[发明专利]金属燃烧器构件

说明书

本公开内容试图提供一种设计用于诸如裂解、重整和蒸汽发生的工业过程的金属燃烧器构件的方法，其中燃烧器构件暴露于炉高温下。燃烧器构件包括一系列冷却通道和内部挡板，以在暴露于炉高温的燃烧器的部分上引导一种或多种燃料和氧化剂流。本公开内容还提供了所得的燃烧器。

技术领域

本公开内容涉及用于静止工业应用的燃烧器中的金属构件的设计，其中金属构件直接地暴露于不低于600℃的高温。此类燃烧器可适用于许多应用，包括诸如裂解、重整、精炼的化学过程，以及诸如加热和发电(如过热器)的非化学应用。

背景技术

石蜡(如乙烷)裂解成烯烃(如乙烯)是能量密集的。石蜡穿过炉中的管或盘管，炉具有加热到大约1200℃的烟道气体。炉的内壁是耐火材料，其将热辐射至过程盘管。壁由底板或壁或两者中的一系列燃烧器加热。壁的温度可达到从700℃到1350℃的范围中的温度，通常是800℃到1200℃。

目前，炉的内部中的燃烧器的部分由耐火材料制成。这使得燃烧器很重。此外，耐火材料或陶瓷往往较脆，且可在操作期间破裂。

英国专利1480150公开了一种涉及高温燃烧器的改进，其中具有内表面和外表面且提供封闭室的金属双壁耐火砖包绕燃烧器。冷却介质穿过耐火砖来将燃烧器保持在较低温度。该专利教导了冷却介质可为供给至燃烧器的空气或产自燃烧的排出气体。参考文献的教导脱离了本公开内容，因为未使用双壁耐火砖。

Osaka Gas Co., Ltd的A. Omori在1998年的国际天然气研究会议的会议记录中的论文Development of Ultra Compact Low NOx Burner for Heating Furnace的269到276页公开了一种金属燃烧器。该燃烧器没有内部金属燃烧器壁中使空气穿过壁并冷却燃烧器的通道。此外，该燃烧器设计成提供空气涡流至火焰，以增大表面面积且降低火焰温度。这样降低火焰温度可能不是期望的。

在转让给John Zink Company LLC的Bussman 名下的2010年1月28日公告的美国专利申请20100021853教导了一种产生低NOx排放的燃烧器。在附图中，燃烧器是瓷砖(例如，陶瓷或耐火材料)，其中大量燃烧器由此材料制成。相比之下，本公开内容的燃烧器包括低于20wt%的陶瓷或耐火材料，优选没有陶瓷或耐火材料。此外，陶瓷或耐火材料用于包覆涂覆在金属的外侧上。

来自2008年9月30日提交的申请的2012年7月17日发布的U.S.8220269公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧器。挡板9存在于燃烧区中。空气可引导到挡板后方，这有助于冷却挡板。没有暗示或明示挡板后部上协助其冷却的任何类型的通道。

本公开内容试图提供一种计算直接地暴露于炉高温的燃烧器表面所需的除热以保持构件低于其变形温度的方法。除热要求用于确定在燃烧器表面上引导燃料和氧化剂流中的至少一种或多种的流动的冷却通道和内部挡板的密度和尺寸。

发明内容

本公开内容提供了一种确定对流体燃烧燃烧器的内表面上的导热通道、翅片、凸起中的一个或多个或内部挡板的需要的方法，燃烧器在不低于600℃的温度下操作，包括具有厚度T和直接地面对炉(形成其部分)的平面非绝热表面的至少一个金属构件，以及燃烧器内的内部挡板，其改变一种或多种氧化剂和燃料的流动，且内部具有一个或多个导热通道、翅片或凸起的网格，或形成燃烧器的部分的内部挡板，其中氧化剂和燃料中的一种或多种在所述金属的内表面上的所述一个或多个导热通道、翅片、凸起上流动，且从表面除去热，该方法包括形成所述燃烧器的虚拟或实质模型，以及使用包括计算流体动力学、燃烧器测试、中试测试和商业试验的一种或多种方法来确定，以确定燃烧器是否在低于其变形温度的温度下操作。

另一个实施例包括计算流体动力学方法，包括模拟炉的平衡操作条件下的燃烧器，包括：

a. 计算从炉穿过金属构件的表面的热通量[以W/m² K为单位]；