本發(fā)明涉及一種用于合成氣生產(chǎn)的燃燒器。具體的，本發(fā)明涉及一種包括冷卻回路的燃燒器以及一種對冷卻回路進行加壓的方法。

背景技術(shù)：

合成氣主要包括一氧化碳和氫氣，并且對一些化學品的工業(yè)生產(chǎn)，例如甲醇，氨和合成燃料，是非常重要的。

合成氣的生產(chǎn)通常包括烴源(例如天然氣)與氧化劑進行燃燒，該氧化劑可以是空氣或富氧空氣或純氧。所述燃燒通常是在烴源配比過量而氧化劑不足的情況下進行的。

上述燃燒的常用技術(shù)包括自熱重整(atr)和部分氧化(pox)。它們在設(shè)置有燃燒器的反應器中進行，燃燒器通常包括噴嘴，其用于在燃燒室內(nèi)形成擴散火焰。

特別地，atr采用位于燃燒室下方的催化床進行，反應器出口溫度范圍一般在950至1050℃之間，催化劑進口溫度約1200℃。pox在更高溫度(反應器出口溫度為1300至1700℃)下進行，不使用催化劑。atr和pox兩者都在高壓條件下進行，例如40-100巴范圍內(nèi)。

因此，用于合成氣生產(chǎn)的atr或pox反應器的燃燒器要經(jīng)受嚴苛的操作條件。為應對這種高溫，燃燒器由高溫金屬合金(如鎳-鉻-鐵合金)制成，并且具有雙壁結(jié)構(gòu)，這種雙壁結(jié)構(gòu)能夠使冷卻液在噴嘴內(nèi)循環(huán)。通常冷卻液為水。特別地，對直接暴露于燃燒火焰處的噴嘴尖端進行液體冷卻是必要的。

最好保持冷卻液的壓力大于燃燒器的操作壓力(即燃燒的燃料、氧化劑及產(chǎn)物氣體的壓力)，從而防止冷卻回路污染，污染會導致冷卻效果降低以及燃燒器故障風險。

因此，液體冷卻的噴嘴可作為中空體，該中空體一側(cè)暴露于工藝氣壓力，另一側(cè)暴露于更高的冷卻液壓力。因此，該噴嘴受力于工藝氣和冷卻液之間的壓力差。

正常操作期間，所述壓力差有限(例如，幾巴)，這意味著工藝氣的壓力基本上與冷卻液的壓力平衡。然而，在諸如啟動和關(guān)閉等瞬變過程期間，工藝氣的的壓力非常低，通常接近于大氣壓，這意味著燃燒器基本上必須承受冷卻液的全部壓力。

目前對此問題的解決方案是設(shè)計一種具有厚壁的燃燒器，壁厚通常在15-25mm范圍內(nèi)，尤其是在尖端區(qū)域。但增加厚度會降低曝露于火焰處的燃燒器表面的冷卻效果。事實上，壁越厚，暴露于火焰處的表面溫度越高。此外，厚壁燃燒器對熱應力的交替循環(huán)更為敏感，從而導致燃燒器發(fā)生疲勞故障的風險更高并且使用壽命縮短。

由于存在上述缺點，盡管使用了昂貴的高溫金屬合金，在現(xiàn)有技術(shù)中用于atr和pox應用的液體冷卻燃燒器仍然存在故障。另一方面，因具有金屬尖端的非冷卻燃燒器可能會迅速發(fā)生局部熔化或蠕變以及故障，所以主動冷卻是必要的。

us3,861,859公開了一種空冷式燃燒器噴管。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在避免現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷。本發(fā)明旨在使采用高壓液體進行冷卻的雙壁燃燒器的使用壽命延長并且故障風險降低。更詳細的說，本發(fā)明旨在解決瞬變過程中，當工藝氣的壓力較低時，工藝氣和冷卻液之間的相對壓力差導致應力的問題。

采用根據(jù)權(quán)利要求所述的燃燒器系統(tǒng)和用于對燃燒器系統(tǒng)的冷卻回路進行加壓的方法，可實現(xiàn)上述目的。

根據(jù)本發(fā)明，一種燃燒器系統(tǒng)包括至少一個燃燒器主體以及冷卻回路，其中：

所述燃燒器系統(tǒng)包括燃料側(cè)和氧化劑側(cè)；

所述燃燒器主體包括與用作冷卻液通路的所述冷卻回路連接的冷卻室；

所述冷卻回路包括用于所述冷卻液的儲液罐以及循環(huán)泵；

所述燃燒器系統(tǒng)包括均壓裝置，其適用于使所述冷卻回路內(nèi)側(cè)的壓力與所述燃料側(cè)和氧化劑側(cè)中的至少一個的壓力相等，所述均壓裝置包括至少一個均壓線路，其設(shè)置為在所述儲液罐內(nèi)側(cè)與所述燃料側(cè)和氧化劑側(cè)中的至少一個之間建立流體連通。

在一個優(yōu)選實施例中，所述均壓線路使所述燃料側(cè)和/或所述氧化劑側(cè)與冷卻介質(zhì)液位上方的儲液罐區(qū)域流體連通。因此，所述均勻線路的壓力被轉(zhuǎn)移至容納于所述儲液罐中的冷卻介質(zhì)(例如水)的自由表面。更優(yōu)選地，容納于所述儲液罐中的液體冷卻介質(zhì)在與所述燃料側(cè)或所述氧化劑側(cè)連通的均壓線路和冷卻回路之間起密封作用。所以，防止從所述均壓線路到除所述儲液罐以外的所述冷卻回路的任何部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)移(例如，燃料泄漏)。

在一個優(yōu)選實施例中，所述燃燒器主體包括燃料導管和氧化劑導管，并且所述均壓線路直接使所述導管中的一個與所述儲液罐之間流體連通。優(yōu)選地，與燃料側(cè)建立連通，這意味著燃料進口對儲液罐加壓。

根據(jù)又一個實施例，所述冷卻回路包括至少一個閥、孔或其它部件，其適用于在所述冷卻室的冷卻液出口和所述儲液罐之間引入冷卻液的集中壓降，并且所述集中壓降的大小使得，在操作中，所述冷卻回路中冷卻液的壓力大于所述燃料側(cè)和氧化劑側(cè)的氣壓。

本發(fā)明的主要優(yōu)點在于，在冷卻回路內(nèi)循環(huán)的液體的壓力由工藝氣(例如燃料)的壓力控制。因此，冷卻回路將跟隨燃燒器的壓力瞬變(如啟動和關(guān)閉)，而不會使燃燒器承受較大的壓力差而受力。與現(xiàn)有技術(shù)中無論操作條件如何，冷卻回路的壓力都基本恒定的系統(tǒng)相比，這是一個巨大的優(yōu)勢。

本發(fā)明所述系統(tǒng)的另一優(yōu)點是能確保冷卻回路的壓力，特別是冷卻室的壓力，始終大于燃料和氧化劑的壓力，從而避免了污染風險。這是通過儲液罐和液體出口之間的集中壓降實現(xiàn)的，從而確定液體出口的壓力期望(足夠高的)值。

因此，本發(fā)明可以使燃燒器壁的厚度最小化，同時在降低溫度梯度、減小熱應力以及提高冷卻效果方面具有顯著優(yōu)勢，從而延長使用壽命并且提高操作安全性。所述優(yōu)點對于面向燃燒室并且直接暴露于來自燃燒室的高溫和輻射的表面尤其重要。

借助于如下關(guān)于優(yōu)選實施例的詳細說明，這些優(yōu)點將更加清楚明確。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的工藝燃燒器的剖視圖和相關(guān)冷卻系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

圖1示出了適合用于atr或pox反應器中的燃燒器系統(tǒng)100。所述燃燒器系統(tǒng)100通常位于所述atr或pox反應器的上端，并且位于燃燒室(圖中未示出)的上方。

燃燒器系統(tǒng)100包括燃燒器主體1和冷卻回路2。

燃燒器主體1包括分別與烴燃料進口6和氧化劑進口7連接的同軸的外導管3和內(nèi)導管4。燃燒器主體1還包括與冷卻回路2連接的冷卻室5，冷卻回路2用于使冷卻液(比如水)圍繞所述燃料導管3和氧化劑導管4的壁循環(huán)。

燃料導管3和氧化劑導管4伸入所述燃燒室內(nèi)。在操作中，主體1的端面，比如表面21，直接面向燃燒室。

冷卻室5包圍燃料導管3的外表面，并且設(shè)置有與冷卻回路2連接的冷卻液進口9和冷卻液出口10。

燃燒器主體1具有承受氣壓的氣體側(cè)(即導管3、4的內(nèi)側(cè))、面向燃燒室的部件和表面(比如表面21)、以及承受回路2中水(或任何其它冷卻液)的壓力的水側(cè)。

圖1示出一個優(yōu)選實施例，其中冷卻室5包括外護套11和內(nèi)護套12。內(nèi)護套12與燃料導管3接觸。外護套11與冷卻液進口9流體連通，而內(nèi)護套12與冷卻液出口10流體連通。兩個護套11和12之間通過管道20以及位于燃燒器主體1尖端區(qū)域的連接室13連通。

冷卻回路2基本上包括用于存儲所述冷卻液的儲液罐8、循環(huán)泵16和閥19。閥19設(shè)計為在回路2上引入選定壓降，并且優(yōu)選地，所述閥位于所述回路2在冷卻液出口10和儲液罐8之間的部分。優(yōu)選地，泵16位于所述罐8和進口9之間的部分。

閥19的壓降確保冷卻液的壓力始終大于燃燒器的工藝氣(即燃料和氧化劑)的壓力，下面將作出更詳細的說明。在一個等效實施例中，閥19可以被適當?shù)目谆蛞粋€或多個其它適用于引入相同壓降的部件來替代。

操作過程如下。

氣體燃料15(比如天然氣)經(jīng)進口6被引入至燃料導管3中，并且適當?shù)难趸瘎?4經(jīng)進口7被引入至氧化劑導管4中。優(yōu)選地，所述氧化劑14為空氣、富氧空氣或氧氣。燃料進口6經(jīng)導管15b與儲液罐8連通，采用這種方式，燃料進口壓力p1被傳遞至容納于所述罐8中的冷卻液。因此，導管15b相當于儲液罐8的均壓線路。如圖所示，氣體燃料15在15a處進入燃料導管3中。

值得注意的是，在操作中，均壓導管15b進入冷卻液自由表面22上方的儲液罐8。然后，壓力p1被傳遞至所述自由表面22，而冷卻液本身使導管15b(其為燃料側(cè)的一部分)與冷卻液線路17隔離。導管15b僅作為均壓線路，對儲液罐8內(nèi)部加壓；由于所述密封效應，冷卻回路2不受燃料污染。

冷卻液(比如水)通過泵16循環(huán)，經(jīng)進口9進入冷卻室5，穿過護套11和12，經(jīng)出口10離開主體1。循環(huán)泵16補償穿過回路2和冷卻室5的壓力損失。

燃料氣體進口15和儲液罐8之間經(jīng)由導管15b連接，決定了位于儲液罐8出口處的冷卻液的壓力p2(即泵16的吸入壓力)，基本與燃料進口壓力p1相等。

冷卻室5的出口10處的冷卻液壓力p3可以被表示為：

p3＝p1+δp0+δp1

其中δp0為閥19兩端的壓降，δp1包括回路的分散壓力損失。通常δp0明顯大于δp1，這意味著出口壓力p3由閥19的壓力損失決定。

因此，泵16的輸出壓力p4可確定為p3加上穿過冷卻室5的壓力損失。

通過適當選取閥19引入的壓力損失δp0，所述壓力損失δp0高于閥值，確保回路2中的壓力始終高于壓力p1，特別地，水回路中的壓力高于p1一定量，該一定量取決于δp0的選取。

因此，本發(fā)明實現(xiàn)了冷卻回路2中的壓力始終高于燃燒器氣體側(cè)的壓力，避免了在密封泄露的情況下氣體(例如，燃料或氧化劑或其混合物)進入回路2的風險。特別地，δp0應大于冷卻室5中的壓力損失。同時，冷卻回路2中的壓力由線路15b對儲液罐8的加壓進行控制，這意味著冷卻液的壓力在瞬變過程中跟隨氣體壓力。所以，當內(nèi)部氣壓下降時，燃燒器主體1的壁不會受力于過高的水壓。因此，本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的。

相關(guān)的優(yōu)點是在一個可能的實施例中，壁厚度減小，從而降低了熱慣性。降低熱慣性，尤其對于面向燃燒室并且暴露于高熱應力下的表面(比如表面21)，是有益的。

圖1示出了燃燒器的一個單體實施例。本發(fā)明也適用于多體燃燒器系統(tǒng)，該多體燃燒器系統(tǒng)包括多個燃燒器主體(例如，用于pox)。

在一個多體實施例中，優(yōu)選地，燃燒器主體與公用冷卻回路2連接。在這種情況下，冷卻液由泵16循環(huán)并被分成多個支流，每個支流經(jīng)相應進口9獨立地輸入各自的燃燒器主體1，并經(jīng)相應出口10離開主體自身。