專利名稱：回收熱量的熱化學(xué)交流換熱法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及采用多床交流換熱器回收加熱爐中的煙道氣廢熱。
當(dāng)工業(yè)爐中產(chǎn)生的熱燃燒產(chǎn)物作為煙道氣或廢氣排放時會有大量的熱能被浪費。已經(jīng)研究出了許多至少能回收部分這種廢熱的技術(shù)。
例如，交流換熱器能提供循環(huán)熱交換，交替地接受來自燃燒輸出的熱氣體產(chǎn)物的熱量和將此熱量轉(zhuǎn)給和因而預(yù)熱進入的燃燒空氣。通常，交流換熱器具有由儲存和輸送熱量的填充材料制成或填充的熱回收床。盡管對大型格式裝置的耐熱交流換熱器已有數(shù)十年的了解，但最近的發(fā)展已移到采用聯(lián)合的燃燒器-交流換熱器，也稱之為交流換熱燃燒器上。
一般說來，交流換熱燃燒器是成對地提供，其中一個單元是以燃燒模式操作，而另一個是以排氣或煙道模式操作。例如，對于雙單元A和B來說，當(dāng)熱煙道氣通過流經(jīng)作為“煙道”操作的單元A床冷卻時，單元B就作為燃燒器操作。當(dāng)單元A床達到目標(biāo)溫度時，煙道氣就改變方向進入單元B床，此時單元B床是作為煙道操作，而單元A轉(zhuǎn)變成燃燒器；當(dāng)環(huán)境溫度下的燃燒空氣流過熱床并得到加熱時則可回收儲存在單元A床中的熱量。一旦單元B床達到目標(biāo)溫度，則單元B再次轉(zhuǎn)變成燃燒器而熱廢氣更改方向進入單元A。
盡管已知通過預(yù)熱引入的燃燒空氣能回收熱煙道氣中的廢熱，但是這種預(yù)熱方法在氧化劑通常于環(huán)境溫度下使用時的氧基燃燒工藝中一般不能實施。一個理由是認為從預(yù)熱氧預(yù)期的能量節(jié)省是不大的。除此之外，還存在著許多與處理熱燃燒氧有關(guān)的技術(shù)難題。盡管可以采用間接換熱器或者同流換熱器使氧得到預(yù)熱，但是這些單元由于其結(jié)構(gòu)所用材料而產(chǎn)生許多的限制；一般說來，能在這樣的換熱器中達到的氧預(yù)熱溫度不超過1300°F左右。
就試圖使用目前對空氣燃燒爐可用的快速循環(huán)交流換熱器來說也存在著許多的問題。例如，當(dāng)煙道氣中含有灰塵和/或可冷凝物時，這些交流換熱器系統(tǒng)床就有可能被堵塞；因此它們的使用就被局限在相當(dāng)清潔的工藝中。
由于快速循環(huán)交流換熱器的典型循環(huán)時間低于2分鐘，所以這些單元床的尺寸很小。在氧預(yù)熱的情況下，對于約2400°F的煙道氣溫度而言，與用于預(yù)熱空氣僅約300°F相比，交流換熱器出口的煙道氣仍然在大約為1500°F的非常高的溫度上。除此之外，預(yù)熱循環(huán)結(jié)束時，留在交流換熱器中的剩余氧體積每次預(yù)熱循環(huán)高達氧氣流體積的5％-10％。當(dāng)氣流轉(zhuǎn)向時，剩余的氧就被遺失在廢氣中。由于燃燒高溫氧能使形成的NOx量增加，所以是氧預(yù)熱產(chǎn)生的另一個技術(shù)問題。
很清楚，氧-燃料燃燒的特殊性能對熱回收的可能方法產(chǎn)生許多限制，這些限制在預(yù)熱燃燒空氣是經(jīng)濟上有效、易于理解和能廣泛實施的常規(guī)方法中是不會遇到的。
由此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用交流換熱床回收加熱爐中產(chǎn)生的煙道氣廢熱的改進方法。
本發(fā)明另外一個目的在于提供一種回收燃料與氧濃度高于空氣的氧化劑燃燒過程中產(chǎn)生的煙道氣中廢熱的改進方法。
由本發(fā)明完成上述和其它目的，這一點對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員依據(jù)閱讀本說明書來說將是明顯的，本發(fā)明為一種回收來自燃料與氧化劑在加熱爐中燃燒產(chǎn)生的熱煙道氣中熱量的方法，包括(A)來自加熱爐的熱煙道氣流過冷卻的第一交流換熱器床，借此加熱該第一交流換熱器床和產(chǎn)生冷卻的煙道氣，同時反應(yīng)劑流過加熱的第二交流換熱器床并且反應(yīng)劑在該第二交流換熱器床中按吸熱化學(xué)反應(yīng)進行反應(yīng)，借此產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物和冷卻第二交流換熱器床；接著為(B)來自加熱爐的熱煙道氣流過冷卻的第二交流換熱器床，借此加熱該第二交流換熱器床和產(chǎn)生冷卻的煙道氣，同時反應(yīng)劑流過加熱的第一交流換熱器床并且反應(yīng)劑在第一交流換熱器床中按吸熱化學(xué)反應(yīng)進行反應(yīng)，由此產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物和冷卻第一交流換熱器床。


圖1是用于實施本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖。
圖2是具有示出氧順次轉(zhuǎn)化和氧預(yù)熱的四個床系統(tǒng)的操作圖解表示法。
圖3圖示說明通過用93％煙道氣預(yù)熱熱化學(xué)交流換熱器和轉(zhuǎn)化10％天然氣燃料所獲得的能量回收。
圖4是用于實施本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖，其中熱化學(xué)交流換熱器與產(chǎn)生部分氧化產(chǎn)物的加熱爐聯(lián)合一體化。
在許多加熱爐中燃料在有氧化劑如空氣、氧或富氧空氣的條件下燃燒以加熱被處理的物料；在操作這些加熱爐的過程中產(chǎn)生了含高溫燃燒產(chǎn)物的熱廢煙道氣。本發(fā)明對燃料與氧一起燃燒來加熱加熱爐的應(yīng)用是特別有利的，但對常規(guī)的用空氣燃燒的加熱爐或用富氧空氣燃燒的加熱爐也是有利的。
本發(fā)明用于使用至少一個交流換熱器系統(tǒng)的加熱爐，每個系統(tǒng)盡管可以使用兩個以上的交流換熱床，但一般只含兩個床。換熱床一般含有填充對蓄熱和轉(zhuǎn)移熱有效材料的耐火襯容器，能提供適當(dāng)?shù)哪蜔釠_擊性和能經(jīng)受實施本發(fā)明時所施加的溫度和壓力降。由各種金屬、氧化鋁、氧化鎂、莫來石、AZS或氧化鋯基陶瓷制的球是用于交流換熱器床的填充材料實例。
在實施本發(fā)明時，使用交流換熱器床，不僅作為熱交換器，而且還能用來完成一個或多個吸熱化學(xué)反應(yīng)，以此產(chǎn)生有用的反應(yīng)產(chǎn)物。在一次循環(huán)過程中和隨后的循環(huán)過程中捕獲來自燃燒過程中產(chǎn)生的熱煙道氣顯熱，并儲存在交流換熱器床的填充材料中，換熱床能起到熱化學(xué)交流換熱器作用，由此使儲存在交流換熱器床中的部分熱能可作為反應(yīng)吸熱的熱能回收。
對于編號為#1和#2的第一和第二床的交流換熱器系統(tǒng)，先使燃燒過程中形成的熱煙道氣流過#1床以加熱床材料和冷卻煙道氣，同時使所需的反應(yīng)劑流過在先前循環(huán)過程中早已加熱過的#2床。當(dāng)吸熱反應(yīng)發(fā)生時，形成反應(yīng)產(chǎn)物而在本次循環(huán)過程中起熱化學(xué)交流換熱器作用的#2床被冷卻。切換進入各床的氣流，此時已冷卻的#2床則為熱煙道氣提供熱吸收的場所，而#1床則向反應(yīng)劑提供由吸熱化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物所必須的反應(yīng)熱。
由于煙道氣含有燃燒產(chǎn)物如二氧化碳和水蒸氣，還由于通常用于燃燒過程中的燃料含甲烷和/或其它烴類，所以對于利用這些物質(zhì)的存在去完成下面將要討論的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是特別有利的。
根據(jù)本發(fā)明的這個實施方案，捕獲來自熱煙道氣的顯熱并將其儲存在#1床中。至少部分從#1床排出的并含有燃燒產(chǎn)物CO2和H2O的冷卻煙道氣再循環(huán)，并與烴類如通常在燃燒燃料中經(jīng)常使用的那些烴一起注入在先前循環(huán)過程中已加熱的#2床中。再向#2床提供水蒸氣。這些反應(yīng)劑通過換熱床加熱后進行吸熱反應(yīng)而回收了#2床儲存的熱量。一旦#1床借助于熱煙道氣加熱而#2床借助于吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)而冷卻，則進入各床的氣流即發(fā)生轉(zhuǎn)向使熱量回收以循環(huán)方式持續(xù)進行。
除了上文說明的步驟外，最好在吸熱反應(yīng)循環(huán)結(jié)束時吹掃留在床中的殘余氣體床。冷卻的循環(huán)煙道氣或水蒸氣可作為吹掃介質(zhì)使用。
通過使用氧濃度高于空氣的燃燒氧化劑，優(yōu)選通過使用純的或接近純的氧，煙道氣中的H2O和CO2濃度會顯著高于使用空氣時的情況，這是因為這些物質(zhì)被大量的氮稀釋了。此外，氧基燃燒工藝過程可產(chǎn)生更高溫度。這兩因素促進了轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
由此，使用氧濃度高于空氣的氧化劑完成燃燒工藝是本發(fā)明優(yōu)選實施方案。例如，氧化劑可以是高氧空氣并具有高于21％(體積)，優(yōu)選高于約35％(體積)的氧含量；使用氧濃度至少為80％(體積)的氧化劑完成燃燒工藝是最好的。氧化劑可以是經(jīng)過低溫或非低溫分離空氣或經(jīng)過生產(chǎn)氧的化學(xué)方法所得到的氧。
優(yōu)選方案是把熱化學(xué)交流換熱器加熱到至少1500℃的溫度。當(dāng)產(chǎn)生較清潔的煙道氣時，可在換熱床內(nèi)使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎亩档娃D(zhuǎn)化溫度。這類催化劑包括氧化鋁、鎳或鈷金屬成分。催化活性化合物可負載于陶瓷催化劑載體上，例如氧化鋁。
按理想化的形式，轉(zhuǎn)化床中發(fā)生的反應(yīng)可寫成
反應(yīng)是吸熱的且在60°F下測量，每1標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCF)的CH4在60°F下需要250英熱量單位(Btu)。這個反應(yīng)的產(chǎn)物，即一氧化碳和氫，稱作合成氣，能被進一步使用，本發(fā)明優(yōu)選實施方案是使CO和H2的反應(yīng)產(chǎn)物混合物進入加熱爐并與氧一起燃燒以產(chǎn)生CO2和H2O，這種方案示于圖1。
轉(zhuǎn)化不是唯一能在交流換熱器床中進行的吸熱反應(yīng)。表1還列出了某些燃燒、部分氧化、轉(zhuǎn)化和離解或裂解反應(yīng)實例的反應(yīng)熱。表2列出在三種不同溫度1300，2000和2400°F下每SCF CH4的各種氣體或氣體混合物的顯熱。表1燃燒和轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱反應(yīng)熱 (BTU/SCF@60F)CH4+2O2→CO2+2H2O(g)913H2+1/2O2→H2O(g) 275CO+1/2O2→CO2322C+O2→CO2446POX/轉(zhuǎn)化反應(yīng)(BTU/SCF@60F)CH4+1/2O2→CO+2H241CH4+H2O→CO+3H2-234CH4+CO2→2CO+2H2-281CH4+1/3CO2+2/3H2O→4/3CO+8/3H2-250裂解反應(yīng)CH4→C+2H2-83表2氣體顯熱(BTU/SCF，CH4)@氣體溫度(F) 1300 2000 2400每1SCF的CH4顯熱煙道氣(O2-CH4)CO2+H2O(g) 93156 193煙道氣(空氣-CH4)CO2+2H2O(g)+8N2278 459 569氧49 8199空氣 223367 453CH441 7697轉(zhuǎn)化過的氣體(O2)4/3CO+8/3H291 147 181轉(zhuǎn)化過的氣體(空氣)4/3CO+8/3H2+8/3N2153249 307POX產(chǎn)物(CO+2H2)68 110 136表3理論熱回收比煙道氣溫度(F) 2000 2400 2800氣體預(yù)熱溫度(F) 1300 2000 2400
氧-燃料燃燒(1)氧預(yù)熱0.32 0.42 0.43(2)CH4預(yù)熱 0.27 0.42 0.42(3)O2/CH4預(yù)熱 0.59 0.81 0.85(4)100％CH4轉(zhuǎn)化 1.64 1.54 1.39(5)50％CH4轉(zhuǎn)化 0.94 0.88 0.8空氣-燃料燃燒(1)空氣預(yù)熱 0.61 0.81 0.84(2)CH4預(yù)熱 0.09 0.13 0 14(3)空氣/CH4預(yù)熱 0.7 0.94 0.98(4)100％CH4轉(zhuǎn)化 0.66 0.66 0.61正如在表1中所見，60°F下每SCF的CH4燃燒熱為913Btu。轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)且60°F下需要約1/4的燃燒熱、從而顯示了回收顯著數(shù)量廢熱的潛力。形成碳和氫的裂解反應(yīng)也是吸熱反應(yīng)且60°F下需要約83Btu/SCF。
如表2所示，由氧-燃料燃燒產(chǎn)生的2400°F溫度下的煙道氣顯熱為193Btu/SCF或約22％的燃燒熱；對于空氣基燃燒來說，2400°F下煙道氣的顯熱為569Btu/SCF或約60％的燃燒熱。
表3列出了三個溫度和下列各種熱回收方案下的理論熱回收比，(1)氧化劑預(yù)熱；(2)燃料預(yù)熱；(3)氧化劑和燃料預(yù)熱，(4)100％CH4和(5)50％CH4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。該表就通過預(yù)熱氧化劑可回收的廢熱強調(diào)了氧-燃料燃燒和空氣基燃燒之間的差別。盡管在常規(guī)空氣基燃燒中通過預(yù)熱燃燒空氣可回收煙道氣顯熱多達61-84％，但在氧-燃料情況下通過預(yù)熱氧僅能回收約32-43％；這是因為氧與煙道氣對比不僅體積小而且熱容低。
盡管預(yù)熱對于氧-燃料燃燒來說對比于空氣基工藝缺乏吸引力，但表3表明轉(zhuǎn)化反應(yīng)能極大地提高氧情況下的能量回收。正如表1所示，用于反應(yīng)(1)的反應(yīng)吸熱在60°F下為250Btu/SCF CH4。另外，正如表2所示，例如，2000°F下的改造氣體(合成氣)仍具有147Btu/SCFCH4的顯熱。由此充分轉(zhuǎn)化CH4和煙道氣(CO2和H2O)的冷混合物就2000°F氣體溫度要求總計為397Btu/SCF CH4。對于1∶1的煙道氣與CH4初始比和33％循環(huán)的煙道氣，交流換熱器可以使用133％的初始煙道氣。就溫度為2400°F的煙道氣來說，每1SCF的CH4煙道氣顯熱是193(根據(jù)表2)乘以133％或257Btu/SCF的CH4。表3顯示這種情況的理論熱回收比為397/257或1.54。大于1的熱回收比表明熱化學(xué)交流換熱器潛在的能量容量大于煙道氣中可獲得的顯熱量。因此，對于轉(zhuǎn)化來說沒有必要使用100％的可得到的燃料，且表3說明非常有利的理論熱回收比，是在僅使用50％燃料情況下，其范圍是在0.8和0.94之間。
如上所述，借助于高溫轉(zhuǎn)化是有利的。一般來說，在沒有催化劑的情況下，只要床溫降至約1300°F以下時就不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。為了進一步回收仍儲存于換熱床中的剩余能量，在床溫相對于維持轉(zhuǎn)化反應(yīng)過低情況下，可使燃燒氣體流經(jīng)部分冷卻床進行預(yù)熱。按照本發(fā)明的一個實施方案，在床溫相對于發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)過低后可使燃料(CH4)和氧先后流經(jīng)換熱床按順序?qū)λ鼈冾A(yù)熱從而可回收剩余的能量。
雖然認識到了催化劑的使用、催化劑的類型和床的設(shè)計都會影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度，但下面的實施例是假設(shè)床溫在轉(zhuǎn)化反應(yīng)結(jié)束時約為1300°F。為了燃料預(yù)熱，在該床溫下煙道氣(用33％循環(huán))的顯熱每SCF天然氣(大部分為CH4)為123Btu，大致與1300°F下儲存于床內(nèi)的能量相等。對于CH4與在33％煙道氣循環(huán)下的煙道氣初始比為1∶1來說，CH4-煙道氣混合物可能的顯熱為41+(93×33％)或總數(shù)為72Btu/SCF CH4。因此有51Btu的能量不能回收，而且換熱床停留在約750°F溫度下。
通過預(yù)熱燃燒氧可回收床中(大約在750°F)的剩余能量。圖2說明在同一床內(nèi)具有煙道氣循環(huán)和順序氧預(yù)熱步驟的交流換熱方案。
氧化氣體如氧順次流經(jīng)換熱床的另外優(yōu)點在于其清潔由于燃料裂解在床上形成碳沉積物的作用。對于燒光碳沉積物來說沒有必要使用高純氧。事實上氧化氣體如氧和循環(huán)煙道氣的混合物是優(yōu)選的，因為它能阻止由于碳沉積物和高純氧反應(yīng)所引起的過高局部溫度。因為這種用氧燒光的清潔循環(huán)，更加有可能在交流換熱器床內(nèi)預(yù)熱和部分裂解天然氣燃料而不混合循環(huán)煙道氣。
由于典型性的加熱爐具有許多交流換熱燃燒器，所以對在同一加熱爐內(nèi)具有常規(guī)的和熱化學(xué)交流換熱燃燒器是有利的。根據(jù)本發(fā)明另一實施方案，燃料和循環(huán)煙道氣的混合物在熱化學(xué)交流換熱器中預(yù)熱的同時，氧氣在常規(guī)交流換熱器中預(yù)熱。在這種平行氧氣/熱化學(xué)交流換熱器的裝置中，煙道氣被分開并經(jīng)交流換熱器床排出，以便能通過氧預(yù)熱和由于吸熱化學(xué)反應(yīng)如轉(zhuǎn)化反應(yīng)的平衡而回收一些熱能。
流向常規(guī)氧預(yù)熱交流換熱器的優(yōu)選量通過下列實施例進行說明，實施例中的煙道氣溫度假設(shè)為2400°F。含于化學(xué)計量燃燒CH4和工業(yè)純氧所獲得的100％和40％熱煙道氣中的顯熱分別為193和77Btu/SCF，CH4。工業(yè)純氧在1900°F下的顯熱也是77Btu/SCF，CH4。為了把氧預(yù)熱到1900°F，僅需要使大約40％的初始煙道氣體積流入用于預(yù)熱氧的常規(guī)交流換熱器床中。
預(yù)熱其它加熱爐床，例如用于完成轉(zhuǎn)化反應(yīng)床可采用剩余的93％(假定33％循環(huán)可導(dǎo)致133％的初始煙道氣體積)。如果加熱的熱化學(xué)交流換熱器床再接受100％的天然氣(CH4)和33％的冷卻煙道氣，為了使熱回收比達到1僅需要10％的天然氣轉(zhuǎn)化。圖3說明在本發(fā)明的該實施方案中所獲得的能量回收。
本發(fā)明可連同產(chǎn)生部分氧化(POX)燃燒產(chǎn)物一起實施，該方案示于圖4中。在這樣的一種POX加熱爐中，燃料經(jīng)部分氧化后除產(chǎn)生一些CO2和H2O外還有CO和H2。氧氣和水蒸氣用來氧化燃料和控制煙炱的形成。根據(jù)這種方案，加熱爐中部分氧化的熱產(chǎn)物進入#1床借此使該床加熱。同時，水蒸氣和CH4的混合物被送入#2床，該床在先前的循環(huán)中已被加熱，用來回收熱量和產(chǎn)生與氧一起引入加熱爐的部分H2和CO氣體。由于允許有更多的H2O與CH4反應(yīng)使總熱效率提高，所以氧的消耗下降。正如在上文討論過的其它實施方案，進入換熱床的氣流來回循環(huán)地切換。
除了上文討論過的配置方案和理論能量回收評價外，還有與本發(fā)明有關(guān)的一些實際考慮和許多優(yōu)點。例如，如表所示，許多吸熱的化學(xué)反應(yīng)包括裂解都可以在轉(zhuǎn)化床上發(fā)生。預(yù)料優(yōu)選的熱回收取決于溫度和煙道氣的循環(huán)比，還取決于床的填充材料和可能使用的合適轉(zhuǎn)化催化劑。
床填充材料上面的碳沉積物污垢量可通過提高煙道氣與燃料(天然氣)比，或通過添加水蒸氣而減少。煙道氣循環(huán)的理想范圍(煙道氣/天然氣體積比)在約0.5-約3，優(yōu)選約1-約2。另外的方法在于混有水蒸氣或在熱化學(xué)交流換熱器中使用順次氧預(yù)熱。如上所述，氧預(yù)熱的一個優(yōu)點在于在轉(zhuǎn)化循環(huán)過程中，作為氧和煙道氣的混合物燒光床內(nèi)形成的碳沉積物的清潔作用。
當(dāng)與常規(guī)基于空氣的交流換熱燃燒爐對比時，本發(fā)明公開的氧-燃料熱化學(xué)交流換熱系統(tǒng)更適于耐受冷空氣吸入。
就本發(fā)明而言，空氣吸入可提高煙道氣的體積和降低本發(fā)明氧-燃料熱化學(xué)交流換熱系統(tǒng)所必須的氧量。通過煙道氣顯熱的提高額外的熱損失可作為熱化學(xué)能回收。由此實施本發(fā)明時就能量利用效率而言與常規(guī)交流換熱基于空氣加熱爐相比，不會因空氣吸入導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。于是有可能使加熱爐在稍低于大氣壓和允許發(fā)生某些空氣吸入下以對熱能有效的方式運行。
為了在實施本發(fā)明時達到低NOx排放，優(yōu)選采用U.S5,076,779公開的燃燒方法實施本發(fā)明。
為了保持床的小尺寸。優(yōu)選使用快速循環(huán)交流換熱器。然而，為了回收含有顆粒物和/或可冷凝蒸汽的煙道氣熱量，交流換熱器中的氣體通道必須大到足以能阻止堵塞問題。例如，用于玻璃熔融爐的市售交流換熱器通常每20-30分鐘換向一次，且其氣體通道平均直徑為數(shù)英寸。本發(fā)明在大和小兩種交流換熱單元下使用對本發(fā)明是有利的。
對于多個燃燒器的裝置而言，為了加熱爐更加連續(xù)點燃各個燃燒器可按交錯的時間順序打開和關(guān)閉。當(dāng)燃燒速度要求降低時，可延長交流換熱器的循環(huán)時間，這與加熱爐的平均加熱速度大致成反比。
給出下列實施例是為了說明而不是用來限制。
間歇式鋼再熱爐以總加熱速度為20MMBtu/hr的四個天然氣和氧-燃料燃燒器燃燒。把20,000SCFH的天然氣和41,300SCFH的商品級氧濃度約99.5％的氧氣用于燃燒而沒有任何煙道氣熱回收系統(tǒng)。平均煙道氣溫度為2400°F。4個氧-燃料燃燒器中的每一個燃燒器都可以用裝有本發(fā)明雙床的熱化學(xué)交流換熱器裝置的US5,076,779公開那種類型的低NOx氧-燃料燃燒器系統(tǒng)來代替(即總數(shù)為8個床)。床的填充材料由1/2英寸直徑氧化鋁球制成，并在加熱循環(huán)結(jié)束時加熱到約2200°F的最高溫度。大約有10％來自加熱爐的煙道氣經(jīng)單獨的煙道孔連續(xù)排出或經(jīng)加熱爐開口逸散。每個床都依一定尺寸制造以便能在每40秒鐘的交流換熱循環(huán)時間內(nèi)儲存5,000Btu的熱量。各床具有的燃料加熱/轉(zhuǎn)化周期為19.5秒，吹掃周期為0.5秒，煙道氣排氣周期為195秒和吹掃周期為4.5秒。使部分來自交流換熱器的冷卻煙道氣循環(huán)，并以煙道氣與燃料氣體積流量比為1∶1與煙道氣混合。燃料和煙道氣混合物通過交流換熱器被加熱到約2000°F的平均溫度，并使部分燃料在床內(nèi)吸熱轉(zhuǎn)化?？刂拼矡煹罋鉁囟认掠蔚陀?00°F。作為熱回收的結(jié)果平均天然氣流速下降到16,500SCFH和氧流量下降到33,000SCFH。有16,500SCFH來自交流換熱器下游的煙道氣在排氣循環(huán)中循環(huán)，并在氧預(yù)熱和吹掃循環(huán)中送入交流換熱器。在本發(fā)明的這個實施例中燃料和氧的節(jié)省可分別達到17.5％。
盡管參閱某些優(yōu)選實施方案詳細地說明了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍會理解在本發(fā)明權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)仍存在著其它的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種從燃料與氧化劑在加熱爐中燃燒產(chǎn)生的熱煙道氣中回收熱量的方法，包括(A)來自加熱爐的熱煙道氣流經(jīng)已冷卻的第一交流換熱器床，借此加熱該第一交流換熱器床和產(chǎn)生冷卻的煙道氣，同時反應(yīng)劑流經(jīng)已加熱的第二交流換熱器床，且反應(yīng)劑在該第二交流換熱器床內(nèi)進行吸熱化學(xué)反應(yīng)，借此產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物和冷卻該第二交流換熱器床；接著是(B)來自加熱爐的熱煙道氣流經(jīng)已冷卻的第二交流換熱器床，借此加熱該第二交流換熱器床和產(chǎn)生冷卻的煙道氣，同時反應(yīng)劑流經(jīng)已加熱的第一交流換熱器床，且反應(yīng)劑在該第一交流換熱器床內(nèi)進行吸熱化學(xué)反應(yīng)，借此產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物和冷卻該第一交流換熱器床。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中氧化劑具有的氧濃度高于空氣。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)劑含有至少一部分冷卻的煙道氣。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)劑包含烴和水蒸氣。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中吸熱化學(xué)反應(yīng)是轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中吸熱化學(xué)反應(yīng)是離解反應(yīng)。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中換熱床還含有促進吸熱化學(xué)反應(yīng)有效的催化劑。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)產(chǎn)物包括合成氣。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一些反應(yīng)產(chǎn)物進入加熱爐。
10.權(quán)利要求1所述的方法，還包括在第一和第二交流換熱器床內(nèi)進行吸熱化學(xué)反應(yīng)之后，和來自加熱爐的熱煙道氣流經(jīng)第一和第二交流換熱器床之前氧氣氣體分別流經(jīng)第一和第二交流換熱器床。
全文摘要
提供一種加熱爐,至少具有兩個用于熱回收的交流換熱器床。在第一換熱床用燃料和氧化劑在加熱爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱煙道氣加熱時,在以前循環(huán)過程中已加熱的第二換熱床則通過在其中進行吸熱化學(xué)反應(yīng),例如烴與水蒸氣和二氧化碳的轉(zhuǎn)化反應(yīng)和/或烴的離解反應(yīng)而被冷卻。一旦第二換熱床被吸熱反應(yīng)冷卻,熱煙道氣就可切換方向進入,同時已加熱的第一換熱床即可用于進行吸熱化學(xué)反應(yīng),此后重復(fù)進行循環(huán)。
文檔編號F28D21/00GK1234486SQ99106318
公開日1999年11月10日 申請日期1999年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月29日
發(fā)明者小林尚 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司