[实用新型]用于执行吸热过程的炉子

说明书

本实用新型涉及一种用于执行吸热过程的炉子，该炉子包括：包含催化剂的、用于转化气态进料的多个工艺管，其中所述工艺管在该炉子内被布置成排，每排工艺管由此限定工艺管排；被布置成排的多个内燃烧器，每排内燃烧器被布置在工艺管排之间并平行于这些工艺管排，由此限定内燃烧器排；以及被布置成排的多个外燃烧器，每排外燃烧器被布置在工艺管排和炉壁之间并平行于该工艺管排和该炉壁，从而限定外燃烧器排。本实用新型特征在于，外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。

技术领域

本实用新型涉及一种用于执行吸热过程的炉子。特别地，本实用新型涉及一种用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其它吸热反应(如在外部加热反应器中的烃原料裂化)的炉子。

背景技术

SMR过程主要基于轻烃气体(诸如甲烷)的重整反应，在水蒸气存在的情况下，该反应生成氢气(H₂)和一氧化碳(CO)的混合物。反应高度吸热且缓慢，并且发生需要附加的热量输入以及催化剂。SMR反应器性能通常受到热传递而不是受到化学反应的动力学的限制。

在工业实践中，SMR反应器包括放置在炉子内的多个填充催化剂的工艺管。用于填充工艺管的催化剂介质包括粒料和结构化催化剂。工艺管被进给有包括甲烷和水蒸气的工艺气体混合物。工艺管由被放置为邻近工艺管的多个燃烧器加热。

现有技术中已知几种燃烧器构型，包括下烧式(也称为“顶烧式”)燃烧器、上烧式(也称为“底烧式”)燃烧器、侧烧式燃烧器和阶梯状壁布置燃烧器。

下烧技术是最常见的并且由几家技术提供商提出。下烧式炉通常由耐火材料衬里的炉膛(炉膛)制成，该炉膛包含几排催化剂填充的工艺管。吸热反应发生所需的热量由安装在炉膛顶的燃烧器提供。这种燃烧器在工艺管之间以被布置成排，并且沿着炉壁在炉侧处附加地布置成排。燃烧器的燃烧产物通常被竖直向下吹，使得工艺管道在其上部部分面对火焰。烟道气排气收集器设置在炉底板水平处。

上烧技术不太常见。这里燃烧器在炉膛的底板上被布置成排，竖直向上燃烧。同样，燃烧器在工艺管之间以被布置成排，并且沿着炉壁在炉侧处附加地布置成排。

炉子设计的目标是优化从燃烧器到工艺管道的热传递。热量从燃烧器火焰、炉壁和热烟道气传递。在这方面，必须考虑最大管道操作温度(MOT)。 MOT随几个因素的变化而变化，并且特别是随着管机械载荷(即进料气体压力)、用于工艺管制造的合金的机械性能以及暴露于蠕变和热老化的工艺管的期望寿命的变化而变化。

炉子中热分布不均匀将导致管中的一些比其他管更热，因使得炉子的性能受到最热管的温度的限制。所述最热管不应超过MOT。然而，该工艺的性能(除其他之外生产率、转化效率)取决于平均工艺管热通量和温度。最热的工艺管温度和平均工艺管温度之间的差异越小，炉子的工艺性能越好。因此，目的是尽可能达到炉子中热分布的均匀性。

以下解释与下烧式炉有关，但也适用于上烧式炉。在典型的下烧式炉中，在工艺管排之间被布置成排的燃烧器在两侧具有工艺管。布置在工艺管排和炉壁之间的燃烧器仅在燃烧器的一侧上具有工艺管。因此，工艺管之间的燃烧器排中的热传递需求是工艺管和炉子的耐火壁之间的燃烧器排中的热传递需求的两倍。因此，与布置在两个工艺管排之间的燃烧器(也称为“内燃烧器”或“内排燃烧器”或“IR燃烧器”或“IRB”)相比，布置在工艺管排和炉壁之间的燃烧器(也称为“外燃烧器”或“外排燃烧器”或“OR燃烧器”或“ORB”)理论上只需要50”的燃烧速率。在包括炉壁的热损失的情况下，与布置在工艺管排之间的IR燃烧器的所需燃烧速率相比，OR燃烧器的所需燃烧速率约为52％。同样的考虑适用于质量流率 Q，质量流率与燃烧速率直接相关，并且被定义为

Q＝ρSu

其中ρ是注入到燃烧器的流体的质量密度，S是燃烧器的横截面表面，以及u是通过(多个)燃烧器喷嘴注入的空气/燃料混合物的平均速度。