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℉)的高分子 量、不挥发的成分。裂化较重质的进料产生大量焦油。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。

在常规地化学制造过程中，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。

用在大型工业炉子中的燃烧器通常使用液体或气态燃料。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NOX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NOX 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NOX 排放。

美国专利4,629,413号提出一种低NOX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NOX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NOX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NOX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NOX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NOX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，该气态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。

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 于使得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

一方面，提供一种气体/非气体双燃料燃烧器，其可以用于例如在 蒸汽裂化方面所用的炉子中。该燃烧器包括：用于供给第一部分空气 的初级空气室；具有上游端和下游端的喷烧管；邻近炉子中的第一开 口安装在所述喷烧管的下游端的烧嘴，以便燃料的燃烧发生在烧嘴的 下游，产生气态燃料火焰；与用于供给第二部分空气的次级空气室流 体连通的至少一个空气端口；以及用于供给雾化的非气态燃料的至少 一个非气态燃料喷，所述至少一个非气态燃料喷具有至少一个燃 料排放喷射孔，所述至少一个非气态燃料喷设置所述至少一个空气 端口中。

另一方面，提供一种在炉子的燃烧器内燃烧雾化的非气态燃料、 气态燃料和空气的方法。该方法包括如下步骤：在预定位置混合气态 燃料和第一部分燃烧空气；在所述预定位置下游的第一燃烧地点燃烧 气态燃料以产生气态燃料火焰；通过所述至少一个空气端口将第二部 分燃烧空气排放到炉子中；将雾化的非气态燃料提供给至少一个燃料 排放喷射孔，该至少一个燃料排放喷射孔设置在所述至少一个空气端 口内；以及在第二燃烧地点燃烧非气态燃料。

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 举例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是沿着图1的2-2线截取的局部剖视图；

图3是沿着图1的3-3线所截取的俯视图；

图4A是用于本发明的燃烧器中的燃料喷的剖视图；和

图4B是图4A中所示燃料喷的端视图。

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1-4B，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。

参考图1至图3，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(见图1)，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。为了促进这种能力，一个 或更多个非气态燃料喷200设置在燃烧器10的分级的空气端口30 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4A和4B，非气态燃料喷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。

仍然参考图4A，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段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经由至少一个燃料排放喷射孔204通 过末端部分210排出。所示类型的合适的燃料喷可以从俄克拉荷马 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。

正如能够理解的，流过分级的空气端口30的分级空气的高速流动 产生用于燃烧的极好的理想配比的氧气环境。换句话说，在空气端口 中的空气流供给比用于非气态燃料的完全燃烧所需的多得多的空气。 而且，在辐射炉膛内的高温也有助于完全汽化非气态燃料，以实现更 有效的燃烧。结果，通常与不完全燃烧相关的问题被消除。

希望将该至少一个非气态燃料喷的至少一个非气态燃料排放喷 射孔构造成使得非气态燃料在燃烧之前喷射到气态燃料火焰中。虽然 没有碰撞到流动本身上，但是来自气态火焰的辐射热将具有稳定非态 体火焰的效果，也将减少烟尘的产生。此外，从燃烧器10的气态火焰 发出的高温也将起到汽化非气态燃料的作用，以实现更加有效的燃烧。 结果，通常与不完全燃烧相关的问题被最小化甚至消除。

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 气体火焰的中心线以及喷烧管12的延长中心线平行。在可选实施例 中，为了稳定非气态燃料火焰，所述至少一个燃料排放喷射孔204以 燃烧器底部14为基准相对于平行于喷烧管的中心线的直线朝向气体 火焰成角度θ地指向(小于90°)。例如，所述至少一个燃料排放喷 射孔204可以以燃烧器底部14为基准相对于与喷烧管的中心线平行的 直线以5度和10度之间的角度指向。具体说，如图4B所示，业已发 现，希望设置三个燃料排放喷射孔204，其以燃烧器底部14为基准相 对于与喷烧管的中心线平行的直线以7.5度的角度取向。这将具有稳 定非气态火焰的效果，也将减少烟尘的产生。

在另一个实施例中，燃料喷的末端204在空气端口30内对中， 尽管如果希望的话，可以将燃料喷200偏离空气端口30的中心线。 在又一个实施例中，如图3所示，虽然只有一子集的空气端口30包含 燃料喷200也能够实现本发明，但是可以所有空气端口30包含燃料 喷200。本发明的燃烧器可以仅仅使用气体燃料或者同时使用气态 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NOX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，通过提供一个或更多个伸进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由于局部高氧区引起的过热点。

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5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和5可以理解的，根据所采用的非气态 燃料构造，燃料喷200或者位于在由壁60围绕的区域内或者位于其 外侧。

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。