Горелка с предварительным перемешиванием

 

Использование: в высокотемпературных печах, например, для получения углеводородов при паровом крекинге. Сущность изобретения: горелка с предварительным перемешиванием содержит установленную в корпусе трубу с наконечником, расположенным у первого отверстия в печи в зоне горения, а также газовое сопло и первичную воздушную камеру, расположенные перед входом в трубу, и выполненное в корпусе, по меньшей мере, одно воздушное отверстие для подачи воздуха, неучаствующее в горении. Горелка дополнительно содержит, по меньшей мере, один патрубок для топочного газа, подключенный одним концом к второму отверстию печи, а другим - к первичной воздушной камере. Воздушное отверстие расположено вблизи патрубка для топочного газа. 4 з.п.ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к горелкам с предварительным перемешиванием без изменения критичного теплового распределения от горелок. Это изобретение может применяться в высокотемпературных печах, например для получения углеводородов при паровом крекинге.

Как известно в воздухе при высоких температурах образуются различные окиси азота, то есть соединения NO_x; они включают в себя окись азота, двуокись азота, но не ограничены ими. Снижение выхода NO_x является желательной целью для уменьшения загрязнения воздуха.

Горелки могут использоваться как жидкое топливо, так и газ. В горелках, работающих на жидком топливе, может производиться перемешивание топлива с паром перед сгоранием для распыления топлива для более полного сгорания, при этом участвующий в сгорании воздуха перемешивается с топливом в зоне сгорания.

В зависимости от способа, используемого для объединения участвующих в сгорании топлива и воздуха, газовые горелки классифицируются как работающие на сыром газе, либо как горелки с предварительным перемешиванием. Эти горелки различаются по конфигурации и по типу используемого наконечника.

В горелках, работающих на сыром газе, осуществляется непосредственное впрыскивание топлива в воздушный поток, участвующих в сгорании, причем перемешивание топлива и воздуха происходит одновременно со сгоранием.

В горелках с предварительным перемешиванием, перемешивание топлива с некоторым или полным количеством воздуха, участвующего в сгорании, осуществляется до сгорания. Предварительное перемешивание выполняется посредством использования энергии потока топлива с тем, чтобы поток воздуха в целом был пропорционален потоку топлива. Поэтому не требуется частая регулировка и облегчается получение желаемых характеристик пламени.

Горелки с предварительным перемешиванием используются во многих случаях парового крекинга и в печах для реформинга, главным образом из-за их способности создавать относительно равномерное распределение тепла в секциях этих печей с высоким излучением. Пламя не является светящимся, что обеспечивает возможность легкого контроля температур металла труб. Благодаря этим свойствам горелки с предварительным перемешиванием широко применяются в различных конфигурациях паровых крекинговых печей.

В патенте США N 4629413 на имя МИХЕЛЬСОНА и др. описана горелка с предварительным перемешиванием, обеспечивающая низкое содержание NO_x, и раскрываются преимущества горелок с предварительным перемешиванием и способа снижения выхода NO_x. Этот патент включен в настоящее описание в полном объеме в качестве ссылки. Горелки МИХЕЛЬСОНА и др. с предварительным перемешиванием уменьшает выпуск NO_x посредством задержки перемешивания вспомогательного воздуха с пламенем и обеспечения возможности рециркуляции некоторого количества охлажденного топочного газа со вспомогательным воздухом.

В патенте США N 4708638 на имя БЕЗЕРА и др. описана горелка, работающая на жидком топливе, в которой выпуск NO_x уменьшается за счет уменьшения температуры пламени. Трубка Вентури в канале для подвода воздуха, участвующего в сгорании, находящаяся ближе к вихревой форсунке, создает поток топочного газа в канал для подачи воздуха, обеспечивающего сгорание, из каналов, выходящих в печь. Вихревая форсунка располагается у свободного конца топливного патрубка и перемешивает топочный газ с основным воздухом, обеспечивающим сгорание.

В патенте США N 2813578 на имя ФЕРГЮСОНА описана горелка для тяжелого жидкого топлива, в которой перемешивание топлива с паром обеспечивается до сгорания. Вытяжное действие топлива и пара тянет горячие газы печи в канал и в блок горелок для обеспечения нагрева блока горелок, а так же топлива и пара, проходящих через отверстие в блоке. Это устройство описано, как эффективно препятствующее осаждению кокса на блоке горелок, а также препятствующее каплепадению нефтетоплива. Поскольку температура пламени повышается, это устройство не будет обеспечивать снижение выхода NO_x.

В патенте США N 4230445 на имя ДЖЕНСЕНА описана горелка, работающая на жидком топливе, которая позволяет уменьшить выход NO_x посредством подачи смеси топочного газа/воздуха через несколько каналов. Топочный газ вытягивается из камеры сгорания с помощью воздуходувки.

В патенте США N 4004875 на имя ЗИНКА и др. описана горелка, обеспечивающая невысокий выход NO_x, в которой сгоревшее топливо и воздух охлаждаются и рециркулируют обратно в зону сгорания. Рециркулированное сгоревшее топливо и воздух формируются в зоне с дефицитом воздуха.

В патенте США N 4575332 на имя ОПЕНБЕРГА описана горелка, имеющая трубки для газа и нефтетоплива, в которых выход NO_x уменьшается за счет прерывистого подмешивания воздуха, обеспечивающего сгорание, в нефтяное или газовое пламя для замедления сгорания и понижения температуры пламени.

В патент США N 2918117 на имя ГРИФФИНА описана горелка, работающая на тяжелом жидком топливе, которая включает в себя трубку Вентури для втягивания продуктов сгорания в основной воздух для нагрева входящего воздушного потока, а следовательно полного испарения.

Наряду с патентом МИХЕЛЬСОНА и др. остальные патенты, которые обсуждены выше, также включены в настоящее описание в полном объеме в качестве ссылки.

Цель настоящего изобретения заключается в создании устройства для усовершенствования существующей горелки для уменьшения выхода NO_x, а следовательно снижения загрязнения воздуха и приведения в соответствии с государственным стандартом. Усовершенствование существующей горелки с предварительным перемешиванием по изобретению оценивается приблизительно в 2000 долларов на горелку. Для сравнения замена имеющихся горелок с предварительным перемешиванием на новые горелки с предварительным перемешиванием с низким выходом NO_x приблизительно составила бы от 8000 до 10000 долларов на горелку. Поскольку в печах для парового крекинга может быть установлено, например, 50 горелок, модернизация печи для использования настоящего изобретения позволила бы обеспечить существенную экономию при замене горелок печи.

Горелка с предварительным перемешиванием для сгорания топливного газа и воздуха с пониженным выходом NO_x расположена вблизи от первого отверстия в печи и включает в себя трубу, имеющую выходной и входной конец. Наконечник горелки монтируется на выходном конце трубы вблизи от первого отверстия в печи, причем сгорание топливного газа и воздуха происходит наконечника горелки.

Газовый прижим расположен вблизи от входного конца трубы горелки в первичной воздушной камере для введения топливного газа в трубу горелки. Воздух также вводится во входной конец трубы горелки. Согласно изобретению по меньшей мере один канал имеет один конец у второго отверстия в печи, а второй конец примыкает ко входному концу трубы горелки.

Топочный газ тянется из печи по каналу в ответ на течение топливного газа и воздуха по направлению к выходному концу трубы горелки, при этом топочный газ перемешивается с воздухом у входного конца трубы горелки до зоны сгорания топливного газа и воздуха, за счет чего уменьшается выход NO_x.

Согласно одному варианту выполнения изобретения топочный газ вытягивается из печи в канал в ответ на течение топливного газа через часть трубы горелки с трубкой Вентури. Канал включает в себя патрубок, идущий во второе отверстие в печи с одного конца и в первичную воздушную камеру с другого конца. По меньшей мере один регулируемый демпфер выходит в первичную воздушную камеру из окружающей среды, поступающего в первичную воздушную камеру, тем самым создавая вакуум для вытяжки топочного газа из печи.

Согласно другому варианту выполнения изобретения канал включает в себя два патрубка. Каждый патрубок может иметь в основном L-образную форму и дополнительно включает в себя эластичные уплотняющие устройства, находящиеся с одной или с обеих сторон патрубка. Соответствующие уплотняющие устройства предназначены для соединения с частью печи и патрубком.

Горелка с предварительным перемешиванием дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одноступенчатое воздушное отверстие, выходящее в печь. Воздух окружающей среды проходит в печь через одно ступенчатое воздушное отверстие и втягивается, по меньше мере, в один патрубок для снижения температуры газа, подающегося чеке патрубок.

Для уменьшения выхода NO_x горелка с предварительным перемешиванием включает в себя трубу горелки, имеющую выходной и входной конец, при этом наконечник горелки устанавливается на выходном конце трубы горелки, где происходит сгорание топливного газа и воздуха. Топливный газ вводится через входной конец трубы горелки в первичную воздушную камеру, так что воздух перемешивается с топливным газом в первичной воздушной камере до зоны сгорания.

Устройство работает следующим образом.

Устанавливается канала между печью и первичной воздушной камерой. Топочный газ вытягивается из печи через канал в ответ на течение топливного газа и воздуха по направлению к выходному концу трубы горелки. Топочный газ перемешивается с воздухом в первичной воздушной камере до зоны сгорания, так что выход NO_x уменьшается.

Между печью и первичной воздушной камерой установлены один или два патрубка. К каждой концевой части патрубков и к части печи крепятся гибкие уплотнения.

Согласно другому варианту выполнения изобретения труба горелки включает в себя участок с трубкой Вентури и топочный газ отводится из печи за счет вытяжного действия, оказываемого на топливный газ и воздух, проходящий через трубку Вентури. Количество окружающего воздуха, втягиваемого в первичную воздушную камеру, может быть ограничено посредством регулятора расхода для создания вакуума, необходимого для вытяжки топочного газа из печи.

Согласно еще одному варианту выполнения патрубки устанавливаются посредством формирования отверстий в поде печи и в стенке первичной воздушной камеры и введением одного конца по меньшей мере одного патрубка в отверстие в поде и другого конца патрубка в отверстие в стенке. После этого патрубок может быть обернут покрытием из керамического волокна.

Горелка с предварительным перемешиванием располагается вблизи от первого отверстия в печи. Топливный газ и воздух объединяются в первичной воздушной камере. Топливный газ и воздух сгорают в зоне сгорания на выходе стадии объединения топливного газа и воздуха, после чего обеспечивается вытяжка топочного газа из печи в ответ на течение топливного газа и воздуха по направлению к зоне сгорания, при этом топочный газ смешивается с воздухом в первичной воздушной камере до зоны сгорания, что уменьшает выход NO_x.

Стадия вытяжки может включать в себя прохождение топливного газа и воздуха через трубку Вентури, при этом вытяжное действие, оказываемое на топливный газ и воздух, текущие через трубку Вентури, вытягивает топочный газ из печи. Окружающий воздух, который находится при более низкой температуре, чем топочный газ, проходит в печь, а затем имеющий пониженную температуру воздух, а так же топочный газ, втягиваются из печи в первичную воздушную камеру, в результате чего температура втянутого топочного газа понижается. Окружающим воздухом может быть свежий воздух, имеющий температуру окружающей среды, хотя температура может находиться в диапазоне между температурой, более низкой, чем температура окружающего воздуха, температурой несколько ниже чем температура топочного газа в печи.

Изобретение далее поясняется с помощью чертежей, которые с помощью примеров, не ограничивающих изобретение, иллюстрируют различные варианты выполнения изобретения и на которых изображено: на фиг. 1 представлен в сечении вариант выполнения горелки с предварительным перемешиванием по изобретению; на фиг. 2 представлен частичный боковой вид горелки с предварительным перемешиванием по фиг. 1, при этом он включает в себя вспомогательное воздушное отверстие вместо поэтапных воздушных отверстий; на фиг. 3 представлен боковой вид, частично показанный в сечении А-А по фиг. 1; на фиг. 4 представлен вид в плане Б на фиг. 1; на фиг. 5 представлен вид в плане В на фиг. 1; на фиг. 6 представлен второй вариант выполнения горелки с предварительным перемешиванием по изобретению; на фиг. 7 представлен в сечении боковой вид рециркуляционного патрубка по изобретению; на фиг. 8 представлен частично в сечении боковой вид третьего варианта горелки с предварительным перемешиванием по изобретению; на фиг. 9 представлен боковой вид, частично в сечении Г-Г по фиг. 8;
на фиг. 10 представлен вид в плане Д на фиг. 7.

На фиг. 1-4 горелка 10 с предварительным перемешиванием включает в себя свободно стоящую 12 горелку, расположенную в стенке пода 14 печи. Труба 12 горелки включает в себя входной конец 16, выходной конец 18 и участок 19 с трубкой Вентури. Наконечник 20 горелки расположен у выходного конца 18 и окружен кольцевой плиткой 22. Газовый прижим 24 расположен у входного конца 16 и вводит топливный газ в трубу 12 горелки. Свежий или окружающий воздух вводится в первичную воздушную камеру 26 через регулируемый демпфер 28 для перемешивания с топливным газом у входного конца 16 трубы 12 горелки. Сгорание топливного газа и свежего воздуха происходит у наконечника 20 горелки.

Во вторичной воздушной камере 32 расположено большое количество воздушных отверстий 30, которые проходят через под 14 печи в печь. Свежий воздух поступает во вторичную воздушную камеру 32 через регулируемый демпфер 34 и проходит через поэтапные воздушные отверстия 30 или через вторичное воздушное отверстие 90 в печь, для обеспечения вторичного или поэтапного сгорания и снижения концентрации кислорода в топочном газе, как описано у Михельсона и др.

Для обеспечения рециркуляции топочного газа из печи к первичной воздушной камере каналы или патрубки 36, 38 проходят из отверстий 40, 42 соответственно в поде печи к отверстиям соответственно 44, 46 в нагнетательной камере 48 горелки. Топочный газ, содержащий, например, 6-10% O₂ вытягивается через патрубки 36, 38 за счет вытяжного действия топочного газа, проходящего через участок 19 с трубкой Вентури 12 горелки.

При этом первичный воздух и топочный газ перемешиваются в первичной воздушной камере 26, которая расположена перед зоной воспламенения. Следовательно, концентрация кислорода в первичном воздухе снижается до зоны сгорания, тем самым замедляется сгорание и в результате уменьшается выход NO_x. В этом состоит отличие от горелки, работающей на жидком топливе, например, от горелки, описанной ФЕРГЮСОНОМ и др, в которой воздух, участвующий в сгорании, перемешивается с топливом в зоне сгорания, а не перед зоной сгорания.

Запорный демпфер 28 ограничивает количество свежего воздуха, которое может быть втянуто в первичную воздушную камеру и тем самым обеспечивает вакуум, необходимый для вытяжки топочного газа и пода печи.

Несмешанный низкотемпературный окружающий воздух, вошедший во вторичную воздушную камеру 32 через демпферы 34 и прошедший через воздушные отверстия 30 в печь, также втягивается по патрубкам 36, 38 в первичную воздушную камеру за счет вытяжного действия топливного газа через участок 19, с трубкой Вентури. Как уже говорилось выше, окружающим воздухом может быть свежий воздух. Перемешивание окружающего воздуха с топочным газом понижает температуру горячего топочного газа, текущего через патрубки 36, 38 и, тем самым, существенно увеличивает долговечность трубопроводов и обеспечивает возможность использования горелки этого типа для снижения выхода NO_x в высокотемпературных крекинговых печах, имеющих температуру топочного газа выше 1900^o F (1037,8^oC) в излучающей секции печи.

Смесь, состоящая приблизительно на 50% из топочного газа и 50% воздуха окружающей среды, преимущественно должна быть втянута по патрубка 36, 38. Желаемые пропорции топочного газа и окружающего воздуха могут быть получены посредством соответствующего расположения и/или конструкции патрубков 36, 38 по отношению к воздушным отверстиям 30. То есть, геометрия воздушных отверстий, включая из расстояние от трубы горелки, но без его ограничения, а также количество воздушных отверстий и их размеры могут быть изменены для получения желательного процентного содержания топочного газа и окружающего воздуха.

Смотровое и запальное отверстие 50 расположено в нагнетательной камере 48 горелки как для возможности осмотра внутренней части горелочного узла, так и для обеспечения доступа для зажигания горелки. Нагнетательная камера горелки для обеспечения ее изоляции может быть покрыта звуконепроницаемой минеральной тканью 52, а также экраном 54 из проволочной сетки.

Альтернативный вариант выполнения горелки 10 с предварительным перемешиванием представлен на фиг. 5, на котором одинаковые детали обозначены теми же ссылочными цифрами. Основное различие между вариантом согласно фиг. 1-4 и вариантом согласно фиг. 5 заключается в том, что в последнем используется только один рециркуляционный патрубок 56. Например, вместо двух труб диаметром 4 дюйма может быть использована одна труба диаметром 6 дюймов.

Рециркуляционный патрубок 56 согласно фиг. 5 или рециркуляционные патрубки 36, 38 согласно фиг. 1-4 могут быть использованы в существующей горелке с предварительным перемешиванием для ее модификации. Если обратиться к фиг. 6, то отверстие 58 образуется в поде 14 печи, а отверстие 60 образуется в стенке нагнетательной камеры 48 горелки. Затем устанавливается патрубок 50 так, что его соответствующие концы проходят в отверстия 58 и 60. Патрубок 56 может быть покрыт изоляционными слоями 62, 64, которые могут представлять собой покрытия из керамического волокна.

К плите 68 кожуха пода печи прикреплен фланец 66, а фланец 70 прикреплен к нагнетательной камере 48 горелки. Уплотняющий мешок 72 одним концом крепится к фланцу 66, а другим к изолирующему слою 62. Уплотняющий мешок 74 одним концом крепится к фланцу 70, а другим к изолирующему слою 62. Уплотняющие мешки 72, 74 могут быть эластичными и изготавливаться из какого-либо приемлемого теплостойкого материала. Как вариант, один или оба уплотняющих мешка могут не использоваться и рециркуляционный патрубок может быть герметично прикреплен сваркой к плите 68 кожуха пода или к нагнетательной камере 48 горелки.

Система рециркуляции топочного газа по изобретению также может быть применена в новой горелке с низким выходом NO_x, как показано на фиг. 7, 8 и 9, где одинаковые детали обозначены теми же ссылочными цифрами. Канал 76 для рециркуляции топочного газа образован в поде 14 печи и проходит к первичной воздушной камере 78 так, что топочный газ перемешивается со свежим воздухом, втягиваемым в первичную воздушную камеру из отверстия 80. Наружная поверхность канала 76 может быть покрыта изоляцией 82, которая может представлять собой покрытие из керамического волокна. Смотровое и запальное отверстие 84 обеспечивает доступ к внутренней части нагнетательной камеры 86 горелки для элемента 88, управляющего запаливанием. Необходимо отметить, что подобный элемент управления запаливанием также может быть использован в вариантах выполнения согласно фиг. 1 и 5.

Горелки с предварительным перемешиванием по изобретению могут быть использованы в широком диапазоне рабочих условий. Ниже описан пример со ссылкой на фиг. 5.

Топливный газ с расходом 190 фунтов в час (86 кг/час) вводится в трубу 12 горелки от газового прижима 24. Свежий воздух с расходом 620 фунтов в час (281 кг/час) при температуре 60^o F (15,5^o C) подается через демпфер 28 в первичную воздушную камеру 26. Воздух с расходом 2760 фунтов в час (1270 кг/час) при температуре 60^o F (15,5^o C) подается через демпфер 34 во вторичную воздушную камеру 32 и проходит через воздушные отверстия 30 с расходом 2400 фунтов (1080 кг) в час при температуре 60^o F (15,5^o C). В результате топливный газ и топочный газ у наконечника 20 горелки проходят с расходом 1550 фунтов (697,5 кг) в час при температуре 2100^o F (1149^o C). Воздушные отверстия 30 и патрубок 56 располагаются таким образом, что топочный газ с расходом 380 фунтов (172 кг) в час при температуре 1840^o F (1004^o C) и воздух из воздушных отверстий 30 с расходом 360 фунтов в час (159 кг/час) втягиваются в патрубок 56, что приводит к получению смеси топочного газа и воздуха, протекающей с расходом 740 фунтов в час (335 кг/час), которая содержит 9,4% O₂ и находится в патрубке 56 при температуре 1025^o F (552^o C).

Как говорилось выше, охлаждение топочного газа посредством свежего воздуха повышает срок службы рециркуляционного патрубка 56. Рециркуляционный топочный газ снижает концентрацию O₂ в воздухе, участвующем в сгорании, а это понижает температуру пламени и, следовательно, уменьшает выход NO_x.

Хотя горелки с предварительным перемешиванием по изобретению описаны применительно к зажигаемым с пода печам для углеводородного крекинга, они также могут быть использованы на боковых стенках таких печей или в печах для осуществления иных реакций или функций.

Следовательно, можно видеть, что посредством использования этого изобретения может быть уменьшен выход NO_x в горелках с предварительным перемешиванием без использования вентиляторов или специальных горелок. Система рециркуляции топочного газа по изобретению легко применима для модификации существующих горелок с предварительным перемешиванием.

Хотя изобретение описано со ссылками на конкретные устройства, материалы и варианты выполнения, оно не ограничено конкретным раскрытием и охватывает все эквиваленты в объеме, определяемом формулой изобретения. 2 4

Формула изобретения

1. Горелка с предварительным перемешиванием, содержащая установленную в корпусе трубу с наконечником, расположенным у первого отверстия печи в зоне горения, а также газовое сопло и первичную воздушную камеру, расположенные перед входом в трубу, и выполненное в корпусе по меньшей мере одно воздушное отверстие для подачи воздуха, не участвующего в горении, в печь, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один патрубок для топочного газа, подключенный одним концом ко второму отверстию печи, а другим к первичной воздушной камере, причем упомянутое воздушное отверстие расположено вблизи патрубка для топочного газа.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что труба выполнена в виде трубки Вентури.

3. Горелка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на входе в первичную воздушную камеру установлен регулятор расхода.

4. Горелка по пп. 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что патрубок для топочного газа выполнен L образной формы.

5. Горелка по п. 4, отличающаяся тем, что она содержит гибкие уплотняющие устройства у одного и/или другого конца патрубка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10