CN103228990A

CN103228990A - 燃烧器

Info

Publication number: CN103228990A
Application number: CN2011800577899A
Authority: CN
Inventors: J·H·M·迪塞尔霍斯特; J·C·德容
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-07-31
Also published as: AU2011334996A1; EP2646754A1; ZA201303650B; RU2013129933A; WO2012072667A1; JP2014501904A; US20130288190A1; KR20140004668A

Abstract

本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器包括：（a）燃烧器管；（b）混合装置，所述混合装置布置在燃烧器管中，用于混合含氧气体和燃料气，并且用于排放燃烧器管内的合成气体混合物；和（c）稳定装置，所述稳定装置位于混合装置的下游处、在燃烧器管的中心内，其中，所述稳定装置包括圆锥形体，所述圆锥形体沿着流动方向变宽。

Description

燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，更具体地，本发明涉及一种气体燃烧器，其中，在点燃之前预先混合燃料气和含氧气体。本发明的燃烧器尤其适于作为在部分氧化反应器中的辅助燃烧器或者加热燃烧器，所述部分氧化反应器用于通过部分氧化气态含烃燃料来制造合成气。

背景技术

部分氧化处理例如用于生产加压的合成气、燃料气或者还原气。为此，气态或者液态烃燃料和含氧气体经由如例如在WO-A-96/003345中描述的主要气化燃烧器被引入到反应器中。在反应器中保持火焰，在所述反应器中，燃料与含氧气体发生反应以形成包括一氧化碳和氢的气体。

为了启动部分氧化反应器，反应器及其耐火内衬的温度应当升高到足够高的水平，以使得能够用含氧气体自点燃燃料，从而启动部分氧化反应。为此，可使用辅助燃烧器。辅助燃烧器必须具有足够大的能力来使反应器和耐火内衬的温度升高至如此高的水平，以使得在这些反应物经由主要气化燃烧器被引入到反应器中时自发地点燃由含氧气体和烃燃料构成的混合物。因此，目的一直是使辅助燃烧器的能力（即，在燃烧器嘴处每单位面积所产生的能量）最大化。

将辅助燃烧器以永久方式或以可收回的方式沿着主要气化燃烧器的中心轴线适当地定位在主要气化燃烧器内部。以这种方式，在反应器中不需要单独的喷嘴和耐火火花塞。因为主要气化燃烧器的尺寸是有限的，所以辅助燃烧器必须结构紧凑，以装配在所述主要气化燃烧器内。

例如，EP-A-2,085,696公开了一种辅助燃烧器，所述辅助燃烧器包括点火燃烧器，所述点火燃烧器连接到第一燃料供给管路和一根或多根第二燃料供给管路，各根管路均通向距离点火燃烧器下游一段距离处的燃烧器嘴。用于含氧气体流的供应装置定位在点火燃烧器的上游。第二燃料供给管路的燃烧器嘴各个由沿着流动方向变宽的锥形盘适当地包围。燃烧器嘴中的喷嘴开口定向成沿着锥形盘的内侧引导气体流。这导致提高了来自第二燃料供给管路的燃烧器嘴的火焰的稳定性。

根据EP-A-2,085,696的来自辅助燃烧器的火焰由多个火焰构成，这使得更难以控制火焰的稳定性。而且，在EP-A-2,085,696的辅助燃烧器中，没有预先混合燃料和含氧气体，这增加了在燃烧器内部形成积灰的风险。最后，制造这种辅助燃烧器相对复杂，原因在于多根燃料供给管路应当围绕中心点火燃烧器对称地布置。

发明内容

本发明旨在提供一种改进的燃烧器。

因此，本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器包括：

（a）燃烧器管，

（b）混合装置，所述混合装置布置在燃烧器管中，用于混合含氧气体和燃料气，并且用于排放燃烧器管内的合成气体混合物；和

（c）稳定装置，所述稳定装置位于混合装置的下游处、在燃烧器管的中心内；

其中，稳定装置包括圆锥形体，所述圆锥形体沿着流动方向变宽。

本发明的燃烧器具有高加热能力并且非常紧凑。而且，其具有单根燃料供给管路而且制造不太复杂。还发现的是，由于稳定器的特殊构造，火焰稳定性非常好，而同时可实现燃料的高通过量。本燃烧器的紧凑性、高加热能力、良好的火焰稳定性和高燃料通过量使得本发明的燃烧器非常适于作为部分氧化反应器的主要燃烧器内的辅助燃烧器。

如在此所使用的表述“流动方向”、“上游”和“下游”指的是当燃烧器处于操作中时燃烧器中气体（即，燃料气、含氧气体和由燃料气和含氧气体构成的混合物）的流动方向。

稳定装置或者稳定器沿着燃烧器管的纵向轴线布置在燃烧器管的中心内。稳定装置的功能在于确保由燃料气和含氧气体构成的混合物在稳定装置与燃烧器管的内壁之间的区域中稳定且均匀地流动，以使得在稳定装置下游处存在朝向燃烧器头部的稳定火焰。

根据本发明，稳定装置在稳定装置的下游端部处包括圆锥形体，其中，圆锥形体沿着流动方向变宽。给定稳定装置的位置，圆锥形稳定器体的轴线与燃烧器管的纵向轴线一致。在与圆锥形稳定器体相关的连接中使用术语“轴线”指的是通过圆形基部的中心和圆锥形稳定器体的（虚拟）顶点的直线，围绕所述直线，圆锥形稳定器体的侧表面或者外表面具有旋转对称性。

除了圆锥形体，稳定装置还可以包括一个或多个圆筒形体，所述圆筒形体连接到圆锥形体的上游端部和/或下游端部，一个或多个圆筒形体与圆锥形体连接成使得一个或多个圆筒形部件的纵向轴线与圆锥形部件的轴线一致。与圆锥形部件的下游端部连接的稳定器的任何圆筒形部件的直径将适当地与圆锥形部件的圆形基部的直径基本上相同。在本发明的优选实施例中，稳定装置还包括连接到圆锥形体的上游端部的圆筒形体。稳定器的下游圆形端部，即，稳定器的圆锥形部件的基部或者圆筒形部件的下游端部可以是闭合的环面或者可以是开口的。因此，在上游端部或下游端部处，圆锥形部件和/或与其相连的任何圆筒形部件能够是实心的或者中空的。在一个优选实施例中，圆锥形体是实心体。在另一个优选实施例中，圆锥形体是中空体。在再一个优选实施例中，稳定器由圆锥形部件构成，所述圆锥形部件在其上游端部处与圆筒形部件连接，其中，圆锥形部件和圆筒形部件是中空的，其中，圆筒形部件在其上游端部处是闭合的。

锥角α是圆锥形稳定器体的轴线和侧表面之间的角度。所述锥角α适于位于5度至45度的范围内，优选地介于8度至30度之间，更加优选地介于10度至20度之间。

稳定装置的尺寸可以根据燃烧器管的尺寸有所变化。已经发现的是，稳定器的圆锥形体的圆形基部的直径和燃烧器管在这个圆形基部处的内径之间的比率适当地处于0.35至0.95的范围内，优选地处于0.45至0.92的范围内而且更加优选地处于0.50至0.90的范围内。在稳定器包括圆锥形部件和位于圆锥形部件上游处的圆筒形部件的情况中，圆筒形部件的直径通常是圆锥形部件的圆形基部的直径的40%至90%，优选地为45%至85%，而且更加优选地为50%至80%。稳定器的各个部件的长度之间的比率将尤其取决于所需性能和由含氧气体和烃燃料气体构成的混合物的气流速度，针对预期情况来选择适当的比例很好地落入本领域技术人员的正常理解范围内。

燃烧器管和稳定器的绝对尺寸尤其取决于预定用途、气流速度和燃烧器的所需性能，而且选择适当的尺寸很好地落入本领域技术人员的正常理解范围内。例如，稳定器的圆锥形体的圆形基部的直径可以适当地处于25mm至80mm的范围内，而燃烧器管在布置有上述圆形基部的地方处的直径可适当地大约在圆形基部直径的1.1倍至2倍之间。

在燃烧器中常出现的现象是高速运动通过燃烧器的气体的共振。当燃烧器处于操作中时，这种共振例如可能导致燃烧器产生噪音和/或燃烧器开始振动。根据燃烧器操作的情况，声强必须保持在可接受的界限内。如果噪音变为不可接受的声音，即，声强太高，则必须采取措施来减小噪音。如果振动变得太猛烈，则这可以导致对燃烧器造成严重损坏并且将影响燃烧器的性能和使用寿命。而且，这甚至可能导致对主燃烧室造成损坏。为了防止或者无论如何抑制任何共振作用，本发明的燃烧器还可以包括一个或多个共振抑制装置，诸如隔板、轮叶或者叶片。这些共振抑制装置将通常布置在稳定器的圆锥形部件的上游处，例如布置在圆筒形部件上，所述圆筒形部件与圆锥形部件在圆锥形部件的上游端部处连接。

燃烧器管适当地是具有纵向轴线的管状体，例如，开口筒体。燃烧器嘴（即，燃烧器管的火焰离开燃烧器的端部）可以具有与燃烧器管的上游部件的直径相同的直径，但是也可具有更小或者更大的直径。燃烧器管还可在稳定器的圆锥形部件开始变宽的位置处开始沿着下游方向变宽，从而例如平行于稳定器的圆锥形部件变宽。本领域技术人员能够尤其根据预定用途、期望的气体通过量、气体速度和所需的能力来选择燃烧器管的最佳形状。

制成燃烧器的各个部件的材料是那些燃烧器常用的材料，并且根据最大许可温度来选择适当的材料很好地落入本领域技术人员正常理解的范围内，在运转时在燃烧器内可达到所述最大许可温度。所述常用的材料的示例是耐热钢。

根据本发明的燃烧器是预混合型的燃烧器。因此，所述燃烧器包括混合装置，所述混合装置用于在稳定器的上游混合含氧气体和燃料气，其中，含氧气体和燃料气在被引导到稳定器附近且被点燃之前进行混合。其它类型的燃烧器是这样的燃烧器，在所述燃烧器中，燃料气和含氧气体仅仅在燃烧器开口附近混合，在所述情况中，随后点燃合成混合物。在上述EP-A-2,085,696中公开了这种类型的燃烧器。

在根据本发明的燃烧器中，混合装置适当地为混合管，所述混合管在混合管与燃烧器管的内壁之间的空间中具有：用于供应燃料气的一个或多个入口；用于供应含氧气体的一个或多个入口；和用于从混合管排放由燃料气和氧化气构成的混合物的一个或多个出口。混合管适当地布置成使得其纵向轴线与燃烧器管的纵向轴线一致。在本发明的一个优选实施例中，混合管在用于燃料气的入口下游处具有用于燃料气的单个入口和用于含氧气体的多个入口。可例如通过混合管的上游端部处的喷嘴喷射燃料气，而含氧气体可通过混合管中的一个或多个孔或狭缝进入混合管。典型地，孔或狭缝的数量在某些程度上由混合管的尺寸并且通过所需的氧气量来确定。实践上，混合管可包括用于含氧气体的1至10个孔、狭缝或者不同形状的入口。如果以高速率吹送燃料气，则所述燃料气可以吸入到含氧气体中，在混合管内部所形成的湍流中均匀地混合这两种气体。可替代地，含氧气体和燃料气都经由适当的喷嘴被喷射到混合管中，并且在所形成的湍流中混合两种气体。可以由诸如轮叶的特定内部构件来增强混合管内的任何湍流。

然后，通过位于用于含氧气体的入口的下游处的多个出口从混合管适当地释放由含氧气体和燃料气构成的合成混合物。明显地，用于含氧气体的入口与用于由含氧气体和燃料气构成的混合物的出口之间的距离应当足够长以允许有效混合。而且，在气体混合物流向稳定器以便被点燃的同时，其还用作用于燃烧器及其内部部件的冷却装置。冷却燃烧器及其部件对于保持燃烧器运转来说很重要。太高的温度将导致部件退化，以及最终导致热容量降低和性能较差。

含氧气体可例如是环境空气或者富含氧气的空气，即，包含多于21vol%（体积百分比）氧气的空气。

待使用的燃料气是含烃的可燃气体、适当的含烃气体，所述适当的含烃气体可用作供给到部分氧化反应以形成由一氧化碳和氢气构成的混合物的进料。适当的进料的示例是甲烷，包括诸如天然气、相关的气体或者C_1-4碳氢化合物的混合物的进料。优选地，进料主要包括即，多于80vol%的C_1-4碳氢化合物，尤其是多于90vol%的C_1-4碳氢化合物。在预重整天然气以用于随后的部分氧化反应来形成由一氧化碳和氢气构成的混合物的情况下，使用非常适当的天然气或者预重整反应器的流出物。

优选地，燃烧器包括点火装置，诸如，火花塞、热线点火或者它们的组合，以便点燃由燃料气和含氧气体构成的可燃混合物。点火装置适当地内置在燃烧器内的这样位置处，使得朝向燃烧器嘴点燃由含氧气体和燃料气构成的可燃气体混合物，以便获得稳定的火焰。在本发明的优选实施例中，点火装置是附接到稳定器的一个或多个（通常不超过四个）火花塞。如果稳定器包括上游圆筒形部件，则一个或多个火花塞适当地布置在这个圆筒形部件上。

燃烧器还适当地设置有火焰探测装置。所述火焰探测装置将布置在燃烧器管内的这样位置处，使得所述火焰探测装置可有效地探测火焰。通常，所述火焰探测装置将处于稳定器中、稳定器上或者稳定器下游处。例如通过扫掠电离或紫外线来实施火焰探测。优选地，火焰探测装置是电离棒，所述电离棒从稳定器体的下游端部处的圆形基部的中心处沿着流动方向延伸。也可适当地使用紫外线探测装置，诸如火焰监视器，但是因为这种类型的探测装置具有较差的耐热性，因此其应该位于没有暴露于火焰的最大热量的这样的位置处。例如，在中空稳定器的情况中，紫外线探测装置适当地布置在稳定器内部。

本发明的燃烧器还可以包括通常存在于这种类型的燃烧器中的元件和部件，诸如，垫圈、壳体、凸缘、边沿、用于供应燃料气的管和用于供应含氧气体的管、喷嘴等。

根据本发明的燃烧器对于用于部分氧化反应器的高性能、紧凑的辅助燃烧器或者加热燃烧器来说尤其有用。可选地，燃烧器可以是主要气化燃烧器的一体元件，例如，作为可伸缩的元件或者固定的元件。如果根据本发明的燃烧器用作辅助燃烧器并且形成主燃烧器的一体元件，则用于主燃烧器的含氧气体围绕该辅助燃烧器流动。以这种方式，这种含氧气体流也用作用于冷却辅助燃烧器的燃烧器管的外壁的冷却装置。作为冷却燃烧器管的附加或者替代方式的是借助于闭合环路燃烧器冷却水系统。适当地，本发明的燃烧器设计成使得火焰和燃烧器之间的直接接触最小化，以避免在所述燃烧器嘴的内侧上燃烧和形成结焦。

附图说明

现在将参照附图仅仅通过举例的方式更加详细地描述本发明，其中：

图1以纵向剖视图示出了根据本发明的燃烧器的下游部件。

具体实施方式

在图1中，由圆锥形部件（3）和连接到圆锥形部件（3）的上游端部处的圆筒形部件（4）构成的稳定器（2）沿着燃烧器管（1）的纵向轴线（7）布置在燃烧器管（1）的中心内。箭头表示由含氧气体和燃料气构成的可燃混合物的流动方向，通过在布置在燃烧器管的上游区段中的混合装置中混合燃料气和含氧气体来获得所述混合物。稳定器的圆筒形部件（4）包括火花塞（5），同时，电离棒（6）从稳定器（2）的下游端部处的圆形基部延伸。中心管（8）用于支撑稳定器（2）并且用于引导连接到电离棒（6）的电连接。

示例

在688kg/hr（千克/小时）的空气流和40kg/hr的天然气流的条件下以17.2的空气/天然气比例来操作具有根据图1的下游部件的燃烧器，所述下游部件的尺寸为

-管（1）的内径为54mm；

-实心圆锥形部件（3）的圆形基部的直径是46mm。

燃烧器给出19.9mA的强烈电离信号，这说明火焰稳定性极好。

Claims

1.一种燃烧器，所述燃烧器包括：

（a）燃烧器管；

（b）混合装置，所述混合装置布置在所述燃烧器管中，用于混合含氧气体和燃料气，并且用于排放所述燃烧器管中的合成气体混合物；和

（c）稳定装置，所述稳定装置位于所述混合装置的下游处、在所述燃烧器管的中心内，

其中，所述稳定装置包括圆锥形体，所述圆锥形体沿着流动方向变宽。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述圆锥形体是实心体。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述圆锥形体是中空体。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的燃烧器，其中，所述稳定装置还包括圆筒形体，所述圆筒形体连接到所述圆锥形体的上游端部。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的燃烧器，其中，所述圆锥形体的锥角处于5度至45度的范围内。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的燃烧器，其中，所述圆锥形体的圆形基部的直径与所述燃烧器管的在所述圆形基部处的内径之间的比率介于0.35至0.95的范围中。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的燃烧器，其中，所述混合装置是混合管，所述混合管布置成使得所述混合管的纵向轴线与所述燃烧器管的纵向轴线一致。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的燃烧器，其中，所述燃烧器还包括火焰探测装置。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的燃烧器，其中，所述燃烧器还包括点火装置。