本發(fā)明整體涉及一種氣體燃燒器，并且更具體地涉及一種利用目標氣體諸如nox還原介質來減少nox產(chǎn)量的氣體燃燒器。

背景技術：

1、石油精煉和石化工藝通常涉及在爐中加熱工藝物流。爐的內腔包含含有工藝物流的管。內腔由多個氣體燃燒器加熱，該多個氣體燃燒器接收燃燒以產(chǎn)生熱量的燃料。

2、氣體燃燒器的一個關注領域是nox氣體的產(chǎn)生。應當理解，nox是指氮氧化物，其主要由一氧化氮no和二氧化氮no2構成。據(jù)信，在燃燒過程中存在至少三種主要的nox形成機制，即熱nox、燃料nox和即時nox。參見“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技術公告1999年11月(可獲得于：https://www3.epa.gov/ttncatc1/dir1/fnoxdoc.pdf)。

3、已知氣體燃燒器中的nox形成可以通過分級燃料和空氣并創(chuàng)建主燃燒(火焰)區(qū)和二次燃燒(火焰)區(qū)來減輕。分級空氣燃燒器和分級燃料燃燒器主要對熱nox和即時nox形成過程起作用。當氣體燃料和燃燒空氣以化學計量比例或接近化學計量比例充分混合并快速燃燒時，實現(xiàn)了最高的火焰溫度，從而實現(xiàn)了熱nox形成的最大潛力。

4、因此，分級空氣燃燒器和分級燃料燃燒器尋求降低火焰的溫度，從而減少nox產(chǎn)量。經(jīng)典的分級燃料燃燒器或分級空氣燃燒器形成兩個燃燒區(qū)，以供進行非化學計量燃燒。

5、在分級燃料燃燒器的情況下，所有燃燒空氣經(jīng)過主燃燒區(qū)，然后與主燃燒區(qū)的部分燃燒產(chǎn)物一起進入二次燃燒區(qū)。在這種情況下，初級燃燒區(qū)是貧的，具有過量的燃燒空氣。稀薄燃燒在一定程度上降低了火焰溫度，因為所有燃燒空氣的質量快速地吸收火焰中的熱量并且將其排出主燃燒區(qū)，從而使得熱量可以有時間(可以毫秒為單位測量)從主燃燒區(qū)輻射到包括加熱器、鍋爐或爐工藝管在內的周圍環(huán)境。完全燃燒和/或部分燃燒(反應)的燃燒產(chǎn)物從主燃燒區(qū)傳遞到二次燃燒區(qū)或分級燃燒區(qū)。這種傳輸使得主燃燒區(qū)的產(chǎn)物可以有時間(同樣可以毫秒為單位測量)進一步將熱輻射到周圍環(huán)境和工藝管。因此，來自主燃燒區(qū)的經(jīng)稍微冷卻的燃燒產(chǎn)物起到傳導二次燃燒區(qū)中的熱量并且使二次燃燒區(qū)冷卻的作用。此外，二次燃燒區(qū)的燃燒反應大體上發(fā)生在相對稀薄的條件下，因為典型的工藝加熱器、鍋爐或爐在燃燒空氣過量5％至25％的稀薄條件下工作。因此，使燃燒過程完成達到恰當程度，達到工業(yè)上可接受的效率水平，即5％至25％的過量空氣。

6、經(jīng)典分級空氣燃燒器顛倒分級過程，并且引入所有燃料氣體以供在主燃燒區(qū)進行燃燒并且僅引入一部分燃燒空氣。在分級空氣燃燒器的情況下，主燃燒區(qū)可按亞化學計量方式工作，并且由于反應物和產(chǎn)物經(jīng)過二次燃燒區(qū)，因此實現(xiàn)工業(yè)上可接受的過量空氣水平，即5％至25％的過量空氣。對于分級空氣燃燒器，反應物必須經(jīng)過接近化學計量的區(qū)域，在該區(qū)域中，火焰溫度很高，并由此形成熱nox，因此分級空氣燃燒器可能難以實現(xiàn)非常低的nox排放量。

7、最近，內部煙道氣體再循環(huán)燃燒器已經(jīng)利用加熱器或爐燃燒室內的煙道氣體，該煙道氣體由燃料氣體促動并且混合進入主燃燒區(qū)和二次燃燒區(qū)中。該煙道氣體(相對冷的、大量的燃燒產(chǎn)物(煙道氣體))進入并通過燃燒區(qū)，從而進一步冷卻燃燒區(qū)并減少熱nox的形成。煙道氣體中的水蒸氣還用作通過溶劑化和催化烴燃燒而減輕經(jīng)由即時nox機制產(chǎn)生的nox，這是通過最近理解的水煤氣變換反應(“wgsr”)機制來實現(xiàn)的，該水煤氣變換反應(“wgsr”)機制如由jan?de?ren、kurt?kraus和chris?ferguson在2020年7月在國際火焰研究基金會上的“蒸汽輔助升降式火炬系統(tǒng)的范式轉變(a?paradigm?shiftin?steamassisted?elevated?flare?systems)”中描述的。由于從主燃燒區(qū)到二次燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物包括一些水蒸氣，這些wgsr機制也以有限的程度存在于經(jīng)典或常規(guī)分級燃料或分級空氣燃燒器中。

8、在一些燃燒系統(tǒng)中，選擇性催化還原(scr)系統(tǒng)用于對nox排放物進行煙道氣體后處理。scr系統(tǒng)是一種有效減少煙道氣體流中的nox的方式，減少高達95％。然而，此類系統(tǒng)需要有供催化劑和結構的空間、資金投入和運行成本高，形成其它不期望的排放物以及形成可能致使催化劑中毒和失活的不期望的物質。

9、分級空氣燃燒器和分級燃料燃燒器兩者都可能需要并產(chǎn)生大量火焰來實現(xiàn)低nox排放量。現(xiàn)代化加熱器和爐設計必須針對更大型且成本更高的燃燒室進行設計，以使得分級燃料燃燒器和分級空氣燃燒器可以產(chǎn)生更多的低nox排放量燃燒器火焰。

10、因此，仍然需要一種nox產(chǎn)量低且不存在這些缺點的燃燒器。

技術實現(xiàn)思路

1、一種新型燃燒器及其使用方法已經(jīng)得以發(fā)明并且利用目標氣體，即nox還原介質或nox還原介質的混合物，來減少在燃燒器中的燃燒期間生成的nox排放物。具體地，燃燒器被構造成使得目標氣體和/或內部再循環(huán)煙道氣體在供應到燃燒器的燃燒區(qū)的燃燒空氣與燃料氣體之間流動，這使得目標氣體和/或內部再循環(huán)煙道氣體與燃料氣體混合，隨后與燃燒空氣在燃燒區(qū)中混合。這樣，氣體和/或nox還原介質的“惰性”組分(co2,n2,h2o)與燃料氣體混合，以促進從燃燒開始到整個燃燒反應中燃燒反應物(燃料和空氣)發(fā)生傳導熱傳遞，以降低燃燒過程中的入射火焰溫度或峰值火焰溫度。降低峰值火焰溫度減少了反應區(qū)(火焰)中的燃燒空氣或燃料氣體中的氮氣發(fā)生的氧化，并由此減少熱nox的形成，該熱nox是在燃料氣體燃燒期間形成的nox。而且，氣體(nox還原介質)中的水蒸氣用于溶劑化和催化燃燒反應，以降低燃燒反應物的活化溫度，從而進一步降低峰值火焰溫度，并由此降低nox排放量。

2、因此，本發(fā)明的廣義特征可在于提供一種燃燒器，該燃燒器被配置為在燃燒區(qū)中產(chǎn)生火焰，其中，該燃燒器包括燃燒空氣導管、目標氣體導管和燃料氣體導管，該燃燒空氣導管向燃燒區(qū)提供燃燒空氣，該目標氣體導管被燃燒空氣導管環(huán)繞，該目標氣體向燃燒區(qū)提供氣體，并且更具體地提供nox還原介質，該燃料氣體導管被目標氣體導管環(huán)繞，該燃料氣體導管向燃燒區(qū)提供燃料氣體，其中，一部分燃料氣體與一部分目標氣體混合，然后與燃燒空氣在燃燒區(qū)中混合。

3、在其它實施方案中，燃料氣體導管包括入口，該入口從燃燒源抽吸附加煙道氣體。而且，燃燒空氣導管可具有封閉端和在封閉端處的開口，其中，目標氣體(nox還原介質)橫穿封閉端流動，從而形成燃燒空氣與燃料氣體之間的流體屏障。此外，目標氣體導管可包括封閉端和在封閉端處的開口，該開口用于將目標氣體注入到燃燒區(qū)中。相似地，燃料氣體導管可包括封閉端和在封閉端處的開口，該開口用于將燃料氣體注入到燃燒區(qū)中。在一個實施方案中，一部分燃料氣體通過入口注入到燃燒空氣導管并且與一部分燃燒空氣混合，然后到達燃燒區(qū)。在另一個實施方案中，一部分目標氣體與一部分燃燒空氣混合，然后進入燃燒空氣導管，其中，目標氣體的剩余部分進入目標氣體導管。在另外的實施方案中，大于0％的量至等于95％的量的目標氣體與燃燒空氣混合，然后進入燃燒空氣導管，其中，目標氣體的剩余部分進入目標氣體導管。在一個實施方案中，將燃燒空氣導管中的燃燒空氣預熱到預先確定的溫度。另外在一個實施方案中，燃燒空氣導管中的燃燒空氣包括富集氧氣或純氧氣。燃燒器也可包括控制器，該控制器被配置用于控制燃燒空氣導管中的燃燒空氣的流速、按預定義比例控制目標氣體導管中的氣體(nox還原介質)的流速以及燃料氣體導管中的燃料氣體的流速。在一個實施方案中，至少一個孔口在燃燒空氣導管與目標氣體導管之間延伸。在另一個實施方案中，至少一個孔口在目標氣體導管與燃料氣體導管之間延伸。

4、在另一方面，本發(fā)明的特征可在于提供一種用于減少燃燒器處的nox氣體的產(chǎn)量的方法，其中，該方法包括將燃燒空氣注入到燃燒區(qū)中，將目標氣體注入到燃燒區(qū)中以及將燃料氣體注入到燃燒區(qū)中，其中，一部分燃料氣體與一部分目標氣體混合，然后與燃燒空氣在燃燒區(qū)中混合。

5、在另一方面，本發(fā)明的特征可在于一種用于使用控制系統(tǒng)控制燃燒器以減少燃燒期間nox氣體的產(chǎn)量的方法，其中，該方法包括啟用吹掃程序，以及封閉通向鼓風機和再循環(huán)管線的入口閥和出口閥以防止可燃氣體積聚在燃燒器中，以及在吹掃程序完成時打開通向鼓風機和再循環(huán)管線的入口閥和出口閥，其中，在吹掃程序中，燃燒器中的至少一個鼓風機自動啟動并且將燃燒空氣供應到燃燒器和再循環(huán)管線。在一個實施方案中，完成吹掃程序包括更換燃燒器中的至少四次完整容積的空氣。在另一個實施方案中，該方法還包括電聯(lián)鎖啟動燃燒器，直到吹掃程序完成。在另一個實施方案中，該方法還包括控制鼓風機的至少一個馬達，該至少一個馬達是變頻驅動馬達。

6、在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于使用控制系統(tǒng)控制燃燒器以減少燃燒期間nox氣體的產(chǎn)量的方法，其中，該方法包括在待機模式下操作燃燒器，直到燃燒器中的燃燒室的溫度處于預先確定的最低溫度，并且當燃燒器的燃燒室的溫度處于預先確定的最低溫度時，在運行模式下操作燃燒器。

7、在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于使用控制系統(tǒng)控制燃燒器以減少燃燒期間nox氣體的產(chǎn)量的方法，其中，該方法包括將nox還原介質直接注入燃燒器中的燃燒室中以及與燃燒室中的煙道氣體的組合物和燃燒器出口處的nox排放物的直接測量結果成比例地控制nox還原介質注入到燃燒室中。在一個實施方案中，該方法包括通過使用變頻驅動馬達改變燃燒器中的鼓風機的速度來控制nox還原介質注入到燃燒室中的速率。

8、在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于使用控制系統(tǒng)控制燃燒器系統(tǒng)中的燃燒器以減少燃燒期間nox氣體的產(chǎn)量的方法，其中，該方法包括將nox還原介質直接注入燃燒器中的燃燒室中以及與燃燒器的出口處的nox的量、燃燒器的出口處的溫度、煙道氣體中的氧氣的量、燃燒室中的煙道氣體的流速和壓力以及燃燒室中的煙道氣體的組合物中的至少一者成比例地控制nox還原介質注入到燃燒室中。在一個實施方案中，該方法還包括通過使用變頻驅動馬達改變燃燒器系統(tǒng)中的鼓風機的速度來控制nox還原介質注入到燃燒室中的速率。在另一個實施方案中，該方法包括通過調節(jié)控制器來改變燃燒器系統(tǒng)中的流量控制閥的位置來控制nox還原介質注入到燃燒室中的速率。

9、本發(fā)明的另外的方面、實施方案和細節(jié)(所有這些都可以任何方式組合)在本發(fā)明的以下具體實施方式中闡述。