一种电加热工艺加热炉的制作方法

本发明属于石油化工领域，具体地，涉及一种电加热工艺加热炉。

背景技术：

1、目前石油化工领域工艺加热炉主要为燃料型加热炉，通常设有辐射室、对流室，在其中布置炉管作为受热面，燃料通过辐射室的燃烧器燃烧放热，炉管内工艺物流经辐射传热、对流传热、热传导等方式吸收燃料热量，其结构特点如下：

2、1.燃烧产物产生温室气体：化石燃料由于以碳氢化合物为主，其燃烧产物除n2之外，主要以co2、h2o为主，co2为产生温室效应的主要气体。减少其排放量被视为解决气候问题最主要的途径，如何减少碳排放也成为了全球性议题。

3、2.燃烧产物含有大气污染物：由于燃料中会含有h2s或有机硫化物，燃烧产生的烟气中会出现so2，so2是大气主要污染物，直接危害人类身体健康，so2转化成so3后与烟气中h2o结合形成酸雨，酸雨为so2产生的二次污染物。空气作为助燃空气带入的n2在燃料燃烧过程中会生成nox，nox对环境的污染已经成为一个日益严重的全球性问题，它对大气的影响主要有酸雨和较高的地面臭氧浓度，也参与形成空气中的飘尘。

4、3.加热炉结构受限：炉管内的工艺物流在加热炉的辐射段主要接受高温火焰和烟气的辐射传热，受燃烧火焰高度的限制，为保证工艺物流在炉管内受热的均匀性及炉管受热面积的利用率，辐射段通常会受到高度/直径(宽度)的限制。

5、4.加热炉设备腐蚀：由于燃料中含有无机硫或/和有机硫，燃烧后的烟气中不可避免的含有so2，so2转化成so3后与烟气中h2o结合形成h2so4，在烟气尾部的设备末端形成ph2～4的硫酸溶液，对设备表面形成硫酸露点腐蚀，影响设备使用寿命和装置运行周期。

6、5.热量回收系统复杂：燃料燃烧后通过辐射室、对流室吸热，加热炉热效率可达到～80％，如需进一步回收烟气余热，可增设烟气-空气预热器，利用环境空气作为冷源与烟气换热后作为助燃空气送入辐射段参与燃烧。设置回收烟气预热系统需增加落地烟囱、烟气-空气预热器、烟气管路、空气管路、鼓风机及引风机等动力设备，新增设备大多需要布置于地面上，因此为进一步回收烟气余热需增加更大的占地面积。

7、6.燃料利用有上限：现有石油化工行业工艺加热炉的燃料通常使用以氢气，甲烷、乙烷等饱和烷烃，乙烯、丙烯、丁烯等不饱和烯烃为主作为燃料气，以液态碳氢化合物为主作为燃料油，此类燃料均为化石燃料，为不可再生能源。现有工艺加热炉的燃料热效率普遍在90％左右，意味着10％左右的燃料热量被浪费。

8、综上可知，现有技术的燃料型工艺加热炉由于燃料燃烧产物中存在产生温室效应的主要气体co2，同时还有so2和nox等大气污染物，对环境、人类生活造成危害；由于燃烧火焰和高温烟气在加热炉辐射室形成的温度场分布不均匀，加热炉结构设计受限；烟气中so2对设备构成硫酸露点腐蚀；如需增设热量回收系统进一步回收烟气热量，需在新增占地上布置相关设备；燃料燃烧产生的热量利用存在上限，热效率很难进一步突破。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种电加热工艺加热炉，热传导为主、辐射、对流为辅，通过包覆在炉管外壁的加热元件加热炉管内工艺物流的加热炉，电能作为能源代替化石燃料，可解决温室气体co2及so2和nox等大气污染物排放问题。

2、为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种电加热工艺加热炉，包括：炉体、至少一组炉管、至少一个电加热元件和控制单元；

3、其中，所述炉体的内部空间形成炉膛，所述至少一组炉管排布在炉膛内，所述电加热元件包覆在炉管外壁，且由所述控制单元控制。

4、根据本发明，优选地，所述电加热元件的加热方式为电阻加热、感应加热、电热辐射加热、中间介质加热和电弧加热中的至少一种；优选地，所述电阻加热包括直接加热和/或间接加热。

5、根据本发明，优选地，所述电加热元件选自履带式加热片、薄膜式加热片、环状加热圈、电加热丝、粉态加热物和液态加热物中的至少一种。

6、根据本发明，优选地，所述电加热元件的表面为绝缘材料，内部为金属或合金电阻丝。

7、本发明中，加热元件表面为绝缘材料，具有高强度、高传热、可弯曲、可拼接性能，可缠绕紧贴各种型式、各种规格的炉管，所述加热元件的表面材质根据炉管内工艺物流温位进行选择。

8、根据本发明，优选地，所述炉管在炉膛内的排布为水平布置或垂直布置。

9、进一步，优选地，所述炉管的横截面型式为圆形、环形、长圆形、椭圆形、长方形和六边形中的至少一种。

10、根据本发明，优选地，每组炉管包括首尾相接的多段，所述炉管首尾相接后呈圆形、环形、多排多列顺排和插排中的至少一种；多组炉管之间并联设置。

11、根据本发明，优选地，所述炉管的材质为金属材料、非金属材料和金属化合物材料中的至少一种。

12、进一步，优选地，所述金属材料为铁基材料和/或镍基材料，所述非金属材料选自碳化硅、石墨、石英和碳纤维中的至少一种，所述金属化合物材料为碳和/或氮的金属化合物。

13、根据本发明，优选地，所述炉膛为密封炉膛，炉膛内充有中间介质；和/或，所述炉管及加热元件外部覆盖有保温隔热材料。

14、本发明中，中间介质包括但不限于co2和/或水蒸气。

15、本发明中，加热炉通过包覆在炉管外壁的加热元件加热炉管内工艺物流的加热炉，加热方式为电阻间接加热，主要的传热方式为传导，辐射传热、对流传热为辅助方式。可适用于不同工艺装置、不同工艺加热炉炉型。

16、本发明中，加热炉可以设置独立密封的炉膛防止热量外溢，也可以在炉管及加热元件外覆盖保温隔热材料防止热量外溢。

17、根据本发明，优选地，所述多个加热元件采用并联或串联、以分组的方式对炉管内工艺物流供热，每组加热元件单独供电，并设有独立的过热保护装置。

18、根据本发明，优选地，所述炉管的出口、外表面和炉膛内均设置热量监控元件。

19、进一步，优选地，所述热量监控元件为热电偶。

20、进一步，优选地，所述炉管的出口处设置的热电偶和炉膛内设置的热电偶为插入式热电偶；所述炉管的外表面处设置的热电偶为贴片式、压片式、螺纹式、刀刃焊接式和光学式热电偶中的至少一种。

21、根据本发明一个具体的实施方式，优选地，所述电加热元件的加热方式为感应加热，所述加热炉为感应加热炉；

22、所述感应加热炉包括炉体钢结构、衬里、磁轭、冷却及电源系统和炉管；

23、所述衬里覆盖于所述炉体钢结构内部四周，所述磁轭设置于所述衬里的朝向所述炉管的表面；

24、所述炉管为由直管段和弯管段连接组成的流通回路；

25、所述感应加热炉还包括感应线圈，所述感应线圈缠绕在炉管的直管段上或由两根以上炉管的直管段形成的管束上；

26、优选地，冷却及电源系统为水冷及电源系统，感应线圈的内部为中空结构，用于使来自所述水冷及电源系统的冷却水在其中循环流通。

27、本发明中，感应线圈也可以为实心的高温电缆，冷却及电源系统为空冷及电源系统，采用风机将气体循环空冷。

28、根据本发明，优选地，所述感应线圈呈螺旋状，每组感应线圈包括螺旋入口段、螺旋段和螺旋出口段。

29、根据本发明，优选地，所述感应线圈的螺旋段与炉管直管段的间隔距离s为炉管外径d2的0.03～1倍，根据炉管的管壁的外部是否包覆有高强低导耐火浇注料以及感应线圈加热效果进行调节。

30、在本发明中，每一组感应线圈对被缠绕的直管段的有效感应加热长度均为螺距l1与缠绕圈数n的乘积；在感应线圈加热效果方面，缠绕圈数n与加热效果成正比，间隔距离s与加热效果成反比。在不通过电源改变感应线圈通过的电流的大小与频率时，可通过改变感应线圈的缠绕圈数n与间隔距离s对加热效果进行调节，作为优选方案，各组感应线圈的材质、螺距l1、缠绕圈数n和间隔距离s均相同，进而保证了对炉管的连续不间断的相同效果的加热。

31、根据本发明，优选地，所述感应线圈由一根连续的直管缠绕得到，或由多根直管和弯管拼接得到，拼接处由相同材料的套管连接。

32、根据本发明，优选地，所述感应线圈为单管螺旋或并联的多管螺旋。

33、根据本发明，优选地，炉管的每根直管段均缠绕多组感应线圈，所述多组感应线圈沿所述每根直管段的轴向方向依次设置或者交叉缠绕设置。

34、根据本发明，优选地，每组感应线圈的螺旋入口段与螺旋出口段位于炉管的同侧，相邻组感应线圈的螺旋入口段与螺旋出口段位于炉管的对侧。

35、根据本发明，优选地，感应线圈的材质为低电阻导电材料，优选为紫铜材料，感应线圈的内壁面及至少部分外壁面涂覆绝缘防水材料。所述绝缘防水材料用于避免感应线圈互相接触而导致的电流流向的改变，和避免感应线圈内部通水后导致的漏电现象。

36、根据本发明，优选地，所述水冷及电源系统包括水冷子系统和电源箱，所述水冷子系统用于为感应线圈提供循环冷却水，所述电源箱包括整流器、滤波器和逆变器，用于调节感应线圈的电压频率及功率；

37、所述水冷及电源系统设置为一套或多套，每一水冷及电源系统对应一组或多组感应线圈，优选地，每一水冷及电源系统对应多组感应线圈，且所述多组感应线圈采用三通套管并联连接，感应线圈与所述三通套管连接的部分的外壁面不涂覆绝缘防水材料，更优选地，每一水冷及电源系统对应10-30组感应线圈。

38、在本发明中，“并联连接”是为了任意一组感应线圈出现故障时，不会影响其他感应线圈的正常使用。

39、在本发明中，所述电源箱将三相工频交流电整流后变成直流电，再把直流电变成可调节的中频电流。

40、根据本发明，优选地，所述炉管为多组平行设置的立式蛇形管；每组蛇形管包括依次连接的直管段和弯管段，每根直管段均依次缠绕两组感应线圈，分别为第一感应线圈和第二感应线圈；每组蛇形管中所有的第一感应线圈共用一套水冷及电源系统，所有的第二感应线圈共用另一套水冷及电源系统。

41、根据本发明，优选地，所述炉管为呈圆筒状设置的蛇形管，包括依次连接的直管段和弯管段，每根直管段均交叉缠绕两组感应线圈，分别为第三感应线圈和第四感应线圈；所述炉管的所有直管段分为两组，一组直管段上的所有的第三感应线圈和第四感应线圈共用一套水冷及电源系统，另一组直管段上的所有的第三感应线圈和第四感应线圈共用另一套水冷及电源系统。

42、根据本发明，优选地，所述感应加热炉为立式方炉、立式圆炉或卧式圆炉。

43、根据本发明，优选地，所述炉体钢结构的底部或下部设置有人孔门，用于工作人员对所述感应加热炉进行检修。

44、根据本发明，优选地，所述衬里为厚度50-300mm的陶瓷纤维毯。

45、根据本发明，优选地，所述磁轭由高导磁率材料制成，用于吸收多余的电磁波，避免电磁波对炉壁进行加热。

46、根据本发明，优选地，所述炉管的出口和入口的管壁的外部和/内部设置有热电偶。

47、根据本发明，优选地，所述炉管的管壁的外部包覆有非导电保温材料。

48、本发明中，非导电保温材料包括但不限于陶瓷纤维毯和/或高强低导浇注料。

49、根据本发明，优选地，所述炉管通过管架支撑在所述感应加热炉内，所述管架通过炉管上未缠绕感应线圈的位置支撑炉管。

50、根据本发明，优选地，所述电加热工艺加热炉的控制方法包括如下步骤：

51、设定工艺物流的初始主控参数和初始辅助参数，采用电加热元件对炉管内的工艺物流进行分区供热和/或分程供热，采集工艺物流的实时主控参数和实时辅助参数传递给控制单元，对电加热元件的供热量进行调节，实现电加热工艺加热炉的热量控制。

52、本发明中，所述的控制方法，可适用于不同工艺装置、不同工艺加热炉炉型。可以通过主控参数、辅助参数采集、设定，实现电加热炉自动化、智能化。

53、本发明中，利用分区供热或分程供热或其组合可根据工艺物流在电热炉内吸热过程精准定制供热。

54、根据本发明，优选地，所述主控参数为炉管内工艺物流出口温度；所述辅助参数为炉管壁面温度。

55、进一步，优选地，所述主控参数还包括炉管内工艺物流入口温度和/或工艺物流流量；更优选地，所述炉管内工艺物流入口温度为单程炉管管内工艺物流入口温度或总管管内工艺物流入口温度。

56、根据本发明，优选地，还包括采集加热炉的安全参数，对电加热工艺加热炉的安全进行监测；所述安全参数包括电加热元件温度和/或炉膛空间温度；优选地，所述安全参数还包括炉体和/或炉管的接地电流和/或对地电压。

57、根据本发明，优选地，所述分区供热为在加热炉中沿程不同区域提供不同的热量；所述分程供热为对各程炉管提供不同的热量。

58、进一步，优选地，分程供热的电加热元件并联设置，且每一路单独控制，操作弹性为0～140％。

59、本发明中，分区供热根据工艺物流温位及吸热后用于显热、潜热、反应的需求不同，对工艺物流在电加热炉中沿程不同区域提供不同的加热温度及热量。

60、根据本发明，优选地，所述电加热元件的供热量的调节方式为供电电压调节、电流调节、功率调节和频率调节中的至少一种方式。

61、本发明中，所述的分区供热和或分程供热，可以通过调节供电电压或电流或频率或功率或其多于一种的组合，实现供热量精准调节，从而实现全炉或分区或分程的热通量曲线定制调节。

62、进一步，优选地，所述电加热方式选自电阻加热、感应加热、电热辐射加热、中间介质加热和电弧加热中的至少一种；优选地，所述电阻加热包括直接加热和/或间接加热。

63、根据本发明，优选地，所述电加热元件根据炉管的布置形式分段设置，以使炉管的至少80％以上的外表面被加热。

64、本发明中，同一台加热炉中电加热方式可以是一种，也可以是多种。

65、根据本发明，优选地，所述工艺物流为碳氢化合物、水、蒸汽和h2中的至少一种；优选地，加热过程中所述碳氢化合物的相态为液相、气相和固相中的至少一相。

66、本发明中，同一台加热炉中被加热的工艺物流可以是一种，也可以是多种。

67、与现有技术相比，本发明带来的有益效果在于：

68、根据本发明的一种加热炉，采用电能作为能源代替化石燃料，可解决温室气体co2及so2和nox等大气污染物排放问题，消除设备末端硫酸露点腐蚀问题。炉管首尾相接呈一定规律地排布在加热炉炉膛内，炉管外壁包覆的加热元件加热炉管内工艺物流，充分利用电能转化成热能，其热效率不低于90％，工艺物流在炉管内各方向受热均匀，炉管面积利用充分，可节省炉管材料；炉管横截面型式可多样化有利于强化传热；由于以热传导为主，辅以辐射、对流，因此炉膛的设计结构紧凑可节约占地；炉管材质打破传统金属材料的限制，选择热导率较高的非金属材料、碳或氮的金属化合物。加热元件为绝缘材料，其材质可根据炉管内工艺物流温位选择，选材呈现梯度，可节省高温位加热元件材料用量，加热元件内部的金属或合金电阻丝采用并联分组的形式对工艺物流供热，每组加热元件单独供电，显著提高工艺物流热负荷的操作弹性和适应性。

69、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种石化领域电加热工艺加热炉，其特征在于，包括：炉体、至少一组炉管、至少一个电加热元件和控制单元；

2.根据权利要求1所述的石化领域电加热工艺加热炉，其中，所述电加热元件的加热方式为电阻加热、感应加热、电热辐射加热、中间介质加热和电弧加热中的至少一种；优选地，所述电阻加热包括直接加热和/或间接加热。

3.根据权利要求1所述的石化领域电加热工艺加热炉，其中，所述电加热元件选自履带式加热片、薄膜式加热片、环状加热圈、电加热丝、粉态加热物和液态加热物中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的电加热工艺加热炉，其中，所述炉管在炉膛内的排布为水平布置或垂直布置；

5.根据权利要求1所述的电加热工艺加热炉，其中，每组炉管包括首尾相接的多段，所述炉管首尾相接后呈圆形、环形、多排多列顺排和插排中的至少一种；

6.根据权利要求1所述的电加热工艺加热炉，其中，所述炉管的材质为金属材料、非金属材料和金属化合物材料中的至少一种；

7.根据权利要求1所述的电加热工艺加热炉，其中，所述炉膛为密封炉膛，炉膛内充有中间介质；和/或，所述炉管及加热元件外部覆盖有保温隔热材料。

8.根据权利要求1所述的电加热工艺加热炉，其中，所述多个加热元件采用并联或串联、以分组的方式对炉管内工艺物流供热，每组加热元件单独供电，并设有独立的过热保护装置；

9.权利要求2-8中任意一项所述的电加热工艺加热炉，其中，所述电加热元件的加热方式为感应加热，所述加热炉为感应加热炉；

10.权利要求9所述的电加热工艺加热炉，其中，所述感应加热炉为立式方炉、立式圆炉或卧式圆炉；

技术总结
本发明属于石油化工领域，涉及一种电加热工艺加热炉。所述加热包括：炉体、至少一组炉管、至少一个电加热元件和控制单元；其中，所述炉体的内部空间形成炉膛，所述至少一组炉管排布在炉膛内，所述电加热元件包覆在炉管外壁，且由所述控制单元控制。本发明的加热炉采用电能作为能源代替化石燃料，可解决温室气体CO<subgt;2</subgt;及SO<subgt;2</subgt;和NO<subgt;X</subgt;等大气污染物排放问题，消除设备末端硫酸露点腐蚀问题。炉管首尾相接呈一定规律地排布在加热炉炉膛内，炉管外壁包覆的加热元件加热炉管内工艺物流，其热效率不低于90％，炉管面积利用充分，可节省炉管材料。炉管材质打破传统金属材料的限制，选择热导率较高的非金属材料、碳或氮的金属化合物。

技术研发人员：韩艳萍,韩健,刘涛,张伟乾,袁成志,李昊天,王海涛,蔡建光
受保护的技术使用者：中国石化工程建设有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5