑的溫度，從而確保所產(chǎn) 生的燃料/氧化劑溫度保持高于該燃料/氧化劑混合物的自燃溫度。若被引入至該加熱器 中的氧化劑的溫度改變(這是因?yàn)樵摷訜崞髦兴a(chǎn)生的燃料/氧化劑混合物可能低于該混 合物的自燃溫度)，則該無焰加熱器燃燒系統(tǒng)可能經(jīng)歷不穩(wěn)定或擾亂。若發(fā)生此種情況，則 無焰燃燒可能停止且該加熱器將冷卻下來。根據(jù)本發(fā)明的方法，可確定加熱器的溫度。此溫度可與被輸送至該加熱器的混合 物的自燃溫度相比較。優(yōu)選的情況為該混合物的溫度維持高于所述自燃溫度，且更優(yōu)選的 情況為維持該混合物的溫度高于該混合物的自燃溫度至少10°c，且最優(yōu)選的情況為維持該 混合物的溫度高于該混合物的自燃溫度至少20°c。若加熱器的溫度開始朝該混合物的自燃 溫度減少，則可將燃料閥18以允許增量的燃料從燃料滑流管流入，以致在置于氧化劑入口 管中的氧化催化劑處發(fā)生無焰燃燒反應(yīng)。該無焰燃燒反應(yīng)將對(duì)氧化劑進(jìn)行預(yù)加熱且加熱器 溫度將增加。該燃料閥可受控制以提供該無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的穩(wěn)定操作。另一選擇為，氧化催化劑可置于燃料管路中且氧化劑滑流可傳輸至燃料入口管。 然而，優(yōu)選的情況為對(duì)氧化劑進(jìn)行預(yù)加熱，因?qū)θ剂系倪^度預(yù)加熱會(huì)導(dǎo)致在該燃料入口管 處產(chǎn)生焦化。該無焰燃燒加熱器可依據(jù)該加熱器的特定結(jié)構(gòu)及該加熱器應(yīng)用而在多種條件下 操作。在U. S. 7，025，940中描述各種實(shí)例及條件，該專利以引用方式并入本申請(qǐng)中。該無 焰燃燒加熱器系統(tǒng)可用于蒸汽重整、裂化或各種其它處理工藝中。本發(fā)明的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)可用于乙苯的脫氫中以制成苯乙烯。該反應(yīng)通常在 存在基于氧化鐵的脫氫催化劑的情形下實(shí)施。該反應(yīng)通常在約550°C與680°C之間發(fā)生。本 發(fā)明的加熱器亦可用于其中蒸汽和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)變?yōu)闅錃狻⒁谎趸技岸趸嫉恼羝?整系統(tǒng)中。此反應(yīng)的溫度通常自約800°C至870°C。在U. S. 5，899，269中描述了在存在氧化催化劑的情形下，不同燃料的自燃溫度， 該專利以引用方式并入本申請(qǐng)中。表1中展示了與此發(fā)明有關(guān)的某些自燃溫度。表 1.
權(quán)利要求
一種無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其包括無焰燃燒加熱器；氧化劑入口管；燃料入口管；及用于對(duì)氧化劑或燃料進(jìn)行預(yù)加熱的預(yù)加熱器，所述預(yù)加熱器包括有氧化催化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器與氧化劑入口管流 體連通，且燃料在預(yù)加熱器上游處引入至所述氧化劑入口管中，以使燃料-氧化劑混合物 通過該預(yù)加熱器。
3.如權(quán)利要求2所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器位于所述氧化劑入口管內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器與燃料入口管流體 連通，且氧化劑在所述預(yù)加熱器上游處引入至燃料入口管中，以使燃料-氧化劑混合物通 過所述預(yù)加熱器。
5.如權(quán)利要求4所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述預(yù)加熱器位于燃料入口管內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其中，所述氧化催化劑包括貴金屬ο
7.一種用于起動(dòng)如權(quán)利要求2-3中任一項(xiàng)所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的方法，該方法 包括使氧化劑通過氧化劑入口管；將燃料在預(yù)加熱器上游處引入至氧化劑入口管中以致 在預(yù)加熱器中發(fā)生無焰燃燒；使所產(chǎn)生的經(jīng)加熱的氧化劑通過無焰燃燒加熱器直至該加熱 器處于高于所述燃料及氧化劑的期望混合物的自燃溫度的溫度；并接著使燃料通過所述燃 料入口管以致在該加熱器中發(fā)生無焰燃燒。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括停止燃料流入至所述氧化劑入口管中。
9.一種用于控制如權(quán)利要求2-3中任一項(xiàng)所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的溫度的方法， 該方法包括確定被引入所述加熱器中的氧化劑的溫度并調(diào)整進(jìn)入所述氧化劑入口管中的 燃料流量。
10.一種用于起動(dòng)如權(quán)利要求4-5中任一項(xiàng)所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的方法，該方 法包括使燃料通過所述燃料入口管；將氧化劑在預(yù)加熱器上游處引入至燃料入口管中以 致在該預(yù)加熱器中發(fā)生無焰燃燒；使所產(chǎn)生的經(jīng)加熱的燃料通過所述無焰燃燒加熱器直至 該加熱器處于高于所述燃料及氧化劑的期望混合物的自燃溫度的溫度；并接著使氧化劑通 過所述氧化劑入口管以致在該加熱器中發(fā)生無焰燃燒。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括停止氧化劑流入至所述燃料入口管中。
12.一種用于控制如權(quán)利要求4-5中任一項(xiàng)所述的無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的溫度的方 法，其包括確定被引入所述加熱器中的燃料的溫度并調(diào)整進(jìn)入所述燃料入口管中的氧化 劑流量。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種無焰燃燒加熱器系統(tǒng)，其包括無焰燃燒加熱器；氧化劑入口管；燃料入口管；及用于對(duì)氧化劑或燃料進(jìn)行預(yù)加熱的預(yù)加熱器，該預(yù)加熱器包括有氧化催化劑。本發(fā)明描述了一種用于起動(dòng)無焰燃燒加熱器的方法，其包括將燃料-氧化劑混合物傳輸至包括有氧化催化劑的預(yù)加熱器中，以對(duì)被輸送至該加熱器的燃料或氧化劑流進(jìn)行預(yù)加熱。本發(fā)明還描述一種用于控制該無焰燃燒加熱器系統(tǒng)的溫度的方法，其包括控制通過該預(yù)加熱器的燃料及/或氧化劑的量。
文檔編號(hào)F23L13/06GK101970939SQ200880025414
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者A·W·芒施, P·維恩斯特拉, T·米庫斯 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司