用于二段转化炉的燃烧器的制作方法

本发明涉及用于二段转化炉的燃烧器的领域。

背景技术：

1、二段转化炉的燃烧器被设计为将工艺气体和氧化剂馈送到燃烧室。工艺气体典型地是例如包括甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳的来自一段转化炉的部分转化的气体。氧化剂典型地是空气、富氧空气或期望纯度的氧气。工艺气体处于700-800°c左右的高温，而空气处于较低温度，通常在450°c至600°c左右。

2、燃烧器在竖向上安装在燃烧室的上方的二段转化炉的压力容器的顶部上。燃烧器实质上包括与工艺气体通道同轴布置的氧化剂通道。普遍地，工艺气体通道是在氧化剂通道周围同轴布置的环形通道。工艺气体和氧化剂在流过燃烧器的同轴通道的同时保持分离，并在燃烧器的出口处混合。

3、已知的实践是提供位于氧化剂通道中的旋流器。旋流器被设计为引起氧化剂围绕竖向轴线的旋流运动，以改进燃烧室的入口处与工艺气体的混合，其中，形成扩散火焰。

4、在现有技术的普遍设计中，旋流器包括笔直中央通路，笔直中央通路由环形通道围绕，环形通道包括成组的旋动叶片。中央通路不包括旋动叶片，以使得氧化剂的进入流被划分为两个部分：未被旋动的穿过中央通路的内部流；和被叶片旋动的穿过环形通道的外部流。内部流和外部流在旋流器下游汇合。

5、上述设计的原因在于，旋动叶片相对于流的轴线（竖向轴线）的角度由从金属片材使叶片成形并随后焊接到所加工的本体上的制造技术决定。因此，叶片的角度典型地大于用于流体动力学的最佳值，并导致比所期望的更大的旋流运动。流的过度旋流运动可能导致混合物从燃烧室到燃烧器本体中的非常不期望的回流，具有燃烧器内的火焰上升的相关风险，这将损坏或毁坏燃烧器。

6、为了避免这种风险，现有技术燃烧器被设计有具有环形通道的面积的10%左右的横截面积的相对大的中央通路。考虑到不同的压降，非旋动内部流典型地是总流的20%至30%左右。考虑到仅一小部分穿过叶片，内部流减少整体旋流；其次，非旋动内部流充当抵抗燃烧器轴线上的再循环的形成的制止物，由此防止合成气体从燃烧室回流。

7、然而，旋流器的上述设计远不是最佳的。在大多数情况下，给予外部流的旋流高于所需的，这于是通过与内部流进行混合加以平衡。该过程本质上是低效的，并且引起大的压降，增加用于压缩氧化物的能量消耗。

8、作为进一步缺点，当前设计涉及从金属片材手工精制叶片，然后将叶片焊接到中间本体。这种构造工艺是耗时的并且容易出错。存在叶片的手动构造和焊接工艺可能导致不对称旋流器结构的显著风险。这种不对称性可能引起燃烧器中的振动，导致燃烧室中的不均匀火焰和温度场。此外，它可能导致燃烧器表面的不一致冷却，这可能对燃烧器的寿命具有不利影响，潜在地导致对转化炉和压力容器的耐火衬里的损坏，并增加甲烷逃逸。

9、us 5,252,447公开一种专门用于气体涡轮燃烧器的空气燃料混合器，其中，混合器包括内部旋转旋流器和外部反向旋转旋流器，内部旋转旋流器和外部反旋转旋流器可独立地旋转并由毂分离。wo 2023/227547公开一种用于转化反应器的燃烧器。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的上述问题和限制。本发明目的在于解决旋流器的非最佳设计的问题和包括存在大的压降的相关缺点。

2、本发明的目的用如权利要求1所述的燃烧器得以实现。

3、本发明的燃烧器包括旋流器，旋流器位于氧化剂通道中，旋流器相对于现有技术具有改进的设计。旋流器包括两组叶片，两组叶片允许氧化剂流的较低压降并减少回流的问题。在非常优选实施例中，用增材制造（am）制成旋流器，这消除了从金属片材手工精制的缺点。

4、本发明公开一种用于二段转化炉（secondary reformer）的燃烧器，包括与工艺气体通道同轴的氧化剂通道（例如，氧化剂管道）。典型地，工艺气体通道是氧化剂通道周围的环形通道。工艺气体通道可以是燃烧器的部分或转化炉的容器的上颈部的部分。

5、氧化剂可以是空气、富氧空气或氧气，而工艺气体可以是部分转化工艺的流出物（例如，一段转化炉的流出物或位于二段转化炉上游的气体加热转化炉的流出物）。

6、本说明书和权利要求书中使用的术语“二段转化炉”可以还包括自热转化炉（atr）。

7、位于氧化剂通道中的旋流器包括内部本体和外部本体。内部本体具有用于氧化剂流的部分的中央通路。外部本体被布置在内部本体周围并且相对于内部本体同轴。因此，旋流器具有：第一环形通路，处于内部本体与外部本体之间；和第二环形通路，处于外部本体外侧且在氧化剂通道内。内部本体和外部本体优选地具有筒形形状。

8、旋流器包括：第一组叶片（内部叶片），第一组叶片在第一环形通路中从内部本体延伸；和第二组叶片（外部叶片），第二组叶片在第二环形通路中从外部本体延伸。

9、每组叶片被布置为引起氧化剂流的旋动。在优选实施例中，每个内部叶片在内部本体周围以螺旋形的方式布置，和/或每个外部叶片在外部本体周围以螺旋形的方式布置。内部叶片可以径向地延伸通过第一环形通路的部分或全部；类似地，外部叶片可以径向地延伸通过第二环形通路的部分或全部。在一些实施例中，外部叶片可以连接到外部环（护罩）。

10、可以相对于旋流器轴线限定叶片的倾斜度。所述旋流器轴线是旋流器的中心轴线并且与氧化剂通道和工艺气体通道同轴。在大多数应用中，燃烧器在竖向上安装在压力容器的顶部上，并且因此所述轴线是竖向轴线。第一组叶片和第二组叶片是固定的（即，叶片不移动或旋转），以使得叶片限定出用于氧化剂流的固定旋动路径。第一组叶片和第二组叶片被配置为引起具有相同旋转方向的旋动。旋转方向理解为由叶片赋予的旋转指向（顺时针或逆时针），并且对于第一组叶片和第二组叶片而言，旋转方向是相同的。

11、在优选实施例中，内部叶片中的每一个内部叶片相对于所述旋流器轴线具有小于65°、优选地在40°至60°的范围中、甚至更优选地在45°至55°的范围中的第一倾斜角。外部叶片中的每一个外部叶片优选地相对于所述旋流器轴线具有小于75°、更优选地在50°至70°的范围中、甚至更优选地在55°至65°的范围中的第二倾斜角。

12、内部叶片和外部叶片被布置为使氧化剂流以相同方向（顺时针或逆时针）旋动。根据各种实施例，所述第一倾斜角和第二倾斜角可以相同或不同。上述上限并非限制性的，并且在需要高旋流的特定情况下可以被超过。

13、在优选实施例中，中央通路的横截面积优选地是第一环形通路的横截面积的0.2%至5.0%、优选地0.5%至3.0%、并且更优选地0.5%至1.0%（例如，0.8%或0.8%左右）。第一环形通路的横截面积优选地是第二环形通路的横截面积的10%至25%、优选地15%至25%、并且更优选地20%或20%左右。所述通路的横截面积理解为在垂直于旋流器轴线的平面中的面积。

14、内部本体内的中央通路是没有旋动叶片的自由通路。因此，氧化剂的流入中央通路中的部分绕过旋动过程。更详细地，穿过本发明的旋流器的氧化剂流划分为三个流：内部流，内部流穿过中央通路，其不被旋动；中间流，中间流穿过第一环形通路，其由内部叶片旋动；外部流，外部流穿过第二环形通路并由外部叶片旋动。

15、本发明允许制成带有比现有技术的中央通路更小的中央通路的旋流器，仍然避免回流的风险。在本发明的实施例中，所述内部流小于穿过氧化剂通道的总氧化剂流的10%或小于5%。

16、本发明的进一步方面是一种使用如上所述的燃烧器将工艺气体和氧化剂馈送到二段转化炉的方法，其中，穿过上述中央通路的氧化剂流小于总氧化剂流的10%。

17、本发明具有以下优点。

18、对于给定的旋流效果，本发明允许旋流器的叶片的倾斜角比现有技术更小，这归因于提供了两组叶片，并且本发明甚至更特别地在针对增材制造的实施例中。

19、本发明设计允许达成与现有技术设计相同的旋流水平，但是带有更小的叶片角度，导致减少的压降。内部本体被保留以易于构造，并且提供小的非旋动内部流，防止在内部叶片的前面形成甚至小的再循环区域。外部本体服务于精细调整外部叶片的角度的目的，从而能够控制第一环形通路与第二环形通路之间的流分配并确定期望的旋流水平。通过优化内部叶片和外部叶片的角度，压降可以最小化。结果，新设计提供与传统设计相比近似10%至30%的压降的显著减少。

20、在实施例中，所提出的设计借助增材制造（am）构造。am消除由传统制造施加的对叶片角度的约束，允许更低的角度并减轻旋流器轴线上的再循环的风险。此外，依靠增材制造，消除不对称构造的风险以及现有技术描述中概述的所有其他构造相关问题。

21、在优选实施例中，位于旋流器周围的界定出氧化剂通道的导管的部分通过增材制造与旋流器一体地制成。包括导管和旋流器的部分的工件可以联结（例如，焊接）到用于用于制成氧化剂通道的传统管道的一个或多个部分。相关的优点在于，与现有技术相比，使构造更简单并且减少焊接部的数量，因为由am一体制成的物件不需要焊接。