CN114599917A - 用于通过调节功率分布来改善蒸汽甲烷重整器中温度均匀化的方法 - Google Patents

用于通过调节功率分布来改善蒸汽甲烷重整器中温度均匀化的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善炉中吸热过程的方法，该炉包含在炉内竖直成排定位的重整管，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于成排管的侧壁之间，其中该方法通过对一部分燃烧器进行节流来改善管的温度均匀化，该方法包括步骤a)可选地通过测量在标准和节流状态下受燃烧器节流影响的至少一个管的一个或多个实际管温度来校准步骤c3)的简化的物理模型，步骤b)获取关于该炉中存在的管的实际管温度的信息，该炉中存在的所有燃烧器在标准非节流条件下，步骤c)获得要节流的燃烧器图，包括c1)选择至少一个代表该炉的性能的参数以及改善的目标，c2)选择燃烧器节流的至少一个或多个功率比，c3)利用步骤b)的信息和对燃烧器进行节流对管温度影响的简化的物理模型，c4)获得要节流的燃烧器图，步骤d)对燃烧器进行节流。

Description

用于通过调节功率分布来改善蒸汽甲烷重整器中温度均匀化 的方法
本发明涉及一种改善炉中发生的吸热过程的方法，该炉包含填充有用于气态进料的化学转化的催化剂并在炉内竖直成排定位的管，燃烧器被成排地安装，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于成排管的侧壁之间，其中热量从燃烧器传递到管并且与流速相关联，其中该方法通过对一部分燃烧器进行节流来改善管的温度均匀化。
该方法允许在安全性以及消除瓶颈方面改善重整炉的操作，并且特别适用于用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其他吸热反应(如外烧式反应器中的烃原料裂化)的顶烧式炉或底烧式炉。
SMR工艺主要基于轻烃(比如甲烷)的重整反应，该重整反应在蒸汽存在下生成氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合物。该反应吸热且缓慢，并且该反应发生需要附加的热量输入以及催化剂。通常，SMR反应器的性能受到热传递而不是受到反应的动力学的限制。
在工业实践中，SMR反应器通常包括放置在炉中的管状重整器(又称为管)，所述管填充有催化剂(通常呈粒料形式)，并供给有甲烷和蒸汽的工艺气体混合物。
几种良好验证的配置可用于炉设计：顶烧式(又称为下烧式)、底烧式(又称为上烧式)、侧烧式和阶梯式壁。
顶烧式技术是提及最多的设计之一，并且由几家技术提供商提出。
为简单起见，下面的大部分说明都是关于顶烧式炉进行的，然而大多数附图和说明也适用于底烧式炉。关于蒸汽甲烷重整工艺进行了说明，但也适用于其他吸热反应，如外烧式重整器中的烃原料裂化。
顶烧式炉典型地由耐火材料衬里的炉膛制成，该炉膛包含几排含催化剂的管。对于每排管，合成气从每个管被收集到炉膛外的一个共用管道中，该管道被称为合成气收集器。从所有排收集的合成气加入交叉集管，然后被传递到工艺气体冷却器。
发生吸热反应所需的热量由成排地放置在管之间的顶板燃烧器提供，并且还由在炉侧处、沿着平行于管排的炉侧壁的成排附加顶板燃烧器提供。从燃烧器出来的燃烧产物通常被竖直向下吹，使得管排的上部面对火焰。烟气排放收集器通常设置在炉底板水平处。外排燃烧器、即沿侧壁仅加热一侧的一排管和另一侧的耐火材料侧壁。位于炉膛中间的内排燃烧器中的每排燃烧器在燃烧器排的两侧上加热两排管。因此，外燃烧器与内燃烧器相比需要提供较少功率。
底烧式技术在现代设备中不太常见。根据底烧式技术，燃烧器也被成排布置，但它们被安装在管排之间的燃烧区域的地板上并竖直向上燃烧。
炉(又称为炉膛)设计的主要目标是使从燃烧器到管(从燃烧器火焰以及从壁和热烟气)传递的热量最大化，同时符合管最大操作温度限制。管最大操作温度或MOT(又称为最大操作限制)随几个因素的变化而变化，特别是随着管机械负载(主要是进料气体压力)、用于管的合金的机械性能以及管的暴露于蠕变和热老化的期望寿命的变化而变化。
传递到管的热量的任何增强通过增大生产率或通过改善炉膛的紧凑性(这在资本性支出方面有价值)而具有直接积极影响。然而，热传递的增强通常意味着管表面温度(TST)水平更高，这会降低管寿命或需要更多贵得多的耐受性合金。
炉中热负荷分布缺乏均匀性将会导致一些管比另一个管更热，这就是为什么管的温度曲线是炉设计和操作过程中的关键因素。在寻找性能与耐用性之间的良好折衷(良好的折衷实际上是必不可少的)时，管表面温度TST曲线(又称为管壁温度TWT或简称管温度)提供了决定性信息。
因此，在操作期间，炉的性能受到最热管的温度(即最大管温度或MTT)的限制，该温度不应该比MOT更热。同时，该过程的性能(生产率或转化效率，或两者的组合)取决于平均管热通量和温度。因此，最热管温度与最冷管温度之间的差异越小，炉性能越好。
在常见的设计中，属于一排的管的下端连接到合成气收集器。对于每个合成气收集器，相关联的温度传感器测量收集到的合成气的温度。此温度(称为“合成气收集器温度”)代表所连接管的平均温度。然后通过最热的合成气收集器的温度与最冷的合成气收集器的温度之间的差异(称为“合成气收集器温度差距”)来对性能进行其他估计。
在蒸汽甲烷重整中，为了使重整反应发生，管含有催化剂介质。在顶烧式炉中，进料在管的顶端处被供应到管，所产生的合成气(含有作为主要成分的氢气和一氧化碳以及残余物)在管的底部处排出。炉的燃烧室通常为矩形，燃烧器沿炉长度成排布置，内燃烧器排在管排之间、并且外燃烧器排在外管排与侧壁之间以提供工艺气体转化所需的热量。烟气通过排气通道提取。
炉膛设计限制所固有的结果是重整器管之间的可用热量传递不均匀。下面列出了导致这种不均匀传递的一些原因：
-管和燃烧器在炉膛内成排分布的方式；
-从不同歧管进入燃烧器喷嘴的空气和燃料流分布不均；
-外排燃烧器与内排燃烧器之间射流动量通量不同；
-进料气体分布不平衡；
-用于烟气出口的通道开口的错位；
-烟气导管会聚的几何效应。
现场可能会出现管温度之间的进一步差异：
-在炉膛构建期间，如催化剂填充不均匀或燃烧器安装错误；
-此外，在设备开发期间，如燃烧器故障问题，例如在燃烧器气体尖端或设施上产生焦炭或催化剂老化的操作条件。
炉膛设计固有的所有这些缺陷、或者可能在炉膛构建期间出现或在单元运行时出现的所有这些缺陷，都会导致最热管温度与最冷管温度之间的差异，称为“管温度差距”。
必须降低管温度差距以确保在SMR炉中的效率与管寿命之间取得最佳平衡。
还必须纠正和/或补偿那些未预料到的差异。因此，寻找缓解策略对于改善SMR设备的操作具有重要意义。
当可能无法防止或预见管的行为差异时，一种解决方案是应用一种现场适用的补救方法，该方法减轻重整管之间的温度差异。
一种降低温度差距的解决方案是单独调节燃烧器的功率，以使到重整的热传递均匀；这可以通过单独的燃烧器节流来实现。
由此获得的温度差距的减小将改善设备性能；另一个优点是该解决方案可以在正常操作期间应用，而无需等待维护期。
向燃烧器供给主要燃料流和次要燃料流以及氧化剂流。燃烧器功率的变化可以通过作用一个或几个流来获得：
-次要燃料流(通常是尾气)，其通常对燃烧器功率的贡献最大；
-主要燃料流(通常是天然气)，此流在流速变化方面的灵活性较小，因为在主要贡献者的成分波动的情况下，需要最小量来确保燃烧器良好运行；
-氧化剂流；这在理论上也是可能的，但是此流具有最高流速，因此有必要注意具有不同动量通量比的燃烧器之间的相互作用。
燃料流中的至少一种(主要或次要)或氧化剂流的流速降低可以通过对其相关阀门进行节流来实现，也可以通过安装流速限制孔来实现。
通过减小一个或几个流的流速来降低功率的燃烧器被称为“节流燃烧器”。
缓解管温度的差距，因此缓解策略对于改善SMR设备的操作具有重要意义。
在SMR设备中，现在的标准做法是为燃烧器配备阀门，因此燃烧器的节流不需要关闭设备。
通过节流燃烧器来减小管温度的差距本身是已知的，然而，可以大大改善明智地选择合适的燃烧器组的方法。
由于经验试错法，选择一组要节流的燃烧器是已知的。此方法是本领域技术人员对现有设备的做法，然而它耗时且结果可能不令人满意。
EP 2325562中提出了另一种解决方案，该解决方案披露了一种操作炉的方法，其中需要使管的温度符合选定的目标温度标准；该方法提供了一种系统和定量的方法来确定如何调节燃烧器流速以产生所需的管表面温度，例如以使炉中预定高度处的管壁温度之间的温度偏差最小化。根据计算的目标流速调节燃烧器流速，这些目标流速是使用数学函数的估计和温度信息来计算的。该方法需要通过捕获包括像素数据的图像并处理像素数据以获得温度信息来获取关于工艺管的温度的信息。该方法还包括提供对表征燃烧器流速变化与工艺管的温度变化之间的关系的数学函数的估计。该方法的缺点是其复杂性和估计数学函数参数所需的时间，从与获取和处理包括温度信息的图像相关联的迭代TST测量需要这些数学函数参数。因此，该方法需要现场的材料、人力和时间来操作IR相机来评估燃烧器节流与TST之间的关系。
如上所述，找到最佳燃烧器进行节流在实践中可能是棘手且耗时的，尤其是对于具有大量燃烧器和管的大型炉亦如此，这是已知解决方案的真正弱点。
因此，仍然需要一种改善的节流方法，该节流方法允许识别一组合适的要节流的燃烧器并对其进行节流以减轻管温度的差距。更准确地说，由于高效、快速且易于实现的方法，需要一种允许获得一组合适的要节流的燃烧器的方法，因此相对于已知的解决方案带来确定的优势。
本发明旨在提出一种用于在操作中改善和控制存在于炉中的管的表面温度的方法，这是由于高效且快速地确定一组合适的燃烧器(又称为燃烧器图)，该组合适的燃烧器应该有利地降低它们的功率，以便减小炉中的管的温度差距。由于本发明的解决方案，与已知解决方案相比，可以更快地实现一种合适的要节流的燃烧器图以针对至少一个选择的参数达到预期目标。选择参数的目的是为了改善工艺的性能。下面列出了选择的参数和相关目标的示例：
-参数是最大TST，目标是降低最大TST；
-参数是TST差距，目标是降低TST差距；
-参数是合成气收集器温度差距，目标也是降低SCT差距。
因此，该方法限制了现场的劳动力需求和与之相关联的风险。由于本发明，现场人力将只需要执行一组TST测量，并且如果不能从控制室远程执行此任务，则最终手动地节流阀。对于该方法在设备中的首次实现，需要校准步骤，这意味着获取关于至少一个管、优选是在非节流和节流条件下最接近燃烧器的管的实际管温度的信息。该信息可以通过使用现场存在的用于管温度测量的装置、通常借助于热电偶和/或高温计和/或红外相机，但也可以通过任何其他合适的装置来获得。
使用现有技术的解决方案来获得上述的要节流的燃烧器图，该图需要花费太多时间才能获得，因此难以在现场频繁使用这种解决方案以便操作员在日常工作中做出决策。
通过应用本发明的解决方案，避免了这个缺点。由于本发明，可以在几分钟内确定要在一个或多个所选功率比τ下节流的燃烧器图。给定燃烧器的功率比τ代表此燃烧器输送的功率。
在本发明的上下文中，功率比τ是：
Figure BDA0003609897810000051
其中P非节流是燃烧器在正常操作模式(即标称模式)下的功率，并且ΔP是节流引起的功率变化：
或ΔP<0：燃烧器功率因燃烧器节流而减小的情况；
或ΔP>0：非节流燃烧器的燃烧器功率因炉中非节流燃烧器之间的功率重新分配而增大的情况。
给定燃烧器的功率比τ也可以表示为百分比，在这种情况下：
τ％＝100％是指燃烧器和所有燃烧器都处于标准(即标称)状态并且ΔP＝0
τ％＝0％是指燃烧器被关闭；ΔP＝P非节流
τ％>100％是指燃烧器处于标准状态，但具功率重新分配-它考虑到炉中的其他燃烧器被节流。当至少一个燃烧器被节流时，多余的功率因此在非节流燃烧器之间重新分配，以保持所有燃烧器功率的总和不变。
τ％<100％是指燃烧器已被节流以减小此燃烧器输送的功率
本发明的解决方案依赖于：
1)该方法在设备中首次实现所需的校准步骤；。此步骤意味着获取关于节流前后最接近燃烧器的单个管的实际管温度的信息。
2)通过获取关于在非节流条件下存在于炉中的管的实际管温度的信息来获取初始数据，
3)通过应用以下方法来自动获取要节流的燃烧器图：
i)选择代表设备性能的参数和目标-通常是最大TST和降低、和/或TST差距和降低、和/或SCT差距和降低、和/或与相关联目标相关的其他合适参数，
ii)选择要应用于炉中的多个燃烧器的一个或多个功率比，
iii)然后响应于炉中不同燃烧器的节流自动计算TST的变化，以自动获得最佳的要节流的燃烧器图，
4)最后，根据所述要节流的燃烧器图对燃烧器进行单独节流。
发明人已经发现，通过应用一些简化一个或多个燃烧器的节流对其附近存在的管的影响的计算的规则，响应于不同燃烧器的节流，由于快速估计管的TST(上面的第3点iii))，可以快速确定合适的要节流的燃烧器图。
获得要节流的燃烧器图是至关重要的。根据本发明的如下文披露的解决方案允许通过提出燃烧器节流对管表面温度TST影响的简化物理模型来显著加速实现所述图。
为了能够提出一些规则来控制燃烧器的节流对管表面温度变化的影响，发明人首先使用数值模拟建立了燃烧器节流对管表面温度的影响。模拟是使用内部SMR3D求解器进行的，该求解器旨在计算燃烧室与管之间的热传递。更准确地说，针对燃烧室使用3-D计算流体动力学(CFD)，并且使用1-D模型来考虑重整反应的动力学，可以使用已知的合适求解器或内部求解器。在炉膛的代表性域(代表整体的炉膛的一部分)中进行模拟，以定义简化的物理模型。
响应于各种燃烧器节流对管表面温度的分析使得发明人定义了用于构建本发明的简化物理模型的以下行为规则(以下第1点至第3点以及图4至图6)：
第1点.图4展示了对单个燃烧器进行节流对周围管的TST的影响，还示出了对外燃烧器进行节流(图4a)与对内燃烧器进行节流(图4b)的行为不同：
-对于外燃烧器和内燃烧器，对燃烧器进行节流会显著影响最近的两排管，所述排在下文中被称为“受影响的排”，对较远排的管的影响可忽略不计。对于外燃烧器，两个受影响的排在节流燃烧器的同一侧上，而对于内燃烧器，两个受影响的排在节流燃烧器的每一侧上；
-外燃烧器节流对最近的成排管具有较大影响，而对第二受影响的排具有较小影响，而内燃烧器节流将影响分布在每侧上最近的成排管上；
-在每个受影响的排中，节流燃烧器对最近的管具有最大影响，-所述管在下文中被称为“受影响的管”-，其中当从节流燃烧器移开时，该影响迅速减小；受燃烧器节流影响的管数量估计为4×N管/N燃烧器(显然四舍五入为整数)，其中N管是一排中的管数量且N燃烧器是一排中的燃烧器数量。
第2点.如图5a和图5b所示，由于数值模拟，也有利地发现节流燃烧器对受影响的管的TST具有累积影响。图5a示出了两个燃烧器节流的单个模拟的结果，图5b示出了单独节流的两个模拟相加的结果。
第3点.同样，如图6所示，TST变化与节流燃烧器的功率成比例。由于模拟，已经可以确定管表面温度变化(TST)和功率比大致成比例。
这些关于SMR炉中管的TST响应于燃烧器节流的演变的行为规则有助于建立简化的物理模型，以非常即时地预测燃烧器节流对管表面温度的影响。
然后，为了完成本发明，该模型与优化算法相结合，以自动获得要节流的燃烧器图。可以使用内部优化算法或本领域已知的优化算法，比如黑盒优化算法。
基于上述内容，建立了一种方法，旨在根据(多个)参数和选择的目标，例如通过降低最大管温度或通过减轻管或收集器温度差距，改善传递到管的热量分布。
因此，本发明的目的是提出一种改善炉中发生的吸热过程的方法，该炉包含填充有用于气态进料的化学转化的催化剂并在炉内竖直成排定位的管，燃烧器被成排地安装，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于成排管的侧壁之间，其中热量从燃烧器传递到管并且与流速相关联，其中该方法通过对燃烧器的一部分进行节流来改善管的温度均匀化，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤a)可选地获取关于在标准和节流状态下最接近燃烧器的至少一个管的实际管温度的信息，
步骤b)获取关于该炉中存在的管的实际管温度的信息，该炉中存在的所有燃烧器在标准非节流条件下，
步骤c)获得要节流的燃烧器图，包括：
c1)选择至少一个代表该炉的性能的参数以及改善的目标，
c2)选择燃烧器节流的至少一个或多个功率比，
c3)利用步骤b)的信息和对燃烧器进行节流对炉中管的管表面温度影响的简化的物理模型，以单独了解燃烧器节流对步骤c1)所选目标的影响)，并单独识别要节流的燃烧器，
c4)获得炉的燃烧器图，其中单独识别要节流的燃烧器，
步骤d)根据在步骤c4)中获得的图对燃烧器进行节流。
本发明的方法可以单独或组合呈现以下变体中的一种或多种：
根据优选的变体，所述燃烧器节流对管表面温度影响的简化的物理模型基于以下行为规则1)至3)：
1)对燃烧器进行节流显著影响最近的两排管，对于外燃烧器，所述最近的两排管在同一侧上，并且对于内燃烧器，所述最近的两排管在燃烧器的每一侧上；对外燃烧器进行节流对最近的一排管比对第二排具有更大影响，而内燃烧器的节流将该影响分布在两侧上最近的成排管上；在任何受影响的排中，燃烧器的节流对最近的管具有最大影响，当从节流燃烧器移开时，对管的影响迅速减小，受燃烧器节流影响的管数量估计为4×N管/N燃烧器，对于受影响的管，管表面温度变化与距节流燃烧器的距离成比例
其中N管＝一排中的管数量并且N燃烧器＝一排中的燃烧器数量；
2)节流燃烧器对管温度累积的影响；
3)管温度变化与功率比τ成比例，其中τ为：
Figure BDA0003609897810000091
其中P非节流是燃烧器在标准操作模式下的功率，并且ΔP是由节流引起的功率变化，当燃烧器功率由于燃烧器节流而降低时ΔP<0且当燃烧器功率由于炉中非节流燃烧器之间的功率重新分配而增加时ΔP>0。
有利地，步骤c1)的一个或多个参数选自以下：管表面最大温度、管表面温度差距、合成气收集器温度差距，改善的目标是降低参数值。
优选地，在步骤c3)中，简化的物理模型与优化算法相结合，该优化算法要么是内部优化算法要么是本领域已知的优化算法，比如黑盒优化算法。
燃烧器的节流可以通过部分地关闭至少一个安装在燃料流或氧化剂流中的至少一者上、优选地安装在燃料流上、以及更优选地安装在次要燃料流上的阀门来获得。
有利地，节流燃烧器的功率比τ％在90％与50％之间，优选地在80％与60％之间。
优选地，关于步骤b)的实际管温度的信息是管表面温度，该管表面温度优选地借助于热电偶或高温计或红外相机获得，或者从优选借助于热电偶获得的合成气收集器温度推导出。
该方法可以包括步骤a)的校准，其中针对受节流燃烧器影响的一个或多个管、至少针对在非节流和节流条件下在所述燃烧器前方的管执行实际管温度测量，该燃烧器优选是外燃烧器。
本发明的方法允许通过调节功率分布使管的温度均匀化来消除用于从由蒸汽气体重整获得的合成气生产氢气(或另一种气体或气体混合物)的工艺/设施的瓶颈。
将最大TST降低到MOT以下，可以增加单元的负载，直到最大管温度达到MOT。
本发明的另一个目的是提出一种炉，该炉包含填充有用于气态进料的化学转化的催化剂并在炉内竖直成排定位的管，燃烧器被成排地安装，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于成排管的侧壁之间，其中热量从燃烧器传递到管并且与流速相关联，其特征在于，燃烧器中的一部分是根据通过上述任何方法获得的图来单独节流的。
本发明及其优点将在附图的基础上并在以下示例中进行更详细的描述。
在附图中：
图1示出了管和燃烧器的典型布置，使用了用于合成气合成的顶烧式炉的3D表示；
图2示出了顶烧式炉的俯视图，突出显示了管和燃烧器布放、以及还突出显示了代表性域；
图3a示出了在标准操作模式下进入燃烧器的主流；
图3b示出了在操作模式下进入图3a的燃烧器的主流，燃烧器通过部分地关闭主要燃料阀和次要燃料阀而节流；
图4a示出了对外燃烧器进行节流(功率比τ为50％)对代表性域中管的TST的影响；
图4b示出了对内燃烧器进行节流(功率比τ为50％)对同一代表性域中管的TST的影响；
图5a示出了同时对外燃烧器和内燃烧器进行节流对TST(功率比τ为50％)的影响，这是两个燃烧器节流时的一个模拟的结果；
图5b示出了同时对外燃烧器和内燃烧器进行节流对TST(功率比τ为50％)的影响，这是一个燃烧器的两个单独模拟相加的结果；
图6a示出了针对功率比τ为0％(阀门关闭)对外燃烧器进行节流对TST的影响；
图6b示出了针对功率比τ为75％(阀门打开3/4)对外燃烧器进行节流对管表面温度的影响；
图6c示出了TST变化与功率比τ之间的关系；
图7a示出了通过本发明的方法为图1的炉获得的要节流的燃烧器图的第一示例，所选择的两个功率比τ％＝60％且τ％＝80％，并且目标参数是TST最大值和TST差距；
图7b示出了实验TST曲线：针对燃烧器的标准操作模式(即所有燃烧器都处于标准非节流状态)和针对根据图8a的图的优化的燃烧器节流；
图8a示出了通过本发明的方法为同一炉获得的要节流的燃烧器图的第二示例，应用了所选择的单一功率比τ％＝60％，针对参数TST最大值和合成气收集器温度差距的目标是降低它们。
图8b示出了针对燃烧器的标准操作模式和针对根据图9a所示图的优化的燃烧器节流的实验TST曲线；
图9示出了针对标准配置的合成气收集器温度差距的演变以及根据图8a的第一示例和图9a的第二示例现场实现的节流图。
以下对附图和示例的详细描述将有助于理解本发明。
图1是炉的3D立体图；更准确地说，该图示出了用于生产合成气的顶烧式炉1的典型布置。包含重整催化剂的管2在炉1内成排布置。进料气体、甲烷和蒸汽的气态混合物被供应到炉膛顶部上的管状重整器2的入口，并在其流过催化床时朝向管2的底部时，工艺气体被转化并作为合成气体排出：主要是氢气和一氧化碳的混合物(又称为合成气)。燃烧器3放置在成排管之间，因此每排管由两排燃烧器排列；成排管和成排燃烧器的方向也是X轴方向。由燃料和空气的混合物在燃烧器3中燃烧产生的烟气通过安装在炉底部处的平行于排的排气通道4排出。垂直于排的方向被标识为Y轴。
图2呈现了顶烧式炉1的俯视图，该炉包含8排5管(每排50个管2)和9排6a、6b燃烧器，每排分别包含15个燃烧器3a和燃烧器3b、平行于成排管。燃烧器被布放成2个外排6a和7个内排6b；每排6a燃烧器3a(称为外燃烧器)在两个侧壁7中的一个与一排管之间延伸，并且每个内排6b燃烧器3b(称为内燃烧器)在每一侧上被一排管包围。这种组织使得加热一排管的外燃烧器3a以比加热两排管的内燃烧器更低的功率标准运行。该图以灰色突出显示代表性域8(在本发明的含义内)，该代表性域包含4个部分成排管(每排17个管)的子集，由3个部分成排内燃烧器和1个部分成排半内燃烧器(这些燃烧器沿对称平面S在中间切开，该对称平面平行于X轴并平行于代表侧壁的平面W)加热。沿Y轴方向，域8也由垂直于对称平面S的2个对称平面限制。此域8用于说明本发明、用于模拟以及还用于与模拟相关的图。
图3a呈现了进入燃烧器3的主流，每个流是由配备有阀门的管道来输送的；也就是说：氧化剂流9流经阀门10，天然气(主要燃料)流11流经阀门12，并且尾气(次要燃料)流13流经阀门14。炉在标准模式下操作，阀门完全打开，流的流动不受限制。
如上所述，本发明旨在降低最热管的温度；为了实现此目标，本发明旨在通过降低优选地一种或多种燃料流的流速来降低一些特别选择的燃烧器的功率。因此，传递到受影响的管的热量降低，从而导致它们的温度降低。
图3b呈现了进入根据本发明操作的燃烧器的流9、11、13。在本发明的优选模式中，通过分别对阀14和阀12进行节流来降低从废气流13(在标准条件下是主要燃料贡献者)和天然气流11发出的功率。根据上述行为规则1到3，通过对燃料阀进行节流而提供的燃烧器功率的这种降低将相应地引起附近管的TST的降低。注意，燃烧器功率的降低也可以通过仅对燃油阀之一进行节流来实现。
图4a展示了，对于如图2中定义的代表性域8，对外燃烧器3a进行节流对不同管的TST的影响。TST是通过使用求解器(本身已知)获得的，该求解器计算炉的燃烧室与管之间的热传递。在所呈现的情况下，燃烧器被节流，以获得50％的功率比。
图4b示出了对同一域的内燃烧器3b进行节流对不同管的TST的影响。TST是通过使用相同的求解器获得的。节流内燃烧器的功率也被减小以获得50％的功率比。
在两个图4a和图4b上，对于代表性域中的每个管，TST的变化(ΔTST，在图中也称为ΔT)通过参考在没有节流的情况下(即在标准条件下)测量的温度来呈现；ΔTST从针对不受节流影响的管的“0℃”到针对最受影响的管的“-13℃”变化。ΔTST使用灰度表示，该灰度从白到黑变化，从针对未受影响的管的白色(ΔT＝0℃)到针对最受影响的管的黑色(ΔT＝-13℃)变化。
因此，图4a和图4b展示了上述行为规则1，该行为规则可以概括如下：
-对燃烧器进行节流将会影响最近的两排管；相对于节流燃烧器，对排管的影响可忽略不计；然而，需要注意的是，对于外管，最近的两排在同一侧上，并且对于内管，最近的两排在节流燃烧器的每一侧上；
-与内燃烧器相比，外燃烧器节流对其最近的管排具有更大的影响；
-在每个受影响的排内，节流燃烧器将对最近的管具有最大的影响；从节流燃烧器移开时，对管的影响迅速降低，受燃烧器节流影响的管数量估计为4×N管/N燃烧器(四舍五入为整数)，其中N管是一排管中的管数量并且N燃烧器是一排燃烧器中的燃烧器数量。
图5a示出了同时对两个燃烧器进行节流的影响，更精确地说，示出了单个模拟的结果，该模拟考虑了两个燃烧器被节流的事实：外燃烧器3a和内燃烧器3b。对于两个燃烧器，燃烧器功率降低了50％。
图5b示出了具有相同功率比的相同燃烧器的单独节流的两个计算效应的总和。
图5a和图5b的比较展示了上述行为规则2：被节流的燃烧器对管表面温度具有累积效应。这是指一组节流燃烧器对给定TST的影响只是单个贡献的总和。
图6a和图6b示出了针对外燃烧器3a的不同功率比对最受影响的管的TST的影响。在图6a中，燃烧器(黑色方块)的功率比是0％(燃烧器关闭)。在图6b中，燃烧器(也是黑色方块)的功率比是75％，这是指燃烧器输送其标称功率的75％。
管表面温度的变化(在图中称为ΔT)参考在没有节流的情况下测量的温度来呈现，从针对不受节流影响的管的0℃到最受影响的管的-23℃变化。针对每个管的TST温度的降低使用灰度表示，灰度从白到黑变化，从0℃的ΔT为白色到针对图6a上最受影响的管的-23℃”的ΔT为黑色变化。这些图展示了管表面温度降低与功率比的变化成比例的事实。功率比越接近零，管表面温度TST降低得越多。
图6c使用来自图4a、图6a和图6b的信息示出了TST根据针对最接近节流外燃烧器的管的τ％的变化。黑色方块■代表功率比降低的三种情况(τ％＝0％、τ％＝25％和τ％＝75％)，而空方块□代表燃烧器功率不变的情况(τ％＝100％)，并且“菱形◇”代表所代表的燃烧器没有节流而同时炉中的大量其他燃烧器被节流的情况，从而引起燃料流重新分配到炉中的非节流燃烧器且因此其功率增大，从而使功率比大于1。该图证明了上述行为规则3：管表面温度变化与功率比是成比例的，如由针对最接近节流燃烧器的管的实线所示。
通过使用比例(本发明的规则3)-在燃烧器周围的受影响区域中的有效规则-可以得到受节流影响的任何管的TST的变化，如由针对离节流燃烧器更远的管的虚线所展示。
这是因为发明人已经强调了控制SMR炉中管的TST响应于燃烧器节流的演变(即管表面温度相对于到节流燃烧器的距离的快速减小)的这些规则，功率比对管表面温度的线性影响、对几个燃烧器进行节流的累积效应-他们已经能够开发本发明的方法来确定燃烧器节流的优化图。
当本发明的方法首次在蒸汽重整器中使用时，或者为了适应不同的操作条件或考虑到显著的变化，可以校准简化的物理模型。校准步骤可以包括执行针对对受节流燃烧器影响的一个或多个管、至少针对在非节流条件和节流条件下在所述燃烧器前方的管的实际管温度测量；燃烧器优选地为外燃烧器，可以针对受燃烧器节流影响的最远受影响的管执行附加测量。实际TST变化是通过比较非节流条件和节流条件下的两个值获得的，这将给出图6c中(多条)线的斜率。
步骤b)的输入数据不限于管表面温度，该输入数据也可以是合成气收集器温度；在这种情况下，管温度从相应的合成气收集器温度的温度推导出。通常，该推导认为一排的管处于相同的温度。
所提议的方法用于计算以下工具：
-优化的算法，
-根据本发明的简化的物理模型，
-一个或几个参数及其要达到的相关联目标，这将引起工艺性能的改善-参数和相关目标例如是：TST差距及其降低，和/或最大TST及其降低，和/或合成气收集器温度差距及其降低。由于实际原因，这些参数目前是优选的：炉的行为的良好代表性，输入数据易于收集，然而，本发明不限于这种输入数据和参数的选择，其他参数和目标也可以选择，
-要应用的一个或多个功率比
示例
本发明的解决方案已在具有顶烧式蒸汽甲烷重整器炉的氢气生产设备处现场成功实践，该炉配备有400个管(组织成8排，每排50个管)和135个燃烧器(形成9排，每排15个燃烧器)。
由于本发明，通过应用所教导的方法，可以自动且快速地确定要节流的燃烧器相对于(多个)给定目标的(多个)有利图。
首先，在标准(即非节流)条件下执行单组的TST测量；使用高温计从炉的第一窥视孔水平执行测量；
基于上述的行为规则1至3的本发明的简化物理模型用于获得合适的要节流的燃烧器图，
由于其快速的计算执行时间，本发明的简化的物理模型和内部优化算法的结合，允许从标准条件下所获得的初始TST测量值自动且快速地获得要节流的燃烧器图，以便以按预期改善该工艺(即达到所需目标)。
当应用本发明的解决方案时实现要节流的燃烧器图的及时性允许比较针对不同功率比和/或不同参数及其目标获得的几个燃烧器图的性能。
获得针对示例1的图7a和针对示例2的图8a所呈现的要节流的燃烧器图大约需要10分钟，这两个实验在相同的重整炉上进行，标准条件相同。
对于现场节流方法的实现，由于废气流上的阀门，燃烧器功率的降低是通过废气流速的适当降低来实现的。
下文关于针对示例1的图7a和图7b以及关于针对示例2的图8a和图8b呈现应用于这两个示例的详细方法。
示例1.
图7a示出了通过本发明的方法获得的要节流的燃烧器图。在此第一示例中，选择了两个功率比：80％和60％。
选择了以下目标参数：最大TST(即最热管的TST)的降低和TST差距的减小；附加的目标是使要节流的燃烧器数量最小化。
在图中所呈现的要节流的燃烧器图上，被识别为需要80％功率比的燃烧器被表示为黑色菱形“◆”，被识别为需要60％功率比的燃烧器被表示为黑色方块“■”，没有限制的燃烧器、即燃料流不变(除了小的重新分配部分)的燃烧器被表示为空方块“□”。
图7a示出了，为了达到目标、即降低最大TST并减小TST差距同时使要节流的燃烧器数量最小化，需要对24个燃烧器(单独识别)进行节流，13个燃烧器需要节流到80％的功率比并且11个燃烧器需要节流到60％的功率比。
图7b示出了由同一示例得出的TST曲线：在燃烧器的标准操作模式下测量的实验TST曲线由灰线表示；根据图8a的图(示出为黑色圆圈“●”)，在所有燃烧器都被节流的情况下，在设备稳定之后测量TST曲线。MOT(最大操作温度)被表示为虚线。
在标准条件下，如图7b所示，一些管的TST超过MOT(在949℃表示为虚线)。它们太热，且这可能导致管故障。
由于本发明的方法的实现，通过根据图7a所示的图对燃烧器进行节流，所有的TST都维持在MOT的限制之下，同时TST差距降低了15℃；这被认为是足够好的解决方案。
示例2.
图8a示出了通过将本发明的方法应用于同一炉而获得的另一个要节流的燃烧器图。在此示例中，决定：
-应用60％的单一功率比，并且
-选择以下作为目标参数：最大TST的降低和合成气收集器温度差距的减小。在图中，需要60％节流率的燃烧器被表示为“黑色方块■”；未节流的燃烧器、即燃料流不变(除了小的重新分配部分)的燃烧器被表示为“空方块□”。
图8a示出了37个燃烧器(单独识别)，当被节流时，这些燃烧器允许达到目标。
图8b示出了当应用图8a的解决方案时获得的管的TST曲线：在燃烧器的标准操作模式下测量的实验管温度曲线(如连续的灰线)和针对图8a的燃烧器图的TST温度曲线(如“黑色圆圈●”)。MOT(最大操作温度)被表示为虚线。
如图8b所示，在标准条件下，几个管的TST超过了最大操作温度。
由于本发明的方法的实现，通过根据图8a中所示的图对燃烧器进行节流以维持所有管的TST在MOT之下，同时，使收集器中的合成气的温度差距减小(如图9所示)。对于设备的操作，这被认为是足够好的解决方案。
最后，图9呈现了当现场实现图7a和图8a的节流图时所测得的合成气收集器温度差距的演变。
-通过根据图8a的节流图现场对燃烧器进行节流(示例1具有24个节流燃烧器)，合成气收集器温度差距降低了15℃；
-通过现场实现图8a的具有37个节流燃烧器的节流图(示例2)，合成气收集器温度差距降低了25℃。
由于本发明，建立要节流的燃烧器图所需的时间约为十分钟，这比先前已知解决方案所需的时间短得多；这是因为发明人识别和应用的简化的物理模型大大降低了确定要节流的燃烧器图的持续时间。
-这样使得该解决方案成为一种简单的补救方法，该方法允许减轻重整管之间热量的不均匀热传递；
-燃烧器容易根据节流燃烧器图进行节流；由于安装在管道上的阀门，操作员可根据图手动调节燃烧器功率，或者将信息传输到“设备控制”且在单个操作中根据图来自动对燃烧器进行节流；
-该解决方案可以现场频繁使用，以便操作员在日常工作中做出决策；
-该解决方案允许建立几个燃烧器图以不同的功率比进行节流，以便选择最合适的解决方案。

Claims (9)

1.一种改善炉中发生的吸热过程的方法，该炉包含填充有用于气态进料的化学转化的催化剂并在炉内竖直成排定位的管，燃烧器被供给有主要燃料流和次要燃料流以及氧化剂流并且被成排地安装，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于成排管的侧壁之间，其中热量从这些燃烧器传递到这些管并且与流速相关联，其中该方法通过对一部分这些燃烧器进行节流来改善这些管的温度均匀化，
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤a)可选地通过测量在标准和节流状态下受燃烧器节流影响的至少一个管的一个或多个实际管温度来校准步骤c3)的简化的物理模型，
步骤b)获取关于该炉中存在的管的实际管温度的信息，该炉中存在的所有燃烧器在标准非节流条件下，
步骤c)获得要节流的燃烧器图，包括：
c1)选择至少一个代表该炉的性能的参数以及改善的目标，
c2)选择燃烧器节流的至少一个或多个功率比，
c3)利用步骤b)的信息和对燃烧器进行节流对该炉中的管的管表面温度影响的简化的物理模型，以单独了解燃烧器节流对步骤c1)所选目标的影响)，并单独识别要节流的燃烧器，
c4)获得该炉的燃烧器图，其中单独识别要节流的这些燃烧器，
步骤d)根据在步骤c4)中获得的该图对这些燃烧器进行节流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧器节流对该管表面温度影响的所述简化物理模型基于以下行为规则1)至3)：
1)对燃烧器进行节流显著影响最近的两排管，对于外燃烧器，所述最近的两排管在同一侧上，并且对于内燃烧器，所述最近的两排管在该燃烧器的每一侧上；对外燃烧器进行节流对最近的一排管比对第二排具有更大影响，而内燃烧器的节流将该影响分布在两侧上最近的成排管上；在任何受影响的排中，燃烧器的节流对最近的管具有最大影响，当从这些节流燃烧器移开时，对这些管的影响迅速减小，受燃烧器节流影响的管数量估计为4×N管/N燃烧器，对于这些受影响的管，该管表面温度变化与距该节流燃烧器的距离成比例
其中N管＝一排中的管数量并且N燃烧器＝一排中的燃烧器数量；
2)节流燃烧器对该管温度累积的影响；
3)这些管温度变化与该功率比τ成比例，其中τ为：
Figure FDA0003609897800000021
其中P非节流是该燃烧器在标准操作模式下的功率，并且ΔP是由节流引起的功率变化，当燃烧器功率由于该燃烧器节流而降低时ΔP<0且当该燃烧器功率由于该炉中非节流燃烧器之间的功率重新分配而增加时ΔP>0。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤c1)的该一个或多个参数选自以下：管表面最大温度、管表面温度差距、合成气收集器温度差距，改善的目标是降低参数值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c3)中，该简化的物理模型与优化算法相结合，该优化算法要么是内部优化算法要么是本领域已知的优化算法，比如黑盒优化算法。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，这些燃烧器的节流通过部分地关闭至少一个安装在燃料流或氧化剂流中的至少一者上、优选地安装在这些燃料流上、以及更优选地安装在次要燃料流上的阀门来获得。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，节流燃烧器的功率比τ％在90％与50％之间，优选地在80％与60％之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，关于步骤b)的实际管温度的信息是该管表面温度，该管表面温度优选借助于热电偶或高温计或红外相机获得，或者从优选地借助于热电偶获得的合成气收集器温度推导出。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括该校准步骤a)，在该校准步骤中针对受节流燃烧器影响的一个或多个管、至少针对在非节流和节流条件下在所述燃烧器前方的管执行实际管温度测量，其中该燃烧器优选地是外燃烧器。
9.一种炉，该炉包含填充有用于气态进料的化学转化的催化剂并在该炉内竖直成排定位的重整管，燃烧器被成排地安装，其中成排内燃烧器放置在两排管之间并且成排外燃烧器放置在一排管与平行于这些成排管的侧壁之间，其中热量从这些燃烧器传递到这些管并且与流速相关联，其特征在于，一部分这些燃烧器根据通过如权利要求1至8中任一项所述的方法获得的图来单独节流。
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