[發明專利]用于生產合成氣的燃燒器

在審

• 申請號: 201380046199.5
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN104603047A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 盧卡·桑尼克里;達妮埃爾·胡邁爾
• 申請（專利權）人: 卡薩爾公司
• 主分類號: C01B3/36
• 分類號: C01B3/36;C01B3/38;B01J19/00;F23D14/22;F23D14/48
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華;石磊

技術領域

本發明涉及用于生產合成氣的工藝燃燒器，特別地用于涉及烴源的過化學計量(over-stoichiometric)燃燒的工藝過程，例如自熱重整或部分氧化。

背景技術

多種化學商品，例如甲醇、氨、合成汽油、合成烯烴、塑料等的生產需要將烴源轉化為合成氣。例如，所述烴源是天然氣、石腦油、重油、殘留物、煤等中的任何物質。所述合成氣基本上是一氧化碳和氫氣的混合物。

所述轉化通常通過蒸汽重整或烴源的過化學計量燃燒(OSC)進行。OSC借助于超過化學計量的量的燃料被執行，也就是說借助于不足量的氧化劑被執行，所述氧化劑可以是空氣或富氧空氣或純氧。在歷史上，蒸汽重整已經被優選用于處理輕產品，例如天然氣或石腦油，然而OSC已經被優選用于處理較重的產品，例如重油、殘留物、煤等。

然而，大容量的設備(例如，大型制氨設備和制甲醇設備)的當前趨勢導致OSC的更普遍的應用，包括輕質烴源如天然氣的處理。其原因是，由于限制了相關設備的尺寸和工作壓力，蒸汽重整對于大型裝置變得不切實際。

因此，對于烴源的過化學計量燃燒的興趣與日俱增。兩種常見的用于OSC的技術是自熱重整(ATR)和部分氧化(POX)。ATR通常用于天然氣和石腦油，而POX通常用于天然氣、石腦油、重油、殘留物和煤。

ATR和POX都涉及烴源與氧化劑(氧氣、空氣或富氧空氣)與加壓蒸汽(2巴至150巴范圍)在帶有耐火材料襯套的壓力容器中的過化學計量燃燒。所述蒸汽可與烴源或氧化劑中的任一個混合。ATR特點是存在催化床，并且反應器出口的工作溫度通常在950℃-1050℃的范圍內，催化劑進口的工作溫度通常在1200℃左右。部分氧化在更高的溫度(在反應器出口為1300℃-1700℃)下進行，并且不存在催化劑。

用于烴源的OSC的燃燒器基本上包括主體和用于在燃燒器外部且在所述壓力容器內部形成擴散火焰的噴嘴。例如，自熱重整器的工藝燃燒器被安裝在重整器的頂部，并且在重整器的燃燒室內形成擴散火焰，所述重整器位于催化床上方。

所述噴嘴被設計成適當地傳輸氧化劑和烴源，以便在壓力容器內形成擴散火焰。應當指出的是，所述擴散火焰和燃燒反應在燃燒器本身以外、在燃燒室內發生。在這個方面，用于OSC的工藝燃燒器不同于常規的用于產熱的燃燒器，其中，所述燃燒室是燃燒器的組成部分，所述火焰在燃燒器本身的內部產生，只有熱的燃燒氣體離開燃燒器。

燃燒器的噴嘴暴露于大約1000℃或更高的溫度。為了應對這樣的高溫，當前用于OSC的燃燒器是由高溫金屬合金(例如Ni-Cr-Fe合金，如因科鎳鉻不銹鋼(incoloy)、因科鎳合金(inconel)或哈司特鎳合金(hastelloy))制成的，并且通常具有容許冷卻介質在噴嘴內部循環的雙壁結構。通常，冷卻介質是加壓水。

然而，水冷的燃燒器具有許多缺點。

第一個缺點是水冷給燃燒器設計增加了相當大量的復雜度，包括：滑動密封、焊接和復雜的幾何形狀的機械加工，這是因為必須在噴嘴尖端區域建立用于冷卻水循環的封閉路徑。

另一個缺點是所述噴嘴必須被設計成具有相當大的壁厚，典型地在10mm至20mm的范圍內，以便承受內部和外部之間的壓力差。然而，這樣的壁厚傾向于增加熱應力。

更具體地，水冷式噴嘴基本上是中空的主體，所述中空主體外側暴露于熱的合成氣的壓力，內側暴露于冷卻水的壓力。熱的合成氣的壓力在正常運行期間通常是約30巴或者更高。在某些實施方式中，冷卻水的壓力接近于合成氣的壓力，或者甚至高于合成氣的壓力，例如，水壓是15巴至30巴或者更高。根據其他實施方式，冷卻水的壓力顯著地低于熱的合成氣的壓力，例如，水壓為幾巴。然而，無論水壓如何選擇，都會發生所述噴嘴承受內部和外部之間的相關壓力差。

采用高壓水冷系統，在正常運行期間合成氣的壓力可以通過水的壓力來平衡；然而，當合成氣一側的壓力是低的且所述噴嘴不得不承受冷卻水的壓力時，所述燃燒器在啟動和關閉階段期間會被壓迫。另一方面，采用低壓水冷系統的噴嘴在正常運行期間會被合成氣一側的壓力壓迫。在這兩種情況下，所述噴嘴必須被設計具有厚的壁以便抵擋內部和外部之間相關壓力(例如15巴或30巴)差。

然而，從熱應力的角度，采用這種厚壁是不利的。一般來說，這是因為通過所述噴嘴的冷卻壁的溫度梯度是直接與壁的厚度成正比的，但是，較高的溫度梯度意味著較高的熱應力。在POX燃燒器或ATR燃燒器的極端運行條件下，熱應力引起熱的一側的材料的局部增塑作用。一旦熱應力(溫度梯度)消除，增塑的區域不能恢復它的原始的形狀，這導致熱棘輪效應和疲勞裂紋的形成。