[发明专利]具有改进的外燃烧器布置的用于吸热过程的设备

说明书

一种用于执行吸热过程的炉，该炉包括：包含催化剂的、用于转化气态进料的管，其中，管在该炉内被定位成与沿X轴线的耐火壁平行的排，其中，燃烧器安装到炉底板或炉天花板上，内燃烧器在这些管排之间被安装成排，并且外燃烧器在管排与该沿X轴线的壁之间被安装成排并且安装成靠近所述沿X轴线的壁，其中，这些外燃烧器被定位成使得，该外燃烧器与该沿X轴线的壁之间的距离b2w小于或等于所述外燃烧器的等效燃烧器喷嘴直径

本发明涉及一种适用于例如蒸汽甲烷重整(“SMR”)或烃原料裂化等吸热过程的竖直燃烧炉的设计、并且涉及一种使用所述炉的过程。

虽然以下说明仅涉及SMR过程，但本发明还应用于使用等效类型的反应器的其他吸热过程。

SMR过程主要基于甲烷的重整反应，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。反应吸热且缓慢，并且反应发生需要额外的热量输入以及催化剂。通常，SMR反应器性能受到热传递而不是受到反应的动力学的限制。

在常规工业实践中，SMR反应器通常包括被布置在炉(还被称为炉膛)中的管，所述管填充有催化剂(很多时候是球粒形式)并且给送有工艺气体混合物(主要是甲烷和蒸汽)。

如图1所展示的几个被良好证明的构造可用于炉设计，该图呈现了下烧式(还被称为顶燃式或顶板燃烧式)、上烧式(还被称为底燃式或底板燃烧式)、侧烧式和阶梯状壁重整器。

顶燃技术是最推荐的设计之一并且由几个技术提供者提出；底燃技术在现代工厂中不常见。

顶燃式和底燃式炉典型地由带有耐火衬里的炉膛制成，该炉膛包含几排含催化剂的管。

根据顶燃技术，吸热过程所需的热量由在管之间成排放置的顶板燃烧器、并且还由在炉侧处沿炉的纵向壁的额外的顶板燃烧器排提供。燃烧产物通常被竖直向下吹出燃烧器，使得管在其上部分处面对火焰。工艺进料向下给送与燃烧气体处于同向流动。烟道气排气收集器通常设置在炉底板水平处。

根据底燃技术，燃烧器安装在燃烧区域的底板上并且竖直向上燃烧。燃烧产物通常被竖直向上吹出燃烧器，使得管在其下部分处面对火焰。工艺进料可以向下给送与燃烧气体处于逆向流动或向上给送而与燃烧气体处于同向流动。烟道气排气收集器通常设置在炉顶板水平处。吸热过程所需的热量由在管之间成排放置的底板燃烧式燃烧器、并且还由在炉侧处沿炉的纵向壁的额外的底板燃烧式燃烧器排提供。

在顶燃式和底燃式炉中，沿炉的壁布置的外燃烧器排在一侧上仅加热一排管并在另一侧上加热耐火壁，而每个内燃烧器排加热两排管(内燃烧器排的每一侧上一排管)。因此，外燃烧器与内燃烧器相比需要提供较少功率。

炉设计(还被称为炉膛设计)以及其使用的主要目的是，使从燃烧器火焰、壁以及热烟道气传递到管的热量最大，同时考虑到管最大操作温度限制。管最大操作温度或MOT(还被称为最大操作限制)随几个因素的变化而变化，并且特别是随着管机械负载(主要是进料气体压力)、用于管的合金的机械性能以及管的暴露于蠕变和热老化的期望寿命的变化而变化。

被传递到管的热量的任何增强都具有直接积极影响，其使得增大生产力或使得提高炉膛的紧凑性，这在资本性支出方面有价值。但是，所传递的热量的增强通常意味着较高的炉管表面温度水平，这种较高的炉管表面温度减少了管寿命或需要更多贵得多的耐受性合金。

炉中的热负荷分布的任何不均匀性将导致这些管中的一些管比其他管更热，这就是为什么管的温度轮廓对于炉的设计而言并且在操作期间是关键要素；当在性能与耐久性之间寻求折中时(好的折中实际上是必不可少的)，管温度轮廓提供决定性信息。

注意：当考虑管温度轮廓时，应注意到，所考虑的温度实际上是炉管表面温度或TST(还被称为管壁温度或TWT)，其通常被简单地称为管温度。