用于改造二段转化炉的方法
【专利摘要】一种用于改造二段转化炉(1)的方法，所述转化炉包括内部的气体提升管(8)，其用于将工艺气体按照路线从底部气体入口传送到位于催化区(6)上方的燃烧室(5)；用于将诸如工艺空气的氧化剂引入所述燃烧室内的分配装置(9)，其中，氧化剂的原来的分配装置被停止使用，气体提升管被缩短(8’)，并且所缩短的气体提升管的出口端被设置成传送向上导向的气体流；新的燃烧器(20)被安装在反应器的顶部，所述新的燃烧器被设置成传送向下流动的诸如工艺空气的氧化剂，从而获得了逆流的混合区(23)，并且在气体提升管的出口端的上方形成了扩散火焰。
【专利说明】用于改造二段转化炉的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于改造二段转化炉的方法，尤其但不限于二段转化炉，该二段转化炉包括在上部的燃烧室和内部的提升管，该内部的提升管按照路线将供应气体从底部气体入口传送到所述燃烧室。
【背景技术】
[0002]重整是一种众所周知的用于将烃源转化成有用的产物的技术，例如氢气或针对特定用途的补充合成气，例如用于氨的合成。重整前端的众所周知的布置，例如制氨装置的前端，包括一段转化炉和二段转化炉。
[0003]例如，蒸汽流和合适的烃源(例如天然气)在一段转化炉中反应。在一些实施方式中，一段转化炉包括一束填充有催化剂的蒸汽加热管或气体加热管。离开一段转化炉的产品气在二段转化炉中在空气供给的帮助下并在催化剂的存在下进一步被氧化。然后离开二段转化炉的所重整的产品气在多个下游设备中被处理，该多个下游设备通常包括至少一个或多个变换炉、CO2洗涤塔和甲烷化反应器。在制氨装置中，二段转化炉在空气或富氧空气下操作。
[0004]二段转化炉可以是在纯氧下操作的自热式转化炉(ATR)。
[0005]二段转化炉的已知的实施方式包括立式容器，该立式容器具有基本上位于上部的在催化区上方的燃烧室，以及用于来自一段转化炉的工艺气体的底部入口。该二段转化炉包括被设置成导向工艺气体从底部入口至所述燃烧室的内部的提升管。通常气体提升管以在燃烧室上方的气体分配器和/或气体导流器结束；离开提升管的气流基本上被转向180°并且从上到下穿过二段转化炉，穿过燃烧室，然后通过下面的催化区。
[0006]工艺气体通过适当的装置被引入至所述燃烧室，该装置可包括多个喷嘴或适当的分配器。例如，在一些已知的实施方式中，工艺气体通过分配器被引入，该分配器包括焊接在一起的多个圆柱形区，并且多个圆柱形区围绕气体提升管形成环状结构。每个区的下表面具有多个用于空气喷射的喷嘴，并且瓦状导流器被安装在分配器内。通常分配器包括相互焊接的八个圆柱形区，使得在平面视图中，它看起来像一个八边形。
[0007]理解到这种二段转化炉具有一些优势，并且例如在制氨装置中是普遍的。具有内部的工艺气体提升管的布置允许气体入口和气体出口两者位于压力容器的底部，这意味着与其它设备的简单连接。尤其，底部入口有助于保持一段转化炉和二段转化炉之间的短的气体传输线路。因为该工艺设备是具有相当高的高度的立式压力容器，这对保持该工艺气体在底部部分的连接是有利的。然而经验也已经揭示了一些缺点。
[0008]首先，已经注意到所述转化炉受到在燃烧室内部在反应物(空气和工艺气体/合成气)之间欠佳的混合。这种不充分的混合导致在催化床入口处的气体组成和温度的不均匀分布，并且可能导致在耐火衬套上的热点形成。非均匀的气体分布导致催化床的不均匀的使用，并且增加了甲烷逃逸(methane slip，和产物气离开二段转化炉的未转化的甲烷)，这相应地增加制氨装置的合成回路的气体循环，降低了整个装置的性能。因欠佳混合导致的热点在某些情况下表现为保护催化床的顶层的氧化铝块体的腐蚀和光滑，或表现为催化剂颗粒的烧结和团聚。在非常差的混合的情况下，热点的痕迹也可能在燃烧室耐火衬套上被发现，典型地衬套的局部熔化、耐火砖和灰浆接缝的光滑或腐蚀。
[0009]另一个缺点是所谓的火焰冲击。离开气体提升管的工艺气体通过上部气体导流器而朝向容器的外壁偏转。因此，工艺气体优先地沿着容器的外壁流动。然而，已经注意到，工艺气体流趋向于使从空气分配器离开的空气喷流朝向提升管偏转，导致在覆盖工艺气体提升管的耐火砖上的火焰撞击。一个相关的影响是在催化床的入口处不均衡的温度场，这可能是甲烷逃逸的另一个起因。
[0010]实际上，经验表明高甲烷逃逸通常在这种二段转化炉的出口处被测量到。
[0011]另一个问题是在空气喷嘴之间空气的不均衡的分布，特别是上述的圆环状分配器。CFD模拟示出，在空气喷嘴中最大的质量流率和最小的质量流率之间的差异可以达到平均值的45 %。强烈的不均衡的空气分布扩大在燃烧室内部的欠佳分布和在催化床入口处的温度及组成的不均匀分布。
[0012]目前大量具有上述特点的二段转化炉被安装在世界各地。因此，具有提供有效改造的动机，该有效改造使更好的性能和对现有的布置的最小改变相结合，以节省成本。然而，现有技术仍缺乏对这个问题的解决方法。
【发明内容】
[0013]本发明要解决的问题是为了解决上述缺点，并且为改造提到的这种二段转化炉提供一种有效的方法。
[0014]提出的解决方案涉及新的燃烧器的提供，该新的燃烧器被安装在转化炉的顶部，并取代了空气供给装置，例如喷嘴或分配器。
[0015]因此通过用于改造二段转化炉的方法将该问题解决，该二段转化炉包括:
[0016]-具有竖轴的立式压力容器；
[0017]-用于工艺气体的底部入口；
[0018]-燃烧室和催化区，所述催化区位于所述燃烧室的下面；
[0019]-连接至所述工艺气体的底部入口的内部的气体提升管；
[0020]-用于将氧化剂例如工艺空气引入所述燃烧室内的分配装置；
[0021]-其中，所述气体提升管具有在所述燃烧室的上方的气体出口端，并且包括设置成导向所述工艺气体向下的装置，使得所述工艺气体从上到下流动穿过所述燃烧室，然后所述催化区，
[0022]以及，所述方法的特征在于至少包括以下步骤:
[0023]-所述氧化剂的原来的分配装置被停止使用；
[0024]-相对于原来的气体提升管，所述气体提升管被缩短，使得所述气体提升管的气体出口端在压力容器中采用较低的高度，并且更靠近所述催化区，以及所缩短的气体提升管的出口端被设置成传送向上导向的气体流；
[0025]-新的燃烧器被安装在反应器的顶部，所述新的燃烧器被设置成将向下流动的例如工艺空气的氧化剂传送到在所缩短的气体提升管的气体出口端的上方的混合区中。
[0026]根据不同的实施方式，气体提升管的缩短，可以通过去除现有的气体提升管的顶部部分来实现，或通过安装比原来的管短的新的气体提升管来实现。缩短气体提升管提供了用于新的燃烧器的安装空间，并允许反应物的逆流混合，如下面所解释。
[0027]所述新的燃烧器传送氧化剂，该氧化剂是空气或富氧空气或氧气。在最常见的情况下，所述氧化剂是空气。通常一定量的安全蒸汽被添加到氧化剂中。
[0028]根据本发明的特征之一，所改造的转化炉的提升管将输送基本上向上流动的工艺气体，这与原来的趋向使气体流转向180°的设计相反。因此，用于将在提升管的出口处导向工艺气体的原来的装置优选被去除，例如该装置可包括气体分配器或气体导流器。
[0029]一旦改造完成，新安装的燃烧器的向下导向的出口在气体提升管的向上导向的出口的上方。然后，氧化剂相对于离开气体提升管的工艺气体通过逆流流动而被引入。换句话说，当工艺气体从下到上流动时，氧化剂从上到下流动。
[0030]因此，改造的二段转化炉具有基本上在新安装的燃烧器和气体提升管之间(且在催化区的上方)的混合区，其中逆流扩散火焰通过工艺气体遇到氧化剂而形成。对于本领域的技术人员来说，扩散火焰的术语是众所周知的，并且表示非预混火焰，其中通过扩散过程，氧化剂(例如空气)与燃料(即工艺气体)相结合。
[0031]优选地，用于引入氧化剂的前置装置通过物理方式被去除，因为它们将不再被使用。通过容器的相关的通道，例如主喷嘴孔，被适宜地堵塞。
[0032]新安装的燃烧器由适当的耐高温的材料制成，例如但是不限于Ni/Cr/Fe合金。
[0033]优选地，所述燃烧器设置有涡流发生器，以提供氧化剂的涡旋运动，然后在形成扩散火焰的上述区域中以增加与工艺气体的混合。例如涡流发生器可以包括在通常地管状导管内设置的螺旋叶片或倾斜的叶片，以这样的方式得到氧化剂的旋转运动。
[0034]转化炉的顶盖将需要被改动或替换，以便安装新的燃烧器。当可行时，优选保持现有的顶盖，其将被改动以适应新的燃烧器；但是，如果认为有必要或合适，将可以设置新的至JHL ο
[0035]现有的空气管道也将需要一些改动，以便重新规定原来导向燃烧室内的空气喷嘴等的空气流导向新安装的顶部燃烧器。
[0036]显然，技术人员根据具体的情况，将确定现有的转化炉的任何其他的改动，以便实施本发明的方法。
[0037]优选地，本发明用于改造制氨装置的前端的二段转化炉。然而本申请并不受限制。
[0038]相对于原来的设计，本发明改造的主要优点是实现了工艺气体和氧化剂之间的更好混合，这意味着在催化剂床的入口处气体组成、流速和温度的更好的均匀性。这种更好的均匀性意味着催化剂床的更好地利用、更低的甲烷逃逸和催化剂的更长的使用寿命。
[0039]相对于原来的设计，另一个优点是较短的火焰。火焰总是很好地从耐火衬套上分离，因此，避免了危险的热点。实际上，通过反应物流的高温来确保点火，并且所得的扩散火焰将很好地从压力容器的耐火衬套和工艺气体提升管上分离。一个相关的积极效果是没有对催化剂床的顶层的火焰冲击。
[0040]本发明的另一个优点是对现有的布置的最小化改动，这意味着较低的投资成本和较短的回收期。特别地，现有的压力容器可以被保持具有很少的改动，并且现有的到二段转化炉/从二段转化炉的主要的气体传输线路基本上未改变。因此，该方法对全世界安装的大量的二段转化炉是有吸引力的。
[0041]所改造的转化炉也能实现在操作上的高灵活性，典型地设计荷载从40%至110%，并且实现了所有设备的更长的使用寿命。
[0042]本发明的特征和优点借助于以下具体详细说明将更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为根据现有技术的转化炉的示意图。
[0044]图2为根据本发明的一种实施方式的在通过安装新的燃烧器改造之后图1的转化炉的示意图。
[0045]图3为图1的工作中的转化炉的详图，示出在新的燃烧器的出口处形成的扩散火焰。
[0046]图4和图5示出用于新的燃烧器的不同的可能的实施方式。
【具体实施方式】
[0047]图1示出可以根据本发明被改造的二段转化炉I。转化炉I具有立式压力容器2，立式压力容器2具有耐火衬套3和在上部的锥形壁4。
[0048]基本上，转化炉I包括位于转化炉的上部的燃烧室5，以及位于燃烧室下方的催化区6。催化区6包括合适的催化床，该催化床可被在下部的例如环状的弧形物支撑。
[0049]来自一段转化炉(未示出)的工艺气体G经由底部入口 7进入转化炉I。转化炉I包括连接到底部入口 7的内部的气体提升管8，提升管8被设置成按照路线将工艺气体G传送至顶部燃烧室5。更详细地，提升管8基本上一直沿容器2延伸，至邻近转化炉的顶部终止，如图所示。
[0050]工艺空气流通过空气分配器9被引入所述燃烧室5内，空气分配器9近似于一个圆环的形状，并围绕在燃烧室5上方的提升管8。空气分配器9通过空气导管10被供给，空气导管10穿过在转化炉的锥形壁4和衬套3中的孔。
[0051 ] 在此涉及工艺空气，但是其他的氧化剂也可以被使用。
[0052]转化炉I还包括工艺气体导流器11，其设置在提升管8的上部终端的上方并且充分高于燃烧室5。在一些转化炉中，提升管以气体分配器终止。然后离开提升管8的工艺气体被转向约180°，并且与从环状分配器9的喷嘴射出的工艺空气混合。混合基本上发生在燃烧室5上方且在分配器9的下方的区域12中；然后气体从上到下流动穿过燃烧室5和催化区6 ;转化的气体通过在催化床下方的气体出口 13离开转化炉I。
[0053]图2示出根据本发明的实施方式在改造之后的转化炉I。新的燃烧器20被安装在反应器I的顶部上，并且原来的气体提升管8的顶部部分被去除，得到了缩短的管8’。优选地，管8被缩短，使得所改动的管8，的开口端8”现在略微高于催化区6，而不是在容器2的顶部。
[0054]气体导流器11也被去除。所改动的管8，现在设置，以使产生从下到上导向的工艺气体的基本上轴向的流动，如图2明显所示。
[0055]新的燃烧器20轴向安装在转化炉的新的或适当改动的顶盖21内，并且基本上包括根据容器2的轴线A-A设置的导管22。所述导管22连接至可用的工艺空气线路，该工艺空气线路原来供给空气分配器9，根据具体的需要，对管道进行必需改动或提供新管道。原来的空气分配器9从容器2中去除，并且通过容器2的相关通道被适当的塞子28封闭。
[0056]可以理解，工艺空气现在通过具有基本上向下的轴向流(即在混合区域23内自上而下的流)的燃烧器20传送，混合区域23在所缩短的气体提升管8，的开口端8”的上方。在该区域23中，离开气体提升管8’的向上导向的工艺气体遇到来自燃烧器20的向下导向的工艺空气。在图3中所示，通过工艺气体(燃料)和空气的逆流流动，在所述混合区域23中、从而在燃烧室5中形成逆流扩散火焰24。
[0057]所述新的燃烧器20可以根据在EP 1531147中描述的燃烧器来制造。尤其，在优选的实施方式中，燃烧器20包括截头圆锥形端部25，截头圆锥形端部25具有发散开口端26，因此以明显的喇叭状的形状(图4)出现。可替选地，并且取决于具体的装置操作条件，在图5中明显所示，所述的新的燃烧器20包括锐缘开口 28。在图4和图5中，还示出涡流装置27。
【权利要求】
1.一种用于改造二段转化炉(I)的方法，其中，所述转化炉(I)包括: -立式压力容器(2); -用于工艺气体的底部入口(7)； -燃烧室(5)和催化区￠)，所述催化区位于所述燃烧室的下方； -与所述工艺气体的底部入口连接的内部的气体提升管(8)； -用于将诸如工艺空气的氧化剂引入所述燃烧室内的分配装置(9)； -其中，所述气体提升管(8)具有在所述燃烧室的上方的气体出口端，并且包括设置成导向所述工艺气体向下的装置(11)，使得所述工艺气体从上到下流动穿过所述燃烧室、然后所述催化区， 其特征在于，所述方法至少包括以下步骤: -所述氧化剂的原来的分配装置(9)被停止使用； -相对于原来的气体提升管，所述气体提升管被缩短(8’)，使得所述气体提升管的气体出口端在所述压力容器中采用较低的高度，并且更靠近所述催化区，以及所述缩短的气体提升管的出口端(8”)被设置成传送向上导向的气体流； -新的燃烧器(20)被安装在反应器的顶部，所述新的燃烧器被设置成将向下流动的诸如工艺空气的氧化剂传送到混合区(23)中，所述混合区(23)在所述缩短的气体提升管的气体出口端的上方。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述新的燃烧器(20)包括用于所述氧化剂的导管(22)，所述导管(22)平行于所述立式压力容器(2)的轴线(A-A)，从而传送所述氧化剂的基本上轴向的流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体提升管(8)通过去除现有的气体提升管的顶部部分而被缩短，或者，安装比原来的气体提升管短的新的气体提升管。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将原来设计成供给氧化剂至所述分配装置(9)的现有的管道进行改动，以便将所述氧化剂重新导向至所述新安装的燃烧器(20)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述转化炉的顶盖被改动或替换，以便允许安装所述新的燃烧器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述新的燃烧器由Ni/Cr/Fe合金制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述新的燃烧器包括涡流发生器(27)，以提供所述氧化剂的涡旋运动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述氧化剂为空气或富氧空气或纯氧气。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述二段转化炉为制氨装置的前端的部分，用于生成氨合成的补充合成气。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述二段转化炉为自热式转化炉。
【文档编号】C01B3/38GK104284713SQ201380024539
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年5月9日
【发明者】卢卡·桑尼克里, 安德烈·贝雷蒂 申请人:卡萨尔公司