[实用新型]用于执行吸热方法的炉

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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实用新型所涉及的炉中，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实用新型处理。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。