CN102083747A - 具有改进的烟道气流的蒸汽重整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在重整炉中进行的烃蒸汽重整方法，该重整炉包括：至少一个燃烧室，其具有至少两个相互面对面且由耐火材料制成的垂直壁(1，2)，包含至少一排重整炉管(3)，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间距离处垂直排列，具有燃烧器(4)，其置于两个面对面的垂直耐火壁(1，2)的每一个上，所述燃烧器能产生平行于壁(1，2)表面的径向火焰；以及至少一个燃烧气体排放管，其仅位于其中一个侧壁(1)上的炉顶端。根据本发明，气体排放管安装有与管和壁(1)之间的连接处的出口齐平的导流装置，该导流装置阻止燃烧气体流向所述出口，从而限制位于气体排放管出口侧的那一半炉中的燃烧气体的优先吸入。导流装置优选由一组板组成，自排放管壁朝着该排管方向延伸入炉中。导流装置可以一开始就安装入炉中，或者以后安装以提高传统炉的效率。

Description

具有改进的烟道气流的蒸汽重整方法
本发明涉及一种通过烃进料的催化蒸汽重整来生产合成气的方法和设备。
烃蒸汽重整方法，通常称为SMR(“蒸汽甲烷重整”)，利用重整反应由烃和蒸汽来生产氢气和一氧化碳。此反应由于其高吸热性而需要输入大量的热量。为此，将烃和蒸汽引入装有催化剂的重整炉管内，所述管置于炉中。在管出口处得到的混合物主要由H2和CO组成，通常称为合成气(synthesis gas)或合成气(syngas)。
该炉由一个或多个由耐火壁制成的燃烧室和置于这些壁上的燃烧器组成。以这种方式排列燃烧器是为了将它们燃烧的热量通过管壁传递给烃和蒸汽的混合物，通常是通过将火焰的热量辐射至燃烧室的耐火壁上来实现。本发明涉及其中燃烧器置于燃烧室的两个垂直壁上的炉，也称为侧壁的所述壁是相互面对面的壁。这种类型的炉从侧面加热(侧烧)，不同于其中燃烧器安装在炉顶的炉(称为顶烧炉)。
在侧烧炉中，在每个燃烧室中，重整炉管在位于与两个载有燃烧器的垂直侧壁之间等距离的一个平面上排成一排。燃烧气体，也称为烟道气，从炉顶部的燃烧位置排放出(炉顶部或炉顶区域是指位于最高那排燃烧器以上的炉内区域)。在炉头处，烟道气排放管的出口仅位于其中一个侧壁上的炉顶端。在同一炉中可以有很多烟道气排放管，不过这些管总是置于同一垂直侧壁上，在炉中处于同一高度，并且以均匀间隔分布。
已经观察到，在炉中相对于该排管不对称地排列烟道气排放管会导致位于所述管的出口同一侧的那一半炉(我们也可称其为第一半炉)中的燃烧气体的优先吸入；这种优先吸入会导致燃烧气体的流动不对称，并导致炉的热效率的损失。
具体而言，由于热气体优先通向所述第一半炉(位于出口侧)中的出口，因此这导致在该排管的每一侧的燃烧气体的温度范围显著不对称。在第二半炉中，燃烧气体发生了压降，这可归因于它们为了到达出口而需要横穿过该排重整炉管。由于该排管所表现出的阻挡使燃烧气体的流通显著减慢，这些气体在此第二半炉的顶端开始再循环。因此燃烧气体穿过炉顶区域时在第一半炉中的停留时间短于其在第二半炉中的停留时间。
但是，具有较短停留时间的燃烧气体通过辐射传递了较少能量至该排重整炉管上，且以较高温度排入出口管中。因此较高的烟道气温度所导致的热能排放表现出难以实现的合成气生产潜力。
本发明的一个目的是提出一种在侧烧炉中的重整方法，使改善炉顶部热传递以提高其生产能力成为可能。
根据本发明的解决方案，通过使炉顶部的气体(或烟道气)的流动较为对称从而实现这种改进。
因而本发明涉及一种用于由烃进料来生产合成气的方法，包括至少一个通过所述烃进料的催化蒸汽重整来生成粗合成气的步骤，重整所需的热量通过燃烧产生，所述步骤在重整炉中进行，该重整炉包括：
-至少一个燃烧室，其具有至少两个面对面的垂直耐火壁1，2，
-至少一排重整炉管3，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器4，其置于两个面对面的垂直耐火壁1，2的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个排放管出口，其用于排放由所述燃烧所产生的气体，其仅位于其中一个垂直壁1上的炉顶端，
除了粗合成气外，所述生成步骤还生产在燃烧过程中放出并流向至少一个燃烧气体出口管的燃烧气体；该方法的特征在于，至少一个气体排放管具有安装在管和壁1之间的连接处的出口的导流装置，以阻止所述燃烧气体流向所述出口，从而限制它们优先吸入位于所述至少一个气体排放管同一侧的那一半炉中。
因此对所形成的管/出口/导流装置组件进行设计和尺寸设定，从而使该排重整炉管的每一侧的燃烧气体的流动尽可能地对称。
本发明使均衡该排重整炉管的每一侧的温度分布和确保较多热能传递至重整炉管成为可能。
本发明还使提高炉的粗合成气生产能力成为可能。
根据本发明的一个优选的实施方案，导流装置由一组板组成，其使气体(烟道气)排放管的全部或部分的已有壁朝着该排管方向延伸。
本发明可以合并入新的合成气生产设备的设计中。
本发明也可以用于提高具有类似几何结构的现有的蒸汽重整炉的性能。
因而本发明涉及一种用以提高现有蒸汽重整炉的性能的方法，包括：
-至少一个燃烧室，其具有至少两个面对面的垂直耐火壁1，2，
-至少一排重整炉管3，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且通常能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器4，其置于两个面对面的垂直耐火壁1，2的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个排放管出口，其用于排放由所述燃烧所产生的气体，仅位于其中一个垂直壁1上的炉顶端，
其特征在于，燃烧气体排放管上安装有导流装置，该导流装置使所述管朝着该排重整炉管方向延伸入炉的燃烧室中。
用于提高炉的性能的优选的导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分的壁朝着该排管方向延伸入炉中。
本发明还涉及一种用于生产合成气的设备，包括能够实施上述方法的蒸汽重整炉，所述重整炉包括至少一个燃烧室和至少一个对流室，所述燃烧室至少具有：
-两个面对面的垂直耐火壁，
-一排重整炉管，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且通常能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器，其置于两个面对面的垂直耐火壁的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个出口，其可连接用于排放由所述燃烧所产生的气体的排放管，其仅位于其中一个垂直壁上的炉顶端，所述对流室至少包含所述燃烧气体排放管，
其特征在于，气体排放管具有安装在管和壁之间的连接处的出口的导流装置，以阻止所述燃烧气体流向所述出口，从而限制它们优先吸入位于所述气体排放管同一侧的那一半炉中。优选的导流装置由上述的一组板组成。
本发明的另一方面涉及一种烃蒸汽重整炉，其根据上述方法通过安装导流装置来加以改进优选的导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分的已有壁朝着该排管方向延伸入炉中。
现在结合图1至4和一个为了验证本发明而进行的数值模拟实施例来描述本发明。
-图1举例说明了传统炉顶部，
-图2举例说明了根据本发明的炉顶部，
-图3显示了根据图1所示的传统炉顶部的温度范围，
-图4显示了依照图2所示的根据本发明的改进的炉顶部的温度范围。
该模拟基于根据图1或图2所示的蒸汽重整炉，其包括60根通过108个燃烧器来加热的管。
图1给出了标准设计的侧烧重整炉的示意图，显示出所述炉各组成部分的相应位置，从而利于理解本发明。在此仅绘制出出炉顶部。图中显示出重整炉管3(实际上这应为一排管)；管3位于两个耐火壁1和2之间的中间位置。耐火壁1和2装配有以行和列形式排列的燃烧器4。燃烧气体从炉顶部的燃烧室排放出。通向烟道气排放管5的出口位于侧壁1上的炉顶端。它直接在侧壁上开口。在同一炉中可以有几个烟道气排放管，不过出口总是置于同一侧壁上，在炉中处于同一高度，并且以均匀间隔分布。
图2给出了根据本发明的侧烧重整炉的示意图。此炉与图1中的炉的区别在于，烟道气排放管5的出口安装了一个使该排重整炉管3的每一侧的气流时称的装置；在这个实施例中，所述装置由一组板6组成，与图1的实施例相比，增加这组板是为了使管朝着该排重整炉管3的方向延伸入燃烧位置内。
实施例给出了为了表征在根据图1所示的标准设计的重整炉(实施例1，对比实施例)中和根据本发明的改进的重整炉(实施例2，根据本发明的实旋例)中燃烧气体的流动和热传递而进行的数值模拟的结果。
两个实施例都在相同的操作条件(燃料和空气注入至燃烧器的的速率、甲烷和蒸汽流经重整炉管的速率、热损失等)下运行。依照本发明根据图2所示的装置，实施例2与实施例1的区别仅在于，其增加了延伸烟道气出口管的板。
图3显示了通过计算得到的图1的传统炉顶部的温度范围；仅绘制出炉顶部。该图显示出该排管每一侧的燃烧气体的温度范围显著不对称。所述不对称说明热气体(为1000℃数量级的温度)优先通向第一半炉的燃烧气体出口。在第二半炉中，该排管显著减慢了燃烧气体的流通，还发现这些气体在此半炉的顶端再循环。
图4显示了通过计算得到的依照图2所示的根据本发明改进的炉的温度范围。可以观测到相对于该排重整炉管的较为对称的温度分布。
比较结果整理列于表1中，其给出了相对于传统炉实施例的性能改进百分数。
表1
Figure BPA00001287208000051
由此可见，炉的热效率提高了1.8％，且生成的氢气和一氧化碳的流量分别提高了1.6％和2.8％。因此，该炉具有较高的总效率和提高的生产能力。

Claims (8)

1.一种用于由烃进料来生产合成气的方法，包括至少一个通过所述烃进料的催化蒸汽重整来生成粗合成气的步骤，重整所需的热量通过燃烧产生，所述步骤在重整炉中进行，所述重整炉包括：
-至少一个燃烧室，其具有至少两个面对面的垂直耐火壁(1，2)，
-至少一排重整炉管(3)，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器(4)，其置于两个面对面的垂直耐火壁(1，2)的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个排放管出口，其用于排放由所述燃烧所产生的气体，其仅位于其中一个垂直壁(1)上的炉顶端，
除了粗合成气外，所述生成步骤还生产在燃烧过程中放出并流向至少一个燃烧气体排放管出口的燃烧气体，
其特征在于，至少一个气体排放管具有安装在管和壁(1)之间的连接处的出口的导流装置，以阻止所述燃烧气体流向所述出口，从而限制它们优先吸入位于所述气体排放管出口同一侧的那一半炉中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分壁朝着该排管方向延伸入炉中。
3.一种用以提高现有蒸汽重整炉的性能的方法，包括：
-至少一个燃烧室，其具有至少两个面对面的垂直耐火壁(1，2)，
-至少一排重整炉管(3)，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且通常能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器(4)，其置于两个面对面的垂直耐火壁(1，2)的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个排放管出口，其用于排放由所述燃烧所产生的气体，其仅位于其中一个垂直壁(1)上的炉顶端，
其特征在于，燃烧气体排放管上安装有导流装置，其使所述管朝着该排重整炉管方向延伸入炉的燃烧室中。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分的已有壁朝着该排管方向延伸入炉中。
5.一种用于生产合成气的设备，包括能够实施权利要求1的方法的蒸汽重整炉，所述重整炉包括至少一个燃烧室和至少一个对流室，所述燃烧室至少具有：
-两个面对面的垂直耐火壁(1，2)，
-一排重整炉管(3)，其在两个面对面的垂直耐火壁之间的中间位置垂直排成一排，装有重整催化剂，并且通常能从上到下循环包含烃进料和蒸汽的混合物，从而能在管的底部回收粗合成气，
-燃烧器(4)，其置于两个面对面的垂直耐火壁(1，2)的每一个上，所述燃烧器被供应燃料和氧化剂且能够通过燃烧产生平行于壁表面的径向火焰，
-至少一个出口，其可连接用于排放由所述燃烧所产生的气体的排放管，所述出口仅位于其中一个垂直壁(1)上的炉顶端，所述对流室至少包含所述燃烧气体排放管，
其特征在于，气体排放管具有安装在管和壁(1)之间的连接处的出口的导流装置，以阻止所述燃烧气体流向所述出口，从而限制它们优先吸入位于所述至少一个气体排放管同一侧的那一半炉中。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分的已有壁朝着该排管方向延伸。
7.一种根据权利要求3的方法通过安装导流装置而改进的烃蒸汽重整炉。
8.如权利要求7所述的改进的重整炉，其中所述导流装置由一组板组成，其使燃烧气体排放管的全部或部分的已有壁朝着该排管方向延伸入炉中。
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