CN101687636A - 在重整炉启动阶段中调节可燃气体流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在蒸汽重整器的重整炉的启动阶段中调节可燃气体I的气流的方法，可燃气体I用于供给所述炉的点燃的燃烧器，在该方法中，向所述点燃的燃烧器供应由可燃气体I和现场存在的惰性气体II形成的混合物III。

Description

在重整炉启动阶段中调节可燃气体流的方法
本发明涉及调节被输往蒸汽重整器的重整炉的燃烧器的可燃气体流的方法，该方法能够调节供给所述炉的点燃的燃烧器的气流。
蒸汽甲烷重整(或SMR)能够由基本由烃和蒸汽构成的反应物气态进料(它们在管式催化反应器中一起反应)生产合成气，即，主要由氢和一氧化碳构成的混合物。作为最常用于制氢的技术之一，这种技术基于轻质烃和蒸汽之间的高温(800-950℃)催化反应。由于是强吸热性的，这些反应要求热输入。
通常借助位于装有重整管的辐射炉中的燃烧器、通过燃料与空气的燃烧提供这种热。燃烧产生的烟雾在位于炉中的这些管外流通，并通过辐射和对流向反应物提供重整所需的热。
我们应当在此考虑的重整器是具有正常几何构造的蒸汽重整器。该炉具有一定数量的燃烧器，它们成排地位于所谓“侧烧式”SMRs和所谓“阶梯壁式”SMRs的侧壁上，或在所谓“顶烧式”SMRs的情况下位于顶部。更少见地，燃烧器位于“底烧式”SMRs的底部。在所有情况下，这些燃烧器都彼此隔开。
实施这种技术时的困难之一是调节供应的热与所需的热之间的平衡，即燃烧生成的热量与吸热反应所需的热量之间的平衡。
现在，这种平衡对于保持管温度低于推荐的最大温度(常称作设计温度)而言是基本的，否则，所述管的制造材料可能变脆或甚至破裂，造成突发事件和意外停机。
在启动阶段(无论冷启动还是热启动)，管温度的控制特别难。实际上，在启动阶段，不将原料气引入管并且仅使惰性气体循环，热消耗因此低(原因是在这些阶段中在管内不存在吸热反应)。
此外，燃烧器通常能够用各式各样的燃料运行。在用于制造H2/CO的装置的情况下，尤其涉及来自低温箱(用于制造CO)和/或来自通过变压吸附或PSA法提纯H2的装置以及用于补充的烃源(通常天然气)的吹扫气。当超过需求量时，也可用合成气或甚至氢。
整个加热系统，尤其包括燃烧器的设计和仪器化，通常被设计成适应生产单元的额定工作。这包括利用：
-所有(或在一些情况下，极大部分的)点燃的燃烧器，和
-主要由再循环气体(尤其是来自PSA的废气，通常90％)和烃(例如天然气)构成的可燃气体。
但是，在SMR炉的启动过程中和因此在不存在吸热反应的情况下，仅点燃一部分燃烧器以加热重整管和整个炉，从而限制热力。可燃气体流和空气流在这些燃烧器中流通。
不同的燃烧器配有各自的点燃系统：参与启动的那些被分布在炉中，以使供应的热在整个炉中均匀分布，从而最大程度地限制热点。出于相同原因，还限定了这些燃烧器的点燃次序。
供给这些燃烧器的空气流应维持充分过量的空气，“过量的空气”在本文中是指用于燃烧的空气百分比超过确保燃烧反应的化学计量所需的空气。充分的空气过量确保了较低的火焰温度，并由此降低管的过热危险。空气流也通过使炉气氛保持在爆炸下限或LEL的25％以下来限制爆炸危险，即使一些燃烧器的火焰熄灭也是这样。这种空气流遍布所有燃烧器，无论它们点燃与否。
可燃气体流通过点燃的燃烧器中的孔注入该炉。由于这些孔是固定的，这流仅取决于所述气体在燃烧器上游的进料管中的压力。
重整过程中产生的燃料(即，基本上是吹扫气)在启动时不可得。唯一可得的燃料——通常为气体进料(天然气、石脑油、轻质烃混合物等)，具有高热值。只需较低的气体量就能提供额定热的100％(即在额定工作时装置运行所需的热的100％)。因此，热值越高，气体流量应越低，且位于燃烧器上游的进料气体管中的可燃气体压力也应随之较低。
这可以以下列非限制性理论情况为例说明：
考虑如下装置：通常向其燃烧器供给由90％残留PSA气体和10％天然气(NG)构成的可燃气体混合物，它们通过普通歧管进给。
额定运行条件如下：
-燃烧器上游进料管中的相对可燃气体压力为200毫巴，
-输送的空气流相当于额定流的100％，
-热释放为100％。
需要说明，相对压力被理解为是指相对于大气压测得的压力。除非明确地提到，下文中表示的所有压力都是相对压力。
如果在所有其它条件相同的情况下将上述燃料混合物(90/10)换成由100％天然气构成的气体，则必须显著降低供给燃烧器的燃料流量。天然气的热值通常为PSA废气的至少三倍，燃料流应至少降低为三分之一，并且应使压力为20毫巴(在燃烧器中循环的流与压力差的平方根成比例)。
在启动阶段中，输送的空气流是固定的(出于上文提到的原因，通常为额定流的50％)。为了加热炉和管，点燃有限数目的燃烧器。为了确定启动阶段中可燃气体的合适压力，本领域技术人员利用被称作“燃烧器曲线”的曲线。它们能够将两个量(热释放和燃料气体压力)联系在一起，而且它们是各燃料类型特有的。
为了使用这些曲线，本领域技术人员会采用某些已知的公认规则，包括将启动能力限定至低于最大启动能力的值，以便不破坏重整管。目前公认的是，这种最大能力为额定能力的30％。但是，实际上，更多地是设定25％的能力。
为了更易于理解，我们考虑下列情况，其中额定能力相当于22毫巴的天然气压力。燃烧器曲线，如复制在图1中的曲线，表明与最大启动能力(额定能力的30％)对应的天然气压力为2毫巴。阅读该曲线可看出，在启动阶段中燃烧器上游的天然气压力不应超过2毫巴。
燃料的热值越高，这种有限的上游压力越低。
但是，在实践中极难调节足够低的上游可燃气体压力。实际上，如上所述，整个加热系统和因此燃料进料是参考额定运行设计的，该系统不能在足够低的压力下输送可燃气体以使其达到令人满意的启动所需的条件。
此外，由于缺乏按所需程度降低可燃气体流量的能力，启动阶段中点燃的燃烧器通常在接近额定条件的条件下运行。其后果显然是热增加、较不过量的空气和因此较低的冷却。火焰温度因而极高，因此显著增加了重整管的过热危险。
此外，清楚的是，使用热值甚至高于天然气的可燃气体(例如丁烷、石脑油)往往更进一步增加过热危险。
为解决这一问题，生产合成气的装置通常具有数个独立的线路，以向燃烧器供给可燃气体。各线路根据其输送的可燃气体或可燃气体混合物的性质确定尺寸。
这一解决方案导致线路和相关配件(例如燃烧器各自的隔离阀)的增加。因此，本发明的目的是针对SMR炉启动过程中的重整管过热问题提供更简单、更小型且更经济的替代解决方案，该解决方案包括在这种启动过程中确保向以可燃气体运行的燃烧器提供适于在SMR炉的启动过程中供给所述燃烧器的、具有足够低的热值的可燃气体。
本发明因此涉及在蒸汽重整器的重整炉的启动阶段中调节可燃气体I的气流的方法，所述可燃气体I用于供给所述炉的点燃的燃烧器，该方法包括下述步骤：
a)向歧管供给所述可燃气体I的气流，
b)向所述歧管供给惰性气体II的气流，
c)在该歧管出口产生由可燃气体I和惰性气体II的混合物构成的气流III，
d)经由用于将气体混合物III分配给点燃的燃烧器的组件，向重整炉的点燃的燃烧器供给来自步骤c)的气体混合物III。
可燃气体I可以是单独或混合的天然气、丁烷、丙烷、石脑油类型。
惰性气体II可以是氮类惰性气体，但也可以使用具有低热值的气体。低热值被理解为是指明显低于气体I热值的热值。
有利地，惰性气体II是氮。
根据一个具体情况，可燃气体I是天然气。
有利地，供给炉的点燃的燃烧器的气体混合物III的气流处于至少等于3-5毫巴的压力。优选地，所述供给炉的点燃的燃烧器的气体混合物III的气流具有下述可燃气体I的分压：使得由可燃混合物III与供入所述燃烧器的空气的燃烧释放的热为额定热的大约25-30％。
有利地，注入的惰性气体II的气流与可燃气体I的气流的比率为0.5至1。
参考联合图2所述的下述实施例可更好地理解本发明，该图2显示了将氮气注入位于线路上的向该线路供给燃料的气体歧管的原理。
例如，根据图2，分别经由管道1和2向用于产生可燃气体III的共用气体歧管3供应天然气I的气流和氮气II的气流。经由进料管4将混合物III导向SMR炉的燃烧器5。仅一部分燃烧器5被点燃。只向这些点燃的燃烧器供给可燃混合物III。
用等于额定流的50％的恒定空气流启动SMR炉。这种空气流遍布所有燃烧器5，无论它们点燃与否。
应使通过点燃的燃烧器的天然气流最小化，以确保以大大过量的空气燃烧。这种气流与上游压力和燃烧炉室中的(相对)压力之差的平方根成比例。由于这被视为恒定的(大约-1毫巴)，因此其取决于在燃烧器上游测得的压力。
根据公认的实践，在启动过程中要求施加额定能力的25％的加热能力。
由于加热能力与可燃气流成比例，这因此意味着可燃气体流也应降为四分之一。
由于气流与压力的平方根成比例，因此，为了将气流除以4，压力应除以16。
现在，如上面回顾的，当在所有其它条件相同的情况下将由90％PSA残留物和10％天然气(NG)构成的传统燃料混合物换成由100％天然气构成的气体，则在正常运行中(即对100％加热能而言)必须将天然气减至20毫巴。在启动阶段中，供给燃烧器的天然气的压力因此应为20/16毫巴，即1.25毫巴。
在工业上难以在燃烧器的进料管中调节足够低的可燃气的气流，稳定时的最小压力在实践中可以为3-5毫巴，其如图1的曲线所示，对天然气而言相当于各燃烧器的额定能力的40-50％的能力，因此构成了对于保护重整管而言不可接受的值。
根据本发明的氮注入能够克服这些困难。下表显示了通过各种天然气与氮气流量的比率获得的结果[混合物III(天然气+氮气)的压力以及空气流保持恒定]。
  摩尔比N2/NG   0/100   25/75   50/50
  额定放热的百分率   50   35   22
因此，在50/50的N2/NG比率下，燃料量减少超过一半。
由于氮线路在多数重整装置中可得(基本用于确保启动和关闭)，实施本发明所需的改造很少，此外，所用氮的量较低，对规模为20,000至100,000Nm3/h氢的装置而言，通常约为500至2,500Nm3/h。因此，额外的运行成本很低，尤其是在考虑到由改进的运行可靠性获得的间接效益时。
通过实施上述方法，可以减少注入的燃料气体I的气流，但氮注入还提供了其它优点：
-供应对燃烧呈惰性的气体能够提高通过燃烧器的总气流，由此有助于它们的更好调节和因此有助于获得更稳定的火焰，这能够显著降低由不稳定火焰造成的管劣化的危险；
-混合物(燃料+氮气)III在进料管中的压力可以更大，这使调节更简单并能够在燃烧器之间更好地分配流量，由此有助于改进炉内的热均匀性；
-由于对各燃烧器而言总气流中的可燃气体部分较少，因而可以点燃较多燃烧器以达到给定加热能力，这也有助于提高炉内的热均匀性。

Claims (6)

1.在蒸汽重整器的重整炉的启动阶段中调节可燃气体I的气流的方法，所述可燃气体I用于供给所述炉的点燃的燃烧器，该方法包括下述步骤：
a)向歧管供给所述可燃气体I的气流，
b)向所述歧管供给惰性气体II的气流，
c)在该歧管出口产生由可燃气体I和惰性气体II的混合物构成的气流III，
d)经由用于将气体混合物III分配给点燃的燃烧器的组件，向重整炉的点燃的燃烧器供给来自步骤c)的气体混合物III。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于供给步骤a)的可燃气体I选自单独或混合的天然气、丁烷、丙烷和石脑油。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于供给步骤a)的惰性气体II是气态氮。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于供给所述炉的点燃的燃烧器的气流III具有至少等于3-5毫巴的总压力。
5.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于供给所述炉的点燃的燃烧器的气流III具有如下所述的可燃气体I分压：该分压使得在所述可燃混合物III与供给所述燃烧器的空气的燃烧过程中释放的热为额定热的大约25％。
6.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于注入的惰性气体II的气流与可燃气体I的气流的比率为0.5至1。
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