具有冷却的烟道气再循环的低NOx气体燃烧器的制作方法

本发明整体涉及具有较低nox产生的气体燃烧器，并且更具体地涉及使用冷却的或经调节的再循环烟道气的燃烧器。

背景技术：

1、石油精炼和石化工艺通常涉及在炉中加热工艺物流。炉的内腔包含含有工艺物流的管。内腔由多个气体燃烧器加热，该多个气体燃烧器接收燃烧以产生热量的燃料。

2、气体燃烧器的一个关注领域是nox气体的产生。应当理解，nox是指氮氧化物，其主要由一氧化氮no和二氧化氮no2成分。据信在燃烧过程中存在至少三种主要的nox形成机制：热nox、燃料nox和即时nox。参见“氮氧化物(nox)，什么是氮氧化物以及如何控制氮氧化物(nitrogen oxides(nox),what and how they are controlled)”，epa技术公告1999年11月(可获得于：https://www3.epa.gov/ttncatc1/dir1/fnoxdoc.pdf)。

3、已知气体燃烧器中的nox形成可以通过分级燃料和空气并创建主燃烧(火焰)区和二次燃烧(火焰)区来减轻。分级空气燃烧器和分级燃料燃烧器主要对热nox和即时nox形成过程起作用。当气体燃料和燃烧空气以化学计量比例或接近化学计量比例充分混合并快速燃烧时，实现了最高的火焰温度，从而实现了热nox形成的最大潜力。

4、除了通过分级燃料和燃烧空气的混合物来减少nox产生之外，分级燃烧器利用烟道气再循环来减少nox形成。更具体地，该内部烟道气再循环是燃烧区中的烟道气与由燃烧器注入的分级气体一起被吸入的结果。该烟道气(相对冷的、大量的燃烧产物(烟道气))进入并通过燃烧区，从而进一步冷却燃烧区并减少热nox的形成。烟道气中的水蒸气还用作通过溶剂化和催化烃燃烧而减轻经由即时nox机制产生的nox，这是通过最近理解的水煤气变换反应(“wgsr”)机制来实现的，该水煤气变换反应(“wgsr”)机制如由jan de ren、kurtkraus和chris ferguson在2020年7月在国际火焰研究基金会上的“蒸汽辅助升降式火炬系统的范式转变(a paradigm shift in steam assisted elevated flare systems)”中描述的。由于从主燃烧区到二次燃烧区的燃烧产物包括一些水蒸气，这些wgsr机制也以有限的程度存在于经典或常规分级燃料或分级空气燃烧器中。然而，由于此再循环完全发生在燃烧区内，因此难以控制和充分利用烟道气减少nox形成的能力。

5、还已知的是，烟道气可以从燃烧室的排气中提取并且被重新引入到燃烧器空气中，作为减少在燃烧器火焰中产生的氮氧化物的一种方式方法。这种“外部”烟道气再循环用于降低火焰温度并且略微延迟燃烧过程，从而允许热量从火焰辐射的额外时间并且由此降低火焰温度以及经由热nox形成机制产生的氮氧化物的形成。此外，如上所述，烟道气复原水，该水不仅直接降低火焰温度，而且水中的一部分水解离形成氢氧根阴离子，该氢氧根阴离子用于催化(降低活化温度)并充当进一步降低火焰温度和热驱动nox形成的溶剂化物。

6、然而，常规的“外部”烟道气提取和再循环系统依赖于在燃烧系统的辐射和对流热传递段的下游提取的相对冷的烟道气。在从对流段的下游提取烟道气的系统中，回收的或再循环的烟道气必须穿过辐射段和对流段至少两次，从而增加通过这些段的质量流速并改变它们的热传递特性。

7、因此，仍然需要一种具有低nox产生而不遭受这些缺点的燃烧器。

技术实现思路

1、已经发明了一种新的燃烧器及其使用方法，其中相对高温的烟道气(980℃至1370℃(1800℉至2500℉))被冷却至在再循环时不会损坏热交换器、管道系统、风扇、燃烧器壳体和其它部件的温度。令人惊讶的是，已经发现，通过单独地混合烟道气或与冷却气体(其可以包括含氧气体，如空气)组合地混合烟道气，烟道气也可以被冷却并且被用于减少nox形成——即使可以混合额外的氧气。冷却的或经调节的烟道气可以以针对性和选择性的方式来注入，如2021年10月22日提交的美国申请序列号17/451,933中所述。通过选择性地以烟道气注入为目标，仅需要最少量的烟道气。例如，据信需要从燃烧器再循环并被输送至燃烧器的总烟道产物少于30％，低至0.5％。

2、本发明还在远高于混合物的饱和温度(露点，>149℃(300℉))的温度下将烟道气输送到燃烧器用于目标注入，以避免冷凝。烟道气中水的冷凝可含有硝酸和可腐蚀金属部件的其它酸。

3、此外，在低于982℃(1800℉)和低至200℃(500℉)的温度下，该烟道气允许使用更低的工作温度并且因此使用更低成本的材料用于管道、热交换器和风扇。可以使用低级不锈钢，诸如304ss，而不是高温、高成本金属合金，诸如哈司特镍合金或铬镍铁合金。在一些情况下，可以不需要热交换器。此外，通过从安装有燃烧器的热燃烧室中提取烟道气，烟道气管的长度、材料和安装资金成本被最小化。

4、最后，由于本发明的燃烧器实现了极低的nox排放，同时在强制内部(燃烧室内部)再循环烟道气中运行升高水平的氧，因此当升高的过量空气通过目标注入输送时，本发明允许燃烧器在该升高的过量空气下实现低nox。此外，通过在高过量空气下输送低nox，当从高烟道气质量流速燃料(诸如天然气)转变到低质量流速燃料(诸如氢气)时，燃烧器能够输送恒定质量流速。

5、因此，本发明可以广泛地表征为提供一种燃烧器，该燃烧器被配置为接收在燃烧区中反应并产生火焰和烟道气的燃料气体和燃烧空气，其中该燃烧器具有：管道，该管道被配置为将一部分烟道气作为再循环烟道气从燃烧区移除，其中再循环烟道气在燃烧区的上游与燃料气体和燃烧空气混合；并且任选地，入口，该入口被配置为向再循环烟道气提供冷却气体，其中在再循环烟道气与燃料气体和燃烧空气的混合的上游向再循环烟道气提供冷却气体。

6、此外，本发明通常还可以被表征为提供一种用于通过以下方式减少燃烧器处nox气体的产生的方法：将燃料气体注入到燃烧区中；将燃烧空气注入到燃烧区中，其中燃烧空气和燃料气体在燃烧区中反应并产生火焰和烟道气；以及回收该烟道气的一部分作为再循环烟道气以在燃烧区上游与燃料气体、燃烧空气或两者混合；以及在再循环烟道气与燃料气体、燃烧空气或两者混合之前，任选地进一步将再循环烟道气与冷却气体混合。

7、本发明通常还可以被表征为还提供一种燃烧器，该燃烧器被配置为接收在燃烧区中反应并产生火焰和烟道气的燃料气体和燃烧空气，该燃烧器具有：主注入口，其被配置为将燃料气体注入到主燃烧区中；二次注入口，其与主燃烧区间隔开并且被配置为使得当燃料气体被注入时，烟道气的第一部分被抽吸到主燃烧区；以及管道，其被配置为从燃烧区移除烟道气的第二部分并将烟道气的第二部分返回至主燃烧区；并且任选地，还包括入口，该入口被配置为向管道中的烟道气的第二部分提供冷却气体。

8、此外，本发明还可以广泛地表征为提供一种加热系统，该加热系统具有：燃烧器，其被配置为接收燃料气体和燃烧空气，该燃料气体和燃烧空气在燃烧区中反应并产生火焰和烟道气；管道，该管道被配置为从燃烧区移除烟道气的第一部分作为再循环烟道气，其中，该烟道气的第一部分在燃烧区的上游与燃料气体和燃烧空气混合；以及第二管道，该第二管道被配置为从加热系统移除烟道气的第二部分，其中，该烟道气的第二部分已经穿过加热系统的对流区，其中，对流段被布置在燃烧区的下游，并且其中，烟道气的第二部分在燃烧区的上游与燃料气体和燃烧空气混合。

9、最后，本发明的还被表征为提供一种控制燃烧器的方法，该方法通过：在加热系统的燃烧区中使燃料气体和燃烧空气反应以产生火焰和烟道气；从燃烧区移除烟道气的第一部分作为再循环烟道气；在燃烧区上游将烟道气的第一部分与燃料气体和燃烧空气混合；从加热系统移除烟道气的第二部分，其中，烟道气的第二部分已经穿过对流区，其中，该对流区在燃烧区的下游；以及在燃烧区上游将烟道气的第二部分与燃料气体和燃烧空气混合。

10、本发明的另外的方面、实施方案和细节(所有这些都可以任何方式组合)在本发明的以下具体实施方式中阐述。