用于执行吸热方法的炉 |
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| 申请号 | CN201720973108.8 | 申请日 | 2017-08-01 | 公开(公告)号 | CN207307814U | 公开(公告)日 | 2018-05-04 |
| 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 | 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成区段，在每个管排中，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其中，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的 温度 差。(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成区段，在每个管排中，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其特征在于，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管——即壁端管和对称端管——的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。 |
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| 说明书全文 | 用于执行吸热方法的炉技术领域[0002] 尽管下列说明将仅参照SMR工艺，本实用新型同样应用于使用相同类型反应器的其它工艺。 背景技术[0003] 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。该主要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。 [0004] 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工艺气体混合物(通常为甲烷与蒸气)。 [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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(maximal operating constraint)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。 [0009] 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使用昂贵得多的更耐久的合金。 [0010] 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。 [0011] 在操作期间，炉的性能因此受最热的管的温度限制；它不应当比MOT 热。同时，工艺性能——即生产率——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。 [0013] 在这种顶燃炉中，如图2所示，容纳催化剂的管成排设置在炉内。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若干次要成分和微量成分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。 [0014] 图3示出相同顶燃炉的俯视图，示出8排48个管——各排都被组织在各16个管的3个区段(跨度)中——和9排15个燃烧器——其也布置在各包含5个燃烧器的3个区段(跨度)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。对于全部各排管，与端壁对向的端部管被标识为“壁端管”。 [0015] 对于各排管或燃烧器，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；所述支承件因此将管排以及燃烧器排划分在周期性重复的若干个区段(也称为跨度)中。各区段要么以端壁要么以一对称平面(位于两个相邻区段之间留出以便允许安装支承件的空间的中间处的平面)结束。最接近对称平面的端部管被标识为“对称端管”或“对称管”。 [0016] 用语“外区段管”或“外管”是指“壁端管”和“对称端管”，二者不加以区分。 [0017] 所有不是“壁端管”或“对称管”的管被标识为“内区段管”或“内管”。 [0018] 靠近“壁端管”的端壁的存在以及管排在区段中的划分——因此在两个特定的相邻管之间产生不同的空间——导致“壁端管”、“对称端管”和“内管”之间的可用热量的不均匀重新分配。 [0019] 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”，各排的该方向也被标识为X轴。 [0020] 在本实用新型所涉及的炉中，即其中燃烧器以平行于管排的排摆放的炉中，对于各燃烧器而言，由该燃烧器形成的火焰射流的方向受以下因素影响： [0021] -与附近的同向流动射流的相互作用，和 [0022] -壁(如果有的话)的存在，该壁也可以导致热量在属于同一排的管中的不均匀再分配。 [0023] 先前已经考虑了在一排内的管中的热量分布不均匀性，其来自于平行于管排(沿X轴)的燃烧器排内的火焰射流相互作用；已经在尚未公布的未决欧洲专利申请EP 15307007.3中发现和公开了一种解决方案，该解决方案解决了来自在与管排相邻的燃烧器排中的燃烧器的重新分配的管的过度(或不足)加热的问题。因此，在本实用新型中不考虑这种管中热分布的不均匀性。 [0024] 然而，仍然存在热量分布不均匀性的问题，主要涉及外区段管，并且未被上述专利申请解决。 [0025] 本实用新型旨在着眼于沿X轴形成排的管的行为，并旨在改进它；更具体地说，本实用新型旨在提出由于端壁的影响以及管的区段之间的间隙而导致的壁端管、对称端管和内管的加热缺乏均匀性的解决方案，独立于燃烧器的设计错误或不正确的操作。 [0026] 与其最近的内管相邻管比较，壁端管和对称管对于端壁具有较大的角系数(view factor)(表面(i)对于表面(j)的角系数被定义为离开表面 (i)的辐射被表面(j)截取的百分数)。与内管相比，端部管的较大角部分暴露于端壁(意味着对于端壁较大的角系数)。更多的暴露于热壁意味着端壁管将接收更多的辐射热。 [0027] 同时，考虑到管倾向于冷却其周围环境，两个相邻的对称管彼此不像两个相邻的内管那样靠近，因此它们被比内管更大量的热燃烧气体包围；壁端管在其附近只有一个比燃烧气体温度低的内管。因此，对称端管和壁端管比内管接收来自周围热燃烧气体的更多的对流和辐射热。 [0029] 为此，定义顶燃式SMR炉典型跨度；所定义的“典型跨度”必须是如上文定义的代表性区段——即当关联时将代表炉的各区段；它们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通过组装典型跨度而组成以实现期望的设备能力。 [0030] 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、管的数量而言以及就区段的端部(端壁或区段之间的对称)而言适用于全部类型的区段。 [0031] 不同的典型跨度在图4中示出。 [0032] 图5示出图4中代表性的16个管的最大管温度。 [0033] 突出显示了外管的过热。典型跨度由十六个管的子集组成，由两排相同功率的五个燃烧器加热，由两端的端壁结束。该图显示端壁的存在导致向重整管的不均匀热传递；典型跨度的壁端管如3-D CFD结果所示达到比内管更高的表面温度。在所提出的情形中，壁端管的最大表面温度值与典型跨度内的内管的最大表面温度值的平均值之差为约5℃。 [0034] 因此，存在并非源自燃烧器布置的沿管排的加热缺乏均匀性的问题，并且本实用新型旨在解决这个问题，以便通过限制外管(壁端管和对称端管)的过热来改善顶燃式SMR(以及底燃式SMR)中的热通量均匀性。 [0035] 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管的不均匀加热非常重要。感兴趣的这些距离在图6中示出；该图示出图4中的一个典型跨度，其中两排五个燃烧器位于16个对齐的管的侧面，一端是壁，第二端是对称平面。在该图中还示出了已发现是关键参数的距离，即： [0036] -T2T是该跨度中的两个相邻燃烧器之间的距离； [0037] -T2W是壁端管与端壁之间的距离； [0038] -T2S是两个对称端管之间的距离，因此是接近对称平面(两个相邻的跨度之间)的管和该对称平面之间的距离的两倍。 [0039] 发明人认为起决定作用的比率是T2T/T2S和T2T/T2W。实用新型内容 [0040] 本实用新型的一个目标在于调节一排内的管中的热分布。 [0041] 本实用新型的又一目标是减小外管和内管之间的温度差。 [0042] 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管的优化布置结构来避免外管过热的问题。 [0043] 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成多个区段，在每个管排中，从壁端管到端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其特征在于，各排中的管以这样的方式布置，即：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5并且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。 [0044] 下面给出优选的实施例： [0045] 在本实用新型的优选炉中，比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.75且小于1.75，从而引起外管和内管之间的管温差的进一步降低。 [0046] 优选地，T2T/T2W和T2T/T2S相等，并且它们大于0.75且小于1.75。 [0047] 本实用新型特别适合于具有安装在炉顶上的燃烧器的炉。 [0048] 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。 [0049] 本实用新型的重整装置有利地是蒸汽甲烷重整炉。 [0050] 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： [0051] -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内，其中各管成排定位于炉内， [0053] -排出在管中产生的产物， [0054] 其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分成区段，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其特征在于，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。 [0055] 此外，本实用新型的方法可单独或相结合地是： [0056] -用于蒸汽甲烷重整的方法； [0057] -其中比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.75且小于1.75的方法； [0058] -根据一个实施例的方法，其中，比率T2T/T2W和T2T/T2S相等； [0059] -根据一个实施例的方法，其中所述炉是顶燃炉； [0060] -根据一个实施例的方法，其中所述炉是底燃炉。 附图说明[0061] 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： [0062] 图1示出用于典型炉设计的燃烧器构型； [0063] 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； [0064] 图3示出顶燃炉的顶视图，突出了管和燃烧器的组织； [0065] 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”； [0067] 图6示出用于一典型跨度中的管的再分割的根据本实用新型的关键参数，其中两排五个半燃烧器位于16个对齐的管的侧面，一端是端壁，第二端是对称平面； [0068] 图7示出图5的典型跨度中的管的三种不同再分割，其中16个管在一排中对齐，两排五个半燃烧器位于管的侧面，两侧均以壁结束； [0069] 图8针对图7中提出的三种情况示出6m高度处(管的高度为12m) 的管周向温度与内管和外管在相同高度处的平均温度之间的差异； [0070] 图9针对图8中的相同三种情况示出典型跨度的16个管的最大管表面温度； [0071] 图10呈现了包括应用于一定范围的典型跨度的模拟的结果和分析的表格。 具体实施方式[0072] 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——如图1所示——的改进的设计。目的在于减轻沿管排——平行于X轴——的温度变化，这是由于管沿所述排的改进的再分割。 [0073] 为了能认识并提出管沿一排的最佳布置，已针对用于若干个SMR设备的不同值T2T、T2W和T2S执行许多模拟。 [0074] 用于识别“典型跨度”中的管的最佳再分割的工具是上文用于提出已有设计引起的管温度差异的工具。 [0075] 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。 [0076] 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。 [0077] 阅读以下对附图的更详细描述将有助于理解本实用新型。 [0078] 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(通常12m高)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。 [0079] 图3示出顶燃炉1的顶视图，该顶燃炉1具有8排管5，每排48个管——这些管布置在各16个管的3个区段10中——和9排燃烧器6，每排15个燃烧器，燃烧器排平行于管排，并且布置在各5个燃烧器的相同3个区段 10中。各管排5以壁7(沿Y轴的壁也被标识为“端壁”)结束。对于全部管排5而言，面对壁7的端管8a被标识为“壁端管”在该排内，壁端管在一侧由壁7包围，在相对侧由一管包围。在该排内，内区段管8c由两个管包围，一个管在其每一侧上。 吸热重整反应发生在管中，因此管表面比耐火壁和燃烧气体更冷。端壁和较热的燃烧气体的存在可能导致端管燃烧器的过热。 [0080] 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数个部分(称为区段或称为跨度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的端管8b被标识为“对称端管”。两个相邻跨度的两个对称端管 8b之间的距离或间隙比同一跨度中的两个管之间的距离更重要(更大)，并且因此与内区段管相比，对于炉端壁具有更大的角系数，同时还具有围绕它们的更大体积的热燃烧气体，与内管8c相比导致过热。 [0081] 图4示出炉的顶视图，突出了炉规格下的“典型跨度”——见灰色矩形。作为示例，“典型跨度”12由通过相同功率的2排(每排5个)燃烧器加热的16个对齐的管的子集组成，一个端部W代表端壁7，而第二端部S代表位于2个相邻区段之间的空隙(间隙)中间的对称平面11。 [0082] 图5示出利用针对具有16个管和5个燃烧器、通过壁(每端部一个壁) 结束的典型跨度的3-D CFD模型计算的最高管温度的分布，其中T2T＝ 0.35m，T2W＝0.52m，T2T/T2W＝0.67。这清楚地示出向管的热传递是不均匀的。与内管相比，观察到外管的表面温度更高； 温差达到5℃。 [0083] 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各排的改进的管布置结构设计来限制向外管的传热。 [0084] 为了优化管的布置结构，已执行不同SMR设备的表现的数值模拟。 [0085] 典型跨度12将用于显示重要的特定距离以便描述本实用新型。如上所述，可通过三个距离T2T、T2W和T2S来限定沿一排的管的布置结构。如图6所示，各距离对应如下： [0086] -T2T是典型跨度中的两个相邻管之间的距离； [0087] -T2W是典型跨度中的端壁7与壁端管8a之间的距离； [0088] -T2S是两个对称端管之间的距离。 [0089] 上述三个距离非常重要并且代表该排，更具体地采用两个比率 T2T/T2S和T2T/T2W的形式。 [0090] 备注：跨度的特征可在于一对以下比率： [0091] -针对在一侧接近端壁7且在另一侧接近对称平面的跨度的 (T2T/T2W和T2T/T2S)， [0092] -针对在两端都具有对称平面11的中间区段的(T2T/T2S和 T2T/T2S),[0093] -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(T2T/T2W和T2T/T2W)。该构型将用于下文给出的模拟以及用于与描述本实用新型的模拟有关的图示。 [0094] 以下的附图呈现已应用模拟并且获得结果的管的不同再分割。 [0095] 图7显示了图5所示的跨度的16个管的三种不同的再分割，其特征在于保持相同的比率(T2T/T2W和T2T/T2W)；对于每种情况，指示比率T2T/T2W，并且根据再分割将管表示为黑色圆圈、灰色圆圈或白色圆圈。壁端管8a-1，8a-2和8a-3位于与端壁不同的距离处。内管6-1、6-2 和6-3在它们之间以及与壁端管之间具有相同的间隙。在以下相关附图中，将使用相同的形状区分这三种情况。对于这三种情况，建立了5个燃烧器的再分割，以确保类似的根据EP 15307007.3的流动模式。 [0096] 图8针对相同的3种情况显示了6m高度处的管周向温度与同一高度处的平均管温度之间的差异。对于每种情况，示出了壁端管和内管：8a-1 和6-1，8a-2和6-2，最后是外管8a-3和内管6-3。 [0097] 数值模拟的结果表明，根据管的再分割，壁端管将或多或少地被加热。当壁和端管之间的距离超过管间距(两个内管之间的距离)时，壁端管过热，对于T2T/T2W～0.7的黑色圆圈表示的情况观察到这样的效果。针对最靠近内管的壁端管的温度周向分布对应于比率T2T/T2W＝1的灰色圆圈表示的情况(即，壁端管与最接近端壁之间的距离等于管之间的距离)。对于白色圆圈表示的情况，壁端管太靠近端壁，这导致面向端壁的管角部分的加热不足。当壁端管太靠近墙壁时，会阻碍来自热气体的热量传递。因此，与其他壁区域相比，位于管阴影中的壁的条带将发射较少的辐射通量。 [0098] 图9针对相同的三种情况示出最大管表面温度分布并且确认了对管周向分布进行的观察：用灰色圆圈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5℃，而用黑色圆圈表示的情况导致约8℃的管温差，并且用白色圆圈表示的管温度分布呈现壁端管的严重的加热不足，导致约19℃的最大温差。 [0099] 为了取得一般设计规则，已对T2T、T2S和T2W距离具有不同值的基准跨度的10个例子执行参数研究。该研究允许确定最佳比率T2T/T2W 和T2T/T2S，并且因此限定最佳设计规则，以及推测在管之间的温度均匀性方面的收益。 [0100] 图10呈现一表格，示出管布置结构对不同基准跨度内的外管的管负荷 (传递到管的热量)相对于最接近内管的负荷的比例的影响。外管的相对于内管负荷的相对负荷将量化由外管相对于内管接收的热量。 [0101] 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相对负荷的例子；在所示出的例子中，最高相对负荷值为约3％，而较低值接近-3％。接近0％的相对负荷表示内管和外管具有相似温度，而接近3％或更高的高相对负荷表示外管过热，并且接近-3％或更低的低相对负荷表示外管加热不足。因此，跨度中的相对负荷越接近0％，蒸汽甲烷重整装置的性能越高。 [0102] 所取得的管比率规则为： [0103] -为了具有在-2％至2％的区间内的相对负荷值，比率T2T/T2W和 T2T/T2S应当大于0.5且小于2。 [0104] -如果比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.75且小于1.25，则预期的相对负荷值将在-1％至1％的区间内。 [0105] 最后，比率规则主要不依赖于典型跨度中的管的数量(以及燃烧器的数量)。 [0106] 以上结果提供了需要对沿各排的管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。 [0107] 对上述规则的遵守将有助于防止管过热，故障、管的更换和停机因此将减少。 |
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