ПЕРВИЧНЫЙ РИФОРМЕР С ВЕДУЩИМИ К ГОРЕЛКАМ ВТОРИЧНЫМИ ВПУСКНЫМИ КАНАЛАМИ
PRIMARY REFORMER WITH SECONDARY INLET CHANNELS DIRECTED TOWARD BURNERS

Изобретение относится к реактору каталитического риформинга углеводородов водяным паром при повышенной давлении, при котором получается синтез-газ. Такой синтез-газ служит, например, для получения аммиака, водорода и метанола.
Реакторы каталитического риформинга углеводородов водяным паром известны давно и известно множество их конструктивных решений. В случае больших установок признания добилась конструкция, в которой применяется отапливаемая потолочными горелками секционная печь с установленными отвесно реакционными трубами или шлицевыми трубами. При этом шлицевые трубы установлены рядами. Через трубы сверху вниз течет технологический газ, который образует загрузочный газ. При этом загрузочный газ подвергается так называемому процессу расщепления.
Температура выходящего газа обычно составляет 850°C и выше. Технологический газ в нижней зоне (внутри или снаружи печи) собирается в так называемых выходных коллекторах. В находящихся между рядами трубок "коридорах" расположены горелки, пламя которых направлено вертикально вниз. Эта зона называется коробкой печи. Образованный топочный газ протекает через печь сверху вниз и отводится через находящийся у пода печи так называемый туннель для топочных газов. Температуры в коробке печи составляют в среднем от 1000 до 1250°C. Стены печи для теплоизоляции и защиты от преобладающих из-за отопления высоких температур футерованы огнеупорным защитным слоем.
Обогреваемая печью реакционная камера имеет обычно множество газонепроницаемо закрытых вертикальных труб, которые расположены рядами и подходят для наполнения катализатором. Они служат для осуществления процесса и содержат устройства для подачи углеводорода для риформинга и нагретого до 650°C водяного пара в реакционную камеру, а также содержат устройства для отведения полученного при риформинге синтез-газа из реакционной камеры.
Газовое пространство печи, в котором расположены устройства отопления, имеет в нижней области пространства камеру для сбора топочных газов, а также множество выложенных кирпичом туннелей для отвода топочных газов, расположенных по существу горизонтально и идущих параллельно друг другу и перпендикулярно вертикальным трубам. Эти обложенные кирпичом туннели имеют по бокам отверстия, позволяющие выход топочных газов из газового пространства печи. Туннели обычно делают из материалов для кладки стен.
Документ WO2005/018793 A1 описывает типичную печную систему и способ каталитического риформинга углеводородов водяным паром в синтез-газ при повышенном давлении. Для лучшего выравнивания потока топочных газов и для более равномерного распределения температуры отопления применяется специальная конструкция наружных стен туннелей. Документ WO2006/119812 A1 описывает типичную печную систему и способ каталитического риформинга углеводородов водяным паром в синтез-газ с подачей кислорода для подгонки стехиометрии и со специальной дополнительно устанавливаемой пористой горелкой для предотвращения образования сажи.
Общее у всех описанных систем риформинга то, что устройство отопления, которое состоит из множества горелок, расположенных между технологическими реакционными трубами, обогревает газовое пространство печи с проходящими через него трубами для риформинга. Горелки, служащие для отопления газового пространство печи, обычно снабжаются горючим газом и воздухом по отдельным каналам. Подача горючего газа в пространство горелок при этом выполнена отдельно от подачи воздуха. Прохождение подач газа в пространство горелок осуществляется через огнеупорную футеровку печи или непосредственно перед ней. В использовавшихся до сих пор конструкциях отношение горючий газ-воздух для горелок регулировалось дроссельным клапаном или устройством подобного рода для регулирования расхода газа в воздушной подаче. Этим устройством можно контролировать разогрев горелок и тем самым температуру печи. Хотя эта конструкция эффективна, однако таит тот недостаток, что не позволяет хорошо регулировать локальную подачу воздуха к горелкам и иногда ведет к неблагоприятному отношению горючего газа к воздуху.
Отношение кислород/горючий газ технически можно описать так называемым коэффициентом избытка воздуха лямбда (коэффициент λ). При использовании стехиометрического мольного отношения кислорода к горючему газу получают коэффициент лямбда 1,0. При использовании кислорода в содержании ниже стехиометрического соотношении компонентов горения получают коэффициент лямбда, который ниже 1,0. При использовании кислорода в содержании выше стехиометрического соотношении компонентов горения получают коэффициент лямбда, который выше 1,0. Таким образом, горение оптимально, когда коэффициент лямбда равен 1,0. В обычных конструкциях в отдельных горелках получают коэффициент лямбда, который в зависимости от производственных условий может колебаться и временно иметь повышенные значения.
x
Это отрицательно влияет на процесс горения. Следствием является возможно в целом более высокий расход горючего газа в расчете на конверсию процесса риформинга. При замене топлива установить подачу воздуха на измененную стехиометрию можно лишь с большим трудом. Ввиду этого может произойти временное нежелательное повышение температуры пламени и, вместе с повышенным притоком воздуха, к усиленному образованию оксидов азота типа NO. Оксиды азота, как вредные для атмосферы вещества, способствуют выпадению кислотных дождей.
Поэтому задачей изобретения является улучшение подачи воздуха в систему горелок в том отношении, чтобы подачу воздуха в горелки в продолжение всего процесса можно было устанавливать оптимально. Это улучшает горение горючего газа и тем самым выход горючего газа в процессе риформинга. На отдельных горелках всегда следует устанавливать оптимальный коэффициент лямбда, чтобы температура пламени всегда имела только необходимый уровень. Благодаря этому можно заметно снизить или совсем предотвратить образование вредных оксидов азота.
Изобретение решает эту задачу при помощи реактора каталитического первичного риформинга углеводородов водяным паром при повышенном давлении с устройством отопления свода технологической печи риформера, причем
- устройство отопления обогревает теплоизолированное газовое пространство печи с газонепроницаемо закрытыми трубами для процесса риформинга в газовом пространстве печи, которые должны быть покрыты подходящим для процесса риформинга катализатором и через которые проводится газовая смесь для риформинга, и
- устройство отопления состоит из множества расположенных между трубами риформера горелок, и
- устройство отопления снабжается горючим газом и воздухом, и
- в каждой горелке для обоих газов имеются раздельные устройства подачи, которые расположены на одной прямой и могут перекрываться по отдельности или парами, и
- смешение обоих газов производится соответственно в горелке или непосредственно перед ней, и причем
- устройство подачи воздуха в каждую из горелок имеет главный впускной канал и дополнительный вторичный впускной канал, и
- оба впускных канала выполнены с устройствами, которые подходят для регулирования расхода газа, и причем
- каждый вторичный впускной канал ответвляется от соответствующего главного впускного канала за устройством регулирования расхода газа и образует другой канал, являющийся продолжением главного канала для воздуха, и
- отношение площадей сечения вторичного впускного канала и главного впускного канала перед ответвлением вторичного впускного канала составляет от 1:2 до 1:100.
При этом каждая горелка снабжается смесью горючий газ/воздух индивидуально, для обоих газов имеются отдельные устройства подачи, и главный канал подачи воздуха позволяет дополнительно подавать воздух к системе горелок через огнеупорную футеровку печи ("вторичный впускной канал"). Смешение горючего газа и воздуха всегда осуществляется в горелке.
В одной форме осуществления изобретения вторичные впускные каналы и главные впускные каналы выполнены с устройствами подачи, которые могут перекрываться по отдельности или парами.
В другой форме осуществления изобретения вторичные дроссельные клапаны могут обслуживаться непосредственно вместе с соответствующими главными дроссельными клапанами. Это позволяет обслуживающему персоналу отрегулировать обе подачи за один рабочий этап.
Предпочтительно все подводящие каналы ведут вниз в камеру сгорания и расположены на одной прямой. Направление подачи воздухозаборных каналов может в зависимости от типа конструкции печи быть наклонным или идти через ступеньки, чтобы обеспечить техническую осуществимость отопления. Устройства подвода воздуха в пространство горелок могут выть выполнены как щели в огнеупорной футеровке печи. Эта конструкция делает возможным точное распределение воздуха в камере горения. Факультативно и в зависимости от конструктивного оформления газового пространства печи эта щелевидная форма для оптимизации горения может быть выполнена также в виде турбулизатора или развилки с распределителями.
В следующих формах осуществления изобретения альтернативно:
- вторичные впускные каналы от места ответвления ведут вертикально вниз в камеру сгорания, или
- вторичные впускные каналы являются наклонными или имеют ступеньку, или
- вторичные впускные каналы во входной области горелок имеют форму щелей, или турбулизатора, или развилки.
Изобретение относится также к способу каталитического первичного риформинга углеводородов водяным паром при повышенном давлении с устройством отопления свода технологической печи риформера с применением устройства по изобретению. При этом предусматривается, что
- устройство отопления нагревает теплоизолированное газовое пространство печи с герметично закрытыми технологическими трубами риформера в газовом пространстве печи, которые должны быть покрыты подходящим для процесса риформинга катализатором и через которые проводится газовая смесь для риформинга, и
- устройство отопления состоит из множества расположенных между трубами для риформинга горелок, и
- устройство отопления снабжается горючим газом и воздухом, и
- в каждой горелке для обоих газов имеются раздельные устройства подачи, которые расположены на одной прямой и могут перекрываться по отдельности или парами, и
- смешение обоих газов производится всегда в горелке или непосредственно перед ней, и
- устройство подачи воздуха в каждую из горелок имеет главный впускной канал и дополнительный вторичный впускной канал, и
- оба впускных канала выполнены с устройствами, которые подходят для регулирования расхода газа, и
- причем каждый вторичный впускной канал ответвляется от соответствующего главного впускного канала за устройством регулирования расхода газа и образует другой канал, являющийся продолжением канала первичного воздуха, и
- отношение площадей сечения вторичного впускного канала и главного впускного канала перед ответвлением вторичного впускного канала составляет от 1:2 до 1:100,
- в качестве количественного отношения воздуха к горючему газу в смеси на выходе первичного впускного канала устанавливают постоянную стехиометрию (коэффициент лямбда (λ)) от 1,05 до 1,15.
Выход смеси воздух/горючий газ из первичного впускного канала также называется горелочным камнем.
3
4
Для осуществляемого согласно изобретению процесса первичного риформинга для нагревания предпочтительно используется смесь природный газ/воздух. В следующей форме осуществления процесса горелка вместо смеси природный газ/воздух обогревается смесью LPG/воздух. LPG-углеводородами обычно называют смесь C- и C-углеводородов, которые извлекают из соответствующей нефтяной фракции и которые легко сжижаются. В качестве горючего газа вместо природного газа или LPG подходят также и другие углеводороды, точка кипения которых предпочтительно лежит ниже комнатной температуры.
Благодаря описанному типу подачи вторичного воздуха в пламя, подача воздуха в горелки оптимизируется. Этим достигается в зависимости от управления оптимальное отношение воздуха к горючему газу и оптимальное управление пламенем. Благодаря этим мерам можно держать максимальную температуру пламени в печи относительно низкой.
В традиционных конструкциях для процесса риформинга обычно устанавливают в горелках коэффициент лямбда около 1,1. Однако это значение может колебаться в зависимости от производственных условий. При оформлении конструкции согласно изобретению вторичный впускной канал, в частности, можно открывать при повышенной подаче воздуха, чтобы дополнительный воздух проводился мимо главного выпускного канала. Этим можно локально держать коэффициент лямбда у горелочного камня постоянным и равным 1,05-1,15, даже если в пламени коэффициент лямбда установлен на значение 1,1-1,5.
В одной форме осуществления способа по изобретению регулирование отношения в смеси горючего газа к воздуху на выходе первичного впускного канала осуществляется регулированием расположенных во входной области дроссельных клапанов в подводящих каналах.
В следующей форме осуществления способа по изобретению газ для риформинга содержит метан и горячий водяной пар. Газ для риформинга в устройстве по изобретению может нагреваться до температуры 500-650°C отходящими газами горелок посредством теплообменных устройств в туннеле для вывода отходящих газов, вне газового пространства печи.
В следующей форме осуществления способа по изобретению воздух, требующийся для нагревания горелок, нагревается в теплообменных устройствах отходящими газами горелок до температуры 250-450°C. При этом отходящие газы используются в выпускном туннеле для отходящих газов ниже теплообменного устройства для нагрева газа риформинга, так что температура на выходе туннеля или дымовой трубы составляет, как правило, примерно 150-200°C.
Отвод газообразных продуктов горения производится через вышеупомянутый туннель для топочных газов из кирпича. Туннели имеют по бокам отверстия, чтобы сделать возможным выход топочных газов из газового пространства печи. Этими мерами во всем газовом пространстве печи обеспечивается эффективный отвод топочных газов. Обычно туннели делают из материалов для кирпичной кладки.
x
x
x
Преимуществом указанных форм осуществления является оптимальная установка отношения воздух/горючий газ в горелках и оптимальное управление горением с точки зрения установления оптимального коэффициента лямбда. Известно, что при использовании более благоприятных коэффициентов лямбда в горелочном камне содержание оксидов азота NO в отходящем газе заметно снижается. Известно также, что содержание оксидов азота NO в отходящем газе заметно снижается при установке более низкой температуры пламени. Это можно почерпнуть из известной справочной литературы, относящейся к данному вопросу. В качестве примера здесь следует указать работу "The John Zink Combustion Handbook", C.E. Baukel Jr., CRC-Press, London New York, 2001. Оксиды азота типа NO способствуют выпадению кислотных дождей.
Соответствующая изобретению форма осуществления горелок и системы подвода горючего газа и воздуха более точно поясняется на двух схемах, которые показывают участок печи для риформинга в виде сбоку, причем способ по изобретению не ограничен этими формами осуществления.
Фиг.1 показывает схему подачи воздуха и горючего газа к горелкам, начинающуюся с главного канала 1 подвода воздуха. От него отходят соответствующие отдельные каналы 2 для подвода воздуха к отдельным горелкам, из которых здесь для примера показано четыре. Индивидуальные главные каналы подачи воздуха могут управляться устройствами регулирования 3, перекрываемыми по отдельности и не зависящими друг от друга. Затем от этих каналов перед подачей в горелки ответвляются вторичные воздухозаборные каналы 4 по изобретению, которые также имеют перекрываемое отдельно и независимое регулировочное устройство 5. Главный канал подачи воздуха продолжается дальше как главный воздухозаборный канал. В него непосредственно перед горелкой вводится горючий газ 6. Система питания проходит через огнеупорную футеровку 7 печи, чтобы обеспечить направление факела 8 в газовое пространство печи. В результате этого отопления затем будут нагреваться предназначенные для реакции риформинга реакторные трубы 9.
Фиг.2 еще раз показывает систему подачи более детально. Показана также схема подачи воздуха и горючего газа в горелку, начинающаяся с главного канала 1 подвода воздуха. От него ответвляются отдельные каналы 2 подвода воздуха к отдельным горелкам (в целях наглядности здесь для примера показаны четыре). Индивидуальные главные каналы подачи воздуха могут управляться устройствами регулирования 3, перекрываемыми по отдельности и не зависящими друг от друга. Затем от этих каналов перед подачей в горелки ответвляются вторичные воздухозаборные каналы 4 по изобретению, которые также имеют перекрываемое отдельно и независимое регулировочное устройство 5. Главный канал подачи воздуха продолжается дальше как главный воздухозаборный канал. В него непосредственно перед горелкой через регулировочное устройство вводится горючий газ 6. Система питания проходит через огнеупорную футеровку 7 печи, чтобы обеспечить направление факела 8 в газовое пространство печи.
Список ссылочных позиций
1
главный канал подвода воздуха к системе горелок
2
главный канал подвода воздуха к отдельной горелке
3
устройство регулирования подвода воздуха главного впускного канала
4
вторичный впускной канал
5
устройство регулирования подвода воздуха вторичного впускного канала
6
подача горючего газа
7
прохождение через огнеупорную футеровку печи ("горелочный камень")
8
направление факела
9
трубы для риформинг-газа