CN1021569C - 用于生产合成气的含有多孔实心元件的燃烧器 - Google Patents

用于生产合成气的含有多孔实心元件的燃烧器 Download PDF

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Abstract

一本发明涉及生产合成气的反应器用的燃烧器，它可以将至少两种液体，一种作为燃料，另一种作为助燃剂，分别地传送到反应区中。
一本发明的特征在于燃料室具有一实心元件，在实心元件中，含有进入不同浓度的多个孔，这些孔的终端之一通向反应器，另一端则根据由所考虑的孔传送的流体或者通向燃料进给装置，或者通向助燃剂进给装置。
一按照烃类部分氧化法应用于合成气的生产。

Description

本发明涉及一种化学反应器用燃烧器，特别是适用于合成气的生产中。
此燃烧器可分别传送几种流体到反应器中。
本发明的燃烧器，特别地可用于合成气生产中的烃类部分火陷氧化方法中。人们指出这种类型的方法已由德士古，壳牌公司所采用。所谓合成气，本文指的是一种H2、CO和N2、CO2、水蒸气……的混合物。
供此用途的反应器是由一燃烧器和一燃烧室所构成。气体的急冷装置也可以是反应器整体的一个组成部分。在燃烧之后，人们还可在反应器中安置炉衬、催化剂或其它。
本发明的燃烧器可由气体、液体或悬浮固态燃料作供料，以及由一种空气、氧或富含空气的助燃剂作供料。水蒸气可按不同的比率加进助燃剂中或者更普遍的是加进燃料中。引入的气体也可以或多或少地加以预热。预热增加反应器产率。
作为实例，最佳产率是使用天然气、空气和水蒸气而获得的，O2/C的比率在0.60和0.65之间，且在压力下操作。对于超过500℃的预热，H2O/C的比率在0.05和3之间具有不大的影响，此比率较佳的是接近1。水蒸气可减低烟灰的形成。
对于特殊应用，O2/C比率可低于0.6和超过0.65（例如达到1）。
近代的方法是在80巴的压力下操作。
燃烧全部地是绝热的。
燃烧应按理论反应来进行：
CxHy+X/2O2……＞xCO+y/2H2
但是往往伴随着不同比率的CO2和H2O的形成。由此，可局部地超过绝热平衡温度。因此，使用纯氧可使局部地区的温度大大超过1500℃。
所推荐的燃烧器一般是管状的或较复杂的。最简单的工艺是用两根同心管。在此情况下，这些管子的尺寸（几十毫米）比火焰前端的厚度大得多。因此有必要让其停留一段时间（约1秒钟或更多些）以达到热力学平衡。而反应器则包含带有燃烧气体环流的强不均匀性区。
大量的管子确保较好的均匀性，但是管的数量对于工业上的应用来说是受限制的。此外，陶瓷材料制成的管子在工业上的实施仍旧是难以处理的。
金属管承受热气体环流核心的冲击，如果不加以冷却会影响金属管的耐久性。
本发明提出一种避免上述缺陷的多孔式燃烧器。
燃烧器根据所需注入流体的性质而开有不同深度的小孔。
燃烧器可由单件或由几个元件并置或重叠而构成。
这些元件可以用金属，陶瓷材料或所有其它耐火材料制成。
此外，本发明可以容易地实现大量的孔，而管（相当数量）的使用是难以处理的。
本发明容许大尺寸燃烧室的实施，它还可以在燃烧器喷嘴上将两种以上的流体无困难地同时向反应区传送。
这样，在合成气的情况下，就可提供一种外加调节的灵活性，而且还可以用于其它目的：例如，碳氢燃料和助燃剂通过两种入孔型进入，从而较佳地控制火焰形状、性质或组成。
因此，本发明可通过第3种类型的入孔传送第3种产物，此第 3种产物可供在火焰中起作用。
本发明可容易地保持燃烧器的热密封性。
此外，根据本发明，当燃烧器含有几个块体（部件）时是易于加工的，而且对于用陶瓷材料制成的元件来说，燃烧器在高温时具有良好的耐久性。
根据本发明的燃烧器可用于对流体直接进行预加热。
根据本发明的燃烧器在金属制件的条件下可容易地加以冷却。
根据本发明的燃烧器完全适宜于从氧和甲烷开始生产的合成气。
根据本发明的燃烧器可有利地应用于1987年12月18日提交的欧洲专利申请号87.402.929.1所述的方法和装置。
因此，本发明涉及生产合成气的反应器用的一种燃烧器，可分别地至少将两种流体传送到反应区中，一种流体用作燃料，另一种流体用作助燃剂。此燃烧器特征在于它具有一个实心元件，在此实心元件中包含进入不同深度的孔，这些孔在它们的终端一头通向反应器，而另一头则根据由所考虑的孔传送的流体，或者是通向燃料进给装置或者是通向助燃剂进给装置。
至少，用来作为同一流体的进给的孔组合体中的一个孔，应开在有关进给装置中的同一深度处。
进给装置之一可具有由实心元件的一个表面部分地划定容量的界限。
进给装置之一可含有管道之间连接的，且穿过实心元件的一个通路网，至少有一些孔是用来传送同一流体的。
通路网可含有在管道之间相通的道路，显然是在靠近实心元件的中央部分。
实心元件可包含几个重叠块。
至少这些块之一可具有槽或凹肩，用来作为至少某些流体传送 孔的进给。
实心元件可含有载热流体或冷却剂的环流回路。
至少某些孔可通过钻孔而实现的。
燃烧器可包含陶瓷材料。
本发明通过以下述特殊实例的叙述和附图将毫不保留的，使人们更好地理解，从而其优点更是显而易见的。
其中：
-图1概括地表示将两种流体分别向反应区传送的燃烧器。
-图2涉及传送三种流体的情况。
-图3概括地说明燃烧器将两种流体向反应区传送的情况，以及燃烧器含有冷却流体环流回路的情况。
-图4和图5表示至少含有两个块和几个槽的一种燃烧器的情况。
-图6、7和8表示含有由几个接触片至少两个块组装成的一种燃烧器的情况。
-图9、10、11和12表示可将三种不同流体向反应区传送的含有三个块的一种燃烧器。
-图13说明可将三种流体向反应区传送的一种整体（单块）燃烧器。
-图14表示一种实施起来比较简便的一种整体（单块）燃烧器。
图1的标号1表示在总体中的一种燃烧器。
此燃烧器含有室2，室中放置一实心元件3，此实心元件含有不同的气体通道孔。
图1中实心元件含有传送第1种流体的孔4和传送第2种流体的孔5。这些孔使气体向反应区10传送。
在图1的情况下，室2的下部具有截锥形6，此截锥形6与实心元件3一起划定室7的界限，室7可用来作为孔4的第1种流体的 进给室，管8则将第1种流体供给于室7。
当然，此室7除了呈截锥形外，可具有其它形状。
在图1的情况下，实心元件3可靠在挡块面9上，挡块面9在图1的情况下往往是由截锥形室7上部的外围区所形成的。
第1种流体由孔4穿过实心元件3的一边输送到其另一边，因此，可在截锥形室7和反应区10之间传送流体。
孔5输送第2种流体由反应区10向中间水平面11延伸。
在如图1的情况下，孔5显然是完全在同一中间水平面11上中断。
这些孔5通过（通路）或横向孔12而在这些孔之间连通。
当然这些横向孔12不穿过传送第1种流体的孔4。
在图1的情况下，横向孔12与室13相通，此室13特别是在室2具有圆柱形状的有利情况下，可以是环形的。
第2种流体通过管道14供给室13。
第1种流体的进给回路和第2种流体的进给回路之间的密封性可通过在室2中的实心元件3的安装精密度或使用密封环或通过焊接而确保的。
图2表示另一实例，它不同于前例，在于此实例具有输送第3种流体的孔15。
孔15是通过与室13相同类型的室17进料的，但室17是位于与室13不同的另一水平面。
孔15在中间水平面16处中断，这与中间室13的水平面11是不同的。
此室17是通过（通路）或横向孔18而与所有的孔15相通。
当然，第1种、第2种和第3种流体的回路是不相交的，但是这三种流体都是流入反应区10中的。
标号19表示第3种流体的室17的进给管。
如上所述的，不同回路之间的密封性可通过在室2中元件3的精密安装或使用密封环或甚至使用焊接而确保的。
标号20表示实心元件3的支承凸缘。
图3是燃烧器，与相应的图1实例的燃烧器不同，它具有冷却回路。
在图1、2和3中，相同的部件具有同一标号。
通路或孔21是不与反应区10相通的横向通道。
这些通路用来作为一种载热流体或冷却剂的环流。
此环流可冷却实心元件或再加热实心元件。
从管道22开始将载热流体供给于通路21。
管道23表示在孔21中环流的载热流体的排出管。
载热流体的孔可通过进给室而供料，通过另一室而排空，这两个室是分开的以便使载热流体在实心元件3中具有有效的环流。
当然，载热流体回路与其它流体环流回路是不相通的。
实心元件3可使用单块或使用几个重叠块而实现。
在实心元件3仅使用单块实现的情况下，传送不同流体的孔以及横向孔道或通路可通过钻孔而实现。
图5表示含有两个重叠块24和25的实心元件3。
图4是图5的局部俯视图，图5本身是图4的AA线条局部剖面图。
孔26用于将第1种流体向反应区传送，而孔27用于将第2种流体向同一反应区传送。
块24或上块显然在其整个长度上具有孔27，孔26只有在其长度的一部分上，而块25或下块仅具有孔26的长度的一部分。
因此在此实施方式（图4和图5）中，块24和块25的组装使孔26出现在其整个长度上。当然，块24和25必需组装在一起使上块24中含有的孔26部分和下块25中含有这些相同孔部分相符合一 致。
槽或缺口28是上块24和下块25在同一支承面水平面29上实现的。
在图4和5的情况下，这些槽彼此之间是垂直的，且可实现第2种流体在各个不同传送孔27之间的连通。
当然，当这些槽能从进料室开始将第2种流体供给于各个不同的传送孔时，至于槽的形状和其布置可以不同于图4和图5所示的。
事先要考虑到槽28不能穿入第1种流体的传送孔26。因此，孔26由足够厚度的材料29所包围。
当然，如果槽是在下块上或者局部地在两个块上实现的，仍未超出本发明的范围。
图6和图7表示另一实施方式。
标号30表示第1种流体的传送孔，而标号31表示第2种流体的传送孔。
含有孔30和31的实心元件32包括两个块33和34，如图6所示，块34位于块33的上面。
图7表示上块34的局部仰视图，而图8表示下块33的局部俯视图。
上块含有凸缘35或接触片，凸缘在其长度的一部分围绕第1种流体的传送孔。
当将上块34是放置在下块33上时，在凸缘35之间的自由区36划定第2种流体传送孔31的进给网。
两个块34和33的重叠是这样进行的，即处于上块34中的第1种流体传送孔的长度部分是与处在下块33上的相同孔的长度部分是面对面的。
一种保证第1种流体传送孔长度部分的重合是预先考虑到在下 块33上的凹肩加工37，在该凹肩加工中，仅放入凸缘35的一部分，以便安排一足够的空间让第2种流体的环流供给于第2种流体的传送孔31。
由自由空间36划定界限的进料网的进给，与图1所示实例的情况相同，可能由环形室实现的。
图10和12说明燃烧器的一实施例，其中，流体的分别传送是从3个不同的入口38、39和40开始实现的，此燃烧室包括形成实心元件44的三个块41、42和43。图10和图1-3的共同部分具有相同的数字标记。因此，标号6表示截锥形7，标号9表示实心元件44的支承挡块面，而标号20表示支承凸缘。
来自入口38、39和40的流体分别表示第1流体、第2流体和第3流体。
图9表示图10的燃烧器的局部俯视图，图10本身是根据图9线条AB的截面图。
图11是上块43的仰视图，而图12是中间块42的仰视图。
标号45、46和47分别地表示第1种、第2种和第3种流体的传送孔。
上块43包含第3种流体的传送孔47以及从室49开始的孔47的进给槽48。考虑到图11所示的槽48的形状，室49应供料于所有的槽，这是通过此室49的环形形状而获得的。
根据另一种变型上块43，可在其下表面上具有一凸肩，入口49通向此凸肩，而凸肩与中间块顶面部分和室2划定一环形室界限。
上块43在其长度的一部分46a上包含第2种流体的传送孔46。这些孔的另一部分46b是位于中间块42上。孔46是通过槽50供料的，这些槽如图12所示处于中间块42的下表面上。这些槽从第2种流体入口39而开始构成孔46的进给网。
从图12中可看到槽50汇合于中间块42的中央部分51。
因此，进料室52如有必要可以被缩小。
第1种流体的传送孔45从实心元件44的一边穿透另一边。它们分别按其长度部分45a，45b和45c穿过上块、中间块和下块以通入室7中。
当然，块41、42和43是定位的且在组装时是合理地放置，从而使流体能正确地供给于孔45、46和47。
图13表示相对于图10的实施方式，但仅含有构成实心元件54的单块53。此实心元件含有形成第3种流体传送孔的钻孔55，这些钻孔与钻孔55的径向进给钻孔56相交。
径向钻孔在一槽57中开通，槽57与第3种流体的入口40相通。
第2种流体的供给孔58是通过在径向钻孔59中开通的轴向钻孔而实现的，径向钻孔与孔58相交而形成孔58的进给通路。
径向钻孔59可通向中央部分60或通过与第2种流体入口39相通的槽61而使它们彼此相通。
很明显，钻孔56也可以是汇合的，且它们在实心元件的中央部分是彼此相通的。
对于图10的槽48来说是一样的。
最后，图13所示的实心元件的单块44含有从实心元件一边穿透到另一边的钻孔62，且用来作为第1种流体的传送孔。
在图10和13所示的实施方式中，实心元件具有圆柱形，而进给孔一般是位于径向半轴上，彼此交错排列从而避免了用作流体传送的孔的相互连接，以使各种流体在流入反应区10前不混合。
因此，显然地一旦流体进料网彼此不相通，而实施传送孔的不同分布时不会起超出本发明的范围。这种实施可通过传送孔进给通路的适当的布局而获得，当实心元件是通过几个块的堆积而组合时，就易于实现这样的布局。
图14表示根据本发明装置的一种简易实施方式。
燃烧室含有两个部分，一个是室63，以及一个是带有凸肩65的实心元件64，此凸肩支撑在室63的上边缘66上。
另一方面，室63包括由凹肩加工形成的支承挡块67。
相对于室63上边缘66的凹肩加工所实施的深度是这样的，即显然地，相当于实心元件下表面68与同一实心元件凸肩65的下表面69的隔开高度，且插进置于接触区中的密封环70和71。
实心元件63含有位于前述上部水平面的第2个凹肩加工72以便形成环状室73，且由第2种流体的引入管道74穿过入孔75以供料于环状室。
实心元件64含有可以是径向的且与室73和显然是轴向的钻孔77相通的钻孔76。钻孔77构成第2种流体的供料孔。
实心元件64含有形成第1种流体供给孔的轴向钻孔78，第1种流体是来自位于实心元件64下面的室79。
此燃烧器是一种特别简便的实施。
用耐热钢制成的相当于图14的燃烧器进行了试验，这些试验提供了优良的结果，与含有管路的燃烧器比较，在相同条件下操作，其烟灰率为后者的1/10。

Claims (10)

1、生产合成气的反应器用的燃烧器，允许将至少两种流体分别地传送入反应区中，一种流体用来作为燃料，而另一种流体用作助燃剂，其特征在于燃烧器含有一实心元件，实心元件中包括进入不同深度的多个孔，这些孔的终端之一通向反应器，而另一端则根据由所考虑的孔传送的流体，通向燃料进给装置或者通向助燃剂进给装置。
2、根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于用作同一流体的进给的诸多孔组中至少有一个孔在同一深度处与有关的进给装置相通。
3、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于所述进给装置之一包含由所述实心元件表面之一部分地划定容量的界限。
4、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于所述进给装置之一包含彼此连接且穿过所述（实心）元件的一个通路网，至少有些孔是用来传送同一流体的。
5、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于所述通路网包含彼此相通的通路，显然是在靠近所述实心元件的中央部分。
6、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于所述实心元件含有几个重叠块。
7、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于至少所述重叠块之一包含槽或缺口，用来作为至少某些所述流体传送孔的进给。
8、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于所述实心元件包含一载热流体或冷却剂的环流回路。
9、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于至少某些所述孔是通过钻孔而实现的。
10、根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于燃烧器包含陶瓷材料或耐火材料。
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