用于执行吸热过程的炉子的制作方法

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。

考虑到or燃烧器的较低燃烧速率(以及因此较低的质量流率)，or燃烧器的功率可以被降低，例如，通过使用与ir燃烧器设计相同或至少相似的or燃烧器设计，并且节流提供给or燃烧器的燃烧空气和/或燃料的量。“or”燃烧器和“ir”燃烧器的质量流率之间的最终差异通过以下等式表示

qorb＝αqirb

其中，qorb是外排燃烧器的质量流率，qirb是内排燃烧器的质量流率，以及α是外排燃烧器和内排燃烧器之间的流量比，其中0<α<1。

因此，对于or燃烧器相对于ir燃烧器的燃烧速率的52％的“理想”燃烧速率，并且假定流体的质量密度和燃烧器的横截面表面积相等，or燃烧器喷嘴处的流(燃烧空气和燃料)的速度相对于ir燃烧器流的速度也仅为52％，通过以下等式表示：

uorb＝αuirb

其中，uorb是通过外排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度，并且uirb是通过内排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度。

燃烧器火焰的平行射流行为在很大程度上受其相对动量通量j的影响，动量通量由以下等式定义：

j＝ρsu²

结果，由于or燃烧器的燃烧器喷嘴处的速度相比于ir燃烧器更低，or燃烧器的燃烧产物流的动量通量也将显著低于ir燃烧器的燃烧产物流的动量通量。然而，具有更高动量通量的射流将吸引具有更低动量通量的射流，使得ir燃烧器的火焰射流将吸引or燃烧器的火焰射流。这一点的原因是，ir燃烧器的更高的动量通量将在ir燃烧器的顶部附近的燃烧器排放区域处形成比or燃烧器的顶部处存在的更低的静压区。静压差导致来自or燃烧器的燃烧产物流向炉膛的中心，这种现象称为ir和or燃烧器火焰的“火焰弯曲”。由于热量因此被传递朝向炉膛的中心，管的外排，即最靠近炉壁的排，发现它们自己被相对于管的内排加热。为了补偿朝向内排管传递的热量，or燃烧器通常以高于52％，通常为ir燃烧器的燃烧速率的60％至80％的燃烧速率操作。然而，当火焰之间发生这种相互作用时，无论负载水平如何，都难以平衡工艺管排之间的热负荷。

所提出的上述问题的解决方案是使用具有较小出口尺寸的or燃烧器(sorb<sirb)，并且同时增加外排燃烧器的速度(uorb>uirb)，从而为内排燃烧器和外排燃烧器产生均匀的动量通量(jorb＝jirb)。因此，us2015/0239736a1教导将or燃烧器排放速度修改为高于ir燃烧器的排放速度。“or”燃烧器的排放速度通过减小用于“or”燃烧器的燃烧器排放流限制的面积来增加。减小的流动面积将相对于ir燃烧器增加or燃烧器中所需的燃烧空气压力，这可以通过修改炉子的燃烧空气供应系统来实现。可替代地，通过对ir燃烧器的设计修改，可以消除or燃烧器和ir燃烧器之间燃烧空气压力差异的必要性。因此，在us2015/0239736a1中提出的解决方案要么需要对炉子的燃烧空气供应系统进行修改，要么需要对ir燃烧器进行设计修改。

us7,686,611b2披露了一种用于在炉子中生成直火焰的方法和设备。该方法和相对应的设备包括添加氧化剂导管以将氧化剂引到燃料。

us5,795,148试图解决不稳定火焰模式的问题，并发现炉子外部的风是该问题的贡献因素。因此，us5,795,148教导了一种控制由炉子燃烧器接收的空气量并提供走向燃烧器的均匀空气压力的设备。

根据ep2369229，多个氧化剂和燃料导管被添加到燃烧器中，以便修改火焰的行为。

ep2708812a1提出了一种用于上烧式重整器的解决方案，其中or燃烧器应该被定位为靠近炉壁，以防止朝向ir燃烧器火焰的or燃烧器火焰弯曲。orb应被定位为足够靠近相邻壁，使得科恩达效应力克服由ir线燃烧器射流夹带的or燃烧器射流。

所有提出的解决方案需要对燃烧系统进行重要修改，是对燃烧器本身或者对燃烧器分配歧管。进一步的缺点是需要不同的燃烧器类型、调试前至少要测试两个不同的燃烧器，当使用不同的燃烧器时压降控制方面的困难，以及燃烧器流的分配系统的设计方面的困难。

技术实现要素：

因此，本实用新型的目的是提供一种用于执行吸热过程的炉子，该炉子克服或至少减轻以上提及的问题。

本实用新型的另外的目的是提供一种用于执行吸热过程的炉子，该炉子消除或至少减少了燃烧器排之间的火焰弯曲现象，特别地无需显著的燃烧器结构性改变。

本实用新型的另外的目的是提供一种具有改进的热分布均匀性的炉子，特别地无需显著的燃烧器结构性改变。

本实用新型的另外的目的是提供一种具有改进的性能，特别是生产率和转化效率的炉子，特别地无需显著的燃烧器结构性改变。

本实用新型的另外的目的是提供一种更容易进行关于燃烧空气和燃料流的共同系统的设计的炉子，从而为所有燃烧器提供相同范围的操作负荷。

本实用新型的另外的目的是提供一种用于操作用于执行吸热过程的炉子的工艺，该工艺克服或至少减轻了以上提及的问题并解决了以上提及的目的。

这是通过独立权利要求的主题来实现的。从属权利要求中描述了另外的实施例。

通常，用于执行吸热过程的炉子包括：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，从而限定内燃烧器排；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工艺管排，从而限定外燃烧器排，

其特征在于，外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。

根据本实用新型的炉子包括多排燃烧器，该多排燃烧器具有被布置在两个相邻的工艺管排之间的至少一个内燃烧器排以及至少两个外燃烧器排，外燃烧器排中的每一个被布置在工艺管排和炉壁之间。根据本实用新型，外燃烧器排的燃烧器数量相对于内燃烧器排的燃烧器数量减少。根据燃烧器的这种构型，消除或至少显著减少了内燃烧器和外燃烧器之间的火焰射流弯曲现象。此外，避免了工艺管之间的热传递差异。

根据本实用新型的“排”意味着一定数量的所限定的元素在指定方向上并且以连续方式布置，特别地没有另外元素插入连续元素排内。例如，根据本实用新型的“燃烧器排”意味着以连续的方式布置一定数量的燃烧器，而不在燃烧器排的两个连续燃烧器之间布置另外元件。这种另外的元件可以是例如工艺管。例如，同样的考虑适用于“工艺管排”。

外燃烧器排被布置在工艺管排和炉壁之间并与其平行。平行于燃烧器排和/或工艺管排的“炉壁”也可以称为“侧面平行的”壁。通常，但不是必须的，根据本实用新型的炉子包括两个面对的侧面平行的壁。垂直于燃烧器和工艺管排布置的炉壁也可以称为“侧面竖直的”壁。通常，但不是必须的，根据本实用新型的炉子包括两个面对的侧面竖直的壁。

根据实施例，外燃烧器排的燃烧器数量小于邻近外燃烧器排的内燃烧器排的燃烧器数量。火焰弯曲现象主要发生在外燃烧器排的外燃烧器和与前述外燃烧器排相邻的内燃烧器排的内燃烧器之间。因此，相对于与外燃烧器排相邻的内燃烧器排的燃烧器数量，优选的是减少外燃烧器排的燃烧器数量。

根据实施例，外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率在0.25至0.75的范围内，优选地在0.4至0.6的范围内，并且更优选地在0.45至0.55的范围内。更优选的是，外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率为0.5。因为外燃烧器排的燃烧器被布置在工艺管排和炉壁之间，所以那些燃烧器将仅在燃烧器排的一侧上具有工艺管。因此，在理想情况下，被布置在工艺管排和炉壁的耐火壁之间的燃烧器排中的热传递需求是被布置在两个工艺管排之间的内燃烧器排中的热传递需求的一半。对于这种理想情况，外燃烧器排的燃烧器数量应该是内燃烧器排的燃烧器数量的一半，特别地是与外燃烧器排相邻的内燃烧器排的燃烧器数量的一半。对于每个行排、尤其是每个内燃烧器排具有不均匀数量的燃烧器的炉子，所述理想情况无法实现，并且外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率将偏离0.5。另外，外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率必须被适配为受制于炉子的局部特性，诸如属于炉子的不同区段的燃烧器和/或工艺管之间的更大距离。

根据实施例，该炉子的每个内燃烧器排包括相同数量的燃烧器和/或该炉子的每个外燃烧器排包括相同数量的燃烧器。为了进一步减少火焰合并现象，并进一步减少沿着管排的管温度范围，考虑到外燃烧器排的减少的燃烧器数量，炉子布局应该在燃烧器的布置方面尽可能均匀和/或对称。

根据实施例，这些外燃烧器被构造为用于以这些内燃烧器的燃烧速率的85％至115％的范围内，优选地在这些内燃烧器的燃烧速率的90％至110％的范围内，更优选地在这些内燃烧器的燃烧速率的95％至105％的范围内的燃烧速率操作。本实用新型的主要优点是，通过相对于每行的内燃烧器减少外燃烧器的数量，内燃烧器和外燃烧器可以以相同或至少相似的燃烧速率操作。因此，内燃烧器和外燃烧器也将具有相同或至少相似的质量流量(qorb＝qirb或qorb≈qorb)和相同或至少相似的动量通量j。在相同或至少相似的燃烧速率、质量流量和动量通量的情况下，不仅消除或至少减少了火焰弯曲现象，而且可以应用没有或具有至少最小结构差异的相同燃烧器。

因此，根据另外的实施例，这些外燃烧器和这些内燃烧器被构造成以相等的标称燃烧速率操作。在这种情况下，“相等的标称燃烧速率”意味着参数“燃烧速率”的期望值或目标值对于每个燃烧器是相等的，特别是对于内燃烧器和外燃烧器是相等的。实际上，所测量的燃烧速率可能偏离为炉子的燃烧器中的每一个设定的标称燃烧速率。

根据实施例，这些内排燃烧器和这些外排燃烧器被相同地构造。优选的是，对于外排燃烧器和内排燃烧器两者使用相同的燃烧器，例如，以确保从燃烧器喷嘴排出的燃烧产物的相同的动量通量j。由于与内燃烧器排的燃烧器数量相比，外燃烧器排的燃烧器数量减少，所以将向工艺管排或与外燃烧器排相邻的排提供更少量的热量。对于外燃烧器排的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率是0.5或在0.5左右并包括0.5的范围内，例如0.45至0.55的情况，将向每个工艺管排提供相同或至少几乎相同量的热量。由于内排燃烧器和外排燃烧器将具有相同的压降，因此空气和燃料流的入口歧管将更容易设计。另外，内排燃烧器和外排燃烧器对于关于空气和/或燃料负载的负载变化将具有相同的响应，并且当需要时，炉子可以在较低的负载下运行。总的来说，作为整体使用炉子的相同构造的燃烧器也由此简化了炉子的设计。

根据实施例，外燃烧器排的外燃烧器至少部分地沿着这些燃烧器排的方向偏离内燃烧器排的内燃烧器对齐。在这点上，“沿着燃烧器排的方向偏离内燃烧器排的内燃烧器对齐”是指以下内容。假设垂直于(侧面平行的)炉壁布置的假想线穿过内燃烧器排的内排燃烧器的中心，则同一条线不会穿过外燃烧器排的外排燃烧器的中心，因为相应的外排燃烧器被布置成偏离穿过内排燃烧器中心的线。外燃烧器排的外燃烧器可以偏离与外燃烧器排相邻的内燃烧器排的内燃烧器和/或与外燃烧器排不相邻的内燃烧器排的另外的内燃烧器对齐。

在另外的优选实施例中，外燃烧器排的外燃烧器至少部分地沿着燃烧器排的方向偏离内燃烧器排的内燃烧器对齐，使得外燃烧器被布置在内燃烧器排的两个内燃烧器之间的中间，优选地布置在与外燃烧器排相邻的内燃烧器排的两个燃烧器之间的中间。在这方面，“中间”指以下内容。假设两条假想线(每条线被布置为垂直于(侧面平行的)炉壁)分别穿过内燃烧器排的两个内燃烧器的中心。两个内燃烧器在内燃烧器排内被布置为彼此相邻。为了被布置在内燃烧器排的两个内燃烧器之间的“中间”，外燃烧器被布置成使得从外燃烧器的中心到两条线中的每一条的距离相等或至少基本相等。

根据实施例，内燃烧器排的两个内燃烧器之间的距离是ib2ib，并且外燃烧器排的两个外燃烧器之间的距离是ob2ob，并且其中这些排中的内燃烧器和外燃烧器以这样的方式布置，即ib2ib与ob2ob的比率为0.3至0.81，优选地为0.4至0.71，并且更优选地为0.5至0.61。通过减少外燃烧器排的燃烧器数量来同时与内排燃烧器之间的距离相比增加外燃烧器之间的距离。通过减少每个外燃烧器排的外燃烧器数量并同时增加距离，炉子中的热分布在均匀性方面得到改善。也就是说，实现了炉子中整体的更均匀的热量分布。

根据实施例，这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排由垂直于这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排布置的侧面竖直的壁结束，并且其中这些内燃烧器排、这些外燃烧器排和这些工艺管排被分成多个区段，其中从端部内燃烧器或端部外燃烧器到侧面竖直的壁的距离是b2w，该区段中两个相邻的内燃烧器或外燃烧器之间的距离是b2b，并且两个区段之间的距离的一半是b2s，其中这些排中的内燃烧器和外燃烧器以这样的方式布置，即比率b2b/b2w和b2b/b2s的大于1.3，优选地大于1.6，并且更优选地大于1.8。如欧洲专利申请ep3182003a1(该申请通过引用整体结合于此)中详细解释的那样，这种布置进一步避免了排内火焰合并现象的发生，并显著降低了管温度分布的均方值。

根据实施例，这些燃烧器排和工艺管排由垂直于这些燃烧器排和工艺管排布置的侧面竖直的壁结束，并且其中这些燃烧器排和工艺管排被分成多个区段，其中在每排工艺管上，从壁端工艺管到侧面竖直的壁的距离是t2w，区段中的两个相邻的内部工艺管之间的距离是t2t，并且两个相邻区段的两个对称端部工艺管之间的距离是t2s，其中这些排中的工艺管以这样的方式布置，即比率t2t/t2w和t2t/t2s大于0.5且小于2，优选地大于0.75且小于1.75。这种布置进一步避免了如欧洲专利申请ep3279561a1(该申请通过引用整体结合于此)中详细解释的截面端部管的热差异。

根据实施例，这些外燃烧器被定位成使得这些外燃烧器的中心轴线到该炉壁的距离小于最外面的管和炉壁之间的距离的25％，优选地小于10％，更优选地小于5％，最优选地小于2％。通过将外燃烧器放置为靠近炉壁，火焰合并现象以及使工艺管过热的问题将进一步减少，如欧洲专利申请ep2708812a1(该申请通过引用整体结合于此)中详细解释的那样。

根据实施例，这些燃烧器被安装到被配置为用于下烧式布置的炉顶，或者这些燃烧器被安装到被配置为用于上烧式布置的炉底板。通过减少每行外燃烧器相比于每行内燃烧器的数量的数量，在下烧式布置或上烧式布置中最成功地避免了火焰弯曲现象。

根据实施例，根据本实用新型的炉子是蒸汽甲烷重整炉。根据本实用新型的炉子优选地用于但不限于蒸汽甲烷重整过程。在蒸汽甲烷重整过程中，包含甲烷作为主要组分的天然气与蒸汽反应以获得合成气，即，至少包含氢气和一氧化碳的气体混合物。根据本实用新型的炉子可以用于其中含碳的原料(在使用或不使用催化剂的情况下)通过热输入被转化为气体混合物的类似过程。

通常，一种用于操作用于利用多个包含催化剂的、用于转化气态进料的工艺管来执行吸热过程的炉子的过程包括：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；多个内燃烧器在该炉子内被布置成排，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，从而限定内燃烧器排；以及多个外燃烧器在该炉子内被布置成排，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，由此外燃烧器排的这些燃烧器加热至少一排相邻的工艺管，并且内燃烧器排的这些燃烧器加热至少两排相邻的工艺管，其特征在于，这些外燃烧器以这些内燃烧器的燃烧速率的85％至115％的范围内的燃烧速率操作。以相同或至少相似的燃烧速率操作的内燃烧器和外燃烧器较少受到火焰合并现象的影响，因此与内燃烧器和外燃烧器以更不同的燃烧速率操作的过程相比，炉子内的热量分布更均匀。内燃烧器和外燃烧器的相等或至少相似的燃烧速率的结果是质量流量qorb和qirb也相等或至少相似。这又将导致内燃烧器和外燃烧器的相等或至少相似的动量通量，并且避免了火焰弯曲现象。为了以这些内燃烧器的燃烧速率的85％至115％的范围内的燃烧速率操作这些外燃烧器，外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。

因此，一种用于操作用于利用多个包含催化剂的、用于转化气态进料的工艺管来执行吸热过程的炉子的替代性通用过程可以包括：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；多个内燃烧器在该炉子内被布置成排，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，从而限定内燃烧器排；以及多个外燃烧器在该炉子内被布置成排，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，

其中外燃烧器排的这些燃烧器加热至少一排相邻的工艺管，并且内燃烧器排的这些燃烧器加热至少两排相邻的工艺管，其特征在于，外燃烧器排的燃烧器数量小于内燃烧器排的燃烧器数量。

以下对实施例的解释可以指上述通用过程、替代性通用过程或它们的组合。

根据实施例，这些外燃烧器以这些内燃烧器的燃烧速率的90％至110％的范围内，优选地在这些内燃烧器的燃烧速率的95％至105％的范围内的燃烧速率操作。更优选地，这些外燃烧器和内燃烧器以相等的标称燃烧速率操作。在这种情况下，“相等的标称燃烧速率”意味着参数“燃烧速率”的期望值或目标值对于每个燃烧器是相等的，特别是对于内排燃烧器和外排燃烧器是相等的。实际上，所测量的燃烧速率可能偏离为炉子的燃烧器中的每一个设定的标称燃烧速率。

根据实施例，这些内燃烧器以um/s的燃烧器排放速度燃烧气体，并且其中外燃烧器以0.85至1.15um/s，优选地为0.90至1.10um/s，更优选地为0.95至1.05um/s的燃烧器排放速度燃烧气体。参数“u”是通过燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度。根据前述实施例，通过(多个)外排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度uorb等于或至少类似于通过(多个)内排燃烧器喷嘴喷射的空气/燃料混合物的平均速度uirb。通过应用相等或相似的平均速度uorb和uirb，避免了炉子的中心区段中的低静压区，反之亦然，避免了炉子的外围区段的高静压区。因此，也避免了火焰弯曲。在另外的优选实施例中，这些内燃烧器和外燃烧器以相同的um/s的标称燃烧器排放速度操作。在这种情况下，“标称”燃烧器排放速度意味着参数“燃烧器排放速度”u的期望值或目标值对于每个燃烧器来说是相等的，特别是对于内排燃烧器和外排燃烧器来说是相等的。实际上，所测量的燃烧器排放速度可能偏离为炉子的燃烧器中的每一个设置的标称燃烧器排放速度。

根据实施例，该吸热过程是蒸汽甲烷重整过程。根据本实用新型的用于操作用于执行吸热过程的炉子的方法优选地用于但不限于蒸汽甲烷重整过程。在蒸汽甲烷重整过程中，包含甲烷作为主要组分的天然气与蒸汽反应以获得合成气，即，至少包含氢气和一氧化碳的气体混合物。根据本实用新型的过程可以用于其中含碳的原料(在使用或不使用催化剂的情况下)通过热输入被转化为气体混合物的类似过程。

此外，通过在蒸汽甲烷重整(smr)过程中使用根据本实用新型的炉子和/或在烃蒸汽裂化过程中使用根据本实用新型的炉子，至少部分解决了本实用新型所面临的问题。

附图说明

现在将参照附图通过示例性实施例来详细描述本实用新型。

在附图中：

图1描绘了根据现有技术的用于执行吸热反应的典型炉子100的透视图；

图2a描绘了根据现有技术的炉子200的燃烧器布置的俯视图；

图2b描绘了根据本实用新型的实施例的炉子210的燃烧器布置的俯视图；

图3a描绘了从根据现有技术的炉子的燃烧器布置获得的火焰形状轮廓；

图3b描绘了从根据本实用新型的实施例的炉子的燃烧器布置获得的火焰形状轮廓；

图4a描绘了根据现有技术的、具有燃烧器布置的炉子中的工艺管的温度分布；

图4b描绘了根据本实用新型的实施例的、具有燃烧器布置的炉中的工艺管的温度分布。

具体实施方式

图1示出了用于从包含例如甲烷和蒸汽的进料中获得合成气的顶烧式(下烧式)炉100的典型现有技术布置。该炉包括由x-z方向上的平面形成的面对炉壁102a和由y-z方向上的平面形成的面对炉壁102b。所有炉壁102a和102b在其内侧上设有耐火衬里。

催化剂填充的工艺管101设置成四排101a和101b，其中每排三十个工艺管，每排工艺管101由此限定工艺管排。两个工艺管排101a被布置在炉壁102a和工艺管排101b之间并与其平行，从而限定外工艺管排。两个工艺管排101b各自被布置在两个工艺管排之间，从而限定内部工艺管排。被布置为邻近炉壁102b的工艺管被称为端管。每个工艺管排101a、101b包括两个端部工艺管，炉子其整体由此包括八个端部工艺管。

燃烧器103设置成五排103a和103b，其中每排八个燃烧器，每排燃烧器103由此限定燃烧器排。两个燃烧器排103a被布置在炉壁102a和工艺管排101a之间并与其平行，从而限定外燃烧器排103a。两个燃烧器排103b被布置在工艺管排(101b、或101a和101b)之间并与其平行，从而限定内燃烧器排。被布置为邻近炉壁102b的燃烧器被称为端部燃烧器。每个燃烧器排103a、103b包括两个端部燃烧器。因此，根据图1的示例的十个燃烧器可以被称为端部燃烧器。

甲烷和蒸汽的进料通过工艺管101从上到下供应，从那里导出所得到的产物，例如包含氢气、一氧化碳和残余物的合成气。燃烧器103从顶部竖直向下燃烧。所得到的烟道气通过排气通道104导出。

图2a和图2b描绘了下烧式炉的俯视图，其中图2a表示根据现有技术的炉子200的燃烧器布置，并且图2b表示根据本实用新型一个实施例的炉子210的燃烧器布置。燃烧器203和工艺管201的排在x方向上延伸(类似于图1的描绘)。

如图2a所描绘的炉子包括五个燃烧器排203a和203b，每个燃烧器排包括八个燃烧器203，单个燃烧器由正方形点表示。炉子进一步包括四个工艺管排201a和201b，每个工艺管排包括三十个工艺管201，单个工艺管由具有圆形形状的点表示。燃烧器203和工艺管201由炉壁202a和202b封闭，每个炉壁在其内侧上衬有耐火材料。

燃烧器排203a被布置在工艺管排201a和炉壁202a之间并与其平行，从而限定了外燃烧器排203a。(多个)炉壁202a也可以称为“侧面平行的”壁。燃烧器排203b被布置在两个工艺管排之间并与其平行(每侧一个工艺管排)，从而限定内燃烧器排203b。外燃烧器排203a的燃烧器加热工艺管排201a的一侧和炉壁202a。内燃烧器排203b的燃烧器将加热工艺管排201a或201b和201b的两侧。由于外燃烧器排203a的燃烧器仅加热工艺管排的一侧，所以这些燃烧器仅以内燃烧器排203b的燃烧器的燃烧速率的78％操作。78％的燃烧速率值远远高于52％的理论值，以补偿由于火焰弯曲效应造成的热量损失，如上文已经详细描述的那样。然而，火焰弯曲问题仍然存在，并且由于增加的燃烧速率，无论负载水平如何，难以平衡工艺管排之间的热负荷。

如图2a所描绘的炉子是完全对称的炉子。燃烧器排203a和203b以及工艺管排201a和201b被组织成两个区段。因为仅有有限数量的燃烧器和/或工艺管可以被固定到一个悬挂系统，所以工艺管排和燃烧器排必须被分离在多个区段中。根据图2a的示例，燃烧器排203a、203b被分离在两区段中，每个区段四个燃烧器。工艺管排201a、201b被分离在两区段中，每个区段15个工艺管。由此限定的炉子的左区段和右区段被对称平面分开，该对称平面由通过炉子的中心的虚线指示。出于结构性原因，区段间的燃烧器和/或工艺管之间的距离通常大于区段内的燃烧器之间的距离。如图所描绘的那样，炉子一个区段内的燃烧器之间的距离称为“b2b”距离，两个区段之间的两个相邻燃烧器之间的距离的一半称为“b2s”距离。另外，燃烧器和炉壁202b之间的距离称为“b2w”。(多个)炉壁202b也可以被称为(多个)“侧面竖直的”壁。同样的考虑适用于工艺管(未示出)之间的距离，被称为“t2t”(区段内的管之间的距离)、t2w(从管到壁202b的距离)和“t2s”(相邻区段间的管之间的一半距离)。

图2b所描绘的炉子表示具有根据本实用新型的燃烧器布置的炉子。

如图2b所描绘的炉子包括五个燃烧器排213a和213b。外燃烧器排213a仅包括四个燃烧器213，而内燃烧器排213b各自包括八个燃烧器213。同样，单个燃烧器213由正方形点表示。炉子进一步包括四个工艺管排211a和211b，每个工艺管排包括三十个工艺管211，单个工艺管由具有圆形形状的点表示。燃烧器213和工艺管211由炉壁212a和212b封闭，每个炉壁在其内侧上衬有耐火材料。(多个)炉壁212a也可以称为(多个)“侧面平行的”炉壁，而(多个)(多个)炉壁212b也可以称为(多个)“侧面竖直的”炉壁。

燃烧器排213a被布置在工艺管排211a和炉壁212a之间并与其平行，从而限定了外燃烧器排213a。燃烧器排213b被布置在两个工艺管排之间并与其平行(每侧一个工艺管排)，从而限定内燃烧器排213b。外燃烧器排213b的燃烧器加热工艺管排211a的一侧和炉壁212a。内燃烧器排213b的燃烧器将加热工艺管排211a和211b或211b的两侧。

根据本实用新型，外燃烧器排213a的燃烧器213的数量低于内燃烧器排213b的燃烧器213的数量。根据图2b的布置，外燃烧器排213a的燃烧器213的数量是内燃烧器排213b的燃烧器213的数量的一半。这适用于所有燃烧器排，即与内燃烧器排213b的燃烧器数量相比，外燃烧器排213a中的两个仅包括一半数量的燃烧器。因此，外燃烧器排213a的燃烧器数量与内燃烧器排的燃烧器数量的比率为0.5。具有减少数量的燃烧器的外燃烧器排213a进一步邻近具有“标准”数量的燃烧器的内燃烧器排213b。根据图2b的示例，每个内燃烧器排213b进一步包括相同数量的燃烧器，并且每个外燃烧器排213a包括相同数量的燃烧器。排213a的外燃烧器213被布置成偏离排213b的内燃烧器213，即外燃烧器不被布置成与内燃烧器“处于相同的x坐标”。偏移布置在整个炉子上的热分布的均匀性方面提供了进一步的益处，并且因此提供了工艺管的热分布的均匀性。

与图2a的比较示例相反，根据图2b的实用新型示例的外燃烧器排213a的燃烧器被构造为用于以内燃烧器排213b的燃烧器的燃烧速率的100％的燃烧速率操作。换句话说，排213a的外燃烧器和排213b的内燃烧器被构造为用于以相等的标称燃烧速率操作。因此，作为本实用新型的另外的优点，外燃烧器和内燃烧器被相同地构造，使得整个炉子只需要一种类型的燃烧器。由于所有的燃烧器被相同地构造，所以更容易以相等的燃烧器排放速度操作所有的燃烧器，这将进一步减少甚至消除火焰弯曲效应。换句话说，排213b的内燃烧器和排213a的外燃烧器可以以这样的方式操作，即它们以几乎相等或甚至相等的燃烧器排放速度u燃烧气体。

如图2b中进一步描述的那样，内燃烧器排213b的两个相邻燃烧器之间的距离被称为“ib2ib”，并且外排213a的两个相邻燃烧器之间的距离被称为“ob2ob”。根据图2b的示例，ib2b大约是ob2ob的一半。这适用于一个区段内的相邻燃烧器(“区段内的”燃烧器)，以及两个区段之间的相邻燃烧器(“区段间的燃烧器”)。

以图3a和3b中示出的定量方式通过计算模拟进一步证明了本实用新型的优点。

图3a描绘了根据图2a的比较例(即涉及相同的燃烧器布置)的横向视图。图3a(和图3b)中示出的图形元素表示通过计算模拟计算的火焰形状。在x方向上，火焰“堆”的单个火焰表示燃烧器排的单个燃烧器203。称为303a的火焰堆表示根据图2a的外燃烧器排203a。根据图2a，火焰堆303b表示两个外燃烧器排203b。出于对称的原因，只有一半的炉子已被模拟，如图2a的阴影区域所示。因此，图3a的外部右火焰堆(在y方向)仅表示图2a的中心燃烧器排203b的“一半”。一般来说，图3a的左边部分表示炉子的外围区域，并且通过在y方向从左到右移动，到达炉子的中心区域。

表示(多个)燃烧器排202a的外燃烧器的火焰形状，特别是根据303a的火焰形状，示出了根据现有技术的对称顶烧式炉的典型火焰弯曲。外燃烧器排的燃烧器的燃烧速率仅为内燃烧器排的燃烧器的燃烧速率的78％，使得外燃烧器具有低于内燃烧器的动量。因此，由外燃烧器释放的热燃烧气体朝向炉子的中心偏转(尤其是在y方向上)。

图3b描绘了根据图2b的本实用新型的实施例(即涉及相同的燃烧器布置)的横向视图。同样，图3b中示出的图形元素表示通过计算模拟计算的火焰形状。在x方向上，火焰“堆”的单个火焰表示燃烧器排的单个燃烧器213。称为313a的火焰堆表示根据图2b的外燃烧器排213a。根据图2b，火焰堆313b表示两个外燃烧器排213b。出于对称的原因，只有一半的炉子已被模拟，如图2b的阴影区域所示。因此，图3b的外部右火焰堆(在y方向)仅表示图2b的中心燃烧器排213b的“一半”。一般来说，图3b的左边部分表示炉子的外围区域，并且通过在y方向从左到右移动，到达炉子的中心区域。

根据图3b的火焰形状证明，避免了外燃烧器的火焰(由313a的火焰形状表示)朝向炉子的中心弯曲。由于外燃烧器(由火焰形状313a表示)和内燃烧器(由火焰形状313b表示)的燃烧速率相同，所以来自内燃烧器和外燃烧器的燃烧气体以基本均匀或相同的动量排放。因此，没有或至少显著较少的火焰弯曲发生。作为本实用新型的效果，火焰，特别是表示外燃烧器213a的313a的火焰，基本上是直的。

根据本实用新型的改进的燃烧器布置还导致在重整器规模上的温度分布方面好得多的均匀性。这通过从根据现有技术(图2a和图3a)和根据本实用新型(图2b和图3b)的燃烧器布置获得的模拟温度分布来证明。根据图4a的工艺管的温度分布表示比较例，并且根据图4b的工艺管的温度分布表示根据本实用新型的实施例。

如图4a所示，靠近外燃烧器排的工艺管(由圆点表示的外部管＝orb)和内燃烧器排之间的管(由正方形点表示的内部管＝irb)之间在温度方面存在显著差异。由于火焰弯曲效应，即火焰朝向炉膛的中心弯曲，内管示出明显更高的平均温度。因此，在内工艺管和外工艺管之间存在显著的温差，也称为“温度偏差”。

通过应用根据本实用新型的燃烧器布置，这种不期望的温度偏差显著减小，如图4b的图表所示。内工艺管和外工艺管的基本部分甚至示出相同或至少基本相同的温度。

必须注意，本实用新型的实施例是参照不同的主题来描述的。特别地，参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而参考装置类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从上文和下面的描述中了解到，除非另有通知，除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合也被认为与本申请一起披露。然而，可以将所有特征组合起来，从而提供协同效应，这些协同效应不仅仅是特征的简单求和。

虽然在附图和前面的描述中已经详细展示和描述了本实用新型，但是这种展示和描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。本实用新型不限于所披露的实施例。通过对附图、披露内容和从属权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的实用新型时可以理解和实现对所披露实施例的其他变化。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中重新引述的几个项目的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中被重复引述这一事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记清单

100炉子

101工艺管

101a(外)工艺管排

101b(内)工艺管排

102a(侧面平行的)炉壁

102b(侧面竖直的)炉壁

103燃烧器

103a(外)燃烧器排

103b(内)燃烧器排

104排气通道

200炉子

201工艺管

201a(外)工艺管排

201a(内)工艺管排

202a(侧面平行的)炉壁

202b(侧面竖直的)炉壁

203燃烧器

203a(外)燃烧器排

210炉子

211工艺管

211a(外)工艺管排

211a(内)工艺管排

212a(侧面平行的)炉壁

212b(侧面竖直的)炉壁

213燃烧器

213a(外)燃烧器排

303a外燃烧器的火焰形状

303b内燃烧器的火焰形状

313a外燃烧器的火焰形状

313b内燃烧器的火焰形状