CN112292439B - 用于蒸气裂解炉的燃烧器系统 - Google Patents

Abstract

用于蒸气裂解炉的辐射段的燃烧器系统配置成向所述辐射段提供热量，所述燃烧器系统包括燃料入口和氧化剂入口，并且还包括喷射器块，所述喷射器块被布置位于所述辐射段内并接收推进剂和推进流体，并且被布置成将所述推进剂与所述推进流体预混合。

Description

用于蒸气裂解炉的燃烧器系统

本发明涉及用于蒸气裂解炉的燃烧器系统。

在常规的蒸气裂解炉中，烃原料可以进入进料预热器，即在裂解炉的对流段中的许多对流管束中的一个。这种烃原料可以是任何种类的烃，优选本质上是链烷烃或环烷烃，但也可以存在少量的芳族烃和烯烃。此类原料的实例是：乙烷、丙烷、丁烷、天然汽油、石脑油、煤油、天然气冷凝物、瓦斯油(gas oil)、真空瓦斯油、加氢处理或脱硫或加氢脱硫的(真空)瓦斯油或其组合。根据原料的状态，进料可以在与稀释蒸气混合之前在进料预热器中预热和/或部分或完全蒸发。稀释蒸气可以直接注入，或者它可以在与原料混合之前首先在稀释蒸气过热器中过热。还可以存在多个蒸气注入点，例如用于较重的原料。在高温盘管中进一步加热混合的原料/稀释蒸气混合物以达到用于引入辐射盘管中的最佳温度。在辐射盘管中，将烃原料快速加热至其中热解反应开始并且将烃原料转化成产物和副产物的点。此类产物尤其是氢、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、苯乙烯和二甲苯。副产物尤其是甲烷和燃料油。稀释蒸气、未转化的原料和转化的原料(反应器流出物)的所得混合物被称为“裂解气”。这种裂解气在输送管线交换器中快速冷却，以冻结有利于产物的反应平衡。裂解气中的废热可以在至少一个输送管线交换器中回收并且可以用于产生饱和高压(HP)蒸气。这种蒸气可以由来自蒸气罐的锅炉水产生。在输送管线交换器中，锅炉水部分地蒸发。这种部分蒸发的锅炉水通过自然循环流回蒸气罐。在蒸气罐中，产生的饱和蒸气与锅炉水分离，并且可以被送至对流段以被过热。可以存在多个输送管线交换器，但第一个即主输送管线交换器优选用于产生饱和蒸气。

用于高度吸热热解反应的反应热可以通过燃料(气体)与燃烧空气在炉燃烧室(也称为辐射段)中通过底部燃烧器和/或侧壁燃烧器燃烧来提供。其它点火选项也是可能的。对于运行长度而言，在燃烧室中尽可能均匀地分配热量是有利的。通常，由于底部燃烧器的数量受到限制，因此底部燃烧器具有相对长的燃烧区或火焰。侧壁燃烧器的数量通常较多，但它们的燃烧区或火焰较小。炉效率高度取决于炉底燃烧器的放热模式和侧壁燃烧器的物理位置：炉底燃烧器在炉燃烧室下部区域放热越多以及侧壁燃烧器在燃烧室的高度越低，炉效率可以越好。在燃烧区中，燃料和空气被转化成燃烧产物，例如水和CO2(所谓的“烟道气”)。来自烟道气的废热在对流段中使用各种类型的对流管束回收。部分热量用于工艺侧，烃进料和稀释蒸气的预热和/或蒸发，而剩余的热量用于非工艺侧，例如HP蒸气的产生。为了通过产生HP蒸气从如上所述的烟道气中回收过量的废热，锅炉进料水可以在被递送到蒸气罐之前在对流段的节能器中被加热。在蒸气罐中，它可以与已经存在的锅炉水混合。如上所述，锅炉水可以在输送管线交换器中用于产生蒸气。饱和蒸气可以被送至对流段，在那里它可以被高压蒸气过热器过热。为了控制HP蒸气温度，可以将锅炉进料水注入减温器中。

本领域现状的蒸气裂解炉的问题是燃烧室尺寸越来越受到NOx产生，氮氧化物(例如NO和N2O)的产生的影响，氮氧化物是不希望的燃烧副产物，其例如可能引起酸雨。随着NOx排放目标变得越来越严格，为了更有效地冷却火焰并且将NOx排放保持在监管规定范围内，增加了燃烧室尺寸，这增加了裂解炉的资本成本。同时，存在增加炉燃料效率以最小化CO2排放的趋势，因为这些是温室气体的主要来源。例如，可以通过去除至少一部分侧壁燃烧器来提高燃烧室效率。由于这种增加炉的燃料效率的趋势，需要增加底部燃烧器的容量以补偿至少一部分侧壁燃烧器的去除。

本发明的目的是消除一个或多个以上提及的问题。特别地，本发明旨在提供用于蒸气裂解炉的燃烧器系统，其可以减少NOx排放，而不需要增加燃烧室尺寸。

面积混合段面积混合段面积混合段面积混合段为此目的，根据本发明的第一方面，提供了燃烧器系统，其特征在于权利要求1的特征。特别地，提供了用于蒸气裂解炉的辐射段(即炉燃烧室)的燃烧器系统，所述蒸气裂解炉被配置成向所述辐射段提供热量。燃烧器系统包括燃料入口和氧化剂入口，并且燃烧器系统还包括布置成接收推进剂和推进流体并且布置成将所述推进剂与所述推进流体预混合的喷射器块。喷射器块位于辐射段内，使得喷射器块与推进剂的高速射流的组合可以对例如燃烧室中的烟道气提供一定量的吸入，而不需要任何额外的管道，因此建立增加的再循环烟道气流。在燃烧室的燃烧区中产生的烟道气经由喷射器块被抽回到燃烧器系统中，产生再循环的烟道气流。烟道气再循环的主要作用是降低燃烧室中的绝热火焰温度，绝热火焰温度是燃烧产生的烟道气在其向其环境释放任何热量之前的温度。这是由于在最终燃烧之前，在相对低的温度下烟道气与燃料和/或氧化剂的强烈预混合。这意味着在辐射段的主燃烧区中，必须分配更多的燃烧热以再加热再循环的惰性烟道气，留下较少可用于加热净燃烧产物的热量，从而降低绝热火焰温度。再循环速率越高，绝热火焰温度越低，因此限制了燃烧室中火焰的最高温度，这又可以减少氮氧化物的产生，例如NO和N2O，所谓的NOx，NOx是主要在温度超过1700℃的区域中产生的不希望的燃烧副产物。燃烧器系统包括进入辐射段的单个出口，用于燃料和/或氧化剂与推进剂/推进流体预混合物组合的至少部分未转化的混合物的出口流。推进剂可以例如是压缩燃料或压缩氧化剂。推进流体可以是含氧气的烟道气。出口流可以例如是预混合的烟道气/燃料混合物或例如预混合的烟道气/氧化剂混合物，其中燃料在离开燃烧器之前被部分转化，或者换而言之，出口流可以例如是至少部分转化的燃料与过量氧化剂，其中燃料的至少一部分或氧化剂的至少一部分与再循环烟道气强烈地预混合以降低辐射段的主燃烧区中的绝热火焰温度。具有进入辐射段的单个出口流的燃烧器系统可以在没有用于进入辐射段的空气出口流的另外的二次空气间隙的情况下工作，所述二次空气间隙通常存在于现有技术的燃烧器系统中。燃烧器系统的许多配置都是可能的。燃烧器系统可以例如但不必须包括燃烧器块，所述燃烧器块包括燃料入口和/或氧化剂入口。然后，可以将喷射器块放置成将至少部分未转化的推进剂/推进流体喷射进入燃烧器块中。或者，喷射器块可以直接喷射进入燃烧室中，同时燃料和氧化剂在燃烧器系统的单个出口的上游被注射至喷射器块中。氧化剂和/或燃料可以例如甚至是推进剂的一部分。

喷射器块可以有利地包括恒定面积混合类型的喷射器，喷射器块包括推进剂和推进流体在其中混合的喷射器恒定面积混合段，其中喷射器恒定面积混合段与喷射器块的入口相距一定距离。与其它喷射器类型相反，例如更常用的恒压混合喷射器，其中推进剂和推进流体在喷射器块入口处的吸入室中混合，在该恒定面积混合段类型喷射器中的推进剂和推进流体在距喷射器块入口一定距离处混合，特别是在所谓的喷射器喉部中，改善推进剂和推进流体的混合条件。在恒定面积混合装置中，在与恒定面积混合段中的推进剂混合之前，首先在喷射器块的吸入室中加速推进流体。这使推进剂与推进流体之间的速度差和相应的动量差最小化，使得该混合固有地比其它喷射器类型更有效，在其它喷射器类型中，混合发生在喷射器块的吸入室的入口处。

喷射器恒定面积混合段的长度与喷射器恒定面积混合段的喉部内直径的比率为约5至约8。足够长度的喷射器恒定面积混合段(也称为喷射器块的喉部)可以改善推进剂射流的动量向推进流体(例如再循环烟道气)的传递。推进剂的速度可以下降，而推进流体的速度可以在喷射器的喉部或恒定面积混合段的长度上增加。或者换而言之，推进剂和推进流体之间的速度差可以在喷射器喉部或恒定面积混合段的长度上减小。在约5至8的优选长度与喉部直径之比可以接近喷射器的最大效率。

优选地，喷射器块可以包括吸入室，所述吸入室布置成吸入推进流体，例如存在于燃烧室中的烟道气，其中吸入室布置成增加推进流体(特别是烟道气)的动量。吸入室位于喷射器块的入口处。吸入室的设计使得进入的推进流体(例如烟道气)的动量逐渐增加，以减少混合损失并增加喷射器效率。吸入室可以例如具有朝向恒定面积混合段的聚拢形状。吸入室的内壁可以优选地从喷射器块的入口朝向喷射器块的喉部被圆化，使得喷射器块的吸入室具有例如大致钟形的形状。由于推进流体通过例如位于喷射器块入口处的钟形吸入室被吸入喷射器块中，因此推进流体的流动方向基本上与喷射器块的纵轴成直线，这可以改善喷射器块的混合部分中的推进剂与推进流体之间的动量传递的效率。这与一些现有技术的吸入室相反，在现有技术的吸入室中，推进流体的流动方向基本上横向于推进剂的流动方向，这由于混合损失而降低了喷射器的效率。

燃烧器系统还可以包括第一喷嘴，所述第一喷嘴被配置成将推进剂注射至喷射器块中，其中喷嘴沿着喷射器块的纵向轴，优选地沿纵向中心轴延伸至喷射器块中，特别是延伸至吸入室中。当第一喷嘴延伸进入喷射器块时，推进剂在与喷射器块的入口(在这里推进流体进入喷射器块)间隔开的位置处注射至喷射器块中，特别是在喷射器块的入口后的位置处，如在喷射器块的纵向方向上所看到的。通过在喷射器块的纵向方向上将推进剂注射在喷射器块中，而不是例如在横向于喷射器块的纵向轴的方向上喷射，当两种流体的速度在同一方向上时，可以改善推进流体和推进剂的混合。

第一喷嘴可有利地位于喷射器恒定面积混合段的入口处，其与喷射器块的吸入室直接流体连接。以这种方式，可以避免在喷射器块的入口处的吸入室中的燃烧，防止喷射器的阻塞。另外，可以提供更有效的喷射器块，尤其是能够处理异质或非均质流体，例如相对冷的推进剂(例如燃料)和相对热的推进流体(例如再循环的烟道气)。推进剂和推进流体可以例如具有不同的物理和热力学性质。更具体地，分子量、温度、热容和等熵因子可以不同。

优选地，喷射器恒定面积混合段的喉部内直径与第一喷嘴的直径的比率大于5、优选地大于7、更优选地约10。这种比率可以确定被吸入喷射器中的推进流体(例如再循环烟道气)的量。该直径比越高，再循环烟道气的百分比越高，并且在燃烧室中产生的绝热火焰温度越低，并且因此NOx排放越低。

喷射器块可以有利地包括配置成将动态压力转变为静态压力的喷射器扩散器。如下所述，这种动态压力至静态压力的转移可以在燃烧室中提供改善的燃烧。

希望使喷射器的推力增强最大化，所述喷射器的推力增强为增加喷射器的推力超过普通喷嘴的推力。推力是气流的动能。这可以例如通过优化扩散器出口面积与喉部面积的比率来实现。喷射器的详细研究已经表明，当喷射器扩散器出口面积与喷射器扩散器入口面积的比率优选地为约1.5至约2.5、更优选地为约2.3时，这种推力增强处于其最大值。在面积比为1的情况下，没有将动态压力转化为静态压力。由于直径相同的明显原因，扩散器的出口速度与从喉部出来的出口速度相同。没有压力恢复，导致相对低的通过量。在非常高的面积比的情况下，所有的动态压力都被转化为静态压力。扩散器的出口速度比喉部的出口速度低得多。压力恢复非常高，导致高通过量，但速度和推力因此非常低。从1的面积比至无穷大的面积比，推力经历最大值。为了使从扩散器出来的推力最大化，通过量和速度均需要相对较高。这种推力可以改善预混合的推进流体/推进剂和/或燃料的至少部分未转化的混合物(例如预混合且至少部分未转化的燃料气体/烟道气混合物)与低速氧化剂(例如通过连接至燃烧器块的风箱进入低速氧化剂)的混合。推力越大，混合越好，这可以增强燃烧室的主燃烧区中的适当燃烧。

推进剂可以例如是压缩燃料气体、压缩空气和压缩燃烧氧气中的一种，或者甚至这些中的任一种的组合。对于推进剂的这些实例中的每一个，推进流体优选为烟道气。使用燃料气体作为推进剂可能是有利的，因为它已经在炉中以压缩形式存在。此外，压缩空气在每个设备中都是可用的，例如用于除焦。作为推进剂的压缩空气的所需量被限制，其具有优于压缩燃料气体的优点，即空气的供应压力可以独立于工厂操作条件而被设定以满足NOx限制，这在燃料气体压力的情况下是不可能的。也可以使用纯氧气作为推进剂并提高燃烧室效率，同时使用普通空气作为主火焰，这可以提高燃料效率同时保持相同的NOx排放水平。使用压缩空气作为推进剂可以提供一些额外的优点。由于在喷射器本身中不存在可燃混合物，因此当过量的氧化剂在燃烧室中较高时，在启动阶段期间不可能使喷射器过热。这意味着燃烧器可以仅用有限量的初级燃料启动，并且不需要二级燃料。这意味着在可以使用喷射器之前，炉不需要加热至完全操作状态，但加热至所谓的“热备用”状态，即在引入主原料之前的状态可以是足够的。这种所谓的“热备用”状态基本上较冷，并且可以以3至4倍的系数降低启动能力。由于初级燃烧器是NOx形成的剩余主要来源，因此降低该燃烧器的容量可进一步降低NOx形成。作为推进剂的压缩燃烧氧气通常可以用于产生具有非常低的氮浓度的烟道气，使得在应用CO2捕集来减少CO2排放的情况下更经济。由于氮含量非常低，NOx形成也非常低，因为在没有氮的情况下不能形成NOx。使用压缩燃烧氧气的主要优点中的一个是烟道气再循环足够高以避免外部烟道气再循环，外部烟道气再循环是相对冷的烟道气经由管道从燃烧室外部再循环至燃烧器。

燃烧器系统还可以包括出口弯曲件。在包括燃烧器块的燃烧器系统的情况下，这种出口弯曲件可以延伸穿过燃烧器块的侧壁并弯曲至燃烧器块的流动方向。出口弯曲件可以与燃烧器系统的扩散器直接流体连通。预混合推进剂/推进流体的至少部分未转化的混合物的方向的改变可以引起混合物的涡旋，再次有利于混合并且改善燃烧室的主燃烧区中的燃烧。优选的是，弯曲内半径与出口弯曲件的直径的比率优选地高于大约0.75、或者更优选地高于约1.0，这是相对较大的弯曲，这可以改善离开弯曲的横截面流动分布并且可以降低压降。太小的弯曲半径可能提供朝向燃烧室侧壁的高优先流动，这是不希望的。

燃烧器系统还可以包括直延伸件。直延伸件可以延伸并与出口弯曲件或与燃烧器系统的扩散器直接流体连通。直延伸件可以延伸至燃烧器系统的燃烧器块中，或者可以直接延伸至燃烧室中。直延伸件的中心纵向轴可以与燃烧器块的中心纵向轴平行，或者甚至基本上与燃烧器块的中心纵向轴相同。延伸件优选地被向上引导，以便将来自喷射器块的混合物流引导至与燃烧室中的热流相同的方向。在直延伸件的出口区域，预混合的推进剂/推进流体和/或燃料的至少部分未转化的混合物可以例如到达燃烧器块中，在所述燃烧器块中存在氧化剂(如空气)流。预混合的推进剂/推进流体和/或燃料的至少部分未转化的混合物可以是例如部分转化的燃料气体/烟道气混合物或如进一步解释的其它混合物。在燃烧器块的周围管道中的预混合的推进剂/推进流体和/或燃料的至少部分未转化的混合物与氧化剂(例如空气)之间的相对高的推力差可以导致氧化剂流被吸入预混合的推进剂/推进流体流的至少部分未转化的混合物中，进一步有助于燃烧室的主燃烧区中的燃烧。优选地，延伸件的长度与延伸件的直径的比率优选地高于约1，更优选地高于约1.5。如上所述，可以存在一定量的朝向燃烧室侧壁的优先流动，这可以通过使该延伸件更长来抵消。

直延伸件出口区域的内部可以优选地逐渐变细成尖锐边缘。尖锐边缘可以导致在离开直延伸件的流与燃烧器块中的流之间的界面处形成旋涡，从而促进在燃烧室的主燃烧区中的混合和随后的燃烧。

燃烧器系统可以有利地包括平行放置的多个喷射器块，每个喷射器块在单个燃烧器块中进行喷射。多个喷射器可以增加每个燃烧器的负荷，而所需的硬件(燃烧器块和风箱)仅仅是稍微更昂贵的。因此，通过在单个燃烧器块中添加尽可能多的喷射器，可以获得更经济的系统。因此，增加了系统的容量。这在我们希望将负荷从燃烧室的侧壁燃烧器转移至底部燃烧器从而提高燃料效率的情况下是有利的。或者，多个没有燃烧器块的燃烧器系统可以平行地放置在单个燃烧室中。

本发明的一个方面提供了如权利要求14的特征所限定的蒸气裂解炉的炉燃烧室。这种炉燃烧室可以提供一个或多个上述优点。

本发明的另一方面提供了燃烧器系统在如权利要求15的特征所限定的蒸气重整器的辐射段中的用途。这种用途可以提供一个或多个上述优点。

本发明的又一方面提供了操作如权利要求16的特征所限定的燃烧器系统的方法。这种方法可以提供一个或多个上述优点。另外，所述操作燃烧器系统的方法可以防止可能由在喷射器块中温度变得太高而引起的对喷射器块的损坏。如果在燃烧室启动时将推进剂注射至喷射器块中，当燃烧室中的氧含量或过量的氧化剂水平仍然高于30体积％而没有供应初级燃料时，则由于放热反应，主要在预燃烧区中产生CO₂，特别是在二级燃料气体用作推进剂的情况下。CO₂的这种产生可能导致喷射器块中的温度升高，这可能损坏喷射器块。为了防止喷射器块中温度的这种潜在危险的升高，根据本发明的方法，首先将初级燃料注射至燃烧器系统中，特别是以绕过喷射器块的方式，直到在燃烧室中达到过量的氧化剂水平，特别是氧气，低于约30体积％。然后可以减少初级燃料的供应，并且可以将推进剂(例如二级燃料)注射至喷射器块中。由于燃烧室中氧含量的降低，预燃烧区中的吸热反应可以主要产生CO，这可以在控制下保持喷射器块中的温度，或者甚至可以导致喷射器块中的温度降低。

将参考示例性实施方案的附图进一步阐述本发明。相应的元件用相应的附图标记表示。

图1示出了根据本发明的燃烧器系统的第一实施方案的示意图；

图2示出了根据本发明的燃烧器系统的第二实施方案的示意图的俯视图；

图3示出了根据本发明的燃烧器系统的第三实施方案的示意图；

图4示出了根据本发明的燃烧器系统的第四实施方案的示意图；

图5示出了根据本发明的燃烧器系统的第五实施方案的示意图；

图6示出了根据本发明的燃烧器系统的第六实施方案的示意图；

图7示出了根据本发明的燃烧器系统的第七实施方案的示意图。

图1示出了根据本发明的燃烧器系统的第一实施方案的示意图。以下实施例中所示的燃烧器系统优选旨在用于蒸气裂解炉的辐射段或燃烧室40，尽管所述系统也可以用于其它类型的炉。燃烧器系统51包括燃烧器块55，所述燃烧器块55包括例如经由风箱52到达燃烧室底板41的初级燃料入口57和氧化剂入口6。风箱52可以例如设置有法兰并固定至燃烧室底板41的底部。燃烧器系统51还包括喷射器块65，所述喷射器块65设置成接收并且预混合推进剂和推进流体，并将部分未转化的混合物喷射进入燃烧器块55中。位于用于蒸气裂解炉的燃烧室中的辐射段内的喷射器块65可以例如位于燃烧室的底部区域中，例如基本上水平地在炉底板41上。或者，如本领域技术人员所清楚的，在具有向下燃烧的燃烧室的炉中，例如重整器，燃烧器系统也可以悬挂在燃烧室的顶部。图1所示的喷射器块65基本上横向于燃烧器块55的纵向和向上方向放置，并穿过燃烧器块55的侧壁到达。以这种方式，燃烧器系统包括进入辐射段或燃烧室40的单个出口，该单个出口用于燃料和/或氧化剂与推进剂/推进流体预混合物的组合的至少部分未转化的混合物的出口流。燃烧器系统51的第一实施方案的喷射器块65包括恒定面积混合类型的喷射器，喷射器块65包括喷射器恒定面积混合段61，推进剂70和推进流体50在喷射器恒定面积混合段61中混合。喷射器恒定面积混合段61与喷射器块65的入口60相距一定距离，所述入口由设置成吸入推进流体50(例如烟道气)的吸入室60形成。吸入室60布置成增加所述推进流体50的动量。在与恒定面积混合室61中的推进剂70混合之前，推进流体50首先在吸入室60中在喷射器块的纵向方向上被加速。这使在推进剂70与推进流体50之间的速度差和相应的动量差最小化，使得该混合固有地比其中在吸入室60的入口处进行混合的其它喷射器类型的混合更有效。燃烧器系统51还包括第一喷嘴71，其配置成将推进剂70注射至喷射器块65中。喷嘴71沿喷射器块65的纵向轴延伸进入喷射器块65中，优选地喷射器块的纵向中心轴，特别是喷射器块内的中空喷射器空间的纵向中心轴。第一喷嘴71优选地放置在喷射器恒定面积混合段61的入口处，其中推进流体和推进剂基本上具有相同的流动方向。第一喷嘴71与推进剂70供应源流体连接，例如通过燃烧室底板41到达。推进剂70可以例如是二级燃料气体、或压缩空气、或压缩燃烧氧气、或其它合适的推进剂，这将在进一步的实施方案中示出。在本实施方案的燃烧器系统51中，喷射器块65包括配置成将动态压力转变为静态压力的喷射器扩散器62。喷射器扩散器62具有从与喷射器恒定面积混合段61直接流体连接的入口区域朝向大于喷射器扩散器入口区域的扩散器出口区域的锥形形状。燃烧器系统51还包括出口弯曲件63，其通过燃烧器块55的侧壁将喷射器块65连接至燃烧器块55中。出口弯曲件63包括大致直角的弯曲，使得推进剂和推进流体的混合物被引导到与燃烧器块55中的氧化剂6的流动方向相同的方向。燃烧器系统51还包括平行于燃烧器块55的中心纵向轴延伸进入燃烧器块55中的直延伸件64。直延伸件64的外径小于燃烧器块55的任何内部尺寸或直径，使得氧化剂(例如燃烧空气6)和初级燃料56可以沿直延伸件64流动。预混合且至少部分未转化的推进剂/推进流体混合物离开直延伸件64的速度可以对氧化剂具有吸入效应，导致两个流更好地混合。这种作用可以通过直延伸件出口区域的内部逐渐变细成尖锐边缘来进一步增强。

使用燃烧器系统51的这种第一实施方案的燃烧过程的实例可以描述如下。氧化剂6(例如燃烧空气)可以通过消声器53与风箱52之间的开口进入燃烧器系统51。氧化剂的流速可以通过位于风箱上的氧化剂控制阻尼器54来控制。氧化剂通过风箱内部的氧化剂通道，通过炉底板41和燃烧器块55的内部朝向初级燃烧区58和位于燃烧器块的出口处的主燃烧区74行进。

初级燃料气体56穿过燃烧室侧壁42并通过位于燃烧器块中的凹槽中的初级燃料燃烧器喷嘴57，在该处它进入燃烧器块并在与燃烧空气混合时被点燃以在初级燃烧区58中产生烟道气。如果仅有初级燃烧器喷嘴57处于工作中，则大部分烟道气75通过燃烧室出口43离开燃烧室40。在这种情况下，烟道气再循环非常有限。

推进剂(例如二级燃料气体70)可以穿过燃烧室底板41并穿过位于喷射器块61的恒定面积混合段的入口处的二级燃料燃烧器喷嘴71，其中其进入喷射器块65。这种二级燃料气体70在与来自喷射器吸入室60的再循环烟道气50在预燃烧区72中混合时被点燃，以产生氧耗尽的烟道气/燃料混合物73。再循环烟道气50通过在二级燃料气体喷嘴的出口处由离开喷嘴的燃料气体(在本文中称为推进剂)产生的高速射流通过喷射器吸入室60被推进到喷射器块中。这种再循环烟道气50仍含有氧气。这种烟道气中的剩余氧气在预燃烧区72中被完全转化成一氧化碳(CO)，消耗部分二级燃料气体。离开预燃烧区72的氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在离开喷射器块65之前被传递通过喷射器恒定面积混合段61、喷射器扩散器62、喷射器出口弯曲部63和喷射器直延伸件64。在离开延伸件之后，氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在主燃烧区74中与剩余的氧化剂(例如燃烧空气6)混合。在此，所有的二级燃料均被转化成烟道气75。产生的烟道气通过注射至喷射器块65中的推进剂的吸入效应部分地再循环回到喷射器块的吸入室，并且净烟道气75被转移至燃烧室出口43。

初级燃料56和二级燃料70可以均同时运行，但优选仅在燃烧系统启动时运行，直到燃烧室40中的过量空气降低至小于30体积％的水平。在已经达到所述水平之后，可以减少初级燃料56的供应，同时可以增加运行的二级燃料70。如果在燃烧室启动时将二级燃料70注射至喷射器块65中，当燃烧室40中的氧含量或过量的氧化剂水平仍然高于30体积％而没有供应初级燃料56时，则由于放热反应，主要在预燃烧区72中产生CO₂。CO₂的这种产生可能导致喷射器块65中的温度升高，这可能损坏喷射器块。为了防止喷射器块65中温度的这种潜在危险的升高，首先将初级燃料56注射至燃烧器系统51中，特别是以绕过喷射器块65的方式，直到在燃烧室40中达到过量的氧化剂水平，特别是氧水平，低于约30体积％。然后可以减少初级燃料56的供应，并且可以将二级燃料70注射至喷射器块65中。由于燃烧室中氧含量的降低，预燃烧区72中的吸热反应可以主要产生CO，这可以在控制下保持喷射器块65中的温度，或者甚至可以导致喷射器块中的温度降低。由于主燃烧区74中的燃烧温度显著低于主燃烧区58中的燃烧温度，因此主燃烧区74中产生的NOx比主燃烧区58中产生的NOx少。初级燃料百分比越小，NOx排放越低。

图2示出了根据本发明的燃烧器系统的第二实施方案的示意图的俯视图。根据该第二实施方案的燃烧器系统51’包括平行放置的多个喷射器块65a、65b、65c，每个喷射器块喷射进入单个燃烧器块55中。例如，可以存在两个或三个喷射器块或更多个喷射器块。这些喷射器块65a、65b、65c可以例如被制造成形成包括平行中空喷射器空间的单个块或作为单独的喷射器块。喷射器块可以各自具有在前面或后面的实施方案中描述的一些或全部特征。它们可以优选地彼此相邻地平行放置，例如在燃烧室底板41上。除了在喷射器直延伸件64的高度处延伸通过燃烧室侧壁42的一个或多个主燃料燃烧器喷嘴57之外，如第一实施方案所述，燃烧器系统还可以包括在燃烧器块55顶部上的一个或多个分级燃料喷嘴81。以这种方式，分级燃料气体80可以穿过燃烧室侧壁42并穿过分级燃料燃烧器喷嘴81，其中分级燃料80进入燃烧室40并且在与氧化剂(例如燃烧空气)混合时被点燃，以在位于主燃烧区58上方的分级燃烧区中产生烟道气。分段燃烧可以有利地产生较少的NOx，使得在启动阶段也可以减少NOx排放。此外，通过将初级喷嘴分成初级水平和分级水平，可以将初级水平的尺寸设定为较小的容量，使得在正常操作期间，可以关闭分级水平，并且初级燃料可以以减小的容量运行。这种减小的容量将低于没有拆分的容量。如上所解释，初级燃烧器是剩余NOx排放的主要来源。使这些喷嘴对总点火的贡献最小化，将总NOx排放减少至最小。在图1所示的实施方案中，这种分级燃烧也可以被有利地使用。

图3示出了根据本发明的燃烧器系统的第三实施方案的示意图。根据该第三实施方案的燃烧器系统可以包括一个或多个先前描述的特征。这种燃烧器系统的几何形状基本上与第一实施方案中的相同。不同在于使用压缩氧化剂90，例如压缩空气或甚至100％纯氧气，代替由第一喷嘴91注射至喷射器块65中的二级燃料气体作为推进剂。燃烧器系统51”还包括位于燃烧器系统出口附近的第二喷嘴71，优选地在喷射器出口弯曲件63中，更优选地在喷射器直延伸件64的入口处。第二喷嘴与二级燃料入口流体连接，所述二级燃料入口延伸通过喷射器出口弯曲件63进入喷射器直延伸件64，并且优选地通过风箱52的侧壁。以这种方式，在到达主燃烧区之前，循环烟气中的过量空气可以在相对低的温度下被转化。

在使用燃烧系统的该第三实施方案的燃烧过程中，燃烧空气6可以通过消声器53与风箱52之间的开口进入喷射器燃烧器51”，就像在先前描述的实施方案中那样。空气的流速由位于风箱上的氧化剂控制阻尼器54控制。空气通过风箱内部的空气通道，通过炉底板41和燃烧器块55的内部朝向初级燃烧区58和位于燃烧器块的出口处的主燃烧区74行进。

初级燃料气体56穿过燃烧室侧壁42并穿过位于燃烧器块中的凹槽中的初级燃料燃烧器喷嘴57，在该处它进入燃烧器块并在与燃烧空气混合时被点燃以在初级燃烧区58中产生烟道气。如果仅主燃烧器喷嘴57处于运行中，则大部分烟道气75通过燃烧室出口43离开燃烧室40。在这种情况下，烟道气再循环非常有限。

与先前的实施方案相反，压缩空气可以穿过燃烧室底板41并穿过位于喷射器块65的恒定面积混合段61的入口处的第一喷嘴91，在那里它进入喷射器块65。再循环烟道气50通过在压缩空气喷嘴的出口处由离开喷嘴的压缩空气(在本文中称为推进剂)产生的高速射流通过喷射器吸入室60被推进到喷射器块65中。烟道气/空气混合物76通过喷射器恒定面积混合段61、喷射器扩散器62、喷射器出口弯曲部63朝向喷射器直延伸件64转移，在其中烟道气/空气混合物76与预燃烧区72中的二级燃料混合。

二级燃料气体70可以穿过风箱52的壁、喷射器出口弯曲部63的壁并穿过二级燃料燃烧器喷嘴71，所述二级燃料燃烧器喷嘴71优选地位于喷射器直延伸件64的入口处，在该入口处二级燃料气体70进入喷射器块65。这种二级燃料气体70在与来自喷射器出口弯曲部63的再循环烟道气/空气混合物76在预燃烧区72中混合时被点燃，以产生氧耗尽的烟道气/燃料混合物73。

这种烟道气/空气混合物73中的氧气在预燃烧区72中主要被完全转化成一氧化碳(CO)，消耗部分二级燃料气体。离开预燃烧区72的氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在离开喷射器块65之前通过喷射器直延伸件转移。在离开延伸件之后，氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在主燃烧区74中与剩余的燃烧空气6混合。在此，所有的二级燃料均被转化成烟道气75。产生的烟道气部分地再循环回到喷射器块的吸入室，并且净烟道气75被转移至燃烧室出口43。

初级燃料56和二级燃料70可以同时运行，但不是必需的。二级燃料气体70和压缩空气90优选同时运行。

图4示出了根据本发明的燃烧器系统的第四实施方案的示意图。根据该第四实施方案的燃烧器系统51”’可以包括一个或多个先前描述的特征。这种燃烧器系统的几何形状与先前描述的实施方案的显著不同在于，该第四实施方案是没有单独的燃烧器块55的燃烧器系统的实例，使得喷射器块65经由燃烧器系统的单个出口直接喷射进入燃烧室40中。此外，在该实施方案中不存在风箱。此外，压缩氧气被用作喷射器中的推进剂而不是压缩空气或二级燃料。氧气不需要是100％纯的氧气。它也可以含有相当大量的空气，或者甚至是压缩空气。作为推进剂的压缩氧气可以同时向燃烧器系统提供氧化剂，因此不存在单独的氧化剂入口，氧化剂入口与推进剂入口相同。燃烧器系统还包括主燃料燃烧器喷嘴98，其位于燃烧器系统的出口附近，优选在喷射器出口弯曲件63中，更优选在喷射器直延伸件64的入口中或穿过喷射器直延伸件64的入口，以防止喷射器块过热。这种情况下，喷嘴实际上甚至可以延伸至直的延伸件中，使得火焰不接触壁，因为在这种情况下，火焰比在其它情况下更热。主燃料燃烧器喷嘴98与延伸穿过喷射器出口弯曲件63并穿过燃烧室底板41的主燃料入口流体连接。在燃烧器系统的这种实施方案中，喷射器恒定面积混合段61的喉部内直径与第一喷嘴91的直径的比率优选地高于10，并且更优选地约20。

压缩氧化剂90(例如压缩燃烧氧气或压缩空气)可以穿过燃烧室底板41并穿过位于喷射器块61的恒定面积混合段的入口处的压缩氧化剂喷嘴91，在那里它进入喷射器块65。再循环烟道气50通过在压缩氧化剂喷嘴的出口处由离开喷嘴的压缩氧化剂(在本文中称为推进剂)产生的高速射流通过喷射器吸入室60被推进到喷射器块中。烟道气/氧化剂混合物76通过喷射器恒定面积混合段61、喷射器扩散器62、喷射器出口弯曲部63朝向喷射器直延伸件64转移，在那里它与主燃料97混合，主燃料97穿过燃烧室底板41、喷射器出口弯曲部63的壁并穿过位于或经过喷射器直延伸件64的入口的主燃料燃烧器喷嘴98，在那里主燃料97进入喷射器块65。这种主燃料气体97在与来自喷射器出口弯曲部63的压缩氧化剂/再循环烟道气的混合物76混合时在靠近燃烧器系统的出口和靠近主燃烧区74被点燃，以产生烟道气75。因此，在喷射器块65中没有预燃烧区72。产生的烟道气部分地再循环回到喷射器块的吸入室，并且净烟道气75被转移至燃烧室出口43。主燃料气体97和压缩氧化剂90同时运行。由于烟道气和氧化剂的大量预混合，烟道气/氧化剂混合物中的氧气百分比降低至与正常燃烧空气中的氧气百分比相似或甚至更低的水平。这显著地降低了主燃烧区中的燃烧温度。这与燃烧室内的再循环烟道气中非常低的氮水平相结合，将NOx降低至极低的值。然而，这种情况的主要目的是防止外部烟道气再循环。目的是使足够的烟道气再循环以使火焰温度达到在以空气燃烧期间通常实现的条件。由于实际上不存在氮，因此在这种情况下NOx排放将非常低。这种实施方案的其它优点是产生的烟道气相对富含CO2，使其成为用于碳捕集的合适的废物流，从而减少温室气体向大气中的排放。

图5示出了根据本发明的燃烧器系统的第五实施方案的示意图。这种燃烧器系统的几何形状基本上与图3所示的第三实施方案相同。不同在于使用压缩氧化剂90作为推进剂。压缩氧化剂90可以是空气，但也可以是氧气以及空气和氧气的任意组合。此外，代替使用燃烧空气作为燃烧氧化剂6，燃烧空气可以与外部再循环的烟道气混合，以额外地冷却燃烧室40中的主燃烧区74中的火焰温度。燃烧氧化剂6在到达单独的燃烧器之前与外部再循环烟道气混合，例如在上游管道(未示出)中。燃烧氧化剂/外部再循环烟道气的混合物7可以通过风箱52进入燃烧器系统51””。混合物7的流速可以通过位于风箱52上的氧化剂控制阻尼器54来控制。氧化剂通过风箱内部的氧化剂通道，通过炉底板41和燃烧器块55的内部朝向初级燃烧区58和位于燃烧器块的出口处的主燃烧区74行进。

初级燃料气体56可以穿过燃烧室侧壁42并穿过位于燃烧器块55中的凹槽中的初级燃料燃烧器喷嘴57，在该处它进入燃烧器块55并在与燃烧氧化剂混合时被点燃以在初级燃烧区58中产生烟道气。如果仅主燃烧器喷嘴57处于运行中，则大部分烟道气75通过燃烧室出口43离开燃烧室40。在这种情况下，烟道气再循环非常有限。

压缩氧化剂90可以穿过燃烧室底板41并穿过位于喷射器块65的恒定面积混合段61的入口处的压缩氧化剂喷嘴91，在那里它进入喷射器块65。再循环烟道气50通过在压缩氧化剂喷嘴91的出口处由离开喷嘴的压缩氧化剂90(在本文中称为推进剂)产生的高速射流通过喷射器吸入室60被推进到喷射器块中。烟道气/空气混合物76通过喷射器恒定面积混合段61、喷射器扩散器62、喷射器出口弯曲部63朝向喷射器直延伸件64转移，在其中烟道气/空气混合物76与预燃烧区72中的二级燃料混合。二级燃料气体70可以穿过风箱52的壁，喷射器出口弯曲部63的壁并穿过二级燃料燃烧器喷嘴71，所述二级燃料燃烧器喷嘴71优选地位于喷射器直延伸件64的入口处，在该入口处二级燃料气体70进入喷射器块65。这种二级燃料气体70在与来自喷射器出口弯曲部63的再循环烟道气/空气混合物76在预燃烧区72中混合时被点燃，以产生氧耗尽的烟道气/燃料混合物73。这种烟道气/空气混合物中的氧气在预燃烧区72中主要被完全转化成一氧化碳(CO)，消耗部分二级燃料气体。离开预燃烧区72的氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在离开喷射器块65之前通过喷射器直延伸件转移。在离开延伸件之后，氧耗尽的烟道气/燃料混合物73在主燃烧区74中与燃烧氧化剂和外部再循环烟道气的剩余混合物7混合。在此，所有的二级燃料均被转化成烟道气75。产生的烟道气部分地再循环回到喷射器块的吸入室60，并且净烟道气75被转移至燃烧室出口43。

初级燃料56和二级燃料70可以在燃烧室40中达到低于约30体积％、更优选低于30体积％的过量氧化剂水平之前同时运行，但优选地仅在燃烧系统启动时。在已经达到所述条件之后，可以减少初级燃料56的供应，同时可以在运行中同时地增加二级燃料70和压缩氧化剂90。由于主燃烧区74中的燃烧温度显著低于主燃烧区58中的燃烧温度，因此该区中产生的NOx比主燃烧区58中产生的NOx更少。初级燃料百分比越小，NOx排放越低。

图6示出了根据本发明的燃烧器系统的第六实施方案的示意图。该第六实施方案的几何形状基本上类似于图4所示的第四实施方案的几何形状，但燃烧器系统51””’的该实施方案布置成沿燃烧室侧壁42放置，而不是基本上水平地放置在燃烧室底板41上，导致侧向点火。这种燃烧器系统对于可提供相对小的主燃烧区的氧燃料燃烧可能是有趣的，从而避免火焰撞击在燃烧室40中的辐射管上。燃烧器系统还可以包括喷射器入口弯曲件66，其布置成在吸入腔60上游与喷射器吸入室60直接流体连通。所述喷射器入口弯曲件66可以放置在燃烧室底板41或为燃烧室侧壁42的基本上水平的延伸部的燃烧室平台底板44上，或者在整个圆周上，或者仅在燃烧器系统的下方。然后，推进剂的入口可以延伸通过所述燃烧室平台底板44或燃烧室底板41并通过所述喷射器入口弯曲件66以到达第一喷嘴91。

图7示出了根据本发明的燃烧器系统的第七实施方案的示意图。与图6中所示的燃烧器系统的第六实施方案类似，图7中所示的燃烧器系统也布置成沿燃烧室侧壁42放置。它与先前的实施方案的不同在于，燃烧器系统不包括喷射器出口弯曲件63，导致向上点火而不是侧向点火。此外，延伸穿过直延伸件64的侧壁的主燃料燃烧器喷嘴98可以在其侧面而不是在喷嘴的端部处包括孔，使得在向上的方向上产生燃烧区，从而与侧向点火实施方案相比，本实施方案可以处理更大的燃烧区。

为了清楚和简明描述的目的，本文将特征描述为相同或单独实施方案的一部分，然而，应理解，本发明的范围可以包括具有所述特征中的所有或一些的组合的实施方案。例如，即使未示出，图6和图7的实施方案的燃烧器系统也可以设置有燃烧器块和风箱，以允许引入燃烧氧化剂，例如空气，例如与外部再循环烟道气混合的空气。如图2所示，所示的所有燃烧器系统也可以例如设置有分级燃料燃烧器喷嘴。

可以理解，所示的实施方案具有相同或相似的部件，除了在它们被描述为不同的地方。

在权利要求中，置于括号内的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除存在权利要求中所列的那些以外的其它特征或步骤。此外，词语“一(a)”和“一(an)”不应被解释为限于“仅一个”，而是用于意指“至少一个”，并且不排除多个。在互不相同的权利要求中陈述某些措施的事实并表示这些措施的组合不能被有利地使用。许多变型对于本领域技术人员是显而易见的。应理解，所有的变型都包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

参考标记的列表

6.燃烧氧化剂

7.燃烧氧化剂和外部再循环烟道气的混合物

40.燃烧室

41.燃烧室底板

42.燃烧室侧壁

43.燃烧室出口

44.燃烧室平台底板

50.内部再循环烟道气

51.燃烧器系统

52.风箱

53.消声器

54.氧化剂控制阻尼器

55.燃烧器块

56.初级燃料

57.初级燃料燃烧器喷嘴

58.初级燃烧区

60.喷射器吸入室

61.喷射器恒定面积混合段

62.喷射器扩散器

63.喷射器出口弯曲件

64.喷射器直延伸件

65.喷射器块

66.喷射器入口弯曲件

70.二级燃料

71.二级燃料燃烧器喷嘴

72.预燃烧区

73.氧耗尽的烟道气/燃料混合物

74.主燃烧区

75.烟道气体

76.氧化剂/烟道气混合物

80.分级燃料

81.分级燃料喷嘴

90.压缩氧化剂

91.压缩氧化剂喷嘴

97.主燃料

98.主燃料燃烧器喷嘴

Claims (18)

1.用于蒸气裂解炉的辐射段的燃烧器系统，所述蒸气裂解炉配置成向所述辐射段提供热量，所述燃烧器系统包括燃料入口和氧化剂入口，并且还包括喷射器块，所述喷射器块位于所述辐射段内并且布置成接收推进剂和推进流体，并且布置成将所述推进剂与所述推进流体预混合，

其中所述喷射器块包括恒定面积混合类型的喷射器，所述喷射器块包括推进剂和推进流体在其中混合的喷射器恒定面积混合段，其中所述喷射器恒定面积混合段与所述喷射器块的入口相距一定距离，

其中所述燃烧器系统包括进入所述辐射段的单个出口，所述单个出口用于燃料和/或氧化剂与推进剂/推进流体预混合物的组合的至少部分未转化的混合物的出口流，其中所述喷射器块包括位于所述喷射器块的入口处的吸入室，所述吸入室布置成吸入所述推进流体，其中所述吸入室布置成增加所述推进流体的动量，以及

其中，所述燃烧器系统还包括第一喷嘴(71,91)，所述第一喷嘴(71,91)配置成将所述推进剂注射至所述喷射器块中，其中所述喷嘴沿所述喷射器块的纵向轴延伸至所述喷射器块中。

2.根据权利要求1所述的燃烧器系统，其中所述喷射器恒定面积混合段的长度与所述喷射器恒定面积混合段的喉部内直径的比率为5至8。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述吸入室布置成吸入所述推进流体，其中所述推进流体为烟道气。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述喷射器块的纵向轴为所述喷射器块的纵向中心轴。

5.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述第一喷嘴放置在所述喷射器恒定面积混合段的入口处。

6.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述喷射器恒定面积混合段的喉部内直径与所述第一喷嘴的直径的比率高于5。

7.根据权利要求6所述的燃烧器系统，其中所述喷射器恒定面积混合段的喉部内直径与所述第一喷嘴的直径的比率高于7。

8.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述喷射器块包括配置成将动态压力转变为静态压力的喷射器扩散器。

9.根据权利要求8所述的燃烧器系统，其中所述喷射器扩散器出口面积与喷射器扩散器入口面积的比率为1.5至2.5。

10.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，其中所述推进剂是燃料气体、压缩空气和压缩燃烧氧气中的一种。

11.根据权利要求1或2所述的燃烧器系统，还包括出口弯曲件。

12.根据权利要求11所述的燃烧器系统，其中所述出口弯曲件的弯曲内半径与直径的比率高于0.75。

13.根据权利要求1所述的燃烧器系统，还包括直延伸件。

14.根据权利要求13所述的燃烧器系统，其中所述延伸件的长度与所述延伸件的直径的比率高于1。

15.根据权利要求13或14所述的燃烧器系统，其中直延伸件出口区域的内部逐渐变细成尖锐边缘。

16.蒸气裂解炉的炉燃烧室，包括至少一个根据权利要求1至15中任一项所述的燃烧器系统。

17.权利要求1至15中任一项所述的燃烧器系统在蒸气重整器的辐射段中的用途。

18.操作根据权利要求1至15中任一项所述的燃烧器系统的方法，包括以下步骤：

-将初级燃料和氧化剂注射至所述燃烧器系统中，直至达到低于30体积％的过量氧化剂水平；

-一旦已经达到所述低于30体积％的过量氧化剂水平，则减少初级燃料的供应；

-将推进剂注射至所述喷射器块中。

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