燃烧器技术领域
本发明涉及一种用于催化反应器的燃烧器，特别是用于二段转化炉的燃烧器。
背景技术
用于反应物的燃烧的燃烧器主要用于需要具有高燃烧强度的稳定火焰的气体燃料工业炉和过程加热器的焚烧。此燃烧器包括由氧化剂供应端口包绕的具有用于燃料供应的中心管的燃烧器管。燃烧区中的燃料和氧化剂的加强的混合通过使氧化剂穿过安装在燃烧器处面对中心管的旋流器来实现。因此，给予氧化剂流旋流动，这提供了燃烧产物的高度的内部和外部的再循环和高燃烧强度。
更具体而言，用于二段转化炉中的燃烧器包括氨设备中的燃烧器，其中来自管状转化器的甲烷转化反应经由将氧化剂(即，空气)引入用于反应器的过程流来在二段转化炉中继续，因此增加了氮用于下游氨环，且通过氧含量的燃烧升高了发生在二段转化炉催化剂床中的转化过程的温度。对于此应用，常规的燃烧器为喷嘴环燃烧器。喷嘴环类型的燃烧器配备有安装在各个空气分送孔上的特别设计的喷嘴，且试图实现燃烧器喷嘴处的混合、燃烧器的低金属温度、催化剂床入口处的相等气体温度分布，以及保护耐火衬层免于热的焰心。过程气体仅一部分在二段转化炉中燃烧，而其余部分进一步流至催化剂床和蒸汽转化反应。
二段转化炉中的催化剂床以穿孔的耐火砖覆盖，以便保持催化剂就位。二段转化炉中很高的温度引起耐火砖通过蒸发缓慢失去材料，且该材料随后通过在下方的催化剂床中冷凝来沉积，其中温度由于这里发生的耗热蒸汽转化反应而下降。不需要的结果在于催化剂床压降增大，这最终可导致设备停机以除去沉积的材料。
燃烧器的设计对于通过上述机构最小化催化剂床压降增大的问题很重要。过程气体接触氧化剂气体的温度可局部地升高到2500℃以上，且很重要的是在过程气体与氧化剂气体之间的初始接触的点/或多个点下游具有良好混合。理想的是，所有过程气体和燃烧过程气体混合成一种混合物，其在全部气流到达耐火砖层之前具有(最低可能)一致的温度。该情形将给予从耐火砖到催化剂床的最低可能的材料输送。相比之下，当未完全混合的气流到达砖时，将存在处于比一致温度低的温度下的区域和比一致温度高的温度的区域。相比于一致温度的情形，具有非均匀温度的情形引起从砖的更高的材料损失，因为输送机构通过升高温度急剧地加速，且来自热区域的增大的材料损失因此远超过来自冷区域的减小材料损失。
氧化剂气体侧和过程气体侧两者上的燃烧器上的压降的减小通常是有益的。当压降减小时，其意味着如果压缩阶段是设备的瓶颈，则可增大最高流速。一些氨设备以最大量运转其氧化剂气体压缩机，且减小的氧化剂气体侧压降意味着更多氧化剂气体可供应至过程气流。过程气流可类似地增大以保持氮与氢之间的比率恒定，且效果在于增大氨产量。如果流增大无价值，则减小压降在大多数情况下将意味着涉及到所需压缩能量减少的成本降低。
美国专利第5496170号中公开了一种用于小规模和中等规模应用的旋流燃烧器，其具有朝燃烧器面基本上减少的燃烧产物内部再循环。该专利中公开的燃烧器设计通过向燃烧器提供具有沿燃烧区的轴线集中的总体流动方向的氧化剂旋流且同时朝同一轴线引导过程气流而导致了具有高燃烧强度且没有热燃烧产物的不利的内部再循环的稳定火焰。公开的旋流燃烧器包括燃烧管和与燃烧管同心且间隔开的中心氧化剂供应管，从而限定了管之间的环形过程气体通道，氧化剂供应管和过程气体通道具有单独的入口端和单独的出口端。U形氧化剂和燃料气体喷射器布置成在燃烧器面处同轴。燃烧器还配备有带在氧化剂喷射器内延伸的静止旋流器叶片的阻流体。旋流器叶片安装在其上游端与其下游端之间的阻流体上，且延伸至氧化剂喷射室的表面。
US2002086257公开了一种具有燃烧器管的旋流燃烧器，其包括中心氧化剂供应管和外同心燃料供应管，氧化剂供应管设有同心圆柱形引导本体，其具有静止旋流器叶片和中心同心圆柱形开孔，从引导本体的外表面延伸至氧化剂供应管的内表面的旋流器叶片在氧化剂供应管的下部处同心地布置在引导本体与内壁之间的空间内。
EP0685685描述了一种气体喷射器喷嘴，其包括排放室，排放室具有圆柱形内壁，且具有在其出口端处的圆形气体排放孔口、同心地包绕内壁的外壁，外壁沿着室出口端处的区域处的连续弯曲的通路，且在排放孔口处与内壁连结尖锐边缘，其中弯曲通路具有特定的曲率半径。
尽管上述努力克服了涉及燃烧器的所述问题，但已认为已知技术设计的燃烧器在操作状态特别有挑战的情况下将受到挑战。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于获得燃烧器设计，其克服上述问题。
因此，本发明是根据权利要求的实施例的燃烧器，其包括以下优点。
氧化剂气体的低压降，这通过氧化剂气体侧上的低流速；通过氧化剂气体不会产生转向；用于穿过相同长度的直管的所有氧化剂气体支流的类似流动通路。
低过程气体压降，同时有效产生塞流，在一个实施例中通过相比于一个穿孔板具有减小的壁泄漏的两个穿孔板。
以上两者，同时实现具有穿过反应器的耐火砖层的相当一致的温度的总体目标。
过程气体和氧化剂气体的成功混合通过两条路线中的一者实现。一个途径在于花费大量能量来产生显著的湍流，由此氧化剂气流在短流动通路的过程中(在过程气体穿过耐火砖之前在有限空间中)有效地混合到过程气流中。该途径的实例在使用静止混合器、旋流器、喷射器或简单为显著增大流速的区域的设计中看到。
另一途径在于将较小的氧化剂气流细分成许多子流，且将这些以良好分配的方式供应到过程气流截面的各处。氧化剂气体的各个小支流混合到周围的过程气流中。氧化剂气体和过程气体的量以相同方式在整个截面各处平衡，这导致了到处都相同的温度。实现此细分氧化剂气流完全混合到周围的过程气体中的所需流动通路长度在支流数目增大时变得较小。这是需要接触且燃烧/混合的氧化剂气体与过程气体之间的减小距离(垂直于流动方向)的自然结果。
本发明落入了所述上文中的第二类，因为我们试图在耐火砖的水平处具有一致的温度，同时在压降方面付出最小的代价。
本发明包括连接至进入的氧化剂气体管的一定数目的直的氧化剂气体管。这些氧化剂气体管的流出物分配在截面上，以匹配过程气体塞流。花费了很小的氧化剂气体压降，因为管是直的，且平行于进入的管，且因为管中的氧化剂气体速度保持相当低。各个氧化剂气体管配备有形成为具有在其开口处的椭圆或平截面的特殊喷嘴。这很重要以便减小下游混合长度，因为平射流比圆形射流更有效地混合到过程气流中。喷嘴的定向(它们非旋转对称)选择成以便与位置组合的氧化剂气体的形状如之前所述那样匹配截面上的各处的过程气流的量。
对于设计氧化剂气体喷嘴的布局的先决条件是知道截面上的过程气流，因为这需要用以局部地平衡氧化剂气体和过程气体的量。理想的是在过程气体侧上产生塞流状态，以便流速在截面各处恒定。尽管这使得更容易布局氧化剂气体喷嘴(基本上氧化剂气体管应当然后仅为几何上均匀分布的)，但截面上的最大流速变为最低可能。该情形远离(最大裕度)氧化剂气体管喷嘴附近具有再循环的区域(回流)的关键情形。接近氧化剂气体喷射且开始燃烧处的喷嘴的再循环或回流可导致金属喷嘴附近的很高温度，引起它们熔化或否则碎裂。
大多数二段转化炉的过程气体入口来自一侧，且在二段转化炉的颈部中产生向下游流动的塞流需要的特殊器件。本发明使用两个穿孔板来替代具有一个穿孔板的普通解决方案。这用于产生过程气体的更好流动分布，同时相比于使用一个穿孔板的普通解决方案花费更少的压降。此外，燃烧器安装在耐火衬里容器中，所以穿孔板与耐火壁之间的很小空隙不实际，因为耐火部分上的尺寸公差很大。我们必须接受壁处的较大空隙，但这意味着这里的泄漏流，这是不需要的，因为这不符合产生塞流。该不期望的效果在两个穿孔板串联使用时相比于仅使用一个穿孔板时变得较不严重，具有串联布置的各个穿孔板的压降两倍。
用于实现过程气体塞流的显著技术在于具有长的氧化剂气体管，且允许过程气体流入它们之间可用的空间中，同时过程气体整流成塞流形式。
本发明的第一方面为一种燃烧器，其适用于催化反应器，但其还可用于其它化学反应器。燃烧器包括氧化剂气体入口。氧化剂可为空气。一个以上的氧化剂气体入口可使用，但优选一个以降低成本和压降。氧化剂气体入口可包括进入催化反应器的管，在一个实施例中，在反应器本体的顶部。多个氧化剂气体管在其上游端处连接至氧化剂气体入口。在一个实施例中，管连接至单管的下游端更下方，其包括氧化剂气体入口。氧化剂喷嘴位于各个管的下游端上。燃烧器还包括过程气体入口。在一个实施例中，过程气体入口还可包括单个管，其在一个实施例中可位于反应器的顶部的一侧处。氧化剂气体管布置成在相邻管的下游端之间具有充分的间距，以确保过程气体可在与氧化剂喷嘴下游的氧化剂气体混合之前在管之间流动。各个氧化剂气体管的长度为管的内径的至少五倍。
在本发明的实施例中，多个氧化剂喷嘴具有非圆形的出口开口截面。相比于圆形出口开口，非圆形出口开口改善氧化剂气体与过程气体的混合。在本发明的特定实施例中，氧化剂喷嘴具有椭圆形出口开口截面。非圆形开口可通过从至少两个相对侧压制管的出口开口以实现塑性变形来提供。
在本发明的实施例中，反应器中的气流通过在不同的非平行方向上定向来自燃烧器的出口氧化剂气流来优化。以此方式，氧化剂气体以及与氧化剂气体混合的过程气体的气流可适于燃烧器下游的反应器的形状和体积。
为了进一步加强氧化剂气体和过程气体的混合，至少一个(优选两个)穿孔板位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间。这朝塞流的理想情况平衡了穿过燃烧器的截面的过程气流。通过具有一个以上的穿孔板，这通过燃烧器的过程气体侧上的最小压力损失且因此还使旁通过程流最小化来实现，旁通过程流由于尺寸公差可出现在穿孔板的外径与反应器壁的内径之间。
在本发明的实施例中，为了确保过程气体的均匀流动分布，两个穿孔板之间的距离为穿孔板的直径的至少四分之一。以此方式，相比于它们覆盖的面积，对于两个穿孔板之间的距离确保了最小长度与面积比。穿孔板可没有相同的直径；在此情况下，两个穿孔板之间的距离应当为最小穿孔板的直径的至少一半，这实际上通常将为最接近过程气体入口的穿孔板。
在本发明的另一个实施例中，氧化剂气体管布置成具有氧化剂流动方向，其与氧化剂气体入口的流动方向成小于45°，作为优选，氧化剂气体管的上游端具有氧化剂气流方向，其与氧化剂气体入口中的氧化剂气流方向成小于10°。
在本发明的实施例中，通过具有3个或3个以上的氧化剂气体管，且在另一个实施例中，通过具有带至少20mm的长度来确保用于氧化剂气体管之间的过程气体的分布的足够下游空间的氧化剂气体管，提供了氧化剂气体管(且因此氧化剂喷嘴下游的氧化剂和过程气体的高度混合)之间的过程气流的均匀分布。
本发明的第二方面为用于在催化反应器中燃烧过程气体的方法。两股气流提供至安装在反应器中的燃烧器，例如，反应的顶部中。第一流包括氧化剂；这提供至燃烧器的氧化剂气体入口；第二流包括提供至燃烧器的过程气体入口的过程气体。第一流从氧化剂气体入口流过多个氧化剂气体管，其在其上游端处连接至氧化剂气体入口，提供了从氧化剂气体入口且穿过各个管的气流通路。氧化剂气体进一步流过管直至且穿出布置在管的下游端处的氧化剂喷嘴。喷嘴具有非圆形出口，其给予离开喷嘴的氧化剂气体"扁平"截面，且因此给予相比于如果流出的氧化剂气体的截面为圆形(这加强与过程气体的混合)情况下更高的表面与截面面积比。喷嘴可为连接至管的单独的单元，或它们可为已制造成非圆形的管的端部。第二气流从过程气体入口进一步流入燃烧器，在该处，其均匀地分配至燃烧器的整个截面。这是可能的，因为管布置成在它们之间具有足够的间距，且具体是在相邻的管的下游端之间，以允许和确保管之间的第二流流动。在燃烧器下游，当第二流已穿过燃烧器的截面均匀地分配时，第二流穿过喷嘴的出口开口，且第一流和第二流混合。
在本发明的第二方面的另一个实施例中，第二流穿过至少两个穿孔板，其位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间。第二流因此在短距离内更有效地均匀分配到燃烧器的整个截面上，这节省了空间和材料成本。
在本发明的另一个方面中，如上文所述的燃烧器用于在化学反应器中执行催化过程。在本发明的此第三方面的又一个更具体的实施例中，化学反应器为氨设备中的二段转化炉。
发明特征
1.用于催化反应器的燃烧器，包括氧化剂气体入口、过程气体入口、在其上游端处连接至氧化剂气体入口的多个氧化剂气体管，以及各个管下游端处的氧化剂喷嘴，其中管布置成具有相邻管的下游端之间的充分间距，以确保过程气体在与氧化剂气体混合之前在管之间流动，各个管的长度为管的内径的至少五倍。
2.根据特征1的燃烧器，其中多个氧化剂喷嘴具有非圆形出口开口截面。
3.根据特征2的燃烧器，其中所述非圆形出口开口截面为椭圆形。
4.根据特征2的燃烧器，其中所述氧化剂喷嘴非圆形出口开口截面通过从至少两个相对侧压制管的出口直到实现所述管的塑性变形来实现。
5.根据前述特征中的任一项的燃烧器，其中各个氧化剂喷嘴的定向限定氧化剂气体出口方向，且其中至少两个氧化剂喷嘴的出口方向不平行。
6.根据前述特征中的任一项的燃烧器，其中至少一个穿孔板位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间，从而平衡穿过燃烧器的截面的过程气流。
7.根据特征6的燃烧器，其中两个穿孔板位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间，因此朝塞流平衡穿过燃烧器的截面的过程气流，但使由穿孔板引起的压力损失最小化。
8.根据特征7的燃烧器，其中两个穿孔板之间的距离为位于最接近过程气体入口的穿孔板的直径的至少四分之一。
9.根据前述特征中的任一项的燃烧器，其中氧化剂气体管布置成使得氧化剂气体管中的流动方向与氧化剂气体入口中的流动方向成小于45°的角。
10.根据前述特征中的任一项的燃烧器，其中氧化剂气体管的数目为3个或3个以上。
11.根据特征6-10中任一项的燃烧器，其中至少一个穿孔板具有在所述穿孔板的截面面积上均匀分布的穿孔，从而提供所述截面面积上的平衡的压降。
12.根据特征6-10中任一项的燃烧器，其中至少一个穿孔板具有穿孔，其适于根据所述穿孔板上方的过程气流和压力分布，通过穿孔的分布或穿孔的尺寸变化来在所述穿孔板的截面面积上提供平衡压降。
13.根据特征6-12中任一项的燃烧器，其中至少一个穿孔板具有穿孔，其为带至少4mm，优选至少12mm的直径的圆孔。
14.根据前述特征中任一项的燃烧器，其中氧化剂气体管的长度为至少20mm。
15.一种在催化反应器中燃烧过程气体的方法，包括以下步骤：
将包括氧化剂的第一流提供至安装在催化反应器中的燃烧器的氧化剂气体入口，
将包括过程气体的第二流提供至燃烧器的过程气体入口，
使来自氧化剂气体入口的第一流流过在其上游端处连接至氧化剂气体入口的多个氧化剂气体管和流过布置在各个管的下游端处的具有非圆形出口开口截面的氧化剂喷嘴，
使来自过程气体入口的第二流在管之间流动，管布置成具有相邻管的下游端之间的足够间距，以确保第二流可在管之间流动，
在氧化剂喷嘴的出口下游的区中混合第一流和第二流。
16.根据特征15的用于在催化反应器中燃烧过程气体的方法，还包括中间步骤：使第二流流过位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间的至少两个穿孔板，从而平衡穿过燃烧器的截面的第二流的流动。
17.根据特征14中任一项的燃烧器用于在化学反应器中执行催化过程的用途。
18.根据特征1-14中任一项的燃烧器用于氨设备中的二段转化炉的用途。
位置标号
01.燃烧器。
02.催化反应器。
03.氧化剂气体入口。
04.过程气体入口。
05.氧化剂气体管。
06.氧化剂喷嘴。
07.穿孔板。
具体实施方式
图1示出了燃烧器01的截面侧视图。其安装在催化反应器02的顶部中，反应器02为圆柱形且在顶部区段具有减小的直径。
氧化剂气体经由氧化剂气体入口03进入燃烧器，中心的单管安装在反应器的最顶部中。穿过氧化剂气体入口，氧化剂气体经由多个氧化剂气体管05进一步向下流动，管05在其上游端处连接至构成氧化剂气体入口的中心管的下游端。如附图上可见，多个氧化剂气体管中的各个中的氧化剂气体的流动方向与中心氧化剂气体入口管中的氧化剂气体的流动方向基本上相同。这需要燃烧器的氧化剂气体侧上的低压降。
相邻管之间的距离从氧化剂气体管的上游端到下游端增大，从而在氧化剂气体经由氧化剂喷嘴06流出燃烧器且流入反应器中的点处的总截面面积上均匀地分配氧化剂气体，氧化剂喷嘴06位于多个氧化剂气体管的各个下游端处。此外，相邻氧化剂气体管之间这样增大的间距允许且确保了过程气体在气体管之间流动。
过程气体经由位于催化反应器的顶部一侧处的过程气体入口04进入燃烧器中。过程气体入口包括单个管，其提供了垂直于燃烧器、氧化剂气体入口和反应器的轴线的过程气流。这有助于在过程气体进入燃烧器和氧化剂喷嘴出口下游的反应器中之前过程气体在燃烧器的截面面积各处的均匀分布。为了进一步加强过程气体的均匀分布，两个穿孔板07位于过程气体入口与氧化剂喷嘴出口开口之间。穿孔板提供压降，"制动隔层"，其迫使过程气体分配。两个穿孔板比一个更有效地工作，因为提供过程气体的基本上塞流的较好分布可以以相同或比如果使用仅一个穿孔板更低的总压降来实现。此外，由于穿孔板的外径与内顶部反应器壁之间的公差引起的旁通相比于单个穿孔板减小。
当两个穿孔板下游的均匀分配的过程气体最终到达氧化剂喷嘴出口时，其基本上具有塞流。氧化剂喷嘴具有如图2中可更清楚看到的椭圆形出口开口截面，其为燃烧器的等距视图，而并未示出反应器或过程气体入口。椭圆出口开口截面在混合区中提供各个氧化剂气流的较大表面与面积比，且因此提供了与过程气体的更有效的混合。
实例
相比于原始设计的环形燃烧器，本发明提出的概念的研究使用CFD进行。使用的基础案例(流数据)源自实际设备。
研究示出了本发明的燃烧器的过程气体侧上的压力损失相比于常规环形喷嘴燃烧器降低22.3%。本发明的燃烧器的空气侧上的压力损失相比于常规环形喷嘴燃烧器降低80.3%。
看到本发明的新燃烧器概念提供了空气侧压降的巨大减小。
还清楚的是，本发明的新燃烧器概念由于已降低了最高温度而具有材料蒸发潜力。
我们也已经实现了气体侧压降上的减小。然而，请注意，环形燃烧器和本发明的新燃烧器概念两者的气体侧压降都具有相当低的绝对值。
最后，从流动观点可以说我们得到了以本发明的新燃烧器概念的显著更好的燃烧器。