CN102459065A - 带有可变的烟气流的初级重整器 - Google Patents

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Abstract

一种借助于按权利要求1的反应器用于利用水蒸气在提高的压力下催化初级重整碳氢化合物的方法，该反应器具有裂解管系统和燃烧室；在填充有催化剂材料的裂解管系统中需要重整的碳氢化合物借助于水蒸气转化成合成气体，裂解管系统借助于许多燃烧装置加热，所述燃烧装置分别设置在裂解管之间，并且所述燃烧装置由许多成列设置的燃烧器构成，燃烧器能产生基本上向下定向的火焰，各燃烧装置被供给燃气和空气，空气从相应输送器排出，产生的烟气从上向下流过燃烧室，并且在燃烧室的下部区域内通过在烟气隧道的侧壁内的开口进入到基本上水平设置的、互相平行的、与竖直的裂解管垂直延伸的且分别配属于燃烧装置的、由陶瓷材料制成的烟气隧道内，并且烟气在燃烧室的出口处引入到用于回收热的装置内，预热的辅助气体通过输送装置沿着排出的烟气的流动方向在端面引入到每个单独的烟气隧道内，以便引入到烟气隧道内的辅助气体在燃烧室的整个长度上流过烟气隧道，该辅助气体不仅包含氧气而且包含不可燃烧的气体，相应调节相应输送的辅助气体量，辅助气体在导入到烟气隧道之前被预热。

Description

带有可变的烟气流的初级重整器
技术领域
本发明涉及一种顶燃式的初级重整器以及，用于利用水蒸气在提高的压力下催化重整碳氢化合物以制造合成气体的方法。这种合成气体例如用于制造氨、氢气和甲醇。在此，初级重整器设计成使该初级重整器抵制在烟气中产生有害氮氧化物。
背景技术
用于利用水蒸气催化重整碳氢化合物的反应器长久以来在许多实施方式中已知。在大型设备中采用下述结构方式，其中使用顶燃式的带有竖直的反应管或裂解管的箱式炉。在此成列设置裂解管。过程气体从上向下流过管子，该过程气体构成输入气体。输入气体在此经过所谓的裂解过程。
气体出口温度通常在850℃以上。过程气体在下部区域内(在炉子内或外)聚集在所谓的出口集流器内。在位于管列之间的“狭窄通道”内设置竖直向下燃烧的燃烧器。该区域称为炉箱。在炉箱内的温度平均在1000℃到1250℃之间。炉壁为了绝热以及为了防护由于加热而存在的高温设有耐火的保护层。
炉室在其下部区域内具有用于汇集烟气的腔以及许多基本上水平设置的互相平行的且与竖直的管子呈直角延伸的由墙构成的隧道，燃烧装置设置在炉室内。产生的烟气从上向下流过炉室，并且通过处在底部上的烟气隧道被排出，所述烟气隧道在侧面上具有开口。
WO 2005/018793 A1描述一种利用水蒸气在提高的压力下将碳氢化合物催化重整成合成气体的典型的炉系统和方法。为了更好地使烟气流均匀并且为了使燃烧温度均匀分布，隧道外壁使用特殊的结构。WO2006/119812 A1描述一种用于利用水蒸气将碳氢化合物催化重整成合成气体的典型的炉系统和方法，带有氧气供给以适配化学计量，以及带有特殊的设置在下游的多孔燃烧器以避免炭烟形成。
所有描述的重整系统的共同点是，燃烧装置借助于通过炉室中的重整管加热炉室，该燃烧装置由许多设置在过程控制的反应管之间的燃烧器构成。用于炉室燃烧的燃烧器通常通过分开的通道供给燃气和空气。输送燃气到燃烧室在此和空气输送分开完成。气体输送到燃烧室内的通道通过耐火的炉衬或直接位于其前面。在此用于燃烧器的燃气-空气-比例通过节气门或类似类型的用于调节空气输送的气体流量的装置控制。通过所述装置可以控制燃烧器的燃烧，并且从而可以控制炉温。
氧气-燃气-比例在工程上可以通过所谓的λ值描述。在使用氧气和燃气的化学计量学的摩尔比时，λ值等于1.0。在使用低于化学计量学的燃烧比例的氧气份额时λ值小于1.0。在使用高于化学计量学的燃烧比例的氧气份额时λ值大于1.0。因此当λ等于1.0时，燃烧是优化的。在常规设计中获得各个燃烧器上的λ值，所述λ值可以随着运行条件而波动，并且可以具有暂时提高的值。
这对燃烧过程产生不利的影响。后果可能是关于重整过程转化方面的整体上的更高的燃气消耗。在改变燃料时只能困难地将空气输送调节到已改变的化学计量量上。因此可能暂时导致不希望的火焰温度的提高，并且随着提高的空气入流导致NOx表示的氮氧化物的加剧的形成。氮氧化物作为有害气体在大气中促成酸雨。
已知的是，在使用更有利的λ值时在燃烧器中显著降低废气的氮氧化物NOx。也已知的是，在调节到较低的火焰温度时废气的氮氧化物NOx含量显著降低。这可以从有关已知的参考资料中得知。例如在此可以提及教材“The John Zink Combustion Handbook”，C.E.Baukel Jr.，CRC-Press，London New York，2001。所以优化地调节燃烧器的空气-燃气-比例以及在调节优化的λ值方面优化地控制燃烧对降低在制造合成气体时的氮氧化物具有重要意义。
此外在一定运行状态例如在部分负荷运行时在现有技术中描述的实施方式中存在下述问题，必须通过提高空气过量提高产生的烟气量，以便使射在重整器下游的加热路程内的传热与整个设备的运行要求相适配。提高空气过量对烟气中氮氧化物的产生有不利影响。
WO2008/131832 A1描述一种用于利用水蒸气在提高的压力下催化重整碳氢化合物的反应器，其具有一个反应室和一个燃烧室，在此作为反应室具有许多竖直的管子，所述管子成列设置并且适用于填充催化剂，还具有用于将需要重整的碳氢化合物和水蒸气输送到反应室内的装置以及用于从反应室内导出重整的合成气体的装置。此外在此在燃烧室的上部区域内具有许多燃烧装置，所述燃烧装置能产生基本上向下定向的火焰，所述火焰适用于加热上述反应管，其中给燃烧器输送空气的管子设有一个用于调节空气流量的装置，并且附加于所述管子装有一个由此分支的次级空气输送装置，该次级空气输送装置可以以不同类型的实施方式构成并且具有一个可独立控制的用于调节空气流量的装置，并且该次级空气输送装置同样给燃烧装置输送空气，以便在燃烧器上产生较有利的燃气与空气的比例，并且从而可以实现氮氧化物低的废气。
这种实施方式的缺点在于，燃烧器本身必须非常昂贵地改装，以便用上述用于空气的次级进气通道装备所述燃烧器。
发明内容
根据上面讨论的问题，本发明的目的是，给出初级重整器的改进的结构，该结构不再具有所述的燃烧器实施方式的缺点，并且可以用所述结构确保优化的λ值，以便可以显著降低有害的氮氧化物的形成。此外在一定运行状态例如在初级重整器的部分负荷运行时应该确保优化地利用包含在烟气中的热量。
本发明通过一种用于利用水蒸气在提高的压力下催化初级重整碳氢化合物的反应器解决所述目的，该反应器具有裂解管系统和燃烧室，
●裂解管系统作为反应室具有许多竖直的管子和用于将需要重整的碳氢化合物和水蒸气输送到反应室内的装置以及用于从反应室内导出重整的合成气体的装置，所述管子成列设置并且适用于
填充催化剂，
●此外在燃烧室的上部区域内具有许多互相平行设置的燃烧装置，
●所述燃烧装置分别设置在裂解管之间，并且所述燃烧装置由许多成列设置的燃烧器构成，
●燃烧器能产生基本上向下定向的火焰，
●所述火焰适用于加热上述管子，
●各燃烧装置通过输送装置被供给燃气和空气，空气从相应输送器排出，
●在燃烧室的下部区域内存在许多基本上水平设置的、互相平行的且与竖直的裂解管垂直延伸的、由陶瓷材料制成的烟气隧道，用于通过在烟气隧道的侧壁内的开口排出烟气，
●所述烟气隧道分别配设于一列燃烧装置，并且
●烟气隧道在燃烧室的出口处通入到为了回收热而设有热交换器的装置内，并且
●在每个单独的烟气隧道的端面沿着排出的烟气的流动方向具有用于辅助气体的输送装置，该辅助气体不仅包含氧气而且包含不可燃烧的气体，以便引入到烟气隧道内的辅助气体在燃烧室的整个长度上流过烟气隧道，并且
●每个单独的用于辅助气体的输送装置具有用于调节辅助气体流的装置。
在本发明的一种优选的实施方式中，设有从作为燃烧用空气的空气的空气预热路径到用于辅助气体的输入位置的空气分支。
在本发明的另一种优选的实施方式中，在从作为燃烧用空气的空气的空气预热路径引出的空气分支之后设有用于辅助气体的增压装置。
本发明的任务也通过一种用于利用上述反应器利用水蒸气在提高的压力下催化初级重整碳氢化合物的方法，该反应器具有裂解管系统和燃烧室，
●在填充催化剂材料的裂解管系统内将需要重整的碳氢化合物利用水蒸气转化成合成气体，
●借助于许多燃烧装置加热裂解管系统，各燃烧装置分别设置在裂解管之间，并且所述燃烧装置由许多成列设置的燃烧器构成，燃烧器能产生基本上向下定向的火焰，
●各燃烧装置被供给燃气和空气，空气从相应输送器内排出，并且
●产生的烟气从上向下流过燃烧室，并且在燃烧室的下部区域内通过在烟气隧道的侧壁内的开口进入到基本上水平设置的、互相平行的、与竖直的裂解管垂直延伸的且相应配属于燃烧装置的、由陶瓷材料制成的烟气隧道内，并且
●烟气在燃烧室的出口处引入到用于回收热的装置内，
●预热的辅助气体通过输送装置沿着排出的烟气的流动方向在端面引入到每个单独的烟气隧道内，该辅助气体不仅包含氧气而且包含不可燃烧的气体，以便引入到烟气隧道内的辅助气体在燃烧室的整个长度上流过烟气隧道，并且
●相应调节相应输送的辅助气体量。
在本发明的一种实施方式中，空气用作为辅助气体。此外在设备组合体的情况下也能使用受污染的含氧气流，在烟气隧道内的高温导致含氧气流中污物的分解。也可以混合更多该种类的气流。
辅助气体量在本发明的一种实施方式中通过活门或阀门调节。此外有利的是，实施在全部空气与用于烟气隧道的辅助气体的空气之间的差量测量。
附图说明
下面借助于3个附图详细解释本发明。其中：
图1一种初级重整器的按本发明的实施方式的横剖面图；
图2有利地添加辅助气体的工艺草图；
图3其它有利地添加辅助气体的另一种工艺草图；
图4初级重整器的按本发明的实施方式的纵剖面图；
图5初级重整器的按本发明的实施方式的外视图。
具体实施方式
在图1中示出一种用于催化初级重整的反应器的按本发明的实施例的视图，该反应器包括一个燃烧室1和一个裂解管系统，该裂解管系统由许多裂解管2构成，所述裂解管成列设置。在按规定运行期间所述裂解管2填充催化剂材料，并且被输入气体或合成气体流过。此外在燃烧室1的顶部区域内成列设置许多燃烧器3，所述燃烧器在按规定运行期间加热裂解管。在燃烧室1的下部区域内存在用于排出烟气的烟气隧道4，每列燃烧器配设一个这样的烟气隧道4。所述烟气隧道4在侧壁内具有用于引入由燃烧器3产生的烟气的开口。每个燃烧器3与用于空气5和燃气的输送装置(未示出)连接，其中输送到每个燃烧器3的空气量可以是可调节的(未示出)。至此，在图1中示出的实施方式涉及已知的现有技术。
按本发明，初级重整器具有用于辅助气体6的输送装置，所述输送装置在燃烧室1的入口处通入到烟气隧道4内。由此引入到烟气隧道4内的辅助气体完全流过所述烟气隧道，并且从而达到与烟气均匀的温度，然后总气流碰到热交换器并且被用于例如预热需要重整的气体和/或用于加热的空气。
图2和3示意地示出一种带有炉箱的燃烧室1、铺设在下面的烟气隧道4、该烟气隧道的汇集器7、以及从该汇集器内导出到烟囱9的烟气通道8，此外示出空气预热的路径以及烟气的路径(虚线)。
在图2中，环境空气10被抽取，并且在第一空气预热器11内略微预热。然后它由输送鼓风机12导引通过第二空气预热器13，在该第二预热器内进一步加热空气，然后它到达两个集成在烟气通道8内的热交换器14和15，被预加热到对于初级重整器的燃烧器3(在图2中未示出，为此见图1)的运行必需的温度。从这种用于燃烧器3的空气内分支出辅助气体。为了所述分支，在第二空气预热器13后或前的分支点16、在热交换器14后的分支点17以及热交换器15后的分支点18可选地可供使用。此外，辅助气体可以直接在输入燃烧器空气后在分支点26上分支，并且通过延长部分24导入到用于辅助气体6的输送装置内。预热的辅助气体19与剩余气体20混合，并且引入到烟气隧道4内。在此处按本发明导致氮氧化物降低。由烟气隧道4导出的烟气聚集在汇集器7内，并且通过烟气通道8导引到烟囱9内。
在图3中环境空气同样被抽吸，并且在第一空气预热器11内略微加热。然后它如图2一样由一个输送鼓风机12导引通过第二空气预热器13，在该第二空气预热器内进一步加热空气，然后它们在两个集成在烟气通道8内的热交换器14和15内被加热到对于初级重整器的燃烧器3的运行必需的温度。然而辅助气体21不由此分支，而是来自一个单独的来源。它由一个输送鼓风机22首先引入到预热器23内，并且在它引入到烟气隧道4内之前在那里被预热。
不言而喻的是，辅助气体可以在烟气隧道内的另外的热交换装置内被预热。此外不仅可以可选地而且可以结合地使用在图2和图3中示出的方法方案和装置方案。下面借助于实施例详细解释本发明。
图4和5涉及一种实施方式，其中，初级重整器具有空气输送装置5，所述输送装置分别具有延长部分24，所述延长部分在燃烧室1的辅助气体6的入口处通入到烟气隧道4内。由此产生对于调节引入到烟气隧道4内的空气流量必需的装置25。通过调节的可能性确保，在一定运行状态例如在这样的初级重整器部分负荷运行时，互相独立地调节各燃烧器上的λ值和烟气量，并且从而不仅可以使在燃烧室内产生的氮氧化物减小到最低程度，而且可以优化设在重整器下游的热交换器上的传热。这相对于迄今的现有技术是显著优点，在现有技术种在一定运行状态例如在部分负荷运行时传递到其它介质上的热量导致提高的氮氧化物排放。也就是说包含在输送装置5内的、在将各个燃烧器上的λ值调节到优化后仍然存在于输送装置5内的空气被进一步引入到烟气隧道4内，由此在优化的传热的同时实现在烟气中产生的氮氧化物的降低。
在用于产生合成气体的设备中按现有技术在改变用于重整的辅助气体时通过λ值由1.1到1.25的空气过量的提高，烟气量提高。这在燃烧器测试结果后导致氮氧化物排放提高30％，从24ppm提高到34mm。在此涉及干燥的烟气，该烟气具有3％的氧气含量。此时当通过输送装置5只有88％的燃烧用空气导引到燃烧器3内，并且事先分支出来的12％在端面导引到烟气隧道4内时，则燃烧器3上的λ值又调节到1.1，并且氮氧化物又降低到24ppm，虽然输送到设置在下游的热交换器内的烟气量根据整个设备的运行需求被提高。在此也使用在全部空气与用于辅助气体的空气之间的差量测量，以便比例随时是已知的，并且可以对设备做希望的调节。
由本发明给出的优点在于：
●工艺和设备可以容易地集成和补充装备到已有工业设备中。
●保证优化地利用在部分负荷时包含在烟气中的热能。
●使用本身已经建立的工艺。
●降低氮氧化物的产生，并且从而提高环保性。
●昂贵地处理含有氮氧化物的废气流不再是必需的，这整体上使设备更经济。
附图标记列表
1燃烧室
2裂解管
3燃烧器
4烟气隧道
5空气的输送装置
6辅助气体
7汇集器
8烟气通道
9烟囱
10环境空气
11第一空气预热器
12输送鼓风机
13第二空气预热器
14热交换器
15热交换器
16分支点
17分支点
18分支点
19预热的辅助气体
20剩余气体
21辅助气体
22输送鼓风机
23预热器
24空气输送装置的延长部分
25用于调节空气流的装置
26分支点

Claims (12)

1.用于利用水蒸气在提高的压力下催化初级重整碳氢化合物的反应器，其具有裂解管系统和燃烧室；
裂解管系统作为反应室具有许多竖直的管子和用于将需要重整的碳氢化合物和水蒸气输送到反应室内的装置以及用于从反应室内导出重整的合成气体的装置，所述管子成列设置并且适用于填充催化剂；
此外在燃烧室的上部区域内具有许多互相平行设置的燃烧装置，所述燃烧装置分别设置在裂解管之间，并且所述燃烧装置由许多成列设置的燃烧器构成，燃烧器能产生基本上向下定向的火焰，所述火焰适用于加热上述管子；
各燃烧装置通过输送装置被供给燃气和空气，空气从相应输送器排出；
在燃烧室的下部区域内有许多基本上水平设置的、互相平行的且与竖直的裂解管垂直延伸的、由陶瓷材料制成的烟气隧道，用于通过在烟气隧道的侧壁内的开口排出烟气，所述烟气隧道分别配设于一列燃烧装置，并且烟气隧道在燃烧室的出口处通入到为了回收热而设有热交换器的装置内；
其特征在于：
在每个单独的烟气隧道的端面沿着排出的烟气的流动方向具有用于辅助气体的输送装置，该辅助气体不仅包含氧气而且包含不可燃烧的气体，以便引入到烟气隧道内的辅助气体在燃烧室的整个长度上流过烟气隧道；并且
每个单独的用于辅助气体的输送装置具有用于调节辅助气体流的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：设有从作为燃烧用空气的空气的空气预热路径到用于辅助气体的输入位置的空气分支。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：在从作为燃烧用空气的空气的空气预热路径的分支之后设有用于辅助气体的增压装置。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：用于燃烧器空气的输送装置分别具有连接管，所述连接管通入到用于预热的辅助气体的输送装置内。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：用于空气的输送装置的连接管设置在燃烧装置的后壁上。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于：用于空气的输送装置的连接管具有活门或阀门。
7.根据权利要求4至6之一所述的设备，其特征在于：用于空气的输送装置的连接管以缝隙或旋流器或虹吸管的形式做成，所述连接管在燃烧室的入口处通入到烟气隧道内。
8.用于借助于按权利要求1所述的反应器利用水蒸气在提高的压力下催化初级重整碳氢化合物的方法，该反应器具有裂解管系统和燃烧室；
在填充催化剂材料的裂解管系统内将需要重整的碳氢化合物利用水蒸气转化成合成气体；
借助于许多燃烧装置加热裂解管系统，这些燃烧装置分别设置在裂解管之间并且由许多成列设置的燃烧器构成，燃烧器能产生基本上向下定向的火焰；
各燃烧装置被供给燃气和空气，空气从输送气内排出；并且
产生的烟气从上向下流过燃烧室，并且在燃烧室的下部区域内通过在烟气隧道的侧壁内的开口进入到基本上水平设置的、互相平行的、与竖直的裂解管垂直延伸的且分别配属于燃烧装置的、由陶瓷材料制成的烟气隧道内；并且
烟气在燃烧室的出口处引入到用于回收热的装置内；
其特征在于：
预热的辅助气体通过输送装置沿着排出的烟气的流动方向在端面引入到每个单独的烟气隧道内，以便引入到烟气隧道内的辅助气体在燃烧室的整个长度上流过烟气隧道，该辅助气体不仅包含氧气而且包含不可燃烧的气体；并且
相应调节相应输送的辅助气体量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：空气用作为辅助气体。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：燃烧器空气分支出来作为辅助气体。
11.根据权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于：引入到烟气隧道内的辅助气体量通过活门或阀门调节。
12.根据权利要求8至11之一所述的方法，其特征在于：实施在全部空气与用于烟气隧道的辅助气体的空气之间的差量测量。
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