CN108474553B - 分级蒸汽注入系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于可将废气排放到燃烧区中的火炬头的分级蒸汽注入系统。所述分级蒸汽注入系统包括例如第一气体注入组件和第二级气体注入组件。所述第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入到所述火炬头或所述燃烧区中。所述第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体(例如，蒸汽和/或蒸汽之外的气体)注入到所述火炬头或所述燃烧区中。本发明还提供了包括所述分级蒸汽注入系统的火炬头。

Description

分级蒸汽注入系统

相关申请的交叉引用

本申请要求先前提交的美国临时申请62/387,147(提交于2015年12月23日)、62/343,342(提交于2016年5月31日)和62/343,362(提交于2016年5月31日)的权益，以上每一个申请均以引用方式并入本文。

背景技术

用于燃烧和处理易燃气体的工业火炬是众所周知的。此类火炬通常包括安装在火炬塔上的一个或多个火炬头。火炬头引发气体燃烧并将燃烧产物释放到大气环境中。火炬位于生产、精炼、加工设备等位置。在许多情况下，单个设施包括不止一个火炬。

例如，工业火炬用于处理需要处理的易燃气体、废气和其他类型的气体(统称为“废气”)。例如，工业火炬用于安全燃烧由于系统排气、设备停机和故障以及设备紧急情况(包括火灾和断电)而转移和释放的易燃气流。恰当操作的火炬系统可能是防止设备毁坏和损坏的关键组成部分。

期望并且通常要求工业火炬以相对无烟的方式操作。例如，无烟操作通常可以通过确保在相对较短的时间段内将废气与足量的空气混合以充分氧化形成于火焰中的烟尘颗粒来实现。在气压较低的应用中，仅废气流的动量可能不足以提供无烟操作。在此类情况下，可以使用诸如蒸汽和/或空气的辅助介质来提供必要的动力以从火炬装置周围夹带环境空气。在选择抑烟辅助介质时，要考虑许多因素，包括当地能源成本和可用性。

用于为低压气体增添动量的最常见的辅助介质是蒸汽。蒸汽通常通过与火炬头相关联的一组或多组喷嘴注入。除了增添动量和夹带空气之外，蒸汽还可以稀释气体并参与燃烧过程中涉及的化学反应，这两者都有助于抑制烟雾。在简单的蒸汽辅助系统的一个示例中，若干蒸汽注入器从安装在火炬头出口附近的蒸汽歧管或环延伸。蒸汽注入器将蒸汽射流引导进入与火炬头相邻的燃烧区中。使用一个或多个阀门(例如，可由操作者远程控制或基于变化的操作参数自动控制)来调节流向火炬头的蒸汽流量。蒸汽射流将来自周围大气环境中的空气吸入具有高紊流水平的排放的废气中。这防止了风将火焰从燃烧区吹到火炬头中及其周围。注入的蒸汽、引入的空气和废气结合形成一种混合物，该混合物可帮助废气燃烧而不产生可见烟雾。

用于将蒸汽注入废气流的蒸汽注入系统需要控制阀门、将蒸汽输送到火炬头的管道、蒸汽注入喷嘴以及将蒸汽输送到蒸汽注入喷嘴的分配管道。一些火炬包括具有多组蒸汽注入喷嘴的多个蒸汽管线，所述蒸汽注入喷嘴用于将蒸汽排放到与火炬头相关联的不同位置。

蒸汽注入系统可能会出现各种问题。例如，蒸汽注入系统使用蒸汽的动量来夹带空气并将空气与废气流混合以用于无烟燃烧。例如，在设计流速下，从蒸汽喷嘴以声速(Mach＝1或更大)排放蒸汽。随着蒸汽流速降低，蒸汽喷嘴处的蒸汽压力降低并且最终流速降低得足够低，使得蒸汽排放速度小于音速。随着蒸汽速度降低，蒸汽夹带空气并将其与废气流混合的效率降低。例如，设计流速下的火炬头每克废气可能需要0.3克蒸汽(每磅废气的蒸汽磅数)以形成无烟燃烧。在下调条件下(例如，较低蒸汽注入压力)，相同的火炬头和相同的废气流(就组成而言)每克废气可能需要1.2克或更多蒸汽(每磅废气1.2磅或更多蒸汽)以实现无烟燃烧。这会增加火炬的操作成本。

另外，当火炬头在低废气流速下操作时，空气和废气可以在火炬头内混合。这通常是由于废气比周围空气的密度小并且风将空气吹到火炬头中造成的。当空气和废气混合时，可能发生燃烧。当火炬头内发生燃烧时，火炬头的内部管将经历温度上升。如果管太热，将会发生材料降解和变形，这会缩短火炬头的使用寿命。

为了防止对火炬头的此类损坏，制造商建议以最小流速(通常称为最小汽耗率)连续向火炬头或其周围注入蒸汽(取决于蒸汽注入组件的性质)。以最小汽耗率连续注入蒸汽有助于将内部金属管和其他设备的温度保持在发生急剧劣化的点以下。例如，最小汽耗率使得足够的蒸汽和空气流穿过内部管以从内部管转移足够的热量，从而将管的温度保持在可接受的范围内。

美国政府最近发布的新法规可能会改变操作者控制火炬的方式。未来，操作者可能必须按照现行法规的要求考虑废气的热值，而且还要考虑输送到火炬的蒸汽量。当火炬在下调条件下操作时，这可能会导致一些问题。例如，操作者可能需要利用补充气体(例如，天然气)来富集废气，以将燃烧区中的净热值保持在270btu/scf或更大。至少部分取决于补充气体的成本，这样的要求可能使操作者每年花费数十万美元到数百万美元不等。

减少所需补充气体的量的一种方式是降低最小汽耗率。然而，降低的最小汽耗率可能会缩短火炬的使用寿命，因此需要更频繁地关闭设备并且相关联的成本增加。可能发生的相关问题是“水锤现象”。如果没有提供足够的蒸汽来保持蒸汽管线温暖并且保持蒸汽管线冷却，随后将蒸汽引入冷管线会导致爆震或水锤问题。

还有一些情况是使用多次排放的火炬头，其中废气比空气轻。当这种类型的废气以低废气流速排放时，废气可能仅优先地流过少数内部管状模块。如果发生这种情况，空气可以沿不接收废气的内部管状模块流下。燃料和空气的混合物会随之而来，最终可能会返回火炬头中并使得火焰稳定在火炬头内。最小汽耗率下的蒸汽流可以提供足够的动量来限制可以流入火炬头的空气量并解决这个问题。

发明内容

通过本公开，提供了一种用于火炬头的分级蒸汽注入系统，该火炬头可以将废气排放到燃烧区中。还提供了一种可以将废气排放到燃烧区的火炬头。

在一个实施方案中，由本公开提供的分级蒸汽注入系统用于能够将废气排放到燃烧区的火炬头，并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件。在该实施方案中，分级蒸汽注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第一级气体源和流体连接至第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源。第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第二级气体源和流体连接至第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入火炬头的内部管状构件中。

在另一个实施方案中，由本公开提供的分级蒸汽注入系统用于能够将废气排放到燃烧区的火炬头。在该实施方案中，分级蒸汽注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入燃烧区中，并且包括第一级气体源和流体连接至第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源。第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第二级气体源和流体连接至第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入燃烧区中。

在一个实施方案中，由本公开提供的火炬头可以将废气排放到燃烧区中并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件和分级蒸汽注入系统。在火炬头的此实施方案中，分级蒸汽注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第一级气体源和流体连接至第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源。第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第二级气体源和流体连接至第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入火炬头的内部管状构件中。

在另一个实施方案中，由本公开提供的火炬头可以将废气排放到燃烧区中并且包括分级蒸汽注入系统。在火炬头的此实施方案中，分级蒸汽注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入燃烧区中，并且包括第一级气体源和流体连接至第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源。第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第二级气体源和流体连接至第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入燃烧区中。

附图说明

本申请所包括的附图示出了本文所述的实施方案的某些方面。然而，附图不应被视为排他性的实施方案。所公开的主题能够在形式和功能上进行相当大的修改、变更、组合和等效，如受益于本公开的本领域的技术人员将会想到的那样。

图1A是本文所公开的分级蒸汽注入系统的一个实施方案的剖视图。

图1B是本文所公开的分级蒸汽注入系统的另一个实施方案的剖视图。

图2A是示出了处于不同火炬构型的图1A所示分级蒸汽注入系统的剖视图。

图2B是示出了处于不同火炬构型的图1B所示分级蒸汽注入系统的剖视图。

图3A是图1A所示分级蒸汽注入系统的附加实施方案的剖视图。

图3B是图1B所示蒸汽注入系统的附加实施方案的剖视图。

图4A是图1A所示分级蒸汽注入系统的附加实施方案的剖视图。

图4B是图1B所示分级蒸汽注入系统的附加实施方案的剖视图。

图5是本文所公开的分级蒸汽注入系统的实施方案的侧视图。

图6是图5所示分级蒸汽注入系统的实施方案的俯视图。

图7是本文所公开的蒸汽注入喷嘴的一个实施方案的侧视图。

图8是图7所示蒸汽注入喷嘴的俯视图。

图9是本文所公开的三级蒸汽注入系统的实施方案的剖视图。

图10是本文所公开的三级蒸汽注入系统的另一个实施方案的侧视图。

图11是图10所示蒸汽注入组件的俯视图。

图12是示出了图10和图11所示分级蒸汽注入组件的剖视图，如针对单个火炬头的内部管状构件。

图13是将归一化蒸汽/烃比率(lb/lb)与对应于高流速高压蒸汽喷嘴的归一化火炬燃料比率(lb/hr)的曲线图与归一化蒸汽/烃比率(lb/lb)与对应于低流速高压蒸汽喷嘴的归一化火炬燃料比率(lb/hr)的曲线图进行比较的坐标图。

具体实施方式

通过参考该具体实施方式，可以更容易地理解本公开。为了进行简单且清楚的说明，在适当的情况下，可以在不同附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文所述的各种实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所述的实施方案。在其他情况下，未详细描述方法、程序和部件以免混淆所描述的相关特征。而且，该描述不应被认为是限制本文所述的实施方案的范围。附图未必按比例绘制，并且某些部分的比例已被放大以更好地示出本公开的细节和特征。

通过本公开，提供了分级蒸汽注入系统和包括分级蒸汽注入系统的火炬头。

已经发现，上述问题可以通过提供一种分级蒸汽注入系统来解决，该分级蒸汽注入系统能够在各级(即，以各种流速和压力)将蒸汽或蒸汽和替代气体排放到火炬装置。例如，本文所公开的分级蒸汽注入系统可以是包括两个气体注入喷嘴的两级系统，其中一个喷嘴用于以高流速和高压将蒸汽注入火炬头中(例如，如在传统的标准蒸汽注入系统中)，另一个喷嘴用于以低流速和高压在同一位置将蒸汽和/或替代气体注入火炬头中。又如，分级蒸汽注入系统可以是包括三个蒸汽注入喷嘴的三级系统，其中一个喷嘴用于以高流速和高压将蒸汽注入火炬头中(例如，如在传统的标准蒸汽注入系统中)，另一个喷嘴用于以低流速和高压在同一位置将蒸汽和/或替代气体注入火炬头中，剩下一个喷嘴用于以更低的流速和高压在同一位置将蒸汽和/或替代气体注入火炬头中。可使用的级数不受限制。例如，也可以使用四个或五个气体注入喷嘴，每个气体注入喷嘴都具有以不同流速和压力将蒸汽和/或替代气体排放到火炬装置的能力。在给定的应用中应当使用的级数取决于例如火炬装置的类型、分级蒸汽注入系统相对于火炬头的位置以及受益于本公开的本领域技术人员已知的其他因素。

本公开的分级蒸汽注入系统允许蒸汽辅助的火炬利用较少的蒸汽和/或其他辅助气体以减小的废气流速进行操作。例如，本文所公开的分级蒸汽注入系统提供了在下调条件下有效夹带空气并将其与废气混合所需的动量。此类系统能够将蒸汽管线内的温度保持在可接受的水平。该系统在下调条件下使用较少的蒸汽，而不会影响火炬头的使用寿命。

如本文和所附权利要求书中所用，“废气”是指废气、易燃气体、设备气体和可由工业火炬处理的任何其他类型的气体。替代气体是指除蒸汽之外的气体。可以使用的替代气体的示例包括空气、氮气、设备气体、天然气以及它们的混合物。如上所述，替代气体可由分级蒸汽注入系统通过一个或多个气体注入喷嘴排放，所述一个或多个气体注入喷嘴以相对较低的流速(与例如传统的标准蒸汽注入系统相关联的相对较高的流速相比)将气体注入火炬头中。是否使用替代气体以及所使用的具体替代气体(或多种气体)将取决于例如期望的火焰轮廓和特性。当相同类型的气体与不止一个气体注入喷嘴结合使用时，对应的气体源可以相同。例如，在每级仅使用蒸汽的两级系统中，第一级气体源和第二级气体源可以是相同的气体源，即蒸汽源。

现在参考附图，将描述本文所公开的分级蒸汽注入系统，通常由附图标记40表示。例如，图1A、图2A、图3A和图4A示出了包括两个单独的气体注入组件的分级蒸汽注入系统40的实施方案，如与四种不同的火炬头构型结合使用。图1B、图2B、图3B和图4B示出了包括部分组合为单个单元的两个单独的气体注入组件的分级蒸汽注入系统40的实施方案，如与图1A、图2A和4A所示相同的四种不同的火炬头构型结合使用。图5和图6更详细地示出了图1B、图2B、图3B和图4B所示的两级蒸汽注入组件。图7和图8示出了本文可以使用的两级蒸汽注入组件的另一个实施方案。图9示出了包括三个单独的气体注入组件的分级蒸汽注入系统40的实施方案，如与图1A和图1B所示火炬头构型结合使用。图10和图11示出了分级蒸汽注入系统40的实施方案，其中三个单独的气体注入组件部分组合为单个单元。图12示出了图10和图11所示的三级蒸汽注入组件，如与图1A和图1B所示火炬头构型结合使用。图13示出了通过测试本文所公开的分级蒸汽注入系统而实现的结果。

如本文和所附权利要求书中所用，以“高流速和高压”注入蒸汽意味着基于每个喷嘴，从对应的气体注入喷嘴以至少2000lb/hr的流速(流量)以及至少50psig的压力注入蒸汽。如本文和所附权利要求书中所用，以“低流速和高压”注入蒸汽和/或替代气体意味着基于每个喷嘴，从对应的气体注入喷嘴以蒸汽和/或其他气体从用于下一较大级的对应的气体注入喷嘴注入的流速(流量)的一半或更少的流速以及至少50psig的压力注入蒸汽和/或替代气体。例如，在两级系统中，在第二级中以“低流速和高压”注入蒸汽和/或替代气体意味着基于每个喷嘴，从对应的气体注入喷嘴以对应的高流速/高压喷嘴流速(流量)的一半或更少的流速(流量)以及至少50psig的压力注入蒸汽和/或替代气体。例如，在三级系统中，在第三级中以“低流速和高压”注入蒸汽和/或替代气体意味着基于每个喷嘴，从对应的气体注入喷嘴以用于第二级的喷嘴流速(流量)的一半或更少的流速(流量)以及至少50psig的压力注入蒸汽和/或替代气体。例如，第二级和后续级(如果使用的话)中的喷嘴流速(流量)减小为用于下一较大级的喷嘴流速(流量)的一半或更少可以通过使用各自包括一个或多个排放口的喷嘴来实现，该排放口的总排放面积为用于下一较大级的每个喷嘴的一个或多个排放口的总排放面积的一半或更少。

从用于各个级的气体注入喷嘴注入蒸汽和/或其他气体的压力也可以随着级而变化。例如，所使用的压力可以从5psig变化到300psig，包括60,90,100,120,150,180,210,240和270psig。合适的压力范围可以包括5psig至200psig、5psig至100psig、20psig至300psig、20psig至200psig、20psig至100psig、40psig至300psig、40psig至200psig、40psig至100psig、60psig至300psig、60psig至200psig以及60psig至100psig。气体注入组件和对应的喷嘴可以在安装火炬组件的生产、精炼或加工设备中利用可用蒸汽。

分级蒸汽注入系统40与火炬组件(未完整示出)结合使用。火炬组件包括用于将废气流引导至火炬头10的火炬立管(未示出)。火炬头10附接到火炬立管并且被构造成将废气流排放到邻近火炬头的大气环境中的燃烧区70中。

例如，在图1A、图1B、图9和图12所示的构型中，火炬头10包括外部管状构件12、内部管状构件14和预混区16。外部管状构件12包括入口18、出口20和气体通道22。内部管状构件14包括入口24、出口26和气体通道28。内部管状构件14同轴设置在外部管状构件12中。例如，废气通过外部管状构件12的入口18进入气体通道22，进入预混区16并且通过外部管状构件的出口20进入燃烧区70。预混区16位于内部管状构件14的出口26与外部管状构件12的出口20之间。在预混区16中，通过内部管状构件14的出口26排放的蒸汽和/或替代气体与废气混合并通过外部管状构件12的出口20排放到燃烧区70中。将废气混合物从预混区16排放到燃烧区70中会将附加的空气夹带到废气中。如受益于本公开的本领域技术人员理解的那样，实验性组件(未示出)也可以与火炬头10相关联以点燃燃烧区70中的废气/空气混合物。

例如，在图2A和图2B所示的构型中，火炬头10包括外部管状构件12、两个内部管状构件14和预混区16。外部管状构件12包括入口(未示出)、出口20和气体通道22。内部管状构件14各自包括入口24、出口26和气体通道28。内部管状构件14设置在外部管状构件12中。例如，尽管图2A和图2B示出了两个内部管状部件14，但多于2个(例如，4个或6个)内部管状构件14可被定位在外部管状构件12中。例如，废气通过外部管状构件12(未示出)的入口进入气体通道22，进入预混区16并且通过外部管状构件的出口20进入燃烧区70。预混区16位于内部管状构件14的出口26与外部管状构件12的出口20之间。在预混区16中，通过内部管状构件14的出口26排放的蒸汽和/或替代气体与废气混合并通过外部管状构件12的出口20排放到燃烧区70中。将废气混合物从预混区16排放到燃烧区70中会将附加的空气夹带到废气中。如受益于本公开的本领域技术人员理解的那样，实验性组件(未示出)也可以与火炬头10相关联以点燃燃烧区70中的废气/空气混合物。

例如，在图3A和图3B所示的构型中，火炬头10包括外部管状构件12和两个内部管状构件14。外部管状构件12包括入口(未示出)、出口20和气体通道22。内部管状构件14各自包括入口(未示出)、出口26和气体通道28。内部管状构件14设置在外部管状构件12中。例如，尽管图3A和图3B示出了两个内部管状部件14，但多于2个(例如，4个或6个)内部管状构件14可被定位在外部管状构件12中。例如，废气通过外部管状构件12的入口进入气体通道22，并且通过外部管状构件的出口20进入燃烧区70。蒸汽通过内部管状构件14，通过其出口26并进入燃烧区70。将废气和蒸汽混合物排放到燃烧区70中会将附加的空气夹带到废气中。如受益于本公开的本领域技术人员理解的那样，实验性组件(未示出)也可以与火炬头10相关联以点燃燃烧区70中的废气/空气混合物。

例如，在图4A和图4B所示的构型中，火炬头10包括两个外部管状构件12、两个内部管状构件14和两个预混区16。外部管状构件12各自包括入口18、出口20和气体通道22。内部管状构件14各自包括入口24、出口26和气体通道28。内部管状构件14设置在外部管状构件12中。具有入口32、出口34和气体通道36的废气歧管30围绕外部管状构件12。例如，废气通过入口32进入废气歧管30的气体通道36，通过废气歧管的出口34进入外部管状构件12的入口18，进入气体通道22，进入预混区16并通过外部管状构件的出口20进入燃烧区70(在该火炬头构型中，可以形成两个单独的燃烧区)。预混区16位于内部管状构件14的出口26与外部管状构件12的出口20之间。在预混区16中，通过内部管状构件14的出口26排放的蒸汽和/或替代气体与废气混合并通过外部管状构件12的出口20排放到一个或多个燃烧区70中。将废气混合物从预混区16排放到一个或多个燃烧区70中会将附加的空气夹带到废气中。如受益于本公开的本领域技术人员理解的那样，一个或多个实验性组件(未示出)也可以与火炬头10相关联以点燃一个或多个燃烧区70中的废气/空气混合物。

现在具体参考图1A、图2A、图3A和图4A，将更详细地描述本文所公开的分级蒸汽注入系统40的一个实施方案。在图2A、图3A和图4A中，使用两级蒸汽注入系统40(该实施方案中的每一个)。在该实施方案中，分级蒸汽注入系统40包括彼此靠近并且沿同一方向取向的第一气体注入组件50和第二气体注入组件60，使得两个气体注入组件均将蒸汽(和/或在组件60的情况下的替代气体)注入火炬头10(如图1A、图2A和图4A所示)或燃烧区70(如图3A所示)中。如本文和所附权利要求书中所用，第一气体注入组件50和第二气体注入组件60彼此靠近并且沿同一方向取向使得两个气体注入组件均将蒸汽(和/或在组件60的情况下的替代气体)注入火炬头10或燃烧区70中的陈述意味着每个气体注入组件的至少一部分(例如，气体注入喷嘴)彼此靠近并且沿同一方向取向，使得两个气体注入组件均将蒸汽(和/或在组件60的情况下的替代气体)注入火炬头10或燃烧区70中。例如，组件的气体源不一定沿同一方向取向。

第一气体注入组件50被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头10(如图1A、图2A和图4A所示)或燃烧区70(如图3A所示)中。第一蒸汽注入组件50包括第一级气体源52和流体连接至第一级气体源的气体注入喷嘴54。第一级气体源52是蒸汽源并向气体注入喷嘴54提供蒸汽。

第二气体注入组件60被构造成以低流速和高压将气体(蒸汽和/或替代气体)注入火炬头10(如图1A、图2A和图4A所示)或燃烧区70(如图3A所示)中。第二气体注入组件60包括第二级气体源62和流体地连接到第二级气体源的第二气体注入喷嘴64。第二级气体源62向第二气体注入喷嘴64提供蒸汽和/或替代气体。第二气体注入喷嘴64包括至少一个排放口，该排放口的总排放面积不大于高流速、高压气体注入喷嘴54的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。这允许第二气体注入组件60以低流速和高压注入气体。

如图1A、图2A和图4A所示，第一气体注入组件50被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头10的内部管状构件14中。第二气体注入组件60被构造成以低流速和高压将蒸汽和/或替代气体注入火炬头10的内部管状构件14中。由第一气体注入组件50注入蒸汽并且由第二气体注入组件60将蒸汽和/或替代气体注入内部管状构件14中会将空气从周围环境吸入火炬头10的预混区16中并进入由气体通道22引导至预混区的废气中。

如图3A所示，第一气体注入组件50被构造成以高流速和高压将蒸汽注入燃烧区70中。第二气体注入组件60被构造成以低流速和高压将蒸汽和/或替代气体注入燃烧区70中。由第一气体注入组件50注入蒸汽并且由第二气体注入组件60将蒸汽和/或替代气体注入燃烧区70中会将空气从周围环境中吸入并使空气与废气混合。

现在参考图1B、图2B、图3B、图4B、图5和6，将描述本文所公开的分级蒸汽注入系统40的另一个实施方案。在图2B、图3B和图4B中，使用两级蒸汽注入系统40(该实施方案中的每一个)。

图1B、图2B、图3B、图4B、图5和图6所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案在所有方面与图1A、图2A、图3A和图4A所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案相同，不同的是第一气体注入组件50和第二气体注入组件60部分地组合以形成单个单元。将气体注入组件部分组合成单个单元改善了系统40进行的蒸汽分配。例如，气体注入喷嘴54和气体注入喷嘴64被组合在一起成为单个单元。第一气体注入组件50和第二气体注入组件60仍然彼此靠近并且沿同一方向取向，使得两个气体注入组件均将蒸汽(和/或在组件60的情况下的替代气体)注入火炬头10(如图1B、图2B和图4B所示)或燃烧区70(如图3B所示)中。第一气体注入组件50仍然被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头10(如图1B、图2B和图4B所示)或燃烧区70(如图3B所示)中。第二气体注入组件60仍然被构造成以低流速和高压将气体(蒸汽和/或替代气体)注入火炬头10(如图1B、图2B和图4B所示)或燃烧区70(如图3B所示)中。第二气体注入喷嘴64仍然包括至少一个排放口，该排放口的总排放面积不大于高流速、高压气体注入喷嘴54的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。

如图6充分示出，第二气体注入喷嘴64包括多个排放口64a、64b、64c、64d、64e和64f)。气体注入喷嘴64可以根据需要包括多于6个或少于6个的排放口。例如，可以使用6至24个排放口。如同分级蒸汽注入系统40的其他实施方案一样，蒸汽(以及使用替代气体时的替代气体)的排放会从周围大气中吸入空气并使空气与废气混合，还有助于促进无烟燃烧。

现在参考图7和图8，将描述分级蒸汽注入系统40的另一个实施方案。该实施方案在所有方面都与图1B、图2B、图3B和图4B所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案相同，不同的是第二气体注入喷嘴64的构造。在该实施方案中，如图7和图8所示，第二气体注入喷嘴64的排放区域定位在第一气体注入喷嘴54的垂直中心轴线上方。或者，第二气体注入喷嘴64的排放区域可以与第一气体注入喷嘴54齐平或定位在第一气体注入喷嘴下方。例如，图7和图8所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案可以代替图1B、图2B、图3B、图4B、图5和图6所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案。

图9示出了与图1A所示的火炬组件和火炬头10结合使用的分级蒸汽注入系统40的另一个实施方案。在该实施方案中，分级蒸汽注入系统40是三级蒸汽注入系统，其包括第一气体注入组件100、第二气体注入组件102和第三气体注入组件104。第一气体注入组件100、第二气体注入组件102和第三气体注入组件104全部彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所有三个气体注入组件将蒸汽(或在组件102和104的情况下将蒸汽和/或替代气体)注入火炬头10的内部管状构件14中。

第一气体注入组件100被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬组件的火炬头10的内部管状构件14中。第一气体注入组件100包括流体地连接到第一气体注入喷嘴110的第一级气体源108。第一级气体源108向第一气体注入喷嘴110提供蒸汽。第一气体注入喷嘴110将蒸汽排放到内部管状构件14中并且由此将空气从周围大气吸入预混区16中。

第二气体注入组件102被构造成以低流速和高压将蒸汽和/或替代气体注入内部管状构件14中。第二气体注入组件102包括流体地连接到第二气体注入喷嘴114的第二级气体源112。第二级气体源112向第二气体注入喷嘴114提供蒸汽和/或替代气体。第二气体注入喷嘴114包括至少一个排放口，该排放口具有的总排放面积不大于高流速、高压第一气体注入喷嘴110的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。这允许第二气体注入组件102以低流速和高压注入气体。

第三气体注入组件104被构造成以低流速和高压将蒸汽和/或替代气体注入火炬组件的火炬头10的内部管状构件14中。第三气体注入组件104包括流体地连接到第三气体注入喷嘴118的第三级气体源116。第三蒸汽源116向第三气体注入喷嘴118提供蒸汽和/或替代气体。第三气体注入喷嘴118包括至少一个排放口，该排放口的总排放面积不大于第二气体注入喷嘴114的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。这允许第三气体注入组件104以甚至更低的流速并以高压注入气体。如同分级蒸汽注入系统40的其他实施方案一样，蒸汽(以及使用替代气体时的替代气体)的排放会从周围大气中吸入空气并使空气与废气混合，还促进无烟燃烧。

现在参考图10和图11，将描述分级蒸汽注入系统40的另一个实施方案。分级蒸汽注入系统40的该实施方案在所有方面都与图9所示的分级蒸汽注入40的实施方案相同，不同的是第一气体注入组件100、第二气体注入组件102和第三气体注入组件104部分地组合以形成单个单元。将气体注入组件部分组合成单个单元改善了系统40进行的蒸汽分配。例如，气体注入喷嘴110,114和118被组合在一起成为单个单元。气体注入组件100,102和104仍然彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所有三个气体注入组件将蒸汽(和/或在组件102和104的情况下将替代气体)注入火炬头10或燃烧区70中。第一气体注入组件100仍然被构造成以高流速和高压将蒸汽注入火炬头10或燃烧区70中。第二气体注入组件102和第三气体注入组件104仍然被构造成以较低的流速和高压将气体(蒸汽和/或替代气体)注入火炬头10或燃烧区70中。第二气体注入喷嘴114仍然包括至少一个排放口，该排放口的总排放面积不大于高流速、高压气体注入喷嘴110的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。第三气体注入喷嘴118仍然包括至少一个排放口，该排放口的总排放面积不大于气体注入喷嘴114的一个或多个排放口的相应总排放面积的一半。例如，分级蒸汽注入系统40的该实施方案可以代替图9所示的分级蒸汽注入系统40。

如图11充分示出，第二气体注入喷嘴114包括多个排放口114a、114b、114c、114d、114e和114f)。气体注入喷嘴114可以根据需要包括多于6个或少于6个的排放口。例如，可以使用6至24个排放口。第二气体注入喷嘴114定位在第一气体注入喷嘴110的周围。第三气体注入喷嘴118定位在第一气体注入喷嘴110的垂直中心轴线上。虽然图11示出了定位在第一气体注入喷嘴110上方的第三气体注入喷嘴118，但第三气体注入喷嘴也可以与第一气体注入喷嘴齐平或定位在第一气体注入喷嘴下方。如同分级蒸汽注入系统40的其他实施方案一样，蒸汽(以及使用替代气体时的替代气体)的排放会从周围大气中吸入空气并使空气与废气混合，还有助于促进无烟燃烧。

图12示出了将图10和图11所示的分级蒸汽注入系统40的实施方案结合图1A和图1B所示的火炬构造的使用。第一气体注入喷嘴110、第二气体注入喷嘴114和第三气体注入喷嘴118各自将蒸汽(和/或在喷嘴114和118的情况下的替代气体)排放到内部管状构件14中以将空气从周围环境吸入火炬头10的外部管状构件12中的预混区16中。吸入的空气在离开火炬头10之前进入通过气体通道22的废气中。废气/空气混合物随后离开火炬头10。这再次具有促进废气的无烟燃烧的优点。

尽管图中未示出，但在本文公开的分级蒸汽注入系统40中还可以包括其他特征。例如，在可应用的实施方案中，第二气体注入组件60可以热连接到第一气体注入组件50。这允许第二气体注入组件60将热量传递到第一气体注入组件50中并帮助保持第一气体注入组件中的蒸汽管线的温度升高到可接受的水平。例如，蒸汽管线的温度可以维持在当地大气压下水的饱和温度或更高。

在另一个实施方案中，分级蒸汽注入系统40包括一个气体注入组件。该气体注入组件包括蒸汽源和流体连接的蒸汽注入喷嘴。蒸汽源向蒸汽注入喷嘴提供蒸汽。蒸汽注入喷嘴是一种可变面积的蒸汽注入喷嘴，它能够在蒸汽压力增加时改变蒸汽出口面积，从而实现高压低流量和高压高流量的效果。

使用蒸汽将空气带入废气的优点是它实现了废气的无烟燃烧。具有包括用于以低流速和高压注入蒸汽(和/或替代气体)的气体注入组件的分级蒸汽注入系统的优点在于，它允许火炬组件在下调条件下使用更少的蒸汽进行操作。它允许必要的动量在下调条件下将空气带入废气中，同时利用较少的蒸汽。例如，以330lb/hr的蒸汽操作的XP^TM火炬(由俄克拉荷马州塔尔萨的John Zink Hamworthy Combustion销售)的标准蒸汽喷嘴在小于0.11psig压力下操作并产生大约3磅力(lbf)的动量。在大约5psig下操作的低流量喷嘴也将产生大约3lbf的动量，但需要小于70lb/hr的蒸汽才能达到这个效果。

本公开提供的火炬头包括具有上述分级蒸汽注入系统40的火炬头。该火炬头可以包括上述火炬头10的任何构造。上述分级蒸汽注入系统40的任何实施方案都可以与火炬头结合使用。

实施例

测试了本文图4B所示的分级蒸汽注入系统。如图所示，火炬头10包括标准高流量高压(HFHP)蒸汽喷嘴和低流量高压(LFHP)蒸汽喷嘴两者。在进行测试时，蒸汽通过HFHP喷嘴和LFHP喷嘴两者注入。

测试的第一阶段包括将各种流速的蒸汽发送到HFHP喷嘴，同时关闭到LFHP喷嘴的蒸汽流。对于HFHP蒸汽的每一种流速，将通向火炬头的烃流速调整到仍会产生无烟燃烧的最大值。

测试的第二阶段包括将各种流速的蒸汽发送到LFHP喷嘴，同时关闭到HFHP喷嘴的蒸汽流。对于LFHP蒸汽的每一种流速，将通向火炬的烃流速调整到仍会产生无烟燃烧的最大值。

图13示出了测试结果。总的来说，测试表明，使用LFHP蒸汽喷嘴可以减少下调条件下无烟燃烧所需的蒸汽量。

因此，本公开非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。以上公开的具体实施方案仅是例示性的，因为可以采用在本文的教导内容的帮助下对于本领域技术人员显而易见的不同但等同的方式对本公开进行修改和实施。此外，除了在下面的权利要求中描述的以外，没有意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此很显然，以上公开的具体例示性示例可以被改变或修改，并且所有这样的变化被认为在本公开的范围和精神内。尽管装置和方法可以根据“包含”、“含有”、“具有”或“包括”各种部件或步骤的方式来描述，但是在一些示例中，装置和方法还可以“基本上由所述各种部件或步骤组成”或“由所述各种部件或步骤组成”。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何其中包括的范围。具体而言，本文公开的每个值范围(形式为“从约a至约b”或等同地“从大约a至b”或等同地“从大约a-b”)应被理解为列出范围更广的值范围内包含的每个数字和范围。另外，权利要求中的术语具有其清晰的普通含义，除非说明书中另外明确和清楚地定义。

Claims (20)

1.一种火炬头的分级蒸汽注入系统，所述火炬头将废气排放到燃烧区中并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件，所述分级蒸汽注入系统包括：

第一气体注入组件，所述第一气体注入组件被构造成以至少2000lb/hr的流速和至少50psig的压力将蒸汽注入到所述火炬头的所述内部管状构件中并且包括：

第一级气体源，所述第一级气体源是蒸汽源；以及

以流体连通的方式连接到所述第一级气体源的第一气体注入喷嘴；以及

第二气体注入组件，所述第二气体注入组件被构造成以所述第一气体注入组件注入所述蒸汽的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中并且包括：

第二级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第二级气体源的第二气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件两者将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中。

2.根据权利要求1所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件注入到所述火炬头的所述内部管状构件中的所述气体选自蒸汽、替代气体、及其混合物，所述替代气体包括空气、氮气、设备气体、天然气及其混合物。

3.根据权利要求2所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件注入到所述火炬头的所述内部管状构件中的所述气体是蒸汽，并且所述第二级气体源是蒸汽源。

4.根据权利要求3所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一级气体源和所述第二级气体源是相同的气体源。

5.根据权利要求1所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件部分地组合以形成单个单元。

6.根据权利要求1所述的分级蒸汽注入系统，还包括：

第三气体注入组件，所述第三气体注入组件被构造成以所述第二气体注入组件注入所述气体的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中并且包括：

第三级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第三级气体源的第三气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中。

7.根据权利要求6所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件注入到所述火炬头的所述内部管状构件中的所述气体选自蒸汽、替代气体、及其混合物，所述替代气体包括空气、氮气、设备气体、天然气及其混合物。

8.根据权利要求7所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件注入到所述火炬头的所述内部管状构件中的所述气体是蒸汽，并且所述第二级气体源和所述第三级气体源各自为蒸汽源。

9.根据权利要求8所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一级气体源、所述第二级气体源和所述第三级气体源是相同的气体源。

10.根据权利要求6所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件部分地组合以形成单个单元。

11.一种用于火炬头的分级蒸汽注入系统，所述火炬头将废气排放到燃烧区中，包括：

第一气体注入组件，所述第一气体注入组件被构造成以至少2000lb/hr的流速和至少50psig的压力将蒸汽注入到所述燃烧区中并且包括：

第一级气体源，所述第一级气体源是蒸汽源，以及

以流体连通的方式连接到所述第一级气体源的第一气体注入喷嘴；以及

第二气体注入组件，所述第二气体注入组件被构造成以所述第一气体注入组件注入所述蒸汽的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述燃烧区中并且包括：

第二级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第二级气体源的第二气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件两者将气体注入到所述燃烧区中。

12.根据权利要求11所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件注入到所述燃烧区中的所述气体选自蒸汽、替代气体、及其混合物，所述替代气体包括空气、氮气、设备气体、天然气及其混合物。

13.根据权利要求12所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件注入到所述燃烧区中的所述气体是蒸汽，并且所述第二级气体源是蒸汽源。

14.根据权利要求13所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一级气体源和所述第二级气体源是相同的气体源。

15.根据权利要求11所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件部分地组合以形成单个单元。

16.根据权利要求11所述的分级蒸汽注入系统，还包括：

第三气体注入组件，所述第三气体注入组件被构造成以所述第二气体注入组件注入所述气体的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述燃烧区中并且包括：

第三级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第三级气体源的第三气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件将气体注入到所述燃烧区中。

17.根据权利要求16所述的分级蒸汽注入系统，其中将由所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件注入到所述燃烧区中的所述气体是蒸汽，并且所述第二级气体源和所述第三级气体源各自为蒸汽源。

18.根据权利要求16所述的分级蒸汽注入系统，其中所述第一气体注入组件、所述第二气体注入组件和所述第三气体注入组件部分地组合以形成单个单元。

19.一种火炬头，所述火炬头将废气排放到燃烧区中并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件以及分级蒸汽注入系统，所述分级蒸汽注入系统包括：

第一气体注入组件，所述第一气体注入组件被构造成以至少2000lb/hr的流速和至少50psig的压力将蒸汽注入到所述火炬头的所述内部管状构件中并且包括：

第一级气体源，所述第一级气体源是蒸汽源，以及

以流体连通的方式连接到所述第一级气体源的第一气体注入喷嘴；以及

第二气体注入组件，所述第二气体注入组件被构造成以所述第一气体注入组件注入所述蒸汽的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中并且包括：

第二级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第二级气体源的第二气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件两者将气体注入到所述火炬头的所述内部管状构件中。

20.一种火炬头，所述火炬头将废气排放到燃烧区中并包括分级蒸汽注入系统，所述分级蒸汽注入系统包括：

第一气体注入组件，所述第一气体注入组件被构造成以至少2000lb/hr的流速和至少50psig的压力将蒸汽注入到所述燃烧区中并且包括：

第一级气体源，所述第一级气体源是蒸汽源，以及

以流体连通的方式连接到所述第一级气体源的第一气体注入喷嘴；以及

第二气体注入组件，所述第二气体注入组件被构造成以所述第一气体注入组件注入所述蒸汽的流速的一半或更少的流速和至少50psig的压力将气体注入到所述燃烧区中并且包括：

第二级气体源；以及

以流体连通的方式连接到所述第二级气体源的第二气体注入喷嘴，其中所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得所述第一气体注入组件和所述第二气体注入组件两者将气体注入到所述燃烧区中。

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