CN108025275A - 一种用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，包括：具有下部和上部的容器；位于所述容器的所述下部中的多个空气注入扩散器；位于燃料气体分配器上的多个燃料气体注入扩散器，所述燃料气体注入扩散器安置在所述容器中并且与多个空气注入扩散器间隔开并且位于所述多个空气注入扩散器上方，其中以一方式放置所述燃料气体扩散器以使通过所述容器中的所述燃料气体扩散器注入的燃料气体的均匀质量分布最大化，其中每个燃料分配器包括具有多个燃料气体注入扩散器的管，一个或多个可选格栅组件，所述一个或多个可选格栅组件安置在所述容器中、与所述多个空气注入扩散器间隔开并且在所述多个空气注入扩散器上方且与所述燃料气体分配器间隔开并且低于所述燃料气体分配器以使均匀空气质量分布最大化；以及提供一个或多个格栅组件，所述格栅组件安置在所述容器中，在所述燃料气体分配器上方。

Description

一种用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统
技术领域
本发明涉及用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统。
背景技术
至少部分地由于焦炭在催化剂表面上沉积而处理具有降低的催化活性的催化剂的常规催化剂再活化或再生过程涉及大体上通过在高温(例如，对于乙醇脱水催化剂至少450摄氏度(℃)且对于流体催化剂裂化(fluid catalyst cracking；FCC)催化剂至少650℃)下使此类催化剂与空气或另一含氧气体接触而除去所述焦炭。所述常规催化剂再活化过程并不提供足够的热以驱动吸热脱氢反应。因此，补充燃料必须添加到一些过程。在氧化铝或氧化铝二氧化硅载体上使用镓-铂催化剂，即在乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、丁烯和乙苯的催化脱氢中使用的催化剂，补充燃料进一步使催化剂在催化脱氢过程中失活。那些练习烷烃脱氢，特别是丙烷脱氢(PDH)的人理解，如果没有提供足够的热来驱动吸热反应，那么烯烃生产减少到工艺经济学决定添加额外的热源以驱动反应的点。
在再生过程期间，脱氢活性由于外部燃料源的燃烧而受损。燃料源的分配对于实现外部燃料源在催化剂上的最大燃烧是关键的，并且使由于燃料分配不均匀而造成的催化剂的任何潜在的失活最小化。
其中一个制约因素是分配器管道本身不能阻挡高百分比的燃烧器开放区域，或者燃烧器将在这个高度溢出，或者催化剂将不能回混并形成密集的床。例如，在目前可用的一个设计中，分配器管道堵塞了开放区域的约26％。在燃烧器中的这个级别的基本表观速度是3.5到4英尺/秒。在阻塞的情况下，实际速度将是4.7到5.4英尺/秒，低于最大值8.0英尺/秒，在此情况下催化剂将不能向下流动。
通常在环境温度下注入燃料，使其在穿过在680到800℃，且优选700到770℃下运行的床内的分配器管道时加热。随着燃料加热，当其穿过给定的管道分配器时，气体密度降低，这导致分布不均。管道的第一部分将释放比允许气体处于容器中的最长的管道部分更多的燃料质量。因此，出现分布不均。分布不均可能导致燃烧器的各部分比局部空气具有更多化学计量的燃料，这意味着燃料在燃烧之前将不得不与额外的空气和/或催化剂混合。催化剂在高温下的这种燃料接触导致不希望的催化剂失活。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，包括具有下部和上部的容器；位于容器下部中的多个空气注入扩散器；待启动的可选燃油分配器；多个位于燃料气体分配器上的燃料气体注入扩散器，所述燃料气体注入扩散器安置在所述容器中并且与多个空气注入扩散器间隔开并且位于所述多个空气注入扩散器上方，其中以一方式放置所述燃料气体扩散器以最大化通过容器中的燃料气体扩散器注入的燃料气体的均匀质量分布；一个或多个可选格栅组件，所述一个或多个可选格栅组件安置在容器中、与所述多个空气注入扩散器间隔开并且在所述多个空气注入扩散器上方且与所述燃料气体分配器间隔开并在所述燃料气体分配器下方以最大化均匀空气质量分布；以及一个或多个格栅组件，其在燃料气体分配器上方间隔安置在容器中。
附图说明
为了说明本发明，在附图中展示了一个示例性的形式；然而，应该理解的是，本发明不限于所示的精确布置和手段。
图1是根据本公开的用于催化剂再活化的容器的剖面正视图；
图2是燃料气体分配器的第一实施例的俯视图的俯视图；
图3是增强管的第一实施例的横截面图；
图4是燃料气体分配器的第二实施例的俯视图；
图5是说明燃料气体分配器和空气气体分配器的容器的底部的横截面正视图；以及
图6是管和燃料气体注入分配器的第二实施例的横截面示意图。
具体实施方式
参考图1，展示了用作催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统的容器1的实施例的剖面正视图。容器1包含大致呈圆柱形的下部2和上平截头体部分3。平截头体3与在平截头体3与下部2的交叉处画出的内部水平假想线之间的角度可以在10到80度的范围内。本文包含并公开了从10度到80度的所有单个值和子范围；例如，管状组件和平截头体组件之间的角度范围可以从10度、40度或60度的下限到30度、50度、70度或80度的上限。举例来说，所述角度可为10到80度，或在替代方案中为30到60度，或在替代方案中为10到50度，或在替代方案中为40到80度。此外，在替代实施例中，角度可以连续地或不连续地沿着平截头体的高度改变。在一些实施例中，容器1可以或可以不衬有耐火材料。
废弃或部分失活的催化剂通过降液管4进入容器1。在替代配置中，废弃或部分失活的催化剂可以从侧面入口或从底部供给进入容器1，向上通过空气分配器。使用的催化剂撞击并由防溅罩5分配。容器1还包含空气分配器6，空气分配器6位于防溅罩5的高度处或稍低于防溅罩5的高度。在空气分配器6上方和降液管4的出口7之上是格栅8。在格栅8上方是多个燃料气体分配器9。一个或多个额外的格栅10可位于燃料气体分配器9上方的容器内。
在第一实施例中，燃料气体分配器9进入容器1并基本上穿过容器1的翼弦。如图2和图3中所示，每个燃料气体分配器9包括具有燃料入口端11和末端12的管30。现在参考图3，可以看出，每个管30可以进一步包含沿着管30的至少一部分长度延行的至少一个增强元件20。增强元件20可以是增加管30强度的任何形状或材料，包含例如方棒(如图3所示)和圆棒。每个燃料气体分配器9还包括多个燃料气体注入扩散器13。燃料气体注入扩散器13允许燃料气体以可接受的速度(通常每秒50到300英尺)离开管30并进入容器1的内部空间。在每个燃料气体注入扩散器13的开始处的小孔14产生压降并确保燃料气体更均匀地分布到床中。如图2中所示，相邻燃料气体分配器9的燃料入口端11在容器1的相对侧上。这种交替的燃料入口端11提供了一种方式，以使由于加热现象而导致通过容器1中的燃料气体扩散器9注入的燃料气体的均匀质量分布最大化。或者，如图2中标记为9a和9b的燃料气体分配器所示，通过使用仅跨越从容器的相对侧进入的翼弦的一部分的两组管，可以实现均匀燃料质量分布的最大化。使燃料的均匀质量分布最大化的另一种方法是使用燃料气体注入扩散器13的更多数量的燃料气体注入扩散器13朝向每个管30的末端12的梯度分布。又一种方法是增加燃料气体注入扩散器13和小孔14朝向每个管30的末端12的大小。可以使用其它类型的燃料气体注入配置，例如从一个或多个集管15供给的管道分配器，所述集管允许主燃料气体流从容器1的侧面、顶部或底部进入并且被供给到多个管30，每个管30具有多个燃料气体注入扩散器13，如图4所示。图4中的管10的入口端11连接到集管15，并且末端12位于容器壁附近。燃料气体可以在容器1内的不同高度供给，但优选的实施例是将燃料气体以单一的液位供给。
像甲烷这样的碳氢化合物供给可能开始在这些裂缝中焦化并迫使扩散器远离管道。扩散器可以通过穿过管道的孔口或以避开碳氢化合物可以进入的内部裂缝的任何方式焊接到管道的外部。图6说明了管和燃料气体注入扩散器的另一实施例。如图6中所示，管30和单个燃料气体注入扩散器39都呈横截面形式。如图6中所示，不存在增强元件或耐火材料。燃料气体注入扩散器39包括附接到管30上的护罩41和穿过管30的外壁并与护罩41的内部通道45连通的孔43。护罩41附接到管30，以便不允许管30的内部与燃料气体注入扩散器39之间暴露裂缝。如图6中所示，这种附接是通过焊接47来实现的，所述焊接47在与管30的外表面的交接处围绕护罩41的外表面延伸。
使燃料气体的均匀质量分布最大化的替代方法可以使用替代配置来实现，例如美国专利8,894,940的图2的供给分配器的配置，其公开内容通过引用并入本文。
燃料气体可以是甲烷、天然气、乙烷、丙烷、氢气或燃烧时包括能量值的任何气体。
容器1可进一步包含选自由与空间49连通的含氧气体入口33、补充燃料入口、废弃催化剂入口35、再生器再循环催化剂入口和容器出口37组成的组的一个或多个组件。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于燃料注入的系统，不同之处在于，一个或多个增强管至少部分地覆盖有耐火材料以使从床到气体燃料的热传递最小化。参照图3中所示的实施例，管30具有两个增强元件11。在每个增强元件11之间，管30涂覆在可选的耐火材料16中。类似地，耐火材料16可以位于燃料气体注入扩散器13与增强元件11之间。可以使用任何合适的耐火材料和锚定，包含例如RESCOCAST AA22S，RESCOCAST 7、8和9以及R-MAX MP(所有这些都可以从Resco Products公司商购)(美国，宾夕法尼亚州，匹兹堡)，ACTCHEM 85(可从ARTech公司商购)。通常，对于高温应用，可以使用在本领域中已知的如六角网或管道接头的专用锚定系统中的耐火材料的内衬1/2"到1"的薄层。
燃料气体分配器9下面是格栅组件8。格栅组件8有助于使均匀空气质量分布最大化。格栅组件8和10在某些实施例中可以具有2015年6月30日提交的美国专利申请第14/755,008号和2015年6月26日提交的美国专利申请第14/751,424号中公开的形式，所述美国专利的公开内容以引用的方式并入本文。
降液管4的出口7位于燃料气体分配器9和格栅组件8的下方并且排空到格栅组件8与空气分配器6之间的空间中。
空气分配器6包括多个空气注入扩散器16。在空气注入扩散器16之间，可以使用可选的耐火材料。在特定实施例中，可使用三到七英寸的耐火材料(例如RESCOCAST8)来使空气注入扩散器16的温度最小化。例如，进入空气注入扩散器的空气可以为大约635℃，格栅8的温度为大约750℃。在这种情况下，空气注入扩散器将为约640℃。
空气注入扩散器16可以位于平坦的格栅板和裙部上、在盘形格栅板和裙部上或在管栅分配器上。空气分配器6在某些实施例中可以在分配器的底部具有较薄的金属边缘。
图5展示了用于支撑空气注入扩散器16的格栅板和裙部选项。如图5中所示，裙部17从空气分配器6向下延伸。在特定实施例中，从空气分配器6向下延伸的裙部17的长度范围可以从3英尺到7英尺。在具体实施例中，裙部17在从空气分配器6延伸到6到18英寸长度的长度内可以具有0.75到3英寸的厚度，裙部厚度(未展示)进一步沿着裙部的长度向下变窄为0.25到0.625英寸。裙部厚度的这种逐渐减小在靠近空气分配器6处提供了较大的裙部强度，以抵抗热和压力应力，并且在裙部的下部处具有更大的裙部柔性。
在替代实施例中，空气分配器6可以具有上文结合燃料气体分配器论述的配置。也就是说，空气分配器可以包括进入容器1的侧面的多个管或者可以通过集管供给。
离开降液管4的出口7的废弃催化剂撞击并由防溅板5分配。在一些实施例中，防溅板5可以至少部分地由耐火材料覆盖，例如0.5英寸到1英寸厚的六角网状耐火材料。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，不同之处在于每个增强管包括密度为每平方米横截面积5到100个扩散器的两排燃料气体扩散器，其中所述排间隔开并且彼此成大约90度向下成45度角。本文包含并公开了每平方米5到100个扩散器的所有单个值和子范围；例如，燃料气体扩散器的密度范围可以从每平方米5、10或15个扩散器的下限到每平方米100、90或80个扩散器的上限。例如，燃料气体扩散器的密度可以在每平方米5到100个扩散器或在替代方案中每平方米10到80个扩散器或在替代方案中每平方米15到70个扩散器的范围内。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，不同之处在于，空气分配器是具有每平方米5到100个空气扩散器的空气扩散器密度的管道分配器、盘形板或平板格栅分配器。本文包含并公开了每平方米5到100个空气扩散器的所有单个值和子范围；例如，空气扩散器的密度可以从每平方米5、10或15个扩散器的下限到每平方米100、90或80个空气扩散器的上限。例如，空气扩散器密度可以在每平方米5到100个空气扩散器或每平方米10到90个扩散器或每平方米20到80个扩散器的可选范围内。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，不同之处在于空气分配器提供足够的空气以提供大于110％的化学计量所需量的氧气用于燃料气体燃烧。本文中包含并公开大于110％的所有单个值和子范围。例如，空气分配器可以提供足够的空气以提供大于用于燃料气体燃烧的化学计量所需量的氧气的125％，或者替代地，提供大于135％，或者替代地，提供大于150％，或者替代地，提供大于165％。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，不同之处在于空气分配器提供足够的空气以提供用于燃料气体和焦炭燃烧的大于105％的化学计量所需量的氧气。本文中包含并公开大于105％的所有单个值和子范围。例如，空气分配器可以提供足够的空气以提供大于用于燃料气体和焦炭燃烧的化学计量所需量的氧气的125％，或者替代地，提供大于135％，或者替代地大于150％，或者替代地大于165％。
本公开进一步提供根据本文公开的任何实施例的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，不同之处在于格栅组件部分包括用于阻挡开放区域的构件，所述开放区域具有30％到98％的开放面积，通过开口的气体速度小于8英尺每秒。本文中包含并且公开30到98％的所有单个值和子范围；例如，开放面积可介于30、40、50、60、70或80％的下限到50、60、70、80、90或98％的上限范围内。例如，开放面积的范围可以是30到98％，或者替代地30到75％，或者替代地75到98％，或者替代地65到95％。这种构件包含例如包装，V形线条和地下通道格栅以及2015年6月30日提交的美国专利申请号14/755,008和2015年6月26日提交的美国专利申请号14/751,424中公开的任何构件，所述美国专利的公开内容通过引用并入本文。
在脱氢过程的流化燃料气体燃烧室系统中，将部分失活或使用的催化剂加热到至少660℃但不大于850℃，优选700到770℃，且更优选720℃到750℃的温度。同样，对于脱氢反应器，优选的是用作再生区域的一部分且其中补充燃料和焦炭将被燃烧(即用含氧气体氧化)以形成H2O和CO2的燃烧器包括作为快速流化床，湍流床或鼓泡床操作的下部和作为提升管操作的上部。这使得燃烧器能够在平均催化剂和气流同时向上移动的情况下运行。在这种配置中，内部结构对于分解气泡并促进燃料、空气和催化剂的混合是至关重要的。设计使平均催化剂能够向下流动且平均气流向上的另一个可能的配置包括快速流化床，湍流床或鼓泡床。不管配置如何，再生器燃烧的热量来自沉积焦炭的燃烧，即焦炭本身由于氧化反应而供热；以及用于不能产生足够焦炭以驱动反应器中的反应的过程的补充燃料的燃烧的组合。如本文所使用的术语，“补充”是指焦炭本身以外的燃料。
流化燃料气体燃烧器系统中的WHSV可以方便地介于在燃烧器中每磅催化剂每小时约0.1到约100磅空气+燃料供给每小时(h)(lb供给/h/lb催化剂)范围内。例如，在燃烧器包括作为快速流化或湍流反应器操作的下部和作为提升管反应器操作的上部的情况下，表观气体速度在燃烧器的下部中可以在约1英尺/秒(ft/s，约0.3米/秒)到约80英尺/秒(约24.38米/秒)，优选约2英尺/秒(约0.61米/秒)到10英尺/秒(约3.05米/秒)，以及在燃烧器上部中为20英尺/秒(约6.09米/秒)到约70英尺/秒(约21.31米/秒)。在替代但较不优选的实施例中，完全为提升管类型的燃烧器配置可以以单一高表观气体速度操作，例如在一些实施例中始终以至少30ft/s(约9.15m/s)操作。
应注意的是，在例如上文所述的两部分式燃烧器的实施例中，催化剂通量在燃烧器的下部中优选为从约1磅每平方英尺-秒(lb/ft2-s)(4.89kg/m2-s)到约20lb/ft2-s(97.7kg/m2-s)，且在燃烧器的上部中为10lb/ft2-s(48.9kg/m2-s)到约200lb/ft2-s(489kg/m2-s)。在下降管燃烧器中，可使用高于约200lb/ft2-s的催化剂通量，但通常不是优选的。本领域技术人员将能够基于WHSV和催化剂供给与空气/补充燃料供给的比而适当地调整催化剂通量。
流化燃料气体燃烧器系统的压力范围为15到70psia。本文包含并公开了15到70psia的所有单个值和子范围。例如，流化燃料气体燃烧器系统中的压力范围可以从15到70psia，或者替代地从15到45psia，或者替代地从25到40psia，或者替代地从35到70psia。
本发明可以不脱离本发明的精神和基本特质的其它形式实施，并且相应地，应该参考所附权利要求书而非前文说明书以作为本发明范围的指示。

Claims (18)

1.一种用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，包括：
具有下部和上部的容器；
位于所述容器的所述下部中的多个空气注入扩散器；
待启动的可选燃油分配器；
位于燃料气体分配器上的多个燃料气体注入扩散器，所述燃料气体注入扩散器安置在所述容器中并且与多个空气注入扩散器间隔开并且位于所述多个空气注入扩散器上方，其中以一方式放置所述燃料气体扩散器以使通过所述容器中的所述燃料气体扩散器注入的燃料气体的均匀质量分布最大化；
一个或多个可选格栅组件，所述一个或多个可选格栅组件安置在所述容器中、与所述多个空气注入扩散器间隔开并且在所述多个空气注入扩散器上方、且与所述燃料气体分配器间隔开并在所述燃料气体分配器下方以使均匀空气质量分布最大化；以及
安置在所述容器内的一个或多个格栅组件，所述格栅组件在所述燃料气体分配器上方。
2.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中每个燃料分配器包括具有多个燃料气体注入扩散器、燃料入口端和末端的管。
3.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中每个管包括管和基本上附接到所述管的长度的至少一个元件。
4.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中每个管跨越所述容器的翼弦，并且相邻的增强管的所述入口端位于所述容器的相对侧上。
5.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中每个管横跨所述容器的翼弦的大约一半。
6.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述管中的一个或多个至少部分地由耐火材料覆盖。
7.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中每个管包括密度为每平方米5到100个点的两排燃料喷嘴，其中所述排彼此间隔开并且彼此成大约90度向下成45度角。
8.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述空气分配器是具有每平方米5到100个点的扩散器密度的管道分配器或盘形或板栅分配器。
9.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述空气分配器供应足够的空气以提供用于燃料气体燃烧的化学计量所需量的氧气的大于110％。
10.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述格栅组件部分包括地下通道格栅、V形线条或用于阻挡开放区域的其它构件，所述开放区域具有30％到98％的开放面积，通过开口的气体速度小于8英尺每秒。
11.根据权利要求1所述的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃油分配器是雾化分配器。
12.根据权利要求1所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃烧器在大于或等于660℃的温度下运行。
13.根据权利要求1所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃烧器包括快速流化、湍流或鼓泡，并且以平均催化剂流向上运行。
14.根据权利要求1所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃烧器以所述燃烧器中每磅催化剂(lb)每小时(h)约0.1到约100磅空气+燃料供给的WHSV(lb供给/h/lb催化剂)运行。
15.根据权利要求1所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃烧器包括作为快速流化或湍流反应器操作的下部和作为提升管反应器操作的上部。
16.根据权利要求15所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述表观气体速度在所述燃烧器的所述上部中为2英尺/秒(0.61米/秒)到10英尺/秒(3.05米/秒)，且在所述燃烧器的所述下部中为20英尺/秒(6.09米/秒)到70英尺/秒(21.31米/秒)。
17.根据权利要求15所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述催化剂通量在所述燃烧器的所述下部中为1磅/平方英尺-秒(磅/平方英尺-秒)(4.89千克/平方米-秒)到20磅/平方英尺-秒(97.7kg/m2-s)，且在所述燃烧器的所述上部中为10lb/ft2-s(48.9kg/m2-s)到200lb/ft2-s(489kg/m2-s)。
18.根据权利要求1所述的用于催化脱氢过程的流化燃料气体燃烧器系统，其中所述燃烧器中的压力为15到70psia。
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