Способ сжигания углеводородного топлива в горелке

Изобретение относится к сжиганию углеводородного топлива. Способ сжигания углеводородного топлива в горелке заключается в том, что вдоль внешней поверхности горелки пропускают некорродирующую атмосферу, выбранную из группы, включающей водяной пар, СО₂, азот или их смесь. В качестве некорродирующей атмосферы используют водяной пар. Сжигание проводят в присутствии водяного пара. По меньшей мере часть некорродирующей атмосферы добавляют к углеводородному топливу. Некорродирующую атмосферу используют в количестве, достаточном, чтобы разбавить или заменить коррелирующую атмосферу вокруг внешней поверхности горелки. Изобретение позволяет избежать коррозионного распыления металла и науглераживания промышленных горелок, подвергаемых воздействию коррелирующей атмосферы. 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к сжиганию топлива, особенно к способу и горелке для сжигания углеводородного топлива с окислителем.

Углеводородное топливо обычно используют в химической промышленности при разжигании промышленных печей и нагревателей и для подачи тепла для проведения реакций, требующих тепла, в реакционных сосудах, снабженных соответствующими горелками.

Основным недостатком известных горелок является повреждение передней поверхности горелки при высоких скоростях горючего газа, которые требуются для промышленных горелок, и распыление металла, вызываемое коррелирующей атмосферой, в которой находится поверхность горелки при высоких температурах.

Известен способ сжигания углеводородного топлива в горелке, который состоит в том, что сжигание проводят в условиях, в основном, предотвращающих повреждение передней поверхности горелки, вызываемое горячими продуктами сжигания. Эти условия создаются специальным дизайном передней поверхности горелки (см. патент США 5496170, международный класс F 23 С 7/00, 1996).

Задачей настоящего изобретения является избежание коррозионного распыления металла и науглераживания промышленных горелок, подвергаемых воздействию корродирующей атмосферы.

Эта задача решается предложенным способом сжигания углеводородного топлива в горелке, характеризующимся тем, что вдоль внешней поверхности горелки пропускают некорродирующую атмосферу, выбранную из группы, включающей водяной пар, СО₂, азот или их смесь.

Подходящей некорродирующей атмосферой будет любая газообразная среда, которая не вызывает реакций коррозионного распыления металла или науглераживания на металлических поверхностях при повышенной температуре.

Предпочтительным является способ, в котором в качестве некорродирующей атмосферы используют водяной пар.

Кроме того, предпочтительно, если сжигание проводят в присутствии водяного пара.

Также предпочтительно, когда, по меньшей мере, часть некорродирующей атмосферы добавляют к углеводородному топливу.

Кроме того, предпочтительным является способ, в котором некорродирующую атмосферу используют в количестве, достаточном, чтобы разбавить или заменить корродирующую атмосферу вокруг внешней поверхности горелки.

Вышеуказанную задачу решают также использованием предложенной горелки для сжигания углеводородного топлива с окислителем, содержащей во внешней металлической поверхности проходы для подачи топлива и окислителя и сопло для сжигания топлива с окислителем, причем горелка характеризуется тем, что она содержит расположенную отдельно концентрическую стенку, окружающую, по меньшей мере, часть ее внешней металлической поверхности, и приспособлена, чтобы вводить и пропускать некорродирующую атмосферу вдоль внешней металлической поверхности.

При эксплуатации вышеуказанной горелки в реакторе эта стенка может быть образована отражающим облицовочным материалом в верхней части реактора, окружающим внешнюю поверхность горелки на подходящем расстоянии и посредством этого создающим проход для введения и пропускания некорродирующей атмосферы во время эксплуатации горелки.

Следующее описание показывает более детально специфический вариант осуществления изобретения со ссылкой на чертеж, на котором показан вид в разрезе горелки согласно изобретению, смонтированной в верхней части огнеупорной облицовки реактора.

Горелка 1, имеющая внешнюю поверхность с цилиндрической металлической верхней поверхностью 2 и коническим металлическим соплом 3, смонтирована в верхней части реактора 4. Кольцеобразное пространство 5 между верхней поверхностью 2 и частью сопла 3 образуется между поверхностью горелки и огнеупорной облицовкой 6 в верхней части горелки 2. Через кольцеобразное пространство 5 пропускают некорродирующую атмосферу вдоль верхней поверхности 2 и направляют в сопло 3. Некорродирующая атмосфера, пропускаемая через кольцеобразное пространство 5, защищает внешнюю поверхность от коррелирующей атмосферы сжигания и предотвращает реакции науглераживания или коррозионного распыления металла на поверхности, вызываемые атмосферой сжигания. Пути прохода для подачи топлива и окислителя не показаны.

Пример.

В пилотной установке автотермического реформинга (АТР) проводят различные варианты осуществления способа согласно настоящему изобретению с использованием типа горелки, раскрытого в вышеуказанном патенте США №5496170. Горелка защищена от распыления металла на внешней стенке горелки потоком водяного пара, текущим в рукаве, окружающем горелку. Внешнее сопло горелки сделано из сплава, который, как было показано в предварительных экспериментах, поражается коррозионным распылением металла без присутствия защитного потока водяного пара с наружной стороны. В то же самое время, характеристика индивидуальных горелок в отношении образования сажи проверяется определением критической температуры для определенного отношения водяного пара к углероду (S/C). В каждом опыте определяют критическую температуру посредством постепенного понижения температуры на выходе реактора (Т_выход) до тех пор, пока не будет превышен предел образования сажы. Кроме того, эту величину определяют для горелки без защитного потока водяного пара при остальных идентичных условиях, то есть входном потоке, рабочем давлении и отношении водяного пара к углероду. Отношение водяного пара к углероду (S/C) определяют как сумму всего подаваемого водяного пара в молях, деленную на сумму углеводородов в молях атомов углерода (C₁). Пилотная установка, использованная в вышеуказанных опытах, содержит агрегаты для обеспечения различными подаваемыми потоками реактора АТР, реактор АТР и оборудование для последующей обработки получаемого газа.

Подаваемые потоки состоят из природного газа, водяного пара, кислорода и водорода. Все газы сжимают до рабочего давления и предварительно подогревают до рабочей температуры. Средний состав природного газа приведен в таблице 1. Природный газ десульфируют перед введением в реактор АТР. Подаваемые потоки объединяют в три потока и подают в горелку АТР. Первый подаваемый поток природного газа, водорода и водяного пара подогревают до температуры около 500°С.

Второй подаваемый поток, содержащий кислород и водяной пар, подогревают до температуры между 200°С и 220°С. Третий подаваемый поток, состоящий только из водяного пара, нагревают до 450°С.

В реакторе АТР проводят субстехиометрическое сжигание и последующие реакции каталитического реформинга с водяным паром и конверсии. Составы входящего и выходящего газов анализируют методом газовой хроматографии. Образующийся газ находится в равновесии в отношении реакций реформинга и конверсии. Ниже реактора АТР по ходу потока рабочий газ охлаждают, и основная часть водяного пара, содержащегося в образовавшемся газе, конденсируется.

Таблица 1
Компонент	Мольная доля, %
N2	0,45
СО2	1,20
СН4	95,36
С2	2,22
С3	0,45
С4	0,23
С5	0,08

Проводят два опыта, используя горелку, сделанную из промышленного сплава Haynes-230. Этот сплав предварительно испытывают без защитного потока водяного пара на внешней стенке горелки при рабочих условиях с отношением водяного пара к углероду 0,35 и 0,6, в результате чего внешняя сторона горелки подвергается распылению металла после, приблизительно, 155 часов работы. Соответствующие рабочие условия в опытах с защитой водяным паром согласно изобретению приведены в таблице 2.

Вышеуказанный тип горелки проверяют на предельные значения образования сажи без наличия водяного пара в паровом рукаве контрольными экспериментами "SP S/C 0,60 конт." и "SP S/C 0,35 конт.", приведенными в таблице 3. Затем исследуют предельное значение образования сажи, когда определенную часть водяного пара пропускают через паровой рукав вдоль внешней стенки горелки. Рабочие условия при проведении опыта по образованию сажи показаны в таблице 3 вместе с критическими температурами (Т_{критич.})э характеризующими образование сажи на горелке.

Таблица 2
Эксперимент	Прир. газ, м3/ч при н.у.	H2, м3/ч при н.у.	S/C	Вод. пар в рукаве, м3/ч при н.у.	Рвыход., бар избыт.	Твыход, °С	Твход 1, °С	Твход 2 °С	Время потока, ч
Мол. отн. S/C 0,60	100	2,0	0,60	5,0	27,5	1020	500	220	163
Мол. отн. S/C 0,35	100	2,0	0,35	3,5	27,5	1020	499	222	183

Опыты на распыление металла проводят при отношении водяного пара к углероду (S/C) 0,60 (мол. отн. S/C 0,60) и 0,35 (мол. отн. S/C 0,35) соответственно. Рабочие условия приведены в таблице, где Т_{вход 1} и Т_{вход 2} - температуры на входе первого и второго подаваемых потоков соответственно, а Т_выход и Р_выход - температура и давление газа, покидающего реактор при условиях, в которых реакции реформинга с водяным паром и конверсии находятся в равновесии.

После каждого опыта горелку удаляют из реактора АТР для проверки. В то время, как у горелки без защитного потока водяного пара на внешней стенке обнаруживается область поверхности, подвергшаяся коррозии распылением металла на внешней поверхности газового сопла, внешнее сопло горелок с защитным водяным паром не проявляет признаков коррозионного распыления металла на внешней поверхности.

Таблица 3
Эксперименты	Прир. газ, м3/ч при н.у.	Н2, м3/ч при н.у.	S/C	Рвыход., бар избыт.	Ркpитич., °С	Твход 1, °С	Твход 2, °С	Вод. пар в рукаве, м3/ч при н.у.
SP S/C 0,60 конт.	100	2,0	0,60	27,5	950-960	500	220	О
SP S/C 0,35 конт.	100	2,0	0,35	27,5	987-988	500	200	0
SP S/C 0,60 #1	100	2,0	0,60	27,5	947-952	499	196	5,0
SP S/C 0,60 #2	100	2,0	0,60	27,5	947-951	503	220	12
SP S/C 0,35 #1	100	2,0	0,35	27,5	986	499	219	3,5
SP S/C 0,35 #2	100	2,0	0,35	27,5	987	489	205	12
Рабочие условия и критические температуры (Ткритич) для экспериментов по образованию сажи (ОС), включая контрольные эксперименты без пара в паровом рукаве.

Чтобы исследовать образование сажи на горелке, проводят четыре эксперимента, чтобы определить критическую температуру (Т_{критич.}) для работы с потоком водяного пара в паровом рукаве. Эти четыре эксперимента проводят при отношении водяной пар - углерод 0,60 и 0,35, как показано в таблице 3, где показана также критическая температура (Т_{критич.}). Изменяют расход водяного пара в рукаве, так же как и расход водяного пара в первом подаваемом потоке, чтобы сохранить постоянным общий расход водяного пара в процессе. Результаты сравнивают с результатами для горелок того же типа, эксплуатировавшихся без парового рукава (контрольные опыты). Не было обнаружено никаких существенных различий. Таким образом, работа с расходом пара в паровом рукаве на внешней стороне горелки в количестве, соответствующем 8-35% общего количества водяного пара, введенного в процесс, не влияет на работу горелки в отношении образования сажи.

1. Способ сжигания углеводородного топлива в горелке, отличающийся тем, что вдоль внешней поверхности горелки пропускают некорродирующую атмосферу, выбранную из группы, включающей водяной пар, СО₂, азот или их смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве некорродирующей атмосферы используют водяной пар.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжигание проводят в присутствии водяного пара.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть некорродирующей атмосферы добавляют к углеводородному топливу.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что некорродирующую атмосферу используют в количестве, достаточном, чтобы разбавить или заменить корродирующую атмосферу вокруг внешней поверхности горелки.