專(zhuān)利名稱(chēng)：爐內(nèi)的火焰矯正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的方法和爐子，尤其涉及一種在具有多排反應(yīng)腔(例如工藝管)和多排低氮氧化物燃燒器的頂燒式以及底燒式爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的方法和爐子。
背景技術(shù)：
大的頂燒式和底燒式多排爐(例如重整爐和乙烯裂化爐)具有復(fù)雜的爐內(nèi)氣體流型。不合要求的氣體流型會(huì)使火焰偏斜并造成工藝管的局部過(guò)熱，因此影響了這種爐子的性能。
圖1所示一種傳統(tǒng)的具有頂燒式結(jié)構(gòu)的蒸汽甲烷重整爐101。原料氣(蒸汽+天然氣)從填滿重整催化劑的工藝管180的頂部供應(yīng)。原料氣在填充有催化劑的工藝管180中重整以形成合成氣(主要是H2、CO、CH4、H2O和CO2)，該合成氣從工藝管180的底部附近排出。燃燒器111產(chǎn)生火焰130以提供吸熱的重整反應(yīng)所必需的熱量。接著，排出的合成氣在例如變壓吸附器(PSA)中進(jìn)一步精煉或提純以生成氫產(chǎn)品。剩余的氣體會(huì)作為燃料被送回到燃燒器111。
圖1中，舉例說(shuō)明的多個(gè)燃燒器111具有典型的爐內(nèi)氣體流型(在最左側(cè))。火焰噴射帶走爐內(nèi)氣體，因此在火焰130區(qū)域內(nèi)形成回流循環(huán)。在火焰下面，爐內(nèi)氣體類(lèi)似于塞狀流向下流動(dòng)，并最后經(jīng)耐火的燃料隧道122的側(cè)入口流出。
在使用傳統(tǒng)的舌焰的眾多頂燒式多排爐中，爐子的幾何形狀，如圖1所示，使火焰周?chē)谐渥愕牧魍娣e，并會(huì)在爐子的較上部分內(nèi)形成回流區(qū)，這有助于使火焰130平直。
在縱橫比大于0.8的爐內(nèi)實(shí)施新的低氮氧化物燃燒器技術(shù)的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)用低氮氧化物燃燒器替換傳統(tǒng)的燃燒器有時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏斜的火焰，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)腔，也就是工藝管不均勻加熱的問(wèn)題。如圖2所描繪的，新的低氮氧化物燃燒器產(chǎn)生更寬的火焰31，該火焰朝著某些反應(yīng)腔80偏斜或傾斜。彎曲并沖擊反應(yīng)腔的火焰使得反應(yīng)腔壁局部加熱，并使工藝氣體的溫度在排和排之間變化(即，某些排的反應(yīng)腔“熱”，而另一些排的反應(yīng)腔“較冷”)。這導(dǎo)致某些反應(yīng)腔壁過(guò)熱、壁溫度不均勻、工藝氣體溫度從一個(gè)工藝集管到另一個(gè)存在很大偏差、輻射效率不佳以及會(huì)減少爐子及其部件的壽命。
發(fā)明人嘗試一些普通的方法來(lái)減少大型箱式爐內(nèi)的火焰偏斜，也就是矯正火焰。這些方法包括調(diào)整發(fā)生火焰沖擊的幾個(gè)燃燒器的燃料通過(guò)減少所選中的燃燒器的燃燒速度來(lái)減少火焰強(qiáng)度。因此可以避免過(guò)熱或者熱點(diǎn)區(qū)。但是，在許多情況下，問(wèn)題只不過(guò)從一個(gè)爐子轉(zhuǎn)移，并出現(xiàn)在另一個(gè)爐子中。
改變?nèi)剂蠂娮煳挥跓狳c(diǎn)區(qū)(或燃燒器排)的幾個(gè)燃燒器噴嘴由小孔徑(低燃燒速度)的噴嘴代替。
改變火焰的化學(xué)計(jì)量熱點(diǎn)區(qū)燃燒器的燃料量減少，但是燃燒空氣的流量保持不變。這造成爐子所選中區(qū)域內(nèi)發(fā)生貧燃料燃燒。貧燃料燃燒有助于減少火焰最高溫度和過(guò)熱。
使側(cè)排燃燒器處于低燃燒速度這用于各種大型爐子，該爐子的側(cè)排燃燒器的燃燒速度是中間排燃燒器的燃燒速度的60％-70％。側(cè)排燃燒器就是鄰近爐子側(cè)壁設(shè)置的燃燒器。減少側(cè)排燃燒器的燃燒速度意在阻止這些燃燒器的火焰彎向爐子的中央。
這些方法被證明不能解決問(wèn)題。此外，其中的一些方法不是長(zhǎng)久的解決方法，而更適合暫時(shí)的解決，這種解決常常降低爐子的性能。在爐內(nèi)氣體模式不穩(wěn)定的爐子內(nèi)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何穩(wěn)定火焰或者矯正火焰的努力會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)區(qū)域內(nèi)的不良影響。換句話說(shuō)，問(wèn)題只不過(guò)從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域。這些方法不能消除與火焰互相作用的爐內(nèi)氣體有關(guān)的問(wèn)題。
希望有一種方法和爐子能夠在具有多排燃燒器和多排反應(yīng)腔的爐內(nèi)使用低氮氧化物燃燒器產(chǎn)生矯正的火焰。
希望有一種方法和爐子能夠在具有多排燃燒器和多排反應(yīng)腔的爐內(nèi)使用低氮氧化物燃燒器產(chǎn)生矯正的頂燒式或者底燒式的火焰。
希望有一種方法和爐子能夠在多排反應(yīng)腔之間提供均勻的工藝氣體溫度而不會(huì)使反應(yīng)腔過(guò)熱。
希望有一種方法和爐子能夠在使用低氮氧化物燃燒器的爐內(nèi)減少火焰的偏斜，以及因而發(fā)生的火焰沖擊反應(yīng)腔。
希望有一種方法和爐子能夠在使用低氮氧化物燃燒器的爐內(nèi)產(chǎn)生矯正的火焰的同時(shí)充分地利用爐子的燃燒空間以提高爐子效率。
希望有一種方法和爐子能夠在縱橫比大于0.8并使用低氮氧化物燃燒器的爐內(nèi)產(chǎn)生矯正的火焰。
希望有一種方法和爐子能夠在具有多排燃燒器和多排反應(yīng)腔的爐內(nèi)使用低氮氧化物燃燒器產(chǎn)生矯正的火焰，其中任何一個(gè)火焰的偏斜被引向相鄰的火焰而不是引向反應(yīng)腔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正的火焰的方法和爐子。該方法包括將一種氧化劑引入多個(gè)氧化劑管道，其中，多個(gè)氧化劑管道的每一個(gè)都具有一個(gè)與爐子的第一內(nèi)部末端最接近的與爐子內(nèi)部流體連接的出口。爐子的第一內(nèi)部末端具有水平投影面積。在從爐子的第一內(nèi)部末端到爐子的第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處，氧化劑管道出口限定了一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積。爐子的第二內(nèi)部末端與第一內(nèi)部末端相對(duì)。
該方法還包括將燃料引入多個(gè)燃料管道內(nèi)，其中，多個(gè)燃料管道的每一個(gè)都具有一個(gè)與爐子的第一內(nèi)部末端最接近的與爐子內(nèi)部流體連接的出口。該多個(gè)燃料管道相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)。
該方法還包括在爐子內(nèi)部將燃料和氧化劑混合，并因而使燃料和氧化劑反應(yīng)以形成多個(gè)火焰部。
該方法還包括將多個(gè)火焰部的熱傳遞給多個(gè)反應(yīng)腔，其中，該多個(gè)反應(yīng)腔從爐子的第一內(nèi)部末端橫穿至爐子的第二內(nèi)部末端。該多個(gè)反應(yīng)腔具有與多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)并與多個(gè)燃料管道間隔開(kāi)的末端部。
該方法還包括將在從爐子的第一內(nèi)部末端到爐子的第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處的合并的水平投影的紊流自由射流面積減少到占第一內(nèi)部末端的水平投影面積的10％-105％，或者90％-105％，或者90％-104％。
本發(fā)明還涉及一種在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的爐子。該爐子包括一個(gè)具有水平投影面積的第一內(nèi)部末端和一個(gè)與第一內(nèi)部末端相對(duì)的第二內(nèi)部末端。
該爐子還包括多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的氧化劑管道，其中，多個(gè)氧化劑管道的每一個(gè)都具有一個(gè)與爐子內(nèi)部流體連接的出口。在從第一內(nèi)部末端到第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處，該多個(gè)氧化劑管道出口限定了一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積。在第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處的該合并的水平投影的紊流自由射流面積為第一內(nèi)部末端的水平投影面積的10％-105％，或者90％-105％，或者90％-104％。
該爐子還包括多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的燃料管道。該多個(gè)燃料管道的每一個(gè)都具有與爐子內(nèi)部流體連接的出口。該多個(gè)燃料管道相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)。
該爐子還包括多個(gè)拉長(zhǎng)的反應(yīng)腔，該反應(yīng)腔從第一內(nèi)部末端橫穿至第二內(nèi)部末端。該拉長(zhǎng)的多個(gè)反應(yīng)腔具有與多個(gè)氧化劑管道以及多個(gè)燃料管道間隔開(kāi)的末端部。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，爐子可以任選地包括一個(gè)裝置，其用來(lái)減少在從第一內(nèi)部末端到第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處的合并的水平投影的紊流自由射流面積。


圖1是舉例說(shuō)明一爐子橫截面圖的示意圖，該爐子具有向下點(diǎn)火的舌焰。
圖2是舉例說(shuō)明一爐子橫截面圖的示意圖，該爐子具有向下點(diǎn)火的偏斜的寬火焰。
圖3是舉例說(shuō)明一爐子橫截面圖的示意圖，該爐子具有向下點(diǎn)火的矯正過(guò)的寬火焰。
圖4是舉例說(shuō)明一爐子平面圖的示意圖。
圖5是舉例說(shuō)明一爐子平面圖的示意圖，繪有氧化劑管道的水平投影的紊流自由射流面積。
圖6是舉例說(shuō)明一爐子平面圖的示意圖，繪有未使用的氧化劑管道。
圖7是舉例說(shuō)明一爐子平面圖的示意圖，繪有用于減少氧化劑管道出口橫截面積的裝置。
圖8是舉例說(shuō)明燃料管道朝向相鄰的氧化劑管道中心線轉(zhuǎn)角度的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的方法。參照?qǐng)D3，其舉例說(shuō)明了爐子1的橫截面圖，本發(fā)明的方法包括將氧化劑引入到多個(gè)氧化劑管道11中。該氧化劑包括氧，并可以另外包括燃料和/或燃燒產(chǎn)物。氧化劑可以是空氣。氧化劑可包括至少10％體積的氧。氧化劑可由燃料和空氣在預(yù)燃器內(nèi)預(yù)燃形成，并經(jīng)由氧化劑管道引入。氧化劑可處于環(huán)境溫度，或者可被加熱至環(huán)境溫度以上。
氧化劑管道11具有與爐子1的內(nèi)部流體連接的出口12，其中該出口12與爐子1的內(nèi)部末端50最接近。氧化劑出口12可與內(nèi)部末端50齊平。如圖3所示，爐子1也具有與內(nèi)部末端50相對(duì)的內(nèi)部末端60。內(nèi)部末端以爐壁的內(nèi)表面為特征。氧化劑管道11可以具有相似或者不同的幾何形狀。氧化劑出口12可具有相似或者不同的橫截面積。
如圖3所舉例說(shuō)明的例子，用于頂燒式爐子的內(nèi)部末端50是爐頂或者爐子的上端，而內(nèi)部末端60是爐底或者爐子的下端。雖然展示的是一個(gè)平表面，但是內(nèi)部末端50可以是傾斜的或者是拱形的。
在圖3所舉例說(shuō)明的實(shí)施方式中，氧化劑基本上垂直向下的引入爐內(nèi)。為了公開(kāi)的目的，基本上垂直向下是指在垂直方向的10度以內(nèi)。
如圖4所舉例說(shuō)明的爐子1的平面圖，內(nèi)部末端50具有表現(xiàn)為矩形陰影面積的水平投影面積71。水平投影面積就是以垂直于水平面的方向投影在水平面上的面積。在內(nèi)部末端50不是平表面的情形下，例如是傾斜表面或者拱形表面，該表面也可以投影在水平面上以形成水平投影面積。典型地，一種工業(yè)規(guī)模的重整爐可具有46.5m2(500ft2)至464.5m2(5000ft2)的水平投影面積。
如圖5所描繪的，每一個(gè)氧化劑出口12在從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處限定了一個(gè)水平投影的紊流自由射流面積85。加在一起，這些水平投影的紊流自由射流面積85表示一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積。該水平投影的自由射流面積和水平面上的射流的橫截面積有關(guān)。
紊流的自由射流面積由下列公式計(jì)算得出
Ajet=π4Djet2,]]>其中Djet=Do+2Ltanθ2]]>Do是氧化劑出口12的直徑，典型地為0.203m(8in)至0.508(20in)。在出口直徑Do不是圓形的情形下，使用水力直徑。投影面積在長(zhǎng)度L處計(jì)算。為了本發(fā)明公開(kāi)的目的，L被設(shè)定為內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60的總距離的30％，在圖3中，總距離實(shí)際上就是露出的反應(yīng)腔80的長(zhǎng)度或者所謂的被加熱長(zhǎng)度。從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60的總距離不包括例如隧道122和/或爐瓦延伸物(未示出)的突出。典型地，反應(yīng)腔長(zhǎng)度可為6.1m(20ft)至15.24m(50ft)。在內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的距離變化的情形下，使用平均距離。θ是按半速邊界被定義為總封閉角度的紊流自由射流展角，其中射流軸向速度減少為射流軸局部最大值的一半。該角度選20°[Perry的化學(xué)工程手冊(cè)，第6版，5-22頁(yè)]至24°[F.W.White，粘性液體流，McGraw Hill，紐約，1974，第509頁(yè)]的值。為了本公開(kāi)內(nèi)容，θ為22°。如上定義的，紊流自由射流面積基于氧化劑管道和爐子的物理幾何形狀。
合并的水平投影的紊流自由射流面積是各個(gè)計(jì)算得出的紊流自由射流面積的簡(jiǎn)單總和。不用考慮各個(gè)自由射流面積的重疊。通過(guò)這種計(jì)算方法，合并的水平投影的紊流自由射流面積可大于爐子的橫截面積。
再次參照?qǐng)D3，本發(fā)明的方法包括將燃料引入多個(gè)燃料管道21內(nèi)。燃料可以是現(xiàn)有技術(shù)中任何已知的用于蒸汽甲烷重整爐和/或乙烯裂化爐的燃料。燃料可以包括甲烷、天然氣、精煉的可燃?xì)怏w、PSA廢氣、重整爐尾氣以及其他輕質(zhì)烴中的至少一種。如圖3所示，至少一些燃料與氧化劑被分開(kāi)地引入爐子。有時(shí)候，這被稱(chēng)為燃料分段運(yùn)輸，其可以有效地減少爐子釋放的氮氧化物，如US6773256和US6866503所描述的，這兩個(gè)美國(guó)專(zhuān)利都轉(zhuǎn)讓給Air Products and Chemicals公司。
多個(gè)燃料管道21可與單個(gè)氧化劑管道11相連。燃料管道21具有與爐子1內(nèi)部流體連接的出口22，其中，出口22最接近于爐子1的內(nèi)部末端50。燃料管道出口22可與內(nèi)部末端50齊平，或者燃料管道21可以延伸進(jìn)入爐子，這樣出口22就位于氧化劑出口12的下游。燃料管道21可具有相似或者不同的幾何形狀。燃料出口22可具有相似或者不同的橫截面積。燃料出口22可具有如US6866503所描述的特有橫截面。
來(lái)自于多個(gè)燃料管道21的燃料和來(lái)自于多個(gè)氧化劑管道11的氧化劑在爐子的內(nèi)部混合，并因此反應(yīng)形成多個(gè)火焰部30。雖然一些燃料和氧化劑可預(yù)先混合并經(jīng)氧化劑管道11引入，但至少一些燃料和氧化劑在爐子內(nèi)部混合，因此使用了所謂的燃料分段運(yùn)輸。
來(lái)自于多個(gè)火焰部30的熱量被傳遞至多個(gè)拉長(zhǎng)的反應(yīng)腔80。在蒸汽甲烷重整爐的情形下，反應(yīng)腔80至少部分地填充重整催化劑。在乙烯裂化爐的情形下，反應(yīng)腔80可以或者可以不至少部分地填充乙烯裂化催化劑。適當(dāng)?shù)闹卣呋瘎┗蛘咭蚁┝鸦呋瘎┦乾F(xiàn)有技術(shù)中慣用和已知的。反應(yīng)腔80從內(nèi)部末端50橫穿爐子至內(nèi)部末端60。反應(yīng)腔80具有一個(gè)與多個(gè)氧化劑管道11和燃料管道21間隔開(kāi)的末端部81。工藝氣體可以在反應(yīng)腔80中流動(dòng)，其與爐內(nèi)燃燒氣體的主體流同向流動(dòng)或者反向流動(dòng)。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，尤其是對(duì)于縱橫比大于0.8的爐子，如果沒(méi)有提供足夠的空間用于循環(huán)爐內(nèi)氣體，則爐子1內(nèi)的火焰可能會(huì)偏斜和/或不穩(wěn)定。不穩(wěn)定、偏斜的火焰會(huì)相對(duì)于其他反應(yīng)腔80不均衡地加熱某些反應(yīng)腔80。
通常，內(nèi)部末端50的寬度和長(zhǎng)度分別與爐子的寬度和長(zhǎng)度相同。為了公開(kāi)，爐子的縱橫比被限定為內(nèi)部末端50的縱橫比。內(nèi)部末端50的縱橫比(爐子的縱橫比)是爐子寬度的尺寸和排長(zhǎng)度尺寸(爐子的內(nèi)部尺寸)的比值。排的長(zhǎng)度與第一排的方向有關(guān)，而寬度與第二排的方向有關(guān)。
如圖6所示，氧化劑管道11可排列成第一和第二排。反應(yīng)腔80也可以排列成第一和第二排。反應(yīng)腔80的第一排相應(yīng)于最接近的排。如圖6所示，線E-E穿過(guò)反應(yīng)腔80的第一排。氧化劑管道11的第一排在結(jié)構(gòu)公差范圍內(nèi)與反應(yīng)腔80的第一排平行排列。例如，線D-D經(jīng)過(guò)氧化劑管道11的第一排。第二排在結(jié)構(gòu)公差的范圍內(nèi)垂直于反應(yīng)腔80的第一排排列。例如，線A-A穿過(guò)氧化劑管道的第二排。
關(guān)于傳統(tǒng)燃燒器和低氮氧化物燃燒器的安裝方案的觀察總結(jié)于表1中。該表體現(xiàn)了四種不同的爐子。情形1和情形2是相同的爐子。歸一化的反應(yīng)腔長(zhǎng)度就是用情形1的爐子的反應(yīng)腔長(zhǎng)度歸一化的反應(yīng)腔的長(zhǎng)度。情形1、2和5涉及具有大于0.8的大爐子縱橫比的爐子，而情形3和4涉及具有小于0.8的小爐子縱橫比的爐子。情形1至4涉及使用燃料分段運(yùn)輸?shù)臓t子，而情形5涉及的爐子沒(méi)有使用燃料分段運(yùn)輸。表1中的“30％處的面積比”是由從爐子第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處得到的合并的水平投影紊流自由射流面積除以內(nèi)部末端50的水平投影面積得到的計(jì)算值。
情形3和4的結(jié)果顯示，30％處的面積比對(duì)于縱橫比小于0.8的爐子來(lái)說(shuō)可能不這么重要，這是因?yàn)槊娣e比為127％和130％的情形下，沒(méi)有觀察到火焰沖擊反應(yīng)腔。
情形5的結(jié)果顯示，30％處的面積比對(duì)于爐子的縱橫比大于0.8，且沒(méi)有使用燃料分段運(yùn)輸燃燒器的爐子來(lái)說(shuō)可能不這么重要，這是因?yàn)槊娣e比為128％的情形下，沒(méi)有觀察到火焰沖擊反應(yīng)腔。
但是，情形1和2舉例說(shuō)明了一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。情形1和2涉及爐子的縱橫比大于0.8，且使用燃料分段運(yùn)輸?shù)娜紵鞯臓t子。在情形1中，其30％處的面積比是108％，可以觀察到火焰沖擊反應(yīng)腔，但是對(duì)于30％處的面積比為104％的情形2，卻沒(méi)有觀察到火焰沖擊反應(yīng)腔。
情形2不同于情形1是因?yàn)橛形鍌€(gè)未使用的氧化劑管道(下邊會(huì)進(jìn)一步描述)減少了30％處的面積比。與未使用的氧化劑管道關(guān)聯(lián)的燃料管道也未被使用。
這些結(jié)果顯示，對(duì)于縱橫比大于0.8并使用燃料分段運(yùn)輸?shù)娜紵鞯臓t子來(lái)說(shuō)，當(dāng)30％處的面積比大約為104％或者更小時(shí)，火焰沖擊反應(yīng)腔80可以避免。
表1

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積減少到占內(nèi)部末端50的水平投影面積的10％-105％。從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積可以減少到占內(nèi)部末端50的水平投影面積的90％-105％、或者90％-104％。
通過(guò)減少內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的水平投影紊流自由射流面積，提供了用于循環(huán)爐內(nèi)氣體的充分空間，因此矯正了火焰并更均勻地加熱反應(yīng)腔80。
內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離30％處的水平投影紊流自由射流面積可通過(guò)多種方法減少。它可以通過(guò)向多個(gè)氧化劑管道11中的至少一個(gè)停止引入氧化劑而得到減少。當(dāng)氧化劑的引入基本上或者完全停止時(shí)，就形成了未使用的氧化劑管道。當(dāng)空氣的所得射流缺少穿透從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60的平均距離的10％所必須的動(dòng)力時(shí)，氧化劑的引入基本上停止。對(duì)于沒(méi)使用的氧化劑管道來(lái)說(shuō)，對(duì)合并的水平投影的紊流自由射流面積的貢獻(xiàn)是零。將燃料引入到與沒(méi)使用的氧化劑管道關(guān)聯(lián)和/或相鄰的燃料管道21的動(dòng)作也可以停止。
將氧化劑引入到多個(gè)氧化劑管道可以停止以減少?gòu)膬?nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒(méi)使用的氧化劑管道位于共同的第二排時(shí)，可以獲得更有利的結(jié)果。圖6展示了一個(gè)實(shí)例，其具有三個(gè)未使用的氧化劑管道14以及相應(yīng)的未使用的燃料管道24。所顯示的未使用的氧化劑管道位于共同的第二排。
情形1和2證明了未使用的氧化劑管道的正面影響。在情形2中，在爐子中央未使用位于第二排的五個(gè)氧化劑管道。對(duì)于每一個(gè)反應(yīng)腔，使用一個(gè)光學(xué)高溫計(jì)來(lái)測(cè)量接近于爐底的管壁溫度。情形1和2的反應(yīng)腔壁溫的總標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是51和34。
減少內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積的另一個(gè)方法是減少多個(gè)氧化劑管道出口中的至少一個(gè)的橫截面積。從水平投影的紊流自由射流面積的計(jì)算中可以很容易地看出，氧化劑管道出口的橫截面積的減少影響了從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積。氧化劑出口的橫截面積可以通過(guò)例如加入耐熱套或者陶瓷套來(lái)減少。該套可以是類(lèi)似于管狀的部件或者是被設(shè)計(jì)能安裝在氧化劑管道內(nèi)的襯套。圖7舉例說(shuō)明了三個(gè)配有套15的氧化劑管道。
另一個(gè)用來(lái)減少內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積的方法是用具有較小直徑的氧化劑管道出口的爐瓦來(lái)代替其中至少一個(gè)爐瓦。
發(fā)明人還發(fā)明，燃料引入的角度會(huì)影響火焰的矯正。在圖8所舉例說(shuō)明的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，該方法還包括將燃料以朝向相連的氧化劑管道11中心線成角度地從至少一個(gè)燃料管道21引入到爐子內(nèi)。該角度可以是與垂直方向成1-90度、或者與垂直方向成15-60度、或者與垂直方向成25-60度、或者與垂直方向成25-45度。
在使用相對(duì)于相連的氧化劑管道中心線成角度的十個(gè)燃料槍中的四個(gè)的情況下進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬。該模擬顯示，通過(guò)有角度地引入燃料，也使得從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積相對(duì)于內(nèi)部末端50的水平投影面積來(lái)說(shuō)可以更大。燃料朝著相鄰的、相連的空氣射流成一定角度調(diào)節(jié)減少了氧化劑管道的有效直徑，這使得紊流自由射流的水平投影面積相對(duì)于內(nèi)部末端50的水平投影面積而言更大。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種能在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的爐子。該爐子可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的已知方式構(gòu)造。參照?qǐng)D3，其舉例說(shuō)明了爐子1的橫截面圖，本發(fā)明的爐子包括多個(gè)氧化劑管道11。該多個(gè)氧化劑管道11可排列成第一排和第二排。氧化劑管道11具有與爐子1的內(nèi)部流體連接的出口12，其中該出口12最接近于爐子1的內(nèi)部末端50。如圖3所示，爐子1也具有與內(nèi)部末端50相對(duì)的內(nèi)部末端60。爐子1可至少具有一個(gè)將內(nèi)部末端50連接至內(nèi)部末端60、并因此形成爐子內(nèi)部的內(nèi)表面。氧化劑管道11可具有相似的幾何形狀或者不同的幾何形狀。氧化劑出口12可具有相似的橫截面積或者不同的橫截面積。
如圖4的爐子1的平面圖中所舉例說(shuō)明的，內(nèi)部末端50具有一個(gè)水平投影面積71，其由矩形陰影面積表示。水平投影面積就是以垂直于水平面的方向投影到水平面上的面積。在內(nèi)部末端50不是平表面的情形下，例如是傾斜表面或者拱形表面，該表面也可以投影到水平面以得到一個(gè)水平投影面積。內(nèi)部末端50可具有大于0.8的縱橫比。
如圖5所描繪的，在從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處，每一個(gè)氧化劑出口12限定了一個(gè)水平投影的紊流自由射流面積85。加在一起，這些水平投影的紊流自由射流面積85代表了一個(gè)合并的水平投影紊流自由射流面積。
再次參照?qǐng)D3，本發(fā)明的爐子包括多個(gè)燃料管道21。如圖3所示，燃料管道21相對(duì)于氧化劑管道11間隔開(kāi)。間隔開(kāi)的燃料管道有時(shí)稱(chēng)作燃料分段運(yùn)輸槍?zhuān)⑶以摲侄芜\(yùn)輸燃料的技術(shù)可有效地減少上述爐子排出的氮氧化物。
多根燃料管道21可與單個(gè)氧化劑管道11相連。燃料管道21的數(shù)量可至少比氧化劑管道11的數(shù)量多四倍?；蛘呷鐖D4所示，燃料管道21的數(shù)量可至少比氧化劑管道11的數(shù)量多十倍。燃料管道21具有與爐子1的內(nèi)部流體連接的出口22，其中該出口22最接近于爐子1的內(nèi)部末端50。燃料管道出口22可以與內(nèi)部末端50齊平，或者燃料管道21延伸進(jìn)入爐子以使得出口22位于氧化劑出口12的下游。燃料管道21可具有相似的幾何形狀或者不同的幾何形狀。燃料出口22可具有相似的橫截面積或者不同的橫截面積。燃料出口22可具有如US6866503所描述的特有橫截面。
在如圖8所舉例說(shuō)明的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，燃料管道21可朝向相連的氧化劑管道11中心線成角度。該角度可以是與垂直方向成1-90度、或者與垂直方向成15-60度、或者與垂直方向成25-60度、或者與垂直方向成25-45度。
氧化劑管道11和燃料管道21可在爐瓦或者燒嘴磚內(nèi)形成，其可以是耐火材料。
爐子還包括多個(gè)反應(yīng)腔80。在蒸汽甲烷重整爐的情形中，反應(yīng)腔80至少部分地填充重整催化劑。在乙烯裂化爐的情形中，反應(yīng)腔80可以或者可以不至少部分地填充乙烯裂化催化劑。適當(dāng)?shù)闹卣蛘咭蚁┝鸦呋瘎┦乾F(xiàn)有技術(shù)中慣用并已知的。反應(yīng)腔80從內(nèi)部末端50橫穿爐子至內(nèi)部末端60。反應(yīng)腔80具有與多個(gè)氧化劑管道11以及燃料管道21間隔開(kāi)的末端部81。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了這樣的爐子1，其中從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積是內(nèi)部末端50的水平投影面積的10％-105％。從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積可以是內(nèi)部末端50的水平投影面積的90％-105％、或者90％-104％。
爐子可以設(shè)計(jì)并構(gòu)造成其從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積是內(nèi)部末端50的水平投影面積的10％-105％、或者90％-105％、或者90％-104％。另一選擇是，爐子可以修改為其從內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積是內(nèi)部末端50的水平投影面積的10％-105％、或者90％-105％、或者90％-104％。
修改的爐子可具有用來(lái)減少?gòu)膬?nèi)部末端50至內(nèi)部末端60間的平均距離的30％處的合并水平投影紊流自由射流面積的裝置。該用來(lái)減少合并水平投影紊流自由射流面積的裝置可包括至少一個(gè)未使用的氧化劑管道。該用來(lái)減少合并水平投影紊流自由射流面積的裝置可包括至少兩個(gè)未使用的氧化劑管道。在這種情形下，該至少兩個(gè)未使用的氧化劑管道可位于共同的第二排內(nèi)。
該用來(lái)減少合并的水平投影紊流自由射流面積的裝置可包括一個(gè)用來(lái)減少多個(gè)氧化劑管道中的至少一個(gè)的出口橫截面積的裝置。該氧化劑出口的橫截面積可例如通過(guò)增加一個(gè)耐火套或者陶瓷套得到減少。該套可以是類(lèi)似于管狀的部件或者是被設(shè)計(jì)能安裝在氧化劑管道內(nèi)的襯套。圖7舉例說(shuō)明了三個(gè)配有套15的氧化劑管道。
用來(lái)減少內(nèi)部末端50至內(nèi)部末端60之間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積的另一裝置是用具有較小直徑的氧化劑管道出口的爐瓦來(lái)代替其中至少一個(gè)爐瓦。
雖然本文參照某些特定實(shí)施方式進(jìn)行描述和舉例說(shuō)明，但是本發(fā)明不受這些具體描述的限制。相反地，在權(quán)利要求等同物的范圍內(nèi)，以及不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的條件下可具體地進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求
1.一種在爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的方法，包括將氧化劑引入到多個(gè)氧化劑管道內(nèi)，多個(gè)氧化劑管道中的每一個(gè)都具有一個(gè)與爐子的第一內(nèi)部末端最接近的與爐子內(nèi)部流體連接的出口，爐子的第一內(nèi)部末端具有一水平投影的面積，多個(gè)氧化劑管道出口在從爐子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端之間的平均距離的30％處限定了一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積，爐子的第二內(nèi)部末端與爐子的第一內(nèi)部末端相對(duì)；將燃料引入多個(gè)燃料管道內(nèi)，多個(gè)燃料管道中的每一個(gè)都具有一個(gè)與爐子的第一內(nèi)部末端最接近的與爐子內(nèi)部流體連接的出口，多個(gè)燃料管道相對(duì)于該多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)；將燃料和氧化劑在爐子內(nèi)部混合；燃料和氧化劑反應(yīng)而形成多個(gè)火焰部；將多個(gè)火焰部的熱量傳遞至多個(gè)反應(yīng)腔，所述的多個(gè)反應(yīng)腔從爐子的第一內(nèi)部末端橫穿至爐子的第二內(nèi)部末端，所述的多個(gè)反應(yīng)腔具有一末端部，該末端部相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)，并且相對(duì)于多個(gè)燃料管道間隔開(kāi)；以及減少?gòu)臓t子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積至占第一內(nèi)部末端的水平投影面積的10％-105％。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從爐子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端間的平均距離30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積被減少到占第一內(nèi)部末端的水平投影面積的90％-105％。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，減少?gòu)臓t子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積的步驟包括停止向多個(gè)氧化劑管道中的至少一個(gè)引入氧化劑。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括停止向多個(gè)燃料管道引入燃料，該燃料管道與所述停止引入氧化劑的多個(gè)氧化劑管道中的至少一個(gè)相鄰。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，減少?gòu)臓t子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積的步驟包括停止向多個(gè)氧化劑管道中的至少兩個(gè)引入氧化劑。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該多個(gè)氧化劑管道中的至少兩個(gè)位于共同的第二排。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，減少?gòu)臓t子的第一內(nèi)部末端至爐子的第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并的水平投影紊流自由射流面積的步驟包括減少多個(gè)氧化劑管道出口中的至少一個(gè)的橫截面積。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括基本上垂直向下地將氧化劑從多個(gè)氧化劑管道中的至少一個(gè)引入到爐內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以朝著相鄰的氧化劑管道中心線成角度地將燃料從多個(gè)燃料管道中的至少一個(gè)引入到爐內(nèi)，其中該角度為與垂直方向成25-60度。
10.一種爐子，包括具有水平投影面積的第一內(nèi)部末端；與第一內(nèi)部末端相對(duì)的第二內(nèi)部末端；多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的氧化劑管道，多個(gè)氧化劑管道中的每一個(gè)具有一個(gè)與爐子內(nèi)部流體連接的出口，所述的多個(gè)氧化劑管道出口在從第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處限定了一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積；多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的燃料管道，多個(gè)燃料管道中的每一個(gè)具有一個(gè)與爐子內(nèi)部流體連接的出口，所述的多個(gè)燃料管道相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)；以及多個(gè)拉長(zhǎng)的反應(yīng)腔，其從第一內(nèi)部末端橫穿至第二內(nèi)部末端，該反應(yīng)腔具有一個(gè)相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道以及多個(gè)燃料管道間隔開(kāi)的末端部；其特征在于，從第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并水平投影的紊流自由射流面積為第一內(nèi)部末端的水平投影面積的10％-105％。
11.如權(quán)利要求10所述的爐子，其特征在于，從第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并水平投影的紊流自由射流面積為第一內(nèi)部末端的水平投影面積的90％-105％。
12.如權(quán)利要求10所述的爐子，其特征在于，第一內(nèi)部末端具有大于0.8的縱橫比。
13.如權(quán)利要求10所述的爐子，其特征在于，燃料管道的數(shù)量比氧化劑管道的數(shù)量多至少4倍。
14.如權(quán)利要求10所述的爐子，還包括用來(lái)減少?gòu)牡谝粌?nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并水平投影的紊流自由射流面積的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的爐子，其特征在于，用來(lái)減少?gòu)牡谝粌?nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并水平投影的紊流自由射流面積的裝置包括用來(lái)減少多個(gè)氧化劑管道中的至少一個(gè)的出口橫截面積的裝置。
16.如權(quán)利要求10所述的爐子，還包括至少一個(gè)未被使用的氧化劑管道。
17.如權(quán)利要求10所述的爐子，還包括至少兩個(gè)未被使用的氧化劑管道。
18.如權(quán)利要求17所述的爐子，其特征在于，所述至少兩個(gè)未被使用的氧化劑管道位于共同的第二排。
19.如權(quán)利要求10所述的爐子，其特征在于，多個(gè)燃料管道中的至少一個(gè)朝著相鄰的氧化劑管道中心線成一角度，其中該角度為與垂直方向成25-60度。
20.一種爐子，包括具有水平投影面積以及縱橫比大于0.8的第一內(nèi)部末端；與第一內(nèi)部末端相對(duì)的第二內(nèi)部末端；多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的氧化劑管道，多個(gè)氧化劑管道中的每一個(gè)具有一個(gè)與爐子內(nèi)部流體連接的出口，所述的多個(gè)氧化劑管道出口在從第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處限定了一個(gè)合并的水平投影的紊流自由射流面積；多個(gè)與第一內(nèi)部末端最接近的燃料管道，多個(gè)燃料管道中的每一個(gè)具有一個(gè)與爐子內(nèi)部流體連接的出口，所述的多個(gè)燃料管道相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道間隔開(kāi)；以及多個(gè)拉長(zhǎng)的反應(yīng)腔，其從第一內(nèi)部末端橫穿至第二內(nèi)部末端，該反應(yīng)腔具有一個(gè)相對(duì)于多個(gè)氧化劑管道以及多個(gè)燃料管道間隔開(kāi)的末端部；其特征在于，從第一內(nèi)部末端至第二內(nèi)部末端間的平均距離的30％處的合并水平投影的紊流自由射流面積為第一內(nèi)部末端的水平投影面積的90％-104％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在使用燃料分段運(yùn)輸?shù)娜紵鞯恼羝淄橹卣麪t或者乙烯裂化爐內(nèi)產(chǎn)生矯正火焰的方法和爐子。燃料的分段運(yùn)輸可用來(lái)減少氮氧化物的釋放。本發(fā)明提供了產(chǎn)生矯正火焰的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)和氧化劑管道的幾何形狀以及爐子的幾何形狀有關(guān)。本發(fā)明也提供了修改爐子和/或燃燒器以獲得這些標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。
文檔編號(hào)C01B3/38GK1958439SQ200610143290
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者M·L·喬施, X·J·李, W·R·李克特, A·G·斯拉維杰科夫, S·P·老迪馬蒂諾 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司