CN204447964U - 通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置，至少包括：-具有竖向辐射壁的辐射室，所述辐射室配备有：至少一排基本竖向的管，至少包含要加热的所述烃原料以及蒸汽流体的混合物在所述管内循环，和用于加热所述管的多排燃烧器；-用于将所述混合物均匀地分配给所述管的装置。在所述重整装置中，50％被确定成具有最低温度的管配备有安装在所述管内的适于增大压降以减少分配到所述50％具有最低温度的管内的流体流的元件，所述元件被确定尺寸成使得在保持所述流体的总流量不变的情况下将增加的流量均匀地分配给其余的管。

Description

通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置
技术领域
本发明创造涉及包括流体加热的工艺过程，例如用于通过对烃原料进行蒸汽重整、烃裂化工艺过程和流体的加热来生产包含氢和碳氧化物的气体的工艺过程。
背景技术
虽然是在烃的蒸汽重整的背景下进一步说明本发明创造，但本发明创造并不限于供这些工艺过程使用。
蒸汽甲烷重整是一种广泛用于烃和/或一氧化碳的生产的方法。
蒸汽重整工艺是一种众所周知的用于烃重整的化学工艺过程。在该工艺过程中，轻质烃和蒸汽的混合物(称为混合给料或给料)在存在催化剂的情况下反应而形成氢、一氧化碳和二氧化碳。在该过程中观察到若干反应，在轻质烃——甲烷或天然气(NG)——的蒸汽重整中观察到的最重要的化学反应是甲烷的重整反应：
CH4+H2O<->CO+3H2
蒸汽甲烷重整(也已知为SMR)生成以氢(H2)和一氧化碳(CO)——在存在水蒸气的情况下——作为主要成分，但还以CO2作为次要成分、以CH4作为残留成分及以其它成分作为微量物质的混合物。
甲烷与蒸汽的以上重整反应是一种吸热和缓慢的反应；其发生要求热输入，以及催化剂。所实现的重整量取决于离开催化剂的气体的温度；在700℃-950℃的范围内、可能达1000℃的离开温度对于传统的烃重整而言是常见的。
SMR单元通常由形成排、安置在炉内、充填有催化剂(通常呈丸粒形 式)并被给送以甲烷和蒸汽的混合物的若干竖向管状反应器(或管)构成。
行业内普遍见到的若干典型炉设计主要为底部、侧面和顶部燃烧式设计；下面描述两种最常见的设计：
-顶部燃烧式重整装置设计，其中燃烧器位于炉的顶部。它是被提及得最多的设计之一并由若干技术提供商提出；
-侧向燃烧式重整装置设计，其中燃烧器在管的侧向位于辐射壁上。
该炉设计的主要目的是允许从燃烧器火焰到重整管的适当热传递，同时保持低于管设计温度。该温度取决于管的机械负荷(主要为给送气体压力)、合金的机械特性和管的期望寿命。
管在SMR炉运转的可靠性方面实际上是关键要素，因为它们的工作温度源于两个矛盾的目标之间的折衷：在提高的温度下更好的工艺性能和在受限的温度下良好的运转可靠性(保持低于设计温度)。
因此，管工作温度是炉运转的限制参数：重整装置必须在甚至保持最热的管低于设计温度的状态下运转。
图1至3示出典型的SMR炉。
图1示出典型的顶部燃烧式SMR炉101，其中衬有耐火材料的燃烧室102容纳有若干排竖向管103，炉顶燃烧器104在各管排之间被安置成排。管充填有催化剂。经入口集管进入的给料105(工艺流体混合物(CH4+H2O))被喷入管内，并在管内进行反应；工艺气体在管内从顶部经催化剂流到底部并经出口集管作为合成气离开。从燃烧器出来的燃烧产物106通常被竖直向下吹送，使得管排在它们的上部面对火焰，并且未示出的烟气收集器通常建造在炉底，其收集燃烧产物。
当燃烧室容纳有成排安置的许多管(多达数百个)时，并且由于用于构造约束——包括结构梁——的必要空间，每排管被分割成若干区段，可想到这些区段包含面对相同数量的燃烧器而同时接收相同的功率输入的不同数量的管；因此，一个管所接收的总加热功率(或管负载)对于所有管而言不相等，通常在中央区段中比在端部区段中低。
此外，位于管区段的端部的管比同一区段的其它管接收更多的热，其 原因在于端部管同与两个管相邻的那些管相比从更大的角扇区被加热。在侧向燃烧式炉上也可观察到这种传递特殊性，如下文所述。
图2示出典型的侧向燃烧式SMR炉201，该SMR炉由包含单排管203的衬有耐火材料的燃烧室202构成。燃烧器204在炉壁上的不同高度水平地对齐，因此水平和竖向地对齐；从燃烧器流出的燃烧产物(烟气)206被竖向向上地吹送。烟气排气收集器(未示出)建造在炉顶高度处。
图3a模拟了侧向燃烧式SMR 201中的燃烧产物的温度，显示了燃烧器204的对称分布使得燃烧产物(烟气)汇聚至各方形燃烧器的中心307，从而形成热点。在该汇聚点，流被迫朝管203进入垂直于耐火材料的再循环；因为刚好在火焰的下游，所以再循环气体极热，并使得在受冲击的管上形成热点308，这构成一个主要缺点。
考虑到以下几点：(1)管内的工艺气体与烟气流相对流地从燃烧室的顶部流到底部，(2)炉被设计成将工艺气体均匀地分配到所有管，和(3)工艺气体温度在其沿管长度向下流动期间升高；这对于各管而言导致管温度在炉的下部中普遍较高。因而，管在设计温度被超过的情况下受损的风险在管的该部分中较高。
这种对问题的诊断来源于模拟并且也通过实验的管温度测量数据得以确认。
图3b示出管温度并且显示了侧向燃烧式炉内存在的热点；可看到清楚的周期性图案，最热的管位于两排燃烧器之间的中间部分且冷管位于燃烧器的前方。
在侧向燃烧式炉的情况下，如上所述，由于烟气汇聚而引起的再循环效应意味着燃烧器列之间的管比位于燃烧器正前方的管被更多地加热。
对于顶部燃烧式炉而言，同样，构造约束意味着管负载对于燃烧室内的所有管而言都不相同。
已经作出了许多尝试来改善重整装置中的管加热的均匀性。
从FR 2 850 392获知一种用于烃原料的热处理的工艺过程，其中要处理的给料在交换管束内循环，所述交换管束接收由辐射式燃烧器散发的热； 燃烧器被水平地和竖向地成排安置，竖向燃烧分布被适配成获得所确定的加热分布。该方案的一个主要缺点是由于对现有设备的大幅改造而导致的高投资成本。
从EP1216955B获知一种在用于对烃流体或其它流体进行加热、重整或裂化的工艺过程中使用的可变热通量侧向燃烧式燃烧器系统的应用。为了灵活起见，燃烧器可分为多个区段，流量(流率)例如沿具有预定燃烧型式的穿孔板分布。该方案的一个主要缺点是由于对现有设备的大幅改造而导致的高投资成本；另外，该方案未避免再循环现象。
从FR 2 911 600获知一种用于在侧向燃烧式炉中对烃进行重整的工艺，其中各燃烧器的功率被调节，高功率燃烧器被安置在低功率燃烧器附近以便减少管上的热点的聚集。
从US 2008286706获知一种加热器和操作方法，其适于利用上壁式燃烧器中的低于化学计量比的燃烧和底(炉底)壁式燃烧器中的高于化学计量比的燃烧来使烃裂化，以实现沿整个工艺长度的最平顺(平缓)的分布。
然而，现有技术为了实现管的更均匀加热而提出的方案仅尝试缓和与燃烧室侧的热通量差异——燃烧器或烟气或它们两者。
此外，现有技术文献主要考虑管从顶部到底部的温度的不均匀，但未考虑管温度在各管之间的不均匀。因此，现有技术的方案无法解决重整装置的一些管相比于同一重整装置中的其它管过热的问题。
因此，需要一种确定炉内的最热管和最冷管并使所有管的温度均匀的方案；
-需要一种上述问题的解决方案，该解决方案可在新设备中的重整装置上和在规划停机期间的已有重整装置上实施；
-需要一种上述问题的解决方案，该解决方案是一种廉价的方案并且不会不利地影响生产。
实用新型内容
本发明创造的一个目的是降低最热的管的温度，并因此提高它们的寿 命和可靠性——不是通过减少所述管从外部接收的热，而是通过增加它们的冷却，归功于较多给料流入所述最热的管内，而同时最冷的管接收较少的给料流。由于催化剂管内的反应的吸热性，较多的给料流增加了最热的管的冷却，而较少的给料流减少最冷的管的冷却。因此，使管的温度均匀化(即，各管之间的管温差减小)。
本发明创造的另一目的是在保持低于温度设计的同时以更高的产品气体温度水平——即更高的性能——使炉运行。
本发明创造提出了一种在包括在炉内加热至少一种流体的工艺过程中通过减少各管之间的管温度的差异来使管温度在各管之间均匀的方法，所述炉包含具有辐射壁的至少一个辐射室，所述辐射室内的至少一排基本上竖向的管(管状反应器)使要加热的所述至少一种流体循环(流通)，并且其中所述辐射室配备有呈多排的形式使用的燃烧器，
其中，要加热的所述至少一种流体被均匀地分配给所述管，
其中，燃烧器加热所述管，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)为各个管确定管的温度，
b)选择50％根据步骤a)确定的具有最低温度的管，
c)使工艺过程停止，对在步骤b)中选择的各个管实行减少分配到所述管内的流体流的操作，
d)保持流体的总流量不变，由此将增加的(流体)流(流量)均匀地分配给其余的管。
步骤c)中的“使工艺过程停止”应理解为步骤c)的操作要在设备停机期间实现。它优选在试运转之前(即，在新设备的情况下在第一次起动之前)或在改造已有设备的情况下在规划停机期间实现。
本发明创造将管内的流体分配成减小各管之间的管温差。最热的管的温度降低，而最冷的管的温度升高。在已确定管温度的不均匀之后，调节流体流量。在不改变总流体流量的情况下，将流体经管的分配调节如下：为了提高所述50％最热的管内的流体流量，降低50％被较少地加热的管内 的流体流量。
管的数目N可以是奇数，这种情况下，50％具有最低温度的管应该是N+1个管的50％，其余50％具有最高温度的管在这种情况下为(N-1)/2个管；或者N-1个的50％，其余50％具有最高温度的管在这种情况下为(N+1)/2个。
由于本发明创造的通过分别调节各管内的工艺气体流量而使得从工艺过程的放热被调节成与从不均匀地燃烧的燃烧室产生的局部热传递相匹配来使燃烧式加热器的多管式反应器中的温度均匀的方法，可完成流量的调节以使得各管之间的温差减小，即暴露于较高热通量的管被供给以比接收较少热通量的管更多的工艺气体。
各管的温度可通过对炉在包括流体加热的所述工艺过程中的表现(运行状态)进行模拟来确定。可通过炉的详细的3D流体动力学计算来执行由管接收的加热功率的精确确定。各个管流量分布于是可被相应地设定为利用计算流体力学(CFD)分析计算出的各个管负载，以使得与平均值的流量偏离和与平均值的热通量偏离成比例。
也可通过利用高温计测量方式来测量各管的表面温度而确定各管的温度。通过在工业级炉部位测量管的表面温度，可单独地或除模拟之外还建立起实验温度分布。
优选地，使温差减小成使得最热的管与最冷的管之间的温差减小至少20％、优选30％、且更优选40％以上。
优选地，减少进入在步骤b)中选择的各管中的流体流的步骤c)的操作包括增大所述50％具有最低管温度的管的压降。
可通过安装特定元件来增大压降，所述元件在各个在步骤b)中选择的所述50％管的入口和/或出口端中或在入口和/或出口端处引起压降，所述引起压降的元件被确定尺寸成使得(流体)流分布(流量分布)为所述方法的步骤d)所要求的流量分布。
被安装成引起另外的压降、从而增大压降的所述元件基于校准(调定)孔口(calibrated orifice)并安装在各管的入口处。
该工艺过程可使用充填有催化剂的管。有利地，所述安装于在步骤b)中选择的各个具有最低温度的管内的元件可以是各管内的包括附加的催化剂床高度的、被单独调节的催化剂封装床。
或者，所述安装于在步骤b)中选择的各个管内的元件可以是各管内的被单独充填的催化剂封装床，其中催化剂床高度的一部分由与充填在未被选择的管内的催化剂相比具有更高的压降特性的不同种类的丸粒组成。
归结于任何以上安装的元件(或任何其它提供相同结果的元件)的单独或组合的实施的给料流量调节允许降低管温差。
降低管温差可保持平均温度不变，并因此延长管寿命——归功于最热的管的温度的降低和/或使炉以更高的温度水平运行，而保持最热的管的温度不变或稍微降低导致更高的性能。
本发明创造的方法的特别有利之处在于，所述工艺过程是通过利用充填有催化剂的管对烃原料进行蒸汽重整来生产合成气体的工艺过程，并且均匀地分配给各管的所述至少一种流体是至少包含所述烃原料以及蒸汽的混合物。
本发明创造的方法特别适合于侧向燃烧式炉，它在顶部燃烧式炉的情况下也是有利的，并且可用于任何类型包含管的重整装置中。
根据另一方面，本发明创造涉及一种适于应用上述方法的通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置，该重整装置至少包含：
-具有竖向辐射壁的辐射室，该辐射室配备有
·至少一排基本竖向的管，至少包含要加热的所述烃原料以及蒸汽流体的混合物在所述管内循环，和
·用于加热所述管的多排燃烧器，
-用于将所述混合物均匀地分配给所述管的装置，
所述重整装置的特征在于，根据所述方法选择的所述50％的管配备有安装在所述管内的适于增大压降的元件，所述元件被确定尺寸成使得流(量)分布为所述方法所要求的流分布。
根据一优选实施例，安装在所选择的管内的适于增大压降的所述元件 是基于安装在管的入口处的校准孔口的元件。
根据另一优选实施例，所安装的适于增大压降的所述元件是各管内的包括附加的催化剂床高度的、被单独调节的催化剂封装床。
附图说明
将参照附图通过利用侧向燃烧式重整装置进行蒸汽甲烷重整的示例来进一步描述和说明本发明创造，在附图中：
图4显示在施加根据本发明创造的调整之前各管的测定温度和模拟温度；
图5示出在施加根据本发明创造的调整之前的热管确定；
图6示出在不进行根据本发明创造的调整的情况下(i)和在根据本发明创造的调整进行之后(ii)各管的温度分布曲线；
图7示出在不进行根据本发明创造的调整的情况下和在进行根据本发明创造的调整的情况下合成气体的温度分布曲线；
图8至12示出50％根据本发明创造调整的管的上部，其中：
图8a、图8b、图8c示出在50％要根据该示例调整的管内实施的压降装置；
图9a和图9b示出要在侧向燃烧式炉中实施的压降装置的变型；
图10示出要在侧向燃烧式炉中实施的压降装置的另一变型；
图11示出顶部燃烧式炉的情况；
图12a和图12b示出适于侧向和顶部燃烧式炉的替代方案。
具体实施方式
下面的示例参照用于生产合成气体以进行最终CO生产的工业侧向燃烧式重整装置。该炉包含32个管(两个由16个管组成的区段)；改善生产CO的设备中的温度分布将允许提高工作温度(5至10℃)并因此使CO生产的效率更高或在相同的工作温度下提高管寿命。事实上，在大多数时间，CO设备的性能受工作温度限制。
图4显示当原料均匀地分布在各管内时32个管的温度。对于各管而言，存在通过以下方式获得的温度：
(1):在窥视孔高度的SMR3D计算；
(2):SMR3D计算max，其代表各管的最大管温度(也考虑了窥视孔引起的扰乱)；
(3):利用高温计进行的测量。
测定或计算出的值之间的比较表明，尽管有一些差异，还是观察到了类似的趋势。
图5示出从实施流量调节装置之前的计算结果提取的管负载规范化分布。确定了50％接受较高负载的管(16个管)并且选择对它们进行冷却(16个最冷的管将接收较小的工艺流)。
已通过计算来实现由管接收的热通量的这种确定；如上面在图4中可见，通过在操作期间利用高温计测量管的温度，也可确定相同的热管和冷管。
根据本发明创造，这些50％的管通过接收较高的给料流而被冷却。
如上所述，由于烟气汇聚而引起的再循环效应意味着位于各燃烧器列之间的管比位于燃烧器前方的那些管被更多地加热。这在图5中也清晰可见，其中中央水平线代表规范化的管负载(即，管负载除以整个燃烧室的平均负载)，这里最热的管往往位于两个燃烧器的中间，而最冷的管位于燃烧器的前方。
整个炉在不应超过设计温度的最热的管的约束下运转。
通过应用本发明创造的方法，各管内的工艺气体流的分布被调节以在保持总流量不变的同时减小管之间的温差：给送气体流量在被较多地加热的管内升高，而在被较少地加热的管内降低。
图6显示了通过(i)在不进行调整(各管内的流量相同)的情况下和(ii)在应用根据本发明创造的调整(调节后的流量)的情况下执行SMR3D模拟而获得的温度分布曲线。热点明显减少。
表1示出管温度的均匀化。
管温度 基准 调整后 △(基准-调整后)
最高温度[℃] 976 968 8
温差Tmax-Tmin[℃] 28 14 14
图7显示通过(i)在不进行调整(各管内的流量相同)的情况下和(ii)在应用根据本发明创造的调整(调节后的流量)的情况下执行SMR3D模拟而获得的合成气温度分布曲线。
表2示出合成气温度的均匀化。
合成气温度 基准 调整后 △(基准-调整后)
合成气平均温度[℃] 925 925 0
温差Tmax-Tmin[℃] 29 21 8
根据所执行的模拟：
-最高管温度Tmax降低8℃；
-预期良好的温度均匀化，温差(Tax-Tmin)被除以2(28℃→14℃)；
-对合成气产品流量无影响且对合成气温度(925℃)无明显影响。
这应当允许延长管寿命或使炉以更高的温度水平运行，即更高性能。
在本示例中，用于分别控制管内流量的本发明创造的方案是50％所确定的冷管内的差压降元件的实施。该实施是有利的，因为它允许对炉负荷的自适应。
以下提供对在该示例的情况下选择的方案的描述；可利用各种其它技术方案来实施本发明创造的步骤c)，并且下文将简要描述若干方案。
该示例的炉是通常的侧向燃烧式炉，其中各工艺管借助焊接的连接管道(下文称为管卡(hairpin))分别安装在共同的给料系统集管上。
为了控制工艺气体流量分布，在50％冷管内安装校准孔口以达到期望的压降。
如图8a至图8c所示，产生压降的装置811被安置在来自管卡的给料流812中，并固定在凸缘813上；校准孔口814实现期望的压降。这里，该方案在于对已有的保温(绝热)砌块815的金属支承件的改造，所述金属支承件出于本发明创造的目的被延长超过管卡连接部。然后利用固定螺 旋件816保持孔口支承件。利用陶瓷纤维密封件817在管卡连接部的下方实现紧密性。
在本示例的情形中已利用简单的流体力学关系将适当的附加压降估计为0.33巴，这大致对应于0,33/2的整个重整装置系统的附加压降。该估计值对应于处于高给料流量水平的管与处于低给料流量水平的管引起的压降之差。
已利用传统的压降法则确定校准孔口814的直径，并借助CFD模拟进行了检验。
将理解的是，不同类型的装置能够在管内产生适当的压降。
除上述装置外，可提出各种装置；一些装置适于在侧向燃烧式设计的燃烧室中实施，另一些在顶部燃烧式设计的燃烧室中实施，另一些在顶部和侧向燃烧式燃烧室中实施，以及任何其它类型的管状重整装置。
-如图9a所示，根据上述装置的一个变型(适于侧向燃烧式燃烧室)——其中期望的压降也借助安置在来自管卡的给料流中并固定在凸缘上的装置在集管的前方实现，利用与保温支承件915分离并阻塞在凸缘913之间的支承件911实现校准孔口914；利用陶瓷纤维密封件917来实现紧密性。
-根据图9b所示的另一变型，压降装置921可在连接部高度处安置在管卡管道922内。通过校准孔口924获得期望的压降；可利用紧配合(例如在安置在管卡连接部中之前浸入液氮中)来焊接或安装装置921。
-替代地，如图10所示，产生压降的装置可在于安置在重整管流中的具有一定数量校准孔口1014的穿孔板1011；该板可利用保温固定螺旋件1016或利用凸缘上特别设计的固定装置(例如焊接的金属杆)悬挂在凸缘1013上；在孔板的周缘，利用构成密封件的、缠绕在压降装置周围的陶瓷纤维织物1017获得避免旁通的紧密性。
-图11示出适于在顶部燃烧式重整装置中实施的压降装置1111，具有与凸缘的轴向引出线(pigtail)连接部1112。利用校准孔口获得期望的压降。这可通过调节上部板的直径或通过调节保温砌块的直径来实现。
-适于任何类型的管状重整装置的又一种调节管内的流量的方式是通过在置于重整管内的多孔介质内流动的工艺流体的摩擦来引起管内的期望压降。可通过以下方式来获得各管之间在压降方面的不同表现：
ο用两种不同的催化剂床来充填所述管，这将意味着在压降方面的两种不同表现；已被确定为接收过多负载、因此需要冷却的管可用传统的催化剂来充填，而已被确定为接收不足的负载、因此需要加热的管可充填引起增大的压降的单一类型的催化剂丸粒，或替代地充填具有用在管长度的一部分上的不同压降特性以使压降与期望值匹配的催化剂丸粒；
ο还可想象具有被设计成达到压降和流量分布规范的新丸粒形状的单一催化剂，或在管内的单一催化剂的情况下，可想象用取决于期望的压降和相对流量分布的或多或少的催化剂封装床来充填所述管。
-如图12a和图12b所示，又一种在各管之间在压降方面引起不同表现以调节管内的工艺流量的方式可以是在要求较低流量的管内在重整催化剂1220的上方增加几层较小的陶瓷珠子，其它管可保持不完整，因此意味着在压降方面两种不同的表现。附加层1221可安置在重整催化剂上方可用的自由空间中。附加珠子的直径可被调节成使得达到预期的压降。为了防止直径小的珠子由于重整催化剂丸粒之间的大间隙剩余空间而落下，和/或被高速喷射的给料流夹带并因此经受磨损，可使用不同的选择。例如，高压降珠子可安置在例如在图12a中示出的两层1222直径较大的陶瓷球之间，其中覆盖层1222旨在避免小球被给料喷射所夹带，小珠子与催化剂丸粒之间的界面层旨在限制颗粒在重整催化剂床中下落，在界面层的下方也可安置不锈钢分离网1223以确保小珠子留在催化剂的上方。根据另一选择，高压降珠子1221可安置在例如图12b所示的不锈钢网篮1224中以防止珠子1221在重整催化剂床1220中落下。
本发明创造的方法所产生的许多优点包括：
-本发明创造允许降低最高管温度，并因此延长它们的寿命；
-本发明创造也可允许提高炉效率；实际上，使用更热的炉，获得更好的性能。由于燃烧室的工作受最热的管限制，所以一旦各管之间的温差 减小，该工艺过程便可在较高的平均温度下工作；
-本发明创造在用于CO生产的蒸汽甲烷重整——其中温度对效率的影响非常重要——的情况下特别有利。

Claims (3)

1.一种用于通过烃原料的蒸汽甲烷重整来生产合成气体的重整装置，至少包括：
-具有竖向辐射壁的辐射室，所述辐射室配备有：
·至少一排基本竖向的管，至少包含要加热的所述烃原料以及蒸汽流体的混合物在所述管内循环，和
·用于加热所述管的多排燃烧器，
-用于将所述混合物均匀地分配给所述管的装置，
所述重整装置的特征在于，50％被确定成具有最低温度的管配备有安装在所述管内的适于增大压降以减少分配到所述50％具有最低温度的管内的流体流的元件，所述元件被确定尺寸成使得在保持所述流体的总流量不变的情况下将增加的流量均匀地分配给其余的管。
2.根据权利要求1所述的重整装置，其特征在于，安装在所选择的管内的适于增大压降的所述元件是基于安装在管的入口处的校准孔口的元件。
3.根据权利要求1所述的重整装置，其特征在于，所安装的适于增大压降的所述元件是各管内的包括附加的催化剂床高度的、被单独调节的催化剂封装床。
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