CN1318798C - 燃料转化器燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

无烟道气循环到再生器床的再生炉利用燃烧有氧化剂的合成气进行加热。合成气是由蒸气和甲烷在经前一循环加热的第一再生器床中产生，而经前一循环冷却的第二再生器床由来自除炉之外的来源的热烟道气进行加热。一旦第一再生器床通过蒸气和甲烷的吸热化学反应而冷却时，则由热烟道气加热，而蒸气和甲烷在现在是热的第二再生器床中反应，由此使第二再生器床冷却。

Description

燃料转化器燃烧方法
本发明一般涉及应用再生器床的直接燃烧炉。更准确地说，本发明涉及来自再生器床中的化学反应的炉反应产物的燃烧。
通常应用再生器和同流换热器来交换两流体物流之间的热量。应用再生器来提供循环热交换，交替地接受燃烧的热气体产物的热量并将热量传递给燃烧空气，因此使燃烧空气预热。典型情况下，再生器具有由填料制作的或装有填料的热回收床，填料贮存和传递热量。虽然格式(耐火材料)再生器已知数十年，但新近的发展已经引入了集成燃烧器-再生器，这种装置也称为再生燃烧器。
由于快速循环再生燃烧器热效率高、设计简单、热交换需要的尺寸小，现在已经采用作为空气燃烧炉。通常再生燃烧器是成对设置的，一台按燃烧模式运行，另一台按排气或烟道模式操作。例如，对于成对装置A和B，装置B可以作为燃烧器运行，而热烟道气通过装置A的床进行冷却，装置A作为“烟道”运行。当装置A的床已经达到目标温度时，烟道气改向到现正作为烟道操作的装置B的床，而装置A转换为燃烧器模式；当环境温度下的燃烧空气通过热床并被预热时，贮存在装置A的床中的热就被回收。一旦装置B的床达到目标温度时，装置B又转换为燃烧器模式，而热的排气改向到装置A。
与再生燃烧器相连系的一个缺点是，再生燃烧器受限于相当清洁的燃烧方法，因为含有颗粒和其它杂质的废气会堵塞床或使床发生故障。
产生含有大量杂质的排气的方法的一个实例是玻璃熔化，那里烟道气可以含有通常从制造玻璃材料来的灰尘、挥发性可冷凝物质，以及腐蚀性气体。虽然用氧或富氧空气代替燃烧空气可以改进直接燃烧的玻璃熔化炉的热效率，但是氧的使用会增加总的操作费用。一般说来，在不通过再生器床回收烟道气热量的情况下操作含氧燃料玻璃熔化炉。
因此，对于氧燃烧玻璃熔化炉和其它的其产生的热烟道气不经过再生器床的炉来说，需要继续改进效率和降低费用。
因此，本发明的目的是提供一种能改进效率及可降低炉中的氧和燃烧的消耗的方法。
该上述的和其它的目的通过本发明实现，这些目的通过阅读本发明公开的细节对本技术领域的技术人员将是显而易见的，本发明涉及：
一种以化学反应中形成的炉反应产物燃烧的方法，所述方法包括：
(A)将反应物引入第一再生器床，并使反应物在第一再生器床中进行吸热化学反应以形成第一反应产物，由此产生冷的第一再生器床；
(B)将所述的第一反应产物送入待要用氧化剂燃烧的炉中；
(C)使来自除炉之外的来源的热烟道气经过第二再生器床，由此产生热的第二再生器床；
(D)将反应物引入热的第二再生器床，并使反应物在第二再生器床进行吸热化学反应以形成第二反应产物，由此冷却热的第二再生器床；
(E)将所述的第二反应产物送入待要用氧化剂燃烧的炉中；和
(F)使来自除炉之外的来源的热烟道气经过所述的冷的第一再生器床。
该唯一的图是为实施本发明的一种实施方案的流程图。
在许多的炉中，燃料是在氧化剂存在下燃烧的，以加热正在处理的物质，本发明对用氧燃烧燃料而加热的炉特别有利，但是也适合于其它的应用，例如可以在普通的空气燃烧炉中或用富氧空气燃烧的炉中使用。本发明可以在玻璃熔化炉、炼钢炉和许多其它的炉中使用。本发明对产生含灰尘、颗粒或其它杂质的直接燃烧装置特别有利。
本发明包括与单独的燃料转化器相组合的炉。可以使用通常的催化蒸汽转化器系统来转化燃料和产生含氢和一氧化碳的热合成气体即“合成气”。本发明优选和如床尺寸小的转化系统的快速循环再生器一道使用，也可以和典型的用于玻璃熔化炉的市售再生器一道使用，再生器每隔20-30分钟换向一次，气体通道的平均直径为几厘米。
本发明对于至少应用一个再生器系统的炉的运行是有效的，每个再生器系统至少有两个再生器床，虽然可以使用两个以上的床。床典型地包括耐火材料衬里的容器，容器中装填有贮存和传递热量有效的填料，填料能够提供适当的抗热冲击，能够经受在实施本发明时所遇到的温度降和压力降。由各种金属、氧化铝、氧化镁、富铝红柱石、AZS或氧化锆基陶瓷制作的球是再生器床能够使用的填料的实例。
在本发明的实践中，再生器床不仅用作热交换器，而且也用作反应器，在此反应器中进行一种或多种的化学反应，由此产生有用的反应产物。在床的材料中可以使用催化剂来促进吸热反应，并降低吸热反应的温度。
在优选的实施方案中，在再生器床中进行的化学反应是蒸气转化反应。反应是吸热的，并使用烃燃料(典型地是天然气)和蒸气或二氧化碳以形成反应产物，反应产物含有一氧化碳和与一些水，通常为为水蒸气相混合的氢，还含有二氧化碳、甲烷和可能的其它的烃。在理想的形态下，在再生器床中进行的蒸气转化反应可以写成如下的形式：
CH4+H2O→CO+3H2        (1)
除了反应(1)之外，在热床中还可能发生其它的吸热过程。在这些过程中，吸热过程是特别不希望的，因为在床中的吸热过程会产生碳(或炭黑)的沉积物。如增加蒸气与燃料的比，则可以减少积碳问题。在燃料被加热和转化后，在相同的床中以相继的方式预热氧化剂也是可能的。向床中注入一些氧，则碳被燃烧，并净化床。
反应产物也称为合成气体或合成气，将其送往炉中以作为燃料燃烧，由此加热了炉中被处理物质。炉中所发生的理想的化学计量燃烧反应可以写成如下形式：
CO+3H2+2O2→CO2+3H2O       (2)
虽然反应(2)可以应用空气作为燃烧氧化剂来进行，但是使用氧含量大于30％(体积)的燃烧氧化剂则是本发明的优选实施方案。因此，燃烧氧化剂可以是氧浓度大于30％(体积)，优选地大于50％(体积)的富氧空气；使用氧浓度至少为80％(体积)的富氧空气作为氧化剂进行燃烧过程是最优选的。所述氧化剂可以是通过空气的低温分离或非低温分离或者通过生产氧的化学方法而制得的氧。
为达低的NOx的排放，在炉中使用小林的美国专利NO 5,076,779中公开的燃烧方法实施本发明是优选的。
在将反应物(蒸气和烃如甲烷)引入床之前，在装有填料的再生器床中加热热量和贮存热量可为吸热的蒸气转化反应提供所需能量。如上所述，由于本发明与其烟道气不通过再生器床以回收热的炉相结合是有用的，所以再生器床要利用其它方法进行预热。再生器床可以利用热的相当干净的废气进行加热，该废气是来自该炉之外的燃烧过程。例如，热的，相当干净的废气可以从工业设备的不同区域送往再生器床。
另外，为了产生可用于加热再生器床的热的燃烧产物，可以专门燃烧空气和燃料。空气和燃料例如天然气或燃油的常规燃烧不仅很有效，而且这样的燃烧将产生较无灰尘、粒状物和其它杂质的燃烧产物，这些杂质往往会堵塞床或使床故障。根据一种优选的实施方案和如图所述，基于空气的燃烧过程可以在串联式燃烧器中进行。
吹洗床以除去在转化燃烧循环结束时留在该床中的残余气体、碳的沉积物或杂质是符合需要的。吹洗可以在加热循环(再生)结束时进行。蒸气、来自空气-燃料燃烧的循环冷却的烟道气，或另外的合适的介质例如空气和氧都可以用于吹洗和净化再生器床。将某些氧连同烃燃料和物流反应物一起注入床中，可燃烧和净化床。
对于交替循环过程至少需要两台再生器床。对于具有两台再生器床的炉，蒸气和甲烷注入在前一循环期间被预热的第一床中。在第一床中，蒸气和甲烷反应形成合成气，通常是热的合成气，合成气然后从第一床进入炉中作燃料被燃烧。其间，第二床例如利用来自除炉外的源的烟道气而加热。一旦第一床达到的温度太低，以致不能维持吸热的蒸气转化反应时，则第一床换向。蒸气和甲烷再送往第二床，第二床现在作为蒸气转化器起作用，而第一床则被加热。如前述那样，一旦第二床变得太冷时，甲烷和蒸气再送往现在为热的第一床，而第二床则被加热。每一再生器床都是在再生循环和转化燃烧循环之间来回交替地进行，在再生循环期间，再生器床被加热到所需要的温度，在转化燃烧循环期间，再生器床将传递需要的能量，以加热反应物和进行吸热反应，吸热反应产生合成气，合成气将作为炉的燃烧燃料。
在吸热反应结束时，每一床的吹洗和留在床填料中的余热的回收可以并入循环操作。
蒸气转化反应中所需要的蒸气可以在外部产生，例如可以在工业设备的其它区域产生。另外，蒸气可以由引入热的再生器床的水并经蒸发产生。还可以也是优选的是，其中水蒸发成蒸汽的热的再生器床可利用来源于除炉之外的源的烟道气通过再生器床而进行加热。如图中所示。
本图实例说明了具有四台床的和一个循环的再生器系统，在循环期间1A和1B处在再生模式，并利用串联的燃烧器3得到的燃烧产物进行加热。其间，将水送入在前一循环期间预热过的床2B中，在2B中水被蒸发。2B床中产生的蒸气和燃料(甲烷)被引入2A床中，2A床也在前一循环期间被预热，在2A床中进行着蒸气转化反应。反应产生的热的合成气体通过阀装置例如“四通阀”4送往炉中，以作为燃料燃烧。
阀4能够在两个位置之控制地变动。在第一个位置，对应于过程的第一模式，即来自燃烧器3的烟道气进入床1A(如果存在的话，并进入蒸气发生床1B)，而来自床2A的热的合成气体进入燃烧炉5中。在第二个位置，对应于过程的第二模式，即来自燃烧器3的烟道气进入床2A(如果存在的话，并进入蒸气发生床2B)，而来自床1A的热的合成气体进入燃烧炉5。阀门位置的控制可手动或自动进行以响应用来自燃烧器的烟道气加热的床中所显示的温度条件。所有这些均以类似于在此领域所经历过的方式进行。
为了实例说明与实施本发明有联系的潜在的好处，表1列出了计算结果。以下述方程(3)描述的含氧燃料燃烧炉的为基况，计算假定转化反应(1)是理想的，烟道气的温度为1316℃(2400)和1538℃(2800)，没有过量的氧。不回收炉中产生的热烟道气的热量。
CH4+2O2→CO2+2H2O     (3)
表1
                             燃料转化的质量和能量平衡
     燃料类型燃料温度(℃)燃料流量(升/时)氧流量(升/时)较低加热值(千卡/时)燃料显热(千卡/时)总热量输入(千卡/时)炉燃料气温度(℃)燃料气中显热(千卡/时)炉中可利用热(千卡/时)燃料减少(％)氧的减少(％)转化所需的CH4(升/时)转化所需的H2O(升/时)转化的能量(千卡/时)转化的显热(千卡/时)小计(千卡/时)转化器燃料需要量(千卡/时)(升/时)(90温控再生效率下)所需总的CH4(升/时)水蒸发能(千卡/时)总计(千卡/时)转化器燃料需要量(千卡/时)(升/时)(90温控再生效率下)所需总的CH4(升/时)     CH41528.356.62300230131548.6181     CO+3H2109378.339.120025.5225131544.118113.230.919.619.640.825.566.373.69.128.68.674.883.410.229.8     CH41528.356.62300230153758.5172     CO+3H2109377.939.019925.5224153752.717213.531.219.519.540.625.566.173.39.028.58.674.682.910.229.7
根据温度1315℃烟道气的基况，对于15℃的28.3升/时的CH4(230千卡的较低加热值(LHV))和56.6升的氧的燃料输入，炉的可利用热是181千卡/时(78.9％)，48.6千卡/时随烟道气损失。
可是，如果炉用氧和由理想反应(1)产生的热的合成气进行燃烧，则氧和燃料的消耗的减少可能是显著的。为了提供与181千卡/时相同的可利用热，燃料输入减少13.2％，相当于200千卡/时LHV，氧的需求减少了30.9％，相当于39升/时。可是为了产生热的转化气体，对于15℃(230千卡LHV)的每28.3升的甲烷，反应(1)需要59千卡。假定转化器的热效率为90％，为产生78.3升/时转化气体的燃料输入是73.6千卡/时。热合成气的显热是25.4千卡/时。
为了与基况(230千卡)进行比较，对于甲烷蒸气转化反应和空气-燃料燃烧反应的总标称燃料输入现在是28.6升。总的燃料需求量增加约1％。如果蒸发水(0.44千卡/升水)需要的能量也增加，则总的燃料需求量为约29.7升/时，即高于基况约5％。
本方法的另一个好处是减少来自炉的烟道气体积，在本实例说明中，烟道气体体积的减少约为8％(由基况的85升/时减少到燃料转化情况的78.2升/时)。由于含有粒状物和可冷凝蒸汽的烟道气常常需要通过空气污染控制装置进行净化，烟道气体积减小具有明显的优点。因为烟道气体积减小将减小处理它的设备尺寸。
至少是显著的一个好处在于炉的氧的需求量大大地减少。这种减少是很重要的。在本计算中，这种减少是30.9％，最终导致总费用明显的节省。这种减少也是十分出乎意料的。
表1的第3和第4列给出对于烟道气温度为1537℃的炉的类似的计算。表明在较高的温度下，燃料和氧的减少有稍微的改进。
将燃烧氧化剂进行预热，可以进一步减少炉中燃料和氧的消耗。
高温对于吸热转化反应是有利的。一般说来，在没有合适的催化剂存在时，一旦床温下降到低于约704℃时，就不会发生转化反应。至少部分在转化反应后留在床中的残余热能可通过将燃烧氧化剂通过床并使其得到预热而回收。
使氧化气体例如氧通过床的额外的优点是对由裂解在床中形成的碳沉积物的净化有作用。
由于典型的炉具有多个再生器床，所以在同一炉中，具有普通的燃烧器，也有再生器床可能是有利的。根据本发明的一种实施方案，燃烧氧化剂可以在普通的再生器中进行预热，而蒸气和燃料的混合物在并联的转化再生器床中进行加热和转化。
表2列出了具有氧预热的计算结果。如果所使用的氧化剂是在外部预热到1093℃的氧，则在烟道气温为1315℃时炉的燃料消耗可减少19.3％，相当于186千卡/时，炉的氧消耗可减少35.8％，相当于36.5升/时。由于预热氧需要额外能量，所以转化器/O2加热器所需要的CH4增加到82.9千卡/时。总的燃料需要量是1.00，也就是说和基况相同。因此与上述的基况相比较，即使总的燃料需要量变化很少，但氧的预热导致氧消耗的额外减少。
表2
                              燃料转化1和氧预热的质量和能量平衡
     燃料类型燃料温度(℃)氧温度(℃)燃料流量(升/时)氧流量(升/时)较低的加热值(千卡/时)燃料显热(千卡/时)氧显热(千卡/时)总热输入炉燃料气温度(℃)烟道气中显热(千卡/时)炉中可利用热(千卡/时)燃料减少(％)氧减少(％)转化所需的CH4(升/时)转化所需的H2O(升/时)转化的能量(千卡/时)转化的显热(千卡/时)氧加热的能量(千卡/时)小时(千卡/时)转化器燃料的需要量(千卡/时)(升/时)     CH4151528.356.62300230131548.6181     CO+3H21093109372.736.418623.713.1222131540.818119.335.818.218.237.823.713.174.682.910.2     CH4151528.356.62300230153758.5172     CO+3H21093109371.935.918323.613.0220153748.617120.236.518.018.037.523.513.073.881.910.1
     (90％温控再生效率下)所需要的总CH4(升/时)水蒸发能量(千卡/时)总计(千卡/时)转化器燃料的需要量(千卡/时)(升/时)(90％温控再生效率下)所需要的总CH4(升/时) 28.38.082.69211.329.5 28.08.082.09111.229.1
如烟道气温度1537℃的表2第3和第4列所示，当炉温较高时，费用节省稍有增加。当本方法应用到高温炉例如玻璃熔化炉时，它可以提供较好的经济效果。
为了举例说明的目的，提供了下列的实例，但并不限于此。
批量型钢再热炉利用4台含氧燃料燃烧器，使用天然气，燃烧速率为20MM千卡/时。燃烧使用0.57立方米/时的天然气和0.11立方米/时的工业纯氧，无任何的烟道气热回收系统。烟道气的平均温度是1315℃。4台含氧燃料燃烧器中的每一台都可用与美国专利No5,076,779所表示的那种类型的低NoX含氧燃料燃烧系统相连的燃料转化器来代替。转化器床材料是由直径为1.27cm的氧化铝球制作的，在加热循环结束时，加热到约1204℃的最高温度。每台床的尺寸为每40秒再生循环可蓄热832千卡。每台床进行着下列的程序：燃料加热/转化期为19.5秒，吹洗期为0.5秒，空气燃烧床再生期为19.5秒和吹洗期为0.5秒。注入水，在1#再生器床中产生0.04立方米/时的蒸气，并与0.04立方米/时的天然气混合。混合物加到平均温度为1093℃，在床中进行吸热转化。将1#床产生的热的合成气和0.08立方米/时的氧注入炉中。在再生(或加热)期间，0.016立方米/时的天然气用空气燃烧，再生器床用大过量的空气加热到1537℃。控制床下游的烟道气温度小于149℃。
如果不考虑由于转化不完全而引起的损失，那末炉中氧的节省可高达31％。当计及这些效果时，节省虽小，但仍很显著。如果炉温越高，则可预计到重大收益。
虽然参照某些实施方案详细地说明了本发明，但是本领域的技术人员将会理解在权利要求范围内还会有其它的实施方案。

Claims (10)

1.一种以化学反应中形成的炉反应产物燃烧的方法，所述方法包括：
(A)将反应物引入第一再生器床，并使反应物在第一再生器床中进行吸热化学反应以形成第一反应产物，由此产生冷的第一再生器床；
(B)将所述的第一反应产物送入待要用氧化剂燃烧的炉中；
(C)使来自除炉之外的来源的热烟道气经过第二再生器床，由此产生热的第二再生器床；
(D)将反应物引入热的第二再生器床，并使反应物在第二再生器床进行吸热化学反应以形成第二反应产物，由此冷却热的第二再生器床；
(E)将所述的第二反应产物送入待要用氧化剂燃烧的炉中；和
(F)使来自除炉之外的来源的热烟道气经过所述的冷的第一再生器床。
2.权利要求1的方法，其中第一和第二反应产物中至少之一含有合成气体。
3.权利要求1的方法，其中在第一和第二再生器床的至少一个床的吸热化学反应是蒸气转化过程。
4.权利要求1的方法，其中氧化剂的氧浓度大于空气的氧浓度。
5.权利要求1的方法，其中通过第一和第二再生器床中至少之一的热烟道气是由空气-燃料燃烧产生的。
6.权利要求1的方法，其中送入第一和第二再生器床中至少之一的反应物中含有甲烷和水。
7.权利要求6的方法，其中反应物还含有氧化剂。
8.权利要求1的方法，该方法还包含将吹洗气体通过第一和第二再生器床中的至少之一。
9.权利要求1的方法，其中该方法在第一模式和第二模式之间重复交替地变化，在第一模式时，进行步骤(A)、(B)和(C)，在第二模式状态时，进行步骤(D)、(E)和(F)。
10.权利要求1的方法，其中所述的第一和第二反应产物以及来自所述来源的热烟道气被送往阀门装置，该阀门在第一位置和第二位置之间可控制地交替变化，在第一位置时，进行所述的第一模式，在第二位置时，进行所述的第二模式。
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