CN117999439A - 贫预混合式辐射壁燃烧器设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有内部分级燃料排放喷嘴和内部偏流器的分级的贫预混合式辐射壁燃烧器，和一种使用该辐射壁燃烧器的方法，其允许高氢含量燃料的燃烧而不发生回火，并且其还提供减少的NOx排放，并且当以多燃烧器布置安装在燃火加热器的壁、地板或天花板中时允许燃烧器的间距更近。

Description

贫预混合式辐射壁燃烧器设备及方法
技术领域
本发明涉及用于在炼油厂和化工厂以及其它工业服务和设施中使用的加热器、炉和其它燃火加热系统的预混合式、减少NOx的辐射壁燃烧器设备及方法。
背景技术
辐射壁燃烧器通常在乙烯裂解炉中使用，并且也在延迟焦化加热器、用于生产氢气的蒸汽/甲烷重整炉以及其它应用中使用。在这些应用中，典型地在炉火箱的一个、两个或多个壁上安装多个辐射壁燃烧器，以便加热整个壁并将热辐射到过程管。预混合式辐射壁燃烧器形成并径向排放气体燃料和空气的混合物，以产生环绕燃烧器喷嘴并位于火箱壁的表面上或靠近火箱壁的表面的扁平火焰。辐射壁燃烧器通常水平地安装，诸如水平地安装在竖直的火箱壁中，但是也可竖直地安装或以其它定向安装。
预混合式辐射壁燃烧器通常遇到的问题是“回火(flashback)”。当气体燃料的火焰速度大于燃料和空气预混合物的排放速度时，会发生回火，这导致预混合物在其仍在燃烧器内部时被点燃。大多数预混合式辐射壁燃烧器包括环绕燃烧器喷嘴的纵向延伸的一系列排放槽。燃烧器的流动区域可通过增加槽的纵向长度来增加。然而，随着槽的长度增加，从纵向延伸的槽的后部端部部分排放的预混合物的相对流动速度降低，因此产生低速度区域，这增加了回火的危险。
此外，因为氢气与其它气体燃料相比燃烧得极快，所以随着预混合燃料中的氢气含量增加，回火大体上具有更大的发生趋势。例如，当在乙烯裂解工艺中使用预混合式辐射壁燃烧器时，这尤其成问题。在乙烯裂解市场中，所有乙烯裂解器中的大约39％是气体裂解器，其燃烧器燃料中具有高达90％的H2。
预混合式辐射壁燃烧器通常遇到的另一个限制是，为了避免由于燃烧器火焰的直径造成的火焰干扰，典型地必须以至少五英尺或大于五英尺间隔开燃烧器。这种限制在非分级和分级的辐射壁燃烧器二者中都会遇到，但在本领域目前已知的分级的燃料辐射壁燃烧器中尤其成问题。在这些现有燃烧器中使用的分级燃料操作期望地减少了NOx排放，但是增加了燃烧器火焰的直径，使得燃烧器的所需间距增加。
因此，存在对改进的预混合式辐射壁燃烧器的需要，该改进的预混合式辐射壁燃烧器(a)消除了燃料和空气预混合物的低速度排放区域，(b)允许使用高氢燃料而不发生回火，并且(c)提供具有减小的直径火焰的分级燃料操作，当安装在火箱壁中时，这减小了燃烧器之间的所需间距。
此外，还需要提供低NOx排放的上述类型的改进的预混合式辐射壁燃烧器。
对于在工业应用中使用的燃烧器，如果燃烧器燃料与空气充分混合并且在理想条件下发生燃烧，所得的燃烧产物主要是二氧化碳和水汽。然而，当燃料没有在理想条件下燃烧时，例如没有在高火焰温度下燃烧时，燃烧空气中存在的氮气与氧气反应产生NOx。在其它条件相同的情况下，NOx产物随着燃烧过程的温度的升高而增加。NOx排放大体上被认为会导致臭氧消耗、酸雨、烟雾和其它环境问题。
对于没有燃料结合氮的气态燃料，热力型NOx是产生NOx的主要机制。当火焰达到足够高的温度以破坏共价N2键从而使所得的“游离”氮原子与氧结合形成NOx时，就会产生热力型NOx。
典型地，燃烧的温度未高到足以破坏所有N2键。相反，贯穿燃烧过程，空气流中的大部分氮保持呈双原子氮(N2)的形式。然而，一些N2典型地将在火焰的高强度区域中达到足够高的温度，以破坏N2键并形成“游离”氮。一旦共价氮键被破坏，“游离”氮可用于与其它原子结合。幸运的是，游离氮很可能将会与其它游离氮原子反应以转化回N2。然而，如果另一个游离氮原子不可用，则游离氮将与氧反应形成NOx。
随着燃烧器火焰的温度升高，N2共价键的稳定性降低，导致游离氮的产生增加，并且因此也增加了热力型NOx排放物的产生。因此，在减少NOx排放的持续努力中，已经开发了各种类型的燃烧器设计和理论，其目的是降低峰值火焰温度。
精炼、发电、石油化工工艺和其它工艺的各种要求需要使用许多不同类型和构造的燃烧器。用于降低NOx排放的方法可因应用而异。然而，热力型NOx减少大体上是通过减慢燃烧速率来实现的。由于燃烧过程是氧气和燃烧器燃料之间的反应，延迟燃烧的目的典型地为降低燃料和氧气混合在一起并燃烧的速率。氧气和燃料混合在一起越快，燃烧速率就越快，并且火焰峰值温度就越高。
用于减少NOx排放的不同类型燃烧器的设计方法的示例包括：
(a)分级空气设计，其中，将燃烧空气典型地分成两个或更多个流，以产生贫燃烧和富燃烧的单独级。
(b)使用内部烟道气再循环(IFGR)的设计，其中，内部流动动量用于使燃烧系统中的一些烟道气(即，燃烧的惰性产物)再循环回到燃烧区中，以形成稀释的燃烧混合物，该稀释的燃烧混合物在较低的峰值火焰温度下燃烧。
(c)分级燃料设计，其中，(i)将全部或部分燃料引到燃烧空气流的外部，以因此延迟燃料与燃烧空气流的混合，产生在较低的峰值火焰温度下燃烧的燃料-空气混合物，或者(ii)将部分燃料引到初级火焰包络的外部，以使火焰分级，并且在存在来自初级火焰的燃烧产物的情况下燃烧燃料。
(d)使用外部烟道气再循环(EFGR)的设计，其中，燃烧器典型地使用外部空气鼓风机，该外部空气鼓风机向燃烧器供应燃烧空气，并且该外部空气鼓风机使用外部管道布置将烟道气从燃烧腔室吸入鼓风机的抽吸部中。烟道气与燃烧空气流混合以降低供应到燃烧器的空气流的氧气浓度，这继而又降低了峰值火焰温度。
(e)使用“无焰”燃烧的设计，其中，大部分或全部燃烧器燃料穿过燃烧的惰性产物并与其混合，以形成在较低峰值火焰温度下燃烧的稀释燃料。燃料和惰性燃烧产物的混合物的惰性可高达90％，因此产生“透明”火焰。
(f)使用蒸汽和/或惰性注入燃烧器燃料中的设计，其中，所述蒸汽或惰性组分与所述燃料混合，使得所得的组合物将在较低的峰值火焰温度下燃烧。
(g)使用蒸汽和/或惰性注入燃烧空气流中的设计，其中，所述蒸汽和/或惰性组分与所述燃烧空气混合，使得所得的组合物将在较低的峰值火焰温度下燃烧。
(h)使用高过量空气水平来稀释燃烧产物并产生低火焰温度的设计，诸如表面稳定燃烧的燃烧器。
发明内容
本发明提供了一种低NOx的、分级燃料的预混合式辐射壁燃烧器装置和方法，其满足了上文所讨论的需求并减轻了上文所讨论的问题。本发明的预混合式辐射壁燃烧器和方法(a)将在燃烧器燃料中具有超过90％体积的氢气的情况下操作而没有回火，(b)在2230°F的炉温下仅产生大约22ppmv的NOx排放，(c)消除燃烧器喷嘴中的低排放速度区域，(d)提供分级燃料操作，其减少了NOx排放，同时还减小了燃烧器火焰的直径并允许燃烧器间距小于5英尺，以及(e)提供了更均匀的火焰轮廓，其更适合用于加热。
在一个方面中，提供了一种辐射壁燃烧器，该辐射壁燃烧器优选地包括初级燃料喷嘴组件，该初级燃料喷嘴组件包括：(i)纵向轴线，(ii)文丘里管，该文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，(iii)径向排放喷嘴，该径向排放喷嘴定位在文丘里管的纵向前部的排放端部上或其前方，(iv)径向排放喷嘴，该径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及(v)多个环绕开口，该多个环绕开口通过径向排放喷嘴的纵向延伸的侧壁形成，该多个环绕开口环绕纵向轴线。此外，该辐射壁燃烧器优选地还包括初级燃料喷射器和分级燃料排放喷嘴。该初级燃料喷射器优选地将初级气体燃料流向前喷射到文丘里管中，并将空气流吸入文丘里管的纵向后部的入口端部中，该空气流与初级气体燃料流混合以形成预混合流。排放分级气体燃料流的分级燃料排放喷嘴优选地定位在初级燃料喷嘴组件的内部中，在初级燃料喷射器纵向前方和径向排放喷嘴的封闭的纵向前部的端部纵向后方。
在另一个方面中，提供有一种辐射壁燃烧器，该辐射壁燃烧器优选地包括初级燃料喷嘴组件，该初级燃料喷嘴组件包括：(i)纵向轴线，(ii)文丘里管，该文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，(iii)径向排放喷嘴，该径向排放喷嘴定位在文丘里管的纵向前部的排放端部上或其前方，(iv)该径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及(v)纵向的一系列环绕槽的排，其通过径向排放喷嘴的侧壁形成，所述环绕槽的排中的每一排环绕纵向轴线，并且所述环绕槽的排中的每一排位于基本上垂直于纵向轴线的不同平面中，使得当纵向轴线竖直地定位时，所述环绕槽的排中的每一排中的环绕槽基本上是水平的。此外，辐射壁燃烧器优选地还包括初级燃料喷射器、在径向排放喷嘴的内部中的偏流器、以及排放分级气体燃料流的分级燃料排放喷嘴。初级燃料喷射器优选地将初级气体燃料流向前喷射到文丘里管中，并将空气流吸入文丘里管的纵向后部的入口端部中，该空气流与初级气体燃料流混合以形成预混合流。该偏流器优选地包括偏转壁，该偏转壁(i)在径向排放喷嘴的内部中向后延伸，(ii)在其向后延伸时，朝向纵向轴线径向向内会聚，并且(iii)由环绕槽的排中的至少一些排、优选全部排横向地环绕。分级燃料排放喷嘴优选地定位在初级燃料喷嘴组件的内部中，在初级燃料喷射器的纵向前方和偏流器的偏转壁的纵向后方。
在另一个方面中，提供有一种操作具有初级燃料喷嘴组件的辐射壁燃烧器的方法，该初级燃料喷嘴组件包括(i)纵向轴线，(ii)文丘里管，该文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，(iii)径向排放喷嘴，该径向排放喷嘴定位在文丘里管的纵向前部的排放端部上或其前方，(iv)该径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及(v)径向排放喷嘴的侧壁，该径向排放喷嘴的侧壁具有形成在其中的纵向延伸的径向排放部段，该径向排放部段环绕纵向轴线。该方法优选地包括从径向排放部段的纵向后部部分排放包括多于化学计算的量的氧气的贫燃料的气体燃料和空气混合物，以及从径向排放部段的纵向前部部分排放包括少于化学计算的量的氧气或不包括氧气的富燃料流。这优选通过以下方式来进行：(a)将初级气体燃料流从初级燃料喷射器向前喷射到文丘里管的纵向后部的入口端部中，该初级气体燃料流的喷射将空气流吸入文丘里管的纵向后部的入口端部中，该空气流与初级气体燃料流混合以形成贫预混合的流；(b)将分级气体燃料流从位于初级燃料喷嘴组件的内部中的分级燃料排放喷嘴向前排放，该分级燃料排放喷嘴定位在径向排放喷嘴的内部中，在初级燃料喷射器的纵向前方和偏流器的纵向后方，以及(c)在径向排放喷嘴的内部中，将贫预混合的流和分级气体燃料流从偏流器的偏转壁以远离纵向轴线的角度朝向纵向延伸的径向排放部段向外偏转。
在研究附图和阅读以下优选实施例的详细描述(即，具体实施方式)后，本发明另外的方面、特征和优点对本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
图1是由本发明提供的分级的、贫燃料预混合式辐射壁燃烧器的实施例2的剖面正视图。
图2是在本发明的辐射壁燃烧器2中使用的径向排放喷嘴10的正侧视图。
图3是在本发明的辐射壁燃烧器2中使用的偏流器14的剖面正侧视图。
图4图示在本发明的辐射壁燃烧器2中使用的燃料气体分配喷口20。
具体实施方式
在详细解释本发明之前，重要的是理解本发明在其应用中不限于在本文中描述的优选实施例和步骤的细节。本发明能够有其它实施例，并且能够以多种方式实践或执行。将理解的是，除非明确指示，否则在本文中采用的措辞和术语是为了描述而不是限制的目的。
在图1中图示本发明的预混合式、分级燃料的辐射壁燃烧器的实施例2。本发明的辐射壁燃烧器2优选地包括：(a)初级燃料喷嘴组件4，其具有纵向轴线6，并包括文丘里管8和径向排放喷嘴10，该径向排放喷嘴10定位在文丘里管8的纵向前部的排放端部上或其前方；(b)偏流器14，其定位在径向排放喷嘴10的内部16中；(c)气体燃料管路18，其将气体燃料供应流递送到气体燃料分配喷口、或将气体燃料供应流分成初级气体燃料流和分级气体燃料流的其它分配设备20；(d)气体燃料接管或其它初级燃料喷射器22，其形成气体燃料分配器20或为气体燃料分配器20的部分，并且包括一个或多个(优选多个)燃料排放端口33，用于将初级燃料流喷射到文丘里管8的纵向后部的入口端部24中；(e)分级燃料排放喷嘴26，其定位在初级燃料喷嘴组件4的内部28中，在初级燃料喷射器22的前方和偏流器14的后方的纵向位置处；(f)立管或其它分级燃料导管30，其在初级燃料喷嘴组件4的内部28内从气体燃料分配器20纵向延伸到分级燃料排放喷嘴26，该分级燃料排放喷嘴26位于分级燃料导管30的远侧端部处，用于将分级气体燃料流递送到分级喷嘴26；以及(g)分级燃料流孔口32，其调节流过分级燃料导管30并从分级燃料排放喷嘴26排放的分级气体燃料的量。
本发明的预混合式辐射壁燃烧器2在图1中图示为通过燃火加热器的燃烧腔室36的底部壁(即，地板)34竖直地安装。然而，将理解的是，本发明的燃烧器2可备选地安装在燃烧腔室36的侧壁或天花板中，并且可水平地、向上、向下或大体上以任何其它期望的角度定向。通过燃烧器燃烧过程，燃烧腔室36填充有在燃烧腔室36中产生的气态惰性燃烧产物(烟道气)。
本发明的预混合式辐射壁燃烧器2还优选地包括：初级空气门40，该初级空气门40在燃料分配器20周围定位在文丘里管8的后部入口端部24处、内部或后方，用于引导和调节初级燃烧空气流进入文丘里管8的后部入口端部24中；附接板或支架42，文丘里管8延伸通过该附接板或支架42，该附接板或支架42附接到燃烧腔室36的壁34；燃烧器壁44，其安装在燃烧腔室36内部的炉壁34上或炉壁34中，该燃烧器壁44环绕初级燃料喷嘴组件4，使得在初级燃料喷嘴组件4和燃烧器壁44之间形成环形间隙46；次级空气开口48，该次级空气开口48通过附接板42形成，以提供燃烧空气的次级流进入环绕初级燃料喷嘴组件4的外部的环形间隙46并通过该环形间隙46；以及次级空气门(未示出)，该次级空气门调节通过次级空气开口48的次级燃烧空气的流动。尽管可备选地使用其它结构和构造材料，但是燃烧器壁44将优选地由高温耐火燃烧器砖材料构成。燃烧器壁44的前部端部50将优选地与覆盖炉壁34的内部的炉隔热材料55的辐射内表面52平齐，或者将略微延伸超过该辐射内表面52。
文丘里管8优选地包括：波状入口钟部(inlet bell)区段53，其具有钟部半径R；从入口钟部区段53向前延伸的直的、优选圆柱形的喉部区段55；以及出口区段57，当该出口区段57从喉部区段55向前延伸时，该出口区段57优选地以锥形的区段的形式向外发散。
径向排放喷嘴10可安装在文丘里管8的前部排放端部12上，或者可备选地定位在文丘里管8的排放端部12的前方，在例如安装在文丘里管8和径向排放喷嘴10之间的初级燃料喷嘴组件4中的延伸管或其它部件上。径向排放喷嘴10优选地包括：封闭的前部端部54；纵向延伸的侧壁56，其环绕纵向轴线6；以及径向排放部段58，其形成在径向排放喷嘴10的侧壁56中，用于径向排放以下两者：(i)形成在文丘里管8中的初级燃料和空气预混合流以及(ii)由分级燃料喷嘴26在初级燃料喷嘴组件4的内部28内排放的分级气体燃料流。
径向排放喷嘴10的径向排放部段58环绕纵向轴线6，并在燃烧器喷嘴10的侧壁56中从径向排放部段58的后部端部60纵向延伸到径向排放部段58的前部端部62。当本发明的燃烧器2安装在燃烧腔室36的壁34中时，径向排放喷嘴10的径向排放部段58的后部端部60将优选地定位在燃烧器壁44的前部端部50和燃烧腔室36的壁34的辐射内表面52的至少略微前方。
径向排放部段58包括多个开口，该多个开口通过侧壁56形成，并且该多个开口优选地设置在围绕侧壁56的整个距离上，并且也沿着从径向排放部段的后部端部60到径向排放部段的前部端部62的整个纵向距离设置。开口可为圆形孔、具有其它形状的孔、纵向延伸的槽、横向槽、具有其它定向的槽、具有其它构造的开口或其组合。
如在图2示出的，通过径向排放喷嘴10的侧壁56形成的开口将优选地包括纵向延伸的一系列环绕排放槽64的排66，环绕槽64的排66中的每一排环绕纵向轴线6。此外，环绕槽64的排66中的每一排位于基本上垂直于(即，在±5°内)纵向轴线6的不同平面68中，使得当纵向轴线6竖直地定位时，环绕槽64的排66中的每一排的环绕排放槽64是基本上水平的。在径向排放喷嘴10中的纵向延伸的一系列环绕排放槽64的排66的使用(a)有助于消除在径向排放喷嘴10的径向排放部段58的后部端部60附近的低速度区域，(b)有助于沿径向排放部段58的整个长度提供更均匀的排放速度，并且(c)在径向排放喷嘴10中提供更大的流动排放区域而没有回火。
内部分级的燃料排放喷嘴26可简单地为内部分级的燃料导管30的开放的远侧端部，或者可为具有定向开口的喷嘴。分级的燃料排放喷嘴26将优选地为在导管30的远侧端部中的开口。
当预混合的初级燃料/空气流和分级的气体燃料流在初级燃料喷嘴组件4中向前流动时，定位在辐射壁燃烧器喷嘴10的内部16中的偏流器14以远离纵向轴线6的角度朝向围绕径向排放喷嘴10的侧壁56形成的径向排放部段58向外偏转这些流。预混合的初级燃料/空气流和分级的气体燃料流以这种方式的偏转起作用以均衡沿径向排放部段58的整个纵向长度的排放流动速度，并用于消除其后部端部60附近的低速度区域。
偏流器14优选地包括偏转壁70，该偏转壁70(i)在径向排放喷嘴10的内部16中向后延伸，并且(ii)在其向后延伸时，朝向纵向轴线6径向向内会聚。最优选地，偏转壁70具有锥形形状。偏转壁70在径向排放喷嘴10的内部16中从偏转壁70的前部基部端部72向后延伸，该前部基部端部72与径向排放喷嘴10的径向排放部段58的前部端部62纵向平齐或在其纵向前方。偏转壁70从其前部基部端部72向后延伸到纵向轴线6上的点74，该点74：(a)在纵向上在径向排放部段58的前部端部62和径向排放部段58的后部端部60之间，使得偏转壁70至少由径向排放部段58的前部部分环绕，更优选地至少由其前半部环绕，或者(b)更优选地在径向排放部段58的后部端部60的后方，使得偏转壁70由整个径向排放部段58以及在其中的所有排放槽64或其它开口环绕。
偏流器14及其向后延伸的偏转壁70将优选地由径向排放喷嘴10的封闭的前部端部54的内部壁形成。与向后延伸的内部偏转壁70一起，向后延伸的腔体75优选地形成在径向排放喷嘴10的封闭的前部端部54的外部中，以便进一步降低封闭的前部端部54的温度，该封闭的前部端部54由接触向后延伸的偏转壁70的径向排放喷嘴10内的气体燃料和空气冷却，以减少或消除焦化。
备选地，偏流器14及其偏转壁70可由不同于在径向排放喷嘴10上的封闭的前部端部的径向排放喷嘴10的内部16内的设备或结构提供。此外，作为另一种备选方案，本发明的预混合式辐射壁燃烧器2可在径向排放喷嘴10中没有偏流器14或向后延伸的偏转壁70的情况下操作。
初级空气门40的前部壁77优选地具有与文丘里管8的入口钟部53的形状和曲率半径R相匹配或相对应的波状形状。这减少了在初级空气门40和入口钟部53之间形成的入口空气通道79中出现的压降，增加了进入文丘里管8的空气流，并且在关小(turndowns)期间提供了对空气流的更好控制。可调节初级空气门40以通过朝向文丘里管8的后部入口24移动以减小空气通道和通过远离文丘里管入口24移动以增大空气通道来增大或减小入口空气通道79的尺寸。
在使用本发明的预混合式辐射壁燃烧器10的本发明的方法中，通过气体燃料管路18将气体燃料供应流递送到燃料分配器20。燃料分配器20将燃料供应流分成初级气体燃料流和分级气体燃料流。流分配器20的分级流孔口32或其它(一个或多个)分配器元件将优选地尺寸设计成或操作成将气体燃料供应流分开，使得(a)分级燃料流的量按体积计在气体燃料供应流的总体积的从20％至40％的范围内，更优选地大约30％(即，30％±3％)，以及(b)初级燃料流的量按体积计在气体燃料供应流的总体积的从80％至60％的范围内。
初级气体燃料流由初级燃料喷射器22向前喷射到文丘里管8的后部入口端部24中。喷射的初级燃料流的动量将初级燃烧空气流吸入文丘里管8的后部入口端部24中。当初级气体燃料流和初级空气流在文丘里管8中向前流动到径向排放喷嘴10时，初级空气与初级燃料流混合以形成贫燃料的预混合燃料/空气流。文丘里管8的相对大小和尺寸将优选地使得足够量的初级燃烧空气被吸入文丘里管8中，以在贫燃料的预混合流中提供这样的氧气水平，该氧气水平按体积计在超过初级气体燃料流的化学计算的燃烧所需氧气量从大约6％至大约12％的范围内、更优选地大约8％(即，8％±1％)。在贫燃料的预混合流中的过量空气的量可根据需要通过调节初级空气门40来进一步调节。
分级燃料流流过分级燃料导管30，并从分级燃料排放喷嘴26向前排放到初级燃料喷嘴组件4的内部28中。分级燃料排放喷嘴26可位于文丘里管8的喉部区段55或出口区段57中，或者位于径向排放喷嘴10中。当贫预混合的流和分级燃料流到达偏流器14时，它们被偏流器14的偏转壁70以远离纵向轴线6的角度并朝向径向排放喷嘴10的径向排放部段58向外偏转。贫预混合的流和分级燃料流然后从径向排放部段58的环绕槽64或其它开口的排66径向排放，并在径向排放喷嘴10的外部燃烧。
如上文提及的，偏流器14、以及径向排放喷嘴10中的环绕排放槽64的排66的优选使用操作成沿径向排放部段58的整个纵向长度均衡排放速度并消除低速度区域，因此防止回火并允许使用具有较高H2含量的气体燃料。
为了(i)提供与分级气体燃料流的更大的烟道气混合(即，更大的内部烟道气再循环(IFGR))，以减少NOx排放，(ii)减小燃烧器火焰的直径，以允许本发明的燃烧器2一起更靠近地间隔，以及(iii)进一步增强本发明的燃烧器2燃烧高氢燃料而不回火的能力，分级燃料排放喷嘴26将优选地位于靠近偏流器14的偏转壁70的后部端部74的径向排放喷嘴10中。
分级燃料喷嘴26在径向排放喷嘴10中靠近偏流器14的后部端部74的定位期望地允许初级燃料喷嘴组件4内的一些、但小于化学计算的量的氧气在分级燃料流从径向排放喷嘴10排放之前与分级燃料流混合。此外，分级燃料喷嘴26在径向排放喷嘴10中靠近偏流器14的后部端部74的定位导致贫燃料的预混合流和富燃料的分级燃料流从径向排放喷嘴10排放，以这样的方式使得(a)由贫预混合占主导的贫燃料的气体燃料和空气混合物的径向流78从径向排放喷嘴10的径向排放部段58的纵向后部部分80排放，以及(b)由分级气体燃料流占主导的富燃料的混合物的外径向流82从径向排放部段58的纵向前部部分84排放。
贫燃料的径向流78在从径向燃料排放喷嘴10排放后立即点燃并开始燃烧，但是由于径向流78的过量空气含量而处于降低的燃烧温度，这减少了NOx排放。同时，从径向排放部段58的前部部分84排放的富燃料的混合物的至少大部分外径向流82在与富氧气的径向流78混合和燃烧之前，与在燃烧腔室36中的惰性烟道气混合并被调节，因此进一步减少NOx排放。
此外，与分级燃料流混合并包括在富燃料的外径向流82中的少量空气/氧气期望地将由本发明的分级的贫预混合式辐射壁燃烧器2产生的扁平径向火焰的直径减小了大约10％至50％，这取决于分级气体的量和喷嘴出口速度。
在从初级接管22喷射出的燃料气体的动量不足以将足够的空气抽入文丘里管8中以用于完全燃烧的情况下，可借助炉抽力(furnace draft)将次级空气抽入次级空气开口48中。次级空气控制允许调节这种额外的空气，以便将过量的燃烧空气的量控制到期望水平。
由于上文讨论的改进的组合，本发明的分级的、贫预混合式辐射壁燃烧器2可燃烧按体积计氢气含量为75％或更高的气体燃料，并且在燃烧器2的更优选实施例中，可燃烧按体积计具有的氢气含量为90％或更高的气体燃料，而不回火。
尽管本发明的燃烧器2的文丘里管8、径向排放喷嘴10和燃烧器壁44的横向横截面形状将典型地为圆形的，将理解的是，本发明的辐射壁燃烧器2可备选地具有矩形的、椭圆形的、卵形的或其它非圆形的横截面形状。
因此，本发明良好地适于实现目标并获得上文提及的以及那些在本文中固有的目的和优点。虽然为了本公开的目的已经描述了目前优选的实施例和步骤，但是本发明在其应用中不限于优选的实施例和步骤的细节。对于本领域技术人员来说，许多变化和修改将是显而易见的。这样的变化和修改涵盖在如由权利要求书限定的本发明中。此外，除非明确陈述，否则在本文中采用的措辞和术语是为了描述而非限制的目的。

Claims (20)

1.一种辐射壁燃烧器，包括：
初级燃料喷嘴组件，所述初级燃料喷嘴组件包括
纵向轴线,
文丘里管，所述文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，
径向排放喷嘴，所述径向排放喷嘴定位在所述文丘里管的所述纵向前部的排放端部上或其前方，
所述径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕所述纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及
多个环绕开口，所述多个环绕开口通过所述径向排放喷嘴的所述纵向延伸的侧壁形成，所述多个环绕开口环绕所述纵向轴线；
初级燃料喷射器，所述初级燃料喷射器将初级气体燃料流喷射到所述文丘里管中，并将空气流吸入所述文丘里管的所述纵向后部的入口端部中，所述空气流与所述初级气体燃料流混合以形成预混合流；以及
分级燃料排放喷嘴，所述分级燃料排放喷嘴排放分级气体燃料流，所述分级燃料排放喷嘴定位在所述初级燃料喷嘴组件的内部中，在所述初级燃料喷射器的纵向前方和所述径向排放喷嘴的所述封闭的纵向前部的端部的纵向后方。
2.根据权利要求1所述的辐射壁燃烧器，还包括
偏流器，所述偏流器在所述径向排放喷嘴的内部中，所述偏流器将所述预混合流和所述分级气体燃料流以远离所述纵向轴线的角度朝向所述径向排放喷嘴的所述环绕开口向外偏转，以及
所述分级燃料排放喷嘴，所述分级燃料排放喷嘴定位在所述偏流器的纵向后方。
3.根据权利要求2所述的辐射壁燃烧器，还包括所述偏流器，所述偏流器包括偏转壁，所述偏转壁(i)在所述径向排放喷嘴的所述内部中向后延伸，并且(ii)在其向后延伸时朝向所述纵向轴线径向向内会聚。
4.根据权利要求3所述的辐射壁燃烧器，还包括具有锥形形状的所述偏转壁。
5.根据权利要求3所述的辐射壁燃烧器，还包括定位在所述径向排放喷嘴的所述内部中的所述分级燃料排放喷嘴。
6.根据权利要求3所述的辐射壁燃烧器，还包括所述偏转壁，所述偏转壁是所述径向排放喷嘴的所述封闭的纵向前部的端部的内部壁。
7.根据权利要求6所述的辐射壁燃烧器，还包括所述径向排放喷嘴的所述封闭的纵向前部的端部，其具有形成在其中的向后延伸的外部腔体。
8.根据权利要求3所述的辐射壁燃烧器，还包括所述偏转壁，所述偏转壁由通过所述径向排放喷嘴的所述侧壁形成的所述环绕开口环绕，并且所述偏转壁向后延伸到所述纵向轴线上的点，所述纵向轴线上的所述点在通过所述径向排放喷嘴的所述侧壁形成的所述环绕开口的纵向后方。
9.根据权利要求1所述的辐射壁燃烧器，还包括通过所述径向排放喷嘴的所述侧壁形成的所述环绕开口，所述环绕开口包括纵向的一系列环绕槽的排，所述环绕槽的排中的每一排环绕所述纵向轴线，并且所述环绕槽的排中的每一排位于基本上垂直于所述纵向轴线的不同平面中，使得当所述纵向轴线竖直地定位时，所述环绕槽的排中的每一排的所述环绕槽基本上是水平的。
10.根据权利要求1所述的辐射壁燃烧器，还包括：
气体燃料分配器，气体燃料供应流通过所述气体燃料分配器被分成从所述初级燃料喷射器喷射的所述初级气体燃料流和所述分级气体燃料流，以及
分级燃料导管，所述分级气体燃料流流过所述分级燃料导管，所述分级燃料排放喷嘴位于所述分级燃料导管的远侧端部上，并且所述分级燃料导管从所述气体燃料分配器在所述初级燃料喷嘴组件的所述内部内纵向延伸。
11.根据权利要求10所述的辐射壁燃烧器，还包括所述气体燃料分配器，所述气体燃料分配器将所述分级气体燃料流的量调节为所述气体燃料供应流的按体积计的从20％至40％。
12.一种辐射壁燃烧器，包括：
初级燃料喷嘴组件，所述初级燃料喷嘴组件包括
纵向轴线，
文丘里管，所述文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，
径向排放喷嘴，所述径向排放喷嘴定位在所述文丘里管的所述纵向前部的排放端部上或其前方，
所述径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕所述纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及
纵向的一系列环绕槽的排，其通过所述径向排放喷嘴的所述侧壁形成，所述环绕槽的排中的每一排环绕所述纵向轴线，并且所述环绕槽的排中的每一排位于基本上垂直于所述纵向轴线的不同平面中，使得当所述纵向轴线竖直地定位时，所述环绕槽的排中的每一排中的所述环绕槽基本上是水平的；
初级燃料喷射器，所述初级燃料喷射器将初级气体燃料流喷射到所述文丘里管中，并且将空气流吸入所述文丘里管的所述纵向后部的入口端部中，所述空气流与所述初级气体燃料流混合以形成预混合流；
偏流器，所述偏流器在所述径向排放喷嘴的内部中，所述偏流器包括偏转壁，所述偏转壁(i)在所述径向排放喷嘴的所述内部中向后延伸，(ii)在其向后延伸时朝向所述纵向轴线径向向内会聚，并且(iii)由所述环绕槽的排中的至少一些排横向地环绕；以及
分级燃料排放喷嘴，所述分级燃料排放喷嘴排放分级气体燃料流，所述分级燃料排放喷嘴定位在所述初级燃料喷嘴组件的内部中，在所述初级燃料喷射器的纵向前方和所述偏流器的所述偏转壁的纵向后方。
13.一种操作具有初级燃料喷嘴组件的辐射壁燃烧器的方法，所述初级燃料喷嘴组件包括(i)纵向轴线，(ii)文丘里管，所述文丘里管具有纵向后部的入口端部和纵向前部的排放端部，(iii)径向排放喷嘴，所述径向排放喷嘴定位在所述文丘里管的所述纵向前部的排放端部上或其前方，(iv)所述径向排放喷嘴，所述径向排放喷嘴具有封闭的纵向前部的端部和环绕所述纵向轴线的纵向延伸的侧壁，以及(v)所述径向排放喷嘴的所述侧壁，所述径向排放喷嘴的所述侧壁具有形成在其中的纵向延伸的径向排放部段，所述径向排放部段环绕所述纵向轴线，所述方法包括通过以下方式从所述径向排放部段的纵向后部部分排放包括多于化学计算的量的氧气的贫燃料的气体燃料和空气混合物，以及从所述径向排放部段的纵向前部部分排放包括少于化学计算的量的氧气或不包括氧气的富燃料流：
将初级气体燃料流从初级燃料喷射器喷射到所述文丘里管的所述纵向后部的入口端部中，所述初级气体燃料流的所述喷射将空气流吸入所述文丘里管的所述纵向后部的入口端部中，所述空气流与所述初级气体燃料流混合以形成贫预混合的流；
将分级气体燃料流从位于所述初级燃料喷嘴组件的内部中的分级燃料排放喷嘴向前排放，所述分级燃料排放喷嘴定位在所述径向排放喷嘴的内部中，在所述初级燃料喷射器的纵向前方和偏流器的纵向后方；以及
在所述径向排放喷嘴的所述内部中，将所述贫预混合的流和所述分级气体燃料流从所述偏流器的偏转壁以远离所述纵向轴线的角度朝向所述纵向延伸的径向排放部段向外偏转。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括所述偏流器的所述偏转壁，所述偏转壁(i)在所述辐射壁燃烧器喷嘴的所述内部中向后延伸，并且(ii)在其向后延伸时，朝向所述纵向轴线径向向内会聚。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括定位在所述径向排放喷嘴的所述内部中的所述分级燃料排放喷嘴。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括所述偏流器的所述偏转壁，所述偏转壁具有锥形形状。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括所述偏转壁，所述偏转壁由形成在所述径向排放喷嘴的所述侧壁中的所述纵向延伸的径向排放部段环绕，并且所述偏转壁在所述径向排放喷嘴中向后延伸到所述纵向轴线上的点，所述纵向轴线上的所述点在所述径向排放部段的纵向后方。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括形成在所述径向排放喷嘴的所述侧壁中的所述径向排放部段，所述径向排放部段包括纵向的一系列环绕槽的排，所述环绕槽的排中的每一排环绕所述纵向轴线，并且所述环绕槽的排中的每一排位于基本上垂直于所述纵向轴线的不同平面中，使得当所述纵向轴线竖直地定位时，所述环绕槽的排中的每一排的所述环绕槽基本上是水平的。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将气体燃料供应流递送到气体燃料分配器，所述气体燃料分配器将所述气体燃料供应流分成从所述初级燃料喷射器喷射的所述初级气体燃料流以及所述分级气体燃料流；
将所述分级气体燃料流从所述气体燃料分配器经由分级燃料导管递送到所述分级燃料排放喷嘴，所述分级燃料导管在所述初级燃料喷嘴组件的所述内部内纵向延伸；以及
将经由所述分级燃料导管递送到所述分级燃料排放喷嘴的所述分级气体燃料调节为所述气体燃料供应流的按体积计的从20％至40％的量。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
所述气体燃料供应流包括按体积计至少75％的氢气；
所述径向排放部段的所述纵向后部部分包括所述环绕槽的排中的至少最后部的五排；以及
贫燃料的气体燃料和空气混合物以及富燃料流在所述辐射壁燃烧器喷嘴的外部燃烧，而在所述径向排放部段的所述纵向后部部分的任何部分中不发生任何回火。
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