CN114845801A - 电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法 - Google Patents

电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有外表面积、入口和出口的电加热反应器，其中(a)所述反应器是管，所述管由以一定距离的电加热装置围绕；(b)所述电加热装置包括相对于所述反应器管同轴放置的辐射片材，所述片材的表面积面向所述反应器管的所述外表面积，限定了所述电加热装置的内表面积；(c)所述加热装置的所述内表面积至少覆盖所述反应器管外表面积的60％；和(d)选择所述反应器管与所述加热装置之间的距离，使得所述电加热装置的所述内表面积与所述反应器管外表面积之间的比率在0.7至3.0的范围内。电加热工艺需要管理热通量和温度分布。在许多应用中，当工艺流进入所述反应器时，所述热通量较大，同时温度较低。朝向反应器管的出口，热通量较低，同时工艺流具有较高的温度。本发明可以适应此要求。所述反应器可用于许多工业规模的高温气体转化和加热技术。

Description

电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气 体转化方法
技术领域
本发明涉及一种包括同轴放置在反应器周围的辐射片材的电加热反应器、包括一个或多个反应器管的炉，以及在高温下执行气体转化工艺的方法，所述方法包括将至少一种气态反应物引入所述反应器。所述反应器、炉和方法可用于许多工业规模的高温化学转化和加热技术。
背景技术
全球变暖问题和减少世界范围内的碳足迹的需求目前在政治议程上位列前茅。实际上，解决全球变暖问题被认为是21世纪人类面临的最重要挑战。地球系统吸收温室气体排放的能力已经耗尽，并且根据《巴黎气候协定(Paris climate agreement)》，在大约2070年之前，必须完全停止当前排放。为了实现这些减少，至少需要进行认真的产业重组，从而远离产生CO2的传统能量载体。能量系统的这种去碳化要求能量转换远离常规的化石燃料，如石油、天然气和煤。及时实施能量转换需要并行进行多种方法。例如，节能和提高能量效率会起到一定作用，而且在使运输和工业工艺电气化方面的努力也起到一定作用。在过渡期之后，预计可再生能量生产将占世界能量生产的大部分，后者将主要由电力组成。
由于世界上某些地区的可再生电力成本已经很低，因此对于代替常规的烃燃式加热反应器和高负荷加热操作而言，使用电加热反应器和装置的技术可能具有吸引力。预测的电价和CO2费用将使这些反应器在经济上更具吸引力。
电力是可获得的最高等级的能量。在设计将电能转化为化学能的高效工业工艺时，可以考虑几种选项。这些选项是电化学、冷等离子体、热等离子体或热方法。在小规模的实验室环境中，已经将电加热应用于许多类型的工艺。然而，在考虑将所述选项用于设计工业规模的化学(转化)技术(如气体转化)时，那些选项中的每个选项都具有一定的复杂性和材料要求。当化学转化工艺高度吸热时，情况尤其如此，因为需要很高的热通量和温度水平。行业中需要适于工业规模的吸热化学反应和加热技术的电气化技术。
US2016288074描述了一种用于对含有烃，优选地甲烷的进料流进行蒸汽重整的炉，所述炉具有：燃烧室；多个反应器管，所述多个反应器管布置在所述燃烧室中，用于容置催化剂并且用于使所述进料流穿过所述反应器管；以及至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器被配置为使所述燃烧室内的燃烧燃料燃烧以对所述反应器管进行加热。另外，提供了至少一个电压源，所述至少一个电压源与所述多个反应器管连接，其连接方式使得在每种情况下都可以在所述反应器管中生成对所述反应器管进行加热以对给料进行加热的电流。
US2017106360描述了可以如何以真正的等温方式来控制吸热反应，其中外部热输入直接施加到固体催化剂表面本身而不是通过实际催化材料之外的间接手段施加。可以仅通过使用催化材料本身的电阻加热实现的传导或通过电阻加热元件(活性催化材料涂层直接位于表面上)来将这种热源均匀且等温地供应到催化剂活性位点。通过仅将传导用作热到催化位点的传递模式，避免了不均匀的辐射和对流模式，从而允许发生均匀的等温化学反应。
EP18180849.4描述一种反应器构型，其包括限定空间的至少一个电加热炉，其中至少一个反应器管放置在所述炉空间内，并且所述反应器管具有位于所述反应器炉外部的出口和入口，并且其中所述炉进一步设置有
-适于(将加热元件)加热到400到1400℃范围内的高温的至少一个电辐射加热元件，所述加热元件以所述加热元件不与所述至少一个反应器管直接接触的方式定位于所述炉内部；以及
-炉壁中的多个检查口，以便能够在运行期间在所述至少一个反应器管的所有侧面上目视检查所述反应器管的状况，所述检查口的总数足以绕所述炉中存在的所有反应器管的全长和周长检查所有反应器管；并且其中所述炉的加热负荷为至少3MW。
现有技术方法具有其独特的挑战、能力和/或基于将燃烧加热与线性电加热组合。特别是，存在与加热元件的潜在极高温度相关的挑战。因此，仍然需要电加热技术的可以基本上应用于高温下大规模化学反应的更多和其他选项。
本公开提供了针对所述需求的解决方案。本发明通过增加/最大化加热器与反应器管之间的面积比来优化高温加热，从而允许降低加热元件的温度。
发明内容
因此，本公开涉及一种特别是用于连续流动反应或工艺加热的电加热反应器，具有外表面积、反应器一端的入口和反应器另一端的出口，其中(a)反应器是在一定距离处被电加热装置包围的管子；(b)电加热装置包括辐射片材，通常由基于电阻的加热材料组成，同轴放置在反应器管周围，片材的表面积面向反应器管的外表面积限定了电加热装置的内表面积；(c)加热装置的内表面积覆盖至少60％，优选至少70％，更优选至少80％，特别是至少95％的反应器管外表面积；(d)选择反应器管与加热装置之间的距离，使得电加热装置的内表面积与反应器管外表面积之间的比率在0.7至3.0的范围内。
对反应器中的工艺进行电加热需要热通量和温度分布。在许多应用中，在工艺流程进入的反应器入口处的热通量较大，并且反应器中的温度较低，而朝向出口处的热通量较低，同时反应器中的温度较高。本发明可以适应这个要求以优化所需反应的转化率。
本公开还涉及一种炉，在所述炉内包括一个或多个根据本发明的反应器管，所述一个或多个反应器管在炉外部具有入口和出口；以及炉壁上的一个或多个检查口，每个检查口与反应器管相对设置。
另外，本公开涉及一种在高温下执行气体转化工艺的方法，所述方法包括：将至少一种气态反应物引入到根据本公开的反应器中；通过加热装置的辐射加热，将所述反应器电加热到400到1400℃，优选地500到1200℃，甚至更优选地600到1100℃范围内的温度；以及执行高温气体转化。
具体实施方式
可以考虑用于用电加热代替工业规模的燃气式加热的几种加热选项。在选择合适的加热选项时，加热装置的使用寿命起着重要作用。本发明允许降低加热装置的温度，因为本发明关注于加热装置与反应器壁之间的最有效的热传递。由于其温度对使用寿命很重要，因此对设备的相关维护很重要，因此本公开确保可以使用金属加热器溶液来实现例如石脑油裂解所需的这种高温。
根据本公开，电加热装置包括具有合适厚度的辐射片材，合适地在3mm至25mm的范围内。这意味着电产生的热量通过辐射传递。针对辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann′s law)描述了辐射加热。基于斯特藩-玻尔兹曼定律的第一原理计算表明，将80kW.m-2的热能传递到1100℃的反应器管需要1231℃的加热管温度。
根据本发明，现在已经发现，当加热装置由基于电阻的加热材料制成时，可以提供一种特别合适的电辐射加热方式。电阻加热是将电力转化为热的众所周知的方法。这种技术用于许多其他工业应用中。高温(＞1000℃)电阻加热例如用于玻璃工业、金属工业和许多实验室装置中。当考虑隔离系统时，通过电阻加热将电力转化为热的效率接近100％。电阻加热通过“焦耳效应(Joule effect)”发生。焦耳第一定律(Joule′s first law)指出，电导体产生的加热功率与其电阻和电流的平方的乘积成比例(I2·R，其中I为电流，并且R为电阻)。
存在许多不同类型的电阻加热材料，每种电阻加热材料都具有其具体的应用目的。对于本申请，必须达到高温，以实现若干技术。例如，可以将矿物绝缘电线技术用于某些应用，然而其用途有限。在本反应器中，有利地，辐射片材包括基于NiCr或FeCrAl(Fecralloy)的电阻加热材料。优选地，辐射片材由基于FeCrAl的电阻加热材料制成。最优选地，辐射片材由FeCrAl制成。FeCrAl电阻材料用于坚固的加热技术。可以通过相对“简单”的开/关控制来控制负荷。从理论上讲，可以施加高电压以递送加热负荷。然而，这并未得到普遍应用，因为其对电气开关施加额外负载，并且需要适合的电绝缘材料。Fecralloy加热材料具有良好的使用寿命和性能特性。所述材料能够在相对较高的温度(高达～1300℃)下工作。优选地，在氧化气氛(＞200ppm O2)中使用Fecralloy加热材料，以在元件上维持Al2O3保护层。在本公开的反应器构型中可以达到的最高温度主要受所使用的加热材料的类型的限制。本反应器适用于在400至1400℃，优选500至1200℃，甚至更优选600至1100℃的温度范围内的反应。
根据本发明，优选地，反应器被呈辐射片材形式的电加热装置包围，所述辐射片材被分成至少两个、更优选至少三个沿反应器管纵向放置的区段，每个区段连接到单独的功率控制。这允许沿反应器的长度进行温度控制。区段的数量取决于所需的温度控制水平。区段之间的距离被选择为尽可能短，但允许扩展，这对于每个区段各不相同。
在根据本发明的另一个优选实施方案中，围绕反应器管的加热装置包括并且优选地是辐射片材，其同轴地围绕/平行于反应器管放置，同时沿着反应器管的长度留下具有一定尺寸的开口至少与反应器管的直径相匹配。这使得加热片的维护和处理变得容易。在一侧打开时，可以轻松插入和取出片。
此外，在根据本发明的另一个优选实施方案中，加热装置是由辐射加热材料的面板组成的辐射片材，可选地在面板之间设置有开口。使用面板可以轻松维护并降低成本。此外，可以在面板之间形成开口以允许检查反应器管。
根据本发明，电加热装置的内表面积与反应器管外表面积之间的比率在0.7至3.0的范围内。优选地，所述比率在1.1与2.5之间，甚至更优选在1.5与2.3之间，特别是在1.9与2.1之间。
在适用的情况下，用于辐射片材、面板和/或其区段的附接材料，例如夹子和支撑件，用于在例如炉内部适当地定位和连接它们。在需要保护任何材料免受反应器内部产生的高温和/或提供电绝缘的地方使用绝缘材料，例如陶瓷材料。
本文所使用的术语反应器构型应当理解为包括适用于工业规模的反应和工艺加热的任何工业装置，并且因此，术语反应器管应当理解为包括一种或多种物质在其中加热到高温的呈管的形式任何容器。
常规的气体转化反应器，例如但不限于蒸汽甲烷重整器(SMR)，使用燃气式燃烧器来供应执行吸热气体转化反应所需的吸热热能。存在多种燃烧器反应器构型，如顶燃式、底燃式和侧燃式。通过电加热供热最接近侧燃式燃烧器构型。侧燃式构型通常是最令人期望的构型，因为可以在反应器管长度上控制到反应器管的热通量。然而，这种侧燃式燃烧器构型由于其具有若干缺点而在实践中未得到广泛应用。在燃气式加热的情况下，侧燃式构型需要许多燃烧器，并且热通量控制会使燃烧控制的复杂性增加。本文中的热通量定义为每单位时间每单位面积的能量流量(按SI，其单位是瓦特每平方米(W/m2)。每单位时间每单位面积的能量(按SI，其单位是瓦特每平方米(W/m2)。
当使用电加热时，不再存在侧式燃气式加热的上述缺点，并且可以实现在反应器管的长度上进行更精确的负荷控制的工艺优点。例如，可以达到更高的出口温度，从而提高转化率。
根据本公开的反应器的使用可以扩大到工业规模。工业规模的气体转化反应器中使用的常规反应器管的外径为约120-140mm并且长度为约12米。尽管如此，但是可以应用许多不同的工艺管构型以满足工艺的需要。对于电加热，考虑到热通量的可控制性增加，可以预期反应器管构型的温度优化，即从而产生更紧凑的设计。适当地，在本发明的反应器构型中，反应器管的大小至少类似于常规反应器管大小。
对于许多工业气体转化反应，优选地，炉适当地包括常规大小的至少十个或更多个反应器管。令人期望的是，在一个炉中封闭有实际上尽可能多的反应器管。加热装置的数量及其定位取决于所需的热通量、所需的温度、反应器管的材料特性和加热元件的材料特性和其大小。加热装置沿反应器管放置，其方式使得反应器管基本上在整个长度(根据需要仅不包含入口和出口)上受热。
在运行时，在反应器的高度/长度上会产生有差别的热通量和温度分布。为了控制反应器的不同区段中的温度并且为了在一个或多个反应器管的表面上实现某一热通量分布，加热装置优选地包括沿着反应器的高度/长度的至少两个区段，即加热区，其中每个加热区都具有自己的功率控制单元。如上文所描述，这允许修改不同区段中的热通量，其中所述区段中的每个区段都可以具有不同的热通量。特别地，本发明的反应器构型中的反应器包括至少四个区段/加热区(例如参见图3)。具体地，反应器包括实际上尽可能多的区段，以使热通量和温度分布完全受控。在优选实施方案中，本发明的反应器包括至少十二个区段。
在进一步的实施方案中，本公开涉及一种炉，所述炉内包括一个或多个根据本发明的反应器管，所述一个或多个反应器管在炉外部具有入口和出口；以及炉壁上的一个或多个检查口，每个检查口与反应器管相对放置。当炉包括根据本发明的一系列并联放置的反应器管时，每个反应器管的加热装置串联连接以实现管两端的期望电压水平。尤其是当加热装置分段时，反应器管同一高度的区段可以达到相同的温度分布。
为了以工业规模操作并获得足够的反应器容量，可以应用多个根据本发明的炉。所述数量取决于如所需的反应器体积、炉的大小、反应器管的数量等因素。炉的类型可以视情况选择，并且其中的加热布置可以视情况选择，如使用分隔壁和加热柱。根据本公开的供使用的优选炉设计是室式炉，其允许在工业规模上最高效地利用空间。
当在本公开中引用加热负荷时，所述加热负荷定义为：表面上的热通量(Φq)与(相关)接收表面积(A)的乘积。例如，热通量Φq＝120kW/m2且接收面积A＝30m2的炉的加热负荷为3.6MW。根据本公开的炉的加热负荷优选为至少3兆瓦(MW)。进一步优选的加热负荷为至少10MW，并且更优选地为至少30MW。在工业规模上，加热负荷总共可以高达数千兆瓦(GW)，例如5或10GW，从而需要各自具有例如500MW的加热负荷的多个炉单元。
根据本公开的炉在炉壁中设置有检查口，以便能够在运行期间在所有侧面上目视检查反应器管的状况，其中检查口的总数足以绕所述炉中存在的所有反应器管的全长和周长检查反应器管。优选地，这是通过使用红外辐射测量技术(例如，高温计)来实现的，可以通过所述技术更准确地看见热点。此类口被配置为穿过炉壁的小的开放路径。每个此类开口都设置有在口未使用的情况下使口关闭的舱口。
在本公开的优选实施方案中，反应器包括一些或所有不同的优选特征的组合。因此，反应器优选地是由Fecralloy辐射片材围绕的反应器管，所述辐射片材围绕反应器管同轴放置，所述反应器管与片材之间的距离被选择为使得辐射片材的内表面积与反应器管外表面积之间的比率面积在1.9至2.1的范围内；加热装置的内表面积覆盖反应器管外表面积的至少95％；并且其中辐射片材被分成至少四个区段，这些区段沿反应器管纵向放置，每个区段连接到单独的功率控制。
根据本发明的反应器管可以装载本领域已知的固体催化剂组分以实现所需的转化。
根据本公开的反应器使得能够将可再生功率以具有成本效益的方式大规模地整合到工业规模的化学转化反应和其他工业加热技术中，例如整合到气体转化技术和原油蒸馏中，并且可以显著减少CO2的产生并且甚至消耗CO2。在优选实施方案中，根据本公开的反应器设置有到可再生源的电源连接以供应电加热的所需功率的至少一部分。
例如，反应器可以作为电加热式蒸汽甲烷重整工艺单元用于产生氢气，所述氢气在气转液(Gas-To-Liquid，GTL)技术中使用。蒸汽甲烷重整(SMR)工艺需要约120kW/m2(范围为70-140kW/m2)的热通量以便为在约600到约1100℃的温度水平下发生的吸热反应提供热能，上限由反应器管的金属可以承受的最高温度决定。作为参考，在图2中示出了常规的燃气式SMR/HMU(蒸汽甲烷重整器/制氢单元)的示意图。
本公开还涉及一种在高温下执行气体转化工艺的方法，包括：将至少一种气态反应物引入根据本发明的反应器中；通过加热装置的辐射加热，将反应器电加热至400-1400℃范围内的温度；以及执行高温气体转化。实际温度取决于化学转化反应的所需温度和所使用的加热元件的类型。
优选地，方法包括控制所述加热装置的不同区段中的温度/热通量，其中加热装置包括至少两个区段，其中每个区段具有自己的功率控制单元，所述功率控制单元被调节以在至少一个反应器管的表面上实现热通量分布。
在优选实施方案中，本公开的反应器和/或炉和方法通过蒸汽甲烷重整、干法CO2重整、反向水煤气变换或其组合来产生合成气。因此，优选的方法包括通过蒸汽甲烷重整、干法CO2重整、反向水煤气变换或其组合来产生合成气，包括以下步骤：
i.向根据权利要求1到5中任一项所述的反应器提供烃和蒸汽和/或CO2，使得反应混合物进入所述至少一个反应器管；
ii.通过向加热装置提供电能来使所述反应器的所述炉维持在至少400℃的温度；
iii.使所述烃和所述蒸汽转化为氢气和一氧化碳；以及
iv.从所述反应器获得合成气流。
例如，步骤iii.中的转化之后是通过气相色谱法和/或通过监测反应器管出口处的温度变化进行样品分析。
上文的术语烃涵盖例如经处理的甲烷，是经处理的化石天然气(优选的)或从非烃杂质中纯化的生物甲烷。来自化石天然气的甲烷是烃气体混合物，其主要由甲烷(即，至少80％)组成，但通常包含不同量的其他高级烷烃并且有时包含少量的氮气、硫化氢、二氧化碳、氩气或氦气。经处理的甲烷是优选的烃，然而，也是其他烃，优选地经处理的烃，并且优选地为C2-C6烃，如乙烷和丙烷，并且烃的混合物可以用作所述工艺的反应物。
甲烷重整工艺可以用蒸汽、CO2或其任何组合完成。通过使用蒸汽进行的甲烷重整来产生的合成气的H2∶CO比率对于费托转化(Fischer Tropsch conversion)来说太高。在优选实施方案中，可以通过共引入CO2来降低此H2∶CO比率，从而产生半干法甲烷重整工艺。所产生的合成气的H2∶CO比率与执行费托转化所需的比率相匹配。当使用本公开的反应器构型时，还可以在干法重整工艺中仅进给CO2和甲烷以产生H2∶CO比率1。
当使用电力进行加热时，此吸热工艺与所谓的电转液(Power-To-Liquid，PTL)工艺有关，而不是与气转液(GTL)工艺有关。
反向水煤气变换(RWGS)是高温中等吸热工艺。在将CO2而不是甲烷或甲烷和CO2的组合用作碳源时，RWGS变得有价值。另外，此气体转化反应是可以在本公开的反应器构型中适当地执行的反应的实施例。
根据本公开的反应器、炉和方法可能广泛应用。由于高温气体转化和工艺加热广泛用于化学工业，因此本公开提供了许多用于石油化学或化学应用的机会。由于可以达到的热通量和温度水平最为严格，因此任何类型的(燃气式)燃烧式设备都可以用电辐射产热来代替，如原油炉、蒸馏预热炉、热油炉、许多化学气体转化反应器，例如但不限于使用几种进料、几种(蒸汽)重整反应、加氢处理反应等的蒸汽裂化。本文中的蒸汽裂化定义为烃在存在蒸汽的情况下热裂化以产生高价值的化学物质，如氢气、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯和二甲苯。关于烃的蒸汽裂化，应注意的是，烃的裂解反应遵循自由基机制，从而需要高温。蒸汽充当稀释剂；其主要作用是降低烃的分压，这通过促进低级烯烃的高产率来提高选择性。潜在的蒸汽裂化器进料几乎涵盖了整个原油沸程，包含以下：乙烷、丙烷、丁烷、干气、焦化气、石脑油、煤油、瓦斯油、真空瓦斯油、水性蜡(Hydrowax)、基础油、原油和凝析油。本领域的技术人员将容易理解，应用所述反应器的可能的化学反应的范围没有特别限制，只要实现高温气体转化反应或需要如在原油炉中进行高温工艺加热即可。
附图说明
图1A.根据本公开的反应器管的示意图综述，其完全被两个区段的辐射片材包围。电源布置如上图：所示。
图1B.根据本公开的反应器管的示意图综述，部分地被两个区段的辐射片材包围，留下用于侧向插入和移除辐射片材的开口。电源布置如上图所示。
图2.常规的燃气加热式蒸汽甲烷重整和制氢单元的示意图。NG是天然气；BFW是锅炉给水；HTS是高温变换；PSA是变压吸附。
图3.根据本公开的具有四个区段的辐射片材的反应器的功率控制的示意图，每个区段与单独的功率控制单元连接。反应器在此由在图左侧描绘的狭窄的竖直矩形管表示，实际上，所述狭窄的竖直矩形管还可以是例如U形弯管或水平管。箭头分别指示反应物进料流和产物出口流。TC001是反应器出口温度控制，XY-099将TC输出转化为所需功率，在公式z＝g·k中，g是温度控制(即TC-001)的百分比输出，k表示控制器输出到所需炉负荷的转化常数(例如，100MW/100％→1MW/％)。在划分反应器的所请求负荷时，每个区段都具有手动控制器(HC-001到HC-004)。根据这些手动控制器的输出，在计算块XY-001到XY-004中将所述分数乘以之前提及的总的所请求负荷z。这一所要求的功率随后发送到特定区段的功率控制单元。
在下文中将通过以下非限制性实施例另外说明本发明。
实施例
一般-温度控制
根据本发明的反应器中的温度控制如图3所示进行。借助在反应器的长度上的(手动)控制器来设定热通量/温度分布。在反应器管的顶部处发生最高热通量，其中进一步加热到反应混合物的所需反应条件，并且反应开始消耗热能。达到热通量的峰值，此后热通量随着温度升高而下降。出口处出现最高温度和最低热通量的组合。此处，几乎在所需的最终温度下实现化学平衡。为了适应这一分布，设计了四个区段。每个区段递送总需求负荷的预定部分。因此，这将根据如之前所描述的(参见上文)辐射热传递原理产生区段-反应器管温度平衡。
一般-电气基础设施
“100MW炉”的设计电力消耗＝117MWe，包含10％的设计裕度。设计前提是从132kVAC总线开始并且通过变压器将电压水平降低到所需的690V。概念是使用6×132/11kV变压器和47×11/0.72kV变压器。从设计角度来看，大型电网变压器可能远离电炉定位，因为传入的电力可能通过架空线到达室外变电站。
为了减少CO2排放，预期电力来自可再生发电能力，但集成式工艺设置中还可以使用废物流电源。
实施例1
具有根据本发明的反应器的炉。
100MWe供电的SMR的概念电炉设计包括260个反应器管。每个反应器管沿反应器管的垂直距离配备有12区段同轴加热管(即辐射片材)。每个区段约为0.9m。每个区段能够在温度高达870℃的反应器管外表面交换高达120kW.m-2的设计热通量。每个特定高度的区段串联互连以获得合理的电阻，转化为控制所述高度(区)处的负荷所需的电压水平。放置共环形区段以获得大于或接近1的面积比(对于每个特定区段：区域辐射加热器/区域过程线圈～＞1)。
炉视口(检查口)设计用于检查加热管的状况。
实施例2
根据实施例1的运作中的炉。
启动
与常规的SMR相比，电炉可以逐渐启动。电加热的调节比几乎是无限的，并且因此启动可以得到良好的控制。此外，跨所有管，热分布是均匀的。这与常规的烃燃式SMR相反，在常规的烃燃式SMR中，可能会点燃几个燃烧器，从而造成暂时的不平衡。为了防止损坏电加热元件，应当限制加热速率。
关闭
为了防止损坏反应器管，必须遵守50℃.hr-1的最大冷却速率。考虑到调节能力非常高并且假设电加热系统正常运转，可以遵守这一冷却速率限制。此外，在跳闸情况下(即，例如当发生火灾时，工艺意外停止)，必须计算出考虑了加热元件中的所有热容量和耐火物质的稳定温度(settle-out temperature)。预期的是，这一温度足够低以防止反应器管爆裂。此外，蒸汽吹扫和反应器减压是正常关闭程序的一部分。
调节
常规SMR炉的调节比约为约5(调节＝设计吞吐量/最小吞吐量)。这主要由炉燃烧器的能力和燃料特性决定。相反，电动炉的调节比几乎不受限制。调节的新限制是由工艺侧的限制引起的，如反应器管上的流量分布。
跳闸
为了防止在与使例如100MWe负荷跳闸(与电气故障不相关)相关联的甩负载(loadrejection)的情况下发生电网不稳定，可以实施延迟以使电网适应功率抑制(powerrejection)，使得负载不会被一次性全部抑制。此类延迟大约为几秒到几分钟。未来的发展应当通过电网稳定性评估来确定确切的策略。从工艺角度来看，可以适应此类延迟。当发生跳闸时，蒸汽注入反应器管并使工艺减压。
故障排除
由于各种原因，反应器管可能变得过热。例如，可能发生局部催化剂活性损失，由于催化剂负载错误而可能存在导致反应器管堵塞或空隙的积炭。根据本公开，可能可以在运行期间监测反应器管。在电炉中设计了检查口，以便能够在运行期间检查反应器管。通常，这是使用红外辐射测量技术(例如，高温计)来进行评估的。
实施例3
使用根据本发明的反应器的3MW电容量SMR制氢单元与常规的烃燃式单元相比时的数据：
电加热(发明) 常规的烃燃式
总氢气产量 千摩尔/小时 118.27 118.27
总氢气产量 吨/天 5.72 5.72
蒸汽/碳SMR进料 3.20 3.20
天然气引入量 吨/天 11.60 19.33
CO<sub>2</sub>排放 吨/天 31.55 52.84
总效率(包含蒸汽输出) 88％ 82％
总效率(不包含蒸汽输出) 88％ 74％
SMR炉(电)加热负荷 MW 3.00 2.44
SMR炉工艺温度 ℃ 860 860
蒸汽产量 吨/天 63.12 92.84

Claims (9)

1.一种具有外表面积、入口和出口的电加热反应器，其中
(a)所述反应器是管，所述管由以一定距离的电加热装置围绕；
(b)所述电加热装置包括围绕所述反应器管同轴放置的辐射片材，所述片材的所述表面积面向所述反应器管的所述外表面积，限定了所述电加热装置的内表面积；
(c)所述加热装置的所述内表面积至少覆盖所述反应器管外表面积的60％；并且
(d)选择所述反应器管与所述加热装置之间的距离，使得所述电加热装置的所述内表面积与所述反应器管外表面积之间的比率在0.7至3.0的范围内。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中所述辐射片材被分成至少两个区段，所述区段沿所述反应器管纵向放置，每个区段连接到单独的功率控制。
3.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述辐射片材包括基于NiCr或FeCrAl的电阻加热材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述加热装置是围绕所述反应器管同轴放置的辐射片材，同时沿着所述反应器管的长度留下尺寸与所述反应器管的直径匹配的开口。
5.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述加热装置是由所述辐射加热材料的面板组成的辐射片材。
6.一种炉，在所述炉内包括一个或多个根据权利要求1到5中任一项所述的反应器管，所述一个或多个反应器管在所述炉外部具有入口和出口；以及炉壁上的一个或多个检查口，每个检查口与所述反应器管相对设置。
7.一种在高温下执行气体转化工艺的方法，包括：将至少一种气态反应物引入根据权利要求1到5中任一项所述的反应器中；通过加热装置的辐射加热，将所述反应器电加热至400-1400℃范围内的温度；以及执行高温气体转化。
8.根据权利要求7所述的执行气体转化工艺的方法，其中所述气体转化工艺包括通过蒸汽甲烷重整、干法CO2重整、反向水煤气变换或其组合来产生合成气，包括以下步骤：
i.向根据权利要求1到5中任一项所述的反应器提供烃和蒸汽和/或CO2，使得反应混合物进入所述至少一个反应器管；
ii.通过向加热装置提供电能来使所述反应器的所述炉维持在至少400℃的温度；
iii.使所述烃和所述蒸汽转化为氢气和一氧化碳；以及
iv.从所述反应器获得合成气流。
9.根据权利要求7或8所述的方法，包括控制所述加热装置的不同区段中的温度/热通量，其中所述加热装置包括至少两个区段，其中每个区段具有其自己的功率控制单元，所述功率控制单元被调节以实现所述至少一个反应器的表面上所需的热通量分布。
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