ГОРЕЛКА С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Использование: в высокотемпературных печах, например, для получения углеводородов при паровом крекинге. Сущность изобретения: горелка с предварительным перемешивани-ем 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, не участвующее в горении. Горелка дополни-тельно содержит, по меньшей мере, один патрубок для топочного газа, подключенный од-ним концом к второму отверстию печи, а другим - к первичной воздушной камере. Воз-душное 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 NOx; они включают в себя окись азота, двуокись азота, но не ограниче-ны ими. Снижение выхода NOx является желательной целью для уменьшения загрязнения воздуха.
Горелки могут использоваться как жидкое топливо, так и газ. В горелках, работаю-щих на жидком топливе, может производиться перемешивание топлива с паром перед сго-ранием 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 кон-фигурации и по типу используемого наконечника.
В горелках, работающих на сыром газе, осуществляется непосредственное впрыски-вание топлива в воздушный поток, участвующих в сгорании, причем перемешивание топ-лива и воздуха происходит одновременно со сгоранием.
В горелках с предварительным перемешиванием, перемешивание топлива с некото-рым или полным количеством воздуха, участвующего в сгорании, осуществляется до сго-рания. 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 характери-стик пламени.
Горелки с предварительным перемешиванием используются во многих случаях паро-вого крекинга и в печах для реформинга, главным образом из-за их способности создавать относительно равномерное распределение тепла в секциях этих печей с высоким излуче-нием. 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 № 4629413 на имя МИХЕЛЬСОНА и др., описана горелка с предва-рительным перемешиванием, обеспечивающая низкое содержание NOx, и раскрываются преимущества горелок с предварительным перемешиванием и способа снижения выхода NOx. Этот патент включен в настоящее описание в полном объеме в качестве ссылки. Го-релки МИХЕЛЬСОНА и др. с предварительным перемешиванием уменьшает выпуск Мох посредством задержки перемешивания вспомогательного воздуха с пламенем и обеспече-ния возможности рециркуляции некоторого количества охлажденного топочного газа со вспомогательным воздухом.
В патенте США № 4708638 на имя БЕЗЕРА и др. описана горелка, работающая на жидком топливе, в которой выпуск NOx уменьшается за счет уменьшения температуры пламени. Трубка Вентури в канале для подвода воздуха, участвующего в сгорании, нахо-дящаяся ближе к вихревой форсунке, создает поток топочного газа в канал для подачи воз-духа, обеспечивающего сгорание, из каналов, выходящих в печь. Вихревая форсунка рас-полагается у свободного конца топливного патрубка и перемешивает топочный газ с ос-новным воздухом, обеспечивающим сгорание.
В патенте США № 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 бло-ке горелок, а также препятствующее каплепадению нефтетоплива. Поскольку температура пламени повышается, это устройство не будет обеспечивать снижение выхода NOx.
В патенте США № 4230445 на имя ДЖЕНСЕНА описана горелка, работающая на жидком топливе, которая позволяет уменьшить выход Мох посредством подачи смеси то-почного газа/воздуха через несколько каналов. Топочный газ вытягивается из камеры сго-рания с помощью воздуходувки.
В патенте США № 4004875 на имя ЗИНКА и др. описана горелка, обеспечивающая невысокий выход NOx, в которой сгоревшее топливо и воздух охлаждаются и рециркули-руют обратно в зону сгорания. Рециркулированное сгоревшее топливо и воздух формиру-ются в зоне с дефицитом воздуха.
В патенте США № 4575332 на имя ОПЕНБЕРГА описана горелка, имеющая трубки для газа и нефтетоплива, в которых выход NOx уменьшается за счет прерывистого подме-шивания воздуха, обеспечивающего сгорание, в нефтяное или газовое пламя для замедле-ния сгорания и понижения температуры пламени.
В патент США № 2918117 на имя ГРИФФИНА описана горелка, работающая на тя-желом жидком топливе, которая включает в себя трубку Вентури для втягивания продук-тов сгорания в основной воздух для нагрева входящего воздушного потока, а следователь-но 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 усовершенство-вания существующей горелки для уменьшения выхода NOx, а следовательно снижения за-грязнения воздуха и приведения в соответствии с государственным стандартом. Усовер-шенствование существующей горелки с предварительным перемешиванием по изобрете-нию оценивается приблизительно в 2000 долларов на горелку. Для сравнения замена име-ющихся горелок с предварительным перемешиванием на новые горелки с предваритель-ным перемешиванием с низким выходом Мох приблизительно составила бы от 8000 до 10000 долларов на горелку. Поскольку в печах для парового крекинга может быть установ-лено, например, 50 горелок, модернизация печи для использования настоящего изобрете-ния позволила бы обеспечить существенную экономию при замене горелок печи.
Горелка с предварительным перемешиванием для сгорания топливного газа и воздуха с пониженным выходом NOx 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 перемешива-ется с воздухом у входного конца трубы горелки до зоны сгорания топливного газа и воз-духа, за счет чего уменьшается выход NOx.
Согласно одному варианту выполнения изобретения топочный газ вытягивается из печи в канал в ответ на течение топливного газа через часть трубы горелки с трубкой Вен-тури. 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 па-трубка. 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 соедине-ния с частью печи и патрубком.
Горелка с предварительным перемешиванием дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одноступенчатое воздушное отверстие, выходящее в печь. Воздух окружа-ющей среды проходит в печь через одно ступенчатое воздушное отверстие и втягивается, по меньше мере, в один патрубок для снижения температуры газа, подающегося чеке па-трубок.
Для уменьшения выхода Мох 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 воз-душной 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 направ-лению к выходному концу трубы горелки. Топочный газ перемешивается с воздухом в первичной воздушной камере до зоны сгорания, так что выход NOx 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 ограни-чено 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 введени-ем 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 отвер-стия в печи. Топливный газ и воздух объединяются в первичной воздушной камере. Топ-ливный 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 тече-ние 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 NOx.
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 температу-ру окружающей среды, хотя температура может находиться в диапазоне между температу-рой, 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 изоб-ретения и на которых изображено:
на фиг. 1 представлен в сечении вариант выполнения горелки с предварительным пе-ремешиванием по изобретению;
на фиг. 2 представлен частичный боковой вид горелки с предварительным переме-шиванием 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 пере-мешиванием по изобретению;
на фиг. 7 представлен в сечении боковой вид рециркуляционного патрубка по изоб-ретению;
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 свобод-но 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 регу-лируемый 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 от-верстий 30, которые проходят через под 14 печи в печь. Свежий воздух поступает во вто-ричную воздушную камеру 32 через регулируемый демпфер 34 и проходит через поэтап-ные 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 каме-ре 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, со-держащий, 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 воздуш-ной камере 26, которая расположена перед зоной воспламенения. Следовательно, концен-трация кислорода в первичном воздухе снижается до зоны сгорания, тем самым замедляет-ся сгорание и в результате уменьшается выход NOx. 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 вы-тяжного действия топливного газа через участок 19, с трубкой Вентури. Как уже говори-лось выше, окружающим воздухом может быть свежий воздух. Перемешивание окружаю-щего воздуха с топочным газом понижает температуру горячего топочного газа, текущего через патрубки 36, 38 и, тем самым, существенно увеличивает долговечность трубопрово-дов и обеспечивает возможность использования горелки этого типа для снижения выхода NOx в высокотемпературных крекинговых печах, имеющих температуру топочного газа выше 1900° F (1037,8°С) в излучающей секции печи.
Смесь, состоящая приблизительно на 50% из топочного газа и 50% воздуха окружаю-щей среды, преимущественно должна быть втянута по патрубка 36, 38. Желаемые пропор-ции топочного газа и окружающего воздуха могут быть получены посредством соответ-ствующего расположения и/или конструкции патрубков 36, 38 по отношению к воздуш-ным 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 то-почного газа и окружающего воздуха.
Смотровое и запальное отверстие 50 расположено в нагнетательной камере 48 горел-ки как для возможности осмотра внутренней части горелочного узла, так и для обеспече-ния доступа для зажигания горелки. Нагнетательная камера горелки для обеспечения ее изоляции может быть покрыта звуконепроницаемой минеральной тканью 52, а также экра-ном 54 из проволочной сетки.
Альтернативный вариант выполнения горелки 10 с предварительным перемешивани-ем 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 предваритель-ным перемешиванием для ее модификации. Если обратиться к фиг. 6, то отверстие 58 обра-зуется в поде 14 печи, а отверстие 60 образуется в стенке нагнетательной камеры 48 горел-ки. 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 мо-гут быть эластичными и изготавливаться из какого-либо приемлемого теплостойкого ма-териала. Как вариант, один или оба уплотняющих мешка могут не использоваться и рецир-куляционный 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 NOx, как показано на фиг. 7, 8 и 9, где одинаковые де-тали 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 то-почный 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 подоб-ный элемент управления запаливанием также может быть использован в вариантах выпол-нения согласно фиг. 1 и 5.
Горелки с предварительным перемешиванием по изобретению могут быть использо-ваны 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 темпе-ратуре 60° F (15,5° С) подается через демпфер 28 в первичную воздушную камеру 26. Воз-дух с расходом 2760 фунтов в час (1270 кг/час) при температуре 60° F (15,5° С) подается через демпфер 34 во вторичную воздушную камеру 32 и проходит через воздушные отвер-стия 30 с расходом 2400 фунтов (1080 кг) в час при температуре 60° F (15,5° С). В результа-те топливный газ и топочный газ у наконечника 20 горелки проходят с расходом 1550 фунтов (697,5 кг) в час при температуре 2100° F (1149° С). Воздушные отверстия 30 и па-трубок 56 располагаются таким образом, что топочный газ с расходом 380 фунтов (172 кг) в час при температуре 1840° F (1004° С) 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%, 02 и находится в патрубке 56 при температуре 1025° F (552° С).
Как говорилось выше, охлаждение топочного газа посредством свежего воздуха по-вышает срок службы рециркуляционного патрубка 56. Рециркуляционный топочный газ снижает концентрацию О2 в воздухе, участвующем в сгорании, а это понижает температу-ру пламени и, следовательно, уменьшает выход NOx.
Хотя горелки с предварительным перемешиванием по изобретению описаны приме-нительно к зажигаемым с пода печам для углеводородного крекинга, они также могут быть использованы на боковых стенках таких печей или в печах для осуществления иных реак-ций или функций.
Следовательно, можно видеть, что посредством использования этого изобретения может быть уменьшен выход NOx в горелках с предварительным перемешиванием без ис-пользования вентиляторов или специальных горелок. Система рециркуляции топочного газа по изобретению легко применима для модификации существующих горелок с предва-рительным перемешиванием.
Хотя изобретение описано со ссылками на конкретные устройства, материалы и ва-рианты выполнения, оно не ограничено конкретным раскрытием и охватывает все эквива-ленты в объеме, определяемом формулой изобретения.

Патент США № 4629413, кп. F 23 М кл. F 23 М 3/00,1986.