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CN100588874C - 用于碳氢化合物部分氧化的工艺和燃烧器 - Google Patents

用于碳氢化合物部分氧化的工艺和燃烧器 Download PDF

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CN100588874C CN200510078572A CN200510078572A CN100588874C CN 100588874 C CN100588874 C CN 100588874C CN 200510078572 A CN200510078572 A CN 200510078572A CN 200510078572 A CN200510078572 A CN 200510078572A CN 100588874 C CN100588874 C CN 100588874C
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Abstract

一种用于获得包含氢和一氧化碳的气体混合物的碳氢化合物部分氧化工艺，所述工艺通过燃烧器(10)执行，其中所述燃烧器包括内侧壁(12a)在至少一个入口(23，23a)和出口(24)之间延伸的混合室(12)，碳氢化合物和氧的独立的气体流分别连续供给所述混合室(12)，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口(24)前进，流进气体混合物自身的燃烧室(14)；惰性流体流与所述气体混合物一起进入所述混合室(12)并与其内侧壁(12a)大体上接触，随着各个惰性流体环流的形成，包围大体上通过相应的内限制层分离的所述气体混合物，所述惰性流体环流在所述限制层处具有至少等于所述气体混合物中的火焰的蔓延速度的前进速度。

Description

用于碳氢化合物部分氧化的工艺和燃烧器
技术领域
本发明涉及碳氢化合物部分氧化工艺，所述工艺用于获得包括氢和一氧化碳的气体混合物，例如合成气体、可燃气体或还原气体。
具体而言，本发明涉及通过燃烧器进行的碳氢化合物部分氧化工艺，其中燃烧器包括内侧壁在至少一个入口和出口之间延伸的混合室、碳氢化合物和氧的独立的气体流分别连续供给所述混合室，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口前进，流进气体混合物自身的燃烧室。
在以下描述和所附权利要求书中，我们所用的术语“碳氢化合物”一般表示碳氢化合物或饱和和/或不饱和、轻和/或重(例如C1-C6)的碳氢化合物的混合物；另一方面，我们所用的术语“碳氢化合物气体流”是指例如甲烷或天然气等包含气体碳氢化合物的流体，或包含悬浮固体燃料(例如煤屑或碳黑)的气体流，或包含分散的液体碳氢化合物(例如，诸如石脑油和燃油等轻或重的碳氢化合物)的气体流。
背景技术
如所知的，为了通过利用适当构造的燃烧器执行的碳氢化合物部分氧化工艺获得包含氢和一氧化碳(其举例来说用在氨和甲醇的生产中)的合成气体或其他类似气体混合物，日益需要实现易于执行但不需要高能消耗和操作成本的高产量工艺。
为了满足上述需要，一般使用这样的工艺，其中，为了获得碳氢化合物的理想的部分氧化，分别供给包含氧和碳氢化合物的气体流，并使其在燃烧室中反应，燃烧室也称为气化器，火焰在这里形成。就结构而言，燃烧器至少部分插入气化器。
根据现有技术，将两种气体流装入燃烧器的轴向速度必须高得足以防止火焰向着燃烧器返回。
尽管根据各种观点有利的是，根据此现有技术的碳氢化合物的部分氧化工艺，即所谓的扩散燃烧室的部分氧化工艺，具有公认的缺点，具体包括由于这些碳氢化合物大体上热解(pyrolization)产生碳黑，其中在燃烧室中，在与氧适当混合之前，这些碳氢化合物与由于燃烧产生的热气体接触和混合。
此外，在燃烧室中产生碳黑既对意欲实现的氧化工艺的总产量(特别参看每单位燃烧的碳氢化合物能获得的较小氢和一氧化碳量)产生消极影响，也对气化器下游的设备的操作造成消极影响。事实上，有必要使碳黑与反应产物分离，目的举例来说是防止碳黑弄脏气化器下游的设备，例如可能的锅炉或可能的催化转换器(结果是污染它)等。
鉴于上述，为了进行这样的分离，需要一系列的操作步骤，包括相对的高能耗、设备的高度复杂性和高维护成本。
为了克服上述缺点，已经采用了一种使得碳黑产量降低的碳氢化合物部分氧化工艺，但是这样的工艺也具有主要的缺点：必须在高温(约为1300-1400℃)燃烧室中进行，因此具有高耗氧量、从而有低转化产量和高操作成本。
在现有技术中，也已经研究了这样的工艺，其中，包含氧和碳氢化合物的气体流在进入燃烧室之前，分别在设置在燃烧器中的混合室自身中初步紧密地混合，以便避免碳黑的形成。
然而，从未用碳氢化合物气体流实现这种解决方案(在具有预混合的燃烧器中)，因为这种方案具有公认的非常严重的缺陷，即，具有火焰向着燃烧器的混合室自身返回的高风险。
发明内容
作为本发明的基础的问题是，提供这样一种碳氢化合物部分氧化工艺，其能满足上面概述的要求，同时以简单而节省成本的方式克服参看现有技术提出的缺陷。
根据本发明，通过燃烧器进行的碳氢化合物部分氧化工艺解决此问题，其中燃烧器包括内侧壁在至少一个入口和出口之间延伸的混合室，碳氢化合物和氧的独立的气体流分别连续供给所述混合室，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口前进，流进气体混合物自身的燃烧室，其特征在于，惰性流体流与所述气体混合物一起(in equicurrent to)进入所述混合室且与其内侧壁接触，随着各个惰性流体环流的形成，包围通过相应的内限制层分离的所述气体混合物，所述惰性流体环流在所述限制层处具有至少等于所述气体混合物中的火焰的蔓延速度的前进速度。
参看附图，根据对本发明的优选实施例的描述，根据本发明的碳氢化合物部分氧化工艺的进一步的特征和优点将变得更加清楚，其中这些实施例仅为说明目的，而非限制。
附图说明
图1示意性地表示根据本发明的用于碳氢化合物部分氧化的燃烧器的纵截面。
具体实施方式
参看附图，示出用于碳氢化合物部分氧化的燃烧器，所述燃烧器用于获得包含氢和一氧化碳的气体混合物，且整体用10表示。
所述燃烧器10至少部分插入气化器的燃烧室14，所述气化器本质上是传统的，所以没有详细描述，且所述燃烧器10包括与燃烧室14流体连通的混合室12。
混合室12具有在入口23和出口24之间延伸的内侧壁12a。独立的碳氢化合物和氧的气体流分别连续流进所述出口24，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口24前进，流进气体混合物自身的燃烧室14。更具体地，独立的气体流从入口23和从另一入口23a流进混合室12，所述入口23a设置在所述入口23和所述出口24之间的中间位置中，优选靠近入口23，如图中的实例所示出的。可选地，另一入口23a可在燃烧器10中设置为与入口23高度相同。
优选地，入口23供给氧气流，而入口23a供给碳氢化合物流。
更详细地，燃烧室14由设置有圆形开口16的壁15限定，其中燃烧器10的柱状本体18部分插入所述圆形开口16中。柱状本体18通过凸缘20固定到壁15的圆形开口16，其中所述凸缘20设置在柱状本体18外部。
柱状本体18在其一端22限定为柱状的具有柱状侧壁12a的混合室12，所述末端22是插入燃烧室14的柱状本体18的末端。末端22具有使所述混合室12与所述燃烧室14连通的出口24。
承载氧气的导管26和承载碳氢化合物的导管28分别连接至混合室12的两个入口23和23a。更具体地，这两个导管26和28实质上是两根圆柱管，即内圆柱管30和外圆柱管32，它们共轴同心，包含在柱状本体18中：内管30供给氧气，且内管30和外管32之间的环形间隙供给碳氢化合物。
具体而言，根据本发明的有利方面，所述混合室12也由承载惰性流体的导管34供给，更确切地说，导管34以使得惰性流体冲洗(lick)混合室12的侧壁12a的方式设置。
在本申请中，我们所称的惰性流体是指，在气化器中的燃烧操作条件下，防止火焰产生和蔓延的流体，优选使用气体类蒸汽(gas like steam)。也可使用其它气体，例如纯净气体(例如氮或甲烷或氧)或具有上述特征的气体的混合物等。
优选地，靠近混合室12的出口24供给惰性流体流。
优选地，承载惰性气体的导管34大体上是与外管32共轴同心且包含在柱状本体18中的圆柱管36：圆柱管36和外管32之间的环形间隙供给惰性流体。
有利地，圆柱管36构成柱状本体18的内侧壁，且混合室12的侧壁12a的端部由靠近柱状本体18的开口24的圆柱管36的部分形成：圆柱管36的所述部分限定混合室12的柱状部分38。
如上所述，与圆柱管36共轴的外管32比圆柱管36要短。
此外，如上所述，与外管32共轴的内管30比外管32要短。
如上所述，由于内管30供给氧气，且内管30和外管32之间的间隙供给碳氢化合物，则混合室12的另一柱状部分38a在内管30的末端和外管32的末端之间形成，由外管32的部分限定。
优选地，在内管30的端部中，在内管30和外管32之间的间隙的端部中，和在外管32和圆柱管36之间的间隙的端部中，分别设置本质上已知的旋流器(swirler)40、42和44。实际上，旋流器40的末端构成入口23，旋流器42的末端构成另一入口23a。
也应说明，在限定插入燃烧室14中的柱状本体18的部分的管36的壁中，有利地设置柱状凹槽46，所述柱状凹槽与冷却流体的入口配件(inletfitting)48和出口配件50流体连通。
入口配件48和出口配件50设置在燃烧室14外部，且在柱状凹槽46中，设置了柱状挡板(baffle)52，所述柱状挡板限定共轴同心的内外柱状室54和56，这两个柱状室54和56彼此流体连通，且分别与入口配件48和出口配件50流体连通。有利地，柱状室54限定柱状本体18的内侧壁的部分，具体限定承载惰性流体的导管34和混合室12的侧壁12a的端部。
也应说明，开口24为圆形，且其由向着中心逐渐变细的柱状本体18的末端22形成。
下面将说明根据本发明的用于碳氢部分氧化的燃烧器的操作。
简言之，通过燃烧器进行的碳氢化合物部分氧化工艺包括，将独立的碳氢化合物和氧的气体流分别连续供给所述混合室12，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口24前进，流进气体混合物自身的燃烧室14，其中燃烧器包括内侧壁12a在至少一个入口23和出口24之间延伸的混合室12。
根据本发明的一方面，所述工艺也包括将惰性流体流与所述气体混合物一起供给所述混合室12，且与其内壁12a大体接触，从而形成相应的惰性气体环流。
所述环流包围所述气体混合物，且环流通过相应的内限制层与气体混合物大体隔开。惰性气体环流在所述限制层处具有至少等于所述气体混合物中的火焰的蔓延速度的前进速度。
换言之，在混合室12中向着燃烧室14前进的气体混合物具有大致为抛物线的速度外形(speed profile)，且其大致在混合室12的中心处有最大前进速度，在所述混合室12的内侧壁12a处具有大体上为零的速度。
在燃烧室14中，使得气体混合物起反应，获得火焰和包含氢和一氧化碳的气体流，所述火焰在所述气体混合物的饱和环境中具有预定蔓延速度。
实际上，惰性流体流冲洗混合室12的所述侧重12a，直到离所述侧壁12a确定的距离，即，直到相应于上述内限制层的距离。
惰性流体流在所述混合室12的侧壁12a处具有大致为零的速度，且当远离侧壁12a移动时以大致为抛物线的方式提高速度，直到在离侧壁12a确定的距离(即，在内限制层的距离处)处具有所述惰性流体的最大速度。
因此，气体混合物具有大致为抛物线的速度外形，且其大致在混合室12的中心处有最大前进速度，在离侧壁12a预定距离处有大致等于惰性流体的最大速度的最小速度；根据本发明，惰性气体的最大速度大于火焰的蔓延速度。
更具体地，从内管30供给的氧气流与碳氢化合物流在混合室12的另一部分38a中混合。
通过以大致相同的轴向速度供给碳氢化合物流和氧气流，提高了混合速度。碳氢化合物流和氧气流分别穿过旋流器40和42，其中旋流器40和42使这两种流在彼此相反的方向上作螺旋运动。
优选地，相反的螺旋运动具有大致相等的动量值；这样，混合的流正好有利地具有轴向速度分量。
可选地，可能仅提供旋流器40和42的其中之一，随后仅使一种流作螺旋运动。
离开混合室12的另一部分38a，如此得到的气体混合物具有大致为抛物线的速度外形，且其大致在混合室12的另一部分38a的中心处有最大前进速度，在外管32处具有大致为零的速度。
气体混合物接着进入混合室12的部分38，将来自外管32和圆柱管36之间的间隙的惰性流体流供给这里。
在设置旋流器44的情形下，使惰性流体流作螺旋运动。
然而，惰性流体流具有这样的速度外形，从侧壁12a处大致为零的速度开始，直到在离侧壁12a预定距离处增加到惰性流体的最大速度；所述距离根据所使用的速度的操作条件而改变，且举例来说可在0.5mm和3mm之间变化，优选在1mm和2mm之间变化。
在混合室12的部分38中，气体混合物具有大致为抛物线的速度外形，且其大致在部分38的中心处有最大前进速度，在离侧壁12a预定距离处有大致等于连续的惰性流体流的最大速度的速度。
换言之，根据本发明，气体混合物由上述在与气体混合物相同的方向上前进的环流围绕在与混合室12的侧壁12a接触的环形区中。
根据本发明，必要的是，在任何地方，惰性流体的最大速度大于火焰的蔓延速度，以便排除在燃烧室14中产生的火焰向着混合室12蔓延的可能性。在上述条件下，在燃烧室14中产生的火焰不能在混合室12中准确(precisely)产生，因为能燃烧的气体混合物的速度比火焰的蔓延速度更大。
通过本发明的碳氢化合物部分氧化工艺获得的主要优点准确在于，防止火焰返回到具有预混和的燃烧器中。换言之，由于到现在为止，利用本发明，使用具有预混合的燃烧器防止了火焰返回，所以克服了火焰可能返回的非常严重的风险。
当然，为了满足特定和依条件而定的要求，本领域的技术人员可对上述碳氢化合物部分氧化工艺作出各种修改和改变，无论如何，这些修改和改变的全部都由如所附权利要求书所限定的本发明的保护范围所覆盖。

Claims (18)

1.一种用于通过燃烧器(10)获得包含氢和一氧化碳的气体混合物的碳氢化合物部分氧化工艺，其中所述燃烧器包括内侧壁(12a)在至少一个入口(23，23a)和出口(24)之间延伸的混合室(12)，碳氢化合物和氧的独立的气体流分别连续供给所述混合室(12)，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口(24)前进，流进气体混合物自身的燃烧室(14)，
其特征在于，惰性流体流与所述气体混合物一起进入所述混合室(12)并与其内侧壁(12a)接触，随着各个惰性流体环流的形成，包围通过相应的内限制层分离的所述气体混合物，所述惰性流体环流在所述限制层处具有至少等于所述气体混合物中的火焰的蔓延速度的前进速度。
2.根据权利要求1所述的部分氧化工艺，其特征在于，靠近所述混合室(12)的出口(24)供给惰性流体流。
3.根据权利要求1所述的部分氧化工艺，其特征在于，使惰性流体流作螺旋运动。
4.根据权利要求1所述的部分氧化工艺，其特征在于，以相同的轴向速度供给碳氢化合物流和氧气流。
5.根据权利要求4所述的部分氧化工艺，其特征在于，使碳氢化合物流和氧气流中的至少之一螺旋运动。
6.根据权利要求5所述的部分氧化工艺，其特征在于，使碳氢化合物流和氧气流在彼此相反的方向上作螺旋运动。
7.根据权利要求6所述的部分氧化工艺，其特征在于，所述相反的螺旋运动有相同的动量值。
8.根据权利要求1所述的部分氧化工艺，其特征在于，所述惰性流体是蒸汽。
9.一种用于碳氢化合物部分氧化的燃烧器(10)，用于获得包含氢和一氧化碳的气体混合物，其中所述燃烧器包括与燃烧室(14)流体连通的混合室(12)，所述混合室(12)具有在至少一个入口(23，23a)和出口(24)之间延伸的内侧壁(12a)，碳氢化合物和氧的独立的气体流分别连续供给所述混合室(12)，以形成气体混合物，所述气体混合物向着所述出口(24)前进，流进气体混合物自身的燃烧室(14)，
其特征在于，惰性流体流与所述气体混合物一起进入所述混合室(12)并与其内侧壁(12a)接触，以便执行权利要求1所述的工艺。
10.根据权利要求9所述的燃烧器(10)，其特征在于，第一导管(26)承载氧气，第二导管(28)承载到达所述混合室(12)的碳氢化合物，所述第一导管(26)和所述第二导管(28)为两个共轴同心的第一和第二圆柱管，即内管(30)和外管(32)，这两根管包含在所述燃烧器(10)的柱状本体(18)中。
11.根据权利要求10所述的燃烧器(10)，其特征在于，惰性流体流从第三导管(34)流进所述混合室(12)，其中所述第三导管(34)为第三圆柱管(36)，与外管(32)共轴同心设置，且包含在柱状本体(18)中。
12.根据权利要求11所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述第三圆柱管(36)构成柱状本体(18)的内侧壁，所述混合室(12)的侧壁(12a)的端部由靠近柱状本体(18)的出口(24)的第三圆柱管(36)的部分形成。
13.根据权利要求12所述的燃烧器(10)，其特征在于，与第三圆柱管(36)共轴的外管(32)比第三圆柱管(36)要短，第三圆柱管(36)和外管(32)之间的环形间隙供给惰性气体。
14.根据权利要求13所述的燃烧器(10)，其特征在于，与外管(32)共轴的内管(30)比外管(32)要短。
15.根据权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，在内管(30)的端部中，在内管(30)和外管(32)之间的间隙的端部中，和在外管(32)和第三圆柱管(36)之间的间隙的端部中，设置旋流器(40，42，44)。
16.根据权利要求14所述的燃烧器(10)，其特征在于，在限定插入燃烧室(14)中的柱状本体(18)的部分的第三圆柱管(36)的壁中，设置柱状凹槽(46)，所述柱状凹槽与冷却流体的入口配件(48)和出口配件(50)流体连通。
17.根据权利要求16所述的燃烧器(10)，其特征在于，所述入口配件(48)和所述出口配件(50)设置在燃烧室(14)外部，且特征还在于，在柱状凹槽(46)中，设置有柱状挡板(52)，所述柱状挡板限定两个共轴同心的内柱状室(54)和外柱状室(56)，所述内柱状室(54)和所述外柱状室(56)彼此流体连通，且分别与入口配件(48)和出口配件(50)流体连通。
18.根据权利要求17所述的燃烧器(10)，其特征在于，内柱状室(54)限定承载惰性流体的第三导管(34)和混合室(12)的侧壁(12a)的端部。
CN200510078572A 2004-06-18 2005-06-17 用于碳氢化合物部分氧化的工艺和燃烧器 Active CN100588874C (zh)

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