[发明专利]操作裂解加热器以降低NOx的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于烃类裂解的加热器，特别涉及操作裂解加热器以降低NOx排放的方法。

背景技术

裂解加热还可以称作裂解炉。裂解加热器是用于烃裂解或蒸汽裂化的任何装置。

用于生产烯烃的蒸汽裂化或裂解烃过程几乎全部在燃烧加热器内的盘管中进行。裂解工艺被看做是烯烃厂的核心，并对整个工厂的经济具有显著影响。

烃原料可以是广泛的典型裂解原料中的任意一种，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，这些气体的混合物、天然气、石脑油、汽油等等。产品流含多种组分，其浓度部分依赖于所选的原料。在常规裂解工艺中，气化原料与稀释蒸汽一起加入位于燃烧加热器中的管式反应器。所需的稀释蒸汽量依所选原料而定；轻质原料，如乙烷需要的蒸汽少(0.2lb/lb原料)，而重质原料，如石脑油和汽油通常需要蒸汽/原料的比为0.5到1.0。稀释蒸汽具有降低烃分压和减少裂解盘管上碳沉积率的双重作用。

典型的裂解工艺中，蒸汽/原料混合物要预热到正好低于裂化反应开始的温度，典型的是650℃。该预热在加热器的对流段进行。然后，混合物流向辐射段，裂解反应在此发生。通常在裂解盘管中的停留时间范围是0.2到0.4秒，反应器出口温度在700℃到900℃之间。使饱和烃转化为烯烃的反应是强吸热反应，因此需要很大量的热补给。热补给必须在高反应温度之下进行。在工业生产中，通常认为对于多数原料，特别是较重的原料，如石脑油，停留时间越短，由于会减少二次降解反应，所以对乙烯和丙烯的选择性越高。此外，还发现反应环境下，烃分压越低，该选择性越高。

燃烧加热器辐射段中的烟气温度通常在1100℃以上。在常规设计中，以燃料形式进入加热器燃烧热量的约32％到40％被送入辐射段的盘管中。对流段的热平衡通过预热原料或生产蒸汽而恢复。假定，为了实现短停留时间和高工艺温度而限制管的容积，热就很难传入反应管中。使用高热通量，即便是使用稀有金属材料，操作管的金属温度也接近了其机械极限。多数情况下，盘管出口较高的温度和缩短盘管长度(也即管表面积)的组合导致管金属温度限制停留时间缩短的程度，这会导致热通量更高，管金属温度更高。裂解加热器辐射段中的稀有金属反应管代表了加热器的主要成本，所以充分发挥其效能很重要。充分使用是指在尽可能高，尽可能均匀的热通量下，金属温度尽可能与加热器设计目标一致的情况下操作。这会使需要的管数和管长最小化，并降低既定裂解能力对金属材料的需求量。

在大多数裂解炉中，热由炉底燃烧器(floor burner)供给，也称作炉床燃烧器，该炉底燃烧器安装在燃烧室炉底，火焰沿侧壁竖直向上。由于这些燃烧器特有的火焰形貌，形成了不均匀的热通量剖面。典型的剖面显示，在燃烧室的中心高温区附近有一个峰值通量，在燃烧室的顶部和炉底区域的温度相对要低。在所选的加热器中，辐射壁式燃烧器(wall burner)安装在侧壁的顶部，以平衡加热器炉顶区域的热通量剖面。考虑到排放NOx，改善热通量剖面变得很复杂。

在采用空气作为氧化气体的所有燃烧过程中，基本上都会产生氮氧化物(NOx)。燃烧区最热的区域生成的NOx主要是一氧化氮(NO)。也生成一些二氧化氮(NO₂)，但其浓度通常是NOx百分比总量的一小部分。

氮氧化物是燃烧过程释放的主要的大气污染物之一。NOx排放已经确认会造成环境恶化，特别是会造成大气质量恶化、形成烟雾(能见度差)和酸雨。因此，各政府部门制定了空气质量标准，其对向大气排放NOx气体的量进行了限制。

此外，生成NOx和CO之间具有反比关系，这使得排放控制变得更为复杂。燃烧过程无法同时达到完美的三“T”(时间、温度、湍流)，实现完全燃烧，并且CO的生成也是不可避免的。通常来说，最高燃烧温度越高，CO产生越少。不幸的是，NOx的生成恰恰相反，燃烧的温度越高，生成的NOx的量越大。因此，工业燃烧源的排放控制必须包括NOx和CO之间的控制。

发明内容

本发明涉及一种操作裂解加热器的方法。

此方法包括通过位于壁式燃烧器排中的第一壁式燃烧器向裂解加热器引入第一燃料和第一氧化气体，第一壁式燃烧器具有第一当量比为并且通过位于炉底燃烧器排中的第一炉底燃烧器向裂解加热器引入第一燃料和第二燃料中的至少一种，以及第一氧化气体和第二氧化气体中的至少一种，第一炉底燃烧器具有第二当量比其中

此方法包括一种或多种如下特征，可以采用一种或任意可能的技术组合。