具有改进的燃烧器布置结构的用于吸热方法的设备技术

本发明专利技术涉及一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分隔成多个区段，其中从端部燃烧器到所述端壁的距离为B2W，所述区段中的两个相邻燃烧器之间的距离为B2B，并且两个区段之间的距离的一半为B2S，其中，各排中的所述燃烧器以这样的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，从而限制火焰合并现象的发生并且显著减小管温度分布的均方值。

Apparatus for absorbing heat with improved burner arrangement structure

The invention relates to a method for carrying out endothermic furnace, the furnace includes feeding the catalyst for conversion of gas pipe, wherein the pipe into the scheduled located in the furnace, the burner is installed between the tube and the tube and parallel to the furnace wall tube, and burner exhaust end to end wall and tube row and is divided into a plurality of sections, one to the end wall of the distance from the end of the burner is B2W, between the two adjacent section of the burner in the distance of B2B, and half the distance between two sections of the B2S, wherein, the burner in each row the arranged in such a way that the ratio of B2B/B2W and B2B/B2S is greater than 1.3, the mean square value so as to limit the phenomenon with flame and significantly reduce tube temperature distribution.

【技术实现步骤摘要】
具有改进的燃烧器布置结构的用于吸热方法的设备
本专利技术涉及用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其它吸热反应如烃原料在外部燃烧式反应器中裂化的顶燃或底燃炉的设计。
技术介绍
SMR工艺/方法主要基于在存在水蒸气的情况下产生氢(H2)与一氧化碳(CO)的混合物的诸如甲烷的轻质烃的重整反应。该反应吸热且缓慢并且需要另外的热输入以及催化剂的出现。通常，SMR反应器性能受传热而不是受反应的动态性能限制。在工业实践中，SMR反应器通常包括置于炉内的管，所述管充填有通常呈球丸形式的催化剂并且被供给以甲烷与蒸气的工艺气体混合物。若干验证的构型可用于如图1所示的炉设计，其存在顶燃(也称为下燃)、底燃(也称为上燃)、侧燃和梯状壁。顶燃技术是被引用最多的设计之一并且它由若干技术提供商提出。顶燃炉通常由包含多排包含催化剂的管的衬有耐火材料的燃烧室组成。发生吸热反应所需的热由成排放置在管之间的炉顶燃烧器提供，并且还由沿炉壁的位于炉侧面的多排另外的炉顶燃烧器提供。离开燃烧器的燃烧产物通常被竖直向下吹送，使得管排在它们的上部面对火焰。在炉底层面通常设置有烟气排气收集器。底燃技术在现代设备中不常见。根据底燃技术，燃烧器成排布置在管排之间的燃烧区域的地板上并且竖直向上燃烧。这种重整装置具有几乎恒定的沿管的热通量分布(profile)。该炉设计(也称为燃烧室设计)的主要目的在于在考虑管最高工作温度约束的同时最大限度地减少从燃烧器传递到管的热——其来自燃烧器火焰并且还来自壁和热烟气。管最高工作温度或MOT(也称为最大工作约束或MOT)取决于多种因素，并且特别是取决于管机械负荷(主要是供给气体压力)、用于管的合金的机械特性以及暴露于蠕变和热老化的管的期望使用寿命。向管的传热的任何强化通过提高生产率或通过改善就资本开支而言有价值的燃烧室的紧凑性而具有直接的积极影响。然而，传热的强化通常意味着更高的管表面温度水平，其缩短了管使用寿命或需要昂贵得多的更耐久的合金。炉内的热负荷分布的均匀性的缺乏将引起一些管比另一些管热，因此管的温度分布是炉设计和工作期间的关键要素。当寻求性能与耐久性之间的良好折衷时，管温度分布提供决策信息；良好的折衷实际上是必要的。在操作期间，炉的性能因此受最热的管的温度限制；它应当比MOT热。同时，工艺性能——即生产率或转化效率——取决于平均管热通量和温度。因此，最热管温度与平均管温度之间的差别越小，炉性能越好。为了简单，以下说明主要针对顶燃炉做出。然而，应指出，大部分附图和说明同样适用于底燃炉。在这种炉中，催化剂管成排设置在炉内。给料经管的顶部供给；包含作为主要成分的氢和一氧化碳以及残留物的所产生的合成气体在管的底部被提取。燃烧器成排设置在管排之间和管与壁之间。经排气通道萃取得到的烟气。管和燃烧器的大量数量使得有必要增加顶梁以支承该结构并且确保炉的安全；所述支承梁将各排分隔为多个部分(也称为区段或跨度(架间，bay))。图3示出顶燃炉的俯视图，该顶燃炉具有8排54个管——其各自都被组织在各18个管的3个区段(或跨度)中——和9排12个燃烧器——其也布置在各4个燃烧器的3个区段中并且平行于管排。各排燃烧器以壁(沿Y轴的壁也被标识为“端壁”)结束。对于全部各排燃烧器，与端壁对向的端部燃烧器被标识为“壁端燃烧器”。各区段要么以端壁要么以分隔两个相邻区段的对称平面结束。最接近对称平面的端部燃烧器被标识为“对称端燃烧器”。这种区段的分隔引发不相似的火焰射流边界条件，从而引起射流朝区段的中心合并。在全部说明中，用语“燃烧器排”应理解为“平行于管排的燃烧器排”，各排的方向也被标识为X轴；垂直于管排(沿Y轴)的燃烧器排在必要时将被明确地标识为“垂直于管排的燃烧器排”或“平行于Y轴的排”。在燃烧器以平行于管排的排摆放的本专利技术所涉及的炉中，对于各燃烧器而言，由该燃烧器形成的火焰的方向受与附近的同向流动射流的相互作用和壁(如果有的话)的存在影响。在下文中，仅平行于管排(沿X轴)的一排燃烧器内的火焰射流相互作用将通过本专利技术处理。应指出，全部平行于管排的一排燃烧器以相同功率工作，对于垂直于管排的一排燃烧器而言情况并非如此。现有技术且特别是US7686611、US2011/0220847、US2007/0128091、US2015/0217250已经考虑垂直于管排(沿Y轴)的一排燃烧器内的火焰射流相互作用的情况，并且因此本专利技术中未考虑该方向特有的问题。然而，平行于管排的一排燃烧器内的火焰射流相互作用的问题也产生现有技术尚未解决的问题，并且本专利技术旨在着重于沿X轴的各排燃烧器的表现并且旨在改善这种表现；更具体地，本专利技术旨在带来沿X轴的管加热缺乏均匀性的解决方案。现在考虑离开壁端燃烧器的火焰射流；其表现得像流体射流一样：相邻的火焰射流上方的火焰射流必须经沿相同方向流动的外部流体流喷射；另一方面，端壁上方的火焰射流在端壁附近的局部速率必定等于零。这些不相似的边界条件引发相对于射流轴线的火焰射流偏转。此外，各排中的大量管和/或燃烧器引发炉内使得有必要增加支承梁以确保炉的安全的几何约束；所述支承件因此发生在分隔周期性重复的多个区段中的各排的空隙(或空间)中。该分隔引发影响射流火焰的另外不相似的边界条件，从而引起最接近所述支承件的对称端燃烧器的射流轴线两侧的速率变化。这意味着由一排中的不同燃烧器产生的射流火焰根据它们在该排中的位置而承受不同影响，并且因此各管根据它们在该排中的位置而接收不同热量。为了说明这种现象，已利用用于计算燃烧室与筒状催化反应器之间的传热的3-D计算流体力学(CFD)解算器做出数值模拟。为此，定义顶燃式SMR炉“典型跨度”；所定义的“典型跨度”将必须“代表”上述重复区段(或跨度)，并且还必须考虑壁或对称平面的存在。模块化标准重整装置于是将由一定数量的典型跨度的组件组成以实现期望的设备能力。取决于各排中的管和燃烧器的数量和/或另外的几何约束，各种数量的燃烧器和管可存在不同类型的“典型跨度”。然而，应指出，本专利技术就燃烧器的数量而言或就管的数量而言或就该区段的端部类型(端壁或分离相邻区段的空隙)而言适用于全部类型的区段。此类典型跨度在图4中示出。为简单起见，以下说明关于由通过相同功率的两排四个燃烧器加热的18个管的子集组成的典型跨度做出，其中端壁位于该跨度的一端且对称平面位于该跨度的第二端。图5a示出归因于接近壁的火焰射流的偏转和分隔相邻区段的空隙的射流火焰合并效果。射流火焰朝跨度中间的合并引发向重整管的不均匀传热；典型跨度的中间的管如图5b中的3-DCFD结果所示达到更高的表面温度。在所提出的情形中，典型跨度内的最大表面温度值与最小表面温度值之差达到30℃。因此，存在沿管排的加热缺乏均匀性的问题，并且本专利技术旨在通过限制沿管排合并的射流火焰来解决顶燃式SMR(以及底燃式SMR)中的热通量均匀性的控制这个问题。专利技术人已发现，燃烧器布置在一排中的方式、燃烧器、端壁和对称平面之间的多个距离并且更具体地一些特定距离比率对于避免火焰射流的合并非常重要。感兴趣的这些距离在图6中示出；该图示出与图4中相同的典型跨度，其中两排四个燃烧器位于18个对齐的管的侧面。在该图中还示出了已发现是关键参数的距离，即：-B2B是该跨度中的两个相邻燃烧器之间的距离；-B2W是端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分隔成多个区段，其中从端部燃烧器到所述端壁的距离为B2W，所述区段中的两个相邻燃烧器之间的距离为B2B，并且两个区段之间的距离的一半为B2S，其特征在于，各排中的燃烧器以这样的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，从而限制火焰合并现象的发生并且显著减小管温度分布的均方值。

【技术特征摘要】
2015.12.15 EP 15307007.31.一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分隔成多个区段，其中从端部燃烧器到所述端壁的距离为B2W，所述区段中的两个相邻燃烧器之间的距离为B2B，并且两个区段之间的距离的一半为B2S，其特征在于，各排中的燃烧器以这样的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，从而限制火焰合并现象的发生并且显著减小管温度分布的均方值。2.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.6且优选大于1.8。3.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，所述比率B2B/B2W和B2B/B2S相等。4.根据权利要求1至3中任一项所述的炉，其特征在于，所述燃烧器安装在炉顶上。5.根据权利要求1至3中任一项所述的炉，其特征在于，所述燃烧器安装在所述炉的地板上并且竖直向上地燃烧。6.根据前述权利要求中任一项所述的炉，所述炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·卡米佩雷，J·康塞斯，D·图多拉施，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR