用于加料控制的方法、系统和设备的制作方法

专利名称：用于加料控制的方法、系统和设备的制作方法
技术领域：
这里公开的实施例涉及气体燃烧器和为该燃烧器的加料。
背景技术：
燃烧器已知使用燃料以经文氏管吸入空气，并引导然后运送入熔炉的预混合空气-燃料混合物。文氏管组件，特别是文氏管的喉部区域被设计，使得对于期望的燃料流， 吸入的空气量略高于完全燃烧所需的化学计量的量。完全燃烧所需的空气被确定作为空气流，该空气流提供使燃料燃烧成(X)2和H2O所需的氧气。典型地，在文氏管组件的下游有偏转器、帽或栅格组件，以便改变混合物的流动方向以控制火焰的方向，和/或产生离开燃烧器以防止回火的充分速度。回火是一种现象，其中燃料反应(燃烧)的速度比从燃烧器的流出物的速度更快，并且因此，燃烧能够向后回到燃烧器本身，并由燃烧的高温导致对燃烧器组件的损坏。美国专利6，616，442公开了一种燃烧器，该燃烧器被设计成位于熔炉基底用于垂直向上燃烧辐射壁。具有一个将空气吸入文氏管组件的主喷嘴，和位于文氏管组件下游的栅格被设计成提高进入熔炉的燃料-空气混合物的速度，以便防止回火。该文氏管组件被设计，使得只有在整个熔炉中燃烧的燃料的一部分用于吸入全部所需的空气。因此，该文氏管具有预混合空气-燃料的流出物，该预混合空气-燃料是富空气(贫)的预混合空气-燃料。燃料的平衡在位于燃烧器边缘的第二端口中被添加。已知具有贫预混合(LPM)技术的燃烧器。LPM技术已用于低NOx燃烧器中并使用文氏管组件以吸入空气。这种布置被设计成形成进入熔炉的贫(富空气)燃料混合物。包含在燃烧器中的第二燃料端口位于文氏管组件外部，并增加附加燃料以达到通常略高于化学计量燃烧条件。重要地是要注意到燃烧器的燃料注入点的位置确定了火焰质量和该火焰的NOx的生产。如果期望减少空气流，则减少主端口的燃料。这将吸入更少的空气。可选地，文氏管上游的阻尼器用于产生压降，该压降将防止空气流到文氏管。这种减少的空气流在文氏管组件流出物中产生不同的空气-燃料混合物。在极端情况下，在该点无燃料提供，并且仅基于熔炉自身的自然通风将空气抽入文氏管中。利用极端贫燃料混合物(少量燃料与空气预先混合)和第二端口中燃烧的实际燃料产生的火焰将不稳定。美国专利6，607，376公开了一种在熔炉壁上燃烧的燃烧器。该燃烧器包括文氏管组件，其中通过文氏管喉部处的主端口的总体燃料流产生空气流。该文氏管组件被设计， 使得由燃料吸入的空气量将导致空气-燃料混合物略超过化学计量。在主位置处的燃料流和阻尼器组件是用于改变空气流的装置。然后，离开文氏管的预混合空气-燃料混合物通过具有孔的盖沿壁被引导，以实现来自壁燃烧器的径向流。美国专利6，796，790也公开了一种在熔炉壁上燃烧的燃烧器。在描述实施例中， 主燃料用于经文氏管组件吸入空气。该文氏管组件被设计，使得燃料将相对于主燃料提供过量的空气。然后，来自文氏管的富空气(贫燃料)流出物引导通过具有孔的盖，以沿炉壁引导火焰。然而，在这种情况下，附加燃料被注入在文氏管组件和盖的外部，直接进入熔炉。当混合物从盖组件出来时，该燃料与富空气混合物混合，其中在燃烧器附近产生的空气-燃料混合物稍微超过化学计量。化学计量的燃烧被定义为将燃料完全燃烧为二氧化碳和水的空气(或氧气)量。 这对应于燃料的最大火焰温度。典型地，以稍微过剩的空气进行燃烧，典型地为10-15%。 这提供了对燃烧的控制，而使由更多量的过量空气产生的能量损失最小，使熔炉超过周围的温度。如果以低于化学计量条件(富燃料)进行燃烧，未燃烧的燃料保留在表现能量损失和污染的废气中。如果以正好超过化学计量进行燃烧，则因为离开系统的热过量空气而存在明显的能量损失。热NOx的形成受火焰温度影响。该最大火焰温度在化学计量燃烧的点处。这将形成最大化的热NOx。已知技术在富空气(超过化学计量)或富燃料(低于化学计量)的条件下的操作将降低火焰温度，并且因此减少NOx。一定低的NOx燃烧器被设计用于来自文氏管的贫条件，以降低主火焰温度并减少NOx，但然后将次级燃料注入(分级)到燃烧器上方的主火焰中，以提供总体略超过化学计量的条件。由于还存在熔炉中的较低温度废气与火焰的燃烧气体的混合，分级的最终结果是具有较低的燃烧温度。美国专利发布第2005/0106518A1号包括燃烧器设计和燃烧模式装置，其中乙烯炉的炉膛燃烧器利用超过化学计量水平的空气进行操作。该过量空气不是通过增加空气流产生，而是通过从炉膛燃烧器的第二端口去除燃料并且然后使该燃料注入通过刚好在炉膛燃烧器上方的加热器的壁而产生的。通过在从炉膛燃烧器的主火焰后面产生低压区，这将火焰拉到该壁。通过主端口的燃料流仍然控制吸入的空气总量和空气流，为此，燃烧器保持相同。在炉膛或壁燃烧器用的文氏管组件的设计中，一个极重要的特征是燃料的容积热值和所需空气与燃料比率，以取得化学计量燃烧。乙烯工厂或精炼加热器的典型气态燃料是主要包括甲烷和氢的混合物。这种燃料的每磅燃料需要约20磅的空气，以供应化学计量燃烧所需的氧气。然而，在一些其它燃烧情况中，其它燃料可以是更适当的选择。这种燃料中的一种是一氧化碳(CO)和氢气的混合物组成的合成气体。这种混合物具有较低的容积热释放，并对于化学计量燃烧来说需要更少的空气每磅燃料需要3磅的空气。容积热释放被定义为每体积的燃料完全燃烧所释放的热量。例如，如果燃料包括C0，碳已经被部分氧化 (燃烧)，并且因此与如果该燃料仅包含烃成份相比，当CO燃烧为(X)2时释放更少的能量。如果具有典型文氏管组件的燃烧器被设计用于给定燃料，例如甲烷-氢混合物， 它很难利用明显较低容积的热释放的燃料操作该燃烧器，例如合成气体。对于作为甲烷-氢燃料进入文氏管喉的相同质量的主燃料流，合成气体将吸入相同量的空气。由于为实现化学计量条件，与合成气体所需3的空气-燃料比率相比，甲烷-氢混合物需要20的空气-燃料比率，这表示比燃料所需多得多的空气。因此，具有被设计成用一种气态燃料进行操作的燃烧器的熔炉无法用需要不同空气流的明显不同的燃料进行有效地操作。如果燃烧器设计用于合成气体燃料，在其设计用于的合成气体变得不可用的情况中，无法容易地调节以燃烧其它气体。

发明内容
应该有用的是提供一种燃烧器和加料系统，其能够方便调节以使用不同燃料类型进行操作。有利地的是还提供一种燃烧器，其对于给定燃料来说，允许空气-燃料比率具有较小变化。此外，应该有用的是提供一种控制系统，其在加入单一燃料时允许实现燃料切换以及控制空气-燃料比率。一个实施例是一种控制燃烧器中空气与燃料比率的方法，该燃烧器包括文氏管组件，所述文氏管包括上游空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部； 喉部下游的扩散部；和出口。第二气体入口位于会聚部的下游和出口的上游。所述方法包括将燃料引入主注入燃料入口 ；通过吸入经空气入口接收空气；和经第二气体入口供给气体。经第二气体入口供给的气体的流量和成份被选择以产生通过出口的适当的空气-燃料比率。该燃料通常具有在约lOOBTU/stdcuft到约1200BTU/stdcuft范围内的热值，然而可选地，可以具有较高或较低的热值。例如，可以是诸如高氢燃料的高热值燃料，或诸如合成气体的较低热值燃料。在许多情况中，传统燃料和合成气体能够交替地供给。经第二气体入口供给的气体可以是燃料、惰性气体或燃料与惰性气体的组合。该文氏管组件有时包括扩散部下游的管状部；并且第二气体入口形成在管状部上。在一些情况中，改变第二气体入口下游的流向和流量中的至少一个。对流阻部件可进行改造。在一些情况中，吸风通风扇包括在出口的下游。有时，包括阻尼器以提供对经空气入口的空气的流量的额外控制。在其它情况中，不包括阻尼器。在许多情况中，体积热值在约lOOBTU/stdcuft到约1200BTU/stdcuft范围内的燃料能够交替地使用。另一实施例是一种向具有至少一个燃烧器的加热器供给燃料的方法，所述至少一个燃烧器包括文氏管组件，所述文氏管组件包括上游空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；在会聚部下游的喉部；在喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口，所述方法包括将燃料引入主注入燃料入口 ；燃料将空气吸入到空气入口中；和通过第二气体入口供给气体，其中具有选定的空气-燃料比率的空气和燃料的混合物通过出口从文氏管组件离开。在特定情况中，文氏管具有位于第二气体入口下游的阻力部件。在一些情况中，诸如当燃料具有低热值时，加热器具有多个炉膛燃烧器和多个壁燃烧器；并且该方法还包括经至少一个额外端口供给至少一部分具有低热值的燃料，该至少一个额外端口位于邻近炉膛燃烧器的第一位置和在壁燃烧器下面和炉膛燃烧器上方的加热器的壁中的第二位置中的至少一个位置处。另一实施例是包括文氏管组件的燃烧器，该文氏管包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部；喉部下游的扩散部；和出口。第二气体入口位于会聚部的下游和出口的上游。另一实施例是一种控制包括文氏管组件的燃烧器组件中空气与燃料比率的加料控制系统，所述文氏管组件包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部；喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口。该加料控制系统包括第一流控制设备，其配置以控制主注入燃料入口处的燃料入口流；和第二流控制设备，用于控制第二气体入口处的气体入口流。有时，第一和第二流控制设备的至少一个是阀或压力调节器。在一些情况中，包括阻尼器，用于帮助控制空气入口流量。
另一实施例是用于熔炉的加料控制系统，该熔炉包括炉膛；侧壁；和具有包括文氏管组件的至少一个燃烧器的燃烧器组件，该文氏管组件包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部；喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口。该加料控制系统包括第一流控制设备，其配置以控制到主注入燃料入口的燃料入口流；和第二流控制设备，配置以控制到第二气体入口的入口流。根据燃料的成份、燃料的热值、加热器出口处的氧含量和通过文氏管组件的期望空气流的至少一个改变通过第一和第二流控制设备的流量。有时，该燃烧器组件包括在炉膛或壁上的至少第一组分级燃烧器端口 ；并且该加料控制系统还包括另外的流控制设备，其配置以控制到第一级分级燃烧端口的入口流。在这个上下文中，一 “组”分级燃烧器端口可包括单个端口或多个端口。在一些情况中，包含第三流控制设备，其配置以控制在邻近第一级分级燃烧器端口的第二组分级燃烧器端口处的低热值燃料的入口流。另一实施例是用于熔炉的加料控制系统，该熔炉包括炉膛；侧壁；熔炉燃料入口 ；和包括具有第一燃料入口和第二燃料入口的文氏管组件的燃烧器。该加料控制系统包括氧分析部件，其配置以确定熔炉的燃烧后氧含量。该氧分析部件用于调节到文氏管组件的第一和第二燃料入口的相对燃料流量。另一实施例是用于熔炉的加料控制系统，该熔炉包括炉膛；侧壁；和具有熔炉燃料入口和补充燃料入口的燃烧器。该加料控制系统包括燃料分析部件，其配置以确定在燃料入口处的燃料具有较低热值还是较高热值。该燃料分析部件用于控制到熔炉燃料入口和补充燃料入口至少一个的燃料的流量。另一实施例是熔炉，包括多个炉膛燃烧器；多个壁燃烧器；第一组分级燃烧器端口，用于多个炉膛燃烧器和多个壁燃烧器的至少一个；和与第一组分级燃烧器端口相邻的第二组分级燃烧器端口，其中仅第一组分级燃烧器端口用于具有较高热值的燃料，并且其中第一组和第二组分级燃烧器端口均用于具有较低热值的燃料。


图1示意性地显示了文氏管组件的实例。图2示意性地显示了熔炉用的炉膛燃烧器的实例。图3示意性地显示了壁燃烧器的实例。图4示意性地显示了实现控制单一燃料的空气-燃料比率的加料控制系统的实例。图5示意性地显示了加料控制系统的实例，其允许熔炉的操作能够可选地加入两种不同体积热值的燃料并且用于在两种燃料之间切换。图6显示了计算的流体动态模拟的结果，其显示了在使用除燃料以外的第二气体的一个实施例中，第二端口流和下游阻力对空气流的影响。图7显示了计算的流体动态模拟的结果，其显示了使用燃料以外的第二气体，第二端口流和下游阻力对空气流的效果，该结果表示为空气-燃料比率。图8显示了计算的流体动态模拟的结果，其显示了当燃料被添加在第二文氏管端口中时，第二端口流和下游阻力对空气流量的影响。
图9显示了计算的流体动态模拟的结果，其显示了当燃料被添加在第二文氏管端口中时，第二端口流和下游阻力对空气燃料比率的影响。图10显示了计算的流体动态模拟的结果，其显示了下游端口位置对混入空气的影响。
具体实施例方式这里描述的实施例提供了在相同熔炉中交替燃烧诸如合成气体和传统燃料源的熔炉燃料的灵活性。如果主燃料源出现中断的话，公开的实施例使工厂能够容易地在燃料源之间切换。它们还提供了改进的能力当使用单一燃料或在体积热值很不同的燃料之间切换时，用以控制到熔炉的总燃烧空气比率和/或容易调节在炉膛与壁燃烧器之间分离的空气。实施例特别适合与乙烯炉一起使用，而且能够与其它类型的熔炉一起使用。这里使用的“流阻部件”表示接近燃烧器出口或在燃烧器出口处定位的设备，该燃烧器出口引导流和/或改变流量。这里使用的“燃料体积热值”是指一单位体积的该燃料的完全燃烧的热量释放。这里使用的“传统燃料”指混合物，该混合物包括在进入熔炉时以蒸汽存在的甲烷、氢和更高碳氢化合物。传统燃料的非限制实例包括炼油或石化燃气、天然气或氢。这里使用的“合成气体”被定义为包括一氧化碳和氢的混合物。合成气体燃料的非限制实例包括石油焦炭、真空减压渣油、煤炭或原油的气化或部分氧化的产物。通常表述，描述了控制燃烧器中的空气一燃料比率的方法、燃烧加热器、燃烧器、 熔炉的方法和控制系统，其提供了在不使用阻尼器或其它设备的情况下对空气流的控制， 或提供了与阻尼器或相类似物一起的扩展控制。在许多情况下，燃烧器、方法和控制系统能够交替地使用具有大范围变化的气态燃料体积热值的燃料，其包括那些甲烷/氢混合物和合成气体。通常，燃料具有约100-1200BTU/stdcUft范围的体积热值，并在多数情况下约为 200-1000BTU/stdcuft。一个实施例是用于燃烧器的燃烧控制的方法。诸如燃料或蒸汽的气体被引导通过在文氏管组件下游端部处的第二气体入口，其包含了预先混合的空气和燃料。通过改变经主燃料端口传送的燃料的相对量和以与相同的总燃料流相同的传送到第二气体入口的气体的相对量，可以改变抽入熔炉的空气的流量。因此，该系统实现了空气与燃料的比率控制，而无需改变感应的通气风扇速度或在文氏管入口上游使用空气流节气阀。另一优点在于通过包括多种阻力部件或具有可调节阻力的单个部件，接近文氏管出口，可以改变流控制范围。典型地包括用于分析吸入以确定空气流的燃烧器中的氧的设备。另一实施例是用于熔炉的燃烧控制的方法。它将独立的燃烧器控制系统与另外燃料喷嘴和控制阀组合以实现灵活性，该独立的燃烧器控制系统包含进入文氏管组件的主气体引导装置和在扩散区下游但在出口上游的气体入口。这种系统能够被配置以实现对宽范围的体积热值燃料进行燃烧控制，并且特别用于设计燃烧器，以对从诸如天然气的传统燃料到合成气体燃料的多种燃料进行操作。另一实施例是包括文氏管组件的燃烧器。该燃烧器包括在预混合空气到燃料炉膛燃烧器和/或壁燃烧器的文氏管的扩散区下游的组件中的第二气体入口。该第二气体入口通常是注入端口。在一些情况中，该第二气体入口是位于沿文氏管组件的轴线引导燃料的文氏管的轴向中心处的末端。该文氏管组件包括空气入口 ；主燃料注入点；会聚区，其中空气或其它适合的含氧气体被吸入到该会聚区中；喉部；用于压力恢复的扩散或膨胀区； 和用于将燃料-空气混合物喷射入炉外壳的出口。第二气体入口位于喉的下游和出口的上游。在第二气体入口中使用的气体可以或者是炉燃料或诸如蒸汽或氮的惰性气体。在许多情况中，流阻部件包括在第二气体入口下游和出口的上游。因为在传统燃料和合成气体之间的燃料与空气比率具有的较大变化，在乙烯炉和相类似物中使用的当前燃烧器无法在传统燃料与合成气体之间切换。例如，合成气体的相同热量释放需要比传统甲烷/氢燃料的燃料速度大5倍的燃料比率。然而，所需空气速度不及30%。在传统熔炉中，尺寸适用于合成气体操作的一组燃料端口将不会吸入使用传统燃料操作所需的正确的空气量。因此，两个不同燃烧器或对于给定燃烧器的两组不同内部结构，将需要实现燃料切换。在一种情况中，这表示明显额外成本，并且在另一种情况中，将需要停工以切换燃烧器内部结构。两者均是不适当的。相对地，公开的实施例允许单个燃烧器通过将燃料从吸入端口切换到会聚区下游的第二气体端口、而不是从出口或阻力部件 (如果包括)上游切换到会聚区下游的第二气体端口，从而实现处理两种燃料。此外，另外的燃料端口能够被包含在炉膛燃烧器的第二末端的位置，并且被包含在壁燃烧器的壁上， 以允许另外的较低体积热释放燃料的燃料流。这些能够通过来自在线燃料成份分析的信号 (例如Wobbe表)启动。在文氏管中的第二气体端口的使用允许两种类型燃料保持稳定的火焰。如果突然没有合成气体的供应，它还允许无缝转换为使用传统燃料，或反之亦然。与传统燃料比率相比，第二气体端口确定尺寸以处理大部分的较高合成气体燃料速度，而且能够用于传统燃料。通过适当地设计燃料吸入端口和文氏管组件的第二气体端口，并且在一些情况中，通过在第二端口下游包括系统作为“流体阀”操作的流阻部件，实现合成燃料和传统燃料的燃烧控制，并且在燃料之间容易地切换。与文氏管的设计相关的变量，包括喉部长度和直径、扩散区的角度等均可操作，并都用于设订空气流的总设计点。主燃料注入与第二燃料注入的比率和下游阻力则用于确定设计点周围的控制范围。此外，在任何给定条件下，沿其中第二气体进入的文氏管组件长度的确切点和该气体进入的方向均影响吸入空气的量。这里描述的实施例的另一个优点在于通过改变到第二气体入口的气体速度和气体类型，它们提供了改进的能力，以控制总空气速度和在炉膛与壁燃烧器之间分离的空气。 这适用于任何给定燃料。在传统燃烧器中，通过调节入口空气室中空气阻尼器位置控制空气速度。这是一种费时的控制技术，有时不精确。对于传统技术，燃料能够从分级燃料端口切换到文氏管喉部端口，以控制空气，但这会明显改变火焰形状，并且在乙烯炉中，负面地影响管材金属温度和运转周期。该第二气体入口的优点在于这种新端口有利于控制通过给定燃烧器的空气流，到该燃烧器的总燃料流没有变化，并且无需改变阻尼器位置或感应通风扇速度。通过使燃料在文氏管上的喉部与第二端口之间移动，经文氏管吸入的空气速度能够得到调节，而不会改变经过文氏管的总燃料流，并且因此不用改变对过程的热输入。 此外，该燃料在燃烧器的燃烧区内的相同点处引入。这将使对火焰形状的影响最小，同时提供空气分离控制和最大管材金属温度和温度分布的控制。另外，通过在第二气体入口中引入代替燃料的惰性气体，总的空气流量也能够得到调节，而不用改变燃料流和阻尼器设置， 并且不会影响燃烧器火焰形状。文氏管组件中的第二气体入口的另一优点在于当操作乙烯炉时，这种新端口有利于两种不同燃烧源之间的快速转换。因为传统燃料与合成气体的很大不同的热值，恒定燃烧所需的合成气体燃料速度比传统燃料比率大约高5倍。然而，对于合成气体的空气速度大约低30%。使用文氏管上的第二气体端口允许与两种燃料一起操作，因为相同尺寸的主燃料注入端口与文氏管喉部几何尺寸可被用于吸入正确量的空气。目前，空气入口通路中的阻尼器用于调节空气流以适应燃烧条件的变化，或燃料气体成份的轻微变化，同时试图保持对加热器的恒定热量输入，以保持恒定过程性能。燃烧性能通常通过分析流出废气的氧含量进行监控，并且操作人员试图控制到给定水平的氧， 从而控制空气/燃料比率。阻尼器由手和/或使用称作传动轴的机构链接调节，它们麻烦并对于较小变化不敏感。在一些情况中，当使用新燃烧器时，可以提升阻尼器。参照图并首先参照图1，显示了文氏管组件，并且总体指示为附图标记10。该文氏管组件10具有带有空气入口 14和主燃料入口 16的上游会聚部12。该会聚部12的下游端被连接到喉部18。扩散部20被连接到喉部18的下游端。第二气体入口 22位于会聚部12 的下游。在图1中所示的实施例中，该次级燃料入口 22位于会聚部20下游和出口 M上游的管状部23。该第二气体入口 22被配置以容纳或者惰性气体或附加燃料。该第二燃料入口典型是管，其被定向，使得气体沿文氏管中线轴向供给。通过调节流量和导入第二气体入口 22的物质，在文氏管组件中和在出口 M处的空气与燃料比率能够得到控制。图2显示了裂解炉的实例炉膛燃烧器组件30。炉膛燃烧器组件通常包括耐火砖， 其提供燃烧器的金属内部部件的外壳，并用作那些金属部件的热屏障。在耐火砖内，存在对注入燃料、控制空气与或燃料流的方向和控制涡流的规定，以实现火焰稳定性。图2显示了具有如上所述内部构件的燃烧器耐火砖60，包括文氏管组件和燃料注入端口。在这个燃烧器中总共使用了 6个文氏管，并且图2显示了两个文氏管32，33。可具有任何数量的平行文氏管，并且典型地具有约1到6个。在文氏管32中，燃料注入通过会聚区36中的主燃料注入端口 34。从这个端口的喷射在文氏管喉部38产生低压，其经空气入口 40将燃烧空气吸入文氏管组件，并进入会聚部36中的环形空气入口 42。燃料和空气在文氏管喉38中混合，并且流经会聚部42并进入炉子的燃烧器耐火砖60。燃料与空气混合物经过可选的阻力部件46，诸如栅格，并在文氏管出口 48处从文氏管组件32离开。该出口 48典型地不会突出到耐火砖60的上水平表面上方。所示炉膛燃烧器组件还显示包括第二分级燃料端口 58 和第三级燃料端口 56。这些分级燃料端口典型地位于耐火砖外围本身的边界外部，但经过耐火砖的边缘。它们以某一角度将燃料注入到从耐火砖的边界出来的燃料和空气的混合物中。通过这些端口的燃料被认为是炉膛燃烧器的部分总体燃料。如果包括可选的空气阻尼器50，通过调节空气阻尼器50的垂直位置，可以部分手动控制空气流。不管包括空气阻尼器50与否，通过经位于会聚区下游和文氏管出口 48上游的至少一个第二气体入口 52，通过燃料、惰性气体或燃料与惰性气体的混合物的注入进一步控制空气流。在图2中，第二气体入口 52位于文氏管组件的会聚部42的下游端和耐火砖49的表面下方。这实现了在可接近位置处气体的方便运送。通过包括至少一个第二气体入口 52， 另外的燃料或惰性气体能够在该位置增加到系统。例如当正使用的燃料具有低空气与燃料化学计量比率时，诸如对于合成气体，或当正使用的燃料具有高空气与燃料生物计量比率， 诸如传统的甲烷-氢燃料，这个入口能够被使用。对于一些燃料类型，可以不使用第二气体入口。然而，它存在以在单个燃烧器中适应多种燃料类型。该第二气体入口 52可位于文氏管组件的会聚区36下游的任何地方，并且通常位于扩散区42中或在扩散区42下游的管状区W。在单个文氏管中可包括一个以上第二气体入口。在一些情况中，该第二气体入口 52被定位接近文氏管出口，以避免破坏扩散区42 中的压力恢复。虽然在图2中未显示，为第二气体入口 52进料的管会经文氏管槽的侧壁进入，并向上转向。该阻力部件46被确定尺寸不仅用于引导流或使回火最小，而且通过改变第二端口流量提供压降，用于控制空气流的范围。该压降影响在恒定文氏管吸入流处文氏管下游的压力，从而影响吸入空气的流量。图3显示了具有文氏管组件82的裂解炉的壁燃烧器组件80的实例。可以存在任何数目的平行文氏管。典型地，在乙烯炉中，每个壁燃烧器具有一个文氏管组件。多个壁燃烧器可位于乙烯炉的壁上。在文氏管82中，燃料经主燃料端口 34注入，并且燃料空气经空气入口 88被吸入文氏管组件。燃料与空气在文氏管中混合，并经孔92流入炉。通过使用文氏管出口上的盖94，该流被沿熔炉的壁径向引导。孔92的尺寸和盖94产生的流动方向改变组合产生压降。当它进入炉以避免回火时，这种组合实现了流的控制和混合速度的增加。如果包括可选的空气阻尼器96，通过调节空气阻尼器96的垂直位置，可部分手动控制空气。不管是否包括空气阻尼器96，经位于会聚区下游的至少一个第二气体入口 98，通过燃料、惰性气体或燃料与惰性气体的混合物的注入，可进一步控制空气流。在图3中，第二气体入口 98位于接近炉壁99但在炉壁99上游的扩散区中。通过包括至少一个第二气体入口 98，另外的燃料可在这个位置加到系统，当正使用燃料需要低空气与燃料化学计量比率时，诸如合成气体，和惰性气体(或无气体)可在这个位置加入，并且当正使用的燃料需要较高空气与燃料生物计量比率，诸如传统的甲烷-氢燃料时，惰性气体(或没有气体)可在这个位置增加。该文氏管组件、燃烧器组件和方法提供了控制经过炉膛与/或壁文氏管的空气速度的灵活性，以实现如下目标(a)对于任何类型的燃料，同时在炉膛和壁燃烧器中使用第二气体入口允许在壁与炉膛燃烧器之间分离的空气变化，同时保持到熔炉的恒定总燃料和空气速度。还可以保持到炉膛燃烧器的恒定燃料速度和到壁燃烧器的恒定燃料速度。这种水平的控制可用于限制最大管材金属温度，并延伸运转周期。通过增加炉膛燃烧器中的空气燃料比率并减小壁燃烧器中的这种比率，可在恒定燃烧实现最大金属温度的减小。使用第二气体入口允许采用如下方式执行(1)为增加炉膛空气速度，燃料从炉膛燃烧器中的文氏管组件的第二气体入口转移到炉膛燃烧器的喉部端口。主注入燃料的更大流导致文氏管中增加吸入和更大空气流。 由于到炉膛文氏管的喉部的增加燃料来自第二气体端口，到炉膛文氏管的总燃料保持不变。这使对火焰质量的影响最小。(2)为保持总体空气速度恒定，在壁燃烧器中执行相反的事，即燃料从壁燃烧器文氏管喉主注入端口去除，并移动到壁燃烧器文氏管组件中的第二气体入口。这减少了吸入的壁燃烧器空气，减少经壁燃烧器的总空气，并保持总壁燃烧器燃料恒定。实际结果将增加炉膛燃烧器中的空气速度，降低壁燃烧器中的空气速度，并保持总体空气恒定。在燃料侧，炉膛和壁燃烧器燃料流量不变。这使得对火焰形状影响和对管状金属温度的可能负面影响最小。b)作为转移燃料的可选方式，诸如氮或蒸汽的惰性气体或惰性气体与燃料的混合物能够在第二气体端口使用。通过增加经阻力和出口的总体流(空气加燃料加惰性气体)， 将改变文氏管的压力分布图。喉部下游的压力将增加，并且因此为获得恒定的主注入吸入流，将减少空气流。因此，实现了调节到熔炉的总空气流率的控制，不会改变总体燃料速率。 计算机模拟显示根据位于文氏管出口处的阻力部件的阻力系数，经过第二气体端口的气体流的增加能够或者增加或降低经过文氏管的空气速率。因此，该文氏管能够被设计，将这个端口作为整体部分，以允许在期望范围的空气流变化。这能够进行，无需调阻尼器位置设置。与仅使用阻尼器的那些相比，这实现了改进的系统调节精度和效率。在这里提供了一种新型燃烧器加料控制系统。典型地，一组燃烧器的燃料经过集管系统，其可以或可以不具有独立流控制设备以控制燃料流，从而到熔炉的热输入。气态燃料流典型地通过调节集管的压力控制，并且因此确定经燃烧器中的小燃料孔阻力的流。较低的集管压力等于较低的流。利用阻尼器、感应通风扇的速度或通过直接控制自对燃烧器提供负压流的鼓风机的空气流或通过上述的组合控制空气流。这里描述一种空气流控制的新技术。燃料到文氏管组件的主燃料端口和第二气体端口的比率允许经文氏管的空气流的变化。如上面描述，通过改变这些比率，可以控制到各个燃烧器的空气流。对于同时具有壁和炉膛燃烧器的情况，到炉膛燃烧器主注入端口的燃料流量能够增加，同时到文氏管组件中的第二端口的燃料流量降低，从而增加炉膛燃烧器弓I出的空气。类似地，可以减少到壁燃烧器的主端口的燃料，并增加到壁文氏管组件中的第二端口的燃料，从而减少由炉膛燃烧器引出的空气。整体地，以到熔炉的恒定燃料流量，可以改变在炉膛与壁之间分离的空气流的比率，不用改变总的燃料流或总的空气流。如果到熔炉的总体空气流将增加或减少，不用调节在炉膛和壁燃烧器之间空气流的分离，通过对第二文氏管组件气体入口的后续调节以保持恒定燃料流，在壁和炉膛文氏管中到主注入端口的流会增加或减少。在加料控制系统的一个实施例中，通过第一和第二流控制设备的流量根据燃料的成份、燃料的热值、加热器出口处的氧含量和通过文氏管组件的适当的空气流量中的至少一个而改变。图4显示了配置以燃烧单一类型燃料的文氏管组件102的控制系统100。主燃料管线150分成主燃料管线151和第二燃料管线154。主燃料管线151具有流控制阀160。该第二燃料管线1 具有流控制阀162。在一些情况中，具有流控制阀164的惰性气体管线 156与流控制设备162下游的第二燃料管线IM连接以形成入口管线158，其引导第二气体入口 152处的燃料与/或气体。该燃料控制系统能够与传统控制系统变量(例如感应排风扇速度)结合，以实现甚至更宽范围的控制。由于使用诸如压力调节器或流动阀的流控制设备，可以实现对空气-燃料比率的控制，这个系统可以配置用于遥控或计算机控制。风扇的速度能够用于改变熔炉内的压力(通风)，并且因此改变对文氏管组件的压力分布图，并且因此改变经文氏管组件的空气流。这些设备响应诸如氧分析器的空气流或空气/燃料比率的测量工作。
图5示意性显示了配置用于具有明显不同热值的可选燃烧燃料的炉膛燃烧器202 的加料控制系统(标示为200)的实例。类似的系统能够用于壁燃烧器。这个系统被设计实现控制具有很大不同热值的两种燃料的燃烧控制。该系统将文氏管控制系统与分析设备组合，并允许另外的末端以处理较低热值燃料的较高体积流。这些随着燃料成份改变开启， 以较高总体体积流实现相同热输入。如图5所示，第一燃料经燃料管线204供给。第二燃料能够经第二燃料管线203供给。这些燃料管线通常用于交替传送不同类型的燃料进入燃料管线205。燃料管线205为主文氏管注入燃烧管线206、第二文氏管组件气体管线208、位于文氏管组件外部的可选第二分级末端燃料管线209、第二行第二分级末端的可选燃烧管线210、可选第三分级燃料管线212、可选主壁稳定(WS)末端燃料管线214和可选的第二壁分级末端燃料管线216供应燃料。在一些情况中，惰性气体从惰性气体管线220经第二文氏管组件气体线208供给。管线220使用流控制设备221。所述控制系统包括主燃料管线206中的第一流控制阀222 ；和第二气体管线208 中的第二流控制阀224。控制到上述集管系统的总燃料流的设备位于主燃料管线205。这可以是流量计、压力调节器或其它类似设备225。燃料成份或热值分析设备227也位于燃料管线205中，热值分析设备227确定供给到系统的燃料的热值。由比率控制或其它适合的技术对通过管线206和208的相对流量的计算机控制允许燃料/空气比率的自动和快速的调节。这种转移可基于流出物中燃料成份或氧分析而发生。期望将流量控制到某一点，该点中存在少量剩余氧(典型地，2%的氧代表10%的过量空气)。在文氏管中的不同位置处的压力确定了吸入文氏管中的空气的流量。在管线207， 209，212，213和214中的燃料的流量典型地是更传统的控制系统的一部分，其中流通过集管系统中的压力和这些管线中的燃料孔的尺寸确定，或流可由端口尺寸确定。在传统的控制系统中，管线206中的流也会受排出压力控制，并且可以不具有控制设备。在这里公开的系统中，管线206和208使用上述流控制设备222和224。管线210使用流控制设备228。 管线216使用流控制设备230。该第二分级末端(管线210)和第二壁稳定末端(管线216) 用于具有较低热值的燃料流。为了保持到加热器的恒定热量输入，要求较高体积的燃料流， 而对较高热值的燃料。较低热值燃料的体积可能比较高热值燃料的高4-5倍。对于宽范围燃料体积热值，经过固定孔的这种较高体积流所需的压力将过剩。该分析设备227连续监控管线205中的热值与/或燃料成份。这种设备的实例是Wobbe表。如果分析设备227感应低热值燃料，管线210和216可由基于燃料成份启动的电磁线圈操作阀2 ，230或其它相当物分别打开。传统或较高热值燃料将使用管线209和214，流由集管205中的压力设置。对于较低热值燃料，阀2 和230可被打开，并且集管压力可用于控制那里的流。通过增加流区域(更多端口)，以类似的压力，流在集管205中更大。应该注意压力调节器或其它适合的设备可代替流控制阀使用。通过使用流控制设备(例如，流控制阀或压力调节器)，主文氏管端口与下游第二文氏管之间的流比率能够得到调节，以实现空气流控制，并且因此实现空气燃料比率的控制。到文氏管组件的第二端口的流可包括燃料以外的一种气体的使用选择。应该注意由于集管(管线205或各个管线206和208)中的压力通过燃料注入末端的固定孔确定了燃料流，所以压力调节器是优选的设备。在一个实施例中，通过探测燃料气体成份中的明显变化，图5的控制系统启动流控制阀。这些差别能够通过使用确定燃料气体的热值的诸如Wobbe表的仪器“联机”探测。 如果由于现有端口的几何形状和流的压力，“新”燃料气体的体积热值存在限制，则能够打开这些另外的端口(在第二分级端口位置或在燃烧室的壁上或其它地方)，并且额外的体积被加到燃烧室。应该指出燃料端口的位置可能变化。通过使用这里公开类型的流体阀类型系统控制空气流，使对目前用于控制空气流的阻尼器或吸风通风扇连续调节的需要最小。典型炉内存在的许多燃烧器上的阻尼器控制涉及使用传动轴，其麻烦并不容易受到外部控制。传动轴不容易在壁燃烧器使用。通过在外部控制燃料流设备(压力或流)可以简化加热器中空气-燃料比率的这种外部控制(通过对各个阻尼器的具体调节，通过管理过量空气和各个火焰图案用以控制总的熔炉效率)。另一实施例是熔炉，包括多个炉膛燃烧器；多个壁燃烧器；用于炉膛燃烧器的第一组第二分级末端；和用于炉膛燃烧器的第二组第二分级末端。仅第一组第二分级末端用于具有较高热值的燃料，而第一和第二组第二分级末端均用于具有较低热值燃料。在许多情况中，炉膛燃烧器被构成为交替使用高热值和低热值的燃料进行操作。熔炉的总体性能应由关于过程性能的分析设备监控，并通过分析熔炉的烟道中的氧气和其它废气成份分析。如果例如，过程要求增加或减少处理任务，集管中的总燃料压力可上升或下降以提供更多燃料。相应地，文氏管组件中的主和第二入口之间的燃料比率可被调节以提供较高或较低空气流，因为为取得整个熔炉的最优性能(轻过剩)，需要在熔炉内保持规定水平的氧。如下实例用于显示公开实施例的特定方面，但不期望限制公开的范围。< 实例 1>利用炉膛和壁燃烧器，使用文氏管组件对熔炉执行计算流体动力学(CFD)模拟， 其中不同量的燃料注射通过主端口和通过第二气体端口。使用Fluent公司的商业软件组件Fluent执行所有实例CFD模拟。其它软件组件可用于重新产生这里描述的结果。该套炉膛燃烧器具有总共12个文氏管组件，并且壁燃烧器具有总共18个文氏管组件。壁燃烧器的文氏管组件具有比壁燃烧器的那些更大的流容量。该燃料采用具有较高体积热值的燃料的832BTU/Stdcuft燃料。在文氏管出口处没有阻力部件。计算通过组件的空气流以及加热线圈的最大管状金属温度。结果在下表1中显示。表1
权利要求
1.一种控制燃烧器中的空气与燃料比率的方法，所述燃烧器包括文氏管组件，所述文氏管组件包括上游空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；在会聚部下游的喉部；在喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口，所述方法包括将燃料引入主注入燃料入口 ；通过吸入经空气入口接收空气；并经第二气体入口供给气体，通过第二气体入口供给的气体的流量和成份被选择以产生通过出口的适当的空气-燃料比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中燃料具有在约lOOBTU/stdcuft到约1200BTU/ stdcuft范围内的热值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述燃料是传统燃料或合成气体，传统燃料和合成气体能够交替地供给。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过第二气体入口供给的气体是燃料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过第二气体入口供给的气体是惰性气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中燃料和惰性气体通过第二气体入口可交替地供
7.根据权利要求1所述的方法，其中燃料和惰性气体的混合物通过第二气体入口供
8.根据权利要求1所述的方法，其中第二气体入口位于喉部的下游。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述文氏管组件包括扩散部下游的管状部；并且第二气体入口形成在管状部上。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括改变第二气体入口下游的流向和流量中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其中改变流向和流量中的至少一个利用流阻部件实现。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃烧器是炉膛燃烧器。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃烧器是壁燃烧器。
14.根据权利要求1所述的方法，其中吸风通风扇包括在出口的下游。
15.根据权利要求1所述的方法，其中阻尼器被包含在文氏管组件的上游，以提供对通过空气入口的空气的流量的额外控制。
16.根据权利要求1所述的方法，其中具有在约lOOBTU/stdcuft到约1200BTU/ stdcuft的范围内的体积热值的燃料可交替地使用。
17.一种向具有至少一个燃烧器的加热器供给燃料的方法，所述至少一个燃烧器包括文氏管组件，所述文氏管组件包括上游空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；在会聚部下游的喉部；在喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口，所述方法包括将燃料引入主注入燃料入口 ；燃料将空气吸入到空气入口中；和通过第二气体入口供给气体，其中具有选定的空气-燃料比率的空气和燃料的混合物通过出口从文氏管组件离开。
18.根据权利要求17所述的方法，其中低热值的燃料和高热值的燃料可交替使用。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述气体包括燃料。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述气体包括惰性气体。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述文氏管组件具有位于第二气体入口下游的阻力部件。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述加热器具有多个炉膛燃烧器和多个壁燃烧器，并且所述燃料具有低热值，所述方法还包括通过至少一个额外端口供给至少一部分具有低热值的所述燃料，所述至少一个额外端口位于邻近炉膛燃烧器的第一位置和在壁燃烧器下面和炉膛燃烧器上方的加热器的壁中的第二位置中的至少一个位置处。
23.一种包括文氏管组件的燃烧器，所述文氏管组件包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；在会聚部下游的喉部；在喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口。
24.根据权利要求23所述的燃烧器，还包括在第二气体入口下游设置的阻力部件。
25.根据权利要求M所述的燃烧器，其中所述阻力部件接近出口设置。
26.根据权利要求23所述的燃烧器，其中所述燃烧器是炉膛燃烧器。
27.根据权利要求23所述的燃烧器，其中所述燃烧器是壁燃烧器。
28.根据权利要求23所述的燃烧器，还包括在文氏管组件上游设置的阻尼器。
29.根据权利要求23所述的燃烧器，其中所述第二气体入口被构造以连接到燃料和惰性气体中的至少一个的供应管线。
30.根据权利要求23所述的燃烧器，其中所述第二气体入口被构造以连接到燃料供应管线和惰性气体供应管线两者。
31.根据权利要求M所述的燃烧器，其中所述阻力部件改变流向和流量中的至少一个。
32.根据权利要求23所述的燃烧器，其中所述燃烧器包括多个文氏管组件，所述文氏管组件具有设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口。
33.一种用于控制燃烧器组件中的空气与燃料比率的加料控制系统，所述燃烧器组件包括至少一个文氏管组件，所述文氏管组件包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部；喉部下游的扩散部；出口 ；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口，所述加料控制系统包括第一流控制设备，所述第一流控制设备被配置以控制到主注入燃料入口的燃料入口流；和第二流控制设备，所述第二流控制设备被配置以控制到第二气体入口的气体入口流；和燃料分析部件，所述燃料分析部件被配置以确定在燃料入口处的燃料具有较低的热值还是较高的热值。
34.根据权利要求33所述的加料控制系统，其中所述第一流控制设备和第二流控制设备中的至少一个是阀。
35.根据权利要求33所述的加料控制系统，其中所述第一流控制设备和第二流控制设备中的至少一个是压力调节器。
36.根据权利要求33所述的加料控制系统，进一步包括用于辅助控制空气入口流量的阻尼器。
37.一种用于熔炉的加料控制系统，包括炉膛；侧壁；和燃烧器组件，所述燃烧器组件具有至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器包括文氏管组件，所述文氏管组件包括空气入口 ；具有主注入燃料入口的会聚部；在会聚部下游的喉部；在喉部下游的扩散部；出口；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口，所述加料控制系统包括第一流控制设备，所述第一流控制设备被配置以控制到主注入燃料入口的燃料入口流；和第二流控制设备，所述第二流控制设备被配置以控制到第二气体入口的入口流。
38.根据权利要求37所述的加料控制系统，其中根据燃料的成份、燃料的热值、加热器出口处的氧含量和通过文氏管组件的期望空气流量中的至少一个改变通过第一流控制设备和第二流控制设备的流量。
39.根据权利要求38所述的加料控制系统，进一步包括在炉膛和壁中的至少一个上的第一组分级燃烧器端口 ；和第二流控制设备，所述第二流控制设备被配置以控制到第一组分级燃烧器端口的入口流。
40.根据权利要求39所述的加料控制系统，进一步包括第三流控制设备，所述第三流控制设备被配置以控制到与第一组分级燃烧器端口相邻的第二组分级燃烧器端口的低热值燃料的入口流。
41.根据权利要求38所述的加料控制系统，进一步包括燃料分析部件，所述燃料分析部件被配置以确定供给到主注入燃料入口的燃料的成份和热值中的至少一个。
42.根据权利要求41所述的加料控制系统，其中所述第一流控制设备和第二流控制设备由所述燃料分析部件控制。
43.一种用于熔炉的加料控制系统，所述熔炉包括炉膛；侧壁；熔炉燃料入口 ；和燃烧器，所述燃烧器包括具有第一燃料入口和第二燃料入口的文氏管组件，加料控制系统包括氧分析部件，所述氧分析部件被配置以确定熔炉的燃烧后氧含量， 所述氧分析部件用于调节到文氏管组件的第一和第二燃料入口的相对燃料流量。
44.一种用于熔炉的加料控制系统，所述熔炉包括炉膛；侧壁；和具有熔炉燃料入口和补充燃料入口的燃烧器，所述加料控制系统包括燃料分析部件，所述燃烧分析部件被配置以确定在燃料入口处的燃料具有较低的热值还是较高的热值，所述燃料分析部件用于控制到熔炉燃料入口和补充燃料入口中的至少一个的燃料的流量。
45.一种熔炉，所述熔炉包括多个炉膛燃烧器；多个壁燃烧器；第一组分级燃烧器端口，所述第一组分级燃烧器端口用于多个炉膛燃烧器和多个壁燃烧器中的至少一个；和与第一组分级燃烧器端口相邻的第二组分级燃烧器端口，其中仅第一组分级燃烧器端口用于具有较高热值的燃料，并且其中第一组分级燃烧器端口和第二组分级燃烧器端口均用于具有较低热值的燃料。
46.根据权利要求45所述的熔炉，其中所述炉膛燃烧器和壁燃烧器被配置以交替用具有较高热值的燃料和具有较低热值的燃料进行操作。
全文摘要
公开了控制包括文氏管组件的燃烧器中空气与燃料比率的方法。该文氏管包括空气入口；具有主注入燃料入口的会聚部；会聚部下游的喉部；喉部下游的扩散部；出口；和设置在会聚部下游和出口的上游的第二气体入口。所述方法包括将燃料引入燃料入口；通过吸入经空气入口接收空气；并经第二气体入口供给气体，经第二气体入口供给的气体的流量和成份被选择以产生通过出口的适当的空气-燃料比率。还公开了为加热器加料的方法、燃烧器和加料控制系统。
文档编号F23N5/00GK102165257SQ200880108443
公开日2011年8月24日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月25日
发明者弗朗西斯柯·贝尔托拉, 彼得·R·庞兹, 罗伯特·J·加尔塞德 申请人:鲁姆斯科技公司