具有改进的燃烧器布置的炉子和吸热过程制造技术

本发明专利技术涉及一种用于执行吸热过程的炉子，该炉子包括：包含催化剂的、用于转化气态进料的多个工艺管，其中所述工艺管在该炉子内被布置成排，每排工艺管由此限定工艺管排；被布置成排的多个内燃烧器，每排内燃烧器被布置在工艺管排之间并平行于这些工艺管排，由此限定内燃烧器排；以及被布置成排的多个外燃烧器，每排外燃烧器被布置在工艺管排和炉壁之间并平行于该工艺管排和该炉壁，从而限定外燃烧器排。本发明专利技术特征在于，外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。本发明专利技术还涉及一种用于操作用于执行吸热过程的炉子的方法，以及根据本发明专利技术的炉子在蒸汽甲烷重整或烃蒸汽裂化中的用途。

【技术实现步骤摘要】
具有改进的燃烧器布置的炉子和吸热过程
本专利技术涉及一种用于执行吸热过程的炉子。特别地，本专利技术涉及一种用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其它吸热反应(如在外部加热反应器中的烃原料裂化)的炉子。本专利技术进一步涉及一种用于操作用于执行吸热过程的炉子的方法。
技术介绍
SMR过程主要基于轻烃气体(诸如甲烷)的重整反应，在水蒸气存在的情况下，该反应生成氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合物。反应高度吸热且缓慢，并且发生需要附加的热量输入以及催化剂。SMR反应器性能通常受到热传递而不是受到化学反应的动力学的限制。在工业实践中，SMR反应器包括放置在炉子内的多个填充催化剂的工艺管。用于填充工艺管的催化剂介质包括粒料和结构化催化剂。工艺管被进给有包括甲烷和水蒸气的工艺气体混合物。工艺管由被放置为邻近工艺管的多个燃烧器加热。现有技术中已知几种燃烧器构型，包括下烧式(也称为“顶烧式”)燃烧器、上烧式(也称为“底烧式”)燃烧器、侧烧式燃烧器和阶梯状壁布置燃烧器。下烧技术是最常见的并且由几家技术提供商提出。下烧式炉通常由耐火材料衬里的炉膛(炉膛)制成，该炉膛包含几排催化剂填充的工艺管。吸热反应发生所需的热量由安装在炉膛顶的燃烧器提供。这种燃烧器在工艺管之间以被布置成排，并且沿着炉壁在炉侧处附加地布置成排。燃烧器的燃烧产物通常被竖直向下吹，使得工艺管道在其上部部分面对火焰。烟道气排气收集器设置在炉底板水平处。上烧技术不太常见。这里燃烧器在炉膛的底板上被布置成排，竖直向上燃烧。同样，燃烧器在工艺管之间以被布置成排，并且沿着炉壁在炉侧处附加地布置成排。炉子设计的目标是优化从燃烧器到工艺管道的热传递。热量从燃烧器火焰、炉壁和热烟道气传递。在这方面，必须考虑最大管道操作温度(MOT)。MOT随几个因素的变化而变化，并且特别是随着管机械载荷(即进料气体压力)、用于工艺管制造的合金的机械性能以及暴露于蠕变和热老化的工艺管的期望寿命的变化而变化。炉子中热分布不均匀将导致管中的一些比其他管更热，因使得炉子的性能受到最热管的温度的限制。所述最热管不应超过MOT。然而，该工艺的性能(除其他之外生产率、转化效率)取决于平均工艺管热通量和温度。最热的工艺管温度和平均工艺管温度之间的差异越小，炉子的工艺性能越好。因此，目的是尽可能达到炉子中热分布的均匀性。以下解释与下烧式炉有关，但也适用于上烧式炉。在典型的下烧式炉中，在工艺管排之间被布置成排的燃烧器在两侧具有工艺管。布置在工艺管排和炉壁之间的燃烧器仅在燃烧器的一侧上具有工艺管。因此，工艺管之间的燃烧器排中的热传递需求是工艺管和炉子的耐火壁之间的燃烧器排中的热传递需求的两倍。因此，与布置在两个工艺管排之间的燃烧器(也称为“内燃烧器”或“内排燃烧器”或“IR燃烧器”或“IRB”)相比，布置在工艺管排和炉壁之间的燃烧器(也称为“外燃烧器”或“外排燃烧器”或“OR燃烧器”或“ORB”)理论上只需要50”的燃烧速率。在包括炉壁的热损失的情况下，与布置在工艺管排之间的IR燃烧器的所需燃烧速率相比，OR燃烧器的所需燃烧速率约为52％。同样的考虑适用于质量流率Q，质量流率与燃烧速率直接相关，并且被定义为Q＝ρSu其中ρ是注入到燃烧器的流体的质量密度，S是燃烧器的横截面表面，以及u是通过(多个)燃烧器喷嘴注入的空气/燃料混合物的平均速度。考虑到OR燃烧器的较低燃烧速率(以及因此较低的质量流率)，OR燃烧器的功率可以被降低，例如，通过使用与IR燃烧器设计相同或至少相似的OR燃烧器设计，并且节流提供给OR燃烧器的燃烧空气和/或燃料的量。“OR”燃烧器和“IR”燃烧器的质量流率之间的最终差异通过以下等式表示QORB＝αQIRB其中，QORB是外排燃烧器的质量流率，QIRB是内排燃烧器的质量流率，以及α是外排燃烧器和内排燃烧器之间的流量比，其中0<α<1。因此，对于OR燃烧器相对于IR燃烧器的燃烧速率的52％的“理想”燃烧速率，并且假定流体的质量密度和燃烧器的横截面表面积相等，OR燃烧器喷嘴处的流(燃烧空气和燃料)的速度相对于IR燃烧器流的速度也仅为52％，通过以下等式表示：uORB＝αuIRB其中，uORB是通过外排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度，并且uIRB是通过内排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度。燃烧器火焰的平行射流行为在很大程度上受其相对动量通量J的影响，动量通量由以下等式定义：J＝ρSu2结果，由于OR燃烧器的燃烧器喷嘴处的速度相比于IR燃烧器更低，OR燃烧器的燃烧产物流的动量通量也将显著低于IR燃烧器的燃烧产物流的动量通量。然而，具有更高动量通量的射流将吸引具有更低动量通量的射流，使得IR燃烧器的火焰射流将吸引OR燃烧器的火焰射流。这一点的原因是，IR燃烧器的更高的动量通量将在IR燃烧器的顶部附近的燃烧器排放区域处形成比OR燃烧器的顶部处存在的更低的静压区。静压差导致来自OR燃烧器的燃烧产物流向炉膛的中心，这种现象称为IR和OR燃烧器火焰的“火焰弯曲”。由于热量因此被传递朝向炉膛的中心，管的外排，即最靠近炉壁的排，发现它们自己被相对于管的内排加热。为了补偿朝向内排管传递的热量，OR燃烧器通常以高于52％，通常为IR燃烧器的燃烧速率的60％至80％的燃烧速率操作。然而，当火焰之间发生这种相互作用时，无论负载水平如何，都难以平衡工艺管排之间的热负荷。所提出的上述问题的解决方案是使用具有较小出口尺寸的OR燃烧器(SORB<SIRB)，并且同时增加外排燃烧器的速度(uORB>uIRB)，从而为内排燃烧器和外排燃烧器产生均匀的动量通量(JORB＝JIRB)。因此，US2015/0239736A1教导将OR燃烧器排放速度修改为高于IR燃烧器的排放速度。“OR”燃烧器的排放速度通过减小用于“OR”燃烧器的燃烧器排放流限制的面积来增加。减小的流动面积将相对于IR燃烧器增加OR燃烧器中所需的燃烧空气压力，这可以通过修改炉子的燃烧空气供应系统来实现。可替代地，通过对IR燃烧器的设计修改，可以消除OR燃烧器和IR燃烧器之间燃烧空气压力差异的必要性。因此，在US2015/0239736A1中提出的解决方案要么需要对炉子的燃烧空气供应系统进行修改，要么需要对IR燃烧器进行设计修改。US7,686,611B2披露了一种用于在炉子中生成直火焰的方法和设备。该方法和相对应的设备包括添加氧化剂导管以将氧化剂引到燃料。US5,795,148试图解决不稳定火焰模式的问题，并发现炉子外部的风是该问题的贡献因素。因此，US5,795,148教导了一种控制由炉子燃烧器接收的空气量并提供走向燃烧器的均匀空气压力的设备。根据EP2369229，多个氧化剂和燃料导管被添加到燃烧器中，以便修改火焰的行为。EP2708812A1提出了一种用于上烧式重整器的解决方案，其中OR燃烧器应该被定位为靠近炉壁，以防止朝向IR燃烧器火焰的OR燃烧器火焰弯曲。ORB应被定位为足够靠近相邻壁，使得科恩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于执行吸热过程的炉子，包括/n包含催化剂的、用于转化气态进料的多个工艺管，其中/n所述工艺管在该炉子内被布置成排，每排工艺管由此限定工艺管排，/n被布置成排的多个内燃烧器，每排内燃烧器被布置在工艺管排之间并平行于这些工艺管排，从而限定内燃烧器排，以及/n被布置成排的多个外燃烧器，每排外燃烧器被布置在工艺管排和炉壁之间并平行于该工艺管排和该炉壁，从而限定外燃烧器排，/n其特征在于，/n外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。/n

【技术特征摘要】
20181101 EP 18020568.41.一种用于执行吸热过程的炉子，包括
包含催化剂的、用于转化气态进料的多个工艺管，其中
所述工艺管在该炉子内被布置成排，每排工艺管由此限定工艺管排，
被布置成排的多个内燃烧器，每排内燃烧器被布置在工艺管排之间并平行于这些工艺管排，从而限定内燃烧器排，以及
被布置成排的多个外燃烧器，每排外燃烧器被布置在工艺管排和炉壁之间并平行于该工艺管排和该炉壁，从而限定外燃烧器排，
其特征在于，
外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。


2.如权利要求1所述的炉子，其中，外燃烧器排的燃烧器数量小于邻近外燃烧器排的内燃烧器排的燃烧器数量。


3.如权利要求1或2所述的炉子，其中，外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率在0.25至0.75的范围内，优选地在0.4至0.6的范围内，并且更优选地在0.45至0.55的范围内。


4.如权利要求3所述的炉子，其中，外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率为0.5。


5.如权利要求1至4中任一项所述的炉子，其中，该炉子的每个内燃烧器排包括相同数量的燃烧器和/或该炉子的每个外燃烧器排包括相同数量的燃烧器。


6.如权利要求1至5中任一项所述的炉子，其中，这些外燃烧器被构造为用于以在这些内燃烧器的燃烧速率的85％至115％的范围内，优选地在这些内燃烧器的燃烧速率的90％至110％的范围内，更优选地在这些内燃烧器的燃烧速率的95％至105％的范围内的燃烧速率操作。


7.如权利要求1至6中任一项所述的炉子，其中，这些外燃烧器和这些内燃烧器被构造成以相等的标称燃烧速率操作。


8.如权利要求1至7中任一项所述的炉子，其中，这些内排燃烧器和这些外排燃烧器被相同地构造。


9.如权利要求1至8中任一项所述的炉子，其中，外燃烧器排的外燃烧器沿着这些燃烧器排的方向偏离内燃烧器排的内燃烧器对齐。


10.如权利要求1至9中任一项所述的炉子，其中，内燃烧器排的两个内燃烧器之间的距离是IB2IB，并且外燃烧器排的两个外燃烧器之间的距离是OB2OB，并且其中这些排中的内燃烧器和外燃烧器以这样的方式布置，即IB2IB与OB2OB的比率为0.3至0.81，优选地为0.4至0.71，并且更优选地为0.5至0.61。


11.如权利要求1至10中任一项所述的炉子，其中，这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排由垂直于这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排布置的侧面竖直的壁结束，并且其中这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排被分成多个区段，其中从端部内燃烧器或端部外燃烧器到侧面竖直的壁的距离是B2W，该区段中两个相邻的内燃烧器或外燃烧器之间的距离是B2B，并且两个区段之间的距离的一半是B2S，其中这些排中的内燃烧器和外燃烧器以这样的方式布置，即比率B2B/B2W和B2B/B2S为大于1.3，优选地大于1.6...

【专利技术属性】
技术研发人员：让菲利普·塔迪耶洛，黛安娜·图多拉凯，
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