用于执行吸热方法的炉 |
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| 申请号 | CN201621371677.7 | 申请日 | 2016-12-14 | 公开(公告)号 | CN206755884U | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司; | 发明人 | F·卡米-佩雷; J·康塞斯; D·图多拉施; | ||||
| 摘要 | 本实用新型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。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利 | ||||||
| 权利要求 | 1.一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。 |
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| 说明书全文 | 用于执行吸热方法的炉技术领域背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 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)。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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。 [0010] 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。 [0012] 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。 [0013] 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))。 [0014] 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”。 [0015] 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。 [0016] 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”。 [0017] 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。 [0018] 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。 [0019] 现有技术且特别是US 7686611、US 2011/0220847、US 2007/0128091、US 2015/0217250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，并且因此本实用新型中未考虑该方向特有的问题。 [0020] 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，并且本实用新型旨在着重于沿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，本实用新型旨在带来沿X轴的管加热缺乏均匀性的解决方案。 [0021] 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。 [0022] 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。 [0023] 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。 [0025] 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。 [0026] 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，本实用新型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。 [0027] 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。 [0028] 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。 [0029] 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-D CFD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℃。 [0030] 因此，存在沿管排的加热缺乏均匀性的问题，并且本实用新型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。 [0031] 发明人已发现，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： [0032] -B2B是该跨度中的两个相邻燃烧器之间的距离； [0033] -B2W是端部燃烧器与端壁之间的距离； [0034] -B2S是接近对称空隙——即邻近另一跨度——的燃烧器与对称平面(两个相邻跨度之间的空隙的中间)之间的距离，因此B2S是两个区段之间的距离的一半。 [0035] 发明人认为起决定作用的比率是B2B/B2S和B2B/B2W。实用新型内容 [0036] 本实用新型的一个目标在于限制沿燃烧器排的火焰合并现象。 [0037] 本实用新型的又一目标是缩小沿通过所述燃烧器排加热的管排的管温度的范围。 [0038] 本实用新型提出通过一种炉和一种设计这种炉的方法来实现所述目标，所述炉和方法将借助于沿燃烧器排的燃烧器的优化布置结构来避免火焰射流合并的发生以及管过热的问题。 [0039] 因此，本实用新型的一个目的在于提出一种用于执行吸热方法的炉，该炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排位于炉内，其中燃烧器安装在各管之间和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端壁的距离为B2W，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，即：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。 [0040] 在本实用新型的优选炉中，比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.6且优选大于1.8，从而引起管温度分布的均方值的额外改善。 [0041] 在这方面，更优选B2B/B2W和B2B/B2S相等且大于1.6并且优选地相等且大于1.8。 [0042] 本实用新型特别适合于具有安装在炉顶上的燃烧器的炉。 [0043] 根据另一实施例，燃烧器安装在地板上并且竖直向上地燃烧。 [0044] 本实用新型的重整装置有利地是蒸汽甲烷重整炉。 [0045] 根据另一方面，本实用新型涉及一种旨在包括管和燃烧器的炉内执行的吸热方法，所述方法包括： [0046] -将气态给料和蒸汽引导到包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排位于炉内， [0048] -排出在管的下端处产生的产物， [0049] 其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分隔成多个区段，从端部燃烧器到端壁的距离为B2W，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，即：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。 [0050] 此外，该方法可单独或相结合地是： [0051] -用于蒸汽甲烷重整的方法； [0052] -根据该方法，其中，比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.6且优选大于1.8； [0053] -根据该方法，其中，比率B2B/B2W和B2B/B2S相等； [0054] -根据该方法，其中所述炉是顶燃炉； [0055] -该方法将要在底燃炉中执行。 附图说明[0056] 将在以下示例中并基于附图更详细地描述本实用新型的炉及其优点，在附图中： [0057] 图1示出用于典型炉设计的燃烧器构型； [0058] 图2示出使用用于合成气合成的顶燃炉的3D表示的典型布置结构； [0059] 图3示出顶燃炉的顶视图，突出了管和燃烧器的组织； [0060] 图4示出同一炉的顶视图，突出了炉规格/尺度(scale)下的“典型跨度”； [0062] 图5b针对与图5a相同的典型跨度的18个管示出最大管表面温度分布； [0063] 图6示出用于图5a和图5b的典型跨度中的燃烧器的再分割的根据本实用新型的关键参数； [0064] 图7示出图6的典型跨度中的燃烧器的三种不同再分割； [0065] 图8针对图7中提出的三种情况示出火焰射流表现； [0066] 图9针对图8中提出的相同三种情况示出典型跨度的18个管的最大管表面温度； [0067] 图10呈现了给出从应用于一定范围的典型跨度的模拟获得的管温度的均方根的表格。 具体实施方式[0068] 如上所述，本实用新型旨在提出一种用于执行吸热方法/工艺/过程的顶燃式或底燃式炉——这些炉在图1中示出——的改进的设计；目的在于减轻沿平行于管排的一排燃烧器——沿X轴——的温度变化，所述一排燃烧器由于燃烧器沿所述排的改进的再分割而具有相同功率。 [0069] 为了能认识并提出燃烧器沿一排的最佳布置，已针对沿用于多个SMR设备的一排燃烧器的具有相同功率的燃烧器的不同布置结构执行许多模拟。 [0070] 用于识别“典型跨度”中的燃烧器的最佳再分割的工具是上文用于提出已有设计引起的火焰射流和管温度缺乏均匀性的工具。 [0071] 使用用于计算燃烧室与管式催化反应器之间的传热的3-D计算流体动力学(CFD)解算器对顶燃式SMR典型跨度做出数值模拟。 [0072] 针对给定炉，选择典型跨度；所定义的典型跨度将必须代表重复区段，并且还必须考虑壁以及对于具有两个或以上区段的炉而言各区段之间的空隙的存在。具有期望容量的模块化标准重整装置于是将通过装配适当数量的典型跨度而组成。 [0073] 阅读以下对附图的更详细描述将有助于理解本实用新型。 [0074] 图2是炉的3-D透视图；更具体地，它示出了用于由包含甲烷和蒸汽的给料生产合成气体的顶燃炉1的典型布置结构。催化剂管2成排布置在炉1内。给料经过管2从顶部供给到底部；所产生的包含作为主要成分的氢和一氧化碳以及残留物的合成气体从管2的底部提取。燃烧器3沿X轴布置在管排之间和管排与壁之间。产生的烟气从排气通道4提取。 [0075] 图3示出顶燃炉1的顶视图，该顶燃炉1具有8排54个管9——每排都布置在各18个管的3个区段10中——和9排5 12个燃烧器6——其布置在各4个燃烧器的3个区段10中并且平行于管排。各排5燃烧器6以壁7(沿Y轴的壁也被标识为“端壁”)结束。对于全部燃烧器6的排5而言，面对壁7的端部燃烧器8a被标识为“壁端燃烧器”。 [0076] 如已经说明的，大量管和燃烧器使得有必要增加支承梁以确保炉的安全；所述支承件将各排分隔成多个部分(也称为区段或跨度10)。区段10要么以壁7要么以分隔两个相邻区段的对称平面11结束。最接近对称平面11的端部燃烧器8b被标识为“对称端燃烧器”。区段10中的这种分隔引发不相似的边界条件，从而引起火焰射流朝区段的中心合并。 [0077] 图4还示出炉的顶视图，突出了炉规格下的四个典型跨度——见灰色矩形。典型跨度12由通过相同功率的2排(每排4个)燃烧器加热的18个对齐的管的子集组成，一个端部W是代表端壁7的壁，而第二端部S代表位于2个区段10之间的空隙中间的对称平面11。典型跨度12的构型将用于旨在说明本实用新型并且在下文中参考附图提出的模拟。 [0078] 图5a呈现了在燃烧器的中间切出的平面中的温度场。该温度场来源于对图4的典型跨度12应用的数值模拟，其中燃烧器布置结构特性B2B/B2W＝1.1和B2B/B2W＝1.2；它示出了由于来自接近壁7的端部燃烧器8a和接近对称平面11的端部燃烧器8b的火焰射流的偏转而导致的朝跨度中心的火焰合并效果。 [0079] 由于这种火焰射流合并行为，向管传递的热缺乏均匀性，典型跨度中间的管如图5b所示达到更高温度，图5b呈现了借助于3-D CFD模型计算出的最高管温度的分布；这清楚地说明了向管的传热不均匀。对安置在典型跨度的中间的管观察到更高表面温度，该典型跨度内的最大和最小表面温度值之差达到30℃。 [0080] 如上所述，本实用新型旨在控制典型跨度中的热通量不均匀以便因此控制沿该排的热通量，并且最终改善整个炉内的热通量控制。为了实现该结果，本实用新型旨在借助于沿相同功率的燃烧器排的改进的燃烧器布置结构设计来限制火焰射流合并。 [0081] 为了优化燃烧器的布置结构，已执行不同SMR设备的表现的数值模拟。 [0082] 如上所述，可通过三个距离(单位：米)B2B、B2W和B2S来限定沿一排的燃烧器的布置结构。如图6所示，各距离对应如下： [0083] -B2B是典型跨度中的两个相邻燃烧器之间的距离； [0084] -B2W是典型跨度中的端壁7与燃烧器8a之间的距离； [0085] -B2S是典型跨度中的对称平面11和燃烧器8b之间的距离； [0086] 以上列出的三个距离已被认识到非常重要并且代表该排，更具体地采用两个比率B2B/B2S和B2B/B2W的形式。 [0087] 备注：取决于其尺寸和几何形状，炉可由不同的典型跨度“代表”，如从图4可推导的；跨度的特征可在于一对以下比率： [0088] -针对在一端接近端壁7且在另一端接近对称平面的跨度的(B2B/B2W和B2B/B2S)。 [0089] -针对在两端都具有对称平面11的中间区段的(B2B/B2S和B2B/B2S)。 [0090] -在具有仅一个区段的小型重整装置的情况下在两端都具有端壁7的区段的(B2B/B2W和B2B/B2W)。 [0091] 以下三个附图针对已应用模拟并且获得结果的典型跨度12呈现燃烧器的不同再分割。 [0092] 图7示出图6的跨度12的4个燃烧器的不同再分割；分别示出了两个比率B2B/B2S和B2B/B2W并且燃烧器根据再分割被表示为菱形、三角形或正方形。相同形状将用于区分以下有关附图中的三种情况。对于这三种情况而言，18个管的再分割明显保持相同。 [0093] 图8针对同样三种情况示出穿过燃烧器的中间切出的平面中的温度场。 [0094] 该数值模拟结果突出了来自端部燃烧器8a和8b的火焰射流或多或少偏转，取决于燃烧器的再分割。对比率B2B/B2S＝B2B/B2W＝1.8的用三角形表示的情况观察到更规则的形状；对B2B/B2S＝1.2且B2B/B2W＝1.1的用正方形表示的案例观察到最大合并效果，其中端部燃烧器的火焰射流偏向跨度的中间；B2B/B2S＝2.1且B2B/B2W＝1.9的用菱形表示的情况存在稍微可见的朝相邻跨度的偏转效果，从而提高对称侧附近的流体温度。 [0095] 图9针对相同的三种情况示出沿管排的最大管表面温度分布。三个分布的对比确认了对火焰形状进行的观察：用三角形表示的管温度分布更均匀和规则，最热和最冷的管之间的温差为约10℃，而用菱形表示的管温度分布由于不相等的比率B2B/B2S＝2.1和B2B/B2W＝1.9而规则(未在跨度的中心最大)但不均匀(温度总体上在对称侧比在壁侧高)，从而引起28℃的温差，并且用正方形表示的管温度分布呈现明显的抛物线形状分布，最大值处于跨度的中心且最高温差为30℃。 [0096] 为了取得一般设计规则，已对B2B、B2S和B2W具有不同值的基准跨度的14个例子以及各种数量的管和燃烧器执行参数研究，以便代表各种可能的设计。该研究允许确定最佳比率B2B/B2W和B2B/B2S，从而引起限定最佳设计规则，借助于该研究，也已推测在管之间的温度均匀性方面的收益。 [0097] 图10呈现归纳上文提出的研究的表格，示出燃烧器布置结构对不同基准跨度内的管温度分布的二次均方(也称为均方根RMS)的影响。管最高温度的均方值将量化基准跨度内的管温度的分散。 [0098] 由于本实用新型的主要目的是解决沿一排管的温度不均匀的问题，这意味着最佳例子是给出尽可能低的RMS值的例子；在所提出的例子中，最高RMS值在10左右，而最低RMS值接近1℃。这种低标准偏差(离0不远)表示管具有相似温度，而接近10或更高的标准偏差表示管温度在更宽的值范围展开。因此，跨度中的管最高温度的RMS越低，蒸汽甲烷重整装置的性能越好。 [0099] 基于所执行的研究，限定了以下燃烧器比率规则： [0100] -为了具有低于5的RMS值，比率B2B/B2W和B2B/B2S应当高于1.3， [0101] -对于高于1.6的比率B2B/B2W和B2B/B2S，预期RMS值低于3， [0102] -此外，如果比率B2B/B2W和B2B/B2S高于1.8，则预期RMS值通常低于2。 [0103] 通过本实例揭示的另一倾向在于，典型跨度中的管温度RMS在比率B2B/B2W和B2B/B2S越来越相似、优选相等时降低。对各比率的所有值观察到该倾向。 [0104] 最后，典型跨度中的管或燃烧器的数量对比率规则没有影响。因此，通过在设计炉时应用本实用新型的燃烧器比率规则，可在实现从燃烧器到管的传热的良好均匀化的同时降低每个区段的燃烧器的数量。 [0105] 以上结果提供了需要对沿各排的燃烧器的布置结构应用以便沿各排获得更规则的管温度的设计规则。借助于对这些规则的遵守，可避免常常在各区段的中心观察到的热管；故障、管的更换和停机因此将减少。 |
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