通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明创造涉及包括流体加热的工艺过程，例如用于通过对烃原料进行蒸汽重 整、烃裂化工艺过程和流体的加热来生产包含氢和碳氧化物的气体的工艺过程。
【背景技术】
[0002] 虽然是在烃的蒸汽重整的背景下进一步说明本发明创造，但本发明创造并不限于 供这些工艺过程使用。
[0003] 蒸汽甲烷重整是一种广泛用于烃和/或一氧化碳的生产的方法。
[0004] 蒸汽重整工艺是一种众所周知的用于烃重整的化学工艺过程。在该工艺过程中， 轻质烃和蒸汽的混合物（称为混合给料或给料）在存在催化剂的情况下反应而形成氢、一 氧化碳和二氧化碳。在该过程中观察到若干反应，在轻质经一甲烷或天然气（NG)--的 蒸汽重整中观察到的最重要的化学反应是甲烷的重整反应：
[0005] CH4+H20〈->C0+3H2
[0006] 蒸汽甲烷重整（也已知为SMR)生成以氢（H2)和一氧化碳（CO)--在存在水蒸气 的情况下--作为主要成分，但还以CO 2作为次要成分、以CH4作为残留成分及以其它成分 作为微量物质的混合物。
[0007] 甲烷与蒸汽的以上重整反应是一种吸热和缓慢的反应；其发生要求热输入，以及 催化剂。所实现的重整量取决于离开催化剂的气体的温度；在700°c-950°c的范围内、可能 达1000°C的离开温度对于传统的烃重整而言是常见的。
[0008] SMR单元通常由形成排、安置在炉内、充填有催化剂（通常呈丸粒形式）并被给送 以甲烷和蒸汽的混合物的若干坚向管状反应器（或管）构成。
[0009] 行业内普遍见到的若干典型炉设计主要为底部、侧面和顶部燃烧式设计；下面描 述两种最常见的设计：
[0010]-顶部燃烧式重整装置设计，其中燃烧器位于炉的顶部。它是被提及得最多的设计 之一并由若干技术提供商提出；
[0011]-侧向燃烧式重整装置设计，其中燃烧器在管的侧向位于辐射壁上。
[0012] 该炉设计的主要目的是允许从燃烧器火焰到重整管的适当热传递，同时保持低于 管设计温度。该温度取决于管的机械负荷（主要为给送气体压力）、合金的机械特性和管的 期望寿命。
[0013] 管在SMR炉运转的可靠性方面实际上是关键要素，因为它们的工作温度源于两个 矛盾的目标之间的折衷：在提高的温度下更好的工艺性能和在受限的温度下良好的运转可 靠性（保持低于设计温度）。
[0014] 因此，管工作温度是炉运转的限制参数：重整装置必须在甚至保持最热的管低于 设计温度的状态下运转。
[0015] 图1至3示出典型的SMR炉。
[0016] Ml示出典型的顶部燃烧式SMR炉101，其中衬有耐火材料的燃烧室102容纳有若 干排坚向管103,炉顶燃烧器104在各管排之间被安置成排。管充填有催化剂。经入口集 管进入的给料105 (工艺流体混合物（CH4+H20))被喷入管内，并在管内进行反应；工艺气体 在管内从顶部经催化剂流到底部并经出口集管作为合成气离开。从燃烧器出来的燃烧产物 106通常被坚直向下吹送，使得管排在它们的上部面对火焰，并且未示出的烟气收集器通常 建造在炉底，其收集燃烧产物。
[0017] 当燃烧室容纳有成排安置的许多管（多达数百个）时，并且由于用于构造约 束一包括结构梁一的必要空间，每排管被分割成若干区段，可想到这些区段包含面对 相同数量的燃烧器而同时接收相同的功率输入的不同数量的管；因此，一个管所接收的总 加热功率（或管负载）对于所有管而言不相等，通常在中央区段中比在端部区段中低。
[0018] 此外，位于管区段的端部的管比同一区段的其它管接收更多的热，其原因在于端 部管同与两个管相邻的那些管相比从更大的角扇区被加热。在侧向燃烧式炉上也可观察到 这种传递特殊性，如下文所述。
[0019] 图2示出典型的侧向燃饶式SMR炉201,该SMR炉由包含单排管203的衬有耐火材 料的燃烧室202构成。燃烧器204在炉壁上的不同高度水平地对齐，因此水平和坚向地对 齐；从燃烧器流出的燃烧产物（烟气）206被坚向向上地吹送。烟气排气收集器（未示出） 建造在炉顶高度处。
[0020] _模拟了侧向燃烧式SMR 201中的燃烧产物的温度，显示了燃烧器204的对称 分布使得燃烧产物（烟气）汇聚至各方形燃烧器的中心307,从而形成热点。在该汇聚点， 流被迫朝管203进入垂直于耐火材料的再循环；因为刚好在火焰的下游，所以再循环气体 极热，并使得在受冲击的管上形成热点308,这构成一个主要缺点。
[0021] 考虑到以下几点：（1)管内的工艺气体与烟气流相对流地从燃烧室的顶部流到底 部，（2)炉被设计成将工艺气体均匀地分配到所有管，和（3)工艺气体温度在其沿管长度向 下流动期间升高；这对于各管而言导致管温度在炉的下部中普遍较高。因而，管在设计温度 被超过的情况下受损的风险在管的该部分中较高。
[0022] 这种对问题的诊断来源于模拟并且也通过实验的管温度测量数据得以确认。
[0023] M示出管温度并且显示了侧向燃烧式炉内存在的热点；可看到清楚的周期性 图案，最热的管位于两排燃烧器之间的中间部分且冷管位于燃烧器的前方。
[0024] 在侧向燃烧式炉的情况下，如上所述，由于烟气汇聚而引起的再循环效应意味着 燃烧器列之间的管比位于燃烧器正前方的管被更多地加热。
[0025] 对于顶部燃烧式炉而言，同样，构造约束意味着管负载对于燃烧室内的所有管而 目都不相同。
[0026] 已经作出了许多尝试来改善重整装置中的管加热的均匀性。
[0027] 从FR 2 850 392获知一种用于烃原料的热处理的工艺过程，其中要处理的给料 在交换管束内循环，所述交换管束接收由辐射式燃烧器散发的热；燃烧器被水平地和坚 向地成排安置，坚向燃烧分布被适配成获得所确定的加热分布。该方案的一个主要缺点是 由于对现有设备的大幅改造而导致的高投资成本。
[0028] 从EP1216955B获知一种在用于对烃流体或其它流体进行加热、重整或裂化的工 艺过程中使用的可变热通量侧向燃烧式燃烧器系统的应用。为了灵活起见，燃烧器可分为 多个区段，流量（流率）例如沿具有预定燃烧型式的穿孔板分布。该方案的一个主要缺点 是由于对现有设备的大幅改造而导致的高投资成本；另外，该方案未避免再循环现象。
[0029] 从FR 2 911 600获知一种用于在侧向燃烧式炉中对烃进行重整的工艺，其中各 燃烧器的功率被调节，高功率燃烧器被安置在低功率燃烧器附近以便减少管上的热点的聚 集。
[0030] 从US 2008286706获知一种加热器和操作方法，其适于利用上壁式燃烧器中的低 于化学计量比的燃烧和底（炉底）壁式燃烧器中的高于化学计量比的燃烧来使烃裂化，以 实现沿整个工艺长度的最平顺（平缓）的分布。
[0031] 然而，现有技术为了实现管的更均匀加热而提出的方案仅尝试缓和与燃烧室侧的 热通量差异一燃烧器或烟气或它们两者。
[0032] 此外，现有技术文献主要考虑管从顶部到底部的温度的不均匀，但未考虑管温度 在各管之间的不均匀。因此，现有技术的方案无法解决重整装置的一些管相比于同一重整 装置中的其它管过热的问题。
[0033] 因此，需要一种确定炉内的最热管和最冷管并使所有管的温度均匀的方案；
[0034]-需要一种上述问题的解决方案，该解决方案可在新设备中的重整装置上和在规 划停机期间的已有重整装置上实施；
[0035] -需要一种上述问题的解决方案，该解决方案是一种廉价的方案并且不会不利地 影响生产。 【实用新型内容】
[0036] 本发明创造的一个目的是降低最热的管的温度，并因此提高它们的寿命和可靠 性--不是通过减少所述管从外部接收的热，而是通过增加它们的冷却，归功于较多给料 流入所述最热的管内，而同时最冷的管接收较少的给料流。由于催化剂管内的反应的吸热 性，较多的给料流增加了最热的管的冷却，而较少的给料流减少最冷的管的冷却。因此，使 管的温度均匀化（即，各管之间的管温差减小）。
[0037] 本发明创造的另一目的是在保持低于温度设计的同时以更高的产品气体温度水 平--即更高的性能--使炉运行。
[0038] 本发明创造提出了一种在包括在炉内加热至少一种流体的工艺过程中通过减少 各管之间的管温度的差异来使管温度在各管之间均匀的方法，所述炉包含具有辐射壁的至 少一个辐射室，所述辐射室内的至少一排基本上坚向的管（管状反应器）使要加热的所述 至少一种流体循环（流通），并且其中所述辐射室配备有呈多排的形式使用的燃烧器，
[0039] 其中，要加热的所述至少一种流体被均匀地分配给所述管，
[0040] 其中，燃烧器加热所述管，
[0041] 其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0042] a)为各个管确定管的温度，
[0043] b)选择50%根据步骤a)确定的具有最低温度的管，
[0044] c)使工艺过程停止，对在步骤b)中选择的各个管实行减少分配到所述管内的流 体流的操作，
[0045] d)保持流体的总流量不变，由此将增加的（流体）流（流量）均匀地分配给其余 的管。
[0046] 步骤c)中的"使工艺过程停止"应理解为步骤c)的操作要在设备停机期间实现。 它优选在试运转之前（即，在新设备的情况下在第一次起动之前）或在改造已有设备的情 况下在规划停机期间实现。
[0047] 本发明创造将管内的流体分配成减小各管之间的管温差。最热的管的温度降低， 而最冷的管的温度升高。在已确定管温度的不均匀之后，调节流体流量。在不改变总流体 流量的情况下，将流体经管的分配调节如下：为了提高所述50%最热的管内的流体流量， 降低50 %被较少地加热的管内的流体流量。
[0048] 管的数目N可以是奇数，这种情况下，50%具有最低温度的管应该是N+1个管的 50 %，其余50 %具有最高温度的管在这种情况下为（N-I)/2个管