CN100356104C - 用于低NOx操作的改进的燃料分段方法 - Google Patents

用于低NOx操作的改进的燃料分段方法 Download PDF

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Abstract

一种使用燃料稀释装置稀释燃料以减少NOx的方法，包括：具有入口和出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一热力学状态和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流；和具有进口和排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二/不同的热力学状态和与第一燃料指数相差至少约0.1的第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，由此在流出所述出口和排出口的两个物流之间存在混合的趋势；在所述出口和排出口附近，至少一部分燃料同至少一部分流体发生混合，从而产生一条具有中间燃料指数的稀释燃料流。

Description

用于低NOx操作的改进的燃料分段方法
背景技术
本发明涉及用于减少氮氧化物(NOx)排放的燃料分段方法和系统，特别是这种在低NOx燃烧器中使用燃料稀释喷嘴的方法和系统。
化学加工工业(CPI)所面临的一个难题是：由于经济原因而燃烧废燃料但同时还要符合低NOx和CO排放要求。废燃料含有更高C/H比气体混合物，它燃烧时因生成碳氧化物而产生非常明亮的火焰，并且根据燃烧情况也会产生炭黑颗粒或碳。典型炼厂燃料成分包括不同含量的燃料和惰性气体(例如C1、C2、C3、…Cn、烯烃、氢、氮、CO2、水蒸汽)。如果碳或炭黑颗粒形成于燃料喷嘴上，那么在适当的当前压力和温度条件下，炭黑组织通常会在喷嘴出口附近处增长。这会导致燃料喷射堵塞、燃料喷流偏移、喷嘴和炉子部件如处理管和耐火壁过热、以及燃烧器和炉子运行存在潜在性的停工。炉子停工会导致巨大的经济损失，包括因下游生产中断而造成的损失。
如果燃料喷嘴受到下述影响，由高碳和如乙炔、乙烷、丙烷、丁烷和烯烃(例如乙烯和丙烯)等气体组成的不纯净炼厂燃料，通常会产生炭黑颗粒：
在炉子中混合不充分(由于喷嘴数量、喷嘴结构、喷射角和喷射速度处于非最佳情况)(一般归类为燃烧器设计问题)；
燃料喷嘴附近缺少可用的空气或氧化剂(一般归类为燃烧器流动结构问题)；
燃料喷嘴冷却不充分(经常暴露在炉子热辐射下)(一般归类为燃料喷嘴结构和燃烧器设计问题)；
燃料流中断(上游燃料设备的可靠性)(一般归类为工艺问题)；
低燃烧操作(因导致燃料流速较低)(一般归类为工艺问题)；或
炼厂燃料成分即含碳物质变化(一般归类为工艺要求问题)。
燃烧器或喷嘴设计会显著影响喷嘴过热、炭黑生成、喷嘴堵塞，因此要对燃烧器设备需要经常维修。通过改变工艺条件如排出工艺残渣和/或燃料流中断，就能缓解这些问题，同时这些工艺条件还会影响燃料喷嘴应达到的冷却程度。改变工艺条件和燃料成分在炼厂操作中是很普遍的。
CPI面临的另一个难题是要求低NOx排放量达到排放规定。美国多个地区NOx排放规则(从属于1990清洁空气法规)都要求从工艺加热器、锅炉、燃气轮机及其它固定燃烧设备排放的NOx要低于10ppm。CPI最常见或BACT(最佳有效控制技术)的解决方法就是采用后净化烟道气的SCR(选择催化反应器)，即在大型催化反应器内喷射氨水从而减少燃料流中所含的NOx(通过将NOx转化为N2)。这种工艺要花费大量资金、需要大量氨水、热空气和供ID风机运转的电力。
大多数炼厂都不想安装SCR而采用低NOx燃烧器以符合NOx要求。但是，在多种加热操作工艺如蒸汽甲烷重整器(SMR)、原油加热器、乙烯裂解炉或锅炉中，低NOx燃烧器并不总能保持产生的NOx含量低于10ppm。由于这个原因，管理机构尚未证明使用低NOx燃烧器就是BACT。换句话说，目前SCR是唯一经济上可行的、能在臭氧达到区域达到严格的NOx标准的方法，该臭氧达到区域中地面水平的臭氧浓度超过法定限制。
一般，CPI操作者使用清洁的天然气或天然气和不纯净炼厂燃料的最佳混合物，以减少维修所带来的损失。但是，由于天然气短缺和燃料的高成本，加工工业并不总能应用清洁的天然气燃烧。相对于其它没有充分利用废燃料潜能的炼厂来说，能够燃烧废燃料的炼厂一般具有较高的生产率和较强的竞争力。
至于降低NOx排放，通常的NOx控制方法包括利用装备有高级燃料分段的低NOx燃烧器和采用烟道气再循环(FGR)稀释空气/燃料比。向燃料/氧化物混合物中喷射非活性或惰性化学物质，平均火焰温度降低，因而NOx的排放量减少。但是，这些方法需要增加用于输送烟道气的附加管道和能量损耗。另外，由于需要将气体从环境温度加热到加工温度，因此还需要损耗一些能量。另外，文献中公开的现场数据并没有表明这些方法能够使得NOx排放低于10ppm。
为了减少NOx排放，已经开发了多种采用燃料分段的装置和方法。下面将讨论其中的几种方法。
美国专利申请2003/0148236(Joshi等人)公开了一种利用分段燃料喷嘴的超低NOx燃烧器。该燃烧器具有八个安装在主燃烧器主体周围的燃料分段喷管。燃烧器的中心部分用来提供100％的助燃空气，喷射极少量的燃料(～10％)以保持整个火焰的稳定性。其余的燃料(～90％)采用多个燃料分段喷管喷射。燃料分段喷管具有带有两个圆孔的特殊的燃料喷嘴。如图1A-1C所示，这些喷管与轴向和径向的偏角，有助于与助燃空气以及由于较高喷射速度(500-1000英尺/秒或根据该燃烧速度产生的5-15psig的燃料供给压力)而产生的夹带炉气延迟混合。
美国专利6383462(Lang)公开了一种方法和装置，如图2所示，其中在“燃烧器和炉子”外部具有使来自炉子的烟道气同燃料气体混合的混合室。采用收敛发散的文丘里管混合器用附加流动激发气体进一步稀释燃料气体。随后将所得的混合物(用烟道气稀释的燃料)送入燃烧器，在其中该混合物同助燃空气一起在炉子中燃烧。根据燃料气体的稀释程度，NOx排放量可以从26ppm减少到14ppm。这种装置和方法没有将NOx的排放量减少到10ppm以下，而且这种结果同SCR工艺的一般结果是不可比的。
美国专利6481209(Johnson等人)公开了一种适于燃气涡轮发动机的燃料分段系统。通过将燃料喷射流分为如下两部分，使得同空气进行有效燃烧，而NOx和CO排放量较低：1)安装在旋流混合器中的喷射器，和2)安装在燃烧室截留涡流区域内的喷射器。但是，这种喷射方案并不适合于大型炉体，在大型炉体中由于炉子和负载结构而不可能产生截留涡流区域。
美国专利6558154(Eroglu等人)公开了一种用于航空发动机的可控燃料分段方法，其中使用两个分别安装的燃料分段喷嘴。一套排放和波动传感器安装在每个分段区域的下游。这些传感器测定每个分段区域产生的燃烧产物的品质，随后控制单元通过改变操作和环境条件而改变喷射到每个区域相应的燃料量。
美国专利5601424(Bernstein等人)公开了一种利用雾化蒸汽喷射控制来降低NOx的方法。通过向燃烧器火焰加入能实现燃料油雾化的雾化蒸汽，从而降低NOx量。减少30％的NOx大约需要0.5lb蒸汽/lb燃料流。需要大量蒸汽来降低火陷温度并达到所需的NOx减少量。另外，如果使用大量蒸汽导致火焰骤冷，则火焰有可能不稳定并发生溅射。因此，为保证火焰稳定，喷射的蒸汽量有一上限。
燃气轮机工业也使用类似的蒸汽喷射工艺用于NOx控制。但是，由于低效的蒸汽喷射模式，为减少NOx排放要付出巨大的经济代价。蒸汽消耗量非常大，为NOx控制该工艺的效率较低、经济上不合算。
期望能有经济上合算的、改进的设备和方法用于减少NOx排放，它能够燃烧炼厂废气而不过度排放NOx。
还进一步期望有一种设备和方法能减少设备因燃烧器喷嘴堵塞和处理管过热等问题而引起的维修，并能提高燃料效率和炉子生产率等其它好处。
还进一步期望有一种设备和方法能使得现有的低NOx燃烧器达到SCR水平的NOx，能使得炼厂符合NOx规定而无需使用耗资巨大的SCR工艺。
还进一步期望有一种设备和方法使得加工工业消耗掉廉价的废燃料而无须承担如喷嘴堵塞、设备过热、加工中断等的维修费用，而同时使NOx排放量低于10ppm而符合NOx规定。
还期望有一种用于燃烧燃料的设备和方法，它具有比现有技术更好的燃烧性能，也能克服现有技术的众多困难和缺点以产生更好、更为有利的效果。
发明概述
本发明是一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的方法和系统。本发明还包括一种可以用于该方法或系统的燃料稀释装置。
该方法中用于通过燃料分段稀释燃料、而减少氮氧化物排放的第一个实施方案包括多个步骤。第一步是提供燃料稀释装置，包括：具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送第一热力学状态和第一燃料指数流进入入口和流出出口的燃料流；具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送具有第二热力学状态和第二燃料指数的流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二热力学状态与第一热力学状态不同，由此在流出第一管道出口的燃料流同流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势。第二步是向第一管道的入口供给燃料流，所述燃料流是以第一热力学状态和第一燃料指数流出第一管道的出口。第三步是向第二管道的进口供给流体流，所述流体流是以第二热力学状态和第二燃料指数流出第二管道的排出口，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生至少一条稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第四步是提供氧化剂源。第五步是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述氮氧化物含量是相对于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
本方法的第一实施方案有多种改变形式。一种改变是，流体是燃料。另一种改变是，该流体选自水蒸汽、烟道气、二氧化碳、氮、氩、氦、氙、氪、其它惰性流体及其混合物或结合。
本方法第一实施方案的另一种改变是，第一管道邻近第二管道。另一改变是，至少第二管道的大部分安置在第一管道内。另一种改变是，第二管道具有等效直径(Dc)，第二管道的排出口位于第一管道出口后的一段距离，所述距离为约(2Dc)-约(20Dc)。
通过燃料分段稀释燃料而减少氮氧化物排放的本方法的第二个实施方案同第一实施方案相似，但包括两个附加步骤。第一附加步骤是在第二管道中安装旋流器。第二附加步骤是通过该旋流器输送至少一部分流体流，从而使流出第二管道的流体中至少一部分发生旋流。
本方法的第三个实施方案同第一实施方案相似，但包括两个附加步骤。第一附加步骤是提供能与第一管道出口进行流体输送的拉链式喷管。第二附加步骤是通过该拉链式喷管输送至少一部分稀释燃料流。
该方法的第四个实施方案同第一实施方案相似，但包括一附加步骤，即在带有含大量炉气的炉子的流体通道中安置该燃料稀释装置，从而使得该炉气中的至少一部分同该稀释燃料流中的至少一部分混合。
通过燃料分段用于稀释燃料而减少氮氧化物排放的方法的另一个实施方案包括多个步骤。第一步骤是提供一种燃料稀释装置，包括：具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一压力、第一速度和第一燃料指数流进入口并流出出口的燃料流；具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二压力、第二速度和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二压力和第二速度中的至少一者与第一压力和第一速度中的至少一者不同，从而在流出第一管道出口的燃料流同流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势。第二步是向第一管道的入口供给燃料流，所述燃料流以第一压力、第一速度和第一燃料指数流出第一管道的出口。第三步是向第二管道的进口供给流体流，所述流体流以第二压力、第二速度和第二燃料指数流出第二管道的排出口，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分混合，从而产生至少一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第四步是提供一个氧化剂源。第五步是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述氮氧化物含量减少是相对于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
通过燃料分段稀释燃料而减少氮氧化物排放的燃料稀释装置的第一个实施方案有多个要素。第一个要素是具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一热力学状态和第一燃料指数流进入口并流出出口的燃料流。第二个要素是具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二热力学状态和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二热力学状态与第一热力学状态不同，由此在流出第一管道出口的燃料流与流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分混合，从而产生至少一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第三个要素是氧化剂源。第四个要素是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧的方法，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述少量氮氧化物减少是相对于少于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
该燃料稀释装置的第一实施方案有多种改变形式。一种改变是，流体是一种燃料。另一种改变是，该流体选自水蒸汽、烟道气、二氧化碳、氮、氩、氦、氙、氪、其它惰性流体及其混合物或结合。
另一种改变是，第一管道邻近第二管道。另一改变是，至少第二管道的基本部分安置在第一管道内。另一种改变是，第二管道具有等效直径(Dc)，第二管道的排出口位于第一管道出口后的一段距离，所述距离为约(2×Dc)-约(20×Dc)。
第一实施方案的另一种改变是，该燃料稀释装置与含大量炉气的炉子能够进行流体传输，从而使得该炉气中的至少一部分同该稀释燃料流中的至少一部分混合。
该燃料稀释装置的第二个实施方案同第一实施方案相似，但在第二管道中安装旋流器。该燃料稀释装置的第三个实施方案同第一个实施方案相似，但包括拉链式喷嘴，其与第一管道出口的流体能够实现流体传输。
通过燃料分段稀释燃料而减少氮氧化物排放的燃料稀释装置的另一个实施方案包括多个要素。第一个要素是具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一压力、第一速度和第一燃料指数流进入口并流出出口的燃料流。第二个要素是具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二压力、第二速度和第二燃料指数流入进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二压力和第二速度中的至少一者与第一压力和第一速度中的至少一者不同，从而在流出第一管道出口的燃料流同流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生至少一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第三个要素是氧化剂源。第四个要素是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述氮氧化物含量减少是相对于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
本发明的另一方面是提供一种用于通过燃料分段稀释燃料而减少氮氧化物排放的系统。该系统包括多个要素。第一要素是燃料稀释装置，包括：具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一热力学状态和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流；具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二热力学状态和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二热力学状态与第一热力学状态不同，由此在流出第一管道出口的燃料流同流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势。第二要素是向第一管道的入口供给燃料流的方法，所述燃料流以第一热力学状态和第一燃料指数流出第一管道的出口。第三要素是向第二管道的进口供给流体流的手段，所述流体流以第二热力学状态和第二燃料指数流出第二管道的排出口，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生至少一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第四要素是氧化剂源。第五要素是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧的手段，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述氮氧化物含量减少是相对于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
通过燃料分段稀释燃料而减少氮氧化物排放的系统的另一个实施方案包括多个要素。第一要素是燃料稀释装置，包括：具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一压力、第一速度和第一燃料指数流进入.入口和流出出口的燃料流；具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二压力、第二速度和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少约0.1，而且第二压力和第二速度中的至少一者与第一压力和第一速度中的至少一者不同，从而在流出第一管道出口的燃料流同流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势。第二要素是向第一管道的入口供给燃料流的方法，所述燃料流以第一压力、第一速度和第一燃料指数流出第一管道的出口。第三要素是向第二管道的进口供给流体流的手段，所述流体流以第二压力、第二速度和第二燃料指数流出第二管道的排出口，由此，在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生至少一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间。第四要素是氧化剂源。第五要素是将氧化剂的一部分同该燃料流、或该流体流、或该稀释燃料流中至少一种的至少一部分燃烧的手段，从而产生氮氧化物含量减少的气体，所述氮氧化物含量减少是相对于使用除该燃料稀释装置之外的方法燃烧燃料所产生的更高氮氧化物量而言的。
附图说明
结合附图、通过实施例对本发明进行说明，其中：
图1A是现有技术中用于超低NOx燃烧器的燃料分段喷嘴的截面平面图；
图1B是图1A现有技术中燃料分段喷管的截面垂直投影图；
图1C是图1B现有技术中燃料分段喷管的侧视图；
图2是现有技术中用于混合炉内燃料气、流动激发气体与燃料气体的混合室的截面垂直投影图；
图3是本发明一个实施方案的截面示意图；
图4是本发明另一个实施方案的截面示意图；
图5A是本发明中利用强射流一弱射流夹带的另一个实施方案的示意图；
图5B是本发明中利用旋流引发夹带的另一个实施方案的截面示意图；
图6是本发明另一个实施方案的截面示意图；
图7是本发明中包括一拉链式喷嘴或喷管的另一个实施方案的截面示意图；
图8A是拉链式喷嘴或喷管的前视示意图；
图8B是拉链式喷嘴或喷管安装在例如图7所示的喷管上的侧视示意图；
图8C是拉链式喷嘴或喷管的平面示意图；
图8D是图8A中zipper喷嘴或喷管的前视图的一部分的详细示意图以标明其尺寸；及
图9是本发明中包括一拉链式喷嘴或喷管的另一个实施方案的截面示意图。
发明详述
本发明解决了燃烧装置设计方面所面临的一系列问题，如用于加热重整装置的燃烧器、热加工器、锅炉、乙烯裂解炉或其它高温炉。本发明涉及一种改进的燃料分段工艺。特别是根据所需加工目的实现快速稀释和混合的两种通用方法，为：
I.用另一种燃料将燃料分段(F-F)：将高压炼厂废燃料、雾化液态燃料等喷射到较洁净的低压气态燃料的附近，以达到清洁、免维修、低NOx的工作状态；和
II.用惰性气体将燃料分段(F-I)；将高压惰性流体如水蒸汽、氮、CO2等喷射到低压气态燃料附近，以减少NOx。
如此处所用，术语“燃料指数”(FI)定义为燃料碳原子数的加权总数，其中H2被指定为1.3个碳数，权重是组分的摩尔分数：FI＝∑Cixi/∑xi，其中Ci和xi分别是碳原子数和组分i的摩尔分数。一些燃料和惰性气体的燃料指数如表I所示。一般来说，燃料指数较高的燃料更容易裂解，也会通过瞬时NOx机理产生更多的NOx。在该定义中，H2是一种特殊情况。尽管H2不含任何碳原子，但是众所周知天然气中的H2附加物会增加NOx的排放。文献中指出，同甲烷燃烧相比，纯H2燃烧多排放约30％的NOx。H2燃烧排放的NOx增多有助于通过热NOx机理来提高火焰温度。由于此处燃料指数用来指示NOx排放量，因此将H2的加权值定为1.3，是与其潜在的NOx排放量相符合。
表I：所选燃料和惰性气体的燃料指数
    燃料或惰性气体     燃料指数
    H2     13
    H2O     0
    CO2     0
    CO     1
    N2     0
    CH4     1
    C3H8     3
    ROG(1)     1.434
    PSA废气(2)     0.57
    天然气(3)     1.08
    天然气(4)     1.14
(1)ROG：H2 18％，CH4 44％，C2H2 38％。
(2)PSA废气：H2 30％，CH4 18％，CO2 52％。
(3)天然气：CH4 91％，C2H6 4％，C3H8 3％，N2 1％，CO2 1％。
(4)天然气：CH4 84％，C2H6 12％，C3H8 2％，N2 2％。
如此处所述，术语“热力学状态”定义为一种物质的存在状态。该定义是在一般公知的热力学概念的基础上，扩展至不仅包括通常的温度和压力、还包括速度、浓度、成分、体积分数、流动速度、电位等，以完整地描述物流的特性。该定义用来精确地限定两种物流之间由于热力学状态的差异而发生的混合。
下面详细描述这两种方法。
I.用另一种燃料将燃料分段(F-F)：
该方法可以用于使炼厂废燃料以高供给压力与第二种较洁净的低压烟道气燃烧，该废燃料包括氢和更高C/H比燃料(乙烷、丙烷、丁烷、烯烃等)的混合物。由于高C/H比燃料发生热裂解以及随后炭黑在燃烧器燃料喷嘴处增长，所以这种炼厂废气燃烧会引发维修问题。另外，燃烧这种燃料会导致NOx的排放量高于正常值。
为了改善高C/H比炼厂废燃料的燃烧性能，用较洁净的(第二种)燃料流(如氢、合成气、天然气或低BTU燃料混合物)稀释非洁净燃料。在图3所示的一种实施方案中，通过中央喷管32喷射一种高压炼厂燃料气体(含有高C/H比的燃料气体)，通过中央喷管32和外喷管34之间的环形区域喷射一种较清洁的低压燃料气体，如天然气、合成气、工业废气、PSA废气(将氢气产物从PSA吸收床移除后的循环燃料气体)等。如图3所示，中央喷管的出口36从外喷管的出口38凹进一段优选距离。该距离优选为中央喷管等效直径(Dc)的2-20倍。根据高压炼厂燃料气体和较洁净低压燃料气体之间的燃料分散程度，该距离优选为约1/16″-1″。
本领域的技术人员将知晓，在图3-7和9中提及“高压”也能代表“高速”或“高压或高速”。类似地，在上述图中提及“低压”能代表“低速”或“低压或低速”。
图3中所示的结构允许不洁净的高压炼厂燃料气体与清洁低压燃料气体因湍性射流交互作用而发生混合。高压炼厂燃料气体通过中央喷管32的速度优选为约900-1400英尺/秒(优选为声速或节流速)。根据低压气体可获得的供给压力，该低压燃料气体通过中央喷管32和外喷管34之间的环形区域33的速度优选为约100-900英尺/秒。流出中央喷管出口36的高速气体流会夹带靠近外喷管出口38的低速气体流，在这些物流通过喷孔40流出之前形成“第一阶段”混合。外喷管喷孔的结构、角度等都设计为能在炉内气氛中获得最佳的“第二阶段混合”。大量炉气42被夹带以进行第二阶段稀释，从而降低火焰峰值温度、从而减少NOx的排放量。
图4描绘了一种液态燃料(F-F)分段结构。在这个实施方案中，当高压(而且高C/H比)液态燃料(如燃料油、柴油、重质燃料油、废弃液态燃料等)喷射到炉内气氛中以进一步稀释之前，用低压燃料气体将之稀释。例如，重油可以用雾化流体如水蒸汽来雾化，随后用低压燃料气体稀释，使得炉内燃烧不会产生炭黑。该实施方案还能因火焰最高温度较低而减少NOx的排放量。
图4中，X是从中央喷管32的出口至外喷管34出口背面之间的距离。Dc是中央喷管出口的流动区域-等效直径，即中央喷管出口的总流动区域等于以Dc为直径的圆。De是外喷管的流动区域-等效直径，即该喷管出口的总流动区域等于以De为直径的圆。
另外两个(F-F)燃料分段的实施方案如图5A和5B所示。在图5A中，在高压炼厂燃料气体和低压燃料气体之间发生强射流-弱射流的交互作用。高压炼厂燃料气体以高速(约900-1400英尺/秒)沿优选方向在高压喷管52中喷射，在低压喷管54中喷射的低压燃料气体被该高压炼厂燃料气体夹带。
在图5B中，使用燃料旋流器56使高压炼厂燃料气体在中央喷枪32中发生旋流，该低压燃料气体被夹带在高速旋流的塌陷区域(中央区域)。这使得在高压炼厂燃料气体和低压燃料气体离开外喷管34、进入炉子(未示出)之前，二者能够很好地混合，而在炉中还能够同炉气42发生补充稀释。这种方法对需要较短火焰外形或较小燃烧空间的应用比较有利。
(F-F)分段会应用于蒸汽甲烷重整器(SMR)中，其中该高压燃料气体一般是供给天然气或炼厂废气，这些燃料通常被归类为调整燃料。依照图6，高压燃料气体在中央喷管32中喷射。在中央喷管32和外喷管34之间的环形区域33内喷射的低压燃料气体通常是PSA(变压吸附)废气或PSA的洁净排废流，该排废流含有CO2(～45％)、氢(～30％)、甲烷(～15％)和CO(～10％)，其燃料指数为约0.64。当氢产物分离出来后，PSA废气从吸收床渗透出来。对于典型的具有用于氢分离的PSA的重整器，高压调整燃料占总能量的10％-30％。
这种分段应用的第二个优点是能通过扩大PSA压力周期范围、特别是其低端的、而促进PSA回收。参考图7，这是通过在外喷管34内形成低压区而实现的。图7所示的高速中央射流在射流主体周围形成低压区域，在此射流主体周围移动较慢的低压燃料气体被移动较快的中央射流夹带。由于发生有效的夹带过程，低压燃料气体的供给压力降低，以保持相同的燃料流动速度。
在一个实验室燃烧试验中，低压PSA废气的供给压力从2psig降低到1.6psig(降低了20％)。这是通过以25psig(1300英尺/秒速度)喷射该高压燃料气体而实现的。高压燃料气体和低压燃料气体之间的燃烧能量分别为30∶70。
为了进一步确定(F-F)分段工艺的细节，将实验室测试结果视为使用低NOx燃烧器而得到的。该燃烧器具有10个燃料喷管，分布在直径为18″的圆周上。这10个燃料喷管中，为(F-F)型分段结构而保留两个喷管。喷管具有特殊的燃料喷嘴和多个发散槽(拉链式喷嘴74)以促进被动混合。使用拉链式喷嘴74的(F-F)燃料分段结构的示意图如图7所示。该燃烧器确定为使用664空气预热、燃烧速度为8MM Btu/hr，而且设计为使用两类燃料。这两类燃料的详细说明如下：
高压炼厂燃料气体：H2(18％)、天然气(44％)和乙烯(38％)。该燃料的燃料指数为1.43，占总能量输入的30％。
低压燃料气体：CO2(52％)、天然气(18％)和H2(30)。其燃料指数为0.57，占总能量输入的70％。
参考图7所示的结构，高压燃料气体是在由标准管道制成的中央喷管32中喷射的，该标准管道为直径3/8″×壁厚0.035″，同心地安置在由3/4″sch40管制成的外喷枪34管内。拉链式喷嘴74安装在该管的末端。如图8A-8D所示，拉链式喷嘴的等效直径是0.51″，并具有四个垂直槽和一个水平槽。垂直槽的发散角(α1和α2)分别为18°和6°，轴向zipper喷管喷嘴的结构如下：1)在邻近的基本形状之间的相交平面有一系列垂直结构；2)流动引发下游不稳定；和3)第一流体(燃料)和第二流体(炉气)之间发生高水平分子(小型)混合。上述混合也可在最短的轴向距离内发生的。用图7所示的喷管在喷管内式结构实施的低NOx燃烧器实验室实验表明，发生了快速轴向混合、炉气以7°的发散角β发生大量夹带。
根据图7所示结构进行的整个流体工艺使得向负载进行更均匀的热传递，而且燃料压力低于2psig时NOx和CO排放量超低(＜15ppmv)。还发现，不进行喷管在喷管内式工艺的话，高压、高C/H比的燃料燃烧会产生明显的富炭黑火焰。而且NOx的排放量高达25-30ppm。这个实验证明F-F分段工艺可以显著降低NOx的排放量。使用惰性气体，F-I分段工艺可以使排放量降得更低。
无论何时将喷管在喷管内式分段工艺用于含有高达50％的丁烷(C4H10)的炼厂燃料，都能在实验室炉子中发现明显证据表明混合增强。发现单独火焰同炉气混合得更快，并产生大规模的或无焰的燃烧。另一方面，使用具有圆柱形喷管喷枪的简单喷管会产生更明显的(带蓝色的)、较长的火焰，这说明炉气稀释和混合较差，同时，在给定的燃料供应压力下，还会产生较高量的NOx和CO。
表II给出了本发明提出的喷管在喷管内式e结构的优选燃烧范围、尺寸、无量纲系数和喷射角度。简单的环形管用于高压炼厂燃料，而将拉链式喷嘴用于低压PSA废气燃料。这些喷管是低NOx燃烧器的关键部件，这是因为燃烧器性能的可靠性直接影响蒸汽甲烷重整器的蒸汽性能。表II：喷管在喷管内式燃料分段喷嘴的尺寸参数
低压拉链式喷嘴   高压圆柱形喷嘴
(H) (W) (Ro/R1) (H/Ro) (α1，α2) (β) L/Dc   Dc   X/Dc
燃烧器燃烧能力(MMBtu/Hr) 槽高(In) 槽宽(In) 槽末端半径同中心直径之比 槽高同圆角半径之比 轴向发散角(°) 径向发散角(°) 拉链式喷嘴厚度同等效直径之比   管道直径(英寸)   拉链式喷嘴入口后的距离
8 (1/32-1) (1/4-2) 1.6(1-3) 3.7(2-6) 15(0-30) 7(0-30) 0.625(0.05-3)   0.305(1/16-2)   4(2-20)
5.2 (1/32-1) (1/4-2) 1.6(1-3) 3.7(2-6) 15(0-30) 7(0-30) 0.625(0.05-3)   0.277(1/16-2)   4(2-10)
上述尺寸范围对多种燃料都有效，如天然气、丙烷、炼厂废气、低BTU燃料等。根据燃料成分、流动速度(或燃烧速度)和燃烧器入口处可获得的供给压力来优化地确定喷管尺寸。在表II中，尺寸、比率和范围是以燃烧器燃烧速度为2-10MM Btu/Hr估算的。但是，对于燃烧速度更高的燃烧器(＞10MMBtu/Hr)来说，使用保持相似流动速度范围的标准工程实践，可以将这些尺寸和范围按比例增大。
II.用惰性气体将燃料分段(F-I)：
这种使用高压惰性气体如水蒸汽(干燥或饱和的)、CO2、烟道气、氮或其它惰性气体的改进的燃料分段工艺利用低压燃料气体进行，以减少NOx排放。可以使用的分段燃料所括但不仅限于：天然气、低BTU工作气体(由氢和其它炼厂燃料组成)和PSA废气。喷嘴结构同图3-7所示的类似。此工艺的主要目的是进一步减少NOx排放。优选的实施方案如图9所示。
参照图9，高压(30-100psig)饱和或干燥的水蒸汽以约900-1400英尺/秒的速度通过中央喷管32，低压燃料气体通过中央喷管32和外喷管34之间的环形区域33传送。高速蒸汽射流92夹带燃料气体，从而在环形区域内进行第一阶段稀释(和混合)。所得的混合物随后通过拉链式喷嘴74、以高速(约600-1400英尺/秒)流出，从而在炉内(未示出)使用炉气(未示出)进行第二阶段混合。由于蒸汽速度高和拉链式喷嘴形成的单独火焰形成的夹带环路，使得第二阶段混合非常有效。由于拉链式喷嘴结构和有蒸汽的辅助作用，燃料稀释得到改善。火焰峰值温度进一步降低，达到了超低的NOx排放量。表III提供了大型蒸汽甲烷重整器炉中蒸汽消耗量的估算值。
表III：使用本发明提出的(F-I)分段工艺的蒸汽消耗经济情况
   蒸汽喷射速度 lb_stm/lb_燃料     0.02     0.05
   燃烧速度 mmbtu/hrLHV     850     850
   燃料热值 btu/scf，LHV     1000     1000
   燃料成本 $/mmbtu，LHV     6     6
   燃料分子量     18     18
   所需的蒸汽 lb/hrmmscfd     8060.408     20161.02
   在100psia和400F下，从60F的水中产生蒸汽所需的能量 btu/scfbtu/lb     57.11203.2     57.11203.2
   蒸汽成本 $/天$/年     14050992     349127480
如表III所示，由于使用了惰性气体如水蒸汽的独特的燃料分段方法，燃料稀释所需的蒸汽量极低。同低压燃料相比，(F-I)分段所需的蒸汽量为所需低压燃料的约2％-10％lb/lb。高速蒸汽用于两段稀释工艺：1)在喷管内使用蒸汽和低压燃料气体，和2)在炉内空间中使用高速燃料-蒸汽混合物和炉气。
将简单的现有喷管结构(仅用拉链式或圆柱形喷嘴而不是用喷管在喷管内式设置)与图9中的喷管在喷管内式结构相比较，已经表明使用惰性气体如氮进行的实验室实验能减少约30％-40％的NOx。例如，使用低NOx燃烧器、以5MM btu/Hr的燃烧速度、利用周围的助燃空气、在1600的平均温度下运行、炉子废气的温度为2000、使用10％重量基准的氮气流动速度，NOx的排放量从中心没有惰性气体时的10ppm(以O2为3％折算)降低至中心带有氮气时的约7ppm(以O2为3％折算)。
在上述的每个实施方案中，本发明所取得的良好效果是受离开两个管道的物流之间存在的两个差异驱动的。第一个差异是每个物流的热力学状态存在差异，第二个差异是每个物流的燃料指数存在差异。特别是，为了使流出两个管道的两个物流之间存在混合势，这两种物流的热力学状态必须存在差别，这两种物流的燃料指数之间必须相差至少0.1，优选至少0.2，才能有效减少NOx。
附图中所述的和上述的实施方案中，两种物流的热力学状态之间的差异用压差表示(即，在一个管道中的“高压”流体，而在另一个管道中的“低压”流体)。但是，本领域普通技术人员将了解，热力学状态的差异也可以用下列因素表示、并因它们而获得：速度、温度、浓度、成分、体积分数、流动速度、电位等的差。
因此，本发明包括许多其它实施方案及其改动，而这些并没有在图中示出、或在发明详述中记载。但这些实施方案和改动落在随后的权利要求及其相应用语的保护范围内。
本领域普通技术人员将了解，附图中示出的和发明详述中记载的实施方案和变动并没有公开本发明全部可能的方案，也有其他的方案是可行的。因此，所有这种方案都在本发明的预料之中，也在本发明的保护范围内。例如，在图3-7和9中所述的每一个实施方案中，低压物流和高压物流都可以相互调换(即该低压喷管可以是内喷管，而该高压喷管可以是外喷管)。
除了减少NOx排放量之外，本发明还具有其它优势和益处，下面将描述其中的一部分：
本发明提出的燃料分段方法能够使喷嘴因(F-F)分段或(F-I)分段而有效冷却。由于燃料喷嘴具有较大的喷嘴出口区域，因此喷管喷嘴能被流出的高速燃料气体或惰性流有效冷却。这与现有的圆形喷嘴相比具有显著进步。
由于夹带效果较弱、操作温度较高，现有喷嘴使用高C/H比燃料会带来严重的维修问题和炭黑堵塞问题。相比之下，本发明具有如下优势：
-使用高含碳量的燃料时结焦倾向降低
-可以使用较小的流动速度或热值较高的燃料
-可以使用更廉价的燃料喷嘴材料(不锈钢304或310即可胜任)
对于很多使用含C1-C4烃类的燃料的炼厂炉来说，热裂解是一个主要考虑因素。发现裂解的碳会堵塞燃烧器喷管、造成燃烧器部件过热、降低生产率、导致热效率很差。因此，对炼厂操作者来说，免维修操作是一个非常重要的优势(使用F-F或F-I分段)。
尽管此处依照特定的实施方案作了说明和描述，但本发明并非要限定至所述的情况。相反，在权利要求相应用语的范围和余地内、在不脱离本发明精神的情况下，可以在细节上作出多种改进。

Claims (17)

1.一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的方法，包括如下步骤：
提供燃料稀释装置，其包括
具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一热力学状态和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流，和
具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二热力学状态和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少0.1，而且第二热力学状态与第一热力学状态不同，由此在流出第一管道出口的燃料流与流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势；
向第一管道的入口供给燃料流，所述燃料流以第一热力学状态和第一燃料指数流出第一管道的出口；
向第二管道的进口供给流体流，所述流体流以第二热力学状态和第二燃料指数流出第二管道的排出口，
在接近出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间；
提供与第一管道出口实现流体传输的拉链式喷管；
通过该拉链式喷管输送至少一部分稀释燃料流；
提供氧化剂源；以及
将氧化剂的一部分同该稀释燃料流的至少一部分燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述流体是燃料。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述流体选自水蒸汽、脚道气、二氧化碳、氮、氩、氦、氙、氪、其它惰性流体及其混合物或结合。
4.如权利要求1所述的方法，其中第一管道邻近第二管道。
5.如权利要求1所述的方法，其中第二管道安置在第一管道内。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：
提供安置在第二管道中的旋流器；以及
通过该旋流器输送至少一部分流体流，从而使流出第二管道的流体中至少一部分发生旋流。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：安置炉子与该燃料稀释装置实现流体传输，所述炉子含大量炉气，并且在炉子中炉气中的至少一部分同该稀释燃料流中的至少一部分发生混合。
8.一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的方法，包括如下步骤：
提供燃料稀释装置，该装置包括
具有入口和与入口分离的出口的第一管道，该第一管道用于输送以第一压力、第一速度和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流；
具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，该第二管道用于输送以第二压力、第二速度和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少0.1，而且第二压力和第二速度中的至少一者与第一压力和第一速度中的至少一者不同，从而在流出第一管道出口的燃料流与流出第二管道排出口的流体流之间会存在混合的趋势；
向第一管道的入口供给该燃料流，所述燃料流以第一压力、第一速度和第一燃料指数流出第一管道的出口；
向第二管道的进口供给该流体流，所述流体流以第二压力、第二速度和第二燃料指数流出第二管道的排出口，
在接近所述出口和排出口的位置，从第一管道出口流出的燃料流的至少一部分同从第二管道排出口流出的流体流的至少一部分发生混合，从而产生一种稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间；
提供与第一管道出口实现流体传输的拉链式喷管；
通过该拉链式喷管输送至少一部分稀释燃料流；
提供氧化剂源；以及
将氧化剂的一部分同该稀释燃料流的至少一部分燃烧。
9.一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的燃料稀释装置，包括
具有入口和与入口分离的出口的第一管道；
具有进口和与进口分离的排出口的第二管道；
第一管道出口和第二管道排出口限定出在接近所述出口和排出口的混合位置；和
与第一管道出口和所述混合位置实现流体传输的拉链式喷管。
10.如权利要求9所述的燃料稀释装置，其中第一管道邻近第二管道。
11.如权利要求9所述的燃料稀释装置，其中第二管道安置在第一管道内。
12.如权利要求9所述的燃料稀释装置，进一步包括旋流器，安置在第二管道中。
13.如权利要求9所述的燃料稀释装置，其中该燃料稀释装置在含大量炉气的炉子的流体通道中，从而使得该炉气中的至少一部分同该稀释燃料流中的至少一部分发生混合。
14.一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的系统，包括：
具有入口和与入口分离的出口的第一管道，
以第一热力学状态和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流，
具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，
以第二热力学状态和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少0.1，而且第二热力学状态与第一热力学状态不同；
其中，第一管道出口和第二管道排出口限定出在接近所述出口和排出口的混合位置，
稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间并且该稀释燃料流是在所述混合位置中从所述燃料流和所述流体流产生；和
与第一管道出口和所述混合位置实现流体传输的拉链式喷管。
15.一种通过燃料分段来稀释燃料而减少氮氧化物排放的系统，包括：
具有入口和与入口分离的出口的第一管道，
以第一压力、第一速度和第一燃料指数流进入口和流出出口的燃料流；
具有进口和与进口分离的排出口的第二管道，
以第二压力、第二速度和第二燃料指数流进进口和流出排出口的流体流，第二燃料指数同第一燃料指数相差至少0.1，而且第二压力和第二速度中的至少一者与第一压力和第一速度中的至少一者不同；
其中，第一管道出口和第二管道排出口限定出在接近所述出口和排出口的混合位置，
稀释燃料流，其燃料指数处于第一燃料指数和第二燃料指数之间并且该稀释燃料流是在所述混合位置中从所述燃料流和所述流体流产生；
与第一管道出口和所述混合位置实现流体传输的拉链式喷管。
16.如权利要求14或15所述的系统，其中所述流体是燃料。
17.如权利要求14或15所述的系统，其中所述流体选自水蒸汽、烟道气、二氧化碳、氮、氩、氦、氙、氪、其它惰性流体及其混合物或结合。
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