CN117980253A - 用于部分氧化碳氢化合物的反应器 - Google Patents
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Abstract
用于用氧化剂(3)将燃料(2)部分氧化成包含CO和H2的合成气体(4)的反应器(1)，所述反应器(1)包括：对反应室(6)进行封闭的容器(5)，所述反应室(6)用于在氧化剂(3)存在的情况下部分氧化燃料(2)；布置成将燃料(2)和氧化剂(3)供给到反应室(6)的燃烧器(7)；所述燃烧器(7)包括：用于氧化剂(3)的第一通道(9)和用于燃料(2)的第二通道(11)，所述第一通道(9)和所述第二通道(11)彼此同轴布置；点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)，其中点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)能够在燃烧器内靠近反应室(6)的启动位置(30)与远离所述反应室(6)的退回位置(31)之间移动。
Description
技术领域
本发明属于合成气生产领域。本发明特别涉及一种用于部分氧化碳氢化合物的反应器和一种在启动期间和合成气生成期间操作所述反应器的方法。
背景技术
术语“合成气”或“合成气体”用于描述含有H2和CO以及少量CO2和碳氢化合物(即CH4)的气体混合物。
合成气的生产能力一直在不断提高，而且由于其在化学工业中的广泛应用，如合成氨、尿素、甲醇及其衍生物，合成气的生产能力仍在不断提高。
目前市场上有几种合成合成气的技术，包括通过催化反应产生富含H2的合成气的蒸气重整SR(Steam Reforming)、通过非催化反应产生富含CO的合成气的部分氧化POx(Partial Oxidation)以及结合催化蒸汽与CO2重整反应的自热重整ATR(AutothermalReforming)。
POx是一种非催化技术，可用于在氧气存在下部分燃烧碳氢化合物以在高温下(例如1100℃和1400℃之间)产生合成气。
部分氧化则通常在反应器中进行，所述反应器包括耐火内衬压力容器和工艺燃烧器。耐火内衬压力容器限定了反应室，在所述反应室中发生部分氧化反应，而工艺燃烧器则配置为用于将包括燃料和氧化剂的试剂注入到在高温高压下运行的反应室中。
工艺燃烧器还设计和优化为将试剂作为单独的流供应给反应室，以在试剂接触时促进扩散火焰的形成。
POx反应器很少进行启动操作。但是，当启动操作发生时，必须将燃料引入反应室，并在贫燃火焰中与氧化剂(空气、氧气或富氧空气)燃烧，以使耐火内衬容器的工作温度高于试剂的自燃温度。一旦达到此预热温度，用于部分氧化操作的试剂可以被输送到反应室中，在反应室中所述试剂将自燃以开始产生合成气。
通常情况下，在启动期间形成燃料贫乏而氧化剂丰富的火焰(贫燃火焰)，以预热耐火内衬容器至高于试剂的自燃温度。在此阶段，必须非常小心地逐渐升高火焰的温度，以避免耐火材料内衬受到过大的热应力。
遗憾的是，传统的工艺燃烧器不足以在反应室内形成贫燃火焰，也不适合在启动期间精确控制火焰的温度，因此必须配备专用的燃烧器。
专用的启动燃烧器可以是在启动阶段实际代替工艺燃烧器的独立部件，或者也可以布置在工艺燃烧器内部，随后在预热阶段完成后移出或退回。
启动燃烧器还应包括点燃装置，以便在耐火内衬压力容器的温度低于试剂的自燃温度时点燃试剂。例如从EP2085696A1中已知一种燃烧器，其包括在启动阶段使用的点火燃烧器。
POx反应器的典型启动顺序包括以下步骤：在POx反应器的反应室内设置专用的启动燃烧器，通过启动燃烧器向反应室供应空气和碳氢化合物以产生贫燃火焰，逐步提高热功率以将耐火内衬加热至约1100℃至1400℃，当达到上述温度时，将专用的启动燃烧器从反应室中移出或退回，并用工艺燃烧器替换(如果需要)专用的启动燃烧器，最后向燃烧器供给试剂，以产生用于合成气生产的扩散火焰。
从上述描述中可以清楚地看出，POx反应器的启动阶段并不是一个简单的操作，因为它涉及到启动燃烧器的引入和后期拆除，以及在某些情况下用启动燃烧器替代工艺燃烧器，反之亦然。此外，启动燃烧器无疑是一种昂贵的装置。
因此，鉴于上述考虑，提供一种具有燃烧器的改进式部分氧化反应器是非常可取的，所述燃烧器既可在启动期间使用，又可在合成气生成期间使用，具有显著优势。优选地，改进式反应器应当易于操作。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的上述缺陷，即启动POx反应器所需操作的复杂性。
因此，本发明的一个方面是根据权利要求1所述的将碳氢化合物部分氧化为合成气的反应器。
反应器包括将反应室封闭的容器，用于在氧化剂存在的情况下部分氧化燃料；以及燃烧器，用于将燃料和氧化剂供给到所述反应室。燃烧器包括用于氧化剂的第一通道和用于燃料的第二通道，所述第一通道和所述第二通道彼此同轴布置。
燃烧器还包括点燃装置和火焰检测传感器。所述点燃装置和所述火焰检测传感器在燃烧器内能够在靠近反应室的启动位置和远离所述反应室的第二退回位置之间移动。
本发明的另一方面是操作根据权利要求10的上述反应器的方法。
方法包括以下步骤：调节在启动期间和合成气生成期间通过燃烧器组件供给到反应室的氧化剂和燃料的流量，以便在启动期间稳定贫燃火焰，在合成气生成期间则稳定扩散火焰。
有利的是，与传统的POx燃烧器相比，本发明的部分氧化反应器在制造上更为经济，因为它在启动时不需要设置专用的燃烧器。实际上，本发明的反应器设置有燃烧器组件，所述燃烧器组件能够在注入试剂的流量变化的情况下运行，并适用于在启动期间以及在合成气生成期间稳定反应室内的火焰。
此外，本发明的方法允许简化和加速POx启动程序，从而无需在专用的燃烧器和工艺燃烧器之间进行与切换相关的繁琐操作。
特别有利的是，在启动和合成气生成期间，反应器可以使用相同的燃烧器进行操作。在启动期间，优选地在大气压下逐渐升高耐火内衬容器的温度，以达到工作温度，在该温度下，用于生产合成气的进料在进入反应器后混合时由被热的耐火内衬点燃。
根据本发明的有益应用(interesting application)，向反应器供应包括轻质碳氢化合物(例如天然气或甲烷)的燃料以及包括氧气、富氧空气或空气的氧化剂。
在启动期间，优选地向反应器供应空气或富氧空气，而在合成气生成期间，则向反应器供应纯氧、空气或富氧空气，以便在启动期间形成贫燃火焰，在合成气生成期间形成富燃扩散火焰。
优选地，试剂通过两个分开的导管(即第一导管和第二导管)提供给反应室。氧化剂优选地通过第一导管供给到反应室，所述第一导管在其内部界定所述第一通道，而燃料则通过第二导管供给到反应室，所述第二导管将第二通道封闭。第一导管和第二导管彼此同轴布置，并且在所述第一导管和所述第二导管之间限定了第二通道。
优选地，燃烧器位于反应容器中心位置的反应室上方。第一导管和第二导管可以采用不同的形式和形状，但是根据有益应用，所述第一导管和所述第二导管是圆形的，因此所述第一导管和所述第二导管之间的通道是环形的。
本发明的反应器还设置有将火焰检测传感器和点燃装置封闭的中心导管。优选地，火焰检测传感器是紫外线(UV)传感器或热电偶，而点燃装置优选地是高能或低能的基于火花的点燃系统。火焰检测传感器设置有感测部分，以检测火焰是否已经在反应室内点燃。
与此不同，点燃装置则设置有点燃器尖端，所述点燃器尖端可以到达燃烧室内的适当位置，以便在启动期间点燃贫燃火焰。
根据本发明的特别有益的应用，点燃装置和火焰检测传感器能够沿着中心导管的纵向轴线移动，并且所述点燃装置和所述火焰检测传感器至少能够到达上述的启动位置和退回位置。
启动位置与沿着中心导管的轴线的位置相对应，在该位置，点燃装置的尖端进入反应室，并因此暴露于工作条件下，例如反应室的温度和压力。当点燃器位于启动位置时，所述点燃器能够产生火花来点燃反应室中的气体混合物。
与此不同，当点燃装置和火焰检测传感器位于退回位置时，火焰检测传感器的感测部分以及点燃装置能够得到保护，而不受火焰的高温影响，从而不受由反应室的高温引起的热应力和机械应力的影响。
申请人发现，当传感器位于退回位置时，市售的UV火焰检测传感器也能正确检测火焰是否已经点燃。
优选地，在点燃火焰后，点燃器和火焰检测传感器自动地或在操作者的帮助下手动地移动到向后位置，并且它们在合成气生产期间保持在退回位置。
根据替代实施例，在启动阶段结束时，将点燃器和火焰检测器从燃烧器移出。
根据本发明的替代实施例，中心导管并不封闭在燃烧器内，而是通过在反应器容器中形成的特定孔安装在反应器容器外部，并且所述特定孔设置有凸缘。
优选地，第一导管和第二导管通过专用的喷嘴与反应器的反应室连通。喷嘴可以配置为引导并扩散流过第一导管和第二导管进入反应室的氧化剂和燃料。
在启动阶段和合成气的生产期间，燃烧器暴露于反应室的高温环境中。因此，燃烧器可以与冷却装置集成在一起，所述冷却装置布置为朝向和远离喷嘴输送冷却介质(优选为水)。优选地，冷却装置包括多个用于输送冷却介质的导管。
反应器还可以包括布置在第一导管内的旋流装置，所述旋流装置配置为向输送到反应室的氧化剂提供旋流运动。旋流装置可以用于增强燃料和氧化剂之间的混合，并且所述旋流装置还可以促进氧化剂在反应室内的回流再循环。
优选地，在合成气生成期间，反应器的工作压力在10至120巴(barg)之间，更优选在20至100巴(bar)之间，同时合成温度优选在1000℃至1500℃之间，或者更优选在1100℃至1400℃之间。由于反应器的工作温度较高，容器优选由耐火材料制成。
本发明还提供了一种在启动期间和在合成气生成期间操作对燃料进行部分氧化的反应器的方法。方法包括一系列步骤或操作，设定为逐步提高反应器的工作温度至合成条件，然后生成合成气，而无需使用工艺燃烧器替换启动燃烧器。
更详细地说，本发明的方法包括以下步骤：
a)调节点燃装置和火焰检测传感器在燃烧器内的位置，以到达启动位置；
b)通过第一通道向反应室供应氧化剂，并通过第二通道供应燃料，以形成反应气体的贫燃火焰；
c)通过点燃装置点燃步骤b)的反应气体混合物，以在反应室中形成贫燃火焰；
d)通过火焰检测传感器验证步骤c)中的火焰是否已被点燃，如果是，则将点燃装置和火焰检测传感器退回至退回位置；
e)调节输送到反应室的氧化剂和燃料的流量，以逐渐提高火焰的热功率，直到反应室达到适合生成合成气体的目标温度。
一旦达到生产合成气所需的目标温度，方法还包括以下步骤：
f)中断对反应室的氧化剂和燃料供应，以熄灭贫燃火焰；
g)可选地将点燃装置和火焰检测传感器从反应器中移出，如果需要，使用惰化介质冲洗第一导管和第二导管；
h)依次通过第二通道向反应室输送燃料，然后通过第一通道向反应室输送氧化剂，以便在反应室内形成富燃扩散火焰；
i)最后从反应器中抽出合成气体。
优选地，本发明方法的步骤e)以合适的温度梯度进行，以防止对耐火内衬压力容器产生过大的热应力。
优选地，第一通道和第二通道分别封闭在第一导管和第二导管中，并且根据一个特别有益的实施例，第二导管布置在第一导管的外部并且与第一导管同轴。
在启动期间和在合成气生成期间，注入反应室中的氧化剂的组成可以不同。优选地，在启动期间，步骤b)中的氧化剂包括空气或富氧空气，而在合成气生成期间，步骤h)中的氧化剂也可以包括纯氧。有利地，贫燃火焰可以在启动期间形成，而富燃火焰则可以在合成气生成期间形成。
根据有益实施例，本发明的步骤a)通过沿着中心导管的纵向轴线移动点燃装置和火焰检测传感器来执行。
中心导管优选布置在第一导管内，使其成为燃烧器的整体部分，从而方便其移入和移出反应容器。
根据本发明，步骤b)的氧化剂和步骤h)的氧化剂通过第一通道供应到反应室，步骤b)和步骤h)的燃料则通过第二通道来供应。当从启动切换到合成气生成时，导管内的燃料和氧化剂不会发生回流和交叉污染。
本发明的反应器可以是氨装置或甲醇装置的一部分，在这种情况下，可以在POx反应器的下游提供合适的热交换器(例如废热锅炉)，以从离开反应器的合成气体中回收热量。此外，送入POx反应器的试剂在输送到POx反应器之前，可以通过适当的预热器进行预热。
附图说明
图1是根据本发明的用于碳氢化合物的部分氧化的反应器的示意图。
图2是根据本发明优选实施例的燃烧器组件的剖视图。
图3是根据本发明另一实施例的燃烧器组件的剖视图。
图4是图3的燃烧器组件的分解图。
具体实施方式
图1示出了用于部分氧化的反应器1，所述反应器1包括耐火内衬压力容器5和燃烧器7。
耐火内衬压力容器5将反应室6封闭(enclose)，部分氧化反应在所述反应室6中发生，反应室6与燃烧器7以及用于排出在反应室6中产生的合成气体4的开口18流体连通。
燃烧器7布置在反应器7的中心位置，并通过凸缘63与耐火内衬压力容器5密封。燃烧器7包括用于注入氧化剂3的第一开口21以及位于燃烧器侧面位置并布置为用于注入燃料2的第二开口17。
燃烧器7还包括第一导管8和第二导管10，所述第一导管8在其内部限定第一通道9，所述第二导管10则布置在第一导管8的外部并与所述第一导管8同轴。
第一导管8和第二导管10之间限定第二通道11，所述第二通道11通过孔20与反应室6连通(图2)。
第一导管8和第二导管10分别终止于面向反应室6的第一喷嘴51和第二喷嘴35(图4)。此外，第一导管8将布置在喷嘴51附近的旋流装置15封闭。
燃烧器组件7还包括布置在第一导管8内并与所述第一导管8同轴的中心导管12。中心导管12将点燃装置13和火焰检测传感器14封闭，所述点燃装置13和所述火焰检测传感器14沿着燃烧器组件7的纵向轴线50布置。
请注意，点燃装置13和火焰检测传感器14是封闭在导管12内的，因此在图1中不可能将它们与导管12本身区分开来。
点燃装置13和火焰检测传感器14可沿着轴线50在图2所示的启动位置30和退回位置31之间移动。
反应器还设置有冷却装置52，所述冷却装置52包括一系列用于输送冷却介质54的导管53。冷却介质配置为从组件中移除热量，特别是从直接暴露于反应火焰的高温下的喷嘴35和喷嘴51中移除热量。
将氧化剂3和燃料2供应给反应器1，所述氧化剂3通过设置在燃烧器7的凸缘22上的开口21提供给第一导管8。氧化剂流过第一导管8，并在通过旋流装置15后排入反应室6。
与此不同，燃料2则是首先通过开口17供给到第二导管10，并在流过所述第二导管10后，通过第二喷嘴35附近的孔20(图2)，沿耐火内衬容器5的方向排入反应室6内。
在冷启动时，反应室内由燃料2和氧化剂3混合产生的反应气体混合物由点燃装置13点燃，为此，点燃装置位于启动位置30(图2)。
气体混合物的点燃会在反应室6靠近喷嘴35的区域23产生火焰。在启动期间产生贫燃火焰，而在合成气生成期间形成富燃火焰，火焰的成分可通过对提供给反应室6的燃料和氧化剂的流量进行调节来调节。
图2是根据本发明优选实施例的本发明燃烧器的剖视图。
在图中可以看出，燃烧器7包括冷却装置52，所述冷却装置52设置有多个导管53，所述多个导管53布置为朝向和远离喷嘴35、51输送冷却介质54。更详细地，水54通过开口60供应到导管，并从开口61以热水流55的形式排出燃烧器7。
将点燃装置13和火焰检测传感器14封闭的中心导管12位于纵向轴线50上。如上所述，点燃装置13和火焰检测传感器14至少可以沿着轴线在启动位置和退回位置之间移动。所述启动位置和所述退回位置在轴线50上分别由箭头30和31箭头表示。
技术人员可在燃烧器组件的设计阶段根据点燃条件选择启动位置。与此不同，退回位置位于旋流装置附近。
图3示出了本发明的替代实施例，其中点燃装置13和火焰检测传感器14布置在中心导管12上，所述中心导管12并非封闭在第一导管中，而是与第一导管相邻。
图4是图3的燃烧器组件的分解图，其中，为了简单起见，图中未示出第一导管和第二导管。但图4示出了上述第一喷嘴51和第二喷嘴35。喷嘴51和喷嘴35配置为引导并扩散反应室6内的氧化剂和燃料。
Claims (16)
1.用于用氧化剂(3)将燃料(2)部分氧化成包含CO和H2的合成气体(4)的反应器(1)，所述反应器(1)包括：
封闭反应室(6)的容器(5)，所述反应室(6)用于在氧化剂(3)存在的情况下部分氧化燃料(2)；
布置成将燃料(2)和氧化剂(3)供给到反应室(6)的燃烧器(7)；
所述燃烧器(7)包括：
用于氧化剂(3)的第一通道(9)和用于燃料(2)的第二通道(11)，所述第一通道(9)和所述第二通道(11)彼此同轴布置；
点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)，其中点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)能够在燃烧器内靠近反应室(6)的启动位置(30)与远离所述反应室(6)的退回位置(31)之间移动。
2.根据权利要求1所述的反应器，还包括在其内部限定第一通道(9)的第一导管(8)、布置在第一导管(8)外部并与所述第一导管(8)同轴的第二导管(10)，其中第一导管(8)和第二导管(10)在所述第一导管(8)和所述第二导管(10)之间限定第二通道(11)。
3.根据权利要求2所述的反应器，还包括布置在第一导管(8)内的中心导管(12)，所述中心导管(12)将点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)封闭。
4.根据权利要求3所述的反应器，其中点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)能够沿着中心导管(12)的纵向轴线(50)在启动位置(30)和退回位置(31)之间移动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中第一导管(8)和第二导管通过喷嘴(35、51)与反应室(6)连通，所述喷嘴(35、51)配置为将氧化剂(3)和燃料(2)引导并扩散到所述反应室(6)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中燃烧器(7)还包括冷却装置(52)，其中所述冷却装置(52)包括布置为朝向和远离喷嘴(35、51)输送冷却介质(54)的多个导管(53)，所述冷却介质(54)优选为水。
7.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中反应器(1)包括旋流装置(15)，所述旋流装置(15)布置在第一导管(8)内并且配置为向输送至反应室(6)的氧化剂(3)施加旋流运动，更优选地所述旋流装置(15)配置为在反应室的区域中提供氧化剂的回流循环。
8.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中容器(5)是耐火材料内衬压力容器，并且其中第一导管(8)和第二导管(10)是圆形的，并且第二通道(11)是环形的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中火焰检测传感器(14)是紫外线传感器或热电偶，并且点燃装置是火花发生装置。
10.一种在启动期间和在合成气生成期间操作用于用氧化剂(3)将燃料(2)部分氧化为合成气体(4)的反应器的方法，所述反应器(1)包括：
对反应室(6)进行封闭的容器(5)，所述反应室(6)用于在氧化剂(3)存在的情况下部分氧化燃料(2)；
布置成将燃料(2)和氧化剂(3)供给到反应室(6)的燃烧器(7)；
所述燃烧器(7)包括：
用于氧化剂(3)的第一通道(9)和用于燃料(2)的第二通道(11)，
所述第一通道(9)和所述第二通道(11)彼此同轴布置；
点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)，其中点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)能够在燃烧器内靠近反应室(6)的启动位置(30)与远离所述反应室(6)的退回位置(31)之间移动；
所述方法包括以下步骤：
a)调节点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)在燃烧器(7)内的位置，以到达启动位置(31)；
b)通过第一通道(9)向反应室(6)供应氧化剂(3)，并通过第二通道(2)供应燃料(2)，以形成反应气体混合物；
c)通过点燃装置(13)点燃步骤b)的反应气体混合物，以在反应室(6)中形成贫燃火焰；
d)通过火焰检测传感器(14)验证步骤c)中的火焰是否已被点燃，如果是，则将点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)退回至退回位置(31)；
e)调节输送到反应室(6)的氧化剂(3)和燃料(2)的流量，以逐渐提高火焰的热功率，直到反应室(6)达到适合生成合成气体(4)的目标温度。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
f)中断对反应室(6)的氧化剂(3)和燃料(2)供应，以熄灭贫燃火焰；
g)可选地将点燃装置和火焰检测传感器从反应器中移出，如果需要，使用惰化介质冲洗第一导管和第二导管；
h)依次通过第二通道(11)向反应室(6)输送燃料，然后通过第一通道(9)向反应室(6)输送氧化剂，以便在反应室(6)内形成富燃扩散火焰；
i)从反应器(1)中抽出合成气体(4)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中步骤b)中的氧化剂(3)包括空气或富氧空气，步骤h)中的氧化剂包括纯氧。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中：第一通道(9)封闭在第一导管中，第二通道封闭在第二导管中，第二导管(10)布置在第一导管(8)外部并与所述第一导管(8)同轴。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中步骤a)通过沿着中心导管(12)的纵向轴线(50)移动点燃装置(13)和火焰检测传感器(14)来执行，其中中心导管布置在第一导管内。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中步骤b)和步骤h)中的氧化剂以旋流运动的方式供应到反应室(6)，所述旋流运动优选在反应室(6)的区域中为氧化剂提供回流循环。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中步骤e)的目标温度在1100℃至1400℃之间。
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