无火焰热氧化装置和方法

专利名称：无火焰热氧化装置和方法
无火焰热氧化装置和方法
背景技术：
本发明总地涉及用于氧化工业生产液流中的有机化合物的热氧化器，且更具体地 涉及运行这种使用无火焰热氧化的热氧化器来分解有机化合物的装置和方法。这些热氧化器通常用于在工业生产液流释放到大气之前使其经受高温而氧化工 业生产液流中的一种或多种气体或蒸气。工业生产液流中的气体通常是指废气且通常包括 挥发性有机化合物(VOC)、半挥发性有机化合物(SVOC)和/或有害空气污染物(HAP)。包 含废气的工业生产液流通常是工业、制造业或发电过程的副产品。在常规热氧化器中，通过将工业生产液流与包含氧的气流结合，并然后将结合的 流体流穿过通过燃烧诸如天然气的燃料源而产生的火焰或燃烧气体而将废气氧化形成二 氧化碳和水。这样，热氧化器将污染环境的有机化合物转换成可安全排放到大气的无害化 合物。但使用火焰来使化合物在热氧化器内热分解通常会致使产生诸如NOx和CO的不 合要求的空气污染物。NOx由于局部高温区域而形成，而CO是热氧化器燃烧过程期间可能 发生的烟气的不完全燃烧的产物。在降低化合物的热分解过程中产生的NOx和CO含量的努力中，已知使用热氧化器 的无火焰氧化工艺。美国专利第5，165，884号中揭示了一个这种无火焰氧化工艺的实例。 在该专利中，气体或蒸气与空气和/或氧气的混合物流入固体耐热材料的床基体内，该床 基体已被预热到混合物的自燃温度以上的温度。该混合物在床基质内点燃并反应放热以形 成床基质内的自持续反应波。该过程用于使在将工业生产液流释放到大气之前消灭工业生 产液流中特定气体或蒸气期间NOx、CO以及不完全燃烧的其它产物的产生最少。据说使用 上述方法可得到每百万BTU小于0. 0071b的NOx (作为NO2)的热NOx的排放量和低于IOppm 的CO量。上述美国专利第5，165，884号中的床基质的有利方面在于在燃烧过程中其固定 和稳定反应波。但是，床基体占据过程反应器内部容积的主要部分，由此降低可用于工业生 产液流流动的开放容积。反应器内开放容积的减小会缩短在工业生产液体流的给定通过量 下对于给定的反应器尺寸的可利用驻留时间，因此缩短消灭有害废物的可利用时间。此外， 床基质形成显著压降，这增加了过程的运行成本，原因是工业生产液流在进入过程反应器 之前必须经受增高的压力。该压降往往随时间增加，因为来自工业生产液流的微粒物质积 聚在床基质内或床材料由于热冲击而降解。最终，跨越床基质的压降的增加可能要求更换 床材料。因此需要这样一种热氧化器，其产生少量的NOx和CO而没有上述缺点。

发明内容
本发明提供一种用于在氧化室内热氧化诸如流体流内包含的各成分的方法，氧化 室具有内部衬里，该内部衬里传递足够的热量以使流体流中的各成分热氧化。该方法包括 首先加热氧化室衬里并然后将各成分在该条件下输送到氧化室以开始由从氧化室衬里传
6递的热量造成的各成分的热氧化。首先加热氧化室衬里的步骤包括将衬里加热到预选定温 度，该温度足以辐射或以其它方式传递足够的热量来启动流体流内各成分的热氧化。在将 耐火衬里加热到预选定温度以后，可包括一种或多种燃料的各成分在流体流中被输送到氧 化室。控制流体流中的条件以产生由来自耐火衬里的热传递造成的流体流中各成分的无火 焰热氧化。因此本方法依赖来自耐火衬里的热传递以启动和维持无火焰热氧化且不需要床 基质，无需如常规无火焰氧化过程所需要的预热燃料流和/或燃烧空气流或烟气再循环。在一实施例，流体流中一种或多种燃料成分以可见火焰方式燃烧以使得耐火衬里 首先被加热到预选温度。在启动模式中，流体流中燃料成分的总体浓度可在易燃范围内。或 者，燃料成分的总体浓度在易燃范围外，但通过燃料成分与流体流中存在的燃烧空气的不 完全混合而产生可燃混合物，从而产生扩散或部分预混合的火焰。在过渡到无火焰热氧化 模式期间，诸如通过增进燃料与燃烧空气的混合以将燃料成分的局部浓度移到易燃范围以 外来防止混合物在燃烧器内以可见火焰方式燃烧，从而熄灭流体流中的火焰。也可使用将 燃料成分的局部浓度变化到易燃范围以外的其它方法。挥发性有机化合物、半挥发性有机化合物和/或有害空气污染物可作为流体流 中的附加成份而存在并在无火焰热氧化模式期间被热氧化。这些附加成份通常源自来自 工业、制造业或发电过程的工业生产液流且必须在将工业生产液流释放到大气之前予以去 除。该工业生产液流可供给该过程中所需要的燃烧空气中的某些、全部或一种也没有。如果需要，可向氧化室增加补充热量来抵消通过氧化室外壳的热损失或流体流的 冷却效应。可通过诸如以可见火焰方式在氧化室内燃烧另一流体流中的一种或多种燃料来 连续增加补充热量。替代地，可通过诸如周期性地以初始加热模式运行热氧化器而间歇地 增加补充热量。当本发明的过程在无火焰氧化模式中运行时，已实现小于5ppm干重、小于2ppm干 重且甚至小于Ippm干重的NOx含量，以及小于Ippm干重的CO含量。本文所使用的NOx和 CO含量表达为基于干重的每百万体积的含量。即使在向氧化室增加补充热量时，也已实现 1至12ppm干重之间的NOx含量和低于Ippm干重的CO含量。


附图形成本说明书一部分并要结合附图进行阅读，其中各图中相同的附图标记用 于表示相同的部件图1是根据本发明一个实施例的热氧化器的俯视图，热氧化器的各部分被剖开以 示出构造的各细节；以及图2是热氧化器的燃烧器部分沿垂直剖面截取的放大侧视图，示意地示出某些部 分。
具体实施例方式现首先更详细地转向图1，用于流体流中各成份的无火焰热氧化的热氧化器的一 实施例总地用附图标记10表示。流体流由箭头11表示，且通常是以连续或间歇方式在热 氧化器10内部流动的气体或蒸气流。流体流11中的可氧化成份可以是气体、液体和/或 固体微粒的形式。这些成份的实例包括燃料、废弃产物、有机化合物(包括挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物)和/或有害空气污染物。
热氧化器10包括热氧化室12，该热氧化室12具有外壳14，该外壳14衬有一层或 多层耐火衬里16，该耐火衬里16由诸如各种耐火材料中的任何材料的具有承受工作高温 和热氧化室12内存在的其它条件所必需的化学和物理特性的材料制成。耐火衬里16可以 是浇铸材料、塑料、砖、毛毡、纤维或任何其它适当的形式并通常主要包括由诸如氧化铝、二 氧化硅或氧化镁的高熔点氧化物的组合物制成的陶瓷材料。该耐火衬里16也可由诸如耐 火金属之类的其它材料制成。合适耐火金属的实例包括钼、钨、钽、铼和铌、以及这些金属的 合金。最内部或“热表面”耐火衬里16较佳地垫衬有导热率较低的衬里17以进一步降低 通过外壳14的热损失。有衬里的壳14内的内部区域限定开放内部容积18，在该容积18内发生无火焰热 氧化，如下文更完成描述的那样。开放内部容积18的尺寸做成对于所要进行的特定工艺应 用、对于以所设计的容积流率流过热氧化室12的流体流11，可获得所要求的驻留时间。通 常，该驻留时间选择成对于工业生产液流中的可氧化成份实现完全燃烧和/或所要求的消 灭去除效率。壳14较佳地是圆筒形并水平定向，但其也可替代地具有多边形或其它构造的截 面和/或其也可垂直地或以中间角度定向。壳14具有至少部分开口的上游端20和相对的、 至少部分开口的下游端22。术语“上游”和“下游”用于参照在热氧化器10工作期间流体 流11流动通过氧化室12的设计方向。热氧化器10还包括通过选配过渡段26连接到热氧化室12的上游端20的燃烧器 24。腔12的下游端22通过类似的选配过渡段28连接到排气烟@ 30，在热氧化过程产生的 烟气反应产物通过该排气烟 30释放到大气。或者，氧化室12的下游端可与下游设备31 流体流动连通，该下游设备31受益于低NOxJS CO、高温的流体流。这种下游设备31的实 例包括但不限于过程加热器，锅炉，诸如乙烯裂解单元、氢重整器等的反应器熔炉，空气加 热器，干燥器，燃气轮机以及热交换器。因此该热氧化器10可用于提供NOx和CO含量低的 热烟气流来代替用于为下游设备点火的常规方法的全部或一部分。燃烧器24是强制通风燃烧器，该燃烧器产生强烈的漩涡以确保燃烧空气与烟气 的完全预混合。燃烧器24较佳地由气体供应燃料，该气体通常是天然气或炼油厂燃料气， 但也可使用诸如氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、其它碳氢化合物、一氧化碳及其各种混合物 的其它烟气。诸如氮气、二氧化碳、和/或水蒸汽的各种添加剂和稀释剂也可添加到或存在 于该气体中。某些或全部燃料可以是液体或固体颗粒形式。也可使用诸如诱导通风燃烧器、 自然通风燃烧器、预混合燃烧器和局部预混合燃烧器之类的其它类型的燃烧器。如从图2可以清楚看出的那样，在所示实施例中，燃烧器24包括外部壳体32，该外 部壳体32衬有一层或多层前述类型的耐火衬里34。绝热衬里35可设置在热面耐火衬里 34与外部壳体32的内表面之间。壳体32较佳地是圆筒形的，但可具有多边形或其它构造 的截面。该壳体32具有侧壁36和相应的相对上游端38和下游端40。有衬里的壳体32限 定开放的内部前室42，该内部前室42与设置在燃烧器24下游的氧化室12流体流动连通。 由耐火材料制成的扼流部44可设置在燃烧器壳体32的下游端40处以提供从前室42向下 游氧化室12的直径缩小的通道45。扼流部44可具有如图所示的矩形截面或其可形成有 向内倾斜的入口和出口端以形成更符合空气动力学的结构。在某些应用中，可省略扼流部44。
喷嘴组件46设置在燃烧器壳体32的上游端38处，以将可燃燃料和空气混合物输 送到前室42。在一实施例中，喷嘴组件46包括细长的、中心定位的燃料枪48，通过管道52 从燃料源50对该燃料枪48供以燃料。适当的流量调节器54调节通往燃料枪48的燃料的 体积流率。燃料枪48终止于燃料末端56，该末端具有小孔(未示出)，由箭头57标示的燃 料流通过这些小孔排放到前室42内。燃料枪48可以是沿轴向可动的，从而燃料末端56的 定位可相对于周围的喉结构58而改变，该喉结构具有截面减小区域，如下文更充分描述的 那样。替代地，与燃料枪48或其它燃料枪(未示出)关联的第二燃料末端可从第一燃料末 端56平移，从而燃料可在相对于喉结构58的不同位置进行喷射。燃料枪48由罐体59围绕，其中有多个涡旋叶片60设置在围绕罐体59周围延伸 的环形开口内。各涡旋叶片60安装到间隔开的环63a和63b，环63a和63b与环形开口相 邻固定到罐体59。最靠近燃料末端56设置的环63a的内径大致与罐体59的内径相等，从 而其不会阻碍流体在罐体59内沿朝向燃料末端56的方向的流动。另一环63b的内径小于 罐体59的内径，从而其用于阻碍流体在罐体59内沿远离燃料末端56的方向的流动。箭头 61标示的包含氧气的燃烧空气流或其它氧化剂流过涡旋叶片60进入罐体59并随后进入前 室42内。涡旋叶片60赋予燃烧气体流以强烈的旋转运动，从而辅助燃烧空气与从燃料末 端56排放的燃料流的混合。燃烧空气通过管道62从燃烧空气源64供给到罐体59，并通过 流量调节器65来调节体积流率。也可使用其它机构来赋予燃料流57与燃烧气体流61的 所要求的混合。作为这些机构的仅一个实例，通过赋予燃烧空气以旋转运动的一个或多个 倾斜排放喷嘴将燃烧气体流61输送到罐体59内。应当理解，只要能够以其它方式形成充 分的紊流以使燃料流57与燃烧空气流61紧密混合，就不一定要赋予燃料流57或燃烧空气 流61以漩涡运动。可在环境温度下将燃烧空气流61和/或燃料流57供给到燃烧器24。或者，可通 过热交换器66预热燃烧空气流61和/或燃料流57，该热交换器中通过在热氧化器10内发 生的燃烧过程或从其它适当热源供给热量。燃烧空气流61和燃料流57较佳地以足以迫使 流体流11向前流过氧化室12而没有回流的压力供给到燃烧器24。燃烧空气流61的源64可包括工业生产液流68的一部分或全部，该工业生产液流 包含废弃产物、有机化合物(包括挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物)和/或有害 空气污染物。这些化合物和污染物的实例包括碳氢化合物、含硫化合物、含氯溶剂、商代烃 液体、二氧芑以及多氯联苯。因此工业生产液流68可以是废气或工业、制造业或发电过程 的副产品。根据工业生产液流68的特定性质和含氧量，燃烧空气流源64也可包括大气或 某些附加氧气源。此外，工业生产液流68的一个或多个部分或全部可旁通燃烧空气增压室 59并可在一个或多个下游位置诸如通过喷射端口 70、71和/或72输送到前室42和/或氧 化室12。喷射端口 70、71和72的数量和位置可以变化以适应特定应用。流量调节器73a-c 设置成允许调节工业生产液流68的各部分的流率。适当的过程控制器74用于监测和调节 各种燃料、燃烧空气和工业生产液流57、61和68的体积流率。过程控制器74可通过自动 控制一个或多个流量调节器54、65和73a-c来调节流率。或者，可手动调节一个或多个流 量调节器54、65和73a-c。喉结构58设置在前室42的上游端38，且在一实施例中，包括环形壁76，该环形壁76从两端朝向截面面积减小的喉部78向内聚合或缩小。喉结构58设置在涡旋叶片60下 游，使得通过涡旋叶片60排放的燃烧空气流61在进入前室42之前必须穿过喉结构58。喉 部78的内径可与安装涡旋叶片60的环63b的内径大致相同。在启动模式期间，燃料末端56设置成使燃料流57在喉部78的中心线下游的第一 位置从燃料末端56排放。燃烧空气流61在燃料流57的第一排放位置上游预选定距离的第 二位置从涡旋叶片60排放，从而两个流在喉部78处或其下游首先混合在一起。在预选定的 燃烧空气与燃料比率下，燃料末端56在喉部78下游的定位限制燃料与燃烧空气的完全混 合，并使局部燃料浓度在易燃范围内，使得燃料在前室42内以火焰方式燃烧。根据流动条 件，火焰可从前室42延伸到氧化室12的上游部分内。当热燃烧气体流过氧化室12时，将 氧化室12的耐火衬里16加热到预选定的温度，该温度能够维持流过氧化室12的特定燃料 和空气混合物的无火焰热氧化。当使用天然气作为燃料源时，已证实本方法在约1，900 T 至约2，400 °F的预选定温度范围内成功运行。随着对该设备和方法的进一步优化，相信预 选定温度范围可扩展为从约1，700 °F至约3，000 0F。在耐火衬里16达到预选定温度之后，该过程从启动模式切换到无火焰热氧化模 式，在该模式中，输送到氧化室12的流体流11的各成份被热氧化。可在从启动模式过渡到 无火焰热氧化模式期间使用各种方法来熄灭流体流11内的火焰。在所示实施例中，通过移 动喉部78上游的燃料末端56来实现从启动模式到无火焰热氧化模式的切换。燃料末端56 的该移动使燃料流57在第二位置从燃料末端56排放，这使排出燃料末端56的燃料撞击 在燃烧器喉部78上。因此使燃料流57和漩涡燃烧空气流61在喉部78上游的位置相互接 触，从而在混合物穿过喉部78之前使燃料流57与燃烧空气流61能够更完全地混合。由于 燃料流57和燃烧空气流61的更完全混合，整个混合物的空气对燃料比率低于易燃下限，且 在前室42内消灭可见火焰。作为一替代方法，通过喷射端口 70输送的燃料可用于启动模 式。在该实施例中，燃料末端56固定在喉部78上游的位置，且在达到预选定温度之后燃料 阀(未示出)将燃料从喷射端口 70切换到燃料末端56。在任一情况下，由于从氧化室12 内耐火衬里16传递的热量，燃料和燃烧空气混合物继续在氧化室12内进行无火焰热氧化， 而无需烟气再循环，燃料流、燃烧空气流和/或工业生产液流57、61或68的预热，和/或无 需如现有技术过程中所要求的那样在氧化室12内使用床基体。在可见火焰熄灭后，烟气中 的NOx含量显著下降，包括下降到小于5、小于2和甚至小于Ippm干重，而CO含量并无增 加。当不使用燃料分级时，在高达2，380 工作温度下可持续实现小于2ppm干重的NOx 含量和小于Ippm干重的CO含量。即使在可见火焰中有14. 4%的燃料分级，在1990 °F的 运行温度下也已实现6-12ppm干重的NOx含量和小于Ippm干重的CO含量。燃料和流体流 11中其它成份的热氧化释放热量，该热量又继续加热耐火衬里16。根据具体的过程条件和 成份，所释放的热量持续过程能够在无火焰热氧化模式下运行的时间。在某些条件和成份 下，认为该过程在热氧化模式中自维持无限长的时间。应当理解，也可以以其它方式来实现通过增进燃料流57与燃烧空气流61的混合 来防止局部浓度在易燃范围内而从启动模式切换到无火焰氧化模式。例如，如前所述，除了 使用单个轴向可动燃料枪48，也可使用从第一燃料末端56轴向平移的第二燃料末端，从而 可在相对于喉结构58和燃烧空气流61的排放位置的不同轴向位置喷射燃料流57。在启 动模式期间，通过最靠近喉结构58的燃料末端喷射燃料流57以防止燃料流57与燃烧空气
10流61的彻底混合。然后在无火焰热氧化模式期间，将燃料流57通到另一燃料末端以使燃 料流57和燃烧空气流61更完全混合。此外，或替代地，为了增进燃料流57与燃烧空气流61的混合，在从启动模式过渡 到无火焰热氧化模式期间可通过仅改变燃料流57相对于燃烧空气流61的相对流率来改变 局部的燃烧空气与燃料的比率。在启动模式期间，局部燃烧空气与燃料的比率在易燃范围 内。为了过渡到无火焰热氧化模式，可调节燃烧空气与燃料的比率，使得局部比率足以在可 燃范围之外，以熄灭在启动模式期间所使用的可见火焰。超过湍流焰速度是过渡到无火焰热氧化模式期间熄灭可见火焰的一般方法。在启动模式期间，燃料流57与燃烧空气流61的流率保持在湍流焰速度的上限以下。在无火焰 氧化模式期间，提高燃料流57和燃烧空气流61中的一个或两者的流率，从而混合物以高于 湍流焰速度的流率流动，由此熄灭火焰并由于来自耐火衬里16的热传递而使燃料和燃烧 空气混合物在氧化室12内热氧化。又例如，除了将燃料和燃烧空气混合物的流率增加到湍 流焰速度以上的速率，还可将湍流焰速度降低到燃料和燃烧空气混合物的流率以下。这可 通过各种方式来实现。例如，在以前述方式从启动模式过渡到无火焰热氧化模式期间，可通 过诸如移动燃料喷射的位置来改变燃烧器24的内部流动几何特性。又例如，可将火焰保持 结构(未示出)设置在前室42内以在启动模式期间稳定火焰。然后在过渡到无火焰氧化 模式期间可将火焰保持结构移动或改变以降低湍流焰速度，从而不再稳定火焰。诸如当在耐火衬里16冷却到所要求的温度以下在氧化室12内需要额外热量以维 持流体流11内各成份的无火焰热氧化时，该过程也可以预选定时间间隔在启动模式与无 火焰氧化模式之间循环。该冷却可由通过氧化室12的外壳14的热损失造成或由燃料、燃 烧空气和/或工业生产液流57、61和68的冷却效应造成。根据所使用的具体过程和设备的条件，无火焰热氧化可自维持诸如一个小时或更 长的一段时间(包括无限长)。如上文所指出的，在其它应用中，可能需要对氧化室12增 加补充热量以补偿通过外壳14的热损失和在低于进行无火焰氧化的温度下输送到燃烧器 24或氧化室12的燃料、燃烧空气和/或工业生产液流57、61和68中一个或多个的冷却效 应。可通过连续地或间歇地预热燃料、燃烧空气和/或工业生产液流，通过诸如具有或没有 工业生产液流68的一部分的喷射端口 71和/或喷射端口 72的一个或多个喷射端口将补 充燃料引入氧化室12，通过以火焰模式燃烧补充燃料，通过使用电阻加热元件和/或通过 在初始加热模式下间歇地运行燃烧器24来增加补充热量。通过用可见火焰燃烧燃料来增 加该补充热量可使NOx和CO含量增加，但总体含量会保持显著低于通过以可见火焰方式持 续燃烧所有燃料来运行热氧化器10所产生的含量。在热氧化器10在无火焰氧化模式运行期间，包括燃料和燃烧空气流57和61和可 选的工业生产液流68的流体流11作为预混合混合物被输送到氧化室12，燃烧空气与燃料 的比率是为正在进行的具体应用的所要求的运行条件选择的。燃烧空气与燃料比率和燃烧 空气流61和燃料流57的相应流率通常调节成供给由燃料和流体流11的其它成份的热氧 化所产生的足够热量，从而将热氧化过程维持所要求的时长。此外，局部燃烧空气与燃料比 率或流体流11内的局部燃料浓度应当低于对于所使用的特定燃料或燃料混合物的易燃下 限，或者流体流11、燃烧空气流61和燃料流57中一个或多个的流率调节成流体流11的流 率在燃料和流体流11中其它可燃成份的湍流焰速度以上。例如，当使用包括约95%甲烷的天然气作为燃料时，可使用约为20 1或更高的燃烧空气与燃料比率。只要燃烧空气和 燃料浓度在前室42内其混合物温度下在易燃范围以外，且流过氧化室12的流体流11中充 分预混合，则在氧化室12内产生的热氧化就是无火焰的。可将过量空气和/或诸如氮气、 二氧化碳和/或水蒸汽的稀释剂注射到前室42内以降低燃料浓度并由此保持在易燃下限 以下以降低不合要求的回火到前室42内的几率。扼流部44(如果有的话)通过增加从前 室42流入氧化室12内的流体流11的速度并将前室42与从氧化室12发出的辐射屏蔽而 进一步降低回火的几率。稀释剂的存在可提高燃料效率，因为无火焰过程能够在燃烧空气 流中含氧量较低时运行。在上述无火焰过程中热氧化的流体流11的各成份可以是能够经受热氧化的任何 成份，诸如燃料、废材料、有机化合物(包括挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物)以 及各种类型的有害空气污染物。在要求热氧化器10仅作为燃烧器运行的情况下，一种或多 种燃料可作为经受热氧化的流体流11的成份。换言之，本发明包含其中热氧化器10不用 于从工业生产液流去除污染物的过程，而是用作提供用作它途(诸如下游设备31)的热烟 气的低NOx和低CO燃烧器的情况。燃烧器24提供用于预热氧化室12和用于随后在输送到氧化室12之前预混合燃 料和燃烧气体的便利机构。但是，应当理解，氧化室12可通过替代或附加于燃烧器24的其 它热源来进行预热。此外，燃料和燃烧空气也可在进入氧化室12之前或进入氧化室12时 通过其它机构来进行预混合。因此，本发明包含其中无需使用燃烧器24且以其它方式供给 热量的情况，或者燃烧器24是诱导通风燃烧器、自然通风燃烧器、预混合燃烧器或局部预 混合燃烧器的情况。本发明的过程不需要使用美国专利第5，165，884号中所使用类型的床基质。因 此，氧化室12的开放内部容积18的全部或几乎全部可用于进行无火焰热氧化的流体流11 的流动。于是，在本过程中避免了先前讨论的床基质的缺点，该过程还能够实现非常低的 NOx和CO含量。尽管在本发明的无火焰热氧化过程中床基质是不必要的，但在某些情况下 理想的是包括氧化室12内的非流线本体或其它混合装置以促进流体流11的混合和/或稳 定供给补充热量的火焰(如果使用的话)。非流线本体或其它混合装置也可用作前室42内 的火焰保持结构。如前所述，改变或移动火焰保持结构可改变流体流11内燃料的湍流焰速 度，以促进在其中燃料以可见火焰方式燃烧以最初加热或预热氧化室耐火衬里16的模式 与其中燃料通过来自耐火衬里16的热传递而无被火焰地热氧化的模式之间的过渡。可将排出氧化室12的烟气反应产物输送到排气烟囱30以通到大气。烟气也可用 作热交换介质以在输送到氧化室12之前预热流体流11的一种或多种成份。此外，热烟气 可用在诸如过程加热器、锅炉、反应器炉的下游设备31中，反应器炉诸如乙烯裂解单元、氢 重整器等。以示例方式提供以下实例，这些实例并不表示对本发明总体范围的限制。
实例1室温下空气形式的燃烧空气通过涡旋叶片60以114，000scf/hr的流率被输送到 前室42内。室温下天然气形式的燃料通过燃料末端56以5，550scf/hr的流率被喷射到前 室42内。用可见火焰将燃料和燃烧空气混合物点燃并燃烧，直到氧化室12达到1，880 T 的温度为止。一旦氧化室12这样被预热，则通过将燃料末端56从燃烧器喉部78的中心线拉回约3. 5英寸来使燃料和燃烧空气在将混合物穿过燃烧器喉部78之前更完全地混合来 熄灭燃烧器火焰。燃料和燃烧空气流率几乎保持不变，且燃料和燃烧空气的预混合流通过 燃烧器喉部78通入前室42而不存在可见火焰，且在燃料在火焰模式中燃烧所伴随产生的 燃烧噪声也消失了。由于来自氧化室12的预热的耐火衬里16的热传递，燃料在稳定的无 火焰氧化过程中持续被氧化。无火焰氧化过程大致处于平衡，且测得NOx含量小于Ippm干 重且CO含量小于Ippm干重。该过程进行8. 5小时且在燃烧器24紧接着的下游的氧化室 12内的温度由于通过氧化室12的外壳14的热损失和以环境温度输送到燃烧器24的燃料 和燃烧空气的冷却效应而被冷却到1，500 温度时关掉。当过程关掉时，氧化室12的出 口温度仍然处于1，880 °F。实例2
改变以下参数，重复实例1的测试(1)燃烧空气流率降低到100，200scf/hr,以及 (2)通过将燃料分级而降低通过前室42的燃料流率。总燃料流速是5，500scf/hr，且被分 成85. 6%的燃料在喷射到前室42内之前与所有的燃烧空气流预混合，且其余的14. 4%燃 料通过设置在燃烧器24的紧接着的下游的氧化室12的两个烟气末端72进行喷射。通过 烟气末端喷射到氧化室12内的燃料用可见火焰燃烧并设置成直接加热耐火衬里16以稳定 氧化室12内的无火焰氧化过程。由于该增加的热输入，氧化室12的出口温度为1，990 T。 由于燃料的一部分用可见火焰燃烧，所以NOx含量增加并从6至12ppm干重进行变化。CO 含量保持在Ippm干重以下。故意在44. 5小时运行时终止该测试，看上去该过程是自维持 的。随后的测试显示，可通过将燃料分级到燃烧器24下游的各气体末端而实现约 2，000 °F、2，100 °F、2，200 °F、2，300 0F以及2，400 0F的甚至更高运行温度而不超过前室42 内的易燃限值。即使在约2，000 °F的温度下在使氧化室12内流体流11与分级燃料紧密混 合的流率下，也已实现低于Ippm干重的NOx和CO含量。相信还可实现更高的温度。实例3实例3所呈现的测试情况证实在耐火材料16充分预热之后的情况下，超过湍流焰 速度以允许在空气/燃料混合物在前室42内的易燃下限以上进行无火焰运行。燃烧空气流 率是245，640scf/hr,天然气流率是18，357scf/hr,且热氧化器运行温度是2，381 °F。燃烧 空气和天然气在前室42内预混合以实现5. 87体积％的预混合燃料成份，这高于环境温度 易燃下限(5体积％ )。该氧化过程未向前室42回火，表示超过了通过直径减小通道45的 湍流焰速度。对该过程条件的NOx排放是1. 3ppm干重，CO排放不可探测(< Ippm干重)。实例 4通过将20，820scf/hr的CO2与62，280scf/hr的新鲜空气组合产生14. 5体积％的 O2含量，由此产生低O2燃烧空气的混合物。通过涡旋叶片60将低O2燃烧空气输送到前室 42内。室温下天然气形式的燃料通过燃料末端56以5，475scf/hr的流率被喷射到前室42 内。燃料和低O2燃烧空气在前室42内混合并排出到对燃料进行无火焰氧化的热氧化室12 内。由于该氧化，产生的烟气中的O2浓度是2体积％干重，CO浓度不可测，烟气中NOx浓度 为1. 2ppm干重，且运行温度是1，941 T。该测试实例证实了热氧化器10用低O2燃烧空气 流、烟气再循环流和/或低加热值废气流运行的能力。该测试还显示与常规火焰型燃烧器 相比，无火焰过程将在燃烧空气中较低O2含量下运行。当使用O2含量低的燃烧空气源时可获得热效率，因为需要将较少的新鲜空气添加到低02含量流来保持稳定。常规燃烧器通常 需要环境温度下燃烧空气中高于18体积％的O2以进行稳定运行，而该测试证实了用燃烧 空气中14. 5体积％ O2的稳定运行。从上文中可以看出，本发明可很好地实现上述所有目的和目标以及该结构所固有 的其它优点。应当理解，某些特征和子组合是可利用的，且 可不涉及其它结构和子组合地进行 采用。这也包含在本发明的范围内。由于可对本发明进行多种可能的实施例而不偏离其范围，所以应当理解在此阐述 和附图中所示的所有内容都应解释为说明而非限制的含义。
权利要求
一种用于在具有内部衬里的氧化室内热氧化各成份的方法，所述方法包括以下步骤(a)首先加热所述氧化室衬里；以及(b)然后在由于来自所述被加热的氧化室衬里的热传递启动所述成份的热氧化的条件下将所述成份输送到所述氧化室。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述成份输送到所述氧化室的所述步骤 包括将所述各成份在流体流中输送到所述氧化室的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化期间或之后 将所述流体流流过所述氧化室的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括在所述流体流穿过所述氧化室时在所 述液体流的所述成份中提供一种或多种燃料并保持所述氧化室内的条件以由于来自所述 氧化室衬里的所述热传递而热氧化所述流体流中的所述一种或多种燃料的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述保持所述氧化室内的条件以热氧化所 述流体流中的所述一种或多种燃料的步骤包括在所述流体流穿过所述氧化室时使所述液 体流的所述一种或多种燃料的局部浓度低于易燃下限。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括通过改变所述氧化室内的所述条件以 使所述流体流中的所述一种或多种燃料燃烧来再加热所述氧化室衬里的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述改变所述氧化室内所述条件的步骤包 括将所述一种或多种燃料的局部浓度改变到所述易燃下限以上。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述保持所述氧化室内的条件以热氧化所 述流体流中的所述一种或多种燃料的步骤包括使所述流体流以高于所述一种或多种燃料 的湍流焰速度的流率流过直径缩小的通道。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括通过改变所述氧化室内的所述条件以 使所述流体流中的所述一种或多种燃料燃烧来再加热所述氧化室衬里的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，改变所述氧化室内所述条件的所述步骤包 括将所述流体流的流率改变到所述一种或多种燃料的所述湍流焰速度以下。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先加热所述氧化室衬里的所述步骤包括 在使所述成份燃烧的条件下将所述成份输送到所述氧化室。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，首先加热所述氧化室衬里的所述步骤包 括将所述成份在流体流中输送到所述氧化室。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，首先加热所述氧化室衬里的所述步骤包 括在所述流体流的所述成份中提供一种或多种燃料的步骤。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括使包含一种或多种燃料的流体流在初 始条件下流过所述氧化室以使所述一种或多种燃料燃烧以产生所述氧化室衬里的所述初 始加热，并然后改变所述条件以由于来自所述氧化室衬里的热传递而产生所述成份的所述 热氧化的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述将所述成份输送到所述氧化室的步 骤包括输送包括所述一种或多种燃料的所述成份。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括进一步改变所述条件以使所述一种或多种燃料燃烧并再加热所述氧化室衬里。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化的所述步 骤与再加热所述氧化室衬里的所述步骤之间循环的步骤。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，改变所述条件的所述步骤包括将所述一 种或多种燃料的局部浓度从所述一种或多种燃料的易燃范围内改变到所述易燃范围外。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，包括增进所述流体流内所述一种或多种 燃料的混合的步骤，以产生将所述一种或多种燃料的局部浓度从所述一种或多种燃料的易 燃范围内改变到所述易燃范围外的所述步骤。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述改变所述条件的步骤包括将所述流 体流的流率从所述一种或多种燃料的所述湍流焰速度以下改变到所述湍流焰速度以上。
21.如权利要求4所述的方法，其特征在于，包括将作为所述流体流的所述成份的挥发 性有机化合物、半挥发性有机化合物和/或有害空气污染物包含在内的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，包括从工业生产液流向所述流体流添加 所述挥发性有机化合物、半挥发性有机化合物和/或有害空气污染物的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括在所述氧化室内的一部位将所述工 业生产液流的至少一部分添加到所述流体流的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括在将所述流体流输送到所述氧化室 之前将所述工业生产液流的至少一部分添加到所述流体流的步骤。
25.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括在将所述流体流输送到所述氧化室之 前将所述一种或多种燃料的至少一部分与所述流体流中的燃烧空气预混合的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，包括将包含所述燃料中的一种或多种燃 料的另一流体流引入所述氧化室并在所述氧化室内燃烧所述另一流体流中的所述一种或 多种燃料以对所述氧化室增加补充热量。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括将所述热氧化保持大于一个小时的时 段的步骤。
28.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述流体流的所述成份中提供一种或多 种燃料的所述步骤包括提供选自以下组中的一种或多种的燃料天然气、炼油厂燃料气、氢 气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、其它碳氢化合物、一氧化碳及其混合物。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，包括在所述流体流中添加一种或多种稀 释剂的步骤。
30.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述流体流的所述成份中提供一种或多 种燃料的所述步骤包括将天然气作为所述一种或多种燃料之一包含在内。
31.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括在使所述流体流过所述氧化室的所述 步骤之前预热所述流体流中的至少一部分的步骤。
32.如权利要求4所述的方法，其特征在于，首先加热所述氧化室衬里的所述步骤包括 将所述氧化室衬里加热到1，800至3，000 围内的温度。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，提供一种或多种燃料的所述步骤包括在 所述流体流的所述成份中包括天然气的步骤。
34.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先加热所述氧化室衬里的所述步骤包括通过在与所述氧化室流体流动连通的燃烧器内燃烧一种或多种燃料形成热烟气，并将所述 热烟气输送到所述氧化室内以将所述衬里加热到预选定温度的步骤。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，包括在首先加热所述氧化室内所述衬里 的所述步骤期间将所述一种或多种燃料在第一位置引入所述燃烧器内腔内并在所述第一 位置上游预选定距离的第二位置将燃烧空气或另一氧化剂引入所述内腔内。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，包括使所述一种或多种燃料与所述燃烧 空气更完全混合以使所述成份在所述氧化室内进行所述热氧化的步骤。
37.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括防止所述流体流再循环的步骤。
38.一种用于在具有内部耐火衬里的氧化室内热氧化包含一种或多种燃料的流体流中 各成份的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供包括可热氧化成份的流体流和燃烧空气，所述可热氧化成份包括一种或多种 燃料；(b)在所述氧化室内将所述耐火衬里加热到预选定温度；以及(c)然后在由于来自所述耐火衬里的热传递而热氧化所述成份而没有所述流体流的再 循环的条件下使所述流体流穿过所述氧化室即。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，包括依次重复步骤(b)和(c)。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，提供流体流的所述步骤包括提供包括甲 烷和燃烧空气的流体流。
41.如权利要求38所述的方法，其特征在于，加热所述氧化室内所述耐火衬里的所述 步骤包括通过在与所述氧化室流体流动连通的燃烧器内燃烧所述一种或多种燃料形成热 烟气，并将所述热烟气输送到所述氧化室内以将所述衬里加热到所述预选定温度的步骤。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，包括在加热所述氧化室内所述衬里的所 述步骤期间将所述一种或多种燃料在第一位置引入所述燃烧器内腔内并在所述第一位置 上游预选定距离的第二位置将燃烧空气引入所述内腔内的步骤。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，包括使所述一种或多种燃料与所述燃烧 空气更完全混合以停止所述一种或多种燃料在所述燃烧器内的燃烧同时使所述一种或多 种燃料的热氧化能够由于来自所述氧化室内所述耐火衬里的热传递而启动的步骤。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，在使所述成份热氧化的条件下使所述流 体流穿过所述氧化室的所述步骤包括使所述流体流内所述一种或多种燃料的局部浓度在 所述一种或多种燃料的易燃范围以外的步骤。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，包括通过将所述流体流中所述一种或多 种燃料的所述局部浓度改变到所述一种或多种燃料的所述易燃范围内来使所述一种或多 种燃料燃烧而再加热所述耐火衬里的步骤。
46.如权利要求41所述的方法，其特征在于，在使所述成份热氧化的条件下使所述流 体流穿过所述氧化室的所述步骤包括使所述流体流的流率高于所述流体流中所述一种或 多种燃料的湍流焰速度。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，包括通过将所述流体流的所述流率降低 到所述湍流焰速度以下以使所述一种或多种燃料燃烧来再加热所述耐火衬里的步骤。
48.如权利要求38所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化之后从所述氧化室移除所述流体流并将所述流体流输送到下游设备的步骤。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所述下游设备选自以下一组过程加热 器、锅炉、反应器炉、空气加热器、干燥器、燃气轮机和热交换器。
50.一种热氧化器，包括氧化室，所述氧化室包括限定开放内部容积的壳并具有上游端和下游端以及衬里；以及用于加热所述衬里并用于使流体流中的成份存在于所述开放内部容积时热氧化的装 置，所述热氧化由于来自所述衬里的热传递而进行。
51.如权利要求50所述的热氧化器，其特征在于，所述装置包括在所述壳的所述上游 端的燃烧器，用于首先燃烧所述流体流中的一种或多种燃料，从而加热所述衬里并热氧化 所述一种或多种成份。
52.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化期间维持所 述条件以获得小于12ppm干重的NOx含量和小于lppm干重的CO含量。
53.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化期间维持所 述条件以获得小于5ppm干重的NOx含量和小于lppm干重的CO含量。
54.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述成份的所述热氧化期间维持所 述条件以获得小于lppm干重的NOx含量和小于lppm干重的CO含量。
全文摘要
提供一种热氧化器，其中工业生产液流中的废气在氧化室的大致整个内部容积内被热氧化。热氧化的进行不存在火焰或仅有少部分的以火焰方式燃烧的一种或多种燃料。
文档编号F23D3/00GK101874180SQ200880118679
公开日2010年10月27日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年11月27日
发明者B·C·约翰逊, N·S·彼得森 申请人:约翰津克公司