CN107208885A - 一种用于合成气生产的燃烧器以及相关冷却回路 - Google Patents
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Abstract
一种用于烃原料与氧化剂进行燃烧的燃烧器系统(100)，包括至少一个燃烧器(1)和冷却回路(2)，其中燃烧器系统(100)包括燃料侧(3,15)和氧化剂侧(4,14)；所述燃烧器(1)包括与所述冷却回路(2)连接的冷却室(5)；所述冷却回路(2)包括用于所述冷却液的储液罐(8)以及循环泵(16)；所述系统(100)包括均压线路(15b)，其设置为在所述储液罐(8)内侧与燃料侧和氧化剂侧中的至少一个之间建立流体连通。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于合成气生产的燃烧器。具体的，本发明涉及一种包括冷却回路的燃烧器以及一种对冷却回路进行加压的方法。
背景技术
合成气主要包括一氧化碳和氢气，并且对一些化学品的工业生产，例如甲醇，氨和合成燃料，是非常重要的。
合成气的生产通常包括烃源(例如天然气)与氧化剂进行燃烧，该氧化剂可以是空气或富氧空气或纯氧。所述燃烧通常是在烃源配比过量而氧化剂不足的情况下进行的。
上述燃烧的常用技术包括自热重整(ATR)和部分氧化(POX)。它们在设置有燃烧器的反应器中进行，燃烧器通常包括喷嘴，其用于在燃烧室内形成扩散火焰。
特别地，ATR采用位于燃烧室下方的催化床进行，反应器出口温度范围一般在950至1050℃之间，催化剂进口温度约1200℃。POX在更高温度(反应器出口温度为1300至1700℃)下进行，不使用催化剂。ATR和POX两者都在高压条件下进行，例如40-100巴范围内。
因此，用于合成气生产的ATR或POX反应器的燃烧器要经受严苛的操作条件。为应对这种高温，燃烧器由高温金属合金(如镍-铬-铁合金)制成，并且具有双壁结构，这种双壁结构能够使冷却液在喷嘴内循环。通常冷却液为水。特别地，对直接暴露于燃烧火焰处的喷嘴尖端进行液体冷却是必要的。
最好保持冷却液的压力大于燃烧器的操作压力(即燃烧的燃料、氧化剂及产物气体的压力)，从而防止冷却回路污染，污染会导致冷却效果降低以及燃烧器故障风险。
因此，液体冷却的喷嘴可作为中空体，该中空体一侧暴露于工艺气压力，另一侧暴露于更高的冷却液压力。因此，该喷嘴受力于工艺气和冷却液之间的压力差。
正常操作期间，所述压力差有限(例如，几巴)，这意味着工艺气的压力基本上与冷却液的压力平衡。然而，在诸如启动和关闭等瞬变过程期间，工艺气的的压力非常低，通常接近于大气压，这意味着燃烧器基本上必须承受冷却液的全部压力。
目前对此问题的解决方案是设计一种具有厚壁的燃烧器，壁厚通常在15-25mm范围内，尤其是在尖端区域。但增加厚度会降低曝露于火焰处的燃烧器表面的冷却效果。事实上，壁越厚，暴露于火焰处的表面温度越高。此外，厚壁燃烧器对热应力的交替循环更为敏感，从而导致燃烧器发生疲劳故障的风险更高并且使用寿命缩短。
由于存在上述缺点，尽管使用了昂贵的高温金属合金，在现有技术中用于ATR和POX应用的液体冷却燃烧器仍然存在故障。另一方面，因具有金属尖端的非冷却燃烧器可能会迅速发生局部熔化或蠕变以及故障，所以主动冷却是必要的。
US 3,861,859公开了一种空冷式燃烧器喷管。
发明内容
本发明旨在避免现有技术中存在的上述缺陷。本发明旨在使采用高压液体进行冷却的双壁燃烧器的使用寿命延长并且故障风险降低。更详细的说，本发明旨在解决瞬变过程中，当工艺气的压力较低时，工艺气和冷却液之间的相对压力差导致应力的问题。
采用根据权利要求所述的燃烧器系统和用于对燃烧器系统的冷却回路进行加压的方法，可实现上述目的。
根据本发明，一种燃烧器系统包括至少一个燃烧器主体以及冷却回路，其中：
所述燃烧器系统包括燃料侧和氧化剂侧；
所述燃烧器主体包括与用作冷却液通路的所述冷却回路连接的冷却室；
所述冷却回路包括用于所述冷却液的储液罐以及循环泵；
所述燃烧器系统包括均压装置，其适用于使所述冷却回路内侧的压力与所述燃料侧和氧化剂侧中的至少一个的压力相等，所述均压装置包括至少一个均压线路，其设置为在所述储液罐内侧与所述燃料侧和氧化剂侧中的至少一个之间建立流体连通。
在一个优选实施例中，所述均压线路使所述燃料侧和/或所述氧化剂侧与冷却介质液位上方的储液罐区域流体连通。因此，所述均匀线路的压力被转移至容纳于所述储液罐中的冷却介质(例如水)的自由表面。更优选地，容纳于所述储液罐中的液体冷却介质在与所述燃料侧或所述氧化剂侧连通的均压线路和冷却回路之间起密封作用。所以，防止从所述均压线路到除所述储液罐以外的所述冷却回路的任何部分的质量转移(例如，燃料泄漏)。
在一个优选实施例中，所述燃烧器主体包括燃料导管和氧化剂导管，并且所述均压线路直接使所述导管中的一个与所述储液罐之间流体连通。优选地，与燃料侧建立连通，这意味着燃料进口对储液罐加压。
根据又一个实施例，所述冷却回路包括至少一个阀、孔或其它部件，其适用于在所述冷却室的冷却液出口和所述储液罐之间引入冷却液的集中压降，并且所述集中压降的大小使得，在操作中，所述冷却回路中冷却液的压力大于所述燃料侧和氧化剂侧的气压。
本发明的主要优点在于，在冷却回路内循环的液体的压力由工艺气(例如燃料)的压力控制。因此，冷却回路将跟随燃烧器的压力瞬变(如启动和关闭)，而不会使燃烧器承受较大的压力差而受力。与现有技术中无论操作条件如何，冷却回路的压力都基本恒定的系统相比，这是一个巨大的优势。
本发明所述系统的另一优点是能确保冷却回路的压力，特别是冷却室的压力，始终大于燃料和氧化剂的压力，从而避免了污染风险。这是通过储液罐和液体出口之间的集中压降实现的，从而确定液体出口的压力期望(足够高的)值。
因此，本发明可以使燃烧器壁的厚度最小化，同时在降低温度梯度、减小热应力以及提高冷却效果方面具有显著优势，从而延长使用寿命并且提高操作安全性。所述优点对于面向燃烧室并且直接暴露于来自燃烧室的高温和辐射的表面尤其重要。
借助于如下关于优选实施例的详细说明，这些优点将更加清楚明确。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的工艺燃烧器的剖视图和相关冷却系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了适合用于ATR或POX反应器中的燃烧器系统100。所述燃烧器系统100通常位于所述ATR或POX反应器的上端，并且位于燃烧室(图中未示出)的上方。
燃烧器系统100包括燃烧器主体1和冷却回路2。
燃烧器主体1包括分别与烃燃料进口6和氧化剂进口7连接的同轴的外导管3和内导管4。燃烧器主体1还包括与冷却回路2连接的冷却室5，冷却回路2用于使冷却液(比如水)围绕所述燃料导管3和氧化剂导管4的壁循环。
燃料导管3和氧化剂导管4伸入所述燃烧室内。在操作中，主体1的端面，比如表面21，直接面向燃烧室。
冷却室5包围燃料导管3的外表面，并且设置有与冷却回路2连接的冷却液进口9和冷却液出口10。
燃烧器主体1具有承受气压的气体侧(即导管3、4的内侧)、面向燃烧室的部件和表面(比如表面21)、以及承受回路2中水(或任何其它冷却液)的压力的水侧。
图1示出一个优选实施例，其中冷却室5包括外护套11和内护套12。内护套12与燃料导管3接触。外护套11与冷却液进口9流体连通，而内护套12与冷却液出口10流体连通。两个护套11和12之间通过管道20以及位于燃烧器主体1尖端区域的连接室13连通。
冷却回路2基本上包括用于存储所述冷却液的储液罐8、循环泵16和阀19。阀19设计为在回路2上引入选定压降，并且优选地，所述阀位于所述回路2在冷却液出口10和储液罐8之间的部分。优选地，泵16位于所述罐8和进口9之间的部分。
阀19的压降确保冷却液的压力始终大于燃烧器的工艺气(即燃料和氧化剂)的压力，下面将作出更详细的说明。在一个等效实施例中，阀19可以被适当的孔或一个或多个其它适用于引入相同压降的部件来替代。
操作过程如下。
气体燃料15(比如天然气)经进口6被引入至燃料导管3中，并且适当的氧化剂14经进口7被引入至氧化剂导管4中。优选地，所述氧化剂14为空气、富氧空气或氧气。燃料进口6经导管15b与储液罐8连通，采用这种方式，燃料进口压力P1被传递至容纳于所述罐8中的冷却液。因此，导管15b相当于储液罐8的均压线路。如图所示，气体燃料15在15a处进入燃料导管3中。
值得注意的是，在操作中，均压导管15b进入冷却液自由表面22上方的储液罐8。然后，压力P1被传递至所述自由表面22，而冷却液本身使导管15b(其为燃料侧的一部分)与冷却液线路17隔离。导管15b仅作为均压线路，对储液罐8内部加压；由于所述密封效应，冷却回路2不受燃料污染。
冷却液(比如水)通过泵16循环，经进口9进入冷却室5，穿过护套11和12，经出口10离开主体1。循环泵16补偿穿过回路2和冷却室5的压力损失。
燃料气体进口15和储液罐8之间经由导管15b连接，决定了位于储液罐8出口处的冷却液的压力P2(即泵16的吸入压力)，基本与燃料进口压力P1相等。
冷却室5的出口10处的冷却液压力P3可以被表示为：
P3＝P1+ΔP0+ΔP1
其中ΔP0为阀19两端的压降，ΔP1包括回路的分散压力损失。通常ΔP0明显大于ΔP1，这意味着出口压力P3由阀19的压力损失决定。
因此，泵16的输出压力P4可确定为P3加上穿过冷却室5的压力损失。
通过适当选取阀19引入的压力损失ΔP0，所述压力损失ΔP0高于阀值，确保回路2中的压力始终高于压力P1，特别地，水回路中的压力高于P1一定量，该一定量取决于ΔP0的选取。
因此，本发明实现了冷却回路2中的压力始终高于燃烧器气体侧的压力，避免了在密封泄露的情况下气体(例如，燃料或氧化剂或其混合物)进入回路2的风险。特别地，ΔP0应大于冷却室5中的压力损失。同时，冷却回路2中的压力由线路15b对储液罐8的加压进行控制，这意味着冷却液的压力在瞬变过程中跟随气体压力。所以，当内部气压下降时，燃烧器主体1的壁不会受力于过高的水压。因此，本发明实现了上述目的。
相关的优点是在一个可能的实施例中，壁厚度减小，从而降低了热惯性。降低热惯性，尤其对于面向燃烧室并且暴露于高热应力下的表面(比如表面21)，是有益的。
图1示出了燃烧器的一个单体实施例。本发明也适用于多体燃烧器系统，该多体燃烧器系统包括多个燃烧器主体(例如，用于POX)。
在一个多体实施例中，优选地，燃烧器主体与公用冷却回路2连接。在这种情况下，冷却液由泵16循环并被分成多个支流，每个支流经相应进口9独立地输入各自的燃烧器主体1，并经相应出口10离开主体自身。
Claims (13)
1.一种用于烃原料与氧化剂进行燃烧的燃烧器系统(100)，包括至少一个燃烧器主体(1)以及冷却回路(2)，其中：
所述燃烧器系统(100)包括燃料侧(3,15)和氧化剂侧(4,14)；
所述燃烧器主体(1)包括与用作冷却液通路的所述冷却回路(2)连接的冷却室(5)；
其特征在于
所述冷却回路(2)包括用于所述冷却液的储液罐(8)以及循环泵(16)；所述燃烧器系统(100)包括均压装置，其适用于使所述冷却回路(2)内侧的压力与所述燃料侧和氧化剂侧中的至少一个的压力相等，所述均压装置包括至少一个均压线路(15b)，其设置为在所述储液罐(8)内侧与所述燃料侧和氧化剂侧中的至少一个之间建立流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中，所述均压线路(15b)设置为使所述燃料侧和/或所述氧化剂侧与冷却介质液位上方的储液罐(8)区域流体连通，使得所述均压线路(15b)的压力被转移至容纳于所述储液罐中的冷却介质的自由表面(22)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器系统，其中，容纳于所述储液罐(8)的冷却介质起密封作用，防止从所述均压线路到除所述储液罐(8)以外的所述冷却回路(2)的任何部分的质量转移。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器系统，其中，所述燃烧器主体包括燃料导管(3)和氧化剂导管(4)，并且所述均压线路(15b)直接使所述燃料导管(3)以及氧化剂导管(4)中的一个与所述储液罐(8)之间流体连通。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器系统，所述均压线路(15b)设置为连接所述储液罐(8)和燃料进口(15)或氧化剂进口(14)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧器系统，其中，所述冷却回路(2)还包括至少一个部件(19)，其适用于在所述冷却室(5)的冷却液出口(10)和所述储液罐(8)之间引入冷却液的集中压降，并且所述集中压降的大小使得，在操作中，所述冷却回路(2)中冷却液的压力大于所述燃料侧(3)和氧化剂侧(4)的气压。
7.根据权利要求6所述的燃烧器系统，其中所述部件(19)可以是阀或孔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃烧器系统，包括多个与共用冷却回路(2)连接的燃烧器主体。
9.一种用于对燃烧器系统(100)的冷却回路(2)进行加压的方法，所述燃烧器系统(100)用于烃原料(15)与氧化剂(14)进行燃烧，所述燃烧器系统包括燃烧器主体(1)和冷却回路(2)，所述燃烧器主体经由冷却室(5)与所述冷却回路(2)连接，
所述方法特征在于通过至少一个均压线路(15b)，所述燃烧器系统的燃料侧(3)和氧化剂侧(4)中的至少一个的压力被转移至所述冷却回路的储液罐(8)中为所述冷却回路(2)加压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述均压线路(15b)的压力被转移至容纳于所述储液罐(8)中的冷却介质的自由液体表面(22)，所述冷却介质在与所述燃料侧或所述氧化剂侧连通的均压线路和所述冷却回路之间起密封作用。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括在所述冷却回路(2)中提供集中压降，所述集中压降的大小使得，在操作中，所述冷却回路(2)中冷却液的压力大于所述燃烧器系统的所述燃料侧(3)的气压并且大于所述燃烧器系统的所述氧化剂侧(4)的压力。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，所述冷却介质为水。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，所述燃烧器系统(100)符合权利要求1至8中任一项。
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