用于吸熱反應(yīng)的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于吸熱反應(yīng)的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及用于在外燃式反應(yīng)器中的蒸汽甲烷重整(SMR)及其他吸熱反應(yīng)的頂燃式爐的設(shè)計。
[0002]SMR工藝主要基于輕烴如甲烷在水蒸氣的存在下得到氫氣(H2)和一氧化碳(CO)混合物的重整反應(yīng)。該反應(yīng)是吸熱且緩慢的，并需要額外的熱輸入以及催化劑存在。SMR反應(yīng)器通常包括置于爐中的幾個管，所述管由催化劑粒料填充并供應(yīng)甲烷和蒸汽的工藝氣體混合物。
[0003]工業(yè)范圍出現(xiàn)幾種爐設(shè)計。頂燃技術(shù)是最多提及的設(shè)計之一，且它由幾個技術(shù)提供者提出。頂燃式爐通常由包含幾排含催化劑管的耐火材料襯里的燃燒室制成。將頂部燃燒器成排放置在管排之間且通常將離開燃燒器的燃燒產(chǎn)物垂直向下吹，以使管排在其上部面向火焰。通常在爐底平面提供煙道氣排氣收集器。
[0004]爐設(shè)計，通常也稱為燃燒室設(shè)計的主要目的是在考慮管的最大操作溫度限制的同時使由燃燒器火焰至管的傳熱最大化，該限制是管的機(jī)械載荷(主要是進(jìn)料氣體壓力)、用于管的合金的機(jī)械性能和所希望的管的壽命的函數(shù)。實(shí)際上，管傳熱的任何增強(qiáng)均直接正面影響爐的生產(chǎn)率或燃燒室的緊湊度(這在資本支出方面是有價值的)。然而，熱負(fù)荷的增加通常意味著更高的管壁溫度水平，這降低管壽命或需要更昂貴更具耐受性的合金。
[0005]因此在性能與耐用性之間折中的焦點(diǎn)上，催化劑管的溫度特性是爐設(shè)計和操作的關(guān)鍵要素。典型的管的熱通量與溫度的垂直特性在圖2中以周向平均值繪出。熱通量特性明顯突出了管的進(jìn)料入口(上部)部分是傳熱的優(yōu)選區(qū)域。實(shí)際上，以下幾個因素有利于熱通量最大化:
[0006]?燃燒器與進(jìn)料入口點(diǎn)接近，其意味著載荷(管)與熱釋放源(燃燒器)之間的最大溫度差
[0007].最高反應(yīng)速率以及因此使管溫度降低的散熱設(shè)備(heat sink)
[0008]對于傳熱效率，這突出了頂燃設(shè)計與其他設(shè)計相比的優(yōu)越性。
[0009]在管上部中的熱通量與溫度特性越直，在相同(抗蠕變性)設(shè)計溫度下管的熱負(fù)荷越高，且因此在相同轉(zhuǎn)化率下每根管的工藝氣體流速能力越高。然而提高爐上部傳熱的實(shí)際的頂燃設(shè)計受在爐中用于將化學(xué)能由熱氣體的輻射傳遞到管的常規(guī)燃燒器產(chǎn)生的氣態(tài)火焰的能力限制。實(shí)際上，以下幾個現(xiàn)象限制了常規(guī)下行火焰燃燒器的能力:
[0010].由于環(huán)境原因，高氮氧化物(NOx)水平嚴(yán)重不利于短火焰燃燒器的選擇，然而降低熱N0j_放的典型方法是用燃燒過的氣體稀釋火焰，或進(jìn)行分級燃料注入以將火焰最大溫度降低到1000°C以下。因此，火焰在爐上部傳熱的能力降低，且因此減少了提供給反應(yīng)的熱。這種限制是更長且更冷的火焰與更短且NOx效率更低的火焰之間的典型折中。
[0011]?氣態(tài)介質(zhì)與壁之間的輻射傳熱的物理現(xiàn)象在本質(zhì)上比具有不同溫度的壁表面之間的輻射傳熱的物理現(xiàn)象效率更低。熱氣體的Irn特征尺寸體積具有顯著低于在相同溫度下加熱的一個高發(fā)射率固體表面的典型的凈發(fā)射。
[0012]此外，在頂燃式重整裝置中進(jìn)行吸熱反應(yīng)所必需的熱由位于管之間的燃燒器提供。在爐側(cè)部沿著爐壁的額外燃燒器僅在一側(cè)加熱一個管排且在另一側(cè)加熱耐火壁。燃燒室中部的燃燒器加熱在燃燒器排兩側(cè)的兩個管排。因此，側(cè)部燃燒器所需的功率小于(?52%包括在側(cè)壁的熱損失)爐中心所需功率。降低在側(cè)部燃燒器排注入的功率，而保持化學(xué)計量不變，意味著降低空氣和燃料流速。
[0013]流體機(jī)制與噴射理論將在頂燃式燃燒室內(nèi)確定典型的流動設(shè)置，這意指將側(cè)部燃燒器的熱的燃燒過的氣體噴吸至燃燒室中心。噴射火焰夾帶部分周圍的煙道氣，形成壓降，且因此形成煙道氣循環(huán)。因此，由于存在緊鄰的燃燒器排，沿壁設(shè)置的燃燒器在壁側(cè)比在爐側(cè)進(jìn)行更小的循環(huán)(即壓降)。如果沿側(cè)壁較低的功率或流速得到較低的速度，由于側(cè)部噴射的較弱的動量，這將加強(qiáng)側(cè)部火焰至中心的彎曲效應(yīng)，如圖3中所示。
[0014]在US 2007/0099141 Al中提出一種用于在爐中產(chǎn)生矯直火焰的方法和爐，其中將氧化劑引入多個氧化劑導(dǎo)管。氧化劑導(dǎo)管各自具有與靠近爐的第一內(nèi)端的爐內(nèi)部流體連通的出口。爐的第一內(nèi)端具有水平投影面積。氧化劑導(dǎo)管出口在由爐的第一內(nèi)端至在第一內(nèi)端對面提供的爐的第二內(nèi)端的平均距離的30%處限定結(jié)合的水平投影湍流無噴射面積。
[0015]文獻(xiàn)US 2007/0128091論述了由圓周爐壁圍繞的爐腔，其中基本上在一個平面內(nèi)設(shè)置多個燃燒器，其中燃燒器出口方向向下，且設(shè)置多個基本上垂直且彼此平行設(shè)置的反應(yīng)管，由此借助燃燒的燃燒器由外部加熱反應(yīng)管。意欲改善熱分布和整個傳熱。這通過在爐壁區(qū)域中至少設(shè)置外部燃燒器而實(shí)現(xiàn)，其中燃燒器出口方向相對于垂直以遠(yuǎn)離爐的中心的方式傾斜。
[0016]文獻(xiàn)EP 2369229 A2描述了一種重整裝置以及一種用于操作該重整裝置的方法，其包括在上行式或下行式重整裝置的燃燒區(qū)域中燃料的燃燒，其中至少一個燃燒器是形成非均勻注射的壁限制型燃燒器。非均勻注射性能產(chǎn)生提供靠近壁的第一熱密度和遠(yuǎn)離壁的第二熱密度的熱特性，其中第二熱密度大于第一熱密度。通過選擇一個或多個注射器的角度、一個或多個注射器的流速、氧化劑注射器的量和/或位置、燃料注射器的量和/或位置及其組合形成非均勻注射性能。
[0017]Johnson Matthey 在 2OO3 年出版的 W.Cotton 的文章 “Fluegas flow patternsin top-fired steam reforming furnaces (在頂燃式蒸汽重整爐中煙道氣流動方式)”中教導(dǎo)了包含與內(nèi)部燃燒器相比以70 %的速率燃燒的外部燃燒器和在管與爐側(cè)之間的外道寬度為兩個管排之間的內(nèi)道寬度的70%的重整裝置降低了循環(huán)問題。根據(jù)該文章，也可以操作燃燒至具有與內(nèi)道相同寬度的外道的100%額定的外部燃燒器且火焰至爐中心沒有任何彎曲。
[0018]所有提出的解決方案的共同點(diǎn)在于它們不能進(jìn)行僅將所需量的功率提供給外部燃燒器的爐設(shè)計。例如如在所引文章“Fluegas flow patterns in top-fired steamreforming furnaces (在頂燃式蒸汽重整爐中煙道氣流動方式)”中所提出，燃燒器的功率比不降低至計算值的約52%。因此，已知的解決方案避免了火焰向爐中心彎曲，但不能防止位于爐壁附近的含催化劑管的過熱。該過熱導(dǎo)致不希望的副反應(yīng)和催化劑的不可逆破壞。
[0019]因此，本發(fā)明的目的是提出一種爐以及一種操作該爐的方法，其將避免側(cè)部火焰向中心的彎曲效應(yīng)以及爐壁附近的管的過熱問題。
[0020]該任務(wù)通過本發(fā)明權(quán)利要求1的特征來完成。用于進(jìn)行吸熱過程的爐包括許多含催化劑的管，將其設(shè)置在爐內(nèi)，通常將其成排設(shè)置在爐內(nèi)。在這些催化劑管內(nèi)，將氣態(tài)進(jìn)料(離析物)在以熱形式由周圍環(huán)境吸收能量的反應(yīng)中轉(zhuǎn)化。該熱由許多燃燒器提供，所述燃燒器位于爐的頂部。部分燃燒器為所謂的“內(nèi)部燃燒器”并位于管排之間，而將所謂“外部燃燒器”設(shè)置在最外部的管和爐壁之間。燃燒器出口方向向下。基本上垂直且彼此平行地設(shè)置催化劑管，其中進(jìn)料由上至下流動通過管。
[0021]為了避免火焰彎曲和管過熱，提出對現(xiàn)有設(shè)計的三種不同的修改:
[0022].使外部或側(cè)部燃燒器位于壁附近以使它們的火焰貼附在耐火材料上。這將避免火焰由于所謂的能夠使火焰流動遠(yuǎn)離壁的“噴射壁”效應(yīng)而向爐的中部彎曲。在本發(fā)明意義上壁附近是指由燃燒器噴嘴產(chǎn)生的料流直接沿壁流動。將燃燒器盡可能接近壁放置，甚至接觸到壁。這優(yōu)選是指燃燒器中心軸到爐壁的距離小于最外部管與爐壁之間的距離的25%，優(yōu)選10%，更優(yōu)選5%，最優(yōu)選2%。在大多數(shù)情況下，側(cè)部燃燒器將不是圓形的，而是扁平的矩形形狀。
[0023].將外部或側(cè)部燃燒器的功率設(shè)計成內(nèi)部燃燒器功率的45-60%，優(yōu)選50-55%的值。這將避免如上所述的第二管排上的管過熱。通過燃燒過的燃料的量來調(diào)整功率。
[0024].外部燃燒器的尺寸使得它們的噴射入口速度基本上與在內(nèi)部燃燒器中的相同?？赡艿氖亲畲?0%，優(yōu)選5%的偏差。這將允許流動設(shè)置更平滑且料流管線向下更直。利用通過燃燒器噴嘴的總體積流量調(diào)節(jié)燃燒器進(jìn)料入口速度。
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