防堵塞燃烧器喷嘴和方法与流程

1.本发明涉及防堵塞同时还产生低水平的no
x
和其它排放物的燃烧器喷嘴装置和方法。更特别地，但不是通过限制的方式，本发明涉及可被用作辅助喷嘴以用于燃烧器火焰稳定的这种类型的燃烧器喷嘴。


背景技术：

2.工业燃烧器通常用在过程加热器、锅炉、熔炉、焚化炉和其它燃烧加热(fired-heating)系统中以产生热量以用于原油精炼、化学生产、石化生产和其它大规模工业过程。
3.当今的精炼厂、化工厂和其它工厂中的加工部件必须能够操作越来越长的时间段而不需要为了大的修理和维护停机。事实上，许多精炼厂和其它工厂中的维护周期现在至多为四年或更长。因此，燃烧器和其它关键设备连续操作非常长的时间段也正变得越来越重要。
4.工业燃烧器的停机时间的主要原因之一发生在(一个或多个)燃烧器喷嘴的燃料气体端口被碎片或残留物堵塞时。燃料气体端口的堵塞可导致减小或完全受限的燃料气体流。此外，如果这种堵塞发生在用来保持燃烧器火焰的稳定的燃烧器喷嘴中，则可降低稳定点处的局部温度直到不能再保持火焰的稳定和火焰消失。当在多个燃烧器加热系统的一个或多个燃烧器中发生火焰损失时，可引起显著的安全问题，包括爆炸的风险。
5.辅助燃烧器喷嘴是用于增强燃烧器的主火焰的稳定的气体喷嘴，特别是在扰乱(upset)状态期间。可导致燃烧器火焰变得不稳定的扰乱状态的示例包括但不限于：(a)到燃烧器的空气流降低到亚化学计量水平，(b)燃烧加热系统中的温度的损失达到低于用于点燃燃料所需要的最低温度的水平，或(c)燃烧加热系统中发生压力偏移。
6.不幸的是，本领域中当前使用的用于火焰稳定的目的辅助喷嘴特别容易受到堵塞的影响。这些辅助喷嘴的燃料气体端口必须非常小，在直径方面典型地为1/16英寸(即，仅0.0031平方英寸的端口流通面积)。结果，即使在过滤之后，本领域中当前使用的辅助喷嘴也容易堵塞。
7.因此，存在对于防堵塞并且可用作辅助喷嘴以用于火焰稳定或用于其它目的的改进的燃烧器喷嘴的需要。改进的防堵塞燃烧器喷嘴将优选地还产生非常低水平的no
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和其它排放物，其与本领域中当前使用的辅助喷嘴的排放物水平相当或比本领域中当前使用的辅助喷嘴的排放物水平更好。


技术实现要素：

8.本发明提供一种燃烧器喷嘴装置和操作方法，其满足上文讨论的需要并减轻上文讨论的问题。本发明的燃烧器喷嘴高度防堵塞，并且除了其它用途之外，特别好地适于用作辅助喷嘴以用于保持主燃烧器火焰的稳定。本发明的燃烧器喷嘴和操作方法还使用分级空气燃烧状态(regime)，其将no
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和其它排放物的产生降低到非常低的水平。由本发明的燃烧器喷嘴和方法产生的低排放物水平与由本领域中当前使用的辅助喷嘴产生的水平排放物
相当或比其更好，本领域中当前使用的辅助喷嘴需要使用非常小的燃料排放端口并且容易堵塞。
9.在一个方面，提供有一种燃烧器喷嘴装置，其优选地包括：(a)屏蔽壳体，其在其中具有混合室和沿纵向延伸的外壁，该外壁包围混合室；(b)燃料气体接管(spud)，其在燃料气体接管的前端部处具有定位成将气体燃料排放到混合室的后纵向端部中的燃料端口；(c)屏蔽壳体的横向基部壁，其在混合室的后纵向端部处，横向基部壁具有穿过其设置的中心开口；(d)屏蔽壳体的横向火焰稳定环，其在混合室的前纵向端部处，火焰稳定环具有穿过其设置的用于混合室的排放开口；和(e)火焰转向器，其在屏蔽壳体的前纵向端部上。
10.在另一方面，提供有一种操作燃烧器喷嘴装置的方法。方法优选地包括以下的步骤：(a)将气体燃料排放到燃烧器喷嘴装置的混合室的后纵向端部中，混合室在混合室的后纵向端部处具有横向基部壁，并且横向基部壁具有穿过其形成的至少中心开口；(b)使用步骤(a)中排放的气体燃料流动动量来抽吸亚化学计量的量的空气或其它含氧气体穿过横向基部壁的至少中心开口，以在混合室中形成空气或其它含氧气体和气体燃料的亚化学计量的富燃料混合物；(c)穿过在混合室的前纵向端部处的稳定环排放空气或其它含氧气体和气体燃料的亚化学计量的混合物，以在混合室的前纵向端部的外面形成稳定燃烧器喷嘴装置的火焰的减压区域，火焰具有初始亚化学计量燃烧区域，空气或其它含氧气体和气体燃料的亚化学计量的混合物的气体燃料的第一部分在初始亚化学计量燃烧区域中燃烧；和(d)使火焰沿横向向外转向到空气或其它含氧气体的流或主体中以形成贫燃料燃烧区域，气体燃料的剩余部分在该贫燃料燃烧区域中燃烧。
11.在研究附图后和在阅读以下优选实施例的详细描述后，本发明的另外的方面、特征和优点对本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
12.图1是由本发明提供的燃烧器喷嘴装置的实施例2的剖面正视图。
13.图2是如从图1中示出的视角2-2看到的本发明的燃烧器喷嘴装置2的火焰转向器12的剖面视图。
14.图3是本发明的燃烧器喷嘴装置2的透视图。
15.图4示意性地示出连接到燃料管线34的本发明的燃烧器喷嘴装置2，该燃料管线34具有安装在其中的孔口组件(orifice union)36。
具体实施方式
16.本发明的燃烧器喷嘴装置的实施例2在图1至图4中被示出。本发明的燃烧器喷嘴2优选地包括：具有纵向轴线6的喷嘴屏蔽壳体4；包含在屏蔽壳体4内的混合室8；定位成将气体燃料排放到混合室8的后纵向端部中的气体燃料接管10；和在屏蔽壳体4的前纵向端部上的火焰转向器12，
17.喷嘴屏蔽壳体4优选地包括沿纵向延伸的外壁14，该外壁14包围纵向轴线6和混合室8。外壁14优选地是圆柱形但备选地可具有方形、椭圆、或其它横截面形状。围绕并穿过外壁14的后部部分设置一系列的小开口16以在屏蔽壳体4本身内发生燃烧的情况下用作用于气体膨胀的应急释放开口。例如，这可发生在燃烧氢或具有高的火焰速度并需要较少氧的
类似的燃料时。
18.喷嘴屏蔽壳体4优选地还包括(i)在混合室8的后纵向端部处的横向基部壁18和(ii)在混合室8的前纵向端部处的横向火焰稳定环20。
19.在混合室8的后端部处的横向基部壁18具有穿过其设置的中心开口22。在气体燃料通过气体燃料接管10被排放到混合室8的后端部中时，气体燃料流的动量将空气或其它含氧气体穿过中心基部开口22抽吸到混合室8中。此外，气体燃料的动量优选地还将空气或其它含氧气体穿过多个开口24抽吸到混合室8中，该多个开口24围绕中心基部开口22穿过屏蔽壳体4的基部壁18形成。设置在基部壁18中的周围开口24优选地比中心基部开口22更小。
20.屏蔽壳体4的中心基部开口22和周围基部开口24优选地尺寸设计成使得穿过基部开口22和基部开口24被抽吸以用于与气体燃料混合的空气或其它含氧气体的总量是亚化学计量的量，即，不足以燃烧通过气体燃料接管10被排放到混合室8中的全部气体燃料的量。
21.在混合室8的前纵向端部处的横向火焰稳定环20具有穿过其设置的中心排放开口26以用于从混合室8的前端部排放空气或其它含氧气体和气体燃料的亚化学计量的混合物。火焰稳定环20的排放开口26的直径(或排放开口26的其它尺寸，如果开口26是非圆形的)和对应的面积比混合室8的横截面直径(或混合室8的其它横截面尺寸，如果室8是非圆柱形的)和横截面面积更小，使得来自混合室8的穿过火焰稳定环20的亚化学计量的气体混合物的流在混合室8的前端部的外面的稳定环20上或附近形成减压区域28。减压区域28有助于保持和以另外的方式稳定由本发明的燃烧器喷嘴2产生的火焰30，使得用于维持燃烧所需要的必要的时间、温度、和湍流被提供。
22.气体燃料接管10在其前端部中具有燃料排放端口32以用于将气体燃料排放到混合室8的后纵向端部中。接管10的燃料排放端口32优选地定位在屏蔽壳体4的基部壁18的后方，使得接管10向前排放气体燃料穿过基部壁18的中心开口22。燃料排放端口32可直接形成在气体燃料接管10的前端部中，或可形成在放置在接管10的前端部中的孔口塞中。
23.为了防止燃料接管排放端口32的堵塞，端口32为(a)优选地具有至少1/8英寸(或等效尺寸，如果其是非圆形的)的直径的大开口，其对应于至少0.012平方英寸的排放端口32的流通面积，和(b)更优选地为至少1/4英寸(或等效尺寸，如果其是非圆形的)的直径的开口，其对应于至少0.049平方英寸的排放端口32的流通面积。
24.此外，如图4中描绘的，气体燃料接管10连接到气体燃料供应管线或升管34，该气体燃料供应管线或升管34在其中具有包含流通孔口(flow orifice)的孔口组件36。孔口组件36中的流通孔口的流通面积为(a)优选至少0.0068平方英寸(其等效于至少3/32英寸的圆形孔口直径)并且(b)更优选至少0.012平方英寸(其等效于至少1/8英寸的圆形孔口直径)。
25.然而，流通孔口的流通面积还优选地小于燃料接管排放端口32的尺寸。在系统包含将具有足够的尺寸以甚至堵塞气体燃料接管10的大排放端口32的任何碎片的情况下，碎片将由孔口组件36中的流通孔口阻挡，该孔口组件将定位在燃烧加热系统的外面并可被容易清洁。孔口组件36中的流通孔口还可用于计量从外部燃料供应歧管38到本发明的燃烧器喷嘴2的气体燃料的流的速率。
26.屏蔽壳体4的前纵向端部上的火焰转向器12优选地包括：后开口40；内部火焰空间42；部分地围绕内部火焰空间42延伸的沿纵向延伸的侧壁44；在火焰转向器12的侧壁44的前纵向端部处的端壁45；和横向侧开口46。端壁45优选地为在内部火焰空间42上沿横向延伸并覆盖内部火焰空间42的实心圆形端壁。火焰转向器12的沿纵向延伸的侧壁44具有从第一弧端点48延伸到第二弧端点50的半圆形横向横截面形状。沿纵向延伸的侧壁44的半圆形横截面形状优选地为在从120
°
到270
°
的范围中的弧，该弧从第一弧端点48延伸到第二弧端点50并且更优选地为约180
°
的弧。
27.火焰转向器12的横向侧开口46优选地(a)在横向横截面平面中从侧壁44的第一弧端点48延伸到第二弧端点50和(b)从横向火焰稳定环20沿纵向延伸到火焰转向器12的端壁45。横向侧开口46优选地定向成相对于喷嘴屏蔽壳体4的纵向轴线6以在从60
°
到120
°
的范围中的角度、更优选约90
°
的角度沿横向向外排放本发明的燃烧器喷嘴2的火焰30。
28.在其它用途中，通过火焰转向器12将喷嘴火焰30转向有利于用于将本发明的喷嘴2的火焰30引导到燃烧器壁的凸缘、肩部、或端部上、或引导到燃烧器的任何其它稳定点上，以保持主燃烧器火焰的稳定。此外，通过火焰转向器12将喷嘴火焰30转向有利地用于形成分级空气操作状态，该分级空气操作状态降低由本发明的燃烧器喷嘴装置2产生的no
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和其它排放物。
29.在本发明的燃烧器喷嘴2的分级空气操作状态中，流出混合室8的前端部的空气(或其它含氧气体)和气体燃料的亚化学计量富燃料混合物开始在亚化学计量燃烧区域52中燃烧，该亚化学计量燃烧区域52包括火焰转向器12的内部火焰空间42。接着，从火焰转向器12的内部火焰空间42行进的火焰30被沿横向转向到本发明的燃烧器喷嘴2的外面的空气或其它含氧气体的流或主体中。火焰30转向到外部空气或其它含氧气体中在本发明的喷嘴2的外面形成贫燃料燃烧区域54，未在亚化学计量的燃烧区域52中燃烧的气体燃料的剩余部分在该贫燃料燃烧区域54中燃烧。
30.在本发明的操作燃烧器喷嘴装置2的方法中，气体燃料经由燃料管线34和孔口组件36流向气体燃料接管10并且穿过屏蔽壳体4的中心基部开口22从接管10的排放端口32被向前排放。在气体燃料流过中心基部开口22并流到混合室8的后端部中时，气体燃料的动量将外部空气或其它含氧气体经由中心基部开口22和周围基部开口24抽吸到混合室8的后端部中。基部开口22和基部开口24尺寸设计成使得穿过基部开口22和基部开口24被抽吸的空气或其它含氧气体的量不足以燃烧全部气体燃料并且因此在混合室8中与气体燃料形成亚化学计量的混合物。
31.在混合室8中形成的空气或其它含氧气体和气体燃料的亚化学计量的混合物然后穿过在混合室8的前纵向端部处的火焰稳定环20被排放到火焰转向器12的内部火焰空间42中。这在混合室8的前端部的外面形成减压区域28以用于稳定本发明的燃烧器喷嘴2的火焰30。由于从混合室8排放到流转向器12中的空气或其它含氧气体和燃料的混合物的亚化学计量的特性，燃烧器喷嘴2的火焰30开始于初始亚化学计量富燃料燃烧区域52，该燃烧区域52包括火焰转向器12的内部火焰空间42。
32.接着，火焰转向器12将燃烧器喷嘴2的火焰30沿横向向外转向到燃烧器喷嘴装置2的外面的空气或其它含氧气体的外部流或主体中。这形成外部贫燃料燃烧区域54，未在初始亚化学计量燃烧区域52中燃烧的剩余气体燃料在该外部贫燃料燃烧区域54中燃烧。
33.通过在亚化学计量火焰区域52中燃烧燃料的第一部分，随后通过在贫燃料火焰区域54中燃烧燃料的剩余部分来提供的分级空气操作降低两个区域中的燃烧器喷嘴火焰30的峰值温度，并且从而降低由本发明的燃烧器喷嘴2产生的no
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和其它排放物的水平。
34.尽管本发明的燃烧器喷嘴装置2在附图中示出为处于竖直定向，但将理解，燃烧器喷嘴装置2可备选地向下地、水平地或以任何其它期望的角度定向。此外，尽管本发明的燃烧器喷嘴装置2的各种元件和特征被示出，并已被描述为具有圆柱形或圆形形状，但将理解，这些元件和特征在形状方面可备选地为方形或椭圆形，或可具有期望的任何其它形状。
35.例如，取决于其中本发明的燃烧器喷嘴2被使用的燃烧器的尺寸，燃烧器喷嘴2的尺寸的范围可为从小到极其大。对于大多数情况，本发明的燃烧器喷嘴2的整体尺寸将使得：屏蔽壳体4和火焰转向器12的总的纵向长度将在从约4英寸到约6英寸的范围中；屏蔽壳体4的直径将在从约1英寸到约4英寸的范围中；火焰转向器12的横向侧开口46的纵向高度将在从约1/32英寸到约1/2英寸的范围中；中心基部开口22的直径将在从约5/8英寸到约1英寸的范围中；并且周围基部孔24中的每个的直径将在从约1/8英寸到约1/4英寸的范围中。
36.因此，本发明很好地适于实现上文提到的目标和获得上文提到的目的和优点以及其中固有的目的和优点。虽然为了本公开的目的已经描述了当前优选的实施例，但许多改变和修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。这种改变和修改包含在如由权利要求书限定的本发明内。