用于吸热反应的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于吸热反应的方法和装置
[0001]本发明涉及用于在外燃式反应器中的蒸汽甲烷重整(SMR)及其他吸热反应的顶燃式炉的设计。
[0002]SMR工艺主要基于轻烃如甲烷在水蒸气的存在下得到氢气(H2)和一氧化碳(CO)混合物的重整反应。该反应是吸热且缓慢的，并需要额外的热输入以及催化剂存在。SMR反应器通常包括置于炉中的几个管，所述管由催化剂粒料填充并供应甲烷和蒸汽的工艺气体混合物。
[0003]工业范围出现几种炉设计。顶燃技术是最多提及的设计之一，且它由几个技术提供者提出。顶燃式炉通常由包含几排含催化剂管的耐火材料衬里的燃烧室制成。将顶部燃烧器成排放置在管排之间且通常将离开燃烧器的燃烧产物垂直向下吹，以使管排在其上部面向火焰。通常在炉底平面提供烟道气排气收集器。
[0004]炉设计，通常也称为燃烧室设计的主要目的是在考虑管的最大操作温度限制的同时使由燃烧器火焰至管的传热最大化，该限制是管的机械载荷(主要是进料气体压力)、用于管的合金的机械性能和所希望的管的寿命的函数。实际上，管传热的任何增强均直接正面影响炉的生产率或燃烧室的紧凑度(这在资本支出方面是有价值的)。然而，热负荷的增加通常意味着更高的管壁温度水平，这降低管寿命或需要更昂贵更具耐受性的合金。
[0005]因此在性能与耐用性之间折中的焦点上，催化剂管的温度特性是炉设计和操作的关键要素。典型的管的热通量与温度的垂直特性在图2中以周向平均值绘出。热通量特性明显突出了管的进料入口(上部)部分是传热的优选区域。实际上，以下几个因素有利于热通量最大化:
[0006]?燃烧器与进料入口点接近，其意味着载荷(管)与热释放源(燃烧器)之间的最大温度差
[0007].最高反应速率以及因此使管温度降低的散热设备(heat sink)
[0008]对于传热效率，这突出了顶燃设计与其他设计相比的优越性。
[0009]在管上部中的热通量与温度特性越直，在相同(抗蠕变性)设计温度下管的热负荷越高，且因此在相同转化率下每根管的工艺气体流速能力越高。然而提高炉上部传热的实际的顶燃设计受在炉中用于将化学能由热气体的辐射传递到管的常规燃烧器产生的气态火焰的能力限制。实际上，以下几个现象限制了常规下行火焰燃烧器的能力:
[0010].由于环境原因，高氮氧化物(NOx)水平严重不利于短火焰燃烧器的选择，然而降低热N0j_放的典型方法是用燃烧过的气体稀释火焰，或进行分级燃料注入以将火焰最大温度降低到1000°C以下。因此，火焰在炉上部传热的能力降低，且因此减少了提供给反应的热。这种限制是更长且更冷的火焰与更短且NOx效率更低的火焰之间的典型折中。
[0011]?气态介质与壁之间的辐射传热的物理现象在本质上比具有不同温度的壁表面之间的辐射传热的物理现象效率更低。热气体的Irn特征尺寸体积具有显著低于在相同温度下加热的一个高发射率固体表面的典型的净发射。
[0012]此外，在顶燃式重整装置中进行吸热反应所必需的热由位于管之间的燃烧器提供。在炉侧部沿着炉壁的额外燃烧器仅在一侧加热一个管排且在另一侧加热耐火壁。燃烧室中部的燃烧器加热在燃烧器排两侧的两个管排。因此，侧部燃烧器所需的功率小于(?52%包括在侧壁的热损失)炉中心所需功率。降低在侧部燃烧器排注入的功率，而保持化学计量不变，意味着降低空气和燃料流速。
[0013]流体机制与喷射理论将在顶燃式燃烧室内确定典型的流动设置，这意指将侧部燃烧器的热的燃烧过的气体喷吸至燃烧室中心。喷射火焰夹带部分周围的烟道气，形成压降，且因此形成烟道气循环。因此，由于存在紧邻的燃烧器排，沿壁设置的燃烧器在壁侧比在炉侧进行更小的循环(即压降)。如果沿侧壁较低的功率或流速得到较低的速度，由于侧部喷射的较弱的动量，这将加强侧部火焰至中心的弯曲效应，如图3中所示。
[0014]在US 2007/0099141 Al中提出一种用于在炉中产生矫直火焰的方法和炉，其中将氧化剂引入多个氧化剂导管。氧化剂导管各自具有与靠近炉的第一内端的炉内部流体连通的出口。炉的第一内端具有水平投影面积。氧化剂导管出口在由炉的第一内端至在第一内端对面提供的炉的第二内端的平均距离的30%处限定结合的水平投影湍流无喷射面积。
[0015]文献US 2007/0128091论述了由圆周炉壁围绕的炉腔，其中基本上在一个平面内设置多个燃烧器，其中燃烧器出口方向向下，且设置多个基本上垂直且彼此平行设置的反应管，由此借助燃烧的燃烧器由外部加热反应管。意欲改善热分布和整个传热。这通过在炉壁区域中至少设置外部燃烧器而实现，其中燃烧器出口方向相对于垂直以远离炉的中心的方式倾斜。
[0016]文献EP 2369229 A2描述了一种重整装置以及一种用于操作该重整装置的方法，其包括在上行式或下行式重整装置的燃烧区域中燃料的燃烧，其中至少一个燃烧器是形成非均匀注射的壁限制型燃烧器。非均匀注射性能产生提供靠近壁的第一热密度和远离壁的第二热密度的热特性，其中第二热密度大于第一热密度。通过选择一个或多个注射器的角度、一个或多个注射器的流速、氧化剂注射器的量和/或位置、燃料注射器的量和/或位置及其组合形成非均匀注射性能。
[0017]Johnson Matthey 在 2OO3 年出版的 W.Cotton 的文章 “Fluegas flow patternsin top-fired steam reforming furnaces (在顶燃式蒸汽重整炉中烟道气流动方式)”中教导了包含与内部燃烧器相比以70 %的速率燃烧的外部燃烧器和在管与炉侧之间的外道宽度为两个管排之间的内道宽度的70%的重整装置降低了循环问题。根据该文章，也可以操作燃烧至具有与内道相同宽度的外道的100%额定的外部燃烧器且火焰至炉中心没有任何弯曲。
[0018]所有提出的解决方案的共同点在于它们不能进行仅将所需量的功率提供给外部燃烧器的炉设计。例如如在所引文章“Fluegas flow patterns in top-fired steamreforming furnaces (在顶燃式蒸汽重整炉中烟道气流动方式)”中所提出，燃烧器的功率比不降低至计算值的约52%。因此，已知的解决方案避免了火焰向炉中心弯曲，但不能防止位于炉壁附近的含催化剂管的过热。该过热导致不希望的副反应和催化剂的不可逆破坏。
[0019]因此，本发明的目的是提出一种炉以及一种操作该炉的方法，其将避免侧部火焰向中心的弯曲效应以及炉壁附近的管的过热问题。
[0020]该任务通过本发明权利要求1的特征来完成。用于进行吸热过程的炉包括许多含催化剂的管，将其设置在炉内，通常将其成排设置在炉内。在这些催化剂管内，将气态进料(离析物)在以热形式由周围环境吸收能量的反应中转化。该热由许多燃烧器提供，所述燃烧器位于炉的顶部。部分燃烧器为所谓的“内部燃烧器”并位于管排之间，而将所谓“外部燃烧器”设置在最外部的管和炉壁之间。燃烧器出口方向向下。基本上垂直且彼此平行地设置催化剂管，其中进料由上至下流动通过管。
[0021]为了避免火焰弯曲和管过热，提出对现有设计的三种不同的修改:
[0022].使外部或侧部燃烧器位于壁附近以使它们的火焰贴附在耐火材料上。这将避免火焰由于所谓的能够使火焰流动远离壁的“喷射壁”效应而向炉的中部弯曲。在本发明意义上壁附近是指由燃烧器喷嘴产生的料流直接沿壁流动。将燃烧器尽可能接近壁放置，甚至接触到壁。这优选是指燃烧器中心轴到炉壁的距离小于最外部管与炉壁之间的距离的25%，优选10%，更优选5%，最优选2%。在大多数情况下，侧部燃烧器将不是圆形的，而是扁平的矩形形状。
[0023].将外部或侧部燃烧器的功率设计成内部燃烧器功率的45-60%，优选50-55%的值。这将避免如上所述的第二管排上的管过热。通过燃烧过的燃料的量来调整功率。
[0024].外部燃烧器的尺寸使得它们的喷射入口速度基本上与在内部燃烧器中的相同。可能的是最大10%，优选5%的偏差。这将允许流动设置更平滑且料流管线向下更直。利用通过燃烧器喷嘴的总体积流量调节燃烧器进料入口速度。
[