用于生产合成气的燃烧器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于生产合成气的工艺燃烧器，特别地用于涉及烃源的过化学计量(over-stoich1metric)燃烧的工艺过程，例如自热重整或部分氧化。
【背景技术】
[0002]多种化学商品，例如甲醇、氨、合成汽油、合成烯烃、塑料等的生产需要将烃源转化为合成气。例如，所述烃源是天然气、石脑油、重油、残留物、煤等中的任何物质。所述合成气基本上是一氧化碳和氢气的混合物。
[0003]所述转化通常通过蒸汽重整或烃源的过化学计量燃烧(OSC)进行。OSC借助于超过化学计量的量的燃料被执行，也就是说借助于不足量的氧化剂被执行，所述氧化剂可以是空气或富氧空气或纯氧。在历史上，蒸汽重整已经被优选用于处理轻产品，例如天然气或石脑油，然而OSC已经被优选用于处理较重的产品，例如重油、残留物、煤等。
[0004]然而，大容量的设备(例如，大型制氨设备和制甲醇设备)的当前趋势导致OSC的更普遍的应用，包括轻质烃源如天然气的处理。其原因是，由于限制了相关设备的尺寸和工作压力，蒸汽重整对于大型装置变得不切实际。
[0005]因此，对于烃源的过化学计量燃烧的兴趣与日俱增。两种常见的用于OSC的技术是自热重整(ATR)和部分氧化(POX)。ATR通常用于天然气和石脑油，而POX通常用于天然气、石脑油、重油、残留物和煤。
[0006]ATR和POX都涉及烃源与氧化剂(氧气、空气或富氧空气)与加压蒸汽(2巴至150巴范围)在带有耐火材料衬套的压力容器中的过化学计量燃烧。所述蒸汽可与烃源或氧化剂中的任一个混合。ATR特点是存在催化床，并且反应器出口的工作温度通常在9500C _1050°C的范围内，催化剂进口的工作温度通常在1200°C左右。部分氧化在更高的温度(在反应器出口为1300°C -1700°C )下进行，并且不存在催化剂。
[0007]用于烃源的OSC的燃烧器基本上包括主体和用于在燃烧器外部且在所述压力容器内部形成扩散火焰的喷嘴。例如，自热重整器的工艺燃烧器被安装在重整器的顶部，并且在重整器的燃烧室内形成扩散火焰，所述重整器位于催化床上方。
[0008]所述喷嘴被设计成适当地传输氧化剂和烃源，以便在压力容器内形成扩散火焰。应当指出的是，所述扩散火焰和燃烧反应在燃烧器本身以外、在燃烧室内发生。在这个方面，用于OSC的工艺燃烧器不同于常规的用于产热的燃烧器，其中，所述燃烧室是燃烧器的组成部分，所述火焰在燃烧器本身的内部产生，只有热的燃烧气体离开燃烧器。
[0009]燃烧器的喷嘴暴露于大约1000°C或更高的温度。为了应对这样的高温，当前用于OSC的燃烧器是由高温金属合金(例如N1-Cr-Fe合金，如因科镍铬不锈钢(incoloy)、因科镲合金(inconel)或哈司特镲合金(hastelloy))制成的，并且通常具有容许冷却介质在喷嘴内部循环的双壁结构。通常，冷却介质是加压水。
[0010]然而，水冷的燃烧器具有许多缺点。
[0011]第一个缺点是水冷给燃烧器设计增加了相当大量的复杂度，包括:滑动密封、焊接和复杂的几何形状的机械加工，这是因为必须在喷嘴尖端区域建立用于冷却水循环的封闭路径。
[0012]另一个缺点是所述喷嘴必须被设计成具有相当大的壁厚，典型地在1mm至20mm的范围内，以便承受内部和外部之间的压力差。然而，这样的壁厚倾向于增加热应力。
[0013]更具体地，水冷式喷嘴基本上是中空的主体，所述中空主体外侧暴露于热的合成气的压力，内侧暴露于冷却水的压力。热的合成气的压力在正常运行期间通常是约30巴或者更高。在某些实施方式中，冷却水的压力接近于合成气的压力，或者甚至高于合成气的压力，例如，水压是15巴至30巴或者更高。根据其他实施方式，冷却水的压力显著地低于热的合成气的压力，例如，水压为几巴。然而，无论水压如何选择，都会发生所述喷嘴承受内部和外部之间的相关压力差。
[0014]采用高压水冷系统，在正常运行期间合成气的压力可以通过水的压力来平衡；然而，当合成气一侧的压力是低的且所述喷嘴不得不承受冷却水的压力时，所述燃烧器在启动和关闭阶段期间会被压迫。另一方面，采用低压水冷系统的喷嘴在正常运行期间会被合成气一侧的压力压迫。在这两种情况下，所述喷嘴必须被设计具有厚的壁以便抵挡内部和外部之间相关压力(例如15巴或30巴)差。
[0015]然而，从热应力的角度，采用这种厚壁是不利的。一般来说，这是因为通过所述喷嘴的冷却壁的温度梯度是直接与壁的厚度成正比的，但是，较高的温度梯度意味着较高的热应力。在POX燃烧器或ATR燃烧器的极端运行条件下，热应力引起热的一侧的材料的局部增塑作用。一旦热应力(温度梯度)消除，增塑的区域不能恢复它的原始的形状，这导致热棘轮效应和疲劳裂纹的形成。
[0016]热应力在正常的运转期间存在，当设备被关闭时热应力消失，因此，典型的ATR/POX设备的开启和关闭的正常次序使得热应力交替循环，这导致形成新的裂纹或导致在每一次热循环(低循环疲劳)中存在的裂纹蔓延。
[0017]由于即使在最好的冷却式燃烧器中，热应力也是非常高的，故所述喷嘴的故障能够在相当短的时间内(几个循环)发生。
[0018]为了降低热应力和达到可接受的工作寿命，几毫米的厚度将是可取的，尤其是在用于POX应用的燃烧器中。然而，由热应力所决定的对于小厚度的需求，与由压力所决定的高的厚度针锋相对。总而言之:水冷系统的主要缺陷与运行压力相关。运行压力越高，暴露于热气体/火焰的金属的表面的厚度越高，由于热应力造成的裂纹的形成或蔓延，燃烧器的寿命越短。
[0019]现有技术的水冷燃烧器寻求的折衷并不完全令人满意。尽管使用昂贵的高科技材料(例如因科镍铬不锈钢、因科镍合金等)，用于过化学计量燃烧的燃烧器，特别是用于ATR和POX应用的燃烧器，仍然频繁出现故障。
[0020]另一方面，迄今为止水冷被认为是不可缺少的。带有金属尖端的非冷却式燃烧器将会迅速发生局部熔化或蠕变或，至少由于低循环疲劳发生故障。
[0021]目前高温合金具有低的热导率，并且在大于650°C-700°C的温度下会遭受屈服强度急剧减小。热导率控制温度梯度(应力)的强度，热导率越低，热应力越高。所述屈服强度是材料的弹性行为和塑性行为之间的阈值。高于屈服强度的应力导致永久变形，这意味着当负荷去除后，不能恢复原始状态。
[0022]基于所有的上述的原因，对于过化学计量燃烧由工艺燃烧器和它的喷嘴的设计所造成的问题仍然有待解决。
[0023]US-A-6126438公开了一种燃烧器装置，所述燃烧器装置包括耐火的燃烧器砌块和用于预先加热的放置于耐火砌块的腔室中的氧化剂或燃料的管道。所述管道是金属管、带有陶瓷端部的金属管、陶瓷管或它们的组合。燃料和氧化剂从位于燃烧器砌块的热面的出口孔发出，所述出口孔也是所述腔室的终点。因此，喷嘴尖端实际上由耐火燃烧器砌块所表现，其意味着耐火材料直接暴露于火焰和由靠近出口段的耐火砌块的空腔输送燃料/氧化剂流。
[0024]JP 2008 232 543公开了带有陶瓷配件的金属的喷嘴构件。
[0025]DE 10 2010 033935公开了具有指向燃烧室的部件的燃烧器，该燃烧室设置有涂层和扩散层以保护免受热负荷和腐蚀。
【发明内容】
[0026]本发明的目的是提供适应于克服上述问题的新型的工艺燃烧器。
[0027]这个目的通过根据权利要求1的、适合于烃源的过化学计量燃烧的工艺燃烧器实现。
[0028]所述燃烧器包括主体和被连接至所述主体的、用于在所述工艺燃烧器的外部形成扩散火焰而设置的喷嘴。
[0029]该工艺燃烧器具有进料侧和对置的端侧，所述进料侧具有用于反应物流的至少一个入口，所述对置的端侧具有出口段，所述出口段限定进料区域和燃烧区域之间的边界。所述燃烧器被配置成使得燃烧发生在所述出口段的下游。
[0030]所述喷嘴包括在所述喷嘴的所述出口段终止的至少一个管状主体，以限定用于所述反应物流的至少一个通道，并且所述至少一个管状主体是由工业陶瓷(technicalceramic)材料一体制成的。因此，至少一个反应物流被所述陶瓷主体输送直至出口段。
[0031]在优选的实施方式中，所述喷嘴包括多个管状主体以限定用于各自反应物流(例如燃料和氧化剂)的同轴通道。
[0032]根据本发明，喷嘴的结构是由完全陶瓷的管状主体(或同轴主体