CN109477634B - 金属燃烧器砖瓦 - Google Patents

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Abstract

本公开寻求提供一种用于工业加工（诸如裂化）的金属燃烧器砖瓦。砖瓦基本上为金属的（例如超过80％），余量为表面上的暴露于高温的陶瓷涂层。所述砖瓦比目前的陶瓷燃烧器更轻并且更耐用。

Description

金属燃烧器砖瓦
技术领域
本公开涉及用于工业应用、特别是在高于800℃的温度下的应用，诸如石化产品加工（包括链烷烃的裂化）的燃烧器领域。在一些实施例中，本公开涉及在这种应用中使用的金属底板或壁燃烧器。
背景技术
链烷烃如乙烷裂化成烯烃如乙烯是能量密集的。链烷烃通过炉中的管道或盘管，而烟道气体被加热到约1200℃。炉的内壁为耐火物质材料，它将热量辐射到加工盘管。壁由底板或壁或两者中的一系列燃烧器加热。壁的温度可以达到700℃至1350℃或800℃至1200℃范围的温度。
目前，炉内部的燃烧器部件由耐火物质材料制成。这使得燃烧器很重。另外，耐火物质或陶瓷趋向于变脆并且在运输和操作过程中可能破裂。
英国专利1,480,150公开了一种与高温燃烧器相关的改进，在该高温燃烧器中，金属耐火砖具有内表面和外表面并提供封闭腔室，该金属耐火砖环绕燃烧器。冷却介质经过耐火砖以使燃烧器保持在较低温度。该专利教导了冷却介质可以是供给燃烧器的空气或来自燃烧的废气。该参考文献远离本公开的教导，因为不使用双壁耐火砖。
大阪燃气有限公司A. Omori在1998年国际燃气研究会议论文集第269-276页的论文用于加热炉的超紧凑型低NOX燃烧器公开了一种金属燃烧器。该燃烧器在内部金属燃烧器壁中没有使空气经过壁并冷却燃烧器的通道。此外，燃烧器设计成向火焰提供空气涡流，以增加表面积并降低火焰温度。火焰温度的该降低可能是不希望的。
2010年1月28日公布的以Bussman的名义转让给John Zink有限责任公司的美国专利申请20100021853教导一种燃烧器以产生低NOX排放。在附图中，燃烧器为砖瓦（例如陶瓷或耐火物质），其中大量的燃烧器由此材料制成。相反，本文公开的燃烧器包括小于20重量％的陶瓷或耐火物质，或例如没有陶瓷或耐火物质。另外，如果使用陶瓷或耐火物质，则将其涂覆在金属外面上。
本公开寻求提供一种金属或基本上为金属的燃烧器，用于诸如裂化炉的工业应用中。
发明内容
本公开提供一种具有不低于约1200℃的操作温度的基本上为金属的燃烧器，其用于壁在700℃至1350℃的温度下操作的裂化炉，所述燃烧器包括：
i）基本上为金属的流道，其由至少一个表面限定，该表面具有下游出口和至少一个上游入口，用于至少一种气态氧化剂；
ii）所述基本上为金属的流道具有至少一个挡板，该挡板将氧化剂和燃料流抵靠燃烧器的面向炉的内表面来引导；以及
iii）可选地，一个或多个热对流表面阵列选自挡板、肋、翅片和突起，以引导所述至少一种气态氧化剂在所述基本上为金属的流道的内表面上的所述一个或多个阵列上流动。
在另一个实施例中，提供了一种具有热对流表面阵列的燃烧器，所述热对流表面为至少在暴露于裂化炉的燃烧器部分的内表面上限定至少一个连续系列的平行通道的肋。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，通道的高宽比为0.1至2或0.25至2，在一些实施例中为0.5至2，在另外的实施例中为0.5至1。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，一个或多个金属燃料管线在所述流道的外部前表面附近终止于所述流道的前部高度的25％至75％。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，所述至少一个金属表面的厚度为4至25mm。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其包括协作布置：
i）用于一种或多种气态氧化剂的下部金属流道，其具有打开的后端、封闭的侧壁和封闭的底壁、前壁和顶壁，所述顶壁不延伸侧壁的整个长度以限定所述流道的上部前端中的面向上打开的通风口；以及与流道的底壁连续的金属前壁；
ii）金属上部节段，其具有与金属流道相同的宽度，所述金属流道包括限定腔室的前壁、两个平行的侧壁和后壁、与流道中的打开的通风口协作的打开的底部，并且前壁以及打开顶部的所述前壁和后壁其中具有处于基本相同的高度和横向位移的开口，以提供从所述上部节段的后部通向前部的一个或多个燃料供应管线；
iii）以下中的任一者：
a）一个或多个金属或涂覆陶瓷的金属、与上部金属节段的打开顶部协作的顶板，所述一个或多个顶板具有平面的表面，可选地具有弯曲的前缘和通过其的一个或多个基本上圆形的通道，所述后节段具有一个或多个出口，所述出口可以为圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）以用于使所述一种或多种气态氧化剂通过；或
b）延伸到所述上部节段的后壁的上部前壁的延续部分，所述延续部分具有可选地弯曲的前缘，并且可选地具有穿过其的一个或多个基本上圆形的通道，以及具有一个或多个出口的平面的后节段，所述平面的后节段具有一个或多个出口，所述出口可以为圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）以用于使所述一种或多种气态氧化剂通过，所述后节段可选地涂有陶瓷；以及
iv）延伸到所述金属上部节段中的一个或多个下降挡板。
如本文所用，平面是指元件的弯曲度。但是，本公开不受外壳（例如，盒）的侧面的形状或几何形状的限制。虽然示例了平面表面，但也可以设想外壳的侧面是弯曲的或波浪形的实施例。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中存在下降挡板，所述下降挡板从用于至少一种气态氧化剂的所述一个或多个出口的前唇前方不超过10％的区域悬垂到用于所述一种或多种气态氧化剂的所述一个或多个出口的前唇，所述挡板在所述燃烧器的上部金属节段内下降至所述燃烧器前面高度的50％至90％；并且横向延伸穿过所述燃烧器的内表面所述燃烧器的面的宽度的100％至75％，所述下降挡板被定位成使得在所述下降挡板的每侧上相对于所述金属上部节段的侧壁存在基本上相等的开口，并且在必要时，所述下降挡板具有通过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其具有一系列平行的纵向内部肋，以引导所述至少一种气态氧化剂在所述下降挡板的面向前表面上流动。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其还包括上升挡板，该上升挡板从所述下部金属流道的上壁向前延伸到金属上部节段的腔室中的打开区域的45％至85％中。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，从所述下部金属流道的上部壁向前延伸的所述上升挡板在其向前节段中向上朝向打开顶部弯曲，以提供平行于所述上部节段的内前壁的面向上的上升挡板，并且在需要时，所述上升挡板的向上延伸节段具有穿过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，从所述下部金属流道的上壁向前延伸的所述上升挡板还包括在面向所述上部节段的内前壁的表面上的一系列平行的纵向内部肋，以引导所述至少一种气态氧化剂在所述基本上为金属的流道的内表面上流动。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，通道的高宽比为0.1至2。在一些实施例中，肋的高度可以为4至25mm或8至22mm，在一些情况下为10至20mm。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中存在上升挡板，该上升挡板从所述下部金属流道的上部壁向前延伸到金属上部节段的腔室中的打开区域的45％至85％中。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，从所述下部金属流道的上壁向前延伸的所述上升挡板在其向前节段中向上朝向所述一个或多个出口弯曲，以提供平行于所述上部节段的内前壁的面向上的上升挡板，并且在需要时，所述上升挡板的向上延伸节段具有穿过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，从所述下部金属流道的上壁向前延伸的所述上升挡板还包括在面向所述上部节段的内前壁的表面上的一系列平行的纵向内部肋，以引导所述至少一种气态氧化剂在所述基本上为金属的流道的内表面上流动。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，通道的高宽比为0.1至2。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述顶板为金属。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述顶板为涂覆有陶瓷的金属。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，上部前壁延续到上部后壁，并且所述后节段未涂覆陶瓷。
在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中，上部前壁延续到上部后壁，并且所述后节段涂覆有陶瓷。
附图说明
图1为根据本公开的燃烧器的一个实施例的剖面等距视图，该燃烧器具有下降挡板。
图2为穿过图1的燃烧器的剖视侧视图。
图3为根据本公开的燃烧器的一个实施例的剖面等距视图，该燃烧器具有上升挡板。
图4为穿过图3的燃烧器的剖视侧视图。
图5为燃烧器的剖视侧视图，该燃烧器具有从上部节段的顶部的下降挡板和从下部流道的顶壁延伸的挡板。
图6为图5的燃烧器的剖面等距视图。
图7为通常用于热解炉的壁燃烧器的剖面等距视图。
图8为通常用于热解炉但具有根据本公开的设计元件的壁燃烧器的剖面等距视图。
图9为示例乙烯炉的示意图，其中，可以安装根据本公开设计的燃烧器。
图10为根据本公开设计的底板燃烧器的等距视图，其示出了表示由金属构成的燃烧器的操作表面温度的阴影。
具体实施方式
除了在操作示例中或另有指出之处之外，在说明书和权利要求书中使用的涉及成分的量、反应条件等的所有数字或表达应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中列出的数值参数为近似值，其可以根据本文公开的实施例希望获得的特性而变化。至少，并不是试图将等同原则的应用限制在权利要求书的范围，而是每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。
尽管阐述本发明广泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体示例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含必然由其各自测试测量结果中发现的标准偏差引起的某些误差。
而且，应当理解，本文列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括在所列出的最小值1和所列出的最大值10之间以及包括所列出的最小值1和所列出的最大值10的所有子范围；即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。因为所公开的数值范围为连续的，所以它们包括最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，本申请中指定的各种数值范围为近似值。
本文表达的所有组成范围被限制为在实践中总共为100%并且不超过100％（体积百分比或重量百分比）。当组合物中可存在多种组分时，每种组分的最大量的总和可超过100％，而应理解，并且如本领域技术人员容易理解的，实际使用的组分的量将符合最大值100％。
如本说明书中所使用的，基本上为金属或基本上金属的和金属的都意味着，相对于燃烧器的总结构，不小于80％的燃烧器为金属的，并且如下面所描述的，余量为在燃烧器的有限外表面上的可选陶瓷上涂层。换句话说，燃烧器的陶瓷或耐火物质不超过20重量％，或陶瓷或耐火物质不超过10重量％或不超过5重量％。
在一些实施例中，本文公开的基本上为金属的燃烧器的特征在于，具有由至少一个壁（例如管状）限定的基本上为金属的流道或路径，用于一种或多种气态氧化剂，例如空气，但可能是富氧空气，或氧气和惰性气体（除氮气之外）的混合物，其中，所述壁的内表面包括一系列平行的纵向内部肋或通道，以引导至少一种气态氧化剂（例如空气）在所述基本上为金属的流道的内表面上流动。相对于燃烧燃料的热释放，燃料的对流冷却和流过燃烧器的氧化剂之间存在平衡。对流冷却流速与热释放速率、燃料组成和典型的过量空气相互依赖，这致使氧的湿摩尔浓度在1％至10％之间。燃烧器所需的热释放以及氧化剂和燃料的流速将限定燃烧器的尺寸范围。该范围将由冷却所需的氧化剂速度和燃料速度的范围进一步限定。并且当燃料和氧化剂流过燃烧器时，由燃料和氧化剂的最大实际压降进一步限定。可以根据本领域普通技术人员的需要计算燃料和氧化剂的流速。然而，燃烧器的其余部件为金属的，提供成燃烧器与火焰相邻、在火焰上方（例如隔热罩）或火焰下方的部分可具有完全或部分耐火物质涂层。在一些实施例中，纵向通道的高宽比为0.1至2，在一些实施例中为0.5至2，在一些实施例中为0.5至1。肋的高度可以为4至25mm，或8至22mm，在一些情况下为10至20mm。肋或通道可覆盖流路径的内表面积的约15％至100％，在一些实施例中为25％至100％，在一些实施例中为60％至100％。当肋或通道覆盖小于流路径内表面积的100％时，肋或通道至少在暴露于裂化炉的燃烧器部分的内表面上形成连续的一系列平行肋或通道。
金属壁的厚度可以为4至25mm，或8至22mm，在一些情况下为10至20mm。
通道可以用纵向翅片或突起代替。
翅片的尺寸和间隔可以与纵向通道相比。它们可具有约4至25mm或8至22mm的高度形式，在一些情况下10至20mm的高度形式，并且厚度为2至20mm，在一些实施例中为5至15cm，并且间隔开2mm至2cm，在一些情况下为5mm至1.5cm。
翅片可具有多种截面形状，诸如矩形、正方形、三角形或梯形。梯形形状可能不是完全有意的，但可能起因于制造过程，例如当制造（例如铸造或机械加工）三角形截面太困难或昂贵时。
在一些实施例中，翅片可以铸造成金属表面的一部分或者焊接到金属表面。
所述突起为封闭的固体。
所述突起可以具有几何形状，具有包含相对小体积的相对大的外表面，诸如例如四面体、角锥、立方体、圆锥、穿过球体的截面（例如半球形或更小）、穿过椭圆体的截面、穿过变形的椭圆体（例如泪滴）的截面等。一些用于突起的有用形状包括：
四面体（具有三角形基部和3个等边三角形的面的角锥）；
约翰逊方形角锥（具有正方形基部和为等边三角形的侧的角锥）；
具有4个等腰三角形侧的角锥；
具有等腰三角形侧的角锥（例如，如果它是四面角锥，则基部可以不是正方形，它可以为矩形或平行四边形）；
球体的截面（例如半球或更小）；
椭圆体的截面（例如，穿过当椭圆旋转通过其主轴或短轴时形成的形状或体积的截面）；
泪滴的截面（例如，穿过当非均匀变形的椭圆体沿着变形轴线旋转时形成的形状或体积的截面）；以及
抛物线的截面（例如，穿过当抛物线环绕其主轴旋转时形成的形状或体积-变形的半（或更小）球体的截面），诸如例如，不同类型的三角翼。
所述突起的间距和高度与翅片的间距和高度相当。它们可具有约4至25mm或8至22mm的高度形式，在一些情况下10至20mm的高度形式，并且厚度为2至20mm，在一些实施例中为5至15cm，并且间隔开2mm至2cm，在一些情况下为5mm至1.5cm。
所述突起也可以铸造到金属的内表面上。在一些实施例中，所述突起形成阵列。在一些实施例中，所述阵列为对称的，例如它们可以为平行的行（线性阵列）或者具有由所述阵列间隔（菱形阵列）偏移的相邻行中的突起。
所述冷却通道、翅片、突起或其组合的密度是指存在所述通道的那些区域中横向于通道翅片或突起阵列（例如，每厘米5个通道）的每单位长度的通道翅片或突起阵列的数量。这与覆盖冷却通道的表面积不同。例如，如果仅金属部件的内表面的一半具有冷却通道翅片或突起，则所述通道翅片或突起将具有与覆盖所述金属部件的整个表面的通道不同的尺寸。这些不同设计的制造成本将不同，使得在一些实施例中，所述通道、翅片、突起或突起阵列设计或其组合以及表面覆盖（总体或通过导热结构的类型隔离）优化以降低制造成本。
所述通道、翅片、突起或其组合可以覆盖流路径的内表面积的约15％至100％，在一些实施例中为25％至100％，在一些实施例中为60％至100％。当肋或通道覆盖小于流路径内表面积的100％时，肋或通道至少在暴露于裂化炉的燃烧器部分的内表面上形成连续的一系列平行肋或通道。
燃烧器另外包括金属燃料管线，该金属燃料管线在燃烧器的外前表面附近终止于所述流道前部高度的25％至75％或40％至65％。
现在将结合图1和图2描述本公开的仅具有下降挡板的一个实施例，其中相同的部件具有相同的附图标记。
在图1和2中，燃烧器包括用于一种或多种气态氧化剂的下部流道1，下部流道1具有打开后端或上游端。所述流道由两个相等长度的封闭侧壁2（仅示出一个封闭侧壁）、封闭的底壁3和前壁5限定，封闭的底壁3延伸超过封闭的顶壁4。顶壁4不延伸直到侧壁2。因此，下部流道限定了面向上的通风口6。在所示的实施例中，存在弯曲节段7，其与顶壁配协作并限定向上通风口6。然而，本领域技术人员将认识到弯曲节段7，虽然可取但不是必需的，并且上壁可以进一步向前延伸以仍然限定通风口6。
燃烧器还包括上部金属节段或管道。所述上部节段包括两个侧壁8、后壁9和前壁10，前壁10与通风口6协作以提供连续的通道。在弯曲节段7或后壁9以及前壁10中存在处于基本上相同的高度（本文使用的基本上相同的高度指的是小于10％，或者例如小于5％或小于2％的高度变化）以及从侧壁横向位移的一个或多个孔，以允许一个或多个金属燃料供应管线11通过所述燃烧器。
在上部金属节段的顶部处为一个或多个顶板12。存在前顶板12。虽然附图示出了平顶板，但是它可以可选地具有圆形前缘。存在通过所述顶板的前缘的一个或多个可选的圆形通道13。虽然附图中示出了圆形通道13，但它们对于燃烧器的操作不是必需的。顶板12协作以在所述上部节段或管道的顶部处限定一个或多个开口14。所述开口可以为圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）。如本文所使用的，基本上圆形是指圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）。
在图1和2中所示的实施例中，存在悬杆15，悬杆15支撑顶板并且还支撑下降挡板16。所述悬杆定位成使得下降挡板16不超过前顶板12的后缘的前方的10％。所述挡板在燃烧器的上部金属节段或管道内下降所述燃烧器的前壁10的高度的10％至50％或15%至30％；并且横向延伸穿过燃烧器的内表面的所述燃烧器的面的宽度的100％至75％，倘若如果所述挡板没有延伸穿过燃烧器的内表面的100％，则将其定位成使得在所述挡板的每一侧上相对于金属上部节段的侧壁具有基本上相等的开口（如本文所用，基本上相等的开口指的是小于10％或例如小于5％或小于2％的高度变化）。如果所述挡板足够远地延伸到燃烧器的顶部金属节段中，则所述挡板中可能存在孔以允许燃料供应管线行进穿过所述挡板。如果挡板侧面处存在开口，则允许氧化剂（例如空气）涡旋，其流过燃烧器的上部金属节段。据信此涡旋促进了燃料和氧化剂的良好混合，从而减少了NOX排放。
可选地，暴露于炉内部的燃烧器前部的壁（例如前壁5和10）具有如上所述的肋或通道。另外，挡板16的前面也可以可选地具有肋。燃烧器的其他内表面也可具有肋或通道。
图3和4示出了具有上升挡板的实施例。在图3和图4中，相同的部件具有相同的数字。
在图3和4中，燃烧器包括具有打开后端或上游端的下部流道21。所述流道由两个相等长度的封闭侧壁22（仅示出一个封闭侧壁）、封闭的底壁23和前壁25限定，封闭的底壁23延伸超过封闭的顶壁24。所述顶壁不延伸直到所述侧壁。因此，下部流道限定了面向上的通风口26。
燃烧器还包括上部金属节段或管道。所述上部节段包括两个侧壁27（仅示出一个侧壁）、后壁28和前壁29，前壁10与通风口26协作以提供连续的通道。后壁28和前壁29中存在处于基本上相同的高度和从侧壁的横向位移的一个或多个孔30，以允许未示出的一个或多个金属燃料供应管线通过燃烧器。
在所述上部金属节段的顶部处为支撑凸缘31和32，其支撑一个或多个顶板33。存在前顶板33，其被示为平的，但可选地，它可以具有圆形前缘。可选地，存在通过所述顶板的前缘的一个或多个圆形通道34。这些孔34为可选的，并且不需要存在于所述燃烧器中。顶板33协作以在所述上部节段或管道的顶部处限定一个或多个开口35。所述开口可以为圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）。
在图3和4中所示的实施例中，存在挡板37，挡板37从流道21的顶壁24延伸。挡板37向上弯曲到燃烧器的上部金属节段（管道）中所述上部金属节段的高度的约15％至75％。在该实施例中，挡板37可以完全横穿所述上部金属或管道节段。如图4中所示，如果所述挡板在所述燃烧器的上部金属节段中足够高地延伸，则在挡板37中存在一个或多个孔36，以允许金属燃料供应管线穿过挡板37。
所述挡板顶部处的开口允许氧化剂（例如空气）涡旋，其流过所述燃烧器的上部金属节段。据信此涡旋促进了燃料和氧化剂的良好混合，从而减少了NOX排放。
在图3和4中所示的实施例中，暴露于炉内部的燃烧器前部的壁（例如前壁25和29）具有如上所述的肋或通道38。另外，挡板37的前面也可以具有肋。燃烧器的其他内表面也可具有肋或通道。
图5和6示出了具有下降挡板和上升挡板的金属燃烧器的实施例。不希望受理论束缚，据信流道变窄会增加流速，并因此增加向暴露于裂化炉的燃烧器部分的热传递。
在图5和6中，燃烧器包括具有打开后端或上游端的下部流道41。所述流道由两个相等长度的封闭侧壁42（仅示出一个封闭侧壁）、封闭的底壁43和前壁45限定，封闭的底壁43延伸超过顶壁44。顶壁44不延伸直到侧壁42。因此，下部流道限定了面向上的通风口46。
燃烧器还包括上部金属节段或管道。所述上部节段包括两个侧壁47（仅示出一个侧壁）、后壁48和前壁49的延伸部分，前壁49的延伸部分与通风口46协作以提供连续的通道。后壁48和前壁延伸部49中存在处于基本上相同的高度和从侧壁横向位移的一个或多个孔50，以允许未示出的一个或多个金属燃料供应管线通过燃烧器。
在所示的实施例中，前壁进一步向上延伸穿过前节段54，前节段54可以可选地为圆形的并且穿过平的后节段53，直到它与后壁48连接。在平的后节段中存在一系列孔（可以可以为圆形、椭圆形或多边形（例如三角形、矩形或正方形）的开口）55。取决于平节段的侧面为管道元件52，管道元件52引导氧化剂流过孔55。在所示的实施例中，穿过前节段54存在许多孔59。然而，所述孔为可选的并且不需要存在。
而且，取决于孔55的前缘，结构元件51有助于支撑挡板57的悬杆56以及稳定的管道元件54。
所述悬杆被定位成使得下降挡板57不超过孔55的前缘的前方的10％。挡板57的操作如关于图1和2所述。
在图5和6中所示的实施例中，还存在挡板58，挡板58从流道41的顶壁44向上延伸。挡板58向上弯曲到燃烧器的上部金属节段（管道）中所述上部金属节段的高度的约15％至75％或约30％至55％。在该实施例中，挡板58可以完全横穿上部金属或管道节段（例如，如上所述，从燃烧器宽度的100％至75％）。如果挡板58在燃烧器的上部金属节段（管道）中足够高地延伸，则所述挡板中可以存在一个或多个孔，以允许一个或多个金属燃料供应管线穿过挡板58。
如上所述的管状燃烧器可以安装在炉的壁中，并且如附图中所示的燃烧器可以为安装底板的。根据可能的情况，壁或底板中的耐火物质衬里具有开口，燃烧器通过该开口装配，并且然后使用耐火物质和水泥来封闭穿过其装配燃烧器的开口。燃烧器还附接到炉的外部支撑（框架）和外部管道，以将氧化剂（例如空气）供应到燃烧器。燃料供应管线也连接到燃料供应，例如天然气。
以类似的方式，可以设计一种壁燃烧器，其中环绕壁燃烧器的耐火物质砖瓦由具有流道的金属盒或板代替，以沿着金属部分的内表面引导氧化剂，该金属部分的外部暴露于炉的高温。
图7示出了典型的热解炉的壁燃烧器的剖视图。图7意在示出典型壁燃烧器的构思，但未示出所有细节。壁燃烧器101用于将燃料和氧化剂引导到炉中进行燃烧。燃料通过入口孔106喷入壁燃烧器中，在入口孔106处它与来自主空气管道104的空气混合。主空气管道穿过环绕壁燃烧器101和消声器109的环形开口形成。所述消声器用于降低燃烧噪音。预混合的燃料流过燃烧器并通过一系列引导叶片107进入炉。二次空气通过壁燃烧器101和耐火物质砖瓦108之间的开口进入炉（未示出控制二次空气量的门或装置）。二次空气流组成了完全燃烧燃料所需的氧化剂的剩余物。燃烧部分地发生在环绕壁燃烧器107的耐火物质砖瓦108上，并且因此预期具有高的表面温度。壁燃烧器101和耐火物质砖瓦108安装在炉内壁102和炉外壁103之间。炉壁定义为表面102和103以及它们之间的空间由各种金属和耐火物质材料构成。
图8示出了具有根据本公开构思的设计元件的热解炉的典型壁燃烧器的剖视图。图8意在示出典型壁燃烧器的构思，但未示出所有细节。该燃烧器组件已改进，以移除所有耐火物质材料。壁燃烧器151用于将燃料和氧化剂引导到炉中进行燃烧。燃料通过入口孔156喷入壁燃烧器中，在入口孔106处它与来自主空气管道154的空气混合。主空气管道穿过环绕壁燃烧器151和消声器159的环形开口形成。所述消声器用于降低燃烧噪音。预混合的燃料流过燃烧器并通过一系列引导叶片157进入炉。二次空气通过金属砖瓦158和二次空气引导装置160之间的开口进入炉（未示出控制二次空气量的门或装置）。引导装置160用于引导二次空气在暴露于裂化炉的辐射节段中的高温环境的金属砖瓦的表面上流动。二次空气流组成完全燃烧燃料所需的氧化剂的剩余物。燃烧部分地发生在环绕壁燃烧器151的金属砖瓦158上，并且因此预期具有高的表面温度。二次空气使金属砖瓦158的表面保持在变形温度以下。壁燃烧器151和金属砖瓦158安装在炉内壁152和炉外壁153之间。炉壁被定义为表面152和153以及它们之间的空间由各种金属和耐火物质材料构成。
金属燃烧器还包括：辅助设备，诸如指示灯；以及用于连接管道工程结构的构件的燃料供给装置和任何机械氧化剂流量控制器以及仪器。
耐火物质材料可以为任何类型的通常用于熔炉耐火物质壁结构的耐火物质物质。这种耐火物质材料的示例包括白云石、碳化硅、铝酸盐（Al2O3）、硅酸铝、铬铁矿、二氧化硅、氧化铝、氧化锆（ZrO2）及其混合物。在一些实施例中，此耐火物质材料选自二氧化硅、氧化铝（Al2O3）、硅酸铝、氧化锆（ZrO2）及其混合物。此耐火物质本质上可以可选地为无孔的，即使所述耐火物质材料通常为多孔的。在一些实施例中，耐火物质为多孔的并且孔隙率不小于0.1cc/g。在一些实施例中，孔隙率可以为0.1至0.5cc/g或0.1至0.3cc/g。
耐火物质壁的示例包括Empire（商标）S，其为高性能干压耐火砖，Clipper（商标）、Korundal XD（商标）和lnsblok-19，其可从A.P.绿色工业有限公司（密苏里州墨西哥城）获得。陶瓷纤维耐火物质的示例包括也可从A.P.绿色工业有限公司获得的Insboard 2300LD。这些耐火物质材料含有约9.7％至61.5％的二氧化硅（SiO2）、12.1％至90.0％的氧化铝（Al2O3）、0.2％至1.7％的氧化铁（Fe2O3），直到27.7％的石灰（CaO）、0.1％至0.4％的氧化镁（MgO）、2.0％至6.3％的二氧化钛（TiO2）和0.1％至2.4％的碱（Na2O加K2O）。
用于涂覆顶板的耐火物质可具有类似的组成。
裂化炉在约700℃至约1350℃或约850℃至约1200℃或850℃至1100℃的温度下与壁一起操作。
燃烧器中使用的金属部件在这样的温度下应该是机械稳定的。金属部件可以由任何高温钢制成，诸如选自锻造不锈钢、奥氏体不锈钢和HP、HT、HU、HW和HX不锈钢、耐热钢和镍基合金的不锈钢。盘管通道可以为高强度低合金钢（HSLA）；高强度结构钢或超高强度钢。此钢的分类和组成对于本领域技术人员已知的。
在一个实施例中，不锈钢，例如耐热不锈钢，在一些实施例中包括13至50重量％或20至50重量％或20至38重量％的铬。不锈钢还可包括20至50重量％或25至50重量％或25至48或约30至45重量％的镍。不锈钢的余量可以基本上为铁。
本文公开的实施例还可以与基于镍和/或钴的极端奥氏体高温合金（HTA）一起使用。在一些实施例中，所述合金包括主要量的镍或钴。在一些实施例中，高温镍基合金包含约50至70重量％或约55至65重量％的镍；约20至10重量％的铬；约20至10重量％的钴；和约5至9重量％的铁，以及下面注意到的一种或多种微量元素的余量，使组成直到100重量％。在一些实施例中，高温钴基合金包括40至65重量％的钴；15至20重量％的铬；20至13重量％的镍；小于4重量％的铁，以及如下所述的一种或多种微量元素的余量和直到20重量％的钨。组分的总和加起来为100重量％。
在一些实施例中，钢可进一步包括许多微量元素，包括至少0.2重量％、直到3重量％，或例如1.0重量％、直到2.5重量％，或例如不超过2重量％的锰；0.3至2重量％或0.8至1.6重量％，或例如小于1.9重量％的硅；小于3重量％，或例如小于2重量％的钛；铌（例如小于2.0重量％或小于1.5重量％的铌）；和所有其他微量金属；以及量小于2.0重量％的碳。微量元素的存在量使得钢的组成总计为100重量％。
在图9和10中示出了本公开的一个实施例。图9示出了福斯特-惠勒热解炉的简单示意图，该热解炉可用于将乙烷裂化成乙烯。在裂化器诸如图9中所示的乙烯裂化器中，原料201（乙烷和蒸汽的混合物）进入通过203的排气部分的盘管202，203通常称为炉的对流节段。将原料在对流节段中预热至受控和特定的温度。在一些实施例中，蒸汽也在单独的盘管207中在对流节段中被加热。在一些实施例中，锅炉给水也在单独的盘管206中在对流节段中被加热。具有原料201的盘管202在其离开205之前穿过炉的辐射节段204，在该点处，它可以快速淬火至较低温度。盘管202穿过炉204的辐射节段，在该辐射节段处，它暴露于由燃烧器208产生的热量。图9中所示的炉示出了具有两个辐射节段的裂化炉配置，其中盘管穿过两个辐射节段。存在许多其他配置，包括具有单个辐射节段的炉。
先前已经使用计算流体动力学（CFD）来模拟NOVA化学乙烷裂化器的辐射节段的操作。该特定热解炉的该节段的操作的一些实施例具有在215℃的由空气和燃料组成的预热燃烧空气，其由在130℃的预热温度下60％摩尔分数的氢气和40％摩尔分数的天然气的混合物组成。炉内的燃烧器为市售的低NOX燃烧器，其由通常用于高温炉中的耐火物质构成。单燃烧器热释放速率约为5MMBtu/hr（1.5MW），其中烟道气湿氧摩尔浓度为2％。已经比较了实际工厂数据和CFD模型结果，包括但不限于加工盘管的表面温度、耐火物质燃烧器的表面温度，烟道气出口温度和加工盘管传热速率。发现模拟与工厂操作测量的比较足够接近（在10％以内），使得它可以用于以实际方式预测工厂表现。
该验证工作用于定义模型要求和设置，以预测使用金属作为构造材料而不是根据本公开的耐火物质材料设计的燃烧器的性能。图9示出了福斯特-惠勒式热解炉的轮廓图，该热解炉具有辐射节段204和燃烧器208的位置。图10示出了如由根据本公开设计并在上述段落中描述的条件下操作的燃烧器（例如图5中所示）的NOVA化学CFD预测的表面温度。温度刻度的范围选择为示出500°C至1000°C之间的温度。低于或高于此范围的温度被示出在刻度的末端。图10示出，对于该示例燃烧器，表面温度不高于900℃，其低于将用于燃烧器构造的金属的变形温度。这表明在燃烧器的烧制速率和由燃烧空气与金属燃烧器的设计引起的内部冷却速率之间存在热传递的平衡。

Claims (23)

1.一种具有不少于1200℃的操作温度的金属的燃烧器，用于利用壁在700℃至1350℃的温度下操作的裂化炉，其特征在于，所述燃烧器包括：
i）金属的流道，其由至少一个表面限定，所述表面具有下游出口和至少一个上游入口，用于一种或多种气态氧化剂；
ii）所述金属的流道具有至少一个下降挡板从用于所述一种或多种气态氧化剂的一个或多个出口的前唇前方不超过10％的区域悬垂到用于所述一种或多种气态氧化剂的所述一个或多个出口的前唇，所述下降挡板在所述燃烧器的上部金属节段内下降至所述燃烧器前面高度的50％至90％；并且横向延伸穿过所述燃烧器的内表面的所述燃烧器的面的宽度的100％至75%，所述下降挡板定位成使得在所述下降挡板的每侧上相对于所述上部金属节段的侧壁存在相等的开口，并且所述下降挡板具有穿过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其，所述至少一个下降挡板将一种或多种气态氧化剂和燃料流抵靠所述燃烧器的面向所述炉的内表面来引导；以及
iii）一个或多个热对流表面阵列选自挡板肋、翅片和突起，以引导所述一种或多种气态氧化剂在所述金属的流道的内表面上的所述一个或多个热对流表面阵列上流动。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，具有热对流表面的阵列，所述热对流表面为至少在暴露于所述裂化炉的所述燃烧器部分的内表面上限定至少一个连续系列的平行通道的肋。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，所述平行通道的高宽比为0.1至2。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中，所述一个或多个燃料供应管线在所述流道的外部前表面终止于所述流道的前部高度的25％至75％。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中，至少一个金属表面的厚度为4至25mm。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，包括协作布置：
i）用于一种或多种气态氧化剂的下部金属流道，其具有打开的后端、封闭的侧壁和封闭的底壁、前壁和顶壁，所述顶壁不延伸所述侧壁的整个长度以限定所述下部金属流道的上部前端中的打开的面向上的通风口；以及所述前壁与所述下部金属流道的底壁连续；
ii）上部金属节段，其具有与所述下部金属流道相同的宽度，所述上部金属节段包括限定腔室的前壁、两个平行的侧壁、后壁、与所述下部金属流道中的打开通风口以及前壁协作的打开底部，以及打开顶部的所述前壁和后壁在其中具有处于基本相同的高度和横向位移开口，以提供从所述上部金属节段的后部通向前部的一个或多个燃料供应管线；
iii）以下中的任一者：
a）一个或多个金属或涂覆陶瓷的金属、与所述上部金属节段的打开顶部协作的顶板，一个或多个顶板具有基本上平面的表面，并且具有弯曲的前缘和穿过其的一个或多个基本上圆形的通道，所述一个或多个顶板具有一个或多个多边形出口，用于使所述一种或多种气态氧化剂通过其；或
b）延伸到所述上部金属节段的后壁的所述前壁的上部节段的延续部分，所述延续部分具有弯曲的前缘，并且具有穿过其的一个或多个基本上圆形的通道，以及具有一个或多个多边形出口的平面的后节段，用于使所述一种或多种气态氧化剂通过其；以及
iv）一个或多个下降挡板，其延伸到所述上部金属节段中。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，具有一系列平行的纵向内部肋，以引导所述一种或多种气态氧化剂在所述下降挡板的面向前的表面上流动。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，还包括上升挡板，所述上升挡板从所述下部金属流道的顶壁向前延伸到上部金属节段的腔室中的打开区域的45％至85％中。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其中，从所述下部金属流道的顶壁向前延伸的所述上升挡板在其向前节段中向上朝向所述一个或多个出口弯曲，以提供平行于所述上部金属节段的内前壁的面向上的上升挡板，并且所述上升挡板的向上延伸节段具有穿过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其中，从所述下部金属流道的顶壁向前延伸的所述上升挡板还包括在面向所述上部金属节段的内前壁的表面上的一系列平行的纵向内部肋，以引导所述一种或多种气态气态氧化剂在所述金属的流道的内表面上流动。
11.根据权利要求10所述的燃烧器，其中，所述平行通道的高宽比为0.1至2。
12.根据权利要求5所述的燃烧器，包括协作布置：
i）用于一种或多种气态氧化剂的下部金属流道，其具有打开后端、封闭的侧壁和封闭的底壁、前壁和顶壁，所述顶壁不延伸所述侧壁的整个长度以限定所述下部金属流道的上部前端中的打开的面向上的通风口；以及所述前壁与所述下部金属流道的底壁连续；
ii）上部金属节段，其具有与所述下部金属流道相同的宽度，所述上部金属节段包括限定腔室的前壁、两个平行的侧壁、后壁、与所述流道中的打开的通风口以及前壁协作的开口底部，以及打开顶部的所述前壁和后壁在其中具有处于基本相同的高度和横向位移的开口，以提供从所述上部金属节段的后部通向前部的一个或多个燃料供应管线；
iii）以下中的任一者：
a）一个或多个金属或涂覆陶瓷的金属、与所述上部金属节段的打开顶部协作的顶板，一个或多个顶板具有基本上平面的表面，并且具有弯曲的前缘和穿过其的一个或多个基本上圆形的通道，一个或多个顶板具有一个或多个多边形出口，用于使所述一种或多种气态氧化剂通过其；或
b）延伸到所述上部金属节段的后壁的所述前壁的上部节段的延续部分，所述延续部分具有弯曲的前缘，并且具有穿过其的一个或多个基本上圆形的通道，以及具有一个或多个多边形出口的平面的后节段，用于使所述一种或多种气态氧化剂通过其；以及
iv）上升挡板，所述上升挡板从所述下部金属流道的上部壁向前延伸到上部金属节段的腔室中的打开区域的45％至85％中。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，从所述下部金属流道的顶壁向前延伸的所述上升挡板在其向前节段中向上朝向所述一个或多个出口弯曲，以提供平行于所述上部金属节段的内前壁的面向上的上升挡板，并且所述上升挡板的向上延伸节段具有穿过其的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应管线穿过其。
14.根据权利要求13所述的燃烧器，其中，从所述下部金属流道的顶壁向前延伸的所述上升挡板还包括在面向所述上部金属节段的内前壁的表面上的一系列平行的纵向内部肋，以引导所述一种或多种气态氧化剂在所述金属的流道的内表面上流动。
15.根据权利要求14所述的燃烧器，其中，所述平行通道的高宽比为0.1至2。
16.根据权利要求8所述的燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述一个或多个顶板为金属。
17.根据权利要求8所述的燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述一个或多个顶板为涂覆有陶瓷的金属。
18.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述一个或多个顶板为金属。
19.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，存在所述一个或多个顶板并且所述一个或多个顶板为涂覆有陶瓷的金属。
20.根据权利要求8所述的燃烧器，其中，所述前壁的上部节段延续到所述后壁的上部节段，并且所述后节段未涂覆陶瓷。
21.根据权利要求8所述的燃烧器，其中，所述前壁的上部节段延续到所述后壁的上部节段，并且所述后节段涂覆有陶瓷。
22.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，所述前壁的上部节段延续到所述后壁的上部节段，并且所述后节段未涂覆陶瓷。
23.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，所述前壁的上部节段延续到所述后壁的上部节段，并且所述后节段涂覆有陶瓷。
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