TWI475177B - 製造合成氣體之方法及燃燒器 - Google Patents

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Description

製造合成氣體之方法及燃燒器
本發明係關於一種藉由在含氧氧化劑存在下將液體或氣體含碳燃料部分氧化來製造合成氣體之方法及燃燒器，其中將燃料、氧化劑及緩和劑分別供至燃燒器中，且其中在燃燒器之混合室中混合燃料與緩和劑，隨後使其與氧化劑接觸。
一般將含氫氣體混合物稱作合成氣體，其用於各種合成反應中。實例包括甲醇合成、哈伯-波希製氨法(the production of ammonia by the Haber-Bosch process)或費托氏合成(Fischer-Tropsch synthesis)。合成氣體可自固體、液體或氣體起始物質製得。先前技術中大體上已知製造合成氣體之方法及裝置。舉例而言，存在許多不同技術方法，其中用含氧氣體部分氧化含由蒸汽、二氧化碳或其混合物組成之緩和劑的液體或氣體含碳燃料。所用燃燒器之出口孔被引向燃燒室中。
WO 2008/065182 A1揭示一種製造合成氣體之方法，其中燃燒器具備複數個噴嘴口，以便獨立於氧化氣體引導烴類燃料通過燃燒器。烴類燃料與氧化氣體係藉由緩和劑氣體之引入(lead-through)而彼此隔開。緩和劑氣體之出口速度大於氧化氣體之出口速度。
US 2003/0085385 A1描述一種將反應物烴類燃料、蒸汽、氧氣及循環水引導至個別通道中四流注射器之噴嘴的方法。藉助於該配置，能使烴類燃料達成較好的轉化。
在自WO 95/32148 A得知之製造合成氣體之方法中，應避免腐蝕噴嘴，因為烴類燃料及氧化劑自藉由緩和劑隔開之平行噴嘴離開且不存在緩和劑與燃料之混合。
在此等已知燃燒器中，至少三個出口孔存在於燃燒器喉部且在燃燒器之外實現燃料霧化。在燃料外部霧化之情況下，在燃燒器喉部，彼此相鄰離開之反應物的相對速度差異必需較高，以便進行必需之霧化操作。緩和劑及/或氧化劑之此等高離開速度產生廣闊的反應區。另外，高能量輸入經由輸送器件(例如泵)來發生。因此，尤其在瞬時狀態下，諸如在啟動及停機操作中，必須冷卻噴嘴出口孔。在先前技術中，重大問題亦在於在燃燒器喉部之過早的物質耗損或物質移除。
在DE 101 56 980 B4中所述之藉由在氧氣存在下將液體或氣體燃料部分氧化來製造合成氣體之方法中，將燃料、含氧氣體及霧化介質分別供至燃燒器中，且使霧化介質經由一或多個噴嘴直接在燃料之中心孔口之前膨脹。引導含氧氣體通過霧化噴嘴外部且進入反應器空間中同心地(concentrically)在燃料與霧化介質之混合物周圍。此在燃燒器頭部附近引起放熱反應，其在瞬時狀態下對燃燒器區域中之反應器壁引起巨大熱負荷。
在此背景下，本發明之潛在目標在於提出一種替代性燃燒器，其尤其在瞬時狀態下之操作中暴露於較小負荷。
在如上所述之方法中，此目標實質上利用本發明來達成，其中將氧化劑通過燃燒器之出口孔在中心處引入燃燒室中，且將燃料與緩和劑之混合物通過出口孔引入燃燒室中同心地在氧化劑周圍。
令人驚訝地，發現藉由與先前技術相比逆向之介質引導，可有利地影響反應空間中之溫度分佈且因此使反應器壁及燃燒器組件之熱負荷降低。藉由根據本發明引導介質，相對於燃燒室中存在之合成氣體屏蔽氧化劑(氧氣、空氣)。
因此，可抑制燃燒器喉部附近之放熱反應。為了達成足夠的霧化及與燃料的互混，根據本發明之研發提出將緩和劑以30 m/s至200 m/s、較佳為80 m/s至140 m/s之速度注入混合室中。有利的是將可能添加有可燃氣體之蒸汽、二氧化碳或其混合物用作緩和劑。
根據本發明，因為將燃料以相對於燃燒器軸成10°至80°、較佳為40°至60°之角度β引向緩和劑噴射流，所以促進與緩和劑的互混。根據本發明之一個態樣，為了達成有效霧化，燃料與緩和劑之混合物自混合室離開的速度為30 m/s至100 m/s。
根據本發明之研發，限制條件為將燃料通過可整合於共同外殼中之若干燃燒器供至燃燒室中。根據本發明，存在將不同燃料供至各燃燒器中，從而有選擇地影響燃燒室中之反應條件的可能性。
本發明亦關於一種用於製造合成氣體之燃燒器，其適用於進行本發明之方法。此燃燒器包括用於供應氧化劑之中央供應通道；環繞該中央供應通道之混合室，燃料及緩和劑之供應導管通至該混合室；及用於將燃料與緩和劑之混合物自混合室供至燃燒器之出口孔的出口管。根據本發明，出口管同心地配置在氧化劑之中央供應通道周圍。
為了加速緩和劑，緩和劑之供應導管較佳經由狹窄環形間隙通至混合室中。
根據本發明之燃燒器的研發，燃料之供應導管以相對於燃燒器軸成10°至80°、較佳為40°至60°之角度β接觸到相對於氧化劑之中央供應通道同軸引導的緩和劑噴射流。在混合室中，液體燃料進而與緩和劑充分混合，其中使其分成細/小微滴。
出口管較佳向出口孔逐漸變細。霧化燃料從而向中心氧化劑噴射流偏轉且另外在離開進入燃燒空間之前不久再次被加速。由於出口孔之錐度，因此必定實現外部燃料管壁之濕潤，以使其被燃料充分冷卻。
根據本發明之研發，外部燃料管壁相對於燃燒器軸之角度γ及內部燃料管壁相對於平行於燃燒器軸之線的角度δ經選擇而使得角度γ大於角度δ。兩個角度較佳均處於0°至20°且尤其在0°與10°之間的範圍內。
根據本發明之一個較佳態樣，使氧化劑之中央供應通道在出口孔區域中以相對於燃燒器軸成0°至45°、較佳為0°至10°之角度α擴大，以便擴大向燃燒空間中之注射。
根據本發明，燃燒器環繞有冷卻水套。當提供若干個燃燒器時，其亦可被夾套(jacketed)在一起。
亦可根據以下對具體實例及圖式之描述獲悉本發明之其他研發、優勢及可能的應用。所有所述及/或所說明之特徵均本身或以任何組合形成本發明之標的，而與其包括於申請專利範圍或其後方參考(back-reference)中無關。
僅有的圖以示意性截面圖示法展示本發明之燃燒器的一部分。
圖式中部分所示之燃燒器1包括中央供應通道(管)2，經由其將氧化劑(較佳為工業純(technically pure)、經壓縮及預熱之氧氣)傳遞至燃燒器底板4中之出口孔3。在其通入用於製造合成氣體之反應器的未示出之燃燒室的孔之前端區域中，中央供應通道2以相對於燃燒器軸A成0°至45°、較佳為0°至10°之角度α稍微擴大。因此，在通入燃燒室之孔處達成中央供應通道2之最大內徑。視應用而定，由各氧化劑之中央供應通道2提供之出口表面(exit surface)經計算，以便實現40 m/s至140 m/s、較佳為60 m/s至100 m/s之氧化劑出口速度。
與通過供應通道2之中央氧化劑供應同軸地將緩和劑經由供應導管5引導至二組件霧化噴嘴6。緩和劑係由蒸汽、二氧化碳或其混合物組成。在有必要且可利用時，亦可將可燃氣體添加至緩和劑中。在霧化噴嘴6中，緩和劑因環形間隙7而加速，以使其達到30 m/s至200 m/s、較佳為80 m/s至140 m/s之速度。此等值係以純蒸汽作為緩和劑而計算得出。當使用二氧化碳、蒸汽與二氧化碳之混合物時，或當混合可燃氣體時，對應於具有欲達成之指定速度範圍之純蒸汽的脈衝流來計算欲達成之速度及因此產生的環形間隙7之間隙尺寸。
在下游方向，在環形間隙7中加速之緩和劑進入環繞中央供應通道2之混合室8中，在此處其遇到側向供應之燃料噴射流。將液體或氣體含碳介質(例如燃料油或天然氣)用作燃料。在本發明之意義上，術語液體(liquid)亦涵蓋固體懸浮於液體中之懸浮液(漿料)。
在燃燒器1之上部，最初將燃料噴射流與緩和劑同軸引導通過供應導管9，隨後使其以相對於燃燒器軸A成10°至80°、較佳為40°至60°之角度β通過霧化噴嘴6內之孔或圓錐形供應通道10進入混合室8中。根據本發明，從而朝向混合室8達成10 m/s至50 m/s、較佳為10 m/s至30 m/s之出口速度。
混合室8用於實現液體燃料與緩和劑之間的充分混合，從而使燃料分成微滴。經由出口管11，混合室8通向燃燒器1之出口孔3，其中出口管11較佳向出口孔3逐漸變細。此錐度(taper)係藉由選擇兩個角度γ及δ來實現，其中角度γ等於或大於角度δ。γ表示外部燃料管壁相對於燃燒器軸之角度且處於0°至20°、較佳為0°至10°之範圍內。內部燃料管壁與平行於燃燒器軸之線之間的角度δ同樣處於0°至20°、較佳為0°至10°之範圍內。混合室8與出口管11直至出口孔3之軸向長度總共為10 mm至300 mm，較佳為20 mm至200 mm。由於出口管11之錐度，因此霧化燃料向中心氧化劑噴射流偏轉且另外在離開進入燃燒室之前不久再次被加速。由於出口管11之錐度，因此必定濕潤外部燃料管壁，以使其可被燃料充分冷卻。緩和劑-燃料混合物之出口速度為30 m/s至100 m/s且因此與氧化劑噴射流之出口速度處於類似數量級。燃燒器1通常環繞有冷卻水套，然而為了簡化，圖中未示出。
在燃燒器底板4處及在其直接周圍環境中，由本發明配置及程序形成之反應介質的速度特徵具有來自燃燒器外部區域之燃燒室之熱裂氣體的再循環僅遇到霧化燃料的優勢。因此，僅吸熱或主要為熱中性反應為可能的，其防止直接釋放熱於燃燒器底板4之直接周圍環境中。另外，在出口孔3之外部區域形成結焦層(coking layer)，其代表對所引入之熱輻射的另一種熱隔離。
為了改變燃燒器1之出口孔11處的速度特徵或擴大燃燒器1之負荷範圍，可將一定量緩和劑混合至已在燃燒器1外部之氧化劑中。
本發明之燃燒器1係針對燃燒室中平均10巴至120巴之氣化壓力、燃燒室中平均1000℃至1600℃之溫度來設計。
本發明之燃燒器1可單獨或以若干個燃燒器1之配置的形式容納於共同外殼中，其中使燃料通過該或該等燃燒器1進入燃燒室中。作為替代方案，可將複數個本發明之個別燃燒器1安裝於燃燒室中，其中因而適當地使燃料、緩和劑及氧化劑分佈於個別燃燒器1上。
作為替代性具體實例，本發明之方法亦可用氣體或超臨界含碳燃料(例如甲烷)操作。在本發明之燃燒器中，因而可省略二組件霧化噴嘴6，因為不再必需霧化燃料。對於此情況，因為可將緩和劑及燃料已在混合狀態下引入燃燒器中，所以燃燒器可設計得較簡單。在此替代性具體實例中，氧化劑及還原劑朝向燃燒空間之出口速度以及角度γ及δ保持不變。
由於本發明，因此有可能藉由部分氧化將液體燃料，尤其來自精煉廠之重油及重黏性殘餘物處理成合成氣體。最初使燃料分成微滴且與緩和劑充分混合，隨後使此混合物與含氧氧化劑接觸。藉由此介質引導，確保朝向燃燒室之燃燒器組件被該介質充分冷卻。此冷卻尤其亦在不能利用冷卻介質之操作條件下發生。
實施例
本發明之燃燒器1係針對多達500 kg/h液體原料之標稱產量設計且在試驗工廠用本發明之方法加以測試。
實施例1：
使用操作溫度為20℃且運動黏度(在操作條件下)為約6 mm2 /s之EL燃料油(特輕燃料油)作為液體燃料。氧化劑為溫度為250℃之工業純氧氣。使用溫度為310℃之蒸汽作為緩和劑。在燃燒室中，存在61巴之壓力。在燃燒室出口處測定裂化氣溫度為1410℃。反應介質之速度經測定如下：氧化劑之出口速度為90 m/s，二組件霧化噴嘴9中之緩和劑蒸汽的速度為120 m/s，二組件霧化噴嘴9中之燃料EL燃料油的速度為20 m/s。
發現此實施例中達成之裂化氣組成為3.9% CO2 、47.7% CO及48.9% H2 (莫耳百分比，無水)。
實施例2：
使用操作溫度為90℃且運動黏度(在操作條件下)為約120 mm2 /s之中間燃料油IFO 380 SA(一般為重油與柴油之混合物)作為液體燃料。氧化劑為溫度為245℃之工業純氧氣。使用溫度為290℃之蒸汽作為緩和劑。在燃燒室中，存在51巴之壓力。在燃燒室出口處測定裂化氣溫度為1410℃。反應介質之速度經測定如下：氧化劑之出口速度為80 m/s，二組件霧化噴嘴9中之緩和劑蒸汽的速度為90 m/s，二組件霧化噴嘴9中之燃料中間燃料油的速度為14 m/s。
發現此實施例中達成之裂化氣組成為3.5% CO2 、50.3% CO及45.8% H2 (莫耳百分比，無水)。
1‧‧‧燃燒器
2‧‧‧中央供應通道
3‧‧‧出口孔
4‧‧‧燃燒器底板
5‧‧‧緩和劑供應導管
6‧‧‧二組件霧化噴嘴
7‧‧‧環形間隙
8‧‧‧混合室
9‧‧‧燃料供應導管
10‧‧‧孔/圓錐形管
11‧‧‧出口管
A‧‧‧燃燒器軸
α ‧‧‧出口孔擴大與燃燒器軸之間的角度
β ‧‧‧燃料噴射流與燃燒器軸之間的角度
γ ‧‧‧外部出口管壁與燃燒器軸之間的角度
δ ‧‧‧內部出口管壁與平行於燃燒器軸之線之間的角度
圖1以示意性截面圖示法展示本發明之燃燒器的一部分。
1．．．燃燒器
2．．．中央供應通道
3．．．出口孔
4．．．燃燒器底板
5．．．緩和劑供應導管
6．．．二組件霧化噴嘴
7．．．環形間隙
8．．．混合室
9．．．燃料供應導管
10．．．孔/圓錐形管
11．．．出口管
A．．．燃燒器軸
α．．．出口孔擴大與燃燒器軸之間的角度
β．．．燃料噴射流與燃燒器軸之間的角度
γ．．．外部出口管壁與燃燒器軸之間的角度
δ．．．內部出口管壁與平行於燃燒器軸之線之間的角度

Claims (13)

  1. 一種藉由在含氧氧化劑存在下將液體或氣體含碳燃料部分氧化來製造合成氣體之方法，其中將該燃料、該氧化劑及緩和劑分別供至燃燒器中，且其中在該燃燒器之混合室中混合該燃料與該緩和劑，隨後使其與該氧化劑接觸，其特徵在於將該氧化劑通過該燃燒器之出口孔在中心處引入燃燒室中，且將燃料與緩和劑之該混合物通過該出口孔引入該燃燒室中同心地在該氧化劑周圍，外部燃料管壁相對於燃燒器軸之角度γ及內部燃料管壁相對於平行於燃燒器軸之線的角度δ經選擇而使得角度γ大於角度δ。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於 該緩和劑係以30m/s至200m/s、較佳為80m/s至140m/s之速度注入該混合室中。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於 將可能添加有可燃氣體之蒸汽、二氧化碳或其混合物用作緩和劑。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於 該燃料係以相對於燃燒器軸成10°至80°、較佳為40°至60°之角度(β )引向緩和劑噴射流。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於 燃料與緩和劑之該混合物自該混合室離開之速度為30m/s至100m/s。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於 該燃料係通過複數個燃燒器供至該燃燒室中。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其特徵在於 將不同燃料供至各燃燒器中。
  8. 一種燃燒器(1)，其係用於藉由在含氧氧化劑存在下將液體或氣體含碳燃料部分氧化，尤其藉由如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法來製造合成氣體，該燃燒器包含用於供應該氧化劑之中央供應通道(2)；環繞該中央供應通道(2)之混合室(8)，該燃料及緩和劑之供應導管(9、5)通至該混合室；及用於將燃料與緩和劑之該混合物自該混合室(8)供至該燃燒器(1)之出口孔(3)的出口管(11)，其中該出口管(11)同心地配置在該氧化劑之該中央供應通道(2)周圍，且外部燃料管壁相對於燃燒器軸之角度γ及內部燃料管壁相對於平行於燃燒器軸之線的角度δ經選擇而使得角度γ大於角度δ。
  9. 如申請專利範圍第8項之燃燒器，其特徵在於 該緩和劑之該供應導管(5)經由狹窄環形間隙(7)通至該混合室(8)中。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項之燃燒器，其特徵在於 該燃料之該供應導管(9)以相對於該燃燒器軸(A)成10°至80°、較佳為40°至60°之角度(β )接觸到相對於該氧化劑之該中央供應通道(2)同軸引導的緩和劑噴射流。
  11. 如申請專利範圍第8項之燃燒器，其特徵在於 該出口管(11)較佳以相對於該燃燒器軸(A)成0°至20°之角度向該出口孔(3)逐漸變細。
  12. 如申請專利範圍第8項之燃燒器，其特徵在於 該氧化劑之該中央供應通道(2)在該出口孔(3)區域中以相對於該燃燒器軸(A)成0°至45°、較佳為0°至10°之角度(α)擴大。
  13. 如申請專利範圍第8項之燃燒器，其特徵在於 該燃燒器(1)環繞有冷卻水套。
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