CN109073212A - 燃烧器、炉，以及使用这种炉的蒸汽裂化工艺 - Google Patents

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Abstract

燃烧器子系统，包括燃烧器子系统的炉，在炉中执行的燃料燃烧工艺和蒸汽裂化工艺。燃烧器子系统包括在烧嘴(20)和烟道气再循环(“FGR”)管道(40)之间的阻挡壁区段(60)，用于阻止烧嘴和FGR管道开口之间的直接气流，但没有环绕整个烧嘴。由于与环形阻挡壁相比反射到烧嘴的热量减少，部分式的阻挡壁的存在具有防止FGR管道内部的温度变得太高的优点，同时实现来自燃烧工艺的低NOx排放且不会使烧嘴过热。本发明特别适用于燃烧富氢燃料气体的炉。

Description

燃烧器、炉，以及使用这种炉的蒸汽裂化工艺
优先权
本发明要求2016年3月31日提交的美国专利申请第62/316,246号和2016年5月19日提交的欧洲专利申请第16170266.7号的优先权和权益，这两个专利申请都通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及燃烧器、炉、使用这种炉的燃料燃烧工艺、以及使用这种炉的蒸汽裂化工艺。特别是，它涉及能够燃烧富氢燃料气体的燃烧器子系统、包括所述燃烧器子系统的炉、使用这种炉的富氢燃料气体燃烧工艺以及使用这种炉的蒸汽裂化工艺。
背景技术
在燃气工业炉中，通过用燃烧空气流氧化吸入燃烧器中的氮形成NOx。人们普遍认为NOx的形成主要发生在火焰区域，在所述区域中既存在高温又存在大量氧。由于乙烯炉是烃加工工业中使用的最高温度炉，因此这些炉中的燃烧器的自然趋势是产生高水平的NOx排放。
用于燃气工业炉的大多数近期低NOx燃烧器基于在单个燃烧器中使用多个燃料喷射器。这样的燃烧器可以采用燃料分级、烟道气再循环(“FGR”)或两者的组合。美国专利第5,098,282号和第6,007,325号公开了使用燃料分级和烟道气再循环的组合的燃烧器。某些燃烧器在单个燃烧器中可以具有多达8-12个燃料喷嘴。大量燃料喷嘴需要使用非常小直径的喷嘴。另外，这样的燃烧器的燃料喷嘴通常暴露于火箱中的高温烟道气。
已在工业中被广泛接受的用于减少NOx的一种技术被称为分级。通过分级，一次火焰区缺乏空气(富燃料)或燃料(贫燃料)。空气或燃料的平衡在二次火焰区或燃烧室中的其他地方喷射到燃烧器中。众所周知，富燃料或贫燃料燃烧区比更接近化学计量的空气燃料比更不利于NOx的形成。燃烧分级导致降低一次火焰区中的峰值温度，并且已发现以减少NOx的方式改变燃烧速度。由于NOx的形成指数地取决于气体温度，即使峰值火焰温度的微小降低也会显著减少NOx排放。然而，这通常与以下事实平衡：辐射热传递随着火焰温度降低而减小，而CO排放(不完全燃烧的指示)实际上可能增加。
在预混燃烧器的背景下，术语一次空气是指与燃料预混的空气；二次空气和在一些情况下三次空气是指适当燃烧所需的空气平衡。在未净化燃气燃烧器中，一次空气是与燃料更紧密关联的空气；二次和三次空气与燃料更远地关联。可燃性的上限是指包含火焰可以通过其传播的最大燃料浓度(富燃料)的混合物。
美国专利第4,629,413号公开了一种低NOx预混燃烧器，并且讨论了减少NOx排放的预混燃烧器和方法的优点。美国专利第4,629,413号的预混燃烧器通过延迟二次空气与火焰的混合并允许一些冷却的烟道气与二次空气再循环来降低NOx排放。所公开的燃烧器在启动时实现点火的方式及其对NOx排放的影响没有得到解决。美国专利第4,629,413号的内容通过引用整体并入。
美国专利第5,092,761号公开了一种用于通过烟道气再循环来减少来自预混燃烧器的NOx排放的方法和装置。通过燃料气体和燃烧空气穿过喷烧管的文丘里管部分的吸入作用，通过再循环管道从炉抽吸烟道气。进入一次空气室的空气流由阻尼器控制，并且如果阻尼器部分关闭，则室中的压力减小允许烟道气通过再循环管道从炉抽吸到一次空气室中。然后烟道气在燃烧之前与一次空气室中的燃烧空气混合以稀释燃烧空气中的氧浓度，这降低了火焰温度并且由此减少了NOx排放。烟道气再循环系统可以改装到现有的燃烧器中，或者可以包含到新的低NOx燃烧器中。美国专利第5,092,761号的全部内容通过引入并入本文。
美国专利第5,092,761号的系统的缺点在于，用于冷却FGR管道的分级的空气首先进入炉火箱，穿过底板行进一小段距离，并且然后进入FGR管道。在通过期间，分级的空气暴露于来自火箱中的热烟道气的辐射。来自燃烧器测试的实验数据的分析表明，分级的空气在其进入FGR管道时可能会热至700°F。
从NOx产生的观点来看，与美国专利第5,092,761号的燃烧器关联的另一个缺点涉及实现燃烧器点火所必需的点火室的构造。已发现该点火室的设计虽然有效地实现了点火，但是在操作期间是高NOx产生的局部来源。其他燃烧器设计具有局部高NOx产生的类似潜力，原因是已知其他燃烧器设计存在类似的构造，其中一些已在上文中描述。
另外，商业经验和建模已经表明，当烟道气再循环速率提高时，存在火焰被吸入FGR管道中的趋势。通常，正是该现象限制了烟道气再循环的量。当火焰直接进入烟道气再循环管道时，燃烧器文丘里管的温度趋于升高，这提高了火焰速度并使再循环的烟道气在减少NOx方面不太有效。从可操作性的角度来看，需要降低烟道气再循环速率以使火焰远离FGR管道以保持金属FGR管道的寿命。
美国专利第6,877,980号公开了一种用于炉(例如用于蒸汽裂化的炉)中的燃烧器，其具有增加的FGR再循环速率和低NOx形成。燃烧器包括：一次空气室；喷烧管，所述喷烧管具有上游端、下游端以及在上游端和下游端中间的文丘里管，所述文丘里管包括喉部，所述喉部具有基本恒定的内部横截面尺寸，使得所述喉部的长度与最大内部横截面尺寸的比率为至少3；烧嘴，所述烧嘴邻近炉中的第一底板燃烧器开口安装在所述喷烧管的下游端上，使得燃料的燃烧发生在所述烧嘴的下游；以及邻近所述喷烧管的上游端定位的燃料孔口，用于将燃料引入所述喷烧管中。在本文公开的燃烧器中，围绕底板燃烧器开口竖立圆形阻挡壁，将底板燃烧器火焰的底部与底板上的烟道气再循环管道端口隔开。阻挡壁用于稳定火焰和减少NOx形成。
然而，最近已发现，美国专利第6,877,980号的燃烧器中的环形阻挡壁也将火焰产生的热反射到烧嘴，由此增加烧嘴温度。在燃料气体主要包括诸如甲烷的烃的情况下，烧嘴温度通常相当低以提供令人满意的寿命，即使具有从阻挡壁反射的热。然而，在燃料气体主要包括氢(即，包括至少50mol％的氢)的情况下，火焰速度和火焰温度显著更高，并且由阻挡壁反射到烧嘴的热量也是如此。结果，烧嘴经常过度加热到极高的温度，导致过早失效，尤其在燃烧器降燃过程或火焰闪回期间。
所以，需要一种具有减小的过热可能性的改进的燃烧器子系统设计，尤其是当使用富氢燃料气体时。本发明满足了这个需要和其他需要。
发明内容
已经发现，通过在底板燃烧器开口与FGR管道开口之间采用阻挡壁区段，而不是围绕整个底板燃烧器开口的环形阻挡壁，能够全部或部分阻挡底板燃烧器开口与FGR管道开口之间的直接气流，可以有效地减少反射到烧嘴的热量，导致较低的烧嘴温度，这能实现其令人满意的寿命，即使在使用富氢燃料气体时也是如此。包括这种阻挡区段的燃烧器子系统可以实现高水平的FGR速率，FGR内部的相对低的温度，低水平的NOx排放，而不降低火焰稳定性。这样的燃烧器子系统可以有利地用于烃蒸汽裂化炉中。
因此，本发明的第一方面涉及一种燃烧器子系统，其包括：(a1)炉底板区段，其具有底板燃烧器开口和烟道气再循环管道开口；(a2)耐火砖外壳，其衬砌所述底板燃烧器开口的周边；(a3)燃烧器，其包括邻近所述底板燃烧器开口并由所述底板燃烧器开口围绕的烧嘴，所述烧嘴构造成通过所述底板燃烧器开口提供底板燃烧器火焰并且具有竖直中心线；(a4)邻近所述耐火砖外壳的烟道气再循环管道开口；以及(a5)阻挡壁区段，其在所述烟道气再循环管道开口和所述烧嘴之间从所述炉底板区段的上表面向上延伸，当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段具有不大于180°的视角。
本发明的第二方面涉及一种炉，其包括：(b1)根据本发明的第一方面的至少一个燃烧器子系统；(b2)炉底板，其包括所述至少一个燃烧器子系统的每一个的炉底板区段；以及(b3)一个或更多个炉侧壁；其中所述炉底板和所述一个或更多个炉侧壁形成炉火箱。
本发明的第三方面涉及一种在根据本发明的第二方面的炉中执行的燃料燃烧工艺，所述工艺包括：(c1)将包括至少50mol％的氢的燃料气体供应到所述至少一个燃烧器子系统中；以及(c2)燃烧燃料气体以在所述炉火箱内部的所述烧嘴上方形成底板燃烧器火焰。
本发明的第四方面涉及一种包括本发明的第三方面的燃料燃烧工艺的蒸汽裂化工艺，其中包括烃的反应物流在裂化管内部被加热，所述裂化管在所述炉内部由火焰加热。
通过参考附图进行的详细描述，本发明的这些和其他特征将变得显而易见。
附图说明
在下面的描述中参考附图进一步解释本发明，附图通过非限制性示例的方式示出了本发明的各种实施例，其中：
图1示出了本发明的燃烧器子系统的示例的部分截面正视图；
图2是沿着图1的线2-2截取的部分截面正视图；
图3是沿着图1的线3-3截取的平面图；
图4是在根据本发明的燃烧器子系统中有用的烟道气再循环管道的具体示例的透视图；
图5是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的定心板的俯视图；
图6A是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的燃料接管(spud)的横截面图；
图6B是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的改进的燃料接管的另一示例的横截面图；
图7A和图7B是分别比较传统喷烧管的文丘里管和在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的喷烧管的文丘里管的横截面图；
图8是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的烧嘴的透视图；
图9A和9B分别是在本发明的示例中特别有用的烧嘴和另一个传统烧嘴的平面图；
图10A是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的烧嘴密封件的分解图；
图10B是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的另一烧嘴密封件的分解图；
图10C是在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的又一个烧嘴密封件的分解图；
图11示出在本发明的燃烧器子系统的示例中有用的用于在先导室区域中进行密封的密封装置的示例；
图12是根据本发明的燃烧器子系统的一个示例的阻挡壁区段的透视图；以及
图12A是现有技术中的环形阻挡壁的透视图。
图13是示出本发明的炉的示例的示意图，所述炉包括安装在侧壁上的多个侧壁燃烧器。
图14是示出本发明的炉的示例的示意图，其中没有安装在侧壁上的侧壁燃烧器。
图15是本发明的炉的示例的平面图，其中在相邻的燃烧器排之间没有分离壁。
具体实施方式
尽管根据与炉或工业炉结合使用的燃烧器子系统描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明的教导也适用于其他工艺部件，例如锅炉。因此，本文中的术语炉应当理解为表示炉、锅炉和其他适用的工艺部件。
如本文所使用，“富氢”气体是包括至少50mol％(摩尔百分比)分子氢的气体。包括至少50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、98或甚至99mol％分子氢的富氢燃料气体比以前更容易获得，尤其是由于蒸汽裂化饱和烃(乙烷，丙烷，丁烷等)以制备烯烃。除分子氢之外，这样的富氢燃料气体还可以包括烃，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。燃烧富氢燃料气体产生的火焰往往具有比天然气产生的火焰更高的火焰速度。更高的火焰速度往往会使火焰更紧密地附着到烧嘴，导致更高的烧嘴温度。结果，燃烧富氢燃料气体的燃烧器的热管理比燃烧天然气的燃烧器更重要。
参考图1-4中所示的燃烧器子系统的示例，燃烧器子系统10包括位于井中的独立喷烧管12，其终止于炉底板区段14中的底板燃烧器开口。喷烧管12包括上游端16、下游端18和文丘里管部分19。烧嘴20位于下游端18处并且由环形耐火砖外壳22围绕。可位于燃料接管24内的燃料孔口11位于气体燃料立管65的顶端处并位于管12的上游端16处，并且将燃料引入喷烧管12中。新鲜空气或环境空气通过可调阻尼器37b引入一次空气室26中以与喷烧管12的上游端16处的燃料混合并向上穿过文丘里管部分19。燃料和新鲜空气的燃烧发生在烧嘴20的下游。
多个空气口30(图2和3)起源于二次空气室32中并且通过炉底板区段14进入炉中。新鲜空气或环境空气通过可调阻尼器34进入二次空气室32，并且通过分级空气口30进入炉中以提供二次或分级燃烧。
为了将烟道气从炉再循环到一次空气室，FGR管道76从炉的底板中的FGR管道开口40延伸到一次空气室26中。替代地，多个通道(未示出)可以用于代替单通道。通过喷烧管12的文丘里管19的燃料的吸入作用，烟道气被抽吸通过FGR管道76。以该方式，一次空气和烟道气在燃烧区前方的一次空气室26中混合。所以，与燃料混合的惰性材料的量增加，由此降低火焰温度，并且结果，减少NOx排放。关闭或部分关闭阻尼器37b限制可以能够吸入一次空气室26中的新鲜空气量，并且由此提供从炉底板抽吸烟道气所需的真空。
通过提供突出到FGR管道76中的两个或更多个一次空气通道37和38来促进混合。通道37和38为圆锥截面、圆柱形或方形，并且每个通道37和38之间的间隙产生FGR管道76中的的湍流区，在湍流区处发生良好的烟道气/空气混合。
通道37和38的几何形状设计成通过增加进入FGR管道76的空气动量来促进混合。通过将一次空气通道37和38的总流动面积减小到仍然允许足够的一次空气可用于燃烧的水平来优化空气的速度，本领域技术人员能够通过常规试验来确定。
通过在FGR管道76的内壁的下端处的板构件83进一步增强混合。板构件83延伸到一次空气室26中。通过烟道气和空气的混合物围绕板的流动来产生流动涡流。流动涡流提供烟道气和空气的进一步混合。板构件83也使FGR管道76有效地更长，并且更长的FGR管道也促进更好的混合。
由通道37和38以及板构件83导致的再循环烟道气和一次空气之间的混合量的改善导致燃烧器吸入烟道气再循环的更高能力和文丘里管部分19内部的更均匀混合物。通过为燃烧释放的能量提供散热，更高的烟道气再循环降低了总体火焰温度。文丘里管部分19中的更好混合倾向于减少由于局部高氧区域而发生的热点。
未混合的低温环境空气(一次空气)通过成角度的通道37和38引入，每个通道具有：包括孔口37a和38a的第一端部，其由阻尼器37b控制，以及包括与FGR管道76连通的孔口的第二端部。这样引入的环境空气与FGR管道76中的再循环烟道气直接混合。通过穿过可以包含在气体接管24内的燃料孔口的燃料的吸入作用，通过通道37和38吸入一次空气。如上所述，环境空气可以是新鲜空气。
通过穿过文丘里管部分19的燃料的吸入作用，已通过阻尼器34进入二次空气室32的附加的未混合的低温环境空气通过孔口62、通过放气管道64、通过孔口97吸入FGR管道76并吸入一次空气室26中。如上所述，环境空气可以是新鲜空气。冷环境空气与烟道气的混合降低了流过FGR管道76的热烟道气的温度，并且由此显著增加了FGR管道76的寿命，并且允许使用该类型的燃烧器来减少在炉的辐射区段中烟道气温度高于1900°F的高温裂化炉中的NOx排放。放气管道64具有第一端66和第二端68，第一端66连接到二次空气室32的孔口62，并且第二端68连接到FGR管道76的孔口97。
另外，相对于通过放气管道64的量，已通过空气口30进入炉中的少量未混合的低温环境空气也可以通过穿过文丘里管部分19的燃料的吸入作用通过FGR管道76吸入一次空气室26中。在阻尼器37b完全关闭的程度上，放气管道64理想地尺寸确定成允许燃烧器10所需的一次空气的全部需求的必要流量。
再循环到燃烧器的烟道气与FGR管道76中的一部分冷分级空气混合。该混合降低了在FGR管道76中流动的流的温度，并且使容易获得的材料能够用于燃烧器的构造。该特征有用于高温炉(例如蒸汽裂化器或重整器)的燃烧器，其中再循环的烟道气的温度可以高达1900°F-2100°F。通过将大约一磅的分级空气与每磅再循环的烟道气组合，可以有利地降低FGR管道内的温度。
将二次空气室直接连接到烟道气再循环管道的一个或更多个通道将少量低温二次空气引入FGR管道76中以冷却进入FGR管道76的金属部段的空气/烟道气流。通过直接从二次空气室供应大部分二次空气，而不是使大部分二次空气在进入FGR管道之前穿过炉底板，获得了有益的结果，如通过以下示例证明。
有利地，将约20％至约80％的烟道气和约20％至约80％的环境空气的混合物抽吸通过FGR管道76。特别优选的是，采用约50％的烟道气和约50％的环境空气。本领域技术人员将容易认识到，可以通过FGR管道76、放气管道64和空气口30的适当尺寸设置、放置和/或设计来实现烟道气和环境空气的期望比例。也就是说，可以改变空气口和放气管道的几何形状和位置以获得烟道气和环境空气的期望百分比。
观察和点火口50设置在一次室26中，既允许检查燃烧器组件的内部，又为用点火元件(未示出)点火燃烧器10提供通路。燃烧器气室(plenum)可以覆盖有矿棉或陶瓷纤维绝缘体52和金属丝网筛(未示出)以为其提供绝缘。点火室99位于离烧嘴20一定距离处，有效地用于燃烧器点火。美国专利第5,092,761号中公开的类型的点火炬或点火器(未示出)可用于燃烧器的启动。为了操作燃烧器，将火炬或点火器通过点火口50插入到与烧嘴20相邻的点火室99中以点火燃烧器10。
在操作中，可以位于气体接管24内的燃料孔口11将燃料排出到喷烧管12中，在该处它与一次空气、再循环烟道气或其混合物混合。燃料、再循环烟道气和一次空气的混合物然后从烧嘴20排出。喷烧管12的文丘里管部分19中的混合物保持低于富燃料可燃性极限；即文丘里管中的空气不足以支持燃烧。添加二次空气以提供燃烧所需的剩余空气。
除了使用烟道气作为稀释剂之外，通过稀释实现较低火焰温度的另一种技术是通过使用蒸汽喷射。蒸汽可以喷射到一次空气或二次空气室中。可以通过一个或更多个蒸汽喷射管15喷射蒸汽，如图1中所示。优选地，在文丘里管的上游喷射蒸汽。
FGR管道76的横截面为大致矩形，通常其小尺寸(短边)在其大尺寸(长边)的30％至100％的范围内。适宜地，FGR管道76的横截面积在每百万(MM)Btu/hr燃烧器容量约5平方英寸至约12平方英寸范围内，并且在实际示例中，为34平方英寸至60平方英寸。以该方式，FGR管道76可以适应每MM Btu/hr燃烧器容量至少100磅/小时，优选地每MM Btu/hr燃烧器容量至少130磅/小时，并且更优选每MM Btu/hr燃烧器容量至少200磅/小时的质量流率。而且，可以实现大于10％且高达15％或甚至高达20％的FGR比率。
参考图1-3和图12并且在本发明的一个示例中，安装在喷烧管12的下游端18上的烧嘴20与FGR管道开口40之间的阻挡壁区段60在烧嘴20下游的火焰的底部和FGR管道开口40之间提供屏障。阻挡壁区段60阻挡燃烧器底板开口和FGR管道开口之间的直接气流，由此降低FGR管道内部的温度，降低炉中的NOx形成，并且增加火焰的稳定性。
美国专利第6,877,980B2号公开了一种基本相似的燃烧器子系统(图12A中所示)，区别在于烧嘴和FGR管道开口和空气口之间存在环形阻挡壁。在该设计中阻挡壁的环形结构确实减少了气流流入和流出相邻端口而对火焰产生的湍流。当使用低氢燃料气体或天然气作为燃烧器的燃料时，具有环形阻挡壁的这种燃烧器设计令人满意地工作。然而，已发现当向燃烧器供应富氢燃料气体导致较高的火焰温度时，由环形阻挡壁反射到烧嘴的热可能确实足以导致烧嘴过热，尤其是在燃烧器的降燃和火焰闪回时，导致烧嘴过早失效。
在本发明的燃烧器子系统中，非环形阻挡区段安装在烧嘴和FGR管道开口之间。已发现部分阻挡壁区段足以阻挡耐火砖外壳的周边和FGR管道开口之间的直接气流，防止火焰进入FGR管道，并且实现排气中的足够低的NOx水平。此外，通过仅采用一段阻挡壁，可以显著减少从阻挡壁反射到烧嘴的热量，由此降低烧嘴温度，防止其过热，尤其是在燃烧器降燃或火焰闪回期间，并且防止过早失效。发现该设计在使用富氢烟道气的炉中特别有利，导致延长的烧嘴寿命。
因此，当从烧嘴的竖直中心线拦截炉底板区段的水平面的点观察时，本发明的燃烧器子系统中的阻挡壁区段60通常具有导致视角(α)不大于180°的宽度。一般而言，α1≤α≤α2，其中α1和α2可以独立地为1、3、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180，只要α<α2即可。
当从烧嘴的竖直中心线拦截炉底板区段的平面的点观察时，本发明的燃烧器子系统中的示例性阻挡壁区段60阻挡FGR管道开口的视线的至少50％(或至少60％，70％，80％，90％，95％或甚至100％)。优选地，当从烧嘴的竖直中心线拦截炉底板区段的水平面的点观察时，阻挡壁区段和FGR管道开口的视角的中心线基本上彼此相邻。因此，期望这两个视角的中心线之间形成的角度不高于30°(或不高于25°、20°、15°、10°、5°、3°或甚至1°)。
优选地，当从烧嘴的竖直中心线拦截炉底板区段的平面的点观察时，阻挡壁区段的视角(α)大于FGR管道开口的视角(β)。因此，r1≤α/β≤r2，其中r1和r2可以独立地为1.0、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0，只要rl<r2即可。
示例性阻挡壁区段具有在炉底板区段平面上方延伸的h1至h2厘米的高度，其中h1和h2可以独立地为2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、35、40、45或50，只要h1<h2即可。期望在底板燃烧器开口的周边和空气口30之间的炉底板区段的区域基本上是平坦的。
在某些优选示例中，阻挡壁可以包括中心部分和连接到中心部分的端部的一个或两个支撑结构部分。支撑结构部分通常远离底板燃烧器开口的中心地弯曲。支撑结构部分理想地具有低于中心部分的平均高度。中心部分可以具有基本均匀的高度，而支撑结构部分可以从靠近中心部分到其端部逐渐渐缩。支撑结构部分可以进一步使气流从底板燃烧器开口偏转到FGR管道开口，并且为中心部分提供机械支撑。在具体示例中，阻挡壁包括阻挡FGR管道开口的一侧的中心部分，以及阻挡FGR管道开口的另外两侧的至少一部分的两个支撑结构部分。阻挡壁区段可以有利地由耐火材料(例如陶瓷，玻璃陶瓷等)制成。
本发明的燃烧器子系统还可以包括定心板，如现在参考图1和5所述。支撑构件161从一次空气室26的顶部悬挂穿孔定心板160。如图5中所示，穿孔定心板160的具体示例具有多个辐条162，其使得立管定心构件163和周边环形支撑构件164互连。立管定心构件163定位在气体立管65周围以用于保持燃料孔口/气体接管与文丘里管部分19的入口正确对准。环形构件164具有多个孔166以用于将定心板160固定到支撑构件161。
在一个具体示例中，定心板160也包含一对孔168以允许对应的一对蒸汽喷射管15穿过定心板160以达到这样的蒸汽喷射管15存在的程度。
如上所述，定心板160被穿孔以允许来自一次空气室26的空气流过其中，这避免了由当前使用的实心定心板导致的通常曲折的流动型式产生的流动损失。避免这些流动损失，原因是穿孔的定心板设计使进入喷烧管的文丘里管部分19的流动矢量平滑以实现更高的文丘里管容量、更高的烟道气再循环速率、更低的火焰温度和更低的NOx产生。
尽管如图5中所示的定心板160示出为圆形并且尽管优选圆形形状，但是本领域技术人员将理解，定心板可以形成为许多其他形状，包括例如，卵形、正方形或三角形，而不脱离本发明的范围或精神。
有用于本发明的子系统的燃烧器可以采用有利的燃料接管，如现在具体参考图3、图6A和图6B所述。现在参考图6A，示出了传统的燃料接管24。燃料接管24优选通过螺纹固定到燃料供应管25的出口端，如图所示。燃料接管24与喷烧管12的上游端16对准，使得离开燃料接管24的出口端29的燃料将与一次空气和再循环烟道气一起流入喷烧管12的上游端16中。如图所示，燃料接管24的入口端23的内径通过过渡部段27的使用过渡到出口端29处的较小直径。燃料接管24的外表面21暴露于由流线S表示的文丘里管入口流动流。外表面21呈六角形螺母的形式以便于安装。
尽管外表面21可以有助于燃料接管24的安装，如图6A的流线S所示，但是当空气被吸入文丘里管入口16时，经过燃料接管24的边缘的流动可以紧邻燃料接管24的最高速度部分产生涡流和湍流区。在该漩涡区中消散的能量减小了燃料接管24和喷烧管12的文丘里管组合的吸入效率。该低效率会限制燃烧器中可实现的FGR比率。
图6B描绘了根据另一优选形式设计的燃料接管424。如图所示，燃料接管424采用平滑轮廓的外表面421，其采用截头圆锥的形式从而当空气和再循环烟道气通过燃料接管424进入喷烧管12的上游端16时消除流动分离和涡流。如通过流动流线Si示意性地所示，涡流和湍流被最小化，因此改善了系统的吸气效率。使用该燃料接管设计可以改善燃料接管/喷烧管/文丘里管组合的吸气特性，增加利用更高水平的FGR并减少NOx排放的能力。
现在具体参考图1、2、3和8讨论有用于本发明的燃烧器子系统的有利的烧嘴20。在烧嘴20和燃烧器耐火砖外壳22之间存在非常小的间隙。通过精确地设计该间隙，大部分二次分级空气被迫通过位于离一次燃烧区一定距离处的分级空气口30进入炉，所述一次燃烧区直接位于烧嘴20的炉侧。该间隙可以是单个周边间隙，或者替代地，包括在周边布置的一系列间隔的间隙70，如图8中所示。
结合上述有利的燃烧器接管24和烧嘴20，燃料、再循环烟道气和一次空气的混合物从烧嘴20排出。喷烧管12的文丘里管部分19中的混合物保持在富燃料可燃性极限之下；即，文丘里管中的空气不足以支持燃烧。添加分级的二次空气以提供燃烧所需的剩余空气。分级空气的大部分通过分级空气口30与烧嘴20相距有限的距离被提供。然而，分级的二次空气的一部分在烧嘴20和环形耐火砖外壳22之间通过并且立即可用于离开烧嘴20的侧口568的燃料。如图所示，侧口568将一部分燃料引导横穿环形耐火砖外壳22的表面，而主口564将燃料的大部分引导到炉中。
可以设想，建立两个燃烧区。小燃烧区在周边耐火砖外壳22的表面上建立，从在侧口568的区域中燃烧的燃料发出，而大得多的燃烧区建立为突出到炉火箱中，从主口564燃烧的燃料发出。在操作中，较大的燃烧区代表从燃烧器向上延伸的大致圆柱形燃烧面，在这里从空气口30一次流动的分级空气遇到从烧嘴主口564离开的富燃料混合物。
邻近侧口568和周边耐火砖外壳22的燃烧区有助于火焰稳定性。为了提供足够的火焰稳定性，该区域中的空气/燃料混合物，包括离开烧嘴20的侧口568的空气/燃料混合物，加上在烧嘴20和周边耐火砖外壳22之间通过的空气，理想地超过富燃料可燃性极限。
尽管在邻近侧口568和周边耐火砖外壳22的燃烧区中超过富燃料可燃性极限的混合物确保了良好的燃烧器稳定性，但是，该区域中的燃烧与较大的燃烧区相比倾向于产生相对高的NOx水平。通过最小化在该较小燃烧区中燃烧的燃料的比例，可以减少总体NOx排放。更特别地，在采用一体烟道气再循环的分级空气、预混燃烧器中，当排出到邻近侧口568和周边耐火砖外壳22的燃烧区中的燃料量不超过在燃烧器中燃烧的总燃料的约15％时，经历减少的总体NOx排放。这通过进一步确保烧嘴20和周边耐火砖外壳22之间的气流使得在混合物充分高于富燃料可燃性极限以确保良好的燃烧器稳定性但没有导致高NOx排放的高氧浓度的情况下在该区域内发生燃烧而实现。
上述有利的烧嘴设计将排出到邻近侧口568和周边耐火砖外壳22的燃烧区中的燃料限制到总燃料的约百分之八。该设计有利地在该燃烧区中保持期望的空气/燃料比率，同时保持在约0.15”至约0.40”之间的烧嘴到周边耐火砖外壳的间隙。如图所示，不同于如传统设计中常见的那样具有两排约30个侧口，有利的烧嘴20具有两排16个侧口568，每个侧口具有约6mm的直径。有利地，使用该设计，减少了NOx排放，而没有通常与降低的火焰温度和火焰速度相关的问题。结果是不容易“飞起”的非常稳定的火焰。将侧口568的直径减小到约5mm也有助于将排出到邻近侧口568和周边耐火砖外壳22的燃烧区中的燃料限制到燃烧的总燃料的约5％至15％之间，同时仍然产生非常稳定的火焰。
在一个示例中，烧嘴20具有在安装时面向燃烧器箱的上端566和适于与喷烧管12的下游端18配合的下端。烧嘴20的下端配合到喷烧管12可以通过型锻或更优选地通过焊接或螺纹接合来实现。
具体参考图3、8和9A，烧嘴20的上端566包括在居中布置的端表面569中的多个主口564和在周边侧表面中的多个侧口568。在操作中，侧口568将燃料/空气混合物的一部分引导横过耐火砖外壳22的表面，而主口64将混合物的大部分引导到炉中。
现在参考图9A和9B，图1的烧嘴20的上端566在图9A中示出，而图9B示出了第二不同的烧嘴20的上端666。参考图9A，将看到烧嘴20的居中布置的端表面569中的主口564的数量和尺寸明显大于第二烧嘴的主口的数量和尺寸。特别地，图1和9A的烧嘴中的主口564的数量和尺寸使得端表面569中的主口564的总面积为每百万(MM)Btu/hr燃烧器容量至少1平方英寸，优选至少1.2平方英寸。相反，在图9B所示的第二烧嘴中，端表面669中的主口664的总面积小于每MMBtu/hr燃烧器容量1平方英寸。再次参考图9A，在根据本发明的燃烧器子系统中有用的烧嘴的一个实际示例中，其中燃烧器的设计燃烧速率为6.0MM Btu/hr，端表面569中的主口564的总面积为8.4平方英寸，而在以相同的设计燃烧速率使用的第二烧嘴中，这些开口的总面积仅为5.8平方英寸。通过提高烧嘴流动面积提高FGR的事实可以减轻烧嘴速度的下降。烧嘴20中的主口564的增加总面积导致烧嘴20的流动面积增加，这反过来能够引起更高的FGR速率而不增加流动通过烧嘴的燃料/空气混合物的速度。以该方式，可以以更高的FGR速率保持燃烧器的稳定操作。
实现低NOx排放水平所需的侧口数量的减少取决于许多因素，包括燃料的性质、本身、流体流动的动力学和燃烧动力学。尽管上述烧嘴20的侧口数量减少了约53％，但是预期在约25％至约75％的范围内的侧口数量的减少也是有效的，只要每个侧口和烧嘴到周边耐火砖外壳的间隙适当地确定尺寸。
在上述有利的烧嘴设计中，优选地，烧嘴到周边耐火砖外壳的间隙的尺寸使得可用于离开侧口的燃料气体的总空气(即，离开侧口的空气与燃料气体的总和，加上通过间隙供应的空气)比使用的燃料的富燃料可燃性极限高约百分之5至约15。例如，如果使用的燃料具有化学计量燃烧所需的空气的55％的富燃料可燃性极限，则离开侧口的燃料气体可用的空气理想地占化学计量燃烧所需的空气的60-65％。
上述有利的烧嘴的使用用于大幅最小化烧嘴附近区域中的高NOx排放的局部来源。
有用于本发明的燃烧器子系统的燃烧器10也可以包括如现在所讨论的文丘里管19。现在参考图7A，美国专利第5,092,761号中公开的类型的传统燃烧器的文丘里管19包括沿其长度具有基本恒定的内部横截面尺寸的相对短的喉部19a和发散锥部19b，其中喉部19a的长度与最大内部横截面尺寸的比率小于3，典型地为2.6。如图7B中所示，有用于本发明的有利燃烧器系统的燃烧器的喷烧管的文丘里管包括具有基本恒定的内部横截面尺寸的喉部19a和发散锥部19b。然而，燃烧器的喉部19a明显长于如图7A中所示的传统燃烧器的喉部，使得喉部19a的长度与最大内部横截面尺寸的比率为至少3，优选约4至约10，更优选约4.5至约8，更加优选约6.5至约7.5，并且最优选约6.5至约7.0。本发明的燃烧器子系统的喉部19a的内表面优选为圆柱形。
增加文丘里管的喉部中的长度与内部横截面尺寸的比率可以降低在文丘里管的喉部和锥部中发生的流动分离的程度，这增加了文丘里管夹带烟道气的能力，由此允许更高的烟道气再循环速率，并且因此降低火焰温度和NOx产生。较长的文丘里管喉部也促进了更好的流动发展并且因此在混合物离开烧嘴20之前改善燃料气体/空气流的混合。燃料气体/空气流的更好混合也通过产生更均匀发展的火焰并且因此减小峰值温度区域而有助于NOx减少。
在本发明的燃烧器子系统中特别有用的非限制性燃烧器10可以包括点火室装置，现在将特别参考图1、3和8进行讨论。增加烧嘴20和燃烧器耐火砖外壳22之间的间隙提高了燃烧器产生的总NOx排放，但也提高了总体火焰稳定性。间隙的尺寸理想地确定成使得其足够小以使NOx最小化，并且足够大以保持足够的火焰稳定性。在这方面，可以看到点火室99造成问题。为了基本消除由提供用于额外空气通过的显著横截面流动区域的点火室99的存在产生的对NOx排放的影响，提供可去除的点火室塞362，其具有在位于点火室99内时用于基本上填充点火室99的形状。
为了操作在本发明的燃烧器系统中有用的燃烧器10，将火炬或点火器通过点火管50插入与一次燃烧区和烧嘴20相邻的点火室99中以点火燃烧器。在点火之后，通过将可去除的点火室塞362通过点火管50插入点火室99中来塞住塞火室99以便正常操作，从而消除邻近一次燃烧区的高氧浓度区，并且因此减少来自燃烧器的NOx排放。为了便于安装，点火室塞362可以附连到安装杆以形成点火室塞组件368，该组件通过点火管50插入点火室99中。可去除的点火室塞组件368的使用通过将安装杆机械附接到燃烧器气室而方便地附接到燃烧器气室。
可去除的点火室塞362和组件有利地由适合于炉内部高温环境的材料构成。可去除的点火室塞362的面364(其是暴露于炉并且配合到燃烧器耐火砖外壳22中的表面)可以被构型以形成燃烧器耐火砖外壳22的轴对称几何形状的延伸，因此产生与燃烧器耐火砖外壳22的齐平安装，如图1中所示。和通常用于炉燃烧器耐火砖外壳的一样，点火室塞362由适合于2600至3600°F的温度的陶瓷或高温耐火材料构成。可用于实施本发明的一种材料是陶瓷纤维毯，例如陶瓷纤维毯，其可以从乔治亚州亚特兰大的ThermalCeramics Corporation以商业量获得。燃烧器气室可以覆盖有矿棉和金属丝网筛52以为其提供绝缘。
有用于本发明的燃烧器子系统的燃烧器10也可以包括烧嘴密封装置，如现在将结合图3、8、10A-10C和11讨论。增加烧嘴20和周边燃烧器耐火砖外壳22之间的间隙的可用流动面积提高了燃烧器产生的总NOx排放，但是它也往往有利于火焰稳定性。鉴于其对NOx排放的影响，烧嘴20和燃烧器耐火砖外壳22之间的每个间隙的尺寸被小心地确定成保持稳定性并使NOx最小化。烧嘴20的外径和气流槽口70可以通过熔模铸造或机械加工制造成相对紧密的公差。然而，周边耐火砖外壳22更难以制造成相同的公差，从而在烧嘴20的外径和周边耐火砖外壳22之间产生不希望的间隙。通常，使用可浇铸耐火材料将周边耐火砖外壳倒入模具中。使得将周边燃烧器耐火砖外壳制造成紧密公差的问题复杂化是耐火砖外壳在干燥和烧制时经历的收缩量。收缩量根据材料、温度和几何形状而变化，导致最终制造公差的额外不确定性。这些因素导致难以一致地将耐火砖外壳制造成指定的直径，这可能导致耐火砖外壳直径太小，或者更常见的是直径太大的耐火砖外壳。
为了建立烧嘴20和周边燃烧器耐火砖外壳22之间的均匀尺寸以便用于气隙70，可以由能够承受工业燃烧器的恶劣环境的钢或其他金属或金属复合物形成的烧嘴带85通过点焊或其他合适的手段附接到烧嘴20的外周边。有利地，可压缩的高温材料87可选地用在烧嘴带85和周边耐火砖外壳22之间的不希望的间隙中以进一步减小或消除间隙。烧嘴带85还可以包括周边槽口81(参见图10A)或周边槽口83(参见图10C)，相应地用于安放所述可压缩高温材料。该设计的优点是周边耐火砖外壳孔的尺寸可以显著变化，而可压缩材料可以根据该变化进行调节以便保持烧嘴20和周边耐火砖外壳22之间的密封。通过使用燃烧器子系统的这种设计，烧嘴和周边耐火砖外壳之间的气隙可以保持在准确的公差内，基本上消除不希望的空气泄漏。
可压缩材料87理想地用于高温服务，原因是它非常靠近燃烧器侧口火焰。在加热时膨胀的材料作为可压缩材料87非常有用，原因是它使初始安装更容易。合适材料的示例包括但不限于；由Thermal Ceramics销售的Triple TTM，由Morgan Crucible的分公司，位于佐治亚州亚特兰大的Thermal Ceramics分销的Organically Bound MaftecTM(OBMMaftecTM)。OBM MaftecTM是优选的，原因是它在暴露于高温后更好地结合在一起。OBMMaftecTM由优质莫来石纤维制成。已知该材料具有低导热性和储热性，并且耐热冲击和化学侵蚀。它还具有高挠性，最高额定温度为2900°F，连续使用极限高达2700°F，使其理想地用于本申请。尽管Triple TTM材料比MaftecTM膨胀得更多，但发现加热后更容易剥落。
现在参考图11，可以在与炉中的第一开口相邻的先导区86中获得类似的益处。由于先导罩88周围存在间隙，在典型设计中可能发生泄漏。为了解决该问题，在先导罩88和/或先导立管89周围安装可压缩高温材料87以消除烧嘴带85和周边耐火砖外壳22之间的不希望的间隙，如图11中所示。一英寸宽乘0.1875英寸厚的OBM MaftecTM条带特别适用于密封先导罩88周围存在的间隙。
本发明的燃烧器子系统也包括可以成角度的FGR管道，如下面结合图1-3讨论。FGR管道76在84处向外成角度，使得管道76的FGR管道开口40在物理上进一步与烧嘴20的基部间隔开。成角度的FGR管道入口84因此避免或至少减少燃烧器火焰夹带到FGR管道76中的可能性。该设计使更高的烟道气再循环(FGR)速率能够被引入燃烧器10中。这样的更高FGR速率又降低了总体火焰温度和NOx产生。
参考图3中所示的非限制性示例，火焰开口523为圆形并且具有半径R，并且管道开口40与火焰开口523横向间隔的距离(d)被限定为d≥0.5R，以避免火焰夹带到管道开口40中。
再次参考图1，在84处向外的角度也允许继续使用相对较小的燃烧器箱。这样的FGR燃烧器可以理想地约为6英尺高乘3英尺宽。
除了使用烟道气作为稀释剂之外，通过稀释实现较低火焰温度的另一种技术是通过使用蒸汽喷射。蒸汽可以喷射到一次空气室或二次空气室中。优选地，可以在文丘里管的上游喷射蒸汽。
图13是用于在操作中由烃进料生产烯烃的蒸汽裂化炉1301的示意图。炉1301包括由炉底板和多个炉侧壁限定的辐射火箱，其中辐射管303由燃烧器子系统1305产生的多个底板燃烧火焰和由安装在侧壁中的侧壁燃烧器产生的多个宽壁燃烧器火焰加热。侧壁燃烧器火焰可以有利地靠近侧壁表面，提供有助于来自炉的减小NOx排放水平的热输入。流过管1303的烃反应物流经历热裂化反应以产生烯烃。
现在参考图14和15，示出了炉1410的非限制性示例，其可以用于由乙烷生产乙烯。炉1410包括辐射火箱1402，其具有带有中心线L的炉底板1414和多个侧壁。出于本公开的目的，中心线L可以具有约一英尺或更小的宽度。多个底板燃烧器1411沿着两条平行线D1和D2布置以形成第一排燃烧器1416和第二排燃烧器1418，每排燃烧器与炉底板1414的中心线L间隔大致相等的距离并且在中心线L的相对两侧。非限制性示例性炉1410不使用由位于侧壁上的侧壁燃烧器产生的侧燃烧器火焰。
辐射盘管1420的第一平面平行于穿过炉底板1414的中心线L并垂直于炉底板1414的平面P布置。辐射盘管1420的第一平面以大于第一排燃烧器1416与炉底板1414的中心线L间隔的距离的距离间隔并且在中心线L的与第一排燃烧器1416相同的一侧。辐射盘管1422的第二平面平行于穿过炉底板1414的中心线L并垂直于炉底板1414的平面P布置。辐射盘管1422的第二平面以大于第二排燃烧器1418与炉底板1414的中心线L间隔的距离的距离间隔并且在中心线L的与第二排燃烧器1418相同的一侧。
在一种形式中，炉1410还可以包括沿着至少两条平行线D3和D4布置的第二多个燃烧器1411以形成第三排燃烧器1426和第四排燃烧器1428，每排燃烧器以离炉底板1414的中心线L大致相等的距离间隔，其距离大于辐射盘管1420的第一平面和辐射盘管1422的第二平面相应地与炉底板1414的中心线L间隔的距离。
在炉1410的操作中，烃进料首先被预热，并且在液体进料的情况下通常至少部分地蒸发，并且在炉1410的对流部段1432中与稀释蒸汽混合。离开对流部段1432的温度通常设计成处于或接近显著热裂化开始的点。通常，例如，该温度对于气-油进料为约1050°F(565℃)至约1150°F(620℃)，对于石脑油进料为约1150°F(620℃)至约1250°F(675℃)，并且对于乙烷进料为约1250°F(675℃)至约1350°F(730℃)。在对流部段1432中预热之后，蒸汽进料/稀释蒸汽混合物通常在辐射部段1434中快速加热以获得所需的热裂化水平。辐射部段1434的盘管出口温度(COT)通常对于气-油进料可以在1450°F(790℃)至约1500°F(815℃)的范围内，对于石脑油进料在约1500°F(815℃)至约1600°F(870℃)的范围内，并且对于乙烷进料在约1550°F(845℃)至约1650°F(900℃)的范围内。在辐射部段1434中已获得期望的热裂化程度之后，炉流出物在间接热交换器1436中和/或通过直接喷射骤冷流体流(未示出)快速骤冷。
在各种示例中，炉1410的多个燃烧器1411可以包括未净化气燃烧器、分级燃料燃烧器、分级空气燃烧器、预混分级空气燃烧器或其组合。在另一种形式中，炉1410的多个燃烧器1411可以包括预混分级空气燃烧器，并且可选地具有包括前面列出的燃烧器的组合。预混分级空气燃烧器的示例可以在美国专利第4,629,413号；第5,092,716号和第6,877,980号中找到，其内容通过引用整体并入本文。使用这些类型的燃烧器，产生高火焰并且商业经验已证实不需要辅助壁安装的燃烧器。尽管第三排燃烧器1426和第四排燃烧器1428可以与第一排燃烧器1416和第二排燃烧器1418属于相同类型，但是第三排燃烧器1426和第四排燃烧器1428可以采用平焰燃烧器。本领域技术人员将容易理解，平焰燃烧器是通常至少部分地由炉壁稳定的燃烧器。
通过使用本发明的燃烧器子系统可以实现具有高高度的高度稳定的火焰。因此，非常希望炉火箱的高度为至少8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、15.0、15.5或甚至16.0米。炉的高壁使高而稳定的火焰具有高度H(f)，高度在Hf(1)至Hf(2)的范围内，其中Hf(1)和Hf(2)可以独立地为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5或甚至10.0，只要Hf(1)<Hf(2)即可。
期望任何烧嘴的竖直中心线到任何侧壁的距离为至少30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100厘米。火焰和侧壁之间的这样的相对大的距离减少了侧壁的腐蚀。
由于本发明的燃烧器子系统可实现火焰的稳定性，因此在某些示例中，期望在相邻的燃烧器子系统之间不存在中间分隔壁。燃烧器子系统使容纳提供多个火焰的多排燃烧器的大型炉能够将安装在其间的裂化管加热到具有所需温度变化水平的期望温度范围。可以消除由安装在炉火箱的侧壁上的侧壁燃烧器产生的侧壁燃烧器火焰，从而显著降低炉的总成本。
尽管已结合底板燃烧的烃裂化炉描述了本发明的燃烧器子系统、炉和方法，但它们也可以在用于执行其他反应或功能的炉中使用。
也应当理解的是，本文所述的教导也可用于传统的原料气燃烧器和具有预混燃烧器构造的原料气燃烧器，其中单独的烟道气在喷烧管的入口处与燃料气体混合。
因此，可以看出，通过使用本发明，烧嘴可以避免由于来自阻挡壁的反射导致的过热而产生的过早失效，尤其是在使用富氢燃料气体的情况下。另外，可以在不使用风扇或其他专门燃烧器的情况下减少NOx排放。
尽管已经参考特定装置、材料和实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的细节，而是扩展到权利要求范围内的所有等同物。
因此，本发明的非限制性方面和实施例包括：
Al.一种燃烧器子系统，其包括：
(al)炉底板区段，其具有底板燃烧器开口和烟道气再循环管道开口；
(a2)耐火砖外壳，其衬砌所述底板燃烧器开口的周边；
(a3)燃烧器，其包括邻近所述底板燃烧器开口并由所述底板燃烧器开口围绕的烧嘴，所述烧嘴具有竖直中心线并且构造成通过所述底板燃烧器开口提供底板燃烧器火焰；
(a4)邻近所述耐火砖的烟道气再循环管道开口；以及
(a5)阻挡壁区段，其在所述烟道气再循环管道开口和所述烧嘴之间从所述炉底板区段的上表面向上延伸，当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段具有不大于180°的视角。
A2.根据Al所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段具有不大于90°的视角。
A3.根据Al或A2所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段阻挡所述烟道气再循环管道开口的视线的至少50％。
A4.根据Al至A3中任一项所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段完全阻挡所述烟道气再循环管道开口的视线。
A5.根据A1至A4中任一项所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段在所述炉底板区段的上表面上方具有2厘米至50厘米(或45、40、35、30、25或20厘米)的高度。
A6.根据A1至A5中任一项所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段具有中心部分和连接到所述中心部分的至少一个支撑结构部分，并且所述支撑结构部分可选地远离所述底板燃烧器开口的中心弯曲。
A7.根据A6所述的燃烧器子系统，其中所述中心部分高于所述支撑结构部分。
A8.根据A6或A7所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段至少部分地包围所述烟道气再循环管道开口的外周边。
A9.根据A8所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段至少包围所述烟道气再循环管道开口的外周边的三侧的一部分。
A10.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统，其中：
所述燃烧器包括喷烧管，所述喷烧管具有上游端、下游端以及在所述上游端和所述下游端中间的文丘里管；并且
所述烧嘴安装在所述下游端上。
B1.一种炉，其包括：
(b1)根据A1-A10中任一项所述的至少一个燃烧器子系统；
(b2)炉底板，其包括所述至少一个燃烧器子系统的每一个的炉底板区段；以及
(b3)一个或更多个炉侧壁；
其中所述炉底板和所述一个或更多个炉侧壁形成炉火箱。
B2.根据B1所述的炉，其中从任何烧嘴的竖直中心线到任何侧壁的距离为至少30厘米。
B3.根据B1或B2所述的炉，其包括多个燃烧器子系统并且在相邻的燃烧器子系统之间没有任何分隔壁。
B4.根据B1至B3中任一项所述的炉，其中所述火箱具有至少10.5米的高度。
B5.根据B1至B4中任一项所述的炉，其中所述火箱具有至少15.0米的高度。
B6.根据B1至B5中任一项所述的炉，其还包括构造成从所述炉侧壁中的至少一个产生至少一个侧壁燃烧器火焰的多个侧壁燃烧器。
B7.根据B1至B5中任一项所述的炉，其没有构造成从任何炉侧壁产生侧壁燃烧器火焰的侧壁燃烧器。
B8.根据B1至B7中任一项所述的炉，其包括构造成产生向上突出的至少两排底板燃烧器火焰的至少三个燃烧器子系统。
C1.一种在根据B1至B8中任一项所述的炉中执行的燃料燃烧工艺，所述工艺包括：
(c1)将包括至少50mol％的氢的燃料气体供应到所述至少一个燃烧器子系统中；以及
(c2)燃烧燃料气体以在所述炉火箱内部在所述烧嘴上方形成底板燃烧器火焰。
C2.根据C1所述的燃料燃烧工艺，其中底板燃烧器火焰具有至少3.0米，优选至多7.5米的高度。
C3.根据C1或C2所述的燃料燃烧工艺，其中从任何底板燃烧器火焰的竖直中心线到任何侧壁的距离为至少30厘米。
C4.根据C1至C3中任一项所述的燃料燃烧工艺，其包括多个底板燃烧器火焰并且在相邻的底板燃烧器火焰之间没有任何分隔壁。
C5.根据C1至C4中任一项所述的燃料燃烧工艺，其还包括由来自所述炉侧壁中的至少一个的多个侧壁燃烧器产生的多个侧壁燃烧器火焰。
C6.根据C1至C5中任一项所述的燃料燃烧工艺，其包括至少两排底板燃烧器火焰。
Dl.一种蒸汽裂化工艺，其包括根据C1至C6中任一项所述的燃料燃烧工艺，其中包括烃的反应物流在裂化管内部被加热，所述裂化管在所述炉内部由火焰加热。
D2.根据D1所述的蒸汽裂化工艺，其中反应物流包括在反应物蒸汽中的乙烷。
D3.根据D1或D2所述的裂化工艺，其中分子氢在所述裂化管中产生，并且分子氢的至少一部分构成燃料气体的至少一部分。

Claims (25)

1.一种燃烧器子系统，包括：
炉底板区段，其具有底板燃烧器开口和烟道气再循环管道开口；
耐火砖外壳，其衬砌所述底板燃烧器开口的周边；
燃烧器，其包括邻近所述底板燃烧器开口并由所述底板燃烧器开口围绕的烧嘴，所述烧嘴具有竖直中心线并且构造成通过所述底板燃烧器开口提供底板燃烧器火焰；
邻近所述耐火砖的烟道气再循环管道开口；以及
阻挡壁区段，其在所述烟道气再循环管道开口和所述烧嘴之间从所述炉底板区段的上表面向上延伸，当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段具有不大于180°的视角。
2.根据权利要求1所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段具有不大于90°的视角。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段阻挡所述烟道气再循环管道开口的视线的至少50％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统，其中当从所述烧嘴的竖直中心线拦截所述炉底板区段的平面的点观察时，所述阻挡壁区段完全阻挡所述烟道气再循环管道开口的视线。
5.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段在所述炉底板区段的上表面上方具有2厘米至30厘米的高度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段具有中心部分和连接到所述中心部分的至少一个支撑结构部分。
7.根据权利要求6所述的燃烧器子系统，其中所述中心部分高于所述支撑结构部分。
8.根据权利要求6或7所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段至少部分地包围所述烟道气再循环管道开口的外周边。
9.根据权利要求8所述的燃烧器子系统，其中所述阻挡壁区段至少包围所述烟道气再循环管道开口的外周边的三侧的一部分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统，其中：
所述燃烧器包括喷烧管，所述喷烧管具有上游端、下游端以及在所述上游端和所述下游端中间的文丘里管；并且
所述烧嘴安装在所述下游端上。
11.一种炉，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器子系统并且还包括：
炉底板，其包括所述至少一个燃烧器子系统的每一个的炉底板区段；以及
一个或更多个炉侧壁；
其中所述炉底板和所述一个或更多个炉侧壁形成炉火箱。
12.根据权利要求11所述的炉，其中从任何烧嘴的竖直中心线到任何侧壁的距离为至少30厘米。
13.根据权利要求11或12所述的炉，包括多个燃烧器子系统并且在相邻的燃烧器子系统之间没有任何分隔壁。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的炉，其中所述炉火箱具有至少10.5米的高度。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的炉，其中所述炉火箱具有至少15.0米的高度。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的炉，还包括构造成从所述炉侧壁中的至少一个产生至少一个侧壁燃烧器火焰的多个侧壁燃烧器。
17.根据权利要求11至15中任一项所述的炉，所述炉不具有构造成从任何炉侧壁产生侧壁燃烧器火焰的侧壁燃烧器。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的炉，包括构造成产生向上突出的至少两排底板燃烧器火焰的至少三个燃烧器子系统。
19.一种在根据权利要求11至18中任一项所述的炉中执行的燃料燃烧工艺，所述工艺包括：
将包括至少50mol％的氢的燃料气体供应到所述至少一个燃烧器子系统中；以及
燃烧燃料气体以在所述炉火箱内部在所述烧嘴上方形成底板燃烧器火焰。
20.根据权利要求19所述的燃料燃烧工艺，其中所述底板燃烧器火焰具有至少3.0米的高度。
21.根据权利要求19或20所述的燃料燃烧工艺，其中从任何底板燃烧器火焰的竖直中心线到任何侧壁的距离为至少30厘米。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的燃料燃烧工艺，包括多个底板燃烧器火焰并且在相邻的底板燃烧器火焰之间没有任何分隔壁。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的燃料燃烧工艺，还包括由来自所述炉侧壁中的至少一个的多个侧壁燃烧器产生的多个侧壁燃烧器火焰。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的燃料燃烧工艺，包括至少两排底板燃烧器火焰。
25.一种蒸汽裂化工艺，包括权利要求19至24中任一项所述的燃料燃烧工艺，其中包括烃的反应物流在裂化管内部被加热，所述裂化管在所述炉内部由底板燃烧器火焰加热。
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