技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)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?xì)浠衔镆灾圃旌铣蓺怏w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(shè)計成使該初級重整器抵制在煙氣中產(chǎn)生有害氮氧化物。

背景技術(shù)：

用于利用水蒸氣催化重整碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)器長久以來在許多實施方式中已知。在大型設(shè)備中采用下述結(jié)構(gòu)方式，其中使用頂燃式的帶有豎直的反應(yīng)管或裂解管的箱式爐。在此成列設(shè)置裂解管。過程氣體從上向下流過管子，該過程氣體構(gòu)成輸入氣體。輸入氣體在此經(jīng)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(qū)域內(nèi)(在爐子內(nèi)或外)聚集在所謂的出口集流器內(nèi)。在位于管列之間的“狹窄通道”內(nèi)設(shè)置豎直向下燃燒的燃燒器。該區(qū)域稱為爐箱。在爐箱內(nèi)的溫度平均在1000℃到1250℃之間。爐壁為了絕熱以及為了防護(hù)由于加熱而存在的高溫設(shè)有耐火的保護(hù)層。

爐室在其下部區(qū)域內(nèi)具有用于匯集煙氣的腔以及許多基本上水平設(shè)置的互相平行的且與豎直的管子呈直角延伸的由墻構(gòu)成的隧道，燃燒裝置設(shè)置在爐室內(nèi)。產(chǎn)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(cè)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?xì)浠衔锎呋卣珊铣蓺怏w的典型的爐系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。WO2006/119812A1描述一種用于利用水蒸氣將碳?xì)浠衔锎呋卣珊铣蓺怏w的典型的爐系統(tǒng)和方法，帶有氧氣供給以適配化學(xué)計量，以及帶有特殊的設(shè)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(tǒng)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(shè)置在過程控制的反應(yīng)管之間的燃燒器構(gòu)成。用于爐室燃燒的燃燒器通常通過分開的通道供給燃?xì)夂涂諝?。輸送燃?xì)獾饺紵以诖撕涂諝廨斔头珠_完成。氣體輸送到燃燒室內(nèi)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?xì)猓諝猓壤ㄟ^節(jié)氣門或類似類型的用于調(diào)節(jié)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?xì)猓壤诠こ躺峡梢酝ㄟ^所謂的λ值描述。在使用氧氣和燃?xì)獾幕瘜W(xué)計量學(xué)的摩爾比時，λ值等于1.0。在使用低于化學(xué)計量學(xué)的燃燒比例的氧氣份額時λ值小于1.0。在使用高于化學(xué)計量學(xué)的燃燒比例的氧氣份額時λ值大于1.0。因此當(dāng)λ等于1.0時，燃燒是優(yōu)化的。在常規(guī)設(shè)計中獲得各個燃燒器上的λ值，所述λ值可以隨著運(yùn)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(chǎn)生不利的影響。后果可能是關(guān)于重整過程轉(zhuǎn)化方面的整體上的更高的燃?xì)庀?。在改變?nèi)剂蠒r只能困難地將空氣輸送調(diào)節(jié)到已改變的化學(xué)計量量上。因此可能暫時導(dǎo)致不希望的火焰溫度的提高，并且隨著提高的空氣入流導(dǎo)致NO_x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NO_x。也已知的是，在調(diào)節(jié)到較低的火焰溫度時廢氣的氮氧化物NO_x含量顯著降低。這可以從有關(guān)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(yōu)化地調(diào)節(jié)燃燒器的空氣－燃?xì)猓壤约霸谡{(diào)節(jié)優(yōu)化的λ值方面優(yōu)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(yùn)行狀態(tài)例如在部分負(fù)荷運(yùn)行時在現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)生的煙氣量，以便使設(shè)在重整器下游的加熱路程內(nèi)的傳熱與整個設(shè)備的運(yùn)行要求相適配。提高空氣過量對煙氣中氮氧化物的產(chǎn)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?xì)浠衔锏姆磻?yīng)器，其具有一個反應(yīng)室和一個燃燒室，在此作為反應(yīng)室具有許多豎直的管子，所述管子成列設(shè)置并且適用于填充催化劑，還具有用于將需要重整的碳?xì)浠衔锖退魵廨斔偷椒磻?yīng)室內(nèi)的裝置以及用于從反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)出重整的合成氣體的裝置。此外在此在燃燒室的上部區(qū)域內(nèi)具有許多燃燒裝置，所述燃燒裝置能產(chǎn)生基本上向下定向的火焰，所述火焰適用于加熱上述反應(yīng)管，其中給燃燒器輸送空氣的管子設(shè)有一個用于調(diào)節(jié)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(gòu)成并且具有一個可獨(dú)立控制的用于調(diào)節(jié)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(chǎn)生較有利的燃?xì)馀c空氣的比例，并且從而可以實現(xiàn)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(jìn)氣通道裝備所述燃燒器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上面討論的問題，本發(fā)明的目的是，給出初級重整器的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)確保優(yōu)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(yùn)行狀態(tài)例如在初級重整器的部分負(fù)荷運(yùn)行時應(yīng)該確保優(yōu)化地利用包含在煙氣中的熱量。

本發(fā)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?xì)浠衔锏姆磻?yīng)器解決所述目的，該反應(yīng)器具有裂解管系統(tǒng)和燃燒室，

●裂解管系統(tǒng)作為反應(yīng)室具有許多豎直的管子和用于將需要重整的碳?xì)浠衔锖退魵廨斔偷椒磻?yīng)室內(nèi)的裝置以及用于從反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)出重整的合成氣體的裝置，所述管子成列設(shè)置并且適用于填充催化劑，

●此外在燃燒室的上部區(qū)域內(nèi)具有許多互相平行設(shè)置的燃燒裝置，

●所述燃燒裝置分別設(shè)置在裂解管之間，并且所述燃燒裝置由許多成列設(shè)置的燃燒器構(gòu)成，

●燃燒器能產(chǎn)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?xì)夂涂諝?，空氣從相?yīng)輸送器排出，

●在燃燒室的下部區(qū)域內(nèi)存在許多基本上水平設(shè)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(cè)壁內(nèi)的開口排出煙氣，

●所述煙氣隧道分別配設(shè)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(shè)有熱交換器的裝置內(nèi)，并且

●在每個單獨(dú)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(nèi)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(dú)的用于輔助氣體的輸送裝置具有用于調(diào)節(jié)輔助氣體流的裝置。

在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中，設(shè)有從作為燃燒用空氣的空氣的空氣預(yù)熱路徑到用于輔助氣體的輸入位置的空氣分支。

在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式中，在從作為燃燒用空氣的空氣的空氣預(yù)熱路徑引出的空氣分支之后設(shè)有用于輔助氣體的增壓裝置。

本發(fā)明的任務(wù)也通過一種用于利用上述反應(yīng)器利用水蒸氣在提高的壓力下催化初級重整碳?xì)浠衔锏姆椒ǎ摲磻?yīng)器具有裂解管系統(tǒng)和燃燒室，

●在填充催化劑材料的裂解管系統(tǒng)內(nèi)將需要重整的碳?xì)浠衔锢盟魵廪D(zhuǎn)化成合成氣體，

●借助于許多燃燒裝置加熱裂解管系統(tǒng)，各燃燒裝置分別設(shè)置在裂解管之間，并且所述燃燒裝置由許多成列設(shè)置的燃燒器構(gòu)成，燃燒器能產(chǎn)生基本上向下定向的火焰，

●各燃燒裝置被供給燃?xì)夂涂諝猓諝鈴南鄳?yīng)輸送器內(nèi)排出，并且

●產(chǎn)生的煙氣從上向下流過燃燒室，并且在燃燒室的下部區(qū)域內(nèi)通過在煙氣隧道的側(cè)壁內(nèi)的開口進(jìn)入到基本上水平設(shè)置的、互相平行的、與豎直的裂解管垂直延伸的且相應(yīng)配屬于燃燒裝置的、由陶瓷材料制成的煙氣隧道內(nèi)，并且

●煙氣在燃燒室的出口處引入到用于回收熱的裝置內(nèi)，

●預(yù)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(dú)的煙氣隧道內(nèi)，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(nèi)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(yīng)調(diào)節(jié)相應(yīng)輸送的輔助氣體量。

在本發(fā)明的一種實施方式中，空氣用作為輔助氣體。此外在設(shè)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(nèi)的高溫導(dǎo)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(fā)明的一種實施方式中通過活門或閥門調(diào)節(jié)。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(xì)解釋本發(fā)明。其中：

圖1一種初級重整器的按本發(fā)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(fā)明的實施方式的縱剖面圖；

圖5初級重整器的按本發(fā)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(yīng)器的按本發(fā)明的實施例的視圖，該反應(yīng)器包括一個燃燒室1和一個裂解管系統(tǒng)，該裂解管系統(tǒng)由許多裂解管2構(gòu)成，所述裂解管成列設(shè)置。在按規(guī)定運(yùn)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(qū)域內(nèi)成列設(shè)置許多燃燒器3，所述燃燒器在按規(guī)定運(yùn)行期間加熱裂解管。在燃燒室1的下部區(qū)域內(nèi)存在用于排出煙氣的煙氣隧道4，每列燃燒器配設(shè)一個這樣的煙氣隧道4。所述煙氣隧道4在側(cè)壁內(nèi)具有用于引入由燃燒器3產(chǎn)生的煙氣的開口。每個燃燒器3與用于空氣5和燃?xì)獾妮斔脱b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(diào)節(jié)的(未示出)。至此，在圖1中示出的實施方式涉及已知的現(xiàn)有技術(shù)。

按本發(fā)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(nèi)。由此引入到煙氣隧道4內(nèi)的輔助氣體完全流過所述煙氣隧道，并且從而達(dá)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(yù)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(shè)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(nèi)導(dǎo)出到煙囪9的煙氣通道8，此外示出空氣預(yù)熱的路徑以及煙氣的路徑(虛線)。

在圖2中，環(huán)境空氣10被抽取，并且在第一空氣預(yù)熱器11內(nèi)略微預(yù)熱。然后它由輸送鼓風(fēng)機(jī)12導(dǎo)引通過第二空氣預(yù)熱器13，在該第二預(yù)熱器內(nèi)進(jìn)一步加熱空氣，然后它到達(dá)兩個集成在煙氣通道8內(nèi)的熱交換器14和15，被預(yù)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(yùn)行必需的溫度。從這種用于燃燒器3的空氣內(nèi)分支出輔助氣體。為了所述分支，在第二空氣預(yù)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(dǎo)入到用于輔助氣體6的輸送裝置內(nèi)。預(yù)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(nèi)。在此處按本發(fā)明導(dǎo)致氮氧化物降低。由煙氣隧道4導(dǎo)出的煙氣聚集在匯集器7內(nèi)，并且通過煙氣通道8導(dǎo)引到煙囪9內(nèi)。

在圖3中環(huán)境空氣同樣被抽吸，并且在第一空氣預(yù)熱器11內(nèi)略微加熱。然后它如圖2一樣由一個輸送鼓風(fēng)機(jī)12導(dǎo)引通過第二空氣預(yù)熱器13，在該第二空氣預(yù)熱器內(nèi)進(jìn)一步加熱空氣，然后它們在兩個集成在煙氣通道8內(nèi)的熱交換器14和15內(nèi)被加熱到對于初級重整器的燃燒器3的運(yùn)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(dú)的來源。它由一個輸送鼓風(fēng)機(jī)22首先引入到預(yù)熱器23內(nèi)，并且在它引入到煙氣隧道4內(nèi)之前在那里被預(yù)熱。

不言而喻的是，輔助氣體可以在煙氣隧道內(nèi)的另外的熱交換裝置內(nèi)被預(yù)熱。此外不僅可以可選地而且可以結(jié)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(xì)解釋本發(fā)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(nèi)。由此產(chǎn)生對于調(diào)節(jié)引入到煙氣隧道4內(nèi)的空氣流量必需的裝置25。通過調(diào)節(jié)的可能性確保，在一定運(yùn)行狀態(tài)例如在這樣的初級重整器部分負(fù)荷運(yùn)行時，互相獨(dú)立地調(diào)節(jié)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(nèi)產(chǎn)生的氮氧化物減小到最低程度，而且可以優(yōu)化設(shè)在重整器下游的熱交換器上的傳熱。這相對于迄今的現(xiàn)有技術(shù)是顯著優(yōu)點，在現(xiàn)有技術(shù)種在一定運(yùn)行狀態(tài)例如在部分負(fù)荷運(yùn)行時傳遞到其它介質(zhì)上的熱量導(dǎo)致提高的氮氧化物排放。也就是說包含在輸送裝置5內(nèi)的、在將各個燃燒器上的λ值調(diào)節(jié)到優(yōu)化后仍然存在于輸送裝置5內(nèi)的空氣被進(jìn)一步引入到煙氣隧道4內(nèi)，由此在優(yōu)化的傳熱的同時實現(xiàn)在煙氣中產(chǎn)生的氮氧化物的降低。

在用于產(chǎn)生合成氣體的設(shè)備中按現(xiàn)有技術(shù)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(jié)果后導(dǎo)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(dāng)通過輸送裝置5只有88％的燃燒用空氣導(dǎo)引到燃燒器3內(nèi)，并且事先分支出來的12％在端面導(dǎo)引到煙氣隧道4內(nèi)時，則燃燒器3上的λ值又調(diào)節(jié)到1.1，并且氮氧化物又降低到24ppm，雖然輸送到設(shè)置在下游的熱交換器內(nèi)的煙氣量根據(jù)整個設(shè)備的運(yùn)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(shè)備做希望的調(diào)節(jié)。

由本發(fā)明給出的優(yōu)點在于：

●工藝和設(shè)備可以容易地集成和補(bǔ)充裝備到已有工業(yè)設(shè)備中。

●保證優(yōu)化地利用在部分負(fù)荷時包含在煙氣中的熱能。

●使用本身已經(jīng)建立的工藝。

●降低氮氧化物的產(chǎn)生，并且從而提高環(huán)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(shè)備更經(jīng)濟(jì)。

附圖標(biāo)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(huán)境空氣

11 第一空氣預(yù)熱器

12 輸送鼓風(fēng)機(jī)

13 第二空氣預(yù)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(yù)熱的輔助氣體

20 剩余氣體

21 輔助氣體

22 輸送鼓風(fēng)機(jī)

23 預(yù)熱器

24 空氣輸送裝置的延長部分

25 用于調(diào)節(jié)空氣流的裝置

26 分支點