双燃料气‑液燃烧器 【技术领域】
本发明涉及燃烧器的改进，例如在碳氢化合物的蒸汽裂化中用在高温炉中的燃烧器的改进。更具体地说，本发明涉及能够提供良好的燃烧效率、稳定的燃烧以及低烟灰产生的改进的双燃料(气体/非气态的)燃烧器。
背景技术
蒸汽裂化长期以来用于将各种碳氢化合物进料裂化成烯烃，优选地诸如乙烯、丙烯和丁烯的轻质烯烃。常规的蒸汽裂化利用具有两个主要部段的炉子：对流部段和辐射部段。碳氢化合物进料通常作为液体或气体进入炉子的对流部段，其中碳氢化合物进料通常通过与来自辐射部段的热废气的非直接接触以及与蒸汽的直接接触而被加热并且被汽化。然后，被汽化的进料和蒸汽的混合物引入在其中发生裂化的辐射部段。
常规的蒸汽裂化系统对于裂化高质量的进料是有效的，该进料包含大部分诸如石脑油的轻质、易挥发的碳氢化合物。但是，蒸汽裂化的经济性有时候偏重于裂化包含诸如常压渣油和原油的渣油的低成本进料。原油和常压渣油通常包含沸点超过590℃(1100°F)的高分子量、不挥发的成分。还有其它进料，例如产生大量焦油并且对于常规裂化系统有问题的瓦斯油和减压瓦斯油。裂化较重质的进料产生大量焦油。
在常规的化学制造过程中，蒸汽裂化器焦油通常是不希望的副产品。当产生大量的低价值蒸汽裂化器焦油时，精炼炉配置在将焦油混炼成重质燃料或其它低价值产品的位置。可选地，蒸汽裂化器焦油可以用作炼油厂的燃料，但是，其物理和化学性质使得它特别难以清洁且有效地燃烧。
用在大工业炉子中的燃烧器通常使用液体或气体燃料。液体燃料燃烧器通常在燃烧前将燃料与蒸汽混合以使燃料雾化，从而能够更完全地燃烧，并且在燃烧区将燃烧空气与燃料混合。
根据用于混合空气和燃料的方法，燃烧气体的燃烧器可以分为预先混合燃烧器或原料气燃烧器。它们在构造和所用的烧嘴的类型方面也不同。
原料气燃烧器直接将燃料喷入空气流中，使得燃料和空气的混合与燃烧同时发生。由于空气流不随着燃料流明显变化，自然通风燃烧器的配风器的设置在燃烧率改变之后必需改变。因此，如在美国专利4,257,763号中所说明的，频繁的调节可能是必要的，这个专利结合于此以共参考。此外，许多原料气燃烧器产生明亮的火焰。
预先混合燃烧器将燃料与一些或全部燃烧空气在燃烧前相混合。由于预先混合通过利用存在于燃料流中的能量来完成，空气流基本上与燃料流成比例。结果，因此，需要不太频繁的调节。预先混合燃料和空气还便于实现所希望的火焰特性。由于这些性质，预先混合燃烧器与各种蒸汽裂化炉构造相适应。
炉底燃烧的预先混合燃烧器用在许多蒸汽裂化器和蒸汽重整器中，主要是由于它们能够在这些炉子的高的辐射部段中产生比较均匀的热分布剖面。火焰是不明亮的，使炉壁温度容易监测。因此，预先混合燃烧器是这种炉子选择的燃烧器。预先混合燃烧器也能够设计成用于其它类型的炉子中需要的特定的热分布剖面或火焰形状。
用于燃烧气体的工业炉子的大多数近来的燃烧器设计基于在单个燃烧器中使用多个燃料射流。这种燃烧器可以用燃料分级、废气再循环或两者的组合。某些燃烧器可以在单个燃烧器中具有多到8至12个燃料喷嘴。大量燃料喷嘴要求利用非常小的喷嘴直径。此外，这种燃烧器的燃料喷嘴通常暴露在燃烧室中的高温废气中。
由于近年来关心减少污染物的排放和改进用在大型炉子和锅炉中的燃烧器的效率，燃烧器的设计有了明显的改进。工业上广泛接受的一种用于减少排放的方法就是通常所说的分级法。通过分级，初级火焰区或者空气不足(富燃料)或者燃料不足(贫燃料)。在次级火焰区或者在燃烧室的别的地方将平衡的空气或燃料喷入燃烧器中。燃烧分级导致减少初级火焰区的峰值温度并且已经发现以减少NO
X的方式改变燃烧速度。但是，这必需与辐射热传递随着火焰温度降低而减少这样的事实平衡，同时CO排放、不完全燃烧的指标可能实际增加。
在预先混合燃烧器的范围内，术语“初级空气”是指与燃料预先混合的空气；“次级空气”以及在一些情况下“三级空气”是指为了合适的燃烧所需要的平衡空气。在原料气燃烧器中，初级空气是指与燃料更加密切相关的空气；次级和三级空气是与燃料的相关性更远的空气。可燃性的上限是指火焰能够通过其蔓延的包含最大燃料浓度(富燃料)的混合物。
美国专利2,813,578号(其整个内容结合于此以供参考)提出一种重质液体燃料燃烧器，其在燃烧之前将燃料与蒸汽相混合以用于吸入。燃料和蒸汽的吸入效应将热炉气抽吸到管道中并抽吸到燃烧炉体中，以帮助加热燃烧炉体以及通过炉体中的孔的燃料和蒸汽。这种布置据说对于汽化液体燃料和减少在燃烧炉体上的焦炭沉淀是有效的，并且还防止油的滴落。
美国专利2,918,117号提出一种重质液体燃料燃烧器，其包括文丘里管，以将燃烧产物抽吸到初级空气中以加热进入的空气流，因此使燃料完全汽化。
美国专利4,230,445号(其整个内容结合于此以供参考)提出一种液体燃料燃烧器，其通过经由几个通道提供废气/空气混合物减少NO
X排放。废气通过利用鼓风机从燃烧室抽吸。
美国专利4,575,332号(其整个内容结合于此以供参考)提出一种具有油喷管和燃气喷管两者的燃烧器，其中通过间断地将燃烧空气混合到燃油或燃气火焰中以使燃烧减速并降低火焰的温度而减少NO
X排放。
美国专利4,629,413号提出一种低NO
X预先混合燃烧器，并且讨论了预先混合燃烧器的优点和减少NO
X排放的方法。美国专利4,629,413号的预先混合燃烧器据说通过使次级空气和火焰延迟混合，并且使一些冷却的废气能够与次级空气再循环来降低NO
X排放。美国专利4,629,413号的内容整个地结合于此以供参考。
美国专利5,092,761号提出通过再循环废气从预先混合燃烧器减少NO
X排放的方法和设备。废气利用燃料气体和燃烧空气通过喷烧管的文丘里管部分的吸入效应从炉子经由循环管道吸进。进入初级空气室的空气流由风门控制，并且，如果风门部分地关闭，空气室中的压力的减少使废气能够从炉子经由再循环管道吸进，并且进入初级空气室。然后，废气在燃烧之前在初级空气室中与燃烧空气混合，以稀释燃烧空气中氧气的浓度，这降低火焰的温度并且因而减少NO
X排放。废气再循环系统可以更新装进现有的燃烧器中，或者可以包括在新的低NO
X燃烧器中。美国专利5,092,761号的整个内容结合于此以供参考。
美国专利5,516,279号提出一种含氧燃料燃烧器系统，用于交替地或同时地燃烧气态或液体燃料。这里提出使用从含氧燃料燃烧器发出的气态燃料射流，该气体燃料射流或者由于氧气喷管而下冲，或者夹在由两个辅助氧化剂射流产生的氧化剂射流之间，氧化剂射流优选由氧气形成。提出一种可促动的第二燃料喷嘴用于产生由液体燃料构成的第二燃料射流，该第二燃料射流以小于20°的角度成角度地朝向氧化剂射流。当使用液体燃料时，提出气态燃料被关闭并且液体燃料被打开，反之亦然，或者两者能够同时工作，其中氧化剂为两种燃料流供氧。
美国专利6,877,980号(其公开的整个内容结合于此以供参考)提出一种用于例如蒸汽裂化方面的炉子的燃烧器。该燃烧器包括初级空气室、具有上游端、下游端和在所述上游端和下游端中间的文丘里管的喷烧管，所述文丘里管包括：具有基本恒定内截面尺寸的喉部，使得长度对所述喉部的最大内截面尺寸之比至少为3；靠近炉子中的第一开口安装在所述喷烧管下游端上的烧嘴，以便燃料的燃烧发生在所述烧嘴的下游；以及设置在靠近所述喷烧管的上游端附近的燃料喷射孔，用于将燃料引入所述喷烧管中。
DE4306980公开了一种多燃料燃烧器，其用于部分氧化承载在流态化气体中的尘状燃料。
US3242966公开了一种气体和油燃烧的燃烧器，其使用初级和次级空气的多级燃烧。
NL1011814公开了一种气‑油燃烧器，其带有围绕中心气体燃烧器装置径向设置的油喷射喷嘴。
尽管单燃料燃烧器广泛使用，但是对同时使用气体和液体燃料的双燃料燃烧器相当感兴趣。通过利用双燃料燃烧器能够获得各种好处。例如，在许多情况下，这些燃烧器能够设计成允许或者两种燃料燃烧或者只有气体燃料燃烧，因此提供燃料选择的灵活性。当设计双燃料燃烧器时常规的知识是将大量空气提供给液体燃料火焰以努力实现高效率的燃烧，产生最少的碳和烟灰。这些燃烧器通常具有完全分开的气体和液体火焰，因为认为气态火焰具有高燃烧率，这将用完大多数氧，因此夺去液体燃料进行高效燃烧所需要的氧。
正如可以理解的，用于双燃料燃烧器中的一种可能的燃料是蒸汽裂化器焦油。蒸汽裂化器焦油通常具有非常低的粉尘含量，这将有助于使从火焰中最终产生的颗粒量最少。但是，当蒸汽裂化器焦油在常规的双燃料燃烧器中燃烧时，特别是在过度富含空气的环境下燃烧时需要关注。
第一，如果使用太多的空气，燃烧器中的燃烧温度可能变得太低。在这种情况下，燃烧效率降低并且燃烧器产生的碳将增加。第二，火焰稳定性将成为问题，原因在于火焰可能在完全或接近完全燃烧到严重不完全燃烧之间波动。不完全燃烧的结果是燃烧器将产生大量烟灰。
尽管本领域中存在这些进步，但是仍然需要气态/非气态双燃料燃烧器，其具有燃料选择的灵活性，并且具有良好的燃烧效率，具有稳定的火焰并且具有低烟灰产生特性。
【发明内容】
本发明提供一种具有用于在炉子中燃烧气态和非气态燃料的双燃料燃烧器的蒸汽裂化炉子，所述燃烧器包括：
(a)用于初级空气的室；
(b)具有上游端和下游端以及中间文丘里管部分的喷烧管；
(c)邻近所述喷烧管的上游端设置的燃料喷射孔，用于将气态燃料引进所述喷烧管中；
(d)安装在所述喷烧管的下游端从而邻近炉子中的第一开口设置并具有外径的烧嘴，以便气态燃料与初级空气的燃烧发生在所述烧嘴的下游；以及
(i)至少一个通道，其具有位于炉子的第二开口处的第一端，和邻近所述喷烧管的上游端的第二端，所述第一端与所述第一开口间隔开一有效距离，用于使燃烧器的火焰到所述第二开口的吸入最小化；和
(ii)用于响应由从上游端朝着下游端流过所述喷烧管的未燃烧的燃料形成的吸入效应，通过所述至少一个通道从所述炉子吸进废气的装置；
(e)用于供给非气态燃料的多个非气态燃料喷枪，所述多个非气态燃料喷枪设置成供给有非气态燃料流和一雾化流，所述雾化流足以与非气态燃料混合并使非气态燃料雾化，所述燃料喷枪具有至少一个燃料排放喷射孔，用于在所述排放喷射孔的下游燃烧非气态燃料；
其中所述非气态燃料喷枪在径向上定位在所述烧嘴的所述外径之外，使得由非气态燃料的燃烧发出的火焰与由气态燃料的燃烧发出的火焰以平行的方式大体排列，并且气态燃料的燃烧增强非气态燃料的汽化并稳定非气态燃料的燃烧。
本发明还提供一种在炉子的燃烧器内燃烧非气态燃料和气态燃料的方法。该方法包括在气态燃料火焰和一部分非气态燃料之间进行热交换，以增强非气态燃料的汽化并且稳定非气态燃料的燃烧；并且将非气态燃料提供成在径向上定位在第一燃烧地点之外，使得从非气态燃料的燃烧发出的火焰与从气体燃料燃烧发出的火焰以平行的方式大致排列。
这里公开的燃烧器提供具有良好的火焰稳定性、低烟灰产生以及良好的燃烧效率的燃烧器结构。
从下面参考附图的详细的描述中这里公开的燃烧器的若干特征将变得很明白。
【附图说明】
在下面参考附图的描述中将进一步说明本发明，附图以非限制的方式图示本发明的各种实施例，其中：
图1示出本发明的燃烧器的局部剖视图；
图2是以沿着图1的线2‑2截取的局部剖视图；
图3是沿着图1的线3‑3截取的俯视图；
图4是用于本发明的燃烧器中的燃料喷枪的剖视图。
【具体实施方式】
虽然本发明将就用于炉子或工业炉子的燃烧器进行描述，但是本领域的技术人员应当明白，本发明的教导对于例如锅炉的其他处理部件也具有适用性。因此，这里的术语“炉子”应当理解为意指炉子、锅炉和其它适用的处理部件。
参考图1至图4，燃烧器10包括设置在炉底14的井中的独立式喷烧管12。该喷烧管12包括上游端16、下游端18以及文丘里管部分19。烧嘴20设置在下游端18并且被环形耐火砖22围绕。可以设置在气体燃料接管24内的气体燃料喷射孔11设置在气体燃料竖管65的顶端并且设置在喷烧管12的上游端16，并且将气体燃料引入喷烧管12中。新鲜空气或周围空气通过可调节的风门37b引进初级空气室26中，在喷烧管12的上游端16与气体燃料相混合，并且向上通过文丘里管部分19。燃料和新鲜空气的燃烧发生在烧嘴20的下游。
如图1、图2和图3所示，多个分级的空气端口30起源于次级空气室32，并且通过炉底14进入炉子。新鲜空气或周围空气通过可调节的风门34进入次级空气室32，并且通过分级的空气端口30进入炉子，以提供次级或分级燃烧。
除了通过气体燃料接管24提供并且在烧嘴20处燃烧的气体燃料之外，非气态燃料也可以由燃烧器10燃烧。为了提供这种能力，一个或更多个非气态燃料喷枪200设置在燃烧器10的环形耐火砖22内。合适的非气态燃料源以举例的方式包括，但不限于，蒸汽裂化器焦油、催化裂化装置残渣、减压渣油、常压渣油、脱沥青油、树脂、焦化装置油、重质粗柴油、页岩油、焦油砂、或来自焦油砂的合成原油、蒸馏渣油、煤焦油、沥青以及其他重质石油部分。其它感兴趣的燃料包括热解燃料油(PFO)、直馏石脑油、催化石脑油、蒸汽裂化石脑油以及戊烷。
参考图4，每个非气态燃料喷枪200可以由非气态燃料管线216供料，非气态燃料通过非气态燃料管线216流动。设置具喷射孔(未示出)的非气态燃料接管212以帮助控制非气态燃料的流量。非气态燃料经由非气态燃料入口202提供给每个非气态燃料管线216，优选地，非气态燃料入口202设置在炉底下面，如图2所示。
正如将会更加明白的，本发明的燃烧器可以只用气态燃料或者同时用气态和非气态燃料两者工作。当以双燃料(气态/非气态)模式工作时，燃烧器可以设计并设置成使得非气态燃料的燃烧产生从约0到约50％的整个燃烧器的热量释放。而且，燃烧器可以设计并设置成使得非气态燃料的燃烧产生从约0到约37％的燃烧器的热量释放。还有，燃烧器可以设计并设置成使得非气态燃料的燃烧产生从约0到约25％的燃烧器的热量释放。当以双燃料模式工作，其中非气态燃料的燃烧产生约50％的整个燃烧器的热量释放时，发现在燃烧器底部的温度可以达到不希望地高的程度。
参考图4，根据本发明的优选形式，当非气态燃料在从一个或更多个非气态燃料喷枪200离开时被雾化。设置流体雾化器220以使非气态燃料雾化。诸如蒸汽的流体通过入口222进入雾化器管线224。雾化器包括多个压力射流孔226，通过压力射流孔226供给雾化的流体。雾化器流体和燃料在部分218内混合并且通过多个喷射孔214排出。雾化的流体和非气态燃料通过末端部分210经由至少一个燃料排放喷射孔204排放。所示类型的合适的燃料喷枪可以从俄克拉荷马州Tulsa市的Callidus Technologies，LLC买到，其它合格的种类可以从其它工业来源得到。
本发明的各种实施例是可能的。在一个实施例中，非气态燃料排放末端部分210的至少一个燃料排放喷射孔204可以是单个孔，设置成以便与气体火焰的中心线和喷烧管12的延伸的中心线平行。在可选实施例中，特别希望将该至少一个非气态燃料喷枪200的至少一个非气态燃料排放喷射孔204构造成使得非气态燃料平行于喷烧管12的延伸的中心线喷射，并且，选择性地，在燃烧之前相切于气态燃料火焰。以非常接近高温气体火焰的方式排放非气态燃料有利地允许非气态燃料很好地汽化，并且被位于紧密靠近它的强烈的气体燃料火焰所稳定，从而允许稳定的高效的非气态燃料燃烧。这也将导致减少烟尘的产生。结果，通常与不完全燃烧相关的问题被最小化甚至消除。
再参考图3，空气流过空气间隙230。用于非气态燃料火焰的空气量通过改变围绕非气态燃料烧嘴的空气间隙230并通过调节进入燃烧器的次级燃烧器炉膛的空气流率能够从亚理想配比到极好的理想配比变化。有利的是，周边耐火砖22和每个非气态燃料喷枪200之间的每个间隙230的尺寸做成使得空气流被控制以便防止进入的空气延迟非气态燃料的汽化。结果，能够消除通常与不完全燃烧有关的问题。本发明的燃烧器可以只用气体燃料或者同时用气体和非气态燃料两者工作。
再次参考图1至图3，本发明的可选实施例也可以与双燃料实施方式一起采用废气再循环。为了将来自炉子的废气再循环到初级空气室，FGR导管76从炉底中的开口40延伸到初级空气室26中。可选地，可以用多个通道(未示出)代替单个通道。废气通过经过喷烧管12的文丘里管19的气体燃料的吸入效应经由FGR导管76吸进。以这种方式，初级空气和废气在初级空气室26相混合，初级空气室26在燃烧区之前。因此，与燃料混合的惰性材料的量增加，因而降低火焰温度，结果，减少NO
X排放。关闭或部分关闭风门37b限制能够被吸进初级空气室26的新鲜空气的量并且因而提供从炉底吸进废气所需的真空度。
选择性地，通过提供两个或更多个伸进FGR导管76中的初级空气通道37和38能够促进混合。通道37和38是圆锥形截面、圆柱形或方形，并且每个通道37和38之间的间隙在FGR导管76中产生紊流区，在紊流区能够产生很好的废气与空气的混合。
通道37和38的几何形状设计成通过增加进入FGR导管76中的空气动量促进混合。通过将初级空气通道37和38的总流动面积减少到仍然允许得到足够的用于燃烧的初级空气的程度使空气的速度最佳化，本领域的技术人员通过常规实验能够确定。
通过在FGR导管76内壁的下端提供板部件83能够进一步增强混合。该板部件83延伸进入初级空气室26中。通过围绕板的废气和空气的混合物的流动形成流动涡旋。流动涡旋提供废气和空气的进一步混合。板部件83也使FGR导管76有效地加长，并且较长的FGR导管也促进更好的混合。
由通道37和38以及板部件83引起的再循环废气和初级空气之间的混合量的改进导致燃烧器的较高的容量以在文丘里管部分19里面吸入废气再循环以及更均匀的混合物。较高的废气再循环通过给燃烧所释放的能量提供散热降低整个火焰的温度。在文丘里管部分19里面更好的混合往往减少作为局部高氧区的结果引起的过热点。
未混合的低温周围空气(初级空气)通过成角度的通道37和38引进，通道37和38均具有第一端和第二端，第一端包括由风门37b控制的喷射孔37a和38a，第二端包括与FGR导管76连通的喷射孔。这样引进的周围空气与再循环的废气在FGR导管76中直接混合。初级空气通过经过燃料喷射孔的气体燃料的吸入效应经由通道37和38吸进，燃料喷射孔可以包含在气体燃料接管24内。周围空气可以是上面所述的新鲜空气。
有利的是，由从约20％到约80％的废气和从约20％到约80％周围空气构成的混合物通过FGR导管76被吸进。特别优选地，采用约50％的废气和约50％的周围空气的混合物。
在操作中，可以设置在气体燃料接管24中的燃料喷射孔11将气体燃料排放到喷烧管12中，在这里与初级空气、再循环废气或其混合物相混合。然后，燃料、再循环废气和初级空气的混合物从烧嘴20排放。喷烧管12的文丘里管部分19中的混合物保持在富燃料可燃性限度以下，即，在文丘里管中没有足够的氧气支持燃烧。添加次级空气以提供用于燃烧所需的空气的剩余部分。
FGR导管76的截面可以设计成以便大体是矩形，通常其较小尺寸在较大尺寸的30％到100％的范围内。通常FGR导管76的截面积在从约5平方英寸到约12平方英寸/百万(MM)Btu/hr燃烧器容量的范围内，在实际的实施例中，从约34平方英寸到约60平方英寸。以这种方式，每MM Btu/hr燃烧器容量，FGR导管76能够容纳每小时至少100磅的质量流量。优选，每MM Btu/hr燃烧器容量每小时至少130磅，更优选，每MM Btu/hr燃烧器容量每小时至少200磅。而且，能够实现大于10％和高至15％或甚至高至20％的FGR比例。
下面将参考图1至图3描述另一个可选实施例。设置壁60以环绕安装在喷烧管12的下游端18上的烧嘴20，以在烧嘴20下游的火焰基部与炉子内的FGR导管76和一个或更多个空气端口30两者之间提供屏障。正如通过参考图3可以理解的，每个燃料喷枪200将位于由壁60围绕的区域内，壁60还用来稳定每个火焰。两种结构中的任何一种结构能够提供很好的性能。
有利的是，这里公开的燃烧器可以在废气中包含约2％的氧(约10％至约12％过量的空气)的条件下工作。除了利用废气作为稀释剂之外，通过稀释实现较低的火焰温度的另一种技术是通过利用蒸汽喷射。蒸汽能够喷射在初级空气或次级空气室中。如图1所示，蒸汽可以通过一个或更多个蒸汽喷射管15喷射。优选地，蒸汽在文丘里管的上游喷射。
虽然已经参考具体的装置、材料和实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的具体细节，而是可以延伸到权利要求范围内的等同物。