CN1702381A - 远距离分段辐射壁炉燃烧器的构造和方法 - Google Patents
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Abstract
一种远距离分段辐射壁炉燃烧器构造，包括将二次燃料气体喷嘴远离辐射壁燃烧器设置。该构造增加了二次燃料与炉废气的混合。结果，降低了燃烧的燃料气体的温度，从而减少了NOx的形成。
Description
技术领域
本发明涉及远距离分段辐射壁炉燃烧器构造，更具体地，涉及将二次燃气喷嘴远离辐射壁燃烧器喷嘴设置，从而降低NOx的生成。
背景技术
辐射壁炉燃烧器是公知的，且已经在重整和裂解操作等中使用多年。辐射壁燃烧器通常包括由环形耐火砖包围的中央燃烧气体-空气混合物燃烧器管，其适于插入炉壁中的开口中。燃烧器喷嘴沿与耐火砖的内表面大体平行且邻近的方向排放燃料气体-空气混合物。燃料气体-空气混合物的燃烧使得耐火瓦的表面例如向处理管散热，从而避免了在处理管上不期望的火焰冲击。
辐射壁燃烧器通常沿炉壁安装成几行。这种类型的构造通常设计成从包括辐射壁燃烧器矩阵的壁面向处理提供均匀的热输入。
政府当局不断实行更严格的环境排放标准，这限制了诸如氮氧化物(NOx)的气体污染物的量。这些标准导致分段或二次燃料燃烧器设备和方法的发展，其中在第一区域中燃烧所有空气和一些燃料，而在第二下游区域中燃烧其余的燃料。在这种分段燃料燃烧器设备和方法中，第一区域中过量的空气用作稀释剂，其降低了燃烧气体的温度从而降低了NOx的形成。期望地，炉废气用作稀释剂，以降低燃烧二次燃料的温度从而降低了NOx的形成。
同样，也已经发展了分段辐射壁燃烧器的设计，其中燃烧器径向燃烧燃料气体和空气的一次贫燃料混合物，并且分段燃料立管向该段顶端供应二次燃料。二次燃料喷嘴的位置可根据燃烧器的制造和类型而变化，但是它们通常位于燃烧器顶端的中央或者在顶端周围附近。
尽管已经改进了分段辐射壁燃烧器和炉设计从而生成包含低水平污染物的燃烧气体，但是还需要其他改进。因此，需要改进使用辐射壁燃烧器燃烧燃料气体和空气从而生成具有低的污染物水平的燃烧气体的方法。
发明内容
本发明提供了一种辐射壁炉燃烧器构造，其采用多行多个燃烧燃料气体空气混合物的辐射壁燃烧器，这些辐射壁燃烧器以规则的间隔插入炉壁中。根据本发明，还设有一行或多行二次燃料气体喷嘴，这些二次燃料气体喷嘴分开并远离辐射壁燃烧器设置。将二次燃料气体引入燃料气体喷嘴中，引入量构成了提供给燃烧区的燃料气体-空气混合物和二次燃料气体的总燃料的大部分。优选地，二次燃料气体喷嘴位于邻近多行辐射壁燃烧器的炉壁上或者在炉底上或者在两者上，并且二次燃料气体从辐射壁燃烧器被引到多个位置，包括燃烧区的相对侧上的位置。结果，大大降低了离开炉的燃烧气体中的NOx水平。
在优选布置中，炉壁至少基本竖直，且辐射壁燃烧器在行和列中大致平行且大致均匀地间隔开，并且二次燃料气体喷嘴排成单行，使各喷嘴都直接位于上一行的辐射壁燃烧器的下方。在另一优选构造中，辐射壁燃烧器大致平行，在行和列中的燃烧器大致均匀地间隔开，且上面行和下面行的二次燃料气体喷嘴位于辐射壁燃烧器的下方，其中上面行的各喷嘴都直接位于上一行中一个燃烧器的下方，且其中下面行的各喷嘴都位于其直接上方的喷嘴的水平位置之间的中途。在又一优选构造中，辐射壁燃烧器彼此中途偏离成为交错定位，且二次燃料气体喷嘴排成直接位于辐射壁燃烧器下方的单行或两行，使各喷嘴布置成延续该交错定位。在又一构造中，二次燃料气体喷嘴的第一行位于所有的辐射壁燃烧器的下方，且二次燃料气体喷嘴的第二行大致位于多行辐射壁燃烧器上方的中间位置。
在另一优选布置中，二次燃料气体喷嘴还位于炉底上，且该炉可包括底部燃烧器(也称作炉膛燃烧器)，在底部上可具有或者没有二次燃料气体喷嘴。
优选地，二次燃料气体喷嘴具有至少一个燃料供应开口的顶端，该开口设计成以相对于喷嘴的纵轴成向上的角度喷射燃料气体。更具体地，二次燃料气体喷嘴具有多个燃料供应开口。
本发明还提供了一种用于在辐射壁燃烧炉中燃烧燃料的方法，包括：(a)向沿着炉壁布置成多行的各辐射壁燃烧器提供燃料气体和空气的贫燃料混合物；(b)使该混合物从各辐射壁燃烧器越过炉壁径向向外流动，从而使得该混合物包含过量空气且以相对较低温度燃烧，并且由此形成具有低NOx含量的废气；和(c)向远距离且分离的二次燃料气体喷嘴供应二次燃料气体，从而使二次燃料气体在炉中与废气混合且与来自辐射壁燃烧器的过量空气燃烧，这降低了燃烧的燃料气体的温度，从而减少了NOx的形成。
在阅读了下面结合附图的优选实施例后，本领域技术人员将容易地明白本发明的其他特征和优点。
附图说明
图1示出了使用传统分段的气流形式，其中二次燃料气体处于各燃烧器的中央。
图2示出了本发明的气流形式，其具有燃料气体的远距离分段形式。
图3是在辐射燃料气体点火炉壁上的优选的远距离分段燃烧器构造。
图4A-4D示出了在辐射燃料气体点火炉壁上的另一优选的远距离分段构造。
图5A-5F示出了远距离分段构造，其在具有和没有底部燃烧器的炉底上包括附加的二次燃料气体排放喷嘴。
图6是在本发明中使用的优选的二次燃料气体排放喷嘴的侧视图。
图7是图1的二次燃料气体排放喷嘴的俯视图。
图8是比较采用和不采用本发明的远距离分段技术的试验炉的NOx排放物的曲线图。
具体实施方式
本发明的优选辐射壁炉燃烧器构造采用多行多个辐射壁燃烧器和一排二次燃料气体喷嘴，该辐射壁燃烧器包括环形耐火砖且燃烧燃料气体贫燃料气体-空气混合物，该辐射壁燃烧器以规则的间隔与炉壁相连，并且所述一排二次燃料气体喷嘴以隔开和远离所述辐射壁燃烧器的方式布置，并具有用于将二次燃料气体引入二次燃料气体喷嘴中的装置，且其中二次燃料气体构成了由燃料气体-空气混合物和二次燃料气体供应给燃烧区的总燃料的绝大部分。优选地，二次燃料气体喷嘴位于与多行辐射壁燃烧器相邻的炉壁上或炉底上或者两者上，且将二次燃料气体引到多个位置，包括从辐射壁燃烧器的燃烧区的相对侧的位置。结果，降低了离开炉的燃烧气体中NOx的水平。
现在参考附图，图1示出了传统的分段燃料辐射壁燃烧器10的燃烧器列11。分段燃料辐射壁燃烧器10包括辐射壁燃烧器顶端12，向其提供一次燃料气体和空气的燃料气体贫混合物。二次燃料气体立管14向二次燃料气体顶端16供应燃料气体。二次燃料气体顶端16通常位于辐射壁燃烧器顶端12的中央(如图1所示)，或者位于辐射壁燃烧器顶部12周边的周围。如图1所示，从燃烧器顶端12排出的燃料气体-空气流形成屏障(barrier)20并包住或包围二次燃料气体22。在二次燃料气体22周围的燃料气体-空气屏障20阻止带走足够的废气24而导致NOx排放物的增加。
在本发明的远距离分段燃料技术中，除去了来自或邻近各辐射壁燃烧器10的二次燃料气体。相反，在较远位置将二次燃料气体注入炉中。如图2所示，通过将二次燃料气体移动到例如位于燃烧器列11下方的远距离二次燃料气体喷嘴26，二次燃料气体22能够在与燃烧区28中的燃料气体-空气混合物18混合之前与炉废气24混合。已经发现，通过使用一个或多个位于较远位置且提供二次燃料气体的远距离二次燃料气体喷嘴26，与现有技术的辐射壁燃烧器设计相比，可降低NOx排放物，并改善了火焰质量。
参考图3，示出了本发明的改进的辐射壁炉燃烧器构造，其总体上用附图标记30表示。多个辐射壁燃烧器10的多行32插在炉壁31中。辐射壁燃烧器10沿径向跨过炉壁31的表面排放燃料气体-空气混合物。来自壁的辐射热以及来自热气体的热辐射传递到例如为热传递设计的处理管或其他处理设备。
向各辐射壁燃烧器10供应一次燃料气体和空气的混合物，其中空气的流速大于相对于一次气体的化学计量法流速。优选地，空气的流速在用于完成燃烧一次和二次燃料气体所需的化学计量流速的约105％至约120％的范围内。二次燃料气体通过二次燃料气体喷嘴26排进炉中。图3的燃烧器构造示出了排成一行32的二次燃料气体喷嘴26，每个二次燃料气体喷嘴都位于辐射壁燃烧器的列34的下方。二次燃料气体喷嘴沿着大体朝向辐射壁燃烧器的方向排放燃料气体，下面将详细地解释。
在图4A-4D中示出了优选形式的附加示例。多行辐射壁燃烧器10可大致平行，在列34中燃烧器10可大致均匀地间隔开，且二次燃料气体喷嘴26可排成单独一行32，各喷嘴如图3所示直接位于上一行中辐射壁燃烧器10的下方，或者如图4A所示与上一行中辐射壁燃烧器10偏离。如图4B所示，在另一优选构造中，辐射壁燃烧器10大致平行地排成多列，在列34中辐射壁燃烧器10大致均匀地间隔开，且位于辐射壁燃烧器10下方的二次燃料气体喷嘴26排成两行，即上面行36和下面行38，其中上面行36的各二次燃料气体喷嘴位于上一行燃烧器的下方，且其中下面行38的各二次燃料气体喷嘴位于其直接上面行36中的二次燃料气体喷嘴的水平位置之间的中途。在如图4C所示的又一优选构造中，辐射壁燃烧器10彼此中途偏离，形成菱形图案并使二次燃料气体喷嘴26位于辐射壁燃烧器的下方而延续该图案。在又一优选构造中，如图4D所示，约一半的辐射壁燃烧器10在排和列40中大致均匀地间隔开，二次燃料气体喷嘴26的一行42直接位于下方。其余辐射壁燃烧器10位于二次燃料气体喷嘴的行42下方并布置成多列44。二次燃料气体喷嘴26的第二行46位于燃烧器列44的直接下方。
上面描述了辐射壁燃烧器10和二次燃料气体喷嘴26连接到其上的炉壁31，该壁基本为竖直的，但应理解所述壁也可以与竖直成一角度或者所述壁可以是水平的。
现在参考图5A-5F，示出了本发明的二次燃料气体喷嘴26的，具有及没有底部燃烧器54(也称作炉膛燃烧器)的替换结构。参考图5A和5B，将多行多个辐射壁燃烧器10插入炉壁31中。如前所述，燃烧器10沿越过炉壁31表面的方向排放燃料气体-空气混合物。向各辐射壁燃烧器供应一次燃料气体和空气的混合物，其中空气的流速大于相对于一次气体的化学计量方法流速，即，空气流速在化学计量流速的约105％至约120％的范围内。二次燃料气体通过位于多列辐射壁燃烧器10下方的二次燃料气体喷嘴26排进炉中。此外，二次燃料气体喷嘴26布置在炉底中，以提供混合有过量空气和炉废气的附加二次燃料气体，从而生成低的NOx水平。
现在参考图5C和5D，示出了辐射壁燃烧器10和二次燃料气体喷嘴26的类似结构。此外，将燃料气体和过量空气混合的底部燃烧器54设置在壁31附近，且二次燃料气体喷嘴26向辐射壁燃烧器和底部燃烧器排放燃料气体，从而二次燃料气体容易地混合有炉废气和过量空气，以生成低的NOx水平。
现在参考图5E和5F，未设有向辐射壁燃烧器和底部燃烧器排放燃料气体的二次燃料气体喷嘴26，而是在炉底中设置附加的二次燃料气体喷嘴，以与由底部燃烧器生成的炉废气和过量空气混合，从而生成低的NOx水平。
因此，现在本领域的技术人员应理解，在根据本发明的辐射壁气体燃烧器炉中可采用辐射壁燃烧器10和分离且远距离的二次燃料气体喷嘴的多种组合，从而降低炉废气中的NOx水平。
在本发明的构造和方法中可使用任何的辐射壁燃烧器。本领域的技术人员熟知辐射壁燃烧器的设计和操作。可采用的辐射壁燃烧器的示例包括(但并不限于)1993年1月19日授予Schwartz等人的美国专利No.5,180,302中描述的壁燃烧器，和由Venizelos等人在2001年9月7日提出的美国专利申请序列号No.09/949,007题目为“High Capacity/LowNOx Radiant Wall Burner(大容量/低NOx辐射壁燃烧器)”中描述的壁燃烧器，这两个公开结合于此作为参考。
优选地，流过辐射壁燃烧器的总的燃料气体-空气混合物占供应到燃烧区28的总燃料的低于约80％。
二次燃料喷嘴26插入穿过炉壁和底部，延伸进炉内部约1到约12英寸。优选地在从约20到约50磅/平方英寸的范围内的压力下供应燃料气体。
在图6和7中示出的二次燃料气体喷嘴26具有顶端16，其中具有二次燃料气体供应开口48，用于将二次燃料气体引入炉空间50中。开口48以角度α将二次燃料朝向炉壁和远离炉壁引导二次燃料，该角度α在与纵向轴线成约60°至约120°范围内。
在一个优选实施例中，二次燃料气体喷嘴顶端16包括附加的侧供应开口52，用于沿角度β的各方向排放二次燃料气体，该角度β在离通过纵向轴线的竖直面两侧约10°至约180°范围内，更优选地在约20°至约150°的范围内。本领域的技术人员将理解，二次燃料气体喷嘴顶端可包括多个开口48和52，它们布置成根据使用的辐射壁和其他燃烧器构造以及其他因素朝向和/或远离炉壁排放燃料气体。
用于在辐射壁炉中燃烧燃料气体和空气从而形成降低NOx含量的废气的本发明的方法包括以下步骤：
(a)向沿着炉壁布置成多行的各辐射壁燃烧器提供燃料气体和空气的贫燃料混合物；
(b)使燃料气体和空气的混合物从各辐射壁燃烧器越过炉壁径向向外流动，从而使得该混合物包含过量空气且以相对较低温度燃烧，并且由此形成具有低NOx含量的废气；和
(c)向远距离且分离的二次燃料气体喷嘴供应二次燃料气体，从而使二次燃料气体与废气在炉中混合且与来自辐射壁燃烧器的过量空气燃烧，这降低了燃烧的燃料气体的温度，从而减少了NOx的形成。
为了进一步解释本发明的炉燃烧器构造和方法，下面给出示例。
示例
使用具有和没有远距离分段的辐射壁燃烧器来比较NOx排放物。试验炉采用一组12个辐射壁燃烧器，布置成3列每列各4个燃烧器。在各列中燃烧器间隔开50英寸，且各列间隔开36.5英寸。在向辐射壁燃烧器的中央供应二次气体的同时操作该炉，且随着时间的过去来测量炉中废气中的NOx。然后在从燃烧器中央去除二次气体且将二次气体引向位于辐射壁燃烧器的列附近的远距离喷嘴后操作该炉。
图8是比较来自具有和没有远距离分段构造的炉的NOx排放物的曲线图。数据表明使用远距离分段构造可使NOx排放物减少50％。
因此，本发明确实适于获得上述以及其固有的目的和优点。尽管本领域的技术人员可作出各种改变，但是这些改变都包括在由所附权利要求限定的本发明的精神内。
Claims (28)
1、在具有壁、底部和燃烧器构造的辐射壁炉中，采用多行或多列或多行多列的多个辐射壁燃烧器，该辐射壁燃烧器具有基本垂直于炉壁上的纵向轴线并安装到炉壁上，各辐射壁燃烧器都将可燃的燃料气体-过量空气混合物沿相对于其纵向轴线的径向向外方向引入与耐火瓦相邻的燃烧区中，改进包括：
布置成分开且远离辐射壁燃烧器的一组二次燃料气体喷嘴，和用于将二次燃料气体引入二次燃料气体喷嘴中的装置，从而使二次燃料气体与废气在炉中混合并且与过量的空气一起燃烧，这降低了燃烧的燃料气体的温度，从而减少了NOx的形成。
2、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述一组二次燃料气体喷嘴位于与辐射壁燃烧器的多行邻近的至少一行。
3、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述二次燃料气体喷嘴将二次燃料气体从辐射壁燃烧器引入炉中燃烧区的相对侧的位置。
4、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述多行或多列或多行多列的辐射壁燃烧器大致平行，所述辐射壁燃烧器大致均匀地间隔开，且所述二次燃料气体喷嘴排成一行或两行，每个二次燃料气体喷嘴位于一个辐射壁燃烧器附近或从一个辐射壁燃烧器偏离。
5、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述多行辐射壁燃烧器大致平行，在列中所述辐射壁燃烧器相对均匀地间隔开，且所述二次燃料气体喷嘴排成中间第一行和外部第二行，其中使中间第一行的每个二次燃料气体喷嘴都邻近一个辐射壁燃烧器，且其中外部第二行的每个二次燃料气体喷嘴都从一个辐射壁燃烧器偏离。
6、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述辐射壁燃烧器的各行大致平行，且各行从邻近行的规则间隔偏离半个间隔。
7、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
一行或多行二次燃料气体喷嘴位于多行辐射壁燃烧器附近，且附加的一行或多行二次燃料气体喷嘴位于多行辐射壁燃烧器中的中间位置。
8、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴都具有一顶端，该顶端中具有至少一个燃料供应开口，用于以相对于二次燃料气体喷嘴的轴线成角α朝向或远离炉壁喷射燃料气体。
9、根据权利要求8所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述角α在从所述轴线约60°至约120°的范围内。
10、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴都具有一顶端，该顶端中具有一个或多个燃料供应开口，所述开口布置成朝向或远离炉壁喷射燃料气体或者既朝向又远离炉壁喷射燃料气体。
11、根据权利要求10所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴顶端中都具有多个燃料供应开口，它们定位在向外的角β中，该角β在离一竖直面的两侧约10°至约180°范围内，该竖直面通过二次燃料气体喷嘴的纵向轴线。
12、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述炉还包括一组位于炉底上的二次燃料气体喷嘴。
13、根据权利要求1所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述炉包括底部燃烧器，该底部燃烧器位于其上安装有辐射壁燃烧器的壁附近。
14、根据权利要求12所述的改进的炉燃烧器构造，其特征在于，
所述炉包括底部燃烧器，该底部燃烧器位于其上安装有辐射壁燃烧器的壁附近，并且每个所述二次燃料气体喷嘴都具有顶端，这些顶端中具有多个燃料供应开口，这些开口布置成沿多个方向朝向或远离炉壁喷射燃料气体。
15、一种在辐射壁炉中燃烧燃料气体和空气从而形成降低的NOx含量的废气的方法，包括步骤：
(a)向沿着炉壁布置成多行的各辐射壁燃烧器提供燃料气体和空气的贫燃料混合物；
(b)使燃料气体和空气的混合物从各辐射壁燃烧器越过炉壁径向向外流动，从而使得该混合物包含过量空气且以相对较低温度燃烧，并且由此形成具有低NOx含量的废气；和
(c)从二次燃料气体喷嘴供应二次燃料气体，所述二次燃料气体喷嘴定位为使二次燃料气体与废气在炉中混合且与来自辐射壁燃烧器的过量空气燃烧，这降低了燃烧的燃料气体的温度，从而减少了NOx的形成。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
从邻近多行辐射壁燃烧器的至少一行中的二次燃料气体喷嘴排放所述二次燃料气体。
17、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述二次燃料气体喷嘴将二次燃料气体从辐射壁燃烧器引入炉中燃烧区的相对侧的位置。
18、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述多行辐射壁燃烧器大致平行，在列中所述辐射壁燃烧器大致均匀地间隔开，且二次燃料气体喷嘴排成一行或两行，每个二次燃料气体喷嘴位于一个辐射壁燃烧器附近或从其偏离。
19、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述多行辐射壁燃烧器大致平行，在列中所述辐射壁燃烧器大致均匀地间隔开，且二次燃料气体喷嘴排成中间第一行和外部第二行，其中使中间第一行的每个二次燃料气体喷嘴都邻近一个辐射壁燃烧器，且其中外部第二行的每个二次燃料气体喷嘴都从一个辐射壁燃烧器偏离。
20、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述辐射壁燃烧器行大致平行，且各行从相邻行的规则间隔偏离半个间隔。
21、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
一行或多行二次燃料气体喷嘴位于多行辐射壁燃烧器附近，且附加的一行或多行二次燃料气体喷嘴位于多行辐射壁燃烧器中的中间位置。
22、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴都具有顶端，该顶端中具有至少一个燃料供应开口，以沿着相对于二次燃料气体喷嘴的轴线成角α朝向或远离炉壁喷射燃料气体。
23、根据权利要求22所述的方法，其特征在于，
所述角α在离所述轴线约60°至约120°的范围内。
24、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴都具有顶端，该顶端中具有一个或多个燃料供应开口，所述开口布置成朝向或远离炉壁喷射燃料气体或者既朝向又远离炉壁喷射燃料气体。
25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，
各二次燃料气体喷嘴顶端中都具有多个燃料供应开口，它们定位在向外的角β中，该角β在离一竖直面的两侧约10°至约180°范围内，该竖直面通过燃料气体喷嘴的纵向轴线。
26、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述炉还包括一组位于炉底上的二次燃料气体喷嘴。
27、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述炉包括底部燃烧器，该燃料贫位于其上安装有辐射壁燃烧器的壁附近。
28、根据权利要求26所述的方法，其特征在于，
所述炉包括底部燃烧器，其位于其上安装有辐射壁燃烧器的壁附近，并且每个所述二次燃料气体喷嘴都具有顶端，该顶端中具有多个燃料供应开口，这些开口定位为沿多个方向朝向或远离所述壁喷射燃料气体。
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