裂解爐燃燒器中過量空氣的控制方法

2023-10-04 21:17:49

專利名稱：裂解爐燃燒器中過量空氣的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種在裂解爐燃燒器中控制過量空氣的方法。
背景技術：
通過熱裂解(cracking)諸如石腦油等烴材料生產石蠟是化工過程 工業(chemical process industry)最重要的過程之一。例如，據報導，ABB 公司在德克薩斯州的Port Arthur建造了每年產能100萬噸以上乙烯和 丙烯的裂解工廠。裂解過程在"裂解爐"中進行。裂解爐通常由包含爐 管和燃燒器(burner)的外罩(enclosure)組成。燃料燃燒產生的熱量 加熱在爐管中流動的烴材料，烴材料熱裂解產生乙烯、丙烯以及其他 物質。
通常，裂解爐包括一個輻射段和一個對流段。燃燒器設置在輻射 段，這樣，置於輻射段內的爐管主要由與燃燒器相鄰的爐壁散發出的 輻射熱加熱。然後，從輻射段出來的燃燒氣(combustion gas)被導入 對流段，在這裡，來自燃燒氣的熱量被回收用於加熱放置於對流段的 爐管。氧氣傳感器，例如氧化鋯氧氣傳感器，通常放置在裂解爐輻射 段和對流段之間以便於控制燃燒器中的空氣/燃料比。裂解爐的總體效 率主要是輻射室(firebox)中過量空氣量以及裂解爐排出的廢氣的溫 度的函數。從效率角度看，控制裂解爐中的空氣量是有益的。當燃燒 器中的空氣量降低到空氣/燃料的計量比(stoichiometric ratio)以下時， 從裂解爐中排出的一氧化碳和煙就會增加。另一方面，過多的過量空 氣會降低裂解爐的總體效率，並導致氮氧化物的過量排放。因此，精 確控制裂解爐中過量空氣量對於達到效率與控制排放之間的最優平衡 非常必要。
傳統裂解爐中的氧氣傳感器是一種"點測量裝置"，即它只測量傳 感器所處位置處氧氣的含量。這種測量不能代表裂解爐整體的氧氣濃 度。如果能夠開發一種提供裂解爐內更具代表性的氧氣含量的系統，
這將是裂解爐控制技術的一個進步。此外，眾所周知，傳統的氧化鋯 氧氣傳感器易受諸如烴以及一氧化碳氣體等因素幹擾而影響氧氣測量 的準確度。如果能夠開發一種對這些幹擾更免疫的系統，這也將是裂 解爐控制技術的一個進步。
Hanson等人在《Sensor for Advanced Combustion System (用於高 級燃燒系統的傳感器)》，Global Climate & Energy Project (全球氣候和 能源項目)，史丹福大學，2004，的第II部分4.3章節總結了可調的近 紅外二極體雷射器的發展以及用於測定燃煤式電站鍋爐、垃圾焚化爐 以及噴氣發動機排出的燃燒氣(combustion gas)中氧氣、 一氧化碳以 及氮氧化物含量的吸收光譜法。Thompson等人在美國專利申請公開 US 2004/0191712 Al中將這一系統用於鋼鐵工業的燃燒應用中。如果 能夠將可調的近紅外二極體雷射器以及用於燃燒氣中氧氣、 一氧化碳 以及氮氧化物測定的吸收光譜法應用於熱裂解爐中，這將是一個技術 進步。

發明內容
對於以上所述需要對熱裂解爐排出的燃燒氣進行更加可靠的以及 代表性的分析的問題，本發明，至少在一定程度上，提供了一種解決 方案。本發明將可調的近紅外二極體雷射器以及吸收光譜法應用於熱 裂解爐排出的燃燒氣中諸如氧氣、 一氧化碳以及氮氧化物的測定。
更具體地，本發明是一種控制熱裂解爐燃燒器中空氣/燃料比的方 法，包括(a)引導從可調二極體雷射器發出的近紅外光的波長調製
光束穿過燃燒器排出的燃燒氣入射到近紅外光探測器以產生探測器信
號；(b)在選自氧氣、 一氧化碳以及氮氧化物的被分析物的特徵波長 處對探測器信號進行光譜吸收分析，以測定被分析物在燃燒氣中的濃 度；以及(c)根據歩驟(b)中被分析物的濃度調整燃燒器中空氣/燃 料比(即爐中的過量空氣)。


圖1是用於生產石蠟的典型的熱裂解爐10的示意性側視圖； 圖2是圖1中熱裂解爐10的示意性後視圖3是用於本發明的優選的可調二極體雷射器光譜裝置的詳細視
圖4是本發明所述系統採集的光譜，顯示了在表徵可調二極體激 光器產生的近紅外光的氧氣吸光率(absorbance)的波長區域內吸光率 的精細結構。
具體實施例方式
圖1是用於生產石蠟的典型的熱裂解爐10的示意性側視圖，熱裂 解爐10包括具有空氣入口 12以及廢氣出口 13的外罩11。空氣入口風 扇14提供強制氣流穿過燃燒器15。廢氣風扇16將氣流從爐10中引出。 裂解爐10的內部由三個主要部分構成輻射室(firebox)部分17、橋 牆(bridge wall)部分18、以及對流部分19。從燃燒器15出來的燃燒 氣首先被導入裂解爐10的輻射室部分17，然後穿過橋牆部分18以及 對流部分19，最後從廢氣出口 13排出。原料流(feed stream) 20被引 導穿過管道系統21以預加熱原料。蒸汽22被引入預加熱後的原料， 後者被設置於對流部分19的管道系統23進一步加熱，然後被設置於 輻射室部分17的管道系統24進一步加熱以得到產品25。
現參照圖2，圖2是圖1中熱裂解爐10的示意性後視圖，顯示了 輻射室部分17的外牆、橋牆部分18以及對流部分19。可調二極體激 光器系統26安裝在裂解爐10的橋牆部分18，這樣可調二極體雷射器 系統26的可調二極體雷射器發出的光可以穿過流經橋牆部分18的燃 燒氣到達光探測器系統27。
現參照圖3，圖3是圖2所示二極體雷射器系統26和光探測器系 統27的詳細視圖。圖3所示系統包括包含可調二極體雷射器的雷射器 模塊37。控制單元31包括用於信號處理(以下將詳細討論)的中央處 理器、可調二極體雷射器的溫度與電流控制單元以及用戶界面與顯示。 控制單元可如圖所示包含在一個分離單元內，也可以包含在系統其他 組件的某個內，例如控制單元包含在發射器(transmitter)中。校準板 (alignment plate) 29和調整杆30可以校準雷射束41 。雷射束穿過一 個或多個窗口 (例如熔融石英窗、藍寶石窗)進入裂解爐。這些窗口， 例如雙藍寶石窗28可以安裝在四英寸管法蘭(pipe flange) 40內。窗
口 28之間的空隙由10磅/平方英寸表壓(gauge pressure)下流速25
升/分鐘的氮氣進行清洗。安裝法蘭40使其穿過爐壁。
參考圖3，雷射束41穿過一個或多個窗口33 (可以是雙藍寶石或 其它合適的材料，例如熔融石英)到達近紅外探測器38。窗口33可以 安裝在四英寸管法蘭39上。窗口 33之間的空隙由10磅/平方英寸表壓 (gauge pressure)下流速25升/分鐘的氮氣進行清洗。安裝法蘭39使 其穿過爐壁。校準板34和調整杆35可以使探測器和雷射束41光學對 準。探測器的電子元件36通過電纜37與控制單元31保持電通信。控 制單元31也與流程控制系統32保持電通信(通過電纜38)以控制裂 解爐10。雷射束41的光程長度大約為60英尺。圖3所示系統可從得 克薩斯州的Analytical Specialties of Houston公司採購到。
圖3所示的系統測量雷射穿過燃燒氣時的吸收(損耗)。氧氣、一 氧化碳以及氮氧化物的吸收光譜各自展現出獨特的精細結構。光譜的 個別特徵(individual features)可以在可調二極體雷射器37的高解析度 下看到。通過控制單元31控制輸入電流可以調製可調二極體雷射器37 (即從一個波長掃描或調諧到另一個波長)。
現參照圖4，圖4顯示了在氧氣吸收可調二極體雷射器發出的近紅 外光的調製光束的區域內的光譜。圖4所示的吸光率與燃燒氣中氧氣 的濃度成比例。在2333 nm附近的一氧化碳吸收線用來測定低的一氧 化碳ppm濃度。在1570 nm附近的一氧化碳吸收線用來測定更高的一 氧化碳濃度。在2740nm附近的氮氧化物吸收線用來測定低的(lowto sub)氮氧化物ppm濃度。在1800 nm附近的氮氧化物吸收線用來測定 更高的氮氧化物濃度。
參考圖1，根據以上所述的氧氣、 一氧化碳以及氮氧化物的可調二 極管雷射器光譜分析，可以控制(由圖3中的流程控制器32控制)燃 燒器15的空氣/燃料比(爐中的過量空氣)以優化廢氣中的氧氣、 一氧 化碳以及氮氧化物的濃度。
儘管以上已經結合優先實施例對本發明進行了描述，但是在本發 明的精神與技術範圍內，可以對本發明進行修改。因此本申請的目的 在於涵蓋任何利用此處公開的普遍原理對本發明進行的變形、使用、 或者改變。此外，本申請還涵蓋與本公開內容不同但是在本發明所屬 領域且屬於以下權利要求範圍內的已知的或慣用的技術範圍內的方
安 條。
權利要求
1、一種控制用於生產石蠟的熱裂解爐的燃燒器中空氣/燃料比的方法，包括(a)引導從可調二極體雷射器發射的近紅外光的波長調製光束穿過燃燒器排出的燃燒氣入射到近紅外光探測器以產生探測器信號；(b)在選自氧氣、一氧化碳以及氮氧化物的被分析物的特徵波長處對探測器信號進行光譜吸收分析，以測定被分析物在燃燒氣中的濃度；以及(c)根據步驟(b)中被分析物的濃度調整燃燒器中空氣/燃料比(即爐中的過量空氣)。
2、 如權利要求l所述的方法，其中可調二極體雷射器發出的近紅外光的波長範圍在大約500至15000波數之間。
全文摘要
一種控制熱裂解爐燃燒器中空氣/燃料比(過量空氣)的方法，包括三個步驟。第一步是引導從可調二極體雷射器發射的近紅外光的波長調製光束穿過燃燒器排出的燃燒氣入射到近紅外光探測器以產生探測器信號。第二步是在選自氧氣、一氧化碳以及氮氧化物的被分析物的特徵波長處對探測器信號進行光譜吸收分析，以測定被分析物在廢氣中的濃度。第三步是根據第二步中被分析物的濃度調整燃燒器中空氣/燃料比(即爐中的過量空氣)。
文檔編號G01N21/31GK101175988SQ200680016536
公開日2008年5月7日 申請日期2006年5月9日 優先權日2005年5月16日
發明者A·E·韋伯, C·J·雷德, C·W·利普, G·D·弗雷德裡克, J·D·泰特, S·歐文 申請人:陶氏環球技術公司