CN103380328B - 一种燃烧器和包含这种燃烧器的燃烧炉 - Google Patents

Abstract

一种用于燃烧炉的燃烧器，包括至少一个用来供给氧化介质的供给通道和多个外围的燃料供给通道，其中，氧化介质供给通道和燃料供给通道具有设置成在燃烧器的端面处彼此相邻的输出口，用于在使用期间在所供给的燃料和所供给的氧化介质发生反应时形成火焰锋，其中，氧化介质供给通道的输出口和燃料供给通道的输出口相对于与端面垂直的至少一个对称平面设置成非对称的，使得在使用期间形成了相对于与端面垂直的至少一个对称平面是非对称的火焰锋。

Description

一种燃烧器和包含这种燃烧器的燃烧炉

技术领域

本发明涉及一种用于燃烧炉的燃烧器。

背景技术

这种燃烧器是熟知的，且广泛地应用于高温和/或低温燃烧炉中，比如工业裂解装置或加热器或蒸汽转化装置。高温燃烧炉被认为是用于工业生产的，因而不是实验室规模，其在相对高的温度下操作。典型地，温度操作范围在大约1100℃与大约1400℃之间。维持该操作温度是相当关键的。这种燃烧器也可以应用在操作温度在1100℃到1400℃范围之外的低温燃烧炉中。通常地，这种燃烧器壁装式地或落地式地或顶挂式地安装在燃烧室的辐射部分中。燃烧器产生了加热燃烧炉的火焰锋。在燃烧炉中设置了加工管，待加工的产品、例如待裂解的碳氢化合物以以相对高的速度从中经过。为了增加产量，通常燃烧器以相对紧凑的结构布置。这种燃烧器和/或它们相对紧凑的布置的缺点是会发生火焰的相互作用，或者发生火焰向加工管的翻转，这甚至会到达工艺管处。这显著地减低了加工的效率和管的使用寿命。由于火焰的翻转，加工管中的成焦过程被加速，这样降低了除焦循环之间的时间间隔，且降低了加工效率和燃烧炉的加工能力。另外，由于火焰冲击加工管，加工管外的大气被交替地还原/氧化，从而导致加工管材料的降解。这增加了成本，且降低了燃烧炉的实用性和/或生产能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免了至少上面提及的缺点中之一的燃烧器。

此外，本发明提供了一种用于燃烧炉的燃烧器，包括至少一个用于供应氧化介质的供给通道和多个外围的燃料供给通道，其中，所述氧化介质供给通道和燃料供给通道具有设置成在燃烧器的端面处彼此临近的输出口，用于在使用期间在所供给的燃料和所供给的氧化介质发生反应时形成火焰锋，其中，通过将燃料输出口的分布和/或燃料输出口的尺寸和/或燃料输出口的出口角度和/或燃料输出口的形状设置成相对于与所述燃烧器的端面垂直且穿过燃烧器的中心轴线的任何平面为非对称的而使所述氧化介质供给通道的输出口和所述燃料供给通道的输出口关于所述任何平面设置成非对称的，以致在使用期间形成了相对于所述任何平面是非对称的火焰锋。通过提供这样的燃料输出口和氧化介质输出口的布置，得到一种非对称的火焰锋，这避免和/或减小了相邻燃烧器的火焰锋的相互作用，从而减小了火焰翻转的风险。发明人通过实验发现，在使用产生了非对称的火焰锋的燃烧器时，火焰翻转几乎不会存在。因此，管和/或燃烧炉的使用寿命、使用成本、使用效率和/或加工能力变得更可预见和更可控。

应注意的是，已知的燃烧器构造成能产生带对称的火焰锋的火焰。实际上，已知的燃烧器需要符合要求保证对称的火焰形状(例如圆锥形的、圆柱形的或鱼尾形的)的燃烧器标准。例如在“BurnersforFiredHeatersinGeneralRefineryServices,APIRecommendedPractice535(SecondEdition,January2006)”中定义了这种燃烧器标准。

例如，这种燃烧器例如可从US2003/148236中得知，该文献描述了一种超低NOx的燃烧器，其中在带有燃料和氧化剂的供应的大型涡流装置的周围提供了多个燃料分级喷口。这种如该文献所公开的用于过程加热应用的超低NOx气体燃料燃烧器能够实现具有超低NOx排放的非发光的、均衡的且充满燃烧室的火焰。这通过应用火焰稳定器来实现，其用于保持总体的火焰稳定性，并使多个下游的均匀间隔的和发散的燃料喷口在若干紊流射流中注入均衡的燃料，以用来产生大量的内部烟气再循环。US2007/254251描述了一种超低NOx的燃烧器，其带有相对于燃烧器组件轴线在周向位置处以角度错开的形式布置的燃料喷嘴和氧化剂喷嘴。燃料喷嘴可以设置在相对于燃烧器组件喷嘴的不同的或相同的径向距离处。此外，富氧火焰稳定器可以安装在炉瓦中，用来在富氧燃烧期间提供稳定的火焰。

火焰形状由炉瓦、气体喷头的钻孔和燃烧器的空气动力学性能来决定。圆形的炉瓦用来产生圆锥形的或圆柱形的火焰形状。平的火焰燃烧器设计成具有矩形的炉瓦，并能产生鱼尾形的火焰。当靠近耐火砖墙点火或加工管空隙受到限制的时候可使用这些燃烧器。

在整个申请中，火焰锋的术语“对称性”和“非对称性”依据三维反射对称性的定义。三维反射对称性定义为关于对称平面的反射对称。出于完整性的缘故，应当注意两维反射对称性可定义为关于线或轴的反射对称，这样便与三维反射对称性清楚地区分开。

在本发明的进一步的阐述中，垂直于燃烧器的端面的对称平面定义为设置在燃烧器的端面处的燃烧器的炉瓦(例如圆形的炉瓦或矩形的炉瓦)的对称平面。

根据本发明的另一方面，氧化介质供给通道的输出口和燃料供给通道的输出口关于任何的炉瓦对称平面非对称地设置，所述对称平面或任何对称平面设置成垂直于端面，也就是炉瓦设置在燃烧器的端面。

因此，根据本发明，燃烧器，至少是燃烧器的包含氧化介质供给通道的输出口和燃料供给通道的输出口的端面没有对称平面。因此，通过根据本发明的燃烧器产生的火焰锋也没有对称平面。通过这种燃烧器，至少部分地克服了现有燃烧器的缺点，以致避免和/或至少减小了相邻燃烧器的火焰锋之间的相互作用，因此降低了火焰翻转的危险。

燃料输出口为非对称的布置。例如，燃料输出口的容量是不同的，例如大容量输出口和小容量输出口，所述容量为非对称的布置。在一个实施例中，燃料输出口本身在几何学上关于对称平面对称地分布，但是在小容量输出口和大容量输出口之间存在不同，导致了容量的非对称分布。

本发明可有利地应用于燃烧炉，这是因为对它来说达到燃烧室的操作温度至关重要。此温度可以是高温燃烧炉中的相对高的温度，也可以是低温燃烧炉中的相对低的温度。

作为替代和/或附加，燃料输出口的几何分布关于对称平面可以是非对称的，导致了非对称的火焰锋。例如，当以非对称分布的方式布置相同的燃料输出口的时候，可以形成非对称的火焰锋。

作为替代和/或附加，输出口的尺寸关于对称平面可以是非对称地布置，导致了非对称的火焰锋。例如，燃料输出口可以设置成关于对称平面对称地分布，但是通过提供不同的关于对称平面非对称地分布的输出口的尺寸，可以产生非对称的火焰锋。

作为替代和/或附加，输出口的输出口角度关于对称平面可以是非对称地分布，目的是产生非对称的火焰锋。

作为替代和/或附加，输出口的形状关于对称平面可以是非对称地分布，以用来产生非对称的火焰锋。

通过在燃料供给通道上提供端头，其中所述端头包括输出口，能相对容易地得到燃料输出口的非对称布置。端头通常是可替换的，所以通过更换端头可以改变输出口的布置。优选地，不同的端头设置成用来产生非对称的火焰锋。端头在容量、输出口的尺寸、输出口的数量、输出口的输出角度和输出口的形状等方面存在不同。

本发明还涉及一种包括至少一个能提供非对称的火焰锋的燃烧器的燃烧炉。

下文将进一步阐述优选实施例。

附图说明

将基于在附图中表示的示例性实施例来进一步详细地描述本发明。通过本发明的非限定性例子给出了示例性实施例。

在图中：

图1显示了根据本发明的带有燃烧器的燃烧炉的示意性透视图；

图2显示了图1所示燃烧炉的细节的示意性透视图；

图3显示了根据本发明的燃烧器端面的一个实施例的示意性主视图；

图4显示了根据本发明的燃烧器端面的一个实施例的示意性主视图；

图5显示了根据本发明的燃烧器端面的一个实施例的示意性主视图；

图6a显示了端头的示意主视图；

图6b显示了图6a的端头的截面示意图；

图7a显示了布置在燃烧室侧壁上的标准现有技术的燃烧器的火焰包络的截面示意图；

图7b显示了根据本发明的非对称式燃烧器的第一个实施例的火焰包络的截面示意图；

图7c显示了根据本发明的非对称式燃烧器的第二个实施例的火焰包络的截面示意图；

图8a显示了设置在管间通道之间的标准现有技术的燃烧器的火焰包络的截面示意图；以及

图8b显示了根据本发明的设置在管间通道之间的燃烧器的火焰包络的截面示意图；

值得注意的是，附图仅仅是作为非限制性例子的本发明的实施例的示意性图示。附图中，相同的或类似的部件使用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1显示了包含燃烧室或辐射区2的燃烧炉1。在这里，燃烧室2作为大型矩形封闭腔室3来提供。典型地，腔室3为大约3m到4m宽、约10m到15m高且约10m到20m长。大约在腔室的中心设置了一排管道5，其典型地距离侧壁4为1m到2m的距离。所述管道5具有进入口6和排放口7，两个均位于腔室3的顶侧8。管道5可以设置为U形。备选地，圆形管道5可以具有设在腔室3的顶侧8的进入口6，以及设在腔室3的底侧8的排放口7。另外，对于管道来说其他的布置也是可能的。

在侧壁4中，这里是在底壁上布置了一排燃烧器10。备选地，燃烧器可以设置在侧壁上或顶壁上。因此，燃烧器10布置在管道5的两边，且从两边加热管道。在另一个实施例中，燃烧器可以设置在管道之间的通道中。燃烧器10产生能加热腔室3与设于其内的管道5的火焰锋。典型地，对于高温燃烧炉来说，腔室3被加热到大约1100℃到1400℃。

例如，在高温燃烧炉中，包含碳氢化合物如乙烷、丙烷或丁烷的流体通过管道5传送。典型地，这一流体以大约200m/s的速度传送经过管道5。在进入口6处流体的温度典型地为500℃到600℃。在流体在腔室3内的相对短的停留时间内，流体的温度被加热到大约800℃到900℃，以发生化学反应而生成例如乙烯或丙烯。

典型地，对于合金的管道而言，最高温度大约为1100℃。因此，重要地是火焰锋不能达到管道5，因为这样的话材料上的温度将变得非常高，和/或在管道的内侧会形成沉积物而降低反应效率。考虑到高效率，燃烧器10彼此相对地紧凑布置，然而这时可能发生火焰翻转，这降低了管道5和/或燃烧器2的使用寿命、使用效率和产能。

图7a和图8a示意性地显示了标准的对称式现有技术燃烧器的火焰包络的截面图。图7a显示了侧壁式安装的对称式现有技术燃烧器的火焰包络。图8a显示了安装在管道5的通道之间的对称式现有技术燃烧器的火焰包络。管道5可以向上延伸，且现有技术的燃烧器可以布置在底壁上。由于火焰包络的对称性，在C区可能会发生火焰之间的相互反应。

图2显示了燃烧器10和管道5。尽管端面11和管道5之间的距离是限定的，该距离典型地为大约0.5m到2m，但是火焰锋不能延伸到管道5上。

燃烧器10包括用于氧化介质(例如燃烧空气)的供给通道12和多个燃料供给通道13。燃料供给通道13相对于氧化介质供给通道12布置在其外围。供给通道12和13具有各自的终止于燃烧器端面11处的输出口14和15。输出口14和15彼此邻近地布置，使得在使用期间，当所供给的氧化介质与所供给的燃料发生反应时会产生火焰锋。燃料输出口15可以在端面11处终止，也可以略在端面11之外终止，例如当燃料供给通道13稍微地从端面11伸出的时候，或者，燃料输出口15可以在端面11之内终止，例如当燃料供给通道13于端面11的略微上游处终止的时候。可以进行许多的变化，且这些变化被认为处于在燃烧器端面11上布置输出口14和15的范围之中。

在使用期间，通过氧化介质供给通道12提供氧化介质，且通过氧化介质输出口14排放氧化介质。通过燃料供给通道13供应燃料，且通过燃料输出口15注入燃料。燃料和氧化介质将发生反应，生成用于加热腔室3的火焰锋。

优选地，火焰锋是非对称的，例如蛋形的或向内弯曲的凹形等。图7b、图7c和图8b显示了来自非对称燃烧器的非对称火焰包络的例子。通过使用非对称的火焰锋，相邻燃烧器10的火焰锋间相互作用就保持为有限的，这减小了其中火焰锋会到达管道5的火焰翻转的危险。特别是，图8b显示了在相邻的非对称的火焰包络之间没有相互作用。

为了生成非对称的火焰锋，燃料输出口15关于垂直于燃烧器10的端面11的对称平面非对称地布置。图3、图4和图5给出燃料输出口15了关于对称平面A非对称布置的例子。对称平面A定义为在燃烧器10的端面11处的对称平面，例如布置在燃烧器10的端面11处的炉瓦的对称平面。这样的对称平面A垂直于燃烧器10的端面11且同时穿过燃烧器10的中轴线(未示出)延伸。实际上，燃料输出口15可以关于垂直于燃烧器10的端面11且穿过所述燃烧器10的中轴线延伸的任何平面非对称地布置。燃料输出口15可非对称地布置，如图4所示。也可以非对称地分布燃料输出口的容量，如图3所示。大容量燃料输出口15a关于对称平面A非对称地布置。燃料开口15和15a关于对称平面A或任何对称平面对称地布置，仅仅是容量布置成非对称，这导致了非对称的火焰锋。

在另一个实施例中，如图4所示，燃料输出口15关于对称平面A非对称地分布，导致了非对称的火焰锋。换句话说，在图4中，燃料输出口15关于中心轴线C为非对称地分布，使得相邻的燃料输出口15关于中心轴C布置在彼此不同的周向距离和/或径向距离处。

在另一个实施例中，如图5所示，关于对称平面A或任何其他对称平面而言，燃料开口15和15a非对称地布置，且燃料开口容量非对称地分布。大容量燃料开口15a关于对称平面A非对称地分布。此外，燃料开口15和15a关于对称平面A非对称地分布，这导致了非对称的火焰锋。同样在这个实施例中，相邻燃料开口15和15a间的径向距离和/或相邻燃料开口15和15a间的周向距离可以改变。

许多燃料输出口的组合和分布都有可能导致非对称的火焰锋，所有这种组合和分布均应涵盖在本发明的保护范围之内。另外，通过提供关于对称平面非对称布置的输出口的不同的出口角和/或不同的尺寸和/或不同的形状，可以产生非对称的火焰锋。

燃料供给通道13的端部包括多个根据本发明非对称地布置的端头16。如图6所示，端头16包括燃料输出口15。燃气沿箭头B的方向流经通道13。端头16优选地在燃烧炉2的使用期间是可更换的。由于端头16的可更换性，例如普通容量的端头16可以相对容易地被大容量的端头所替换。端头16也可以包括不同的输出口15。输出口15可以有不同的出口角度和/或不同的尺寸和/或不同的形状。通过提供带有不同特性(例如尺寸、形状、角度和容量等)的输出口的端头的非对称分布，可以产生非对称的火焰锋。

本领域的技术人员可以清楚许多变型。所以的这种变型均被认为处于如所附权利要求书定义的本发明的范围之内。

Claims (6)

1.用于燃烧炉的燃烧器，包括至少一个用来供给氧化介质的供给通道和多个外围的燃料供给通道，其中，所述氧化介质供给通道和所述燃料供给通道具有设置成在燃烧器的端面处彼此相邻的输出口，用于在使用期间在所供给的燃料和所供给的氧化介质发生反应时形成火焰锋，其中，通过将燃料输出口的分布和/或燃料输出口的尺寸和/或燃料输出口的出口角度和/或燃料输出口的形状设置成相对于与所述燃烧器的端面垂直且穿过燃烧器中心轴线的任何平面为非对称的而使所述氧化介质供给通道的输出口和所述燃料供给通道的输出口关于所述任何平面设置成非对称的，从而在使用期间形成了相对于所述任何平面是非对称的火焰锋。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料供给通道包括具有至少一个燃料输出口的端头。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，至少一个端头的布置不同于所述燃烧器的其它端头。

4.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其特征在于，所述端头是可更换的。

5.燃烧炉，包括至少一个根据权利要求1到4中任一项所述的燃烧器。

6.根据权利要求5所述的燃烧炉，其特征在于，所述燃烧炉包括至少两个燃烧器，所述至少两个燃烧器在所述燃烧炉的燃烧室的壁上设置成一排。