CN109642723B - 金属燃烧器构件 - Google Patents

Abstract

本公开内容试图提供一种设计用于诸如裂解、重整和蒸汽发生的工业过程的金属燃烧器构件的方法，其中燃烧器构件暴露于炉高温下。燃烧器构件包括一系列冷却通道和内部挡板，以在暴露于炉高温的燃烧器的部分上引导一种或多种燃料和氧化剂流。本公开内容还提供了所得的燃烧器。

Description

金属燃烧器构件

技术领域

本公开内容涉及用于静止工业应用的燃烧器中的金属构件的设计，其中金属构件直接地暴露于不低于600℃的高温。此类燃烧器可适用于许多应用，包括诸如裂解、重整、精炼的化学过程，以及诸如加热和发电(如过热器)的非化学应用。

背景技术

石蜡(如乙烷)裂解成烯烃(如乙烯)是能量密集的。石蜡穿过炉中的管或盘管，炉具有加热到大约1200℃的烟道气体。炉的内壁是耐火材料，其将热辐射至过程盘管。壁由底板或壁或两者中的一系列燃烧器加热。壁的温度可达到从700℃到1350℃的范围中的温度，通常是800℃到1200℃。

目前，炉的内部中的燃烧器的部分由耐火材料制成。这使得燃烧器很重。此外，耐火材料或陶瓷往往较脆，且可在操作期间破裂。

英国专利1480150公开了一种涉及高温燃烧器的改进，其中具有内表面和外表面且提供封闭室的金属双壁耐火砖包绕燃烧器。冷却介质穿过耐火砖来将燃烧器保持在较低温度。该专利教导了冷却介质可为供给至燃烧器的空气或产自燃烧的排出气体。参考文献的教导脱离了本公开内容，因为未使用双壁耐火砖。

Osaka Gas Co., Ltd的A. Omori在1998年的国际天然气研究会议的会议记录中的论文Development of Ultra Compact Low NOx Burner for Heating Furnace的269到276页公开了一种金属燃烧器。该燃烧器没有内部金属燃烧器壁中使空气穿过壁并冷却燃烧器的通道。此外，该燃烧器设计成提供空气涡流至火焰，以增大表面面积且降低火焰温度。这样降低火焰温度可能不是期望的。

在转让给John Zink Company LLC的Bussman 名下的2010年1月28日公告的美国专利申请20100021853教导了一种产生低NOx排放的燃烧器。在附图中，燃烧器是瓷砖(例如，陶瓷或耐火材料)，其中大量燃烧器由此材料制成。相比之下，本公开内容的燃烧器包括低于20wt%的陶瓷或耐火材料，优选没有陶瓷或耐火材料。此外，陶瓷或耐火材料用于包覆涂覆在金属的外侧上。

来自2008年9月30日提交的申请的2012年7月17日发布的U.S.8220269公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器。挡板9存在于燃烧区中。空气可引导到挡板后方，这有助于冷却挡板。没有暗示或明示挡板后部上协助其冷却的任何类型的通道。

本公开内容试图提供一种计算直接地暴露于炉高温的燃烧器表面所需的除热以保持构件低于其变形温度的方法。除热要求用于确定在燃烧器表面上引导燃料和氧化剂流中的至少一种或多种的流动的冷却通道和内部挡板的密度和尺寸。

发明内容

本公开内容提供了一种确定对流体燃烧燃烧器的内表面上的导热通道、翅片、凸起中的一个或多个或内部挡板的需要的方法，燃烧器在不低于600℃的温度下操作，包括具有厚度T和直接地面对炉(形成其部分)的平面非绝热表面的至少一个金属构件，以及燃烧器内的内部挡板，其改变一种或多种氧化剂和燃料的流动，且内部具有一个或多个导热通道、翅片或凸起的网格，或形成燃烧器的部分的内部挡板，其中氧化剂和燃料中的一种或多种在所述金属的内表面上的所述一个或多个导热通道、翅片、凸起上流动，且从表面除去热，该方法包括形成所述燃烧器的虚拟或实质模型，以及使用包括计算流体动力学、燃烧器测试、中试测试和商业试验的一种或多种方法来确定，以确定燃烧器是否在低于其变形温度的温度下操作。

另一个实施例包括计算流体动力学方法，包括模拟炉的平衡操作条件下的燃烧器，包括：

a. 计算从炉穿过金属构件的表面的热通量[以W/m² K为单位]；

b. 计算从金属构件的内表面到所述氧化剂和燃料中的一种或多种的对流热传递；

c. 确定炉的操作条件下的金属构件的平衡温度；

d. 将计算的金属构件的平衡温度与金属构件的变形温度相比较；

e. 如果金属构件的变形温度比计算的金属构件的平衡温度低小于20℃，则修改以下一个或多个：

i) 修改所述金属构件的内表面上的导热通道、翅片、凸起的尺寸和密度；以及

ii) 其内部挡板

因此修改所述金属构件的内表面上的气体速度和传热系数；

f) 重复步骤a)至e)，直到金属构件的计算温度比金属构件的变形温度低至少20℃。

在另一个实施例中，一旦满足步骤f，则进一步修改导热通道、翅片、凸起中的一个或多个的尺寸和密度或内部挡板的大小、位置和数量，同时满足步骤f)的标准来最大程度地减小制造成本。

在另一个实施例中，还包括修改氧化剂和燃料的流率，以确定所述燃烧器的安全操作窗口。

在另一个实施例中，燃料是天然气。

在另一个实施例中，氧化剂选自空气，以及氧和惰性气体的混合物。

在另一个实施例中，燃烧器是壁燃烧器。

在另一个实施例中，燃烧器是自顶向下定向的燃烧器。

在另一个实施例中，燃烧器是底板燃烧器。

在另一个实施例中，用于化学反应器的燃烧器是如上文那样制备的。

在另一个实施例中，用于锅炉的燃烧器是如上文那样制备的。

在另一个实施例中，用于加热器的燃烧器是如上文那样制备的。

另一个实施例提供了一种具有如上文那样的一个或多个燃烧器的化学重整器。

另一个实施例提供了一种具有如上文那样的一个或多个燃烧器的锅炉。

另一个实施例提供了一种具有如上文那样的一个或多个燃烧器的过热器。

另一个实施例提供了一种具有如上文那样的一个或多个燃烧器的化学裂解炉。

另一个实施例提供了一种具有如上文那样的一个或多个燃烧器的化学精炼器。

在另一个实施例中，提供了如上文所述的方法，包括燃烧器测试、中试测试和商业试验中的一个或多个，包括：

a. 由在700℃到大约1350℃的温度下稳定的金属制造一个或多个燃烧器构件或燃烧器本身，其具有选择的尺寸和密度的导热通道、翅片、凸起中的一个或多个，以及选择的大小和位置的一个或多个内部挡板；

b. 在预期的操作温度和燃料及氧化剂在导热通道、翅片、凸起中的所述一个或多个和内部挡板上的各种流动状态下，以燃烧器测试、中试测试和商业试验中的一个或多个测试燃烧器或燃烧器构件，以确定测试条件下的燃烧器或构件的温度是否比金属的热变形温度低小于20℃；

c. 如果测试条件下的燃烧器或构件的温度比金属的热变形温度低小于20℃，则制造更新的燃烧器构件或燃烧器，修改导热通道、翅片、凸起的尺寸和导热通道、翅片、凸起的密度，内部挡板的大小、位置和数量中的一个或多个来改善其传热性质；

d. 重复步骤a至c，直到燃烧器或构件的热变形温度比金属的热变形温度低大于20℃。

附图说明

图1为用于CFD(计算流体动力学)或实验/范例的底板燃烧器设计的示意图。

图2为裂解炉的示意图。

图3为图1中的燃烧器的灰度等级，示出了使用CFD分析模拟的燃烧器的计算温度分布。

具体实施方式

除操作实例中或另外指出的之外，用于说明书和权利要求中的表示组分、反应条件等的量的所有数字或表达都将理解为在所有情况下由用语"大约"修饰。因此，除非相反指出，否则以下说明书和所附权利要求中提出的数值参数是近似值，其可取决于本公开内容期望获得的性质而改变。至少，并不是试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围内，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理解。

尽管提出本公开内容的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告特定实例中提出的数值。然而，任何数值固然包含必然由其相应测试测量中发现的标准偏差引起的某些误差。

另外，应理解，本文引用的任何数值范围都旨在包括其中包含的所有子范围。例如，"1到10"的范围旨在包括引用的最小值1与引用的最大值10之间且包括它们的所有子范围；即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。由于公开的数值范围是连续的，故它们包括最小值与最大值之间的每个值。除非明确另外指出，否则本申请中指定的各种数值范围是近似值。

本文表示的所有组成范围总数受限，且实际上不会超过百分之100(体积百分比或重量百分比)。当组合物中可能存在多个组分的情况下，每个组分的最大量的和可超过百分之100，应理解，且本领域的技术人员容易理解，实际使用的组分的量将符合百分之100的最大值。

如本说明书中使用的，金并且在其涉及燃烧器材料时，基本上金属或基本上属的、金属或金属的所有都意指相对于燃烧器的总构造，燃烧器的不小于80%是金属，且余量是如下文所述的燃烧器的有限外表面上的涂层上的可选的陶瓷。换言之，燃烧器具有不超过20wt%的陶瓷或耐火材料，或不超过10%或不超过5%的陶瓷或耐火材料。

如本说明书中使用的，冷却通道加工在燃烧器的内表面中，冷却通道的尺寸是指冷却通道的宽度和高度。冷却通道的宽度在冷却通道的底座处确定。冷却通道(肋)的高度是指通道的底座上方的冷却通道壁的高度。然而，如果冷却通道的壁不垂直于金属构件，则其是指从壁的外尖端到冷却通道的底座的高度。

如本说明书中使用的，翅片是指粘附在燃烧器的内表面上的薄金属带，冷却翅片的尺寸是指金属表面上方的冷却翅片的厚度和高度。

如本说明书中使用的，凸起是指小离散表面修改，以增大表面面积和表面处的湍流。

如本说明书中使用的，挡板是指燃烧器内部的金属板，其用于改变暴露于炉高温的表面上的一种或多种氧化剂或燃料的流径或速度。

冷却通道、翅片、凸起或它们的组合的密度意指存在通道的那些区域中的横穿通道、翅片或凸起阵列的每单位长度的通道、翅片或凸起阵列的数量(例如，每cm5个通道)。这不同于冷却通道的表面面积覆盖。例如，如果金属构件的内表面的仅一半具有冷却通道、翅片或凸起，则通道、翅片或凸起将具有不同于覆盖金属构件的整个表面的通道的尺寸。这些不同设计的制造成本将是不同的，使得在一些实施例中，通道、翅片、凸起或凸起阵列设计或它们的组合和表面覆盖(总共或按导热结构的类型分开)优化来降低制造成本。

直接地暴露于炉的燃烧器尖端的冷却存在大量先验。在一些实施例中，该技术需要一些种类的"旋流"导叶来将离开喷嘴的气体引导穿过喷嘴的表面。似乎没有任何技术涉及向在无绝热(例如，耐火材料)的情况下直接地暴露于炉的诸如平面件或片材的金属构件在其不暴露炉的表面(例如，反侧或内侧)上提供冷却通道、翅片或凸起或它们的组合。

如本文使用的平面是指元件的弯曲程度。但是，本公开内容不由封闭件(例如，箱)的侧部的形状或几何形状限制。尽管列举了平面表面，但还可构想出弯曲或波状的封闭件的侧部。

在一些实施例中，燃料主要是流体燃料，例如，气体，如，天然气。在一些实施例中，燃料可为液态烃，例如，饱和的C_4-10脂族或环状烃。燃料不是固体颗粒，如，粉煤。

在一些实施例中，氧化剂包括气态氧，例如，空气，但其还可包括氧和惰性气体如氮的混合物。混合物可包括达到大约60wt%的惰性气体，例如，从60wt%到40wt%的惰性气体。

本公开内容的燃烧器包括炉出口上游的室，氧化剂和燃料混合物中的一种或多种在进入炉之前穿过该室。室包括一个或多个金属构件，金属构件具有直接地暴露于炉的一个或多个面或表面。金属构件的相对侧面对室的内部。根据本公开内容，导热通道、翅片或凸起或它们的组合设在金属构件的面向内的侧部上，氧化剂和燃料中的一种或多种穿过该面向内的侧部，以从金属构件移除热。

然而，问题在于通过计算(例如，CFD)或实验(燃烧器测试、中试试验或工厂试验)或它们的组合确定通道、翅片、凸起或它们的组合的尺寸和密度，以提供适量冷却，以便该部分不会在使用条件下变形或劣化(软化或熔化)。在一些实施例中，金属构件的温度应保持比金属的变形或软化温度低至少20℃。

在一个实施例中，本公开内容中的第一步骤在于制作所述燃烧器且具体是在没有绝热覆盖的情况下直接暴露于炉的室和金属构件的计算机模型。计算机模型可由用于CAD/CAM应用的任何已知设计软件生成。在制备模型作为起点时，直接地暴露于炉的金属构件的侧部应没有通道。相对侧(例如，室内侧)可没有导热通道、翅片或凸起或它们的组合，或具有尺寸、密度和表面覆盖基于有经验的操作者的估计的导热通道、翅片、凸起或它们的组合。燃烧器的内部的CAD/CAM模型应没有挡板。

在一些实施例中，建模的起点可包括以下。

纵向通道(如果存在)可具有从0.1到2的高宽比，在一些实施例中从0.5到2，在一些实施例中从0.5到1。肋可具有从4mm到25mm的高度，或从8mm到22m，在一些情况中，从10mm到20mm。

翅片可具有可与纵向通道相当的尺寸和间距。它们可具有从大约4mm到25mm的高度，或从8mm到22mm，在一些情况中，从10mm到20mm，以及从2mm到20mm的厚度，在一些实施例中，从5mm到1.5cm，并且间隔开2mm到2cm，在一些情况中从5mm到1.5cm。

翅片可具有许多截面形状，如，矩形、正方形、三角形或梯形。梯形可能不是完全有意的，而是可从制造过程中出现，例如，在制造(例如，铸造或加工)三角形截面太难或太昂贵时。

在一些实施例中，翅片可铸造为金属表面的部分，或焊接至金属表面。

凸起是封闭的实心块。

凸起可具有的几何形状具有包含相对较小的体积的相对较大的外表面，例如，如，四面体、角锥、立方体、圆锥、穿过球的区段(例如，半球或更小)、穿过椭圆体的区段、穿过变形椭圆体(例如，泪滴)的区段等。用于凸起的一些有用的形状包括：

四面体(具有三角形底座和3个等边三角形的面的角锥)；

Johnson方形角锥(具有正方形底座和等边三角形的侧部的角锥)；

具有4个等腰三角形侧部的角锥；

具有等腰三角形侧部的角锥(例如，如果t是四面角锥，则底座可不是正方形，其可为矩形或平行四边形)；

球的区段(例如，半球或更小)；

椭圆体的区段(例如，穿过椭圆穿过其长轴或短轴旋转形成的形状和体积的一段)；

泪滴形的区段(例如，穿过非均匀变形的椭圆体沿变形轴线旋转时形成的形状或体积的一段)；以及

抛物线的区段(例如，穿过抛物线在围绕其主轴旋转时形成的形状或体积的区段，变形的半(或更小)球)，例如，如，不同类型的三角翼。

凸起的间距和高度与翅片的相当。它们可具有从大约4mm到25mm的高度，或从8mm到22mm，在一些情况中，从10mm到20mm，以及从2mm到20mm的厚度，在一些实施例中，从5mm到15cm，并且间隔开2mm到2cm，在一些情况中从5mm到1.5cm。

凸起还可铸造在金属的内表面上。在一些实施例中，凸起形成阵列。在一些实施例中，阵列是对称的，例如，它们可成平行排(线性阵列)，或其中凸起成偏移阵列间距的相邻排(菱形类型的阵列)。

通道、翅片、凸起或它们的组合可覆盖从流径的内部表面面积的大约15%到100%，在一些实施例中，从25%到100%，在一些实施例中，从60%到100%。当肋或通道覆盖小于流径的内表面面积的100%时，肋或通道形成至少在暴露于裂解炉的燃烧器的部分的内表面上的连续一系列平行肋或通道。

在一些示例性实施例中，燃烧器可具有跨越燃烧器宽度的50%到100%之间的挡板，且将暴露于炉高温的表面附近的流动面积减小20%到70%。

在一些实施例中，提供了一种燃烧器，其中存在下降的挡板，其从用于至少气态氧化剂的所述一个或多个出口的前唇部前方不大于10%的区域悬挂至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部，所述挡板在燃烧器的上金属区段内下降所述燃烧器的前面的高度的50%到90%；且穿过燃烧器的内表面沿侧向延伸所述燃烧器的面的宽度的100%到75%，所述下降挡板定位成使得下降挡板的每侧上存在相对于金属上区段的侧壁基本上相等的开口(如本文使用的基本上相等的开口意指高度变化小于10%，或例如小于5%，或小于2%)，且在需要的情况下，所述下降挡板具有穿过其间的一个或多个圆形通道以允许一个或多个燃料供应线穿过其间。

在另一个实施例中，提供的燃烧器还包括上升挡板，其从所述下金属流动通路的上壁向前延伸到金属上区段的室中的开放区域的45%到85%。

在另一个实施例中，提供了一种燃烧器，其中从所述下金属流动通路的上壁向前延伸的所述上升挡板在其前区段中向上朝开口顶部弯曲，以提供平行于上区段的内前壁的面向上的上升挡板，且在需要的情况下，所述上升挡板的向上延伸的区段具有穿过其间的一个或多个圆形通道，以允许一个或多个燃料供应线穿过其间。

在另一个实施例中，提供了燃烧器，其中从所述下金属流动通路的上壁向前延伸的所述上升挡板还包括面对上区段的内前壁的表面上的一系列平行的纵向内部肋，以在所述基本上金属流通路的内表面上引导所述至少气态氧化剂的流动。

并且，在一些实施例中，可存在上升挡板和下降挡板两者。

金属壁可具有从4mm到25mm的厚度，或从8mm到22mm，在一些情况中是从10mm到20mm。

在一些实施例中，燃烧器设计或其构件可制造成从测试燃烧器的大小到商业设备大小，且使用燃烧器测试设备、中试设备或在工厂试验中进行实验测试。评估制造的燃烧器对热变形的抵抗性，且可对燃烧器进行修改来改善对变形的抵抗性。修改的燃烧器的测试将是实现适合设计的迭代过程。

在一些实施例中，金属构件的模型然后用于操作中的燃烧器的计算流体动力模型中。输入数据包括氧化剂和燃料的流率和成分、炉的几何形状和工艺负荷。流过燃烧器的燃料和氧化剂的对流冷却相对于燃烧燃料的热释放之间存在平衡。对流冷却流率与热释放率、燃料成分和典型过量空气相互依赖，这导致1%到10%之间的氧的湿摩尔浓度。燃烧器的所需热释放与氧化剂和燃料的流率将限定燃烧器的大小范围。该范围将由冷却所需的氧化剂速度和燃料速度的范围以及燃料和氧化剂在其流过燃烧器时的最大实际压降进一步限定。燃料和氧化剂的流率可按需要由本领域的普通技术人员计算出。

模拟的输出包括炉和燃烧器各处的传导、对流和辐射热传递。在一些实施例中，考虑了燃料的燃烧热，因为流率增大对通道上流动的流体的对流热传递，但其也将增加炉中的热和温度。模型将计算炉的平衡温度和金属部分的平衡温度。模型然后将金属部分的平衡温度与预定温度相比较，如，软化温度或热变形温度以下的指定温差(例如，10℃到40℃)。可能使用熔化温度，但其太接近部分的失效。没有安全限度。

如果模型确定平衡温度是软化温度以下的所需差异，则模型不必进一步运行。如果温度太接近热变形温度，则修改通道和内部挡板的尺寸、密度和表面覆盖，且将平衡温度与所需温度相比较(例如，变形温度-20℃)。针对通道尺寸、密度和表面覆盖中的每个变化重复该过程，直到获得令人满意的平衡温度(例如，变形温度-20℃)。

在一些实施例中，在获得适合的平衡温度之后，可对金属表面进一步建模来获得通道的更经济图案和/或通道的机械上更稳定的图案。

室可为任何形状。在一些实施例中，室具有暴露于炉的至少一个平面。室可选自以下形状中的一个或多个：N边棱柱，其中N是大于4的整数(例如，5、6、7、8)，但在一些情况下，N是大于4的偶数(六边棱柱、八边棱柱等)。室可包括矩形棱柱(N是4)或三边棱柱(N是3)的形状组合。球和管大体上不是室的优选形状。室大体上具有在一侧(平面)上的入口，以及相对侧或顶部上的出口。

在一些实施例中，期望具有穿过室的湍流。在一些情况中，室内存在一个或多个内部挡板来增加流动的湍流。湍流还有助于从通道到流过室的流体的热传递。

用于燃烧器中的直接暴露于炉的金属构件应在从大约700℃到大约1350℃，或从大约850℃到大约1200℃，或从850℃到1100℃的温度下在机械上稳定。金属构件可由任何耐高温钢(如，选自锻造不锈钢、奥氏体不锈钢和HP、HT、HU、HW和HX不锈钢的不锈钢)、耐热钢和镍基合金制成。盘管通道可为高强度低合金钢(HSLA)；高强度结构钢或超高强度钢。此类钢的分类和成分是本领域的技术人员已知的。

在一个实施例中，不锈钢(例如，耐热不锈钢)包括重量上从13到50，或20到50，或从20到38%的铬。不锈钢还可包括重量上从20到50，或从25到50，或从25到48，或从大约30到45%的Ni。不锈钢的余量可基本上是铁。

公开的实施例可结合镍和/或钴基极端奥氏体高温合金(HTA)一起使用。在一些实施例中，合金包括大量镍或钴。在一些实施例中，高温镍基合金包括重量上从大约50到70，或从大约55到65%的Ni；重量上从大约20到10%的Cr；重量上从大约20到10%的Co；以及重量上从大约5到9%的Fe，并且余量是下文提到的一种或多种痕量元素，以使组合物达到重量上100%。在一些实施例中，高温钴基合金包括重量上从40到65%的Co；重量上从15到20%的Cr；重量上从20到13%的Ni；重量上小于4%的Fe，并且余量是如下文提到的一种或多种痕量元素和达到重量上20%的W。组分的和相加达到重量上100%。

在一些实施例中，钢还可包括许多痕量元素，包括重量上至少0.2%，达到重量啥上3%，或例如，重量上1.0%，达到重量上2.5%，或不大于重量上2%的锰；重量上从0.3到2，或例如从0.8到1.6，或例如小于1.9%的Si；重量上小于3，或小于2%的钛、铌(例如，重量上小于2.0，或小于1.5%的铌)，以及所有其它痕量金属；且碳量重量上小于2.0%。痕量元素的存在量使得钢的成分总计重量上100%。

上文所述的燃烧器可安装在炉壁中，可为底板安装或顶板安装的(例如，如重整器中)。根据具体情况，壁、底板或顶板中的耐火衬里具有开口，燃烧器穿过开口配合，且然后耐火材料和水泥用于封闭燃烧器经由其配合的开口。燃烧器还附接至用于炉和供应氧化剂(例如，空气)至燃烧器的外部管的外部支承件(框架)。另外，燃料供应线连接至燃料源，例如，天然气。

金属燃烧器还包括辅助设备，如指示灯，以及用于连结管道系统的部件和任何机械氧化剂流控制器和仪器的燃料供给。

本公开内容由以下范例来示出。

范例

现在将参照图1、2和3来展示本公开内容的一个实施例。图2示出了诸如用于将乙烷裂解成乙烯的Foster-Wheeler热解炉的简单示意图。在诸如图2中所示的乙烯裂解炉的裂解炉中，原料201(乙烷和蒸汽的混合物)进入盘管202，穿过通常称为炉的对流区段的203的排气部分。进料在对流区段中预热至受控且特定的温度。在一些实施例中，蒸汽也在单独盘管207中的对流区段中加热。在一些实施例中，锅炉给水也在单独的盘管206中的对流区段中加热。具有原料201的盘管202在原料201离开205之前穿过炉的辐射区段204，在出口205处其可快速骤冷至低温。盘管202穿过炉204的辐射区段，其暴露于由燃烧器208生成的热。图2中所示的炉显示出裂解炉构造，其具有两个辐射区段，其中盘管穿过两个辐射区段。存在许多其它构造，包括具有单个辐射区段的炉。

计算流体动力学(CFD)之前已经用于对NOVA Chemicals的乙烷裂解炉的辐射区段的操作建模。在一些实施例中，该特定热解炉的该区段的操作在215℃空气下预热燃烧空气，且在130℃的预热温度下预热由60%摩尔分数的氢和40%摩尔分数的天然气的混合物构成的燃料。炉内的燃烧是市售的低NOX燃烧器，其由通常用于高温炉中的耐火材料构成。单个燃烧器的热释放率是大约5MMBtu/hr(1.5MW)，其中烟道气体湿氧摩尔浓度处于2%。比较了真实工厂数据和CFD模型结果，包括但不限于过程盘管的表面温度、耐火燃烧器的表面温度、烟道气体流出温度，以及过程盘管传热率。发现建模与工厂操作测量结果的比较足够接近(10%内)，使得其可用于以实用方式预测工厂性能。

该验证工作由发明人用于限定模型要求和设置，以预测将金属用作构造材料来替代耐火材料而设计的根据本公开内容的燃烧器的性能。图2示出了具有辐射区段204和燃烧器208的位置的Foster-Wheeler式热解炉的轮廓视图。图3示出了根据本专利设计且在等于如以上段落中所述的条件下操作的燃烧器(如图1中所示)的CFD预测的表面温度。温度刻度具有的范围选择成显示500℃到1000℃之间的温度。低于或高于该范围的温度显示在刻度的末端处。图3示出了对于该示例性燃烧器，表面温度不高于900℃，这低于将用于燃烧器构造的金属的变形温度。这示出燃烧器的燃烧速率与燃烧空气和金属燃烧器设计引起的内部冷却速率之间存在热传递平衡。

Claims (18)

1.一种确定对流体燃烧燃烧器的内表面上的导热通道、翅片、凸起中的一个或多个或内部挡板的需要的方法，所述燃烧器在不低于600℃的温度下操作，所述燃烧器包括：具有厚度T和直接地面对炉的平面非绝热表面的至少一个金属构件；以及所述燃烧器内的内部挡板，所述内部挡板改变一种或多种氧化剂和燃料的流动，且内部具有一个或多个导热通道、翅片或凸起的组合，或形成所述燃烧器的部分的内部挡板，其中氧化剂和燃料中的一种或多种在所述金属的内表面上的所述一个或多个导热通道、翅片、凸起上流动，且从所述表面除去热，所述方法包括：形成所述燃烧器的虚拟或实质模型；以及使用包括计算流体动力学、燃烧器测试、中试测试和商业试验的一种或多种方法确定，以确定所述燃烧器是否在低于其变形温度的温度下操作，

其中，所述燃烧器包括金属上区段和下金属流动通路，所述内部挡板包括上升挡板，其从所述下金属流动通路的上壁向前延伸到所述金属上区段的室中的开放区域的45%到85%，并且

所述金属构件由耐高温钢、耐热钢或镍基合金制成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括计算流体动力学方法，所述方法包括模拟炉的平衡操作条件下的燃烧器，所述方法包括：

a. 计算从所述炉穿过所述金属构件的表面的热通量，其单位为W/m² K；

b. 计算从所述金属构件的内表面到所述氧化剂和燃料中的一种或多种的对流热传递；

c. 确定所述炉的操作条件下的所述金属构件的平衡温度；

d. 将所述金属构件的计算的平衡温度与所述金属构件的变形温度相比较；

e. 如果所述金属构件的变形温度比所述金属构件的计算的平衡温度低小于20℃，则修改以下一个或多个：

i) 修改所述金属构件的内表面上的导热通道、翅片、凸起的尺寸和密度；以及

ii) 所述内部挡板

由此修改所述金属构件的内表面上的气体速度和传热系数；

f) 重复步骤a)至e)，直到所述金属构件的计算温度比所述金属构件的变形温度低至少20℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，一旦满足步骤f，则进一步修改所述导热通道、翅片、凸起中的一个或多个的尺寸和密度，或所述内部挡板的大小、位置和数量，同时满足步骤f)的标准来最大程度地减小制造成本。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括修改氧化剂和燃料的流率，以确定所述燃烧器的安全操作窗口。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料是天然气。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂选自空气、以及氧和惰性气体的混合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器是壁燃烧器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器是自顶向下定向的燃烧器。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器是底板燃烧器。

10.一种根据权利要求1制备的用于化学反应器的燃烧器。

11.一种根据权利要求1制备的用于锅炉的燃烧器。

12.一种根据权利要求1制备的用于加热器的燃烧器。

13.一种具有一个或多个根据权利要求10的燃烧器的化学重整器。

14.一种具有一个或多个根据权利要求11的燃烧器的锅炉。

15.一种具有一个或多个根据权利要求12的燃烧器的过热器。

16.一种具有一个或多个根据权利要求10的燃烧器的化学裂解炉。

17.一种具有一个或多个根据权利要求10的燃烧器的化学精炼机。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括燃烧器测试、中试测试和商业试验中的一个或多个，所述方法包括：

a. 由在700℃到1350℃的温度下稳定的金属制造一个或多个燃烧器构件或所述燃烧器本身，所述燃烧器构件或所述燃烧器本身具有选择的尺寸和密度的导热通道、翅片、凸起中的一个或多个，以及选择的大小和位置的一个或多个内部挡板；

b. 在预期的操作温度和所述燃料及所述氧化剂在导热通道、翅片、凸起中的所述一个或多个和内部挡板上的各种流动状态下，以燃烧器测试、中试测试和商业试验中的一个或多个测试所述燃烧器或燃烧器构件，以确定所述测试条件下的所述燃烧器或构件的温度是否比所述金属的热变形温度低小于20℃；

c. 如果所述测试条件下的所述燃烧器或构件的温度比所述金属的热变形温度低小于20℃，则制造更新的燃烧器构件或所述燃烧器，修改所述导热通道、翅片、凸起的尺寸和所述导热通道、翅片、凸起的密度、内部挡板的尺寸、位置和数量中的一个或多个来改善所述燃烧器或构件的传热性质；

d. 重复步骤a至c，直到所述燃烧器或构件的热变形温度比所述金属的热变形温度低大于20℃。

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