帶有可變的煙氣流的初級重整器的制作方法
技術領域
本發明涉及一種頂燃式的初級重整器以及用于利用水蒸氣在提高的壓力下催化重整碳氫化合物以制造合成氣體的方法。這種合成氣體例如用于制造氨、氫氣和甲醇。在此，初級重整器設計成使該初級重整器抵制在煙氣中產生有害氮氧化物。
背景技術：
用于利用水蒸氣催化重整碳氫化合物的反應器長久以來在許多實施方式中已知。在大型設備中采用下述結構方式，其中使用頂燃式的帶有豎直的反應管或裂解管的箱式爐。在此成列設置裂解管。過程氣體從上向下流過管子，該過程氣體構成輸入氣體。輸入氣體在此經過所謂的裂解過程。
氣體出口溫度通常在850℃以上。過程氣體在下部區域內(在爐子內或外)聚集在所謂的出口集流器內。在位于管列之間的“狹窄通道”內設置豎直向下燃燒的燃燒器。該區域稱為爐箱。在爐箱內的溫度平均在1000℃到1250℃之間。爐壁為了絕熱以及為了防護由于加熱而存在的高溫設有耐火的保護層。
爐室在其下部區域內具有用于匯集煙氣的腔以及許多基本上水平設置的互相平行的且與豎直的管子呈直角延伸的由墻構成的隧道，燃燒裝置設置在爐室內。產生的煙氣從上向下流過爐室，并且通過處在底部上的煙氣隧道被排出，所述煙氣隧道在側面上具有開口。
WO2005/018793A1描述一種利用水蒸氣在提高的壓力下將碳氫化合物催化重整成合成氣體的典型的爐系統和方法。為了更好地使煙氣流均勻并且為了使燃燒溫度均勻分布，隧道外壁使用特殊的結構。WO2006/119812A1描述一種用于利用水蒸氣將碳氫化合物催化重整成合成氣體的典型的爐系統和方法，帶有氧氣供給以適配化學計量，以及帶有特殊的設置在下游的多孔燃燒器以避免炭煙形成。
所有描述的重整系統的共同點是，燃燒裝置借助于通過爐室中的重整管加熱爐室，該燃燒裝置由許多設置在過程控制的反應管之間的燃燒器構成。用于爐室燃燒的燃燒器通常通過分開的通道供給燃氣和空氣。輸送燃氣到燃燒室在此和空氣輸送分開完成。氣體輸送到燃燒室內的通道通過耐火的爐襯或直接位于其前面。在此用于燃燒器的燃氣－空氣－比例通過節氣門或類似類型的用于調節空氣輸送的氣體流量的裝置控制。通過所述裝置可以控制燃燒器的燃燒，并且從而可以控制爐溫。
氧氣－燃氣－比例在工程上可以通過所謂的λ值描述。在使用氧氣和燃氣的化學計量學的摩爾比時，λ值等于1.0。在使用低于化學計量學的燃燒比例的氧氣份額時λ值小于1.0。在使用高于化學計量學的燃燒比例的氧氣份額時λ值大于1.0。因此當λ等于1.0時，燃燒是優化的。在常規設計中獲得各個燃燒器上的λ值，所述λ值可以隨著運行條件而波動，并且可以具有暫時提高的值。
這對燃燒過程產生不利的影響。后果可能是關于重整過程轉化方面的整體上的更高的燃氣消耗。在改變燃料時只能困難地將空氣輸送調節到已改變的化學計量量上。因此可能暫時導致不希望的火焰溫度的提高，并且隨著提高的空氣入流導致NOx表示的氮氧化物的加劇的形成。氮氧化物作為有害氣體在大氣中促成酸雨。
已知的是，在使用更有利的λ值時在燃燒器中顯著降低廢氣的氮氧化物NOx。也已知的是，在調節到較低的火焰溫度時廢氣的氮氧化物NOx含量顯著降低。這可以從有關已知的參考資料中得知。例如在此可以提及教材“The John Zink Combustion Handbook”,C.E.Baukel Jr.,CRC-Press,London New York,2001。所以優化地調節燃燒器的空氣－燃氣－比例以及在調節優化的λ值方面優化地控制燃燒對降低在制造合成氣體時的氮氧化物具有重要意義。
此外在一定運行狀態例如在部分負荷運行時在現有技術中描述的實施方式中存在下述問題，必須通過提高空氣過量提高產生的煙氣量，以便使設在重整器下游的加熱路程內的傳熱與整個設備的運行要求相適配。提高空氣過量對煙氣中氮氧化物的產生有不利影響。
WO2008/131832A1描述一種用于利用水蒸氣在提高的壓力下催化重整碳氫化合物的反應器，其具有一個反應室和一個燃燒室，在此作為反應室具有許多豎直的管子，所述管子成列設置并且適用于填充催化劑，還具有用于將需要重整的碳氫化合物和水蒸氣輸送到反應室內的裝置以及用于從反應室內導出重整的合成氣體的裝置。此外在此在燃燒室的上部區域內具有許多燃燒裝置，所述燃燒裝置能產生基本上向下定向的火焰，所述火焰適用于加熱上述反應管，其中給燃燒器輸送空氣的管子設有一個用于調節空氣流量的裝置，并且附加于所述管子裝有一個由此分支的次級空氣輸送裝置，該次級空氣輸送裝置可以以不同類型的實施方式構成并且具有一個可獨立控制的用于調節空氣流量的裝置，并且該次級空氣輸送裝置同樣給燃燒裝置輸送空氣，以便在燃燒器上產生較有利的燃氣與空氣的比例，并且從而可以實現氮氧化物低的廢氣。
這種實施方式的缺點在于，燃燒器本身必須非常昂貴地改裝，以便用上述用于空氣的次級進氣通道裝備所述燃燒器。
技術實現要素：
根據上面討論的問題，本發明的目的是，給出初級重整器的改進的結構，該結構不再具有所述的燃燒器實施方式的缺點，并且可以用所述結構確保優化的λ值，以便可以顯著降低有害的氮氧化物的形成。此外在一定運行狀態例如在初級重整器的部分負荷運行時應該確保優化地利用包含在煙氣中的熱量。
本發明通過一種用于利用水蒸氣在提高的壓力下催化初級重整碳氫化合物的反應器解決所述目的，該反應器具有裂解管系統和燃燒室，
●裂解管系統作為反應室具有許多豎直的管子和用于將需要重整的碳氫化合物和水蒸氣輸送到反應室內的裝置以及用于從反應室內導出重整的合成氣體的裝置，所述管子成列設置并且適用于填充催化劑，
●此外在燃燒室的上部區域內具有許多互相平行設置的燃燒裝置，
●所述燃燒裝置分別設置在裂解管之間，并且所述燃燒裝置由許多成列設置的燃燒器構成，
●燃燒器能產生基本上向下定向的火焰，
●所述火焰適用于加熱上述管子，
●各燃燒裝置通過輸送裝置被供給燃氣和空氣，空氣從相應輸送器排出，
●在燃燒室的下部區域內存在許多基本上水平設置的、互相平行的且與豎直的裂解管垂直延伸的、由陶瓷材料制成的煙氣隧道，用于通過在煙氣隧道的側壁內的開口排出煙氣，
●所述煙氣隧道分別配設于一列燃燒裝置，并且
●煙氣隧道在燃燒室的出口處通入到為了回收熱而設有熱交換器的裝置內，并且
●在每個單獨的煙氣隧道的端面沿著排出的煙氣的流動方向具有用于輔助氣體的輸送裝置，該輔助氣體不僅包含氧氣而且包含不可燃燒的氣體，以便引入到煙氣隧道內的輔助氣體在燃燒室的整個長度上流過煙氣隧道，并且
●每個單獨的用于輔助氣體的輸送裝置具有用于調節輔助氣體流的裝置。
在本發明的一種優選的實施方式中，設有從作為燃燒用空氣的空氣的空氣預熱路徑到用于輔助氣體的輸入位置的空氣分支。
在本發明的另一種優選的實施方式中，在從作為燃燒用空氣的空氣的空氣預熱路徑引出的空氣分支之后設有用于輔助氣體的增壓裝置。
本發明的任務也通過一種用于利用上述反應器利用水蒸氣在提高的壓力下催化初級重整碳氫化合物的方法，該反應器具有裂解管系統和燃燒室，
●在填充催化劑材料的裂解管系統內將需要重整的碳氫化合物利用水蒸氣轉化成合成氣體，
●借助于許多燃燒裝置加熱裂解管系統，各燃燒裝置分別設置在裂解管之間，并且所述燃燒裝置由許多成列設置的燃燒器構成，燃燒器能產生基本上向下定向的火焰，
●各燃燒裝置被供給燃氣和空氣，空氣從相應輸送器內排出，并且
●產生的煙氣從上向下流過燃燒室，并且在燃燒室的下部區域內通過在煙氣隧道的側壁內的開口進入到基本上水平設置的、互相平行的、與豎直的裂解管垂直延伸的且相應配屬于燃燒裝置的、由陶瓷材料制成的煙氣隧道內，并且
●煙氣在燃燒室的出口處引入到用于回收熱的裝置內，
●預熱的輔助氣體通過輸送裝置沿著排出的煙氣的流動方向在端面引入到每個單獨的煙氣隧道內，該輔助氣體不僅包含氧氣而且包含不可燃燒的氣體，以便引入到煙氣隧道內的輔助氣體在燃燒室的整個長度上流過煙氣隧道，并且
●相應調節相應輸送的輔助氣體量。
在本發明的一種實施方式中，空氣用作為輔助氣體。此外在設備組合體的情況下也能使用受污染的含氧氣流，在煙氣隧道內的高溫導致含氧氣流中污物的分解。也可以混合更多該種類的氣流。
輔助氣體量在本發明的一種實施方式中通過活門或閥門調節。此外有利的是，實施在全部空氣與用于煙氣隧道的輔助氣體的空氣之間的差量測量。
附圖說明
下面借助于3個附圖詳細解釋本發明。其中：
圖1一種初級重整器的按本發明的實施方式的橫剖面圖；
圖2有利地添加輔助氣體的工藝草圖；
圖3其它有利地添加輔助氣體的另一種工藝草圖；
圖4初級重整器的按本發明的實施方式的縱剖面圖；
圖5初級重整器的按本發明的實施方式的外視圖。
具體實施方式
在圖1中示出一種用于催化初級重整的反應器的按本發明的實施例的視圖，該反應器包括一個燃燒室1和一個裂解管系統，該裂解管系統由許多裂解管2構成，所述裂解管成列設置。在按規定運行期間所述裂解管2填充催化劑材料，并且被輸入氣體或合成氣體流過。此外在燃燒室1的頂部區域內成列設置許多燃燒器3，所述燃燒器在按規定運行期間加熱裂解管。在燃燒室1的下部區域內存在用于排出煙氣的煙氣隧道4，每列燃燒器配設一個這樣的煙氣隧道4。所述煙氣隧道4在側壁內具有用于引入由燃燒器3產生的煙氣的開口。每個燃燒器3與用于空氣5和燃氣的輸送裝置(未示出)連接，其中輸送到每個燃燒器3的空氣量可以是可調節的(未示出)。至此，在圖1中示出的實施方式涉及已知的現有技術。
按本發明，初級重整器具有用于輔助氣體6的輸送裝置，所述輸送裝置在燃燒室1的入口處通入到煙氣隧道4內。由此引入到煙氣隧道4內的輔助氣體完全流過所述煙氣隧道，并且從而達到與煙氣均勻的溫度，然后總氣流碰到熱交換器并且被用于例如預熱需要重整的氣體和/或用于加熱的空氣。
圖2和3示意地示出一種帶有爐箱的燃燒室1、鋪設在下面的煙氣隧道4、該煙氣隧道的匯集器7、以及從該匯集器內導出到煙囪9的煙氣通道8，此外示出空氣預熱的路徑以及煙氣的路徑(虛線)。
在圖2中，環境空氣10被抽取，并且在第一空氣預熱器11內略微預熱。然后它由輸送鼓風機12導引通過第二空氣預熱器13，在該第二預熱器內進一步加熱空氣，然后它到達兩個集成在煙氣通道8內的熱交換器14和15，被預加熱到對于初級重整器的燃燒器3(在圖2中未示出，為此見圖1)的運行必需的溫度。從這種用于燃燒器3的空氣內分支出輔助氣體。為了所述分支，在第二空氣預熱器13后或前的分支點16、在熱交換器14后的分支點17以及熱交換器15后的分支點18可選地可供使用。此外，輔助氣體可以直接在輸入燃燒器空氣后在分支點26上分支，并且通過延長部分24導入到用于輔助氣體6的輸送裝置內。預熱的輔助氣體19與剩余氣體20混合，并且引入到煙氣隧道4內。在此處按本發明導致氮氧化物降低。由煙氣隧道4導出的煙氣聚集在匯集器7內，并且通過煙氣通道8導引到煙囪9內。
在圖3中環境空氣同樣被抽吸，并且在第一空氣預熱器11內略微加熱。然后它如圖2一樣由一個輸送鼓風機12導引通過第二空氣預熱器13，在該第二空氣預熱器內進一步加熱空氣，然后它們在兩個集成在煙氣通道8內的熱交換器14和15內被加熱到對于初級重整器的燃燒器3的運行必需的溫度。然而輔助氣體21不由此分支，而是來自一個單獨的來源。它由一個輸送鼓風機22首先引入到預熱器23內，并且在它引入到煙氣隧道4內之前在那里被預熱。
不言而喻的是，輔助氣體可以在煙氣隧道內的另外的熱交換裝置內被預熱。此外不僅可以可選地而且可以結合地使用在圖2和圖3中示出的方法方案和裝置方案。下面借助于實施例詳細解釋本發明。
圖4和5涉及一種實施方式，其中，初級重整器具有空氣輸送裝置5，所述輸送裝置分別具有延長部分24，所述延長部分在燃燒室1的輔助氣體6的入口處通入到煙氣隧道4內。由此產生對于調節引入到煙氣隧道4內的空氣流量必需的裝置25。通過調節的可能性確保，在一定運行狀態例如在這樣的初級重整器部分負荷運行時，互相獨立地調節各燃燒器上的λ值和煙氣量，并且從而不僅可以使在燃燒室內產生的氮氧化物減小到最低程度，而且可以優化設在重整器下游的熱交換器上的傳熱。這相對于迄今的現有技術是顯著優點，在現有技術種在一定運行狀態例如在部分負荷運行時傳遞到其它介質上的熱量導致提高的氮氧化物排放。也就是說包含在輸送裝置5內的、在將各個燃燒器上的λ值調節到優化后仍然存在于輸送裝置5內的空氣被進一步引入到煙氣隧道4內，由此在優化的傳熱的同時實現在煙氣中產生的氮氧化物的降低。
在用于產生合成氣體的設備中按現有技術在改變用于重整的輔助氣體時通過λ值由1.1到1.25的空氣過量的提高，煙氣量提高。這在燃燒器測試結果后導致氮氧化物排放提高30％，從24ppm提高到34mm。在此涉及干燥的煙氣，該煙氣具有3％的氧氣含量。此時當通過輸送裝置5只有88％的燃燒用空氣導引到燃燒器3內，并且事先分支出來的12％在端面導引到煙氣隧道4內時，則燃燒器3上的λ值又調節到1.1，并且氮氧化物又降低到24ppm，雖然輸送到設置在下游的熱交換器內的煙氣量根據整個設備的運行需求被提高。在此也使用在全部空氣與用于輔助氣體的空氣之間的差量測量，以便比例隨時是已知的，并且可以對設備做希望的調節。
由本發明給出的優點在于：
●工藝和設備可以容易地集成和補充裝備到已有工業設備中。
●保證優化地利用在部分負荷時包含在煙氣中的熱能。
●使用本身已經建立的工藝。
●降低氮氧化物的產生，并且從而提高環保性。
●昂貴地處理含有氮氧化物的廢氣流不再是必需的，這整體上使設備更經濟。
附圖標記列表
1 燃燒室
2 裂解管
3 燃燒器
4 煙氣隧道
5 空氣的輸送裝置
6 輔助氣體
7 匯集器
8 煙氣通道
9 煙囪
10 環境空氣
11 第一空氣預熱器
12 輸送鼓風機
13 第二空氣預熱器
14 熱交換器
15 熱交換器
16 分支點
17 分支點
18 分支點
19 預熱的輔助氣體
20 剩余氣體
21 輔助氣體
22 輸送鼓風機
23 預熱器
24 空氣輸送裝置的延長部分
25 用于調節空氣流的裝置
26 分支點
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