具有改進(jìn)的燃燒器布置結(jié)構(gòu)的用于吸熱方法的設(shè)備技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于執(zhí)行吸熱方法的爐，所述爐包括包含用于轉(zhuǎn)化氣態(tài)給料的催化劑的管，其中各管成排定位于所述爐內(nèi)，其中燃燒器安裝在所述管之間和所述管與平行于管排的爐壁之間，并且其中燃燒器排和管排以端壁結(jié)束并且被分隔成多個(gè)區(qū)段，其中從端部燃燒器到所述端壁的距離為B2W，所述區(qū)段中的兩個(gè)相鄰燃燒器之間的距離為B2B，并且兩個(gè)區(qū)段之間的距離的一半為B2S，其中，各排中的所述燃燒器以這樣的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，從而限制火焰合并現(xiàn)象的發(fā)生并且顯著減小管溫度分布的均方值。

Apparatus for absorbing heat with improved burner arrangement structure

The invention relates to a method for carrying out endothermic furnace, the furnace includes feeding the catalyst for conversion of gas pipe, wherein the pipe into the scheduled located in the furnace, the burner is installed between the tube and the tube and parallel to the furnace wall tube, and burner exhaust end to end wall and tube row and is divided into a plurality of sections, one to the end wall of the distance from the end of the burner is B2W, between the two adjacent section of the burner in the distance of B2B, and half the distance between two sections of the B2S, wherein, the burner in each row the arranged in such a way that the ratio of B2B/B2W and B2B/B2S is greater than 1.3, the mean square value so as to limit the phenomenon with flame and significantly reduce tube temperature distribution.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
具有改進(jìn)的燃燒器布置結(jié)構(gòu)的用于吸熱方法的設(shè)備
本專利技術(shù)涉及用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其它吸熱反應(yīng)如烴原料在外部燃燒式反應(yīng)器中裂化的頂燃或底燃爐的設(shè)計(jì)。
技術(shù)介紹
SMR工藝/方法主要基于在存在水蒸氣的情況下產(chǎn)生氫(H2)與一氧化碳(CO)的混合物的諸如甲烷的輕質(zhì)烴的重整反應(yīng)。該反應(yīng)吸熱且緩慢并且需要另外的熱輸入以及催化劑的出現(xiàn)。通常，SMR反應(yīng)器性能受傳熱而不是受反應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能限制。在工業(yè)實(shí)踐中，SMR反應(yīng)器通常包括置于爐內(nèi)的管，所述管充填有通常呈球丸形式的催化劑并且被供給以甲烷與蒸氣的工藝氣體混合物。若干驗(yàn)證的構(gòu)型可用于如圖1所示的爐設(shè)計(jì)，其存在頂燃(也稱為下燃)、底燃(也稱為上燃)、側(cè)燃和梯狀壁。頂燃技術(shù)是被引用最多的設(shè)計(jì)之一并且它由若干技術(shù)提供商提出。頂燃爐通常由包含多排包含催化劑的管的襯有耐火材料的燃燒室組成。發(fā)生吸熱反應(yīng)所需的熱由成排放置在管之間的爐頂燃燒器提供，并且還由沿爐壁的位于爐側(cè)面的多排另外的爐頂燃燒器提供。離開燃燒器的燃燒產(chǎn)物通常被豎直向下吹送，使得管排在它們的上部面對火焰。在爐底層面通常設(shè)置有煙氣排氣收集器。底燃技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)備中不常見。根據(jù)底燃技術(shù)，燃燒器成排布置在管排之間的燃燒區(qū)域的地板上并且豎直向上燃燒。這種重整裝置具有幾乎恒定的沿管的熱通量分布(profile)。該爐設(shè)計(jì)(也稱為燃燒室設(shè)計(jì))的主要目的在于在考慮管最高工作溫度約束的同時(shí)最大限度地減少從燃燒器傳遞到管的熱——其來自燃燒器火焰并且還來自壁和熱煙氣。管最高工作溫度或MOT(也稱為最大工作約束或MOT)取決于多種因素，并且特別是取決于管機(jī)械負(fù)荷(主要是供給氣體壓力)、用于管的合金的機(jī)械特性以及暴露于蠕變和熱老化的管的期望使用壽命。向管的傳熱的任何強(qiáng)化通過提高生產(chǎn)率或通過改善就資本開支而言有價(jià)值的燃燒室的緊湊性而具有直接的積極影響。然而，傳熱的強(qiáng)化通常意味著更高的管表面溫度水平，其縮短了管使用壽命或需要昂貴得多的更耐久的合金。爐內(nèi)的熱負(fù)荷分布的均勻性的缺乏將引起一些管比另一些管熱，因此管的溫度分布是爐設(shè)計(jì)和工作期間的關(guān)鍵要素。當(dāng)尋求性能與耐久性之間的良好折衷時(shí)，管溫度分布提供決策信息；良好的折衷實(shí)際上是必要的。在操作期間，爐的性能因此受最熱的管的溫度限制；它應(yīng)當(dāng)比MOT熱。同時(shí)，工藝性能——即生產(chǎn)率或轉(zhuǎn)化效率——取決于平均管熱通量和溫度。因此，最熱管溫度與平均管溫度之間的差別越小，爐性能越好。為了簡單，以下說明主要針對頂燃爐做出。然而，應(yīng)指出，大部分附圖和說明同樣適用于底燃爐。在這種爐中，催化劑管成排設(shè)置在爐內(nèi)。給料經(jīng)管的頂部供給；包含作為主要成分的氫和一氧化碳以及殘留物的所產(chǎn)生的合成氣體在管的底部被提取。燃燒器成排設(shè)置在管排之間和管與壁之間。經(jīng)排氣通道萃取得到的煙氣。管和燃燒器的大量數(shù)量使得有必要增加頂梁以支承該結(jié)構(gòu)并且確保爐的安全；所述支承梁將各排分隔為多個(gè)部分(也稱為區(qū)段或跨度(架間，bay))。圖3示出頂燃爐的俯視圖，該頂燃爐具有8排54個(gè)管——其各自都被組織在各18個(gè)管的3個(gè)區(qū)段(或跨度)中——和9排12個(gè)燃燒器——其也布置在各4個(gè)燃燒器的3個(gè)區(qū)段中并且平行于管排。各排燃燒器以壁(沿Y軸的壁也被標(biāo)識(shí)為“端壁”)結(jié)束。對于全部各排燃燒器，與端壁對向的端部燃燒器被標(biāo)識(shí)為“壁端燃燒器”。各區(qū)段要么以端壁要么以分隔兩個(gè)相鄰區(qū)段的對稱平面結(jié)束。最接近對稱平面的端部燃燒器被標(biāo)識(shí)為“對稱端燃燒器”。這種區(qū)段的分隔引發(fā)不相似的火焰射流邊界條件，從而引起射流朝區(qū)段的中心合并。在全部說明中，用語“燃燒器排”應(yīng)理解為“平行于管排的燃燒器排”，各排的方向也被標(biāo)識(shí)為X軸；垂直于管排(沿Y軸)的燃燒器排在必要時(shí)將被明確地標(biāo)識(shí)為“垂直于管排的燃燒器排”或“平行于Y軸的排”。在燃燒器以平行于管排的排擺放的本專利技術(shù)所涉及的爐中，對于各燃燒器而言，由該燃燒器形成的火焰的方向受與附近的同向流動(dòng)射流的相互作用和壁(如果有的話)的存在影響。在下文中，僅平行于管排(沿X軸)的一排燃燒器內(nèi)的火焰射流相互作用將通過本專利技術(shù)處理。應(yīng)指出，全部平行于管排的一排燃燒器以相同功率工作，對于垂直于管排的一排燃燒器而言情況并非如此。現(xiàn)有技術(shù)且特別是US7686611、US2011/0220847、US2007/0128091、US2015/0217250已經(jīng)考慮垂直于管排(沿Y軸)的一排燃燒器內(nèi)的火焰射流相互作用的情況，并且因此本專利技術(shù)中未考慮該方向特有的問題。然而，平行于管排的一排燃燒器內(nèi)的火焰射流相互作用的問題也產(chǎn)生現(xiàn)有技術(shù)尚未解決的問題，并且本專利技術(shù)旨在著重于沿X軸的各排燃燒器的表現(xiàn)并且旨在改善這種表現(xiàn)；更具體地，本專利技術(shù)旨在帶來沿X軸的管加熱缺乏均勻性的解決方案。現(xiàn)在考慮離開壁端燃燒器的火焰射流；其表現(xiàn)得像流體射流一樣：相鄰的火焰射流上方的火焰射流必須經(jīng)沿相同方向流動(dòng)的外部流體流噴射；另一方面，端壁上方的火焰射流在端壁附近的局部速率必定等于零。這些不相似的邊界條件引發(fā)相對于射流軸線的火焰射流偏轉(zhuǎn)。此外，各排中的大量管和/或燃燒器引發(fā)爐內(nèi)使得有必要增加支承梁以確保爐的安全的幾何約束；所述支承件因此發(fā)生在分隔周期性重復(fù)的多個(gè)區(qū)段中的各排的空隙(或空間)中。該分隔引發(fā)影響射流火焰的另外不相似的邊界條件，從而引起最接近所述支承件的對稱端燃燒器的射流軸線兩側(cè)的速率變化。這意味著由一排中的不同燃燒器產(chǎn)生的射流火焰根據(jù)它們在該排中的位置而承受不同影響，并且因此各管根據(jù)它們在該排中的位置而接收不同熱量。為了說明這種現(xiàn)象，已利用用于計(jì)算燃燒室與筒狀催化反應(yīng)器之間的傳熱的3-D計(jì)算流體力學(xué)(CFD)解算器做出數(shù)值模擬。為此，定義頂燃式SMR爐“典型跨度”；所定義的“典型跨度”將必須“代表”上述重復(fù)區(qū)段(或跨度)，并且還必須考慮壁或?qū)ΨQ平面的存在。模塊化標(biāo)準(zhǔn)重整裝置于是將由一定數(shù)量的典型跨度的組件組成以實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)備能力。取決于各排中的管和燃燒器的數(shù)量和/或另外的幾何約束，各種數(shù)量的燃燒器和管可存在不同類型的“典型跨度”。然而，應(yīng)指出，本專利技術(shù)就燃燒器的數(shù)量而言或就管的數(shù)量而言或就該區(qū)段的端部類型(端壁或分離相鄰區(qū)段的空隙)而言適用于全部類型的區(qū)段。此類典型跨度在圖4中示出。為簡單起見，以下說明關(guān)于由通過相同功率的兩排四個(gè)燃燒器加熱的18個(gè)管的子集組成的典型跨度做出，其中端壁位于該跨度的一端且對稱平面位于該跨度的第二端。圖5a示出歸因于接近壁的火焰射流的偏轉(zhuǎn)和分隔相鄰區(qū)段的空隙的射流火焰合并效果。射流火焰朝跨度中間的合并引發(fā)向重整管的不均勻傳熱；典型跨度的中間的管如圖5b中的3-DCFD結(jié)果所示達(dá)到更高的表面溫度。在所提出的情形中，典型跨度內(nèi)的最大表面溫度值與最小表面溫度值之差達(dá)到30℃。因此，存在沿管排的加熱缺乏均勻性的問題，并且本專利技術(shù)旨在通過限制沿管排合并的射流火焰來解決頂燃式SMR(以及底燃式SMR)中的熱通量均勻性的控制這個(gè)問題。專利技術(shù)人已發(fā)現(xiàn)，燃燒器布置在一排中的方式、燃燒器、端壁和對稱平面之間的多個(gè)距離并且更具體地一些特定距離比率對于避免火焰射流的合并非常重要。感興趣的這些距離在圖6中示出；該圖示出與圖4中相同的典型跨度，其中兩排四個(gè)燃燒器位于18個(gè)對齊的管的側(cè)面。在該圖中還示出了已發(fā)現(xiàn)是關(guān)鍵參數(shù)的距離，即：-B2B是該跨度中的兩個(gè)相鄰燃燒器之間的距離；-B2W是端本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于執(zhí)行吸熱方法的爐，所述爐包括包含用于轉(zhuǎn)化氣態(tài)給料的催化劑的管，其中各管成排定位于所述爐內(nèi)，其中燃燒器安裝在所述管之間和所述管與平行于管排的爐壁之間，并且其中燃燒器排和管排以端壁結(jié)束并且被分隔成多個(gè)區(qū)段，其中從端部燃燒器到所述端壁的距離為B2W，所述區(qū)段中的兩個(gè)相鄰燃燒器之間的距離為B2B，并且兩個(gè)區(qū)段之間的距離的一半為B2S，其特征在于，各排中的燃燒器以這樣的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，從而限制火焰合并現(xiàn)象的發(fā)生并且顯著減小管溫度分布的均方值。

【技術(shù)特征摘要】
2015.12.15 EP 15307007.31.一種用于執(zhí)行吸熱方法的爐，所述爐包括包含用于轉(zhuǎn)化氣態(tài)給料的催化劑的管，其中各管成排定位于所述爐內(nèi)，其中燃燒器安裝在所述管之間和所述管與平行于管排的爐壁之間，并且其中燃燒器排和管排以端壁結(jié)束并且被分隔成多個(gè)區(qū)段，其中從端部燃燒器到所述端壁的距離為B2W，所述區(qū)段中的兩個(gè)相鄰燃燒器之間的距離為B2B，并且兩個(gè)區(qū)段之間的距離的一半為B2S，其特征在于，各排中的燃燒器以這樣的方式布置：比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.3，從而限制火焰合并現(xiàn)象的發(fā)生并且顯著減小管溫度分布的均方值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐，其特征在于，所述比率B2B/B2W和B2B/B2S大于1.6且優(yōu)選大于1.8。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的爐，其特征在于，所述比率B2B/B2W和B2B/B2S相等。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的爐，其特征在于，所述燃燒器安裝在爐頂上。5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的爐，其特征在于，所述燃燒器安裝在所述爐的地板上并且豎直向上地燃燒。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的爐，所述爐...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：F·卡米佩雷，J·康塞斯，D·圖多拉施，
申請(專利權(quán))人：喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：法國,FR