燃燒器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于催化反應(yīng)器的燃燒器，特別是用于二段轉(zhuǎn)化爐的燃燒器。
【背景技術(shù)】
[0002]用于反應(yīng)物的燃燒的燃燒器主要用于需要具有高燃燒強(qiáng)度的穩(wěn)定火焰的氣體燃料工業(yè)爐和過(guò)程加熱器的焚燒。此燃燒器包括由氧化劑供應(yīng)端口包繞的具有用于燃料供應(yīng)的中心管的燃燒器管。燃燒區(qū)中的燃料和氧化劑的加強(qiáng)的混合通過(guò)使氧化劑穿過(guò)安裝在燃燒器處面對(duì)中心管的旋流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，給予氧化劑流旋流動(dòng)，這提供了燃燒產(chǎn)物的高度的內(nèi)部和外部的再循環(huán)和高燃燒強(qiáng)度。
[0003]更具體而言，用于二段轉(zhuǎn)化爐中的燃燒器包括氨設(shè)備中的燃燒器，其中來(lái)自管狀轉(zhuǎn)化器的甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)經(jīng)由將氧化劑(即，空氣)引入用于反應(yīng)器的過(guò)程流來(lái)在二段轉(zhuǎn)化爐中繼續(xù)，因此增加了氮用于下游氨環(huán)，且通過(guò)氧含量的燃燒升高了發(fā)生在二段轉(zhuǎn)化爐催化劑床中的轉(zhuǎn)化過(guò)程的溫度。對(duì)于此應(yīng)用，常規(guī)的燃燒器為噴嘴環(huán)燃燒器。噴嘴環(huán)類型的燃燒器配備有安裝在各個(gè)空氣分送孔上的特別設(shè)計(jì)的噴嘴，且試圖實(shí)現(xiàn)燃燒器噴嘴處的混合、燃燒器的低金屬溫度、催化劑床入口處的相等氣體溫度分布，以及保護(hù)耐火襯層免于熱的焰心。過(guò)程氣體僅一部分在二段轉(zhuǎn)化爐中燃燒，而其余部分進(jìn)一步流至催化劑床和蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
[0004]二段轉(zhuǎn)化爐中的催化劑床以穿孔的耐火磚覆蓋，以便保持催化劑就位。二段轉(zhuǎn)化爐中很高的溫度引起耐火磚通過(guò)蒸發(fā)緩慢失去材料，且該材料隨后通過(guò)在下方的催化劑床中冷凝來(lái)沉積，其中溫度由于這里發(fā)生的耗熱蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)而下降。不需要的結(jié)果在于催化劑床壓降增大，這最終可導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)以除去沉積的材料。
[0005]燃燒器的設(shè)計(jì)對(duì)于通過(guò)上述機(jī)構(gòu)最小化催化劑床壓降增大的問(wèn)題很重要。過(guò)程氣體接觸氧化劑氣體的溫度可局部地升高到2500°C以上，且很重要的是在過(guò)程氣體與氧化劑氣體之間的初始接觸的點(diǎn)/或多個(gè)點(diǎn)下游具有良好混合。理想的是，所有過(guò)程氣體和燃燒過(guò)程氣體混合成一種混合物，其在全部氣流到達(dá)耐火磚層之前具有(最低可能)一致的溫度。該情形將給予從耐火磚到催化劑床的最低可能的材料輸送。相比之下，當(dāng)未完全混合的氣流到達(dá)磚時(shí)，將存在處于比一致溫度低的溫度下的區(qū)域和比一致溫度高的溫度的區(qū)域。相比于一致溫度的情形，具有非均勻溫度的情形引起從磚的更高的材料損失，因?yàn)檩斔蜋C(jī)構(gòu)通過(guò)升高溫度急劇地加速，且來(lái)自熱區(qū)域的增大的材料損失因此遠(yuǎn)超過(guò)來(lái)自冷區(qū)域的減小材料損失。
[0006]氧化劑氣體側(cè)和過(guò)程氣體側(cè)兩者上的燃燒器上的壓降的減小通常是有益的。當(dāng)壓降減小時(shí)，其意味著如果壓縮階段是設(shè)備的瓶頸，則可增大最高流速。一些氨設(shè)備以最大量運(yùn)轉(zhuǎn)其氧化劑氣體壓縮機(jī)，且減小的氧化劑氣體側(cè)壓降意味著更多氧化劑氣體可供應(yīng)至過(guò)程氣流。過(guò)程氣流可類似地增大以保持氮與氫之間的比率恒定，且效果在于增大氨產(chǎn)量。如果流增大無(wú)價(jià)值，則減小壓降在大多數(shù)情況下將意味著涉及到所需壓縮能量減少的成本降低。
[0007]美國(guó)專利第5496170號(hào)中公開(kāi)了一種用于小規(guī)模和中等規(guī)模應(yīng)用的旋流燃燒器，其具有朝燃燒器面基本上減少的燃燒產(chǎn)物內(nèi)部再循環(huán)。該專利中公開(kāi)的燃燒器設(shè)計(jì)通過(guò)向燃燒器提供具有沿燃燒區(qū)的軸線集中的總體流動(dòng)方向的氧化劑旋流且同時(shí)朝同一軸線引導(dǎo)過(guò)程氣流而導(dǎo)致了具有高燃燒強(qiáng)度且沒(méi)有熱燃燒產(chǎn)物的不利的內(nèi)部再循環(huán)的穩(wěn)定火焰。公開(kāi)的旋流燃燒器包括燃燒管和與燃燒管同心且間隔開(kāi)的中心氧化劑供應(yīng)管，從而限定了管之間的環(huán)形過(guò)程氣體通道，氧化劑供應(yīng)管和過(guò)程氣體通道具有單獨(dú)的入口端和單獨(dú)的出口端。U形氧化劑和燃料氣體噴射器布置成在燃燒器面處同軸。燃燒器還配備有帶在氧化劑噴射器內(nèi)延伸的靜止旋流器葉片的阻流體。旋流器葉片安裝在其上游端與其下游端之間的阻流體上，且延伸至氧化劑噴射室的表面。
[0008]US2002086257公開(kāi)了一種具有燃燒器管的旋流燃燒器，其包括中心氧化劑供應(yīng)管和外同心燃料供應(yīng)管，氧化劑供應(yīng)管設(shè)有同心圓柱形引導(dǎo)本體，其具有靜止旋流器葉片和中心同心圓柱形開(kāi)孔，從引導(dǎo)本體的外表面延伸至氧化劑供應(yīng)管的內(nèi)表面的旋流器葉片在氧化劑供應(yīng)管的下部處同心地布置在引導(dǎo)本體與內(nèi)壁之間的空間內(nèi)。
[0009]EP0685685描述了一種氣體噴射器噴嘴，其包括排放室，排放室具有圓柱形內(nèi)壁，且具有在其出口端處的圓形氣體排放孔口、同心地包繞內(nèi)壁的外壁，外壁沿著室出口端處的區(qū)域處的連續(xù)彎曲的通路，且在排放孔口處與內(nèi)壁連結(jié)尖銳邊緣，其中彎曲通路具有特定的曲率半徑。
[0010]盡管上述努力克服了涉及燃燒器的所述問(wèn)題，但已認(rèn)為已知技術(shù)設(shè)計(jì)的燃燒器在操作狀態(tài)特別有挑戰(zhàn)的情況下將受到挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明的主要目的在于獲得燃燒器設(shè)計(jì)，其克服上述問(wèn)題。
[0012]因此，本發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求的實(shí)施例的燃燒器，其包括以下優(yōu)點(diǎn)。
[0013]氧化劑氣體的低壓降，這通過(guò)氧化劑氣體側(cè)上的低流速；通過(guò)氧化劑氣體不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向；用于穿過(guò)相同長(zhǎng)度的直管的所有氧化劑氣體支流的類似流動(dòng)通路。
[0014]低過(guò)程氣體壓降，同時(shí)有效產(chǎn)生塞流，在一個(gè)實(shí)施例中通過(guò)相比于一個(gè)穿孔板具有減小的壁泄漏的兩個(gè)穿孔板。
[0015]以上兩者，同時(shí)實(shí)現(xiàn)具有穿過(guò)反應(yīng)器的耐火磚層的相當(dāng)一致的溫度的總體目標(biāo)。
[0016]過(guò)程氣體和氧化劑氣體的成功混合通過(guò)兩條路線中的一者實(shí)現(xiàn)。一個(gè)途徑在于花費(fèi)大量能量來(lái)產(chǎn)生顯著的湍流，由此氧化劑氣流在短流動(dòng)通路的過(guò)程中(在過(guò)程氣體穿過(guò)耐火磚之前在有限空間中)有效地混合到過(guò)程氣流中。該途徑的實(shí)例在使用靜止混合器、旋流器、噴射器或簡(jiǎn)單為顯著增大流速的區(qū)域的設(shè)計(jì)中看到。
[0017]另一途徑在于將較小的氧化劑氣流細(xì)分成許多子流，且將這些以良好分配的方式供應(yīng)到過(guò)程氣流截面的各處。氧化劑氣體的各個(gè)小支流混合到周圍的過(guò)程氣流中。氧化劑氣體和過(guò)程氣體的量以相同方式在整個(gè)截面各處平衡，這導(dǎo)致了到處都相同的溫度。實(shí)現(xiàn)此細(xì)分氧化劑氣流完全混合到周圍的過(guò)程氣體中的所需流動(dòng)通路長(zhǎng)度在支流數(shù)目增大時(shí)變得較小。這是需要接觸且燃燒/混合的氧化劑氣體與過(guò)程氣體之間的減小距離(垂直于流動(dòng)方向)的自然結(jié)果。
[0018]本發(fā)明落入了所述上文中的第二類，因?yàn)槲覀冊(cè)噲D在耐火磚的水平處具有一致的溫度，同時(shí)在壓降方面付出最小的代價(jià)。
[0019]本發(fā)明包括連接至進(jìn)入的氧化劑氣體管的一定數(shù)目的直的氧化劑氣體管。這些氧化劑氣體管的流出物分配在截面上，以匹配過(guò)程氣體塞流?；ㄙM(fèi)了很小的氧化劑氣體壓降，因?yàn)楣苁侵钡模移叫杏谶M(jìn)入的管，且因?yàn)楣苤械难趸瘎怏w速度保持相當(dāng)?shù)汀８鱾€(gè)氧化劑氣體管配備有形成為具有在其開(kāi)口處的橢圓或平截面的特殊噴嘴。這很重要以便減小下游混合長(zhǎng)度，因?yàn)槠缴淞鞅葓A形射流更有效地混合到過(guò)程氣流中。噴嘴的定向(它們非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)選擇成以便與位置組合的氧化劑氣體的形狀如之前所述那樣匹配截面上的各處的過(guò)程氣流的量。
[0020]對(duì)于設(shè)計(jì)氧化劑氣體噴嘴的布局的先決條件是知道截面上的過(guò)程氣流，因?yàn)檫@需要用以局部地平衡氧化劑氣體和過(guò)程氣體的量。理想的是在過(guò)程氣體側(cè)上產(chǎn)生塞流狀態(tài)，以便流速在截面各處恒定。盡管這使得更容易布局氧化劑氣體噴嘴(基本上氧化劑氣體管應(yīng)當(dāng)然后僅為幾何上均勻分布的)，但截面上的最大流速變?yōu)樽畹涂赡?。該情形遠(yuǎn)離(最大裕度)氧化劑氣體管噴嘴附近具有再循環(huán)的區(qū)域(回流)的關(guān)鍵情形。接近氧化劑氣體噴射且開(kāi)始燃燒處的噴嘴的再循環(huán)或回流可導(dǎo)致金屬噴嘴附近的很高溫度，引起它們?nèi)刍蚍駝t碎裂。
[0021 ] 大多數(shù)二段轉(zhuǎn)化爐的過(guò)程氣體入口來(lái)自一側(cè)，且在二段轉(zhuǎn)化爐的頸部中產(chǎn)生向下游流動(dòng)的塞流需要的特殊器件。本發(fā)明使用兩個(gè)穿孔板來(lái)替代具有一個(gè)穿孔板的普通解決方案。這用于產(chǎn)生過(guò)程氣體的更好流動(dòng)分布，同時(shí)相比于使用一個(gè)穿孔板的普通解決方案花費(fèi)更少的壓降。此外，燃燒器安裝在耐火襯里容器中，所以穿孔板與耐火壁之間的很小空隙不實(shí)際，因?yàn)槟突鸩糠稚系某?