CN1224572C - 烃的部分氧化的方法和燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种烃的部分氧化的方法，包括下列步骤：使含烃的气流进入反应腔；使含游离氧的气流进入所述反应腔；使第一部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔内循环的含有所生成气体的第一气流混合和反应；使第二部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔内的含烃的气流混合，以获得包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流；使包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流与在反应腔内循环的含有所生成气体的第二气流混合和反应，从而获得包含氢和一氧化碳的气流。

Description

烃的部分氧化的方法和燃烧器
发明领域
本发明涉及烃的部分氧化的方法，以产生包含氢和一氧化碳的气态混合物，如合成气体、燃料或还原气体。
特别是，本发明涉及的烃的部分氧化的方法包括下列步骤：
-使含烃的气流进入反应腔；
-使含游离氧的气流进入反应腔。
在本说明书及所附的权利要求书中，术语“烃”用于表示轻质和/或重质的饱和和/或不饱和的烃或烃的混合物(如C1-C6)；“含烃的气流”用于表示：包含气态烃如甲烷和天然气的流体；包含悬浮固体燃烧物(如煤灰或碳灰)的气流；或包含扩散液态烃(如粗汽油或燃烧油的轻质和/或重质烃)的气流。
用技术术语说，包含悬浮液态烃的气流通常称为“雾”，而包含扩散固态烃的气流通常称为“烟”。
本发明还涉及实施上述方法的燃烧器。
背景技术
众所周知，在烃的部分氧化领域迫切需要一种高产量的方法，该方法可容易实施，具有能源和成本效率。
为了满足上述需要，已经开发了数种方法，其在1300℃左右的低温下进行氧化反应，以明显地降低耗氧量，并且更经济地产生氢和一氧化碳。
例如，这样的方法公开于专利文献EP-A-0276538，其中，含烃的气流首先与包含碳灰的回收溶液相混合，然后，在包含在溶液中的水蒸发之后，在927℃至1316℃的温度范围内与反应腔中的氧相混合，在该反应腔内燃烧，以产生氢和一氧化碳。
尽管的确减小了反应腔内的能耗和输入反应腔的氧的数量，现有技术的方法还存在下列数个缺点。
首先，在反应腔内的烃的热解产生了碳灰，烃在与氧适当混合之前在靠近燃烧器处与在反应腔内循环的热气流相接触和相混合。
形成碳灰的主要缺点是：需要一系列的高能操作，以把碳灰与反应产物相分离，并反馈至反应腔；需要更复杂的设备实施该方法；和投资大及操作成本高。
另外，在反应腔内产生的碳灰影响部分氧化过程的总产量，降低燃烧每单位的烃所产生的氢和一氧化碳的数量，即使所产生并反馈至燃烧器的所有碳灰都气化的情况下也是如此。
另外，对产生低浓度的碳灰有效的现有技术的方法包括在很高温度(1400℃左右)下对反应腔的操作，因此，耗氧量高，转化率低，例如，这在专利文献EP-A-0276538的第2页第613行进行了说明。
另外，实施上述方法的设备也具有缺点，其操作不灵活，不能容纳大的把反应物输入反应腔时能够承受的负载变化，所产生的结果是，负载变化可能引起或促进碳灰的形成。
由于这些限制，现有技术的烃的部分氧化的方法在实际实施中包括大量的投资，因此，明显地加重了氢和一氧化碳等基本原料的生产成本，这面临着正在增长的需要。另外，上述现有技术的方法不能满意地满足这样的迫切需要，即把烃的废物作为石油工业蒸馏过程的残留物进行燃烧。
发明内容
本发明的主要技术问题是提供改进的烃的部分氧化的方法，其产量高，燃烧每单位的烃所产生的氢和一氧化碳的量大，同时，明显地降低了碳灰的产生，即使在低温情况下也是如此，该方法灵活，容易操作，耗能量低，操作成本合理。
根据本发明，上述的问题可由上述的方法解决，其特征在于，该方法进一步包括下列步骤：
-使第一部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔内循环的含有所生成气体的第一气流混合和反应；
-使第二部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔内的含烃的气流混合，以获得包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流；
使包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流与在反应腔内循环的含有所生成气体的第二气流混合和反应，从而获得包含氢和一氧化碳的气流。
在本说明书和所附权利要求书中，术语“含有所生成气体的气流”用于表示含H2O和CO2的气流、痕量烃、H2S、COS、可能在反应腔内循环的N2和Ar、附加的部分燃烧产物，如CO和H2。
有优点的是，本发明可使燃烧每单位的烃所产生的氢和一氧化碳的量相对于现有技术明显地增加。
事实上，有优点的混合步骤是：一部分含游离氧的气流在反应腔内与含烃的气流混合，然后，才与在反应腔内循环的热气流相接触，在后续燃烧步骤中可防止或至少明显减少碳灰的形成。
这样，烃在反应腔内的转化量只少量地甚至不受碳灰存在的影响，从而可保证氢和一氧化碳的最优生产。
应该注意，本发明的优点是，当被处理的气流包含气态烃时，反应腔内的碳灰的形成可完全受到抑制，甚至当气流包含液态和/或固态烃时，碳灰的形成也可保持最少。
有优点的是，甚至在低温下操作时，特别是在950℃至1300℃的温度范围内操作时，也可获得这样的效果，因此，和现有技术相比，耗氧量较低，产量较高(CO和H2的产量增加)。
作为例子，对于天然气的部分氧化，在完全没有碳灰的条件下，需氧量可保持低于每千摩尔所产生的干气体中有210摩尔的O2，这与现有技术的方法中的需氧量相比，具有十分惊人的效果。
换句话说，本发明的方法可防止一部分流经反应腔的烃在没有氧时直接与在反应腔内循环的高温(例如1000℃至1400℃)气流相混合，防止烃的热解和碳灰的形成。相反，在反应腔内，烃首先与游离氧适当地混合，只要在这之后才与热气流相接触，然后，气流开始有优点地燃烧，而不是热解，各反应物的反应至少部分地进行了预混合，从而产生氢和一氧化碳。
另外，本发明的方法非常简单、经济和容易实施，既没有高能耗，又没有高的操作和维护成本。
应该注意，为了燃烧气态烃，如甲烷或天然气，实施该方法的设备不需碳灰分离和再循环的部分，从而和现有技术相比可节省大量的投资和能量消耗。
有优点的是，本发明的方法被证明是很灵活的，因为其可适应不同的操作条件，而保持高的转化率。
特别是，即使输入反应腔的流量具有很大变化的情况下，也可有效地实施本发明，例如，反应腔的流量变化可在0.2至1.0(最大流量和最小流量的比值)的范围内，而不会影响转化产量，这个特点在现有技术的方法中是没有的。
有优点的是，在根据本发明的方法中，所生成的气流称为第二部分气流，在反应腔内与循环的所生成的气流相接触之前与含烃的气流相混合的一部分含游离氧的气流包括含游离氧的气流的10-90％，特别是，5070％。
在本发明的一个特别有优点的实施例中，所述方法包括下列步骤：以本质上同轴的环形射流分别向反应腔输入含烃的气流和含游离氧的气流。
因此，烃和游离氧的混合可以在反应腔内以最有效和最迅速的方式进行。
另外，已经发现，为了促进混合作用，更有优点的情况是，含烃的气流在含游离氧的气流的外侧向反应腔输入，特别是，含烃的气流的输入速度高于含游离氧的气流。
特别是，根据本发明的上述实施例，本发明的方法进一步包括下列步骤：
-使所述含游离氧的气流流经燃烧器的具有预定长度的第一、本质上呈圆筒形的管路，该燃烧器延伸至反应腔；
-使所述含烃的气流流经本质上呈环形的自由空间，该环形的自由空间限定在所述第一管路和第二外管路之间，该第二管路与第一管路同轴，所述第二管路比所述第一管路长，在所述反应腔内限定了混合区，该混合区位于所述第二管路的一个端部和所述第一管路的一个端部之间，用于使所述含烃的气流和所述含游离氧的气流相混合；
-把所述含烃的气流从所述本质上呈环形的自由空间导向所述混合区的靠近所述第二管路的内壁的部位；
-把来自所述第一管路的所述含游离氧的气流扩散和导向至所述混合区的所述第二管路的所述内壁，从而使第一部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔的中心部循环的含有所生成气体的第一气流混合和反应；使第二部分所述含游离氧的气流与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流。
这样，烃和游离氧可以在反应腔内以高效率和可靠的方式进行理想的预混合，同时，在该步骤中，可防止烃与在反应腔内循环的所生成气体相接触。
有优点的是，该预混合在输入含烃的气流的管路的一部分内壁上进行，该部分内壁在含烃的气流的端部和输入含游离氧的气流的管路的端部之间延伸。
实际上，有优点的是，使部分含游离氧的气流进入含烃的气流，在很小的空间内进行了充分的混合，在后续的与在反应腔内循环的热气流相混合的过程中，在气态烃的情况下可防止，或在液态和/或固态烃的情况下可大大减少碳灰的形成。
特别是，为了促进把含游离氧的气流扩散和输送至所混合区的第二管路的内壁，该气流被使得沿一螺旋形轨迹流经所述第一管路。
根据本发明的另外一方面，提供了使烃部分氧化的燃烧器，该燃烧器包括：
-具有预定长度的第一、本质上呈圆筒形的管路，其限定在圆形通道的内部，用于把含游离氧的气流输入至燃烧器外部的反应腔；
-第二管路，其设置在第一管路的外侧，与第一管路同轴，比第一管路长，在两个管路之间，限定了本质上呈环形的自由空间，以把含烃的气流输送至所述反应腔；
其特征在于，该燃烧器还包括：
-混合区，在所述第一管路和第二管路的端部之间，使所述含烃的气流和所述含游离氧的气流相混合；
-导向元件，以把所述含烃的气流从所述本质上呈环形的自由空间导向所述混合区的靠近所述第二管路的内壁的部位；
-扩散和导向元件，以把来自所述第一管路的所述含游离氧的气流扩散和导向至所述混合区的所述第二管路的所述内壁，从而使第一部分所述含游离氧的气流与在所述反应腔的中心部循环的含有所生成气体的第一气流混合和反应；使第二部分所述含游离氧的气流与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流。
附图说明
通过阅读下面对本发明的一个实施例的说明，可更好地理解本发明的特征和优点，该详细说明将结合附图进行，其中的实施例是非局限性的。在附图中：
图1是一个模型的纵向截面图，其示意出在假想气体产生器内反应物和所生成的气流的流动轨迹，此时采用了根据本发明的一个推荐实施例的烃的部分氧化的方法；
图2示出了实施根据本发明的方法的使气态烃的部分氧化的设备；
图3示出了根据本发明的一个推荐实施例的燃烧器的细节的纵向截面图；
图4示出了根据本发明的另外一个推荐实施例的燃烧器的细节的纵向截面图。
具体实施方式
为了解释烃的部分氧化的原理和操作过程，现在看图1，其示意出通过假想气体产生器的各种气流，该气体产生器根据本发明的一个推荐实施例进行操作。
图1中标记1示出了燃烧器的端部，该燃烧器延伸至反应腔内，该反应腔在总体上由假想气体产生器的标记2表示，特别是，该燃烧器位于反应腔2的中心区2A内。
含游离氧的气流3和含烃的气流4分别通过管路5和6从燃烧器1进入中心区2A。
特别是，气流3和4以环形射流形式进入反应腔2，特别是，该环形射流是这样获得的：如图1中的螺旋箭头3A所示，使气流3在管路5内沿螺旋轨迹流动，使气流5在管路5和6之间的环形的自由空间内流动。
有优点的是，通过使气体反应物进入反应腔2，含有由燃烧烃类所产生的气体(如氢和一氧化碳)的气流自然地分成两个气流8A和8B，气流8A和8B分别在反应腔2的中心区2A和周围区2B流通。
含有生成气体的气流8A和8B非常热，温度通常在1000℃以上，所以，它们与反应物气流的接触或混合会导致在含游离氧的气流3具有火焰成分时立即燃烧，和含烃的气流4的烃热解。
烃热解会导致在反应腔2内产生碳灰，为了防止烃热解的发生，本发明的方法包括这样的步骤：至少使一部分烃类与游离氧混合，然后再与在反应腔2内循环的燃烧后的热气体混合。
为此，管路6被制成比管路5长，并且设有截头圆锥形状的端部6A，该端部6A延伸至反应腔2内。
在端部6A内，特别是在靠近管路6的内壁处，是含烃的气流4和含游离氧的气流3的混合区，该混合区不受所生成气流特别是气流8B的干扰。
为了提高烃与游离氧的迅速混合的效果，管路5的端部设有扩口的喇叭部。
只有在烃与游离氧至少部分混合之后，以获得含有烃与游离氧的在总体上由9表示的气流，该气流才能与气流8B混合并进行反应，以生成氢和一氧化碳。
反应物的进入方式是特定的环形射流，游离氧射流在烃射流的内部流动，部分生成气体在中心区循环，其优点是，可使部分游离氧与在反应腔2的中心区2A内循环的生成气体混合，然后反应，所产生的效果是，在反应腔2内产生的火焰在邻近反应腔2的游离氧的流入区域的中心部以稳定和可靠的方式定位。
另外，通过使游离氧在中心部流动，使烃在外部流动，燃烧器1的外部管路6的端部6A可用于反应物的混合，同时，可由在反应腔的周围区2B循环的热气体保护烃，并且保护从燃烧器1的中心区发出的火焰。
为了更详细地解释部分氧化方法的特点，应该指出，本发明的部分氧化方法是与现有技术的混合过程或扩散过程完全不同的方法。
术语混合过程是这样的过程，含烃的气流和含游离氧的气流在进入反应腔之前相互混合，通常在燃烧器内混合。
混合可以完全方式进行，即直至获得均匀浓度的氧和烃为止；混合可以部分方式进行，即获得至反应腔进给流的浓度场，该浓度场取决于混合过程和混合程度。
例如，这样的过程公开于专利文献EP-A-0 098 043。
尽管在理论上该混合过程可有效地降低碳灰的生成，但是，已经发现没有实际应用价值，因为其具有固有的危险特性。
事实上，在气体生成器的操作过程中，燃烧器只是具有潜在的回火的危险，即还在燃烧器的管路中就开始了氧化反应，并且可能导致管路的过早损耗。这几乎是不可控制的现象，原因包括烃/氧混合物的高可燃性、高操作温度和反应物流速的可能变化。
术语扩散过程是这样的过程，含烃的气流和含游离氧的气流分别进入反应腔，在反应腔内同时相互混合，与在反应腔内循环的生成气体混合。
例如，这样的过程公开于上述的专利文献EP-A-0 276 538。
该传统过程的缺点已经在现有技术部分进行了说明；特别是，其碳灰的生成率高是显著的，这是由于高温再循环气体在反应腔内与进来的烃相接触，而该烃没有机会与游离氧适当地混合。
根据本发明，应该强调指出，在烃可与生成的气体接触之前，在反应腔内含烃的气流和含游离氧的气流的初步混合步骤与现有技术不同，反应物或者在进入反应腔之前混合，或者只在同时产生了所生成的气体之后混合。
本申请人进行的研究工作是，以高产量和消除碳灰或明显减小碳灰量的方式进行烃的部分氧化。
事实上，可以说，本发明的方法反应了上述过程的一种组合，但没有其存在的问题，在类似的操作条件下，在本质上具有较高的转换为氢和一氧化碳的产量。
在图2中，在总体上由标记10表示的根据本发明的设备用于气态烃的部分氧化。
有优点的是，设备10包括：两个预加热器11和12，其分别对含烃的气流和含游离氧的气流进行预加热；气体产生器13，用于对烃进行部分氧化；和蒸发器24，用于回收包含氢和一氧化碳的所形成的气流的显热。
预加热器11和12及蒸发器24都是传统的，不进行进一步的说明。
气体产生器13包括喷嘴14和壳体15，该壳体15衬有保护其内壁的耐高温的耐火材料，由于是传统的结构，因此没有图示出来。
壳体15的内部形成有反应腔16，烃与氧的燃烧在该反应腔16内进行。
燃烧器17穿过喷嘴14延伸，这样，其端部在反应腔16的内部开口。
含烃的气流通过管路18进入气体产生器13，管路18穿过预加热器12。
类似地，含游离氧的气流通过管路19进入气体产生器13，管路19穿过预加热器11。
在如图1所示的例子中，含烃的气流包括：本质上的气态烃，如天然气或甲烷及其混合物；和这些气体的混合物，其具有如蒸汽或惰性气体的载气。
另外，含烃的气流可包括来自工业设备，如氨设备的合成回路的预定数量的气体。
另外，含烃的气流可包括载气，如惰性气体或蒸汽，其分别具有扩散或悬浮在其内的细分的液体或固体燃料。
这里，术语“细分”用于表示平均尺寸在0.01至1.0mm的液滴或固体颗粒。
用于根据本发明的方法的适当的液体燃料的例子包括：燃料油、柴油、粗汽油、原油、来自炼油厂的蒸馏环节的残余物、以及它们的混合物。固体燃料的例子包括：沥青、煤、及其混合物。
在采用液态或固态烃的情况下，如图所示的设备包括未示出的对任何所产生的碳灰进行处理和回收的环节。
含游离氧的气流通常包括这样的气流：空气；富氧空气，即含氧量超过21摩尔百分比的空气；本质上的纯氧，即含氧量不低于95摩尔百分比的气体；和它们的混合物。
各气流在通过预加热器2和3时被分别独立地加热，例如通过对流方法加热到温度通常低于600℃，准备把各气流输入气体生成器13。
实施本发明的方法的设备10还可设有传统的脱硫装置，以从含烃的气流中除去痕量硫，这在图2中没有示出。
气体生成器13内的工作压力通常在1至150巴的范围内。
预热之后，各气流被输入气体生成器13，更准确地说，通过燃烧器17的各管路被输入反应腔16。
特别是，含游离氧的气流通过一圆形管路被输入反应腔16，该圆形管路限定在具有预定长度的第一本质上呈圆筒形的管路20内。
含烃的气流通过环形自由空间被输入反应腔16，该环形自由空间设置在第一管路20和第二外管路21之间，第二外管路21与第一管路20同轴，但比第一管路20长。
有优点的是，燃烧器17还包括混合区22，该混合区22设置在反应腔16内，位于管路20和21的各端部之间，其中，各反应物预先混合，然后与在反应腔内循环的所生成的气流相混合。
一旦离开反应腔16的混合区22，各反应物就完成了混合，随后进行烃的部分氧化反应，从而获得包含氢和一氧化碳的气流，该气流通过管路23离开气体产生器13。
根据含游离氧的气流的纯度、反应物预热程度和烃气流混合物的种类，氧和烃的摩尔比可在0.5和1.2之间变化。
随后，反应产物也通过管路23流经蒸发器24，在蒸发器24内用水流通过间接热交换，以上升的热数值(例如在20至100巴的范围内)释放蒸汽。
为此，设置管路25和26，以分别向蒸发器24供水和从蒸发器24排出蒸汽。
在如图2所示的设备中，蒸发器24的种类基本取决于被处理的燃料的性质。被处理的燃料产生的原气包括高不纯度的氢和一氧化碳，可采用简单的水淬火装置(未示出)进行冷却。
有优点的是，上述的设备10可实施本发明的方法，特别是，其特征在于，该方法包括下列步骤：使第一部分含游离氧的气流与在反应腔16内循环的含有所生成气体的第一气流混合和反应；使第二部分含游离氧的气流与反应腔16的混合区22内的含烃的气流混合，以获得包含至少部分相混合的烃和游离氧的气流；和使在混合区22内获得的气流与在反应腔16内循环的含有所生成气体的第二气流混合和反应，从而获得包含氢和一氧化碳的气流。
这样，可抑制或明显减少碳灰的产生，甚至在低温(低于1300℃)下也是如此，因此，有优点的是，耗氧量可受到限制，相应地，氢和一氧化碳的产量提高了。
如上所述，本发明的方法可有效地进行，甚至在反应物的气流流速有明显变化的情况下也是如此，没有对转化产量的不利影响。
应该指出，当处理包含气态烃的气流的情况下，本发明的方法可完全抑制碳灰的形成。
消除碳灰在本质上取决于在反应腔16内反应物的预混合步骤，因此，取决于后续的与热的循环气流相混合的过程中在含烃的气流中游离氧的存在。
为了促进反应物的完全混合和后续的燃烧，已经发现有优点的是，含烃的气流输入至反应腔17的速度在30至300m/s的范围内，特别是在60至180m/s的范围内；含游离氧的气流输入至反应腔17的速度在10至100m/s的范围内，特别是在20至60m/s的范围内。
在根据本发明的方法的一个特别推荐和有优点的实施例中，本发明还包括下列步骤：使含游离氧的气流流经第一管路20；使含烃的气流流经位于第一管路20和第二管路21之间的环形自由空间；使含烃的气流从环形自由空间流向靠近第二管路21的内壁27处的混合区22流动；和使来自第一管路20的含游离氧的气流在混合区22内向第二管路21的内壁27流动。
这样，游离氧和烃可以快速有效的方式适当地预混合，同时，由在反应腔16内循环的热气流保护烃，并且保护在反应腔16内来自燃烧器17的芯的端部的火焰。
如图3所示，除了管路20和21之外，有优点的是，燃烧器17还为此包括适当的元件，以使含烃的气流从环形自由空间31向反应腔17内的混合区22流动，该适当的元件位于靠近第二管路21的内壁27处；燃烧器17还包括适当的元件，以使来自第一管路20的含游离氧的气流在混合区22内向第二管路21的内壁27流动。
图3是燃烧器17的详细视图，特别是，示出了根据本发明的一个推荐实施例的燃烧器的端部。
在该图中，与在图2中结构和功能相当的部分由相同的标记表示，不再进一步说明。
应该注意，燃烧器17的管路20和21都是空心结构，以进行更有效地冷却，这一点将在下文说明。
第一管路20的端部、第一管路20内的圆形通道、位于燃烧器17的第一管路20和第二管路21之间的环形自由空间在图3中分别由标记28、29和30表示。
有优点的是，为了加速含烃的气流在混合区22内扫过第二管路21的内壁27，引导含烃的气流的元件包括环形开口31，该环形开口31比环形自由空间30薄，设置在第一管路20的端部28，位于环形自由空间30和混合区22之间。
有优点的是，用于扩散和引导含游离氧的气流的元件在靠近第一管路20的端部28处包括该管路的一部分，该部分朝第二管路21的内壁27适当地开口，从而在所述端部28处形成了气流出口33，该出口33位于通道29和混合区22之间，直径大于第一管路20的其它部分。
因此，含游离氧的气流可朝第二管路21的内壁27偏转和扩散，从而保证最优地把该气流渗入烃气流。
出口33的直径在上游可以在第一管路20的直径的1.25倍至10倍的范围内变化，并且在2倍至4倍的范围内已经取得了满意效果。
从图3中可以看出，有优点的是，第一管路20的扩口部分20是弯曲的，以使含游离氧的气流可以控制和尽可能均匀地扩散，同时，有助于在混合区22被导向至第二管路21的内壁27。
根据本发明的方法，有优点的是，含游离氧的气流流经第一管路20的出口33从通道29流向混合区22。同时，有优点的是，含烃的气流流经环形开口31从环形自由空间30流向混合区22，该环形开口31设置在反应腔16内，位于第一管路20的端部28和第二管路21的端部之间，邻近于内壁27。
根据本发明的特别推荐的方面，有优点的是，部分32从管路20的内壁20A连续地向外壁20B延伸，从内壁20A的端部向外壁20B的端部的倾角可以是常数，特别是，该倾角也可以从内壁20A的端部处的0°连续地变化至外壁20B的端部处的最终的90°。因此，外壁20B的端部形成了管路20的端部28，而内壁20A的端部与管路20的圆筒形的端部重合。
用于把含游离氧的气流输入反应腔16的管路20的部分32的特定形状使得该管路的端部在靠近端部28处的热磨耗率大大减慢。
事实上，本申请人的研究证明，内壁20A与外壁20B相连接的部分，即部分32如果没有任何尖角，可有效地防止含游离氧的气流在该部分32处形成涡流或停滞区，从而可防止过早热磨耗。相反，根据本发明，有优点的是，在离开管路20之前氧气沿部分32连续地直线流动，同时，可以冷却其表面。
特别是，有优点的是，流经管路21的含烃的气流与流经管路20的含游离氧的气流的初始接触发生在管路20的端部28。
应该注意，在现有技术的结构中，燃烧器的输氧管路的寿命不超过几个月，不得不更换，随后，整个设备都会停止使用。
本发明的优点是，这种管路的端部的预期寿命大大延长，两次更换的间隔可达几年。这样，设备可长时间连续运转。因此，设备的维护和操作费用以及生产损失都可以减少。
特别是，部分32的弯曲形状(图3中未示出)可保证管路20的耐久性的最佳结果。
在这个方面，部分32采用30°至90°的倾角，特别是，采用45°至80°的倾角，已经获得了满意的效果。
根据本发明的燃烧器的一个特别有优点的方面，在管路20和21的各自的端部28和34之间测量的第二管路21的内壁27在混合区22内的长度由管路20和21之间的环形开口31的厚度(横截面)尺寸设定。
特别是，该长度是所述厚度尺寸的5至15倍。
这样，可调节最佳方式(不太大也不太小)，以获得理想的各反应物的预混合的数量。
根据本发明的燃烧器的有优点的另外一个方面，第二管路21的内壁27在混合区22内的直径朝端部34增加，这样，混合区22呈截头圆锥的形状。
特别是，有优点的是，第二管路21的内壁27在混合区22内的倾角相对于纵向轴35在0°至60°的范围内，特别是，采用10°至30°的范围内。
上述混合区22的截头圆锥形状的大圆周由燃烧器17的开口36限定，其小圆周由第二管路21的内壁27在第一管路20的端部28限定，该截头圆锥形状具有两个功能：使含烃的气流保持远离中心火焰；和扩大内部回收区(图1中的标记2A)的宽度，从而实现火焰的完全稳定(稳固)。
有优点的是，燃烧器17还包括适当的元件，以迫使含游离氧的气流以螺旋形轨迹穿过第一管路20，从而进一步促进气流在混合区22内朝第二管路21的内壁27扩散和传输。
在如图3所示的例子中，这些元件包括一个或多个适当形状的叶片37，该叶片37可设置成与纵向轴35呈一角度，并处于邻近杆形支撑器的一个端部，该杆形支撑器在图3中由管路38表示，该管路38在管路20的通道29内同轴地延伸一预定的长度。
叶片37的形状可使气流产生理想的涡流。特别是，数个这样的叶片37可螺旋式地围绕管路38设置。
在另外一个没有示出的实施例中，这些元件可以是管路20或管路38的适当形状。
在图3中，管路38是开口的，有优点的是，这样可以简单可靠的方式提供附加的功能，即：对在反应腔16的中心循环的包含所生成气流的气流进行控制；和对火焰的稳定位置进行控制。
为此，使一部分含游离氧的气流以真正的轴向流动流经管路38，该轴向流动面对着扫过中心管路20的所生成的气流。
另外，在气体产生器内的耐火加热步骤中，管路38可用于把燃料输送至反应腔16。这样，燃烧器17还可有优点地用于气体产生器的加热操作，不再需要附加的有目的地设计的燃烧器。
另外，标记39和40分别是第一管路20和第二管路21的侧壁内的凹部，以容纳冷却剂，特别是水。
这样，管路20和21的温度可有效地进行控制，特别是在端部28和34处，从而可防止管路过热和可能的迅速恶化。
在操作温度的特定条件下，该冷却可能丧失。
图4是根据本发明另外一个实施例的燃烧器的详细视图。
在该图中，与在图3中结构和功能相当的燃烧器17的部分由相同的标记表示，不再进一步说明。
根据燃烧器17的该实施例，由第二管路21的内壁27在混合区22(图3)内提供的相同的保护效果由在本质上环形的射流提供，例如，该环形的射流是蒸汽或惰性气体，从外侧向反应腔16提供含烃的气流。
该附加的或保护性的气流在图4中由箭头41表示，其效果(类似于图3中的内壁27)是把混合区22与在反应腔16的周围区域内循环的包含所生成的气体的气流相隔离。箭头42对应于图1中的箭头8B。
根据该实施例，没有增加第二管路21相对于第一管路20的长度，适当的元件由引入保护性的气流(箭头41)提供，该保护性的气流包括蒸汽和/或惰性气体。
例如，输入元件可以是第三管路43，该第三管路43位于管路20和21的外侧，并且与管路20和21同轴。标记44表示燃烧器17的第三管路43和第二管路21之间的环形自由空间。
根据本发明的该特定实施例的方法，使包含蒸汽和/或惰性气体的气流流经第三管路43，以本质上环形的射流进入反应腔16，反应腔16的内部设有混合区22。同时，使含游离氧的气流流经通道29，通过第一管路20的出口33到达混合区22，同时，使含烃的气流流经自由空间30，通过环形开口31到达混合区22，该环形开口31设置在第一管路20的端部28和第二管路21的端部34之间。
烃的部分氧化过程，特别是，在不与在反应腔16内循环的热气流相接触的条件下含烃的气流与第二部分含游离氧的气流在混合区22内的预混合，都以类似的方式进行，如上文结合附图所述，具有相同的优点。
在图4所示的例子中，气流41包括蒸汽和/或惰性气体，扫过管路21的外壁，可有优点地对管路具有冷却效果，特别是在其端部。相应地，管路21可制成实心结构，而不是图3所示的空心结构。
从上面的说明中可完全看出，本发明的方法具有数个优点；特别是，可以进行烃的部分氧化反应：
-对于气态的烃，采用简单的方法和实施设备完全消除了碳灰；
-在液态或固态烃的情况下，碳灰大大减少；
-耗氧量低，每燃烧一个单位的烃，转化为氢和一氧化碳的产量高；和
-燃烧器的预期寿命较长。

Claims (22)

1.一种烃的部分氧化的方法，包括下列步骤：
-使含烃的气流进入反应腔；
-使含游离氧的气流进入所述反应腔；
其特征在于，该方法进一步包括下列步骤：
-使所述含游离氧的气流的第一部分与在所述反应腔内循环的含有起反应的气体的第一气流混合和反应；
-使所述含游离氧的气流的第二部分与在所述反应腔内的所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流；
-使所述包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流与在反应腔内循环的含有起反应的气体的第二气流混合和反应，从而获得包含氢和一氧化碳的气流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：以互相同轴的环形射流分别向反应腔输入所述含烃的气流和所述含游离氧的气流。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：使含烃的气流在含游离氧的气流的外侧流动。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：含游离氧的气流的第二部分包括含游离氧的气流的10-90％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：含烃的气流输入至所述反应腔的速度在30至300m/s的范围内；含游离氧的气流输入至所述反应腔的速度在10至100m/s的范围内。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：进一步包括下列步骤：
-使所述含游离氧的气流流经延伸至所述反应腔内的燃烧器的具有预定长度的圆筒形的第一管路；
-使所述含烃的气流流经环形的自由空间，该环形的自由空间限定在所述第一管路和其外侧的第二管路之间，该第二管路与第一管路同轴，所述第二管路比所述第一管路长，在所述反应腔内限定了混合区，该混合区位于所述第二管路的一个端部和所述第一管路的一个端部之间，用于使所述含烃的气流和所述含游离氧的气流相混合；
-把所述含烃的气流从所述环形的自由空间导向所述混合区的靠近所述第二管路的内壁的部位；
-把来自所述第一管路的所述含游离氧的气流扩散和导向至所述混合区的所述第二管路的所述内壁，从而使所述含游离氧的气流的第一部分与在所述反应腔的中心部循环的含有起反应的气体的第一气流混合和反应；使所述含游离氧的气流的第二部分与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：进一步包括下列步骤：
-使所述含游离氧的气流流经延伸至所述反应腔内的燃烧器的具有预定长度的圆筒形的第一管路；
-使所述含烃的气流流经环形的自由空间，该环形的自由空间限定在所述第一管路和其外侧的第二管路之间，该第二管路与第一管路同轴；
-使包含蒸汽和/或惰性气体的气流流经环形的自由空间，该环形的自由空间限定在所述第二管路和其外侧的第三管路之间，该第三管路与第二管路同轴；
-使包含蒸汽和/或惰性气体的气流以环形的射流进入反应腔，该反应腔的内部设有混合区，该混合区用于使所述含烃的气流与所述含游离氧的气流相混合；
-把所述含烃的气流从所述环形的自由空间导向所述混合区的靠近所述包含蒸汽和/或惰性气体的气流的所述环形的射流的部位；
-把来自所述第一管路的所述含游离氧的气流扩散和导向至所述混合区的所述包含蒸汽和/或惰性气体的气流的所述环形的射流，从而使所述含游离氧的气流的第一部分与在所述反应腔的中心部循环的含有起反应的气体的第一气流混合和反应；使所述含游离氧的气流的第二部分与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述含游离氧的气流被使得沿一螺旋形轨迹流经所述第一管路。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述第二部分含游离氧的气流被使得从所述第一管路的端部与所述含烃的气流相接触。
10.使烃部分氧化的燃烧器，该燃烧器包括：
-具有预定长度的圆筒形的第一管路(20)，其限定在圆形通道(29)的内部，用于把含游离氧的气流输入至燃烧器外部的反应腔(16)；
-第二管路(21)，其设置在第一管路的外侧，与第一管路同轴，比第一管路长，该第二管路(21)在所述两个管路(20，21)之间在其内部限定了环形的自由空间(30)，以把含烃的气流输送至所述反应腔(16)；
其特征在于，该燃烧器还包括：
-混合区(22)，其限定在所述第一和第二管路(20，21)的各端部(28，34)之间，使所述含烃的气流和所述含游离氧的气流相混合；
-导向元件(31)，用于把所述含烃的气流从所述环形的自由空间(30)导向所述混合区(22)的靠近所述第二管路(21)的内壁(27)的区域；
-扩散和导向元件(32)，用于把来自所述圆形通道(29)的所述含游离氧的气流扩散和导向至所述混合区(22)中的所述第二管路(21)的所述内壁(27)，从而使所述含游离氧的气流的第一部分与在所述反应腔的中心部循环的含有起反应的气体的第一气流混合和反应；使所述含游离氧的气流的第二部分与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流。
11.使烃部分氧化的燃烧器，该燃烧器包括：
-具有预定长度的圆筒形的第一管路(20)，其限定在圆形通道(29)的内部，用于把含游离氧的气流输入至燃烧器外部的反应腔(16)；
-第二管路(21)，其设置在第一管路(20)的外侧，与第一管路(20)同轴，比第一管路(20)长，该第二管路(21)在所述两个管路(20，21)之间在其内部限定了环形的自由空间(30)，以把含烃的气流输送至所述反应腔(16)；
其特征在于，该燃烧器还包括：
-第三管路(43)，其设置在第二管路(21)的外侧并与第二管路同轴，该第三管路(43)在所述第二和第三管路(21，43)之间在其内部限定了环形的自由空间(44)，以把包含蒸汽和/或惰性气体的气流送入反应腔(16)；
-扩散和导向元件(32)，用于把来自所述第一管路(20)的所述含游离氧的气流扩散和导向至来自所述第二管路(21)的含烃的气流，从而使所述含游离氧的气流的第一部分与在所述反应腔的中心部循环的含有起反应的气体的第一气流混合和反应；使所述含游离氧的气流的第二部分与所述含烃的气流混合，以获得包含至少部分混合在一起的烃和游离氧的气流。
12.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于：用于导向含烃的气流的所述导向元件(31)包括环形开口，该环形开口比所述环形自由空间(30)薄，设置在邻近第一管路(20)的端部(28)处，位于所述环形自由空间(30)和所述混合区(22)之间。
13.如权利要求10或11所述的燃烧器，其特征在于：用于扩散和引导所述含游离氧的气流的所述元件(32)在靠近第一管路(20)的所述端部(28)处包括该管路的一部分，该部分朝第二管路(21)的所述内壁(27)开口扩大，从而在所述端部(28)处形成了气流出口(33)，该出口(33)的直径大于第一管路(20)的其它部分。
14.如权利要求13所述的燃烧器，其特征在于：所述气流出口(33)的直径在所述部分(32)的上游在第一管路(20)的直径的1.25倍至10倍的范围内。
15.如权利要求13所述的燃烧器，其特征在于：第一管路(20)的开口扩大的所述部分是弯曲的。
16.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于：开口扩大的所述部分从管路(20)的内壁(20A)连续地向其外壁(20B)延伸，该延伸以内壁(20A)的圆筒形端部和外壁(20B)的一端部(28)之间的固定倾角进行，或者该延伸以从所述内壁(20A)的圆筒形的端部处的0°连续地变化至所述外壁(20B)的端部(28)处的最多90°的倾角进行。
17.如权利要求16所述的燃烧器，其特征在于：开口扩大的所述部分的所述倾角在30°至90°的范围内。
18.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于：第二管路(21)的所述内壁(27)在混合区(22)内的长度是所述第一和第二管路(20，21)之间的所述环形开口(31)的厚度尺寸的5至15倍。
19.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于：所述第二管路(21)的内壁(27)在混合区(22)内呈截头圆锥的形状，其直径朝所述端部(34)增加。
20.如权利要求10所述的燃烧器，其特征在于：所述第二管路(21)的内壁(27)在混合区(22)内的倾角相对于纵向轴在0°至60°的范围内。
21.如权利要求10和11所述的燃烧器，其特征在于：进一步包括管路(38)，该管路(38)在第一管路(20)的内侧，与第一管路(20)同轴，长度比第一管路(20)短，其内侧限定了一通道，用于使所述含游离氧的气流的一部分以真正的轴向流动被引导至反应腔(16)。
22.如权利要求21所述的燃烧器的应用，用于对气体产生器的反应腔进行预热，内侧管路(38)用于把包含燃料的气流引导至反应腔。
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