专利名称：用于碳氢化合物氧化的方法和反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于含碳氢化合物给料(feedstock)的氧化的方法和 相关的反应器。本发明可以用用于例如自动热转化(autothermal reforming)、 二段转化(secondaryreforming)和部分氧化，用于产生合成 气体或燃料。
背景技术：
含碳氢化合物给料(HCF)的部分氧化或全部氧化在这样的过程中实 现焦炉煤气或天然气的自动热转化；来自于一段转化炉(reformer)的 过程气体(process gas)的二段转化，例如，用于产生合成气体；HCF的 部分氧化(POX)，用于转换成合成气体、燃料或还原气体。取决于应用， 在适当的容器的反应室内氧化剂流可以是空气、浓縮02的空气或纯氧气 (通常为95%摩尔或更多)。
图13示出了现有技术的空气二段转化炉的示例。转化炉具有带有颈状 部101的容器100，燃烧器102安装在所述颈状部101处，并连接到空气管 110。含碳氢化合物给料或HCF经由连接到颈状部101的侧面的耐火衬里输 送管线103进入转化炉。过程气体分布器104安装在燃烧器102的末端的上 方，以在容器颈状部的横截面上提供均匀的过程气体分布，并与氧化剂实 现良好的混合。燃烧器102安装在颈状部101的底端处，以使得在位于容器 颈状部的底端处和包括在容器100内的催化床(未示出)的顶部上的室内 发生燃烧。
图14示出了氧气二段转化炉的典型布置。转化炉包括容器200、颈状 部201、燃烧器202、过程气体输送管线203和气体分布器204。燃烧器末端 大约在颈状部201的中心，以使得颈状部本身被用作燃烧室。
自动热转化炉或ART主要包括反应器，在反应器处HCF部分燃烧，随
4后甲垸流在催化床上转化和变换。HCF和氧化剂入口通常根据图14布置， 在图14中，HCF和蒸汽在203处进入，而氧气或浓缩空气经由燃烧器202进 入。
己知技术中的HCF的部分氧化在所谓的POX气体发生器内实现，所述 POX气体发生器通常包括耐火衬里外壳，所述内火衬里外壳限定适当的燃 烧室，并具有轴向空气(或氧气)入口和横向HCF入口。
上述现有技术的缺点是HCF进入流往往使进入燃烧室的方向受到90 °的改变。而且，由于不对称进入，气体分布器在普通转化炉中是必不可 少的，以在室内的HCF与氧化剂流之间得到可接受的混合。然而，气体分 布器涉及相关压降。POX气体发生器可以在没有气体分布器的情况下实 现，然而因为HCF被强制流动通过燃烧器自身，所以它们仍然承受HCF流 的相关压降。
更详细地，在所述方向改变和在通过气体分布器的压降中HCF的动能 几乎全部损失；因此，现有技术提供的是通过提供大大超过转化炉内操作 压力的压力下的氧化剂流而提供用于混合气体和氧化剂流所需的能量。氧 化剂流的超压能被转化成动能，同时得到促进与过程气体混合的高速氧化 剂流。然而，这种方案涉及氧化剂的相关压降，从而涉及成本和用于压縮 的能耗。
另外的缺点是气体分布器安装在HCF入口的下游，燃烧器的重要部分 被直接暴露到热(大约80(TC)的HCF气体，例如，来自于一段转化炉或 预热器的HCF气体。
参照图13，可以看到的是气体管直接暴露到通常在高温下被预转化或 预加热的HCF气体流；因此需要昂贵的高合金管。在氧气转化炉或ART中 (图14)，燃烧器的主体本身被暴露到HCF。气体分布器也被暴露到热气 体，因此需要用诸如适于极端环境的合金的昂贵材料来实现。
更进一步，必需将燃烧器末端保持在气体分布器的下游增加了燃烧器 的长度或其空气管的长度，增加的燃烧器的长度或其空气管的长度则具体 地易于由气体流动引起振动。
从上述论述中显而易见，现有技术的技术问题和缺点可以概括如下
-HCF的相关压降；-与成本和压降相关的气体分布器的需要；
-需要压缩氧化剂流，以提供用于在燃烧室内混合所需的动能； -燃烧器直接暴露到热气体流动；
-需要设计细长的燃烧器，尤其在氧气转化炉中，所述细长的燃烧器 易于被流动引起振动。
尽管需要有效而又有成本效益的用于转化、自动热转化或部分氧化的 设备，例如，用于产生合成天然气，或产生用于合成氨的氢/氮合成气，或 用于其它目的，但是在现有技术中尚还没有解决以上缺点。
发明内容
本发明的问题是提供一种用于本文所考虑的反应器，如空气或氧气转 化炉、自动热转化炉和POX气体发生器的新设计，从而解决上述所列的缺 占。
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本发明的基本思想是使用含碳氢化合物给料的进入动能，以在燃烧室 内生成适当的涡流运动。
因此，利用在燃烧室内使含碳氢化合物给料与氧化剂流反应的方法解 决以上问题，其中所述氧化剂流在所述室的轴线的方向上被供给所述燃烧
室，所述方法的特征在于绕所述轴线的涡流运动传递给进入燃烧室内的 所述气体流。
优选地，利用螺旋路径，更优选地根据对数螺线路径将含碳氢化合物 给料供给到燃烧室，以使得具有基本上轴向对称的速度场的气体涡旋形成 于燃烧室内。
根据本发明的含碳氢化合物给料或HCF是含有诸如天然气或甲烷的 气态烃的气体流，或者是含有诸如煤粉或炭黑的悬浮固体可燃物的气态 流，或者是包括分散的液态烃的气态流。氧化剂流可以是含氧气或具有氧 化性质的任何流，包括空气、浓縮空气、纯氧气、蒸汽，或含有氧气、蒸 汽和二氧化碳的混合物。
作为非限制性示例，所述方法可以用于原(raw) HCF的独立 (stand-alone)自动热转化；预转化流(例如，来自于一段转化步骤的预 转化流)的二段转化；用于产生和合成气体的HCF的部分氧化。因此，本发明提供了用于使含碳氢氧化物给料与氧化剂流反应的反应 器，所述反应器包括限定燃烧室的容器；用于将所述氧化剂流输送到所
述燃烧室的至少一个轴向燃烧器；和用于所述含碳氢化合物给料的入口，
其特征在于所述反应器包括连接到所述入口的涡流室，且所述室位于所 述燃烧器的下游和所述燃烧室的上游，并且与所述燃烧器和燃烧室流体连 通，所述入口和所述涡流室被布置成将绕转化炉的轴线的涡流运动施加给 含碳氢化合物给料。
根据本发明的优选的实施例，容器具有界定所述燃烧室的至少一部分 的颈状部；所述颈状部具有带有扩大的横截面的部分，所述带有扩大的横 截面的部分限定所述涡流室、并连接到气体入口。
在本发明的一个实施例中，所述涡流室位于所述反应器的颈状部的一 端处，燃烧器安装在所述反应器的颈状部的一端处；在另一实施例中，在 燃烧室与所述燃烧器的末端之间具有间隙，以使得预燃室(pre-chamber) 形成于燃烧器的下游和涡流室的上方。此预燃室可以用于在涡流相对完全 减小的环境中形成扩散火焰。
在优选的实施例中，HCF入口是切向的，即，涡流室的入口处的HCF
流的方向与位于垂直于反应器的轴线的平面内的圆周相切。
根据本发明的另一些方面，涡流室由具有适当的轮廓的侧壁横向界
定，以绕转化炉的颈状部的轴线而得到涡旋，且在垂直于所述轴线的平面
内没有速度矢量分量或者速度矢量分量可忽略。更详细地，根据本发明的
一方面，所述涡流室由具有螺旋状内表面的侧壁横向界定，并且所述内表 面与反应器的轴线的距离从所述气体入口的过程气体入口截面逐渐减小。
在优选的实施例中，所述螺旋状表面覆盖360。的角度。
根据本发明的进一步和优选方面，所述螺旋状表面与对数螺线一致， 且具有相同的转化炉的轴线。换句话说，涡流室具有对数螺线横截面。
在另一简化的实施例中，涡流室在垂直于颈状部的轴线的平面具有圆 形横截面，即，所述室的侧壁的内轮廓是圆柱形，而不是沿螺旋布置。
本发明应用于具有任何横截面，例如矩形或圆形的HCF入口。气体入 口连接到将HCF供给所述反应器的流动管线，所述流动管线也称为输送管 线。优选地，在连接到具有圆形横截面的输送管线的反应器中，如下所述，涡流室的内侧壁具有半圆形横截面。
作为非限制性示例，根据本发明的反应器可以是自动热转化炉、碳氢 化合物转化设备的二段转化炉、或部分氧化气体发生器。在以下说明中， 对转化炉的参考应该同等地指POX气体发生器，或更具体地指用于氧化
HCF的反应器。
具体地，如果反应器是二段转化炉或自动热转化炉，则反应可以是催 化反应。在这种情况下，容器包括催化床，并且所述燃烧室限定在所述催
化床的上方。ATR和二段转化炉通常为催化反应器；而POX气体发生器如 果在适当的高温下工作，则可以为非催化反应器。 以下讨论本发明的优点。
由于HCF流穿过所述涡流室，而没有从输送线的轴线(通常为水平的) 到反应器的轴线(通常为垂直的)的高耗散方向变化，因此HCF流在进入 燃烧室时接收被控制的涡流运动。此涡流运动允许HCF与形成于燃烧器内 的火焰以及氧化剂流的有效混合，从而消除了对气体分布器的需要。
所说的是过程气体的能量以改进与氧化剂混合的有效方式被使用，而 不是如现有技术中的通过气体分布器两端的压降和耗散被浪费掉。用于混 合过程的能量的一部分在气体流本身中得到，而不是如现有技术中由氧化 剂流提供。因此，可以在较低的压力下供给氧化剂流，这可以减小与尺寸 相关的成本和氧气或空气压縮机的能耗。另一方面，对于氧化剂的给定速 度，可以利用较短的颈状部实现转化炉。
由于没有气体分布器，因此不再必需使燃烧器末端位于HCF入口下 方，因此，不再将燃烧器暴露到过程气体。燃烧器可以更短，并完全可以 从热气体的路径移除，例如与容器的盖子齐平。燃烧器较少地受到流动产 生的振动，并不再需要用于极端环境的昂贵的材料。
具有对数螺线横截面的涡流室尤其优选是出于以下理由燃烧室内产 生的涡旋的轴线与转化炉的轴线重合，并且速度分布图(轴线、径向和切 向)为轴对称。在输送管线轴线的方向上的过程气体的动量被壁上的压力 分布平衡，这使得可忽略在垂直于反应器轴线的方向上的速度矢量(动量 矢量)的分量。氧化剂在反应器的轴线上从涡流室的顶部注入，从而在涡 流室和燃烧室内(例如，在容器颈状部内)形成扩散火焰。氧化剂射流具有沿转化炉的轴线指向的动量矢量，且径向分量基本为零。只有用于扩散
火焰的在垂直于反应器的轴线的方向上的动量源为被输送(entrained)的 过程气体。假设垂直于轴线的动量的可忽略分量利用涡流室的形状得到， 那么火焰则不被HCF流的侧注入所偏转。在这种条件下，实现了HCF与氧 化剂的最佳混合。
在圆形横截面实施例中，压力分布不再能够完全平衡来自于输送管线 的HCF流的横向动量，并且涡旋的轴线不再与容器的垂直轴线重合。则剩 余的横向动量将使火焰稍微偏转，并与气体一起旋转，假设为螺丝状形状。 由于被输送气态气体质量的增加，从燃烧器喷嘴到火焰的末端偏转和旋转 增加。然而，利用反应器的适当设计，尤其是顶部室元件和容器颈状部的 适当设计可以减小火焰偏转。本实施例则保持本发明的主要优点，且具有 简单的结构和低成本。
总之，本发明的优点是不再需要气体分布器；燃烧器比现有技术短 并且防止收到气体流的影响，从而使其较少地受到流动引起的振动；增加 在反应器的颈状部中的混合速度，这意味着对于给定混合长度来说具有更 短的颈状部和/或更低的压降。以下参照优选实施例的详细说明，本发明的 这些和其它有点和特征将更加明显。
图l是根据本发明的第一实施例的反应器的简化图2是图1的反应器的涡流室的简化横截面；
图3是根据本发明的另一实施例的反应器的图4是图3的反应器的涡流室的简化横截面；
图5是根据本发明的另一实施例的反应器的图6是图5的反应器的涡流室的简化横截面；
图7是根据本发明的又一实施例的图8是图7的反应器的涡流室的横截面；
图9示出了可应用于图l-8的实施例的本发明的又一变型；
图10和图11示出了反应器的颈状部的形式或将颈状部连接到下方的 催化区的过渡部的又一示例；
图12示出了在运转中的图1的反应器的燃烧室内的流动路径和火焰；图13和图14分别示出了现有技术的空气二段转化炉以及氧气二段转
化炉的布置。
具体实施例方式
参照图l-2，转化炉1连接到气体入口2，所述气体入口2输送含碳氢化 合物给料或HCF流G。所述HCF流G可以从碳氢化合物的一段转化得到；焦 炭生产厂的气态废物(焦炉气)也可以形成HCF流G。
气体入口2如图所示为切向，以使得流G在位于垂直于转化炉的垂直 轴线A-A的平面内的方向的情况下进人转化炉1。
转化炉1包括容器3，所述容器3包括催化床4，并具有颈状部5，氧化 剂喷嘴或燃烧器6安装在所述颈状部5处。在所示的实施例中，燃烧器6与 颈状部5的顶盖7齐平。供给燃烧器6的氧化剂可以是空气、浓縮氧气的空 气、纯氧气、蒸汽和/或含有蒸汽、氧气和二氧化碳的混合物。颈状部5和 容器3由过渡锥形壁8连接。
颈状部5包括具有扩大的横截面的部分5a，所述部分5a限定连接到 HCF入口2的涡流室10。涡流室10位于燃烧器末端6a的下方，并与其连通， 以便在运转期间接收扩散火焰，并且涡流室10具有通过颈状部5的其余部 分与容器3的内部流体连通的开口底部10b。应该注意的是在气体入口下游 没有气体分布器，以使得开口底部10b也与容器3内的下游催化区直接连 通。涡流室10以下的颈状部分限定燃烧室B。
在图l-2的实施例中，涡流室10大致上由具有遵循(follow)绕同一轴 线A-A的对数螺线的内表面12的侧壁11界定。换句话说，室10的横截面(图 2)表现为具有与颈状部5和整个转化炉1的轴线A-A重合的轴线的对数螺 线。
表面12的一端12a在过程气体入口表面S处匹配HCF的壁2a (图2)，而 同一表面12的相对端12b在相应的同一气体入口表面S内与所述入口2的相 对壁2b相切。因此，对数螺线表面12覆盖大约36(T的角度。表面12与轴 线A-A的距离由于对数螺线轮廓而从气体入口处的端部12a朝向端部12b逐
渐减小。
r表示为与轴线A-A的距离，而e表示为与表面S的角度，表面12的横 截面线(cross-section)(图2)遵循方程其中，a和b优选地被选择以匹配入口截面S处的入口管线2的壁2a和2b。
在图3和图4简化的实施例中，表面12是与轴线A-A的距离保持恒定的 圆柱形。在此实施例中的表面12的横截面是圆弧；如图4中所示，从气体 入口表面S开始的、由表面12覆盖的角度小于360。。优选地，所述角度大 于270° ，并且优选地大约为300。。
图5-8的实施例具有带有圆形横截面的HCF入口2。在这种情况下，如 图5中所示，表面12在垂直于气体流G的入口方向的平面内优选地具有大致
上为半圆形的横截面。
表面12具有半圆形横截面和对数螺线路径的本发明的实施例是用于 避免过程气体流的动量的横向分量的最佳实施例，并得到进入燃烧室B的 气体的基本上轴对称的速度矢量场。
然而，平表面12也可以与具有圆形横截面的入口2—起被采用(图7)。 也可以使用图3和图4的简化的实施例。在这些情况下，将发生与轴对称速 度矢量场的微小偏转。
图9示出了本发明的又一实施例，其中，涡流室10与颈状部5的顶部间 隔开，以使得在燃烧器6的末端与室10之间具有形成预燃室20的间隙。所 述预燃室20可以为优选提供低涡流环境以用于在燃烧器末端6a的下方形 成扩散火焰。
图10示出了具有连接颈状部5与容器3的过渡部的非限制性示例，其 中，过渡部8被实现为半球形圆顶(左)或锥体(右)。图ll示出了本发明 的又一实施例，其中，颈状部5为具有从顶部增加到底部的横截面的锥形。 图10的过渡部8以及图11的锥形颈状部可应用于图l-9的所有实施例。
根据本发明的应用中的一个，转化炉l是碳氢化合物转化设备的二段 转化炉。在本发明的又一实施例中，所述碳氢化合物转化设备是氨厂的前 端，在所述氨厂中，二段转化炉l内产生的转化气体则往往进行已知的处 理，如转换(shift)、 二氧化碳分离和甲烷化作用，从而得到合成气体，所 述合成气体含有用于氨合成的适当的HN比的氮和氢。 '
应该注意的是以上详细说明涉及转化炉，但是本发明也可以应用于不同种类的反应器，包括自动热转化炉、二段转化炉、POX气体发生器。
在运转中(图12)， HCF气体流G进入涡流室IO，在所述涡流室10内， 由于表面12的轮廓，涡流运动绕轴线A-A被施加给所述气体流G，从而形 成具有与所述轴线A-A重合的轴线的涡旋V。通过开口底部10b，涡旋V延 伸进入由气体入口2的下游的颈状部5形成的燃烧室B内。扩散火焰F由来自 于燃烧器6的氧化剂流产生，并通过涡流室10延伸进入到燃烧室B内。
根据本发明的火焰F和氧化剂流以及气体涡旋V之间的反应在氧化剂 与过程气体G之间提供了令人惊讶的有效混合。而且，不管气体流的切向 入口2如何，火焰F都是稳定的，并且不从轴线A-A偏转。
事实上，在对数螺线涡流室内产生的涡旋V具有轴对称的速度矢量 场，所述速度矢量场在垂直于轴线A-A的方向上基本上没有分量。在传输 管线轴线的方向上的过程气体的动量由表面12上的压力分布平衡。因此涡 旋V在除了轴线A-A之外的任何方向上不能够将任何有关的动量传递给火 焰F。火焰F则保持轴向方向。
应该理解的是在从管线2的切向入口方向到转化炉1的轴线的未控制 偏转中没有浪费HCF流的动量，也在通过气体分布器的通道内没有耗散 HCF流的动量。HCF流的能量在燃烧室内产生涡旋V，在所述燃烧室内， 根据轴线A-A指向的氧化剂射流速度与由室10施加给HCF流的涡流速度场 的结合增加两个流(气体/氧化剂)之间的混合层的强度。使用进入流G的 同一动能允许在较低压力下供给氧化剂，或者允许縮短用于给定氧化剂速 度的颈状部5。
在本发明简化的实施例中，如图3和图4中的一个，表面12上的压力分 布不再能够完全平衡HCF流的横向动量。由于管线2的横向和切向入口， 涡旋V的轴线不与轴线A-A重合，并且火焰F没有微小偏转，所述火焰可以 假设为螺丝状形状。可以利用对室10和颈状部5的适当设计而最小化所述 火焰偏转作用。由于圆形传输管线2和表面12，同样可以用于图7的实施例。 然而，相比现有技术，这些实施例仍旧能够提高气体/氧化剂混合，它们也 不需要气体分布器，并且出于成本和简单的理由可以选择。
权利要求
1.一种用于使含碳氢化合物给料(G)与氧化剂流反应的反应器(1)，所述反应器(1)包括限定燃烧室(B)的容器(3)，用于将所述氧化剂流输送到所述燃烧室(B)的至少一个轴向燃烧器(6)，和用于所述含碳氢化合物给料(G)的入口(2)，其特征在于所述反应器(1)包括连接到所述入口(2)的涡流室(10)，且所述室(10)位于所述燃烧器(6)的下游和所述燃烧室(B)的上游，并且与所述燃烧器(6)和燃烧室(B)流体连通，所述入口(2)和所述涡流室(10)被布置成将绕转化炉(1)的轴线(A-A)的涡流运动施加给所述含碳氢化合物给料(G)。
2. 根据权利要求l所述的反应器，其中，所述容器(3)具有界定所 述燃烧室(B)的至少一部分的颈状部(5)，且所述颈状部(5)具有带有 扩大的横截面的部分，并且其中，所述部分界定所述涡流室(10)、并与 所述含碳氢化合物入口 (2)连接。
3. 根据权利要求2所述的反应器，其中，所述涡流室(10)位于所述 颈状部(5)的顶部处。
4. 根据权利要求1或2所述的反应器，其中，在所述涡流室(10)与 所述燃烧器(6)的末端(6a)之间具有间隙，以使得在所述燃烧器(6) 的下游和所述涡流室(10)的上方形成预燃室(20)。
5. 根据前述任一项权利要求所述的反应器，其中，所述涡流室(10) 由具有螺旋状内表面(12)的侧壁横向界定，以使得所述内表面(12)与 所述转化炉(1)的所述轴线(A-A)的距离从所述含碳氢化合物给料入口(2)的入口截面(S)逐渐减小。
6. 根据权利要求5所述的反应器，其中，所述涡流室(10)的所述 螺旋状内表面(12)覆盖大约360。的角度。
7. 根据权利要求6所述的反应器，其中，所述表面(12)具有在所述 入口截面(S)处匹配含碳氢化合物给料入口(2)的内壁(2a)的一端(12a)， 和匹配所述入口 (2)的相对内侧(2b)的相对端(12b)。
8. 根据权利要求6或7所述的反应器，其中，所述螺旋状内表面(12)是对数螺线表面，具有遵循对数螺线的横截面轮廓。
9. 根据权利要求l-4中任一项所述的反应器，其中，所述涡流室(IO) 由具有圆柱形内表面(12)的侧壁(11)横向界定。
10. 根据权利要求l-9中任一项所述的反应器，其中所述容器(3)包 括催化床(4)，并且所述燃烧室(B)在所述催化床(4)的上方。
11. 根据权利要求1-10中任一项所述的反应器，所述反应器为自动热 转化炉、碳氢化合物转化设备的二段转化炉，或部分氧化气体发生器。
12. —种用于使含碳氢化合物给料(G)与氧化剂流在燃烧室(B) 内反应的方法，其中，所述氧化剂流在所述室(B)的轴线(A-A)方向 上被供给到所述燃烧室(B)，所述方法的特征在于将绕所述轴线(A-A)的涡流运动施加给进入 所述燃烧室的所述气体流(G)。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，通过经由螺旋状路径将所述 流供给所述燃烧室而在所述燃烧室(B)内部将基本上轴向对称的速度场 施加给所述含碳氢化合物给料(G)。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述螺旋状路径遵循绕所述 燃烧室(B)的所述轴线(A-A)的对数螺线。
15. 根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，所述含碳氢化 合物给料(G)是含有诸如天然气或甲烷的气态烃的气体流，或者是含有 诸如煤粉或炭黑的悬浮固体可燃物的气态流，或者是包括分散的液态烃的 气体流，而所述氧化剂流含有空气、浓縮空气或纯氧气。
全文摘要
本发明公开了一种用于氧化碳氢化合物给料的方法和反应器(1)，所述反应器(1)包括容器(3)，和具有轴向燃烧器(6)和切向气体入口(2)的颈状部(5)，其中颈状部(5)具有涡流室(10)，所述涡流室(10)位于所述燃烧器(6)的下方，并连接到所述气体入口(2)，以产生气体涡旋(V)，所述气体涡旋(V)在所述颈状部(5)内最优化气体流(G)与氧化剂之间的混合。优选地，所述涡流室(10)具有带有对数螺线轮廓的内表面(12)。
文档编号B01J8/02GK101618303SQ20081017886
公开日2010年1月6日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年7月4日
发明者卢卡·扎尼谢里 申请人:阿梅尼亚·卡萨莱股份有限公司