燃烧器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于催化反应器的燃烧器，特别是用于二段转化炉的燃烧器。
【背景技术】
[0002]用于反应物的燃烧的燃烧器主要用于需要具有高燃烧强度的稳定火焰的气体燃料工业炉和过程加热器的焚烧。此燃烧器包括由氧化剂供应端口包绕的具有用于燃料供应的中心管的燃烧器管。燃烧区中的燃料和氧化剂的加强的混合通过使氧化剂穿过安装在燃烧器处面对中心管的旋流器来实现。因此，给予氧化剂流旋流动，这提供了燃烧产物的高度的内部和外部的再循环和高燃烧强度。
[0003]更具体而言，用于二段转化炉中的燃烧器包括氨设备中的燃烧器，其中来自管状转化器的甲烷转化反应经由将氧化剂(即，空气)引入用于反应器的过程流来在二段转化炉中继续，因此增加了氮用于下游氨环，且通过氧含量的燃烧升高了发生在二段转化炉催化剂床中的转化过程的温度。对于此应用，常规的燃烧器为喷嘴环燃烧器。喷嘴环类型的燃烧器配备有安装在各个空气分送孔上的特别设计的喷嘴，且试图实现燃烧器喷嘴处的混合、燃烧器的低金属温度、催化剂床入口处的相等气体温度分布，以及保护耐火衬层免于热的焰心。过程气体仅一部分在二段转化炉中燃烧，而其余部分进一步流至催化剂床和蒸汽转化反应。
[0004]二段转化炉中的催化剂床以穿孔的耐火砖覆盖，以便保持催化剂就位。二段转化炉中很高的温度引起耐火砖通过蒸发缓慢失去材料，且该材料随后通过在下方的催化剂床中冷凝来沉积，其中温度由于这里发生的耗热蒸汽转化反应而下降。不需要的结果在于催化剂床压降增大，这最终可导致设备停机以除去沉积的材料。
[0005]燃烧器的设计对于通过上述机构最小化催化剂床压降增大的问题很重要。过程气体接触氧化剂气体的温度可局部地升高到2500°C以上，且很重要的是在过程气体与氧化剂气体之间的初始接触的点/或多个点下游具有良好混合。理想的是，所有过程气体和燃烧过程气体混合成一种混合物，其在全部气流到达耐火砖层之前具有(最低可能)一致的温度。该情形将给予从耐火砖到催化剂床的最低可能的材料输送。相比之下，当未完全混合的气流到达砖时，将存在处于比一致温度低的温度下的区域和比一致温度高的温度的区域。相比于一致温度的情形，具有非均匀温度的情形引起从砖的更高的材料损失，因为输送机构通过升高温度急剧地加速，且来自热区域的增大的材料损失因此远超过来自冷区域的减小材料损失。
[0006]氧化剂气体侧和过程气体侧两者上的燃烧器上的压降的减小通常是有益的。当压降减小时，其意味着如果压缩阶段是设备的瓶颈，则可增大最高流速。一些氨设备以最大量运转其氧化剂气体压缩机，且减小的氧化剂气体侧压降意味着更多氧化剂气体可供应至过程气流。过程气流可类似地增大以保持氮与氢之间的比率恒定，且效果在于增大氨产量。如果流增大无价值，则减小压降在大多数情况下将意味着涉及到所需压缩能量减少的成本降低。
[0007]美国专利第5496170号中公开了一种用于小规模和中等规模应用的旋流燃烧器，其具有朝燃烧器面基本上减少的燃烧产物内部再循环。该专利中公开的燃烧器设计通过向燃烧器提供具有沿燃烧区的轴线集中的总体流动方向的氧化剂旋流且同时朝同一轴线引导过程气流而导致了具有高燃烧强度且没有热燃烧产物的不利的内部再循环的稳定火焰。公开的旋流燃烧器包括燃烧管和与燃烧管同心且间隔开的中心氧化剂供应管，从而限定了管之间的环形过程气体通道，氧化剂供应管和过程气体通道具有单独的入口端和单独的出口端。U形氧化剂和燃料气体喷射器布置成在燃烧器面处同轴。燃烧器还配备有带在氧化剂喷射器内延伸的静止旋流器叶片的阻流体。旋流器叶片安装在其上游端与其下游端之间的阻流体上，且延伸至氧化剂喷射室的表面。
[0008]US2002086257公开了一种具有燃烧器管的旋流燃烧器，其包括中心氧化剂供应管和外同心燃料供应管，氧化剂供应管设有同心圆柱形引导本体，其具有静止旋流器叶片和中心同心圆柱形开孔，从引导本体的外表面延伸至氧化剂供应管的内表面的旋流器叶片在氧化剂供应管的下部处同心地布置在引导本体与内壁之间的空间内。
[0009]EP0685685描述了一种气体喷射器喷嘴，其包括排放室，排放室具有圆柱形内壁，且具有在其出口端处的圆形气体排放孔口、同心地包绕内壁的外壁，外壁沿着室出口端处的区域处的连续弯曲的通路，且在排放孔口处与内壁连结尖锐边缘，其中弯曲通路具有特定的曲率半径。
[0010]尽管上述努力克服了涉及燃烧器的所述问题，但已认为已知技术设计的燃烧器在操作状态特别有挑战的情况下将受到挑战。
【发明内容】
[0011]因此，本发明的主要目的在于获得燃烧器设计，其克服上述问题。
[0012]因此，本发明是根据权利要求的实施例的燃烧器，其包括以下优点。
[0013]氧化剂气体的低压降，这通过氧化剂气体侧上的低流速；通过氧化剂气体不会产生转向；用于穿过相同长度的直管的所有氧化剂气体支流的类似流动通路。
[0014]低过程气体压降，同时有效产生塞流，在一个实施例中通过相比于一个穿孔板具有减小的壁泄漏的两个穿孔板。
[0015]以上两者，同时实现具有穿过反应器的耐火砖层的相当一致的温度的总体目标。
[0016]过程气体和氧化剂气体的成功混合通过两条路线中的一者实现。一个途径在于花费大量能量来产生显著的湍流，由此氧化剂气流在短流动通路的过程中(在过程气体穿过耐火砖之前在有限空间中)有效地混合到过程气流中。该途径的实例在使用静止混合器、旋流器、喷射器或简单为显著增大流速的区域的设计中看到。
[0017]另一途径在于将较小的氧化剂气流细分成许多子流，且将这些以良好分配的方式供应到过程气流截面的各处。氧化剂气体的各个小支流混合到周围的过程气流中。氧化剂气体和过程气体的量以相同方式在整个截面各处平衡，这导致了到处都相同的温度。实现此细分氧化剂气流完全混合到周围的过程气体中的所需流动通路长度在支流数目增大时变得较小。这是需要接触且燃烧/混合的氧化剂气体与过程气体之间的减小距离(垂直于流动方向)的自然结果。
[0018]本发明落入了所述上文中的第二类，因为我们试图在耐火砖的水平处具有一致的温度，同时在压降方面付出最小的代价。
[0019]本发明包括连接至进入的氧化剂气体管的一定数目的直的氧化剂气体管。这些氧化剂气体管的流出物分配在截面上，以匹配过程气体塞流。花费了很小的氧化剂气体压降，因为管是直的，且平行于进入的管，且因为管中的氧化剂气体速度保持相当低。各个氧化剂气体管配备有形成为具有在其开口处的椭圆或平截面的特殊喷嘴。这很重要以便减小下游混合长度，因为平射流比圆形射流更有效地混合到过程气流中。喷嘴的定向(它们非旋转对称)选择成以便与位置组合的氧化剂气体的形状如之前所述那样匹配截面上的各处的过程气流的量。
[0020]对于设计氧化剂气体喷嘴的布局的先决条件是知道截面上的过程气流，因为这需要用以局部地平衡氧化剂气体和过程气体的量。理想的是在过程气体侧上产生塞流状态，以便流速在截面各处恒定。尽管这使得更容易布局氧化剂气体喷嘴(基本上氧化剂气体管应当然后仅为几何上均匀分布的)，但截面上的最大流速变为最低可能。该情形远离(最大裕度)氧化剂气体管喷嘴附近具有再循环的区域(回流)的关键情形。接近氧化剂气体喷射且开始燃烧处的喷嘴的再循环或回流可导致金属喷嘴附近的很高温度，引起它们熔化或否则碎裂。
[0021 ] 大多数二段转化炉的过程气体入口来自一侧，且在二段转化炉的颈部中产生向下游流动的塞流需要的特殊器件。本发明使用两个穿孔板来替代具有一个穿孔板的普通解决方案。这用于产生过程气体的更好流动分布，同时相比于使用一个穿孔板的普通解决方案花费更少的压降。此外，燃烧器安装在耐火衬里容器中，所以穿孔板与耐火壁之间的很小空隙不实际，因为耐火部分上的尺