用于调节热解反应器的输入以改进性能的方法和系统与流程

本公开涉及热解，具体涉及用于调节热解反应器的输入以改进性能的方法和系统。

背景技术：

1、热解是将烃等原料气体分解成其组成元素(在烃、碳、氢的情况下)的方法。通过将原料气体的温度充分升高到原料气体的元素的化学键断裂的点来触发分解。

2、这种热解可以例如通过使原料气体与热流体热接触来实现。例如，因可燃燃料与氧化剂燃烧而形成的燃烧产物气体可与原料气体混合。在足够高的温度下，热流体与原料气体的混合以及从热流体到原料气体的热能传递足以导致原料气体断裂和分解。

3、可以提供热解反应器以由烃原料生产碳和氢。热解反应器可以使用催化剂来通过降低生产碳的温度和时间而增加碳形成的速率。然而，热解反应器中的焦炭沉积物倾向于降低催化剂的有效性。焦炭形成是流体组成、停留时间和温度的函数。焦炭是一种碳质沉积物，它可以在几乎每个使用或加工烃的工业中严重影响设备性能。焦炭的累积，也称为“碳积垢”，可以导致热解反应器中的操作挑战和繁琐且昂贵的维护程序。

4、在其他应用中已知的碳污垢缓解技术包括例如设备表面涂层、积炭催化剂再生(从催化剂基底除去焦炭沉积物以避免催化剂原位或离位失活)、蒸汽-空气脱焦、热冲击(在线剥落)和机械清管(机械擦洗/刮擦)。这些技术中的每一种都针对特定应用或工艺而定制，但经设计以使碳反应(例如氧化)或通过弱化键或将其机械移除来清洁沉积物。这些缓解方法中的大多数要求中断核心过程并且通过维护程序去除碳沉积物，因此对于热解操作是不理想的。一些缓和方法可以在不中断过程(如在线剥落)的情况下进行，但是在去除所有沉积的焦炭方面不是那么有效，因此对于热解操作也是不理想的。

5、因此，目的是改进一个或多个现有技术的热解操作，从而改进热解性能。

技术实现思路

1、根据本公开的一个方面，提供了用于操作热解反应器的方法，包括：将在燃料/氧化剂当量比值范围内的第一量的燃料和氧化剂供应到燃烧室中，并且燃烧第一量的燃料和氧化剂以产生燃烧产物；将原料和燃烧产物供应到混合室中，其中，燃烧产物与原料混合并且原料在热解操作中分解为包含氢和碳的反应产物；监测在热解操作期间碳和氢的产量；当监测的碳和氢的产量在目标碳和氢规格之外时，将第二量的氧化剂供应到混合室中，并且使供应的氧化剂与附着到混合室的壁上的碳反应；以及当仅监测的碳产量在目标碳规格之外时，将第三量的燃料和氧化剂以高于燃料/氧化剂当量比值范围的富燃料/氧化剂比值供应到燃烧室中，并且燃烧第三量的燃料和氧化剂以产生燃烧产物和烟灰；将原料、燃烧产物和烟灰供应到混合室中，其中，燃烧产物和烟灰与原料混合，以及原料在热解操作中分解成反应产物并且烟灰结晶形成碳。

2、燃料/氧化剂当量比值范围可以在0.9与1.1之间。燃料和原料中的至少一种可选自甲烷、天然气、氢、乙烷、丙烷、丁烷及其混合物。监测碳和氢的产量可以包括监测碳和氢的流速，诸如质量流速。

3、当监测的碳和氢的产量在目标碳和氢规格之外时，方法可以进一步包括执行除污操作，除污操作包括：停止将燃料供应到燃烧室中并且停止将原料供应到混合室中；以及将第二量的氧化剂供应到燃烧室中，然后供应到混合室，用于与附着至混合室的壁的碳反应。可替代地，当监测的碳和氢的产量在目标碳和氢规格之外时，方法可以进一步包括执行稀燃(lean burn)操作，稀燃操作包括：以低于燃料/氧化剂当量比值范围的稀燃料/氧化剂比值将第四量的燃料和氧化剂供应到燃烧室中，燃烧第四量的燃料和第四量的氧化剂中的一些以产生燃烧产物，以及将未燃烧的氧化剂供应到混合室中用于与附着到混合室的壁上的碳反应。

4、热解反应器可以包括多个各自具有混合室的反应器，在这种情况下，方法进一步包括在反应器之一的混合室中进行除污操作，同时在一个或多个其他反应器中进行热解操作。另外，方法可以包括停止供应燃料并依次向多个反应器中的每个反应器供应仅第二量的氧化剂，由此在每个反应器的混合室中依次执行除污操作。

5、根据本公开的另一个方面，提供了热解系统，包括：

6、(a)至少一个燃烧室，其具有燃料入口、氧化剂入口、燃烧产物出口和废气出口；

7、(b)至少一个混合室，其具有与燃烧室燃烧产物出口连通的燃烧产物入口、原料入口和反应产物出口；

8、(c)氢和碳传感器，其与反应产物出口连通；

9、(d)控制器，其具有其上编码有程序代码的存储器，程序代码可由控制器执行以：

10、将供应到至少一个燃烧室的第一量的燃料和氧化剂控制在燃料/

11、氧化剂当量比值范围内，其中，第一量的燃料和氧化剂燃烧以产生燃烧产物；控制原料和燃烧产物到至少一个混合室中的供应，其中，燃烧产物与原料混合，并且原料在热解操作中分解为包含氢和碳的反应产物；

12、监测氢和碳传感器以确定在热解操作期间氢和碳的产量；

13、当监测的碳和氢的产量在目标碳和氢的规格之外时，控制第二量的氧化剂到至少一个混合室的供应，其中，供应的氧化剂与附着至至少一个混合室的壁上的碳反应；以及

14、当仅监测的碳产量在目标碳规格之外时，以高于燃料/氧化剂当量比值范围的富燃料/氧化剂比值控制向至少一个燃烧室供应第三量的燃料和氧化剂，其中，第三量的燃料和氧化剂燃烧以产生燃烧产物和烟灰；以及控制进料、燃烧产物和烟灰到至少一个混合室中的供应，其中，燃烧产物和烟灰与原料混合，以及原料在热解操作中分解成反应产物并且烟灰结晶形成碳。

15、系统可以包括多个反应器，其中，每个反应器包括至少一个燃烧室。可以提供与多个反应器的每个燃烧室连通的共用混合室。可替代地，每个反应器可以包括至少一个混合室，并且系统可以进一步包括与多个反应器的每个混合室连通的共用反应产物管道，在这种情况下氢和碳传感器位于共用反应产物管道中。另外，系统可以进一步包括与多个反应器的每个混合室连通并且具有碳分离器和氢分离器的共同反应产物管道，在这种情况下，氢传感器位于氢分离器的下游并且碳传感器位于碳分离器的下游。

16、控制器存储器可以进一步编码有可由控制器执行的程序代码，以便为多个反应器中的每个反应器依次进行除污操作，其中对于每个反应器，该除污操作依次包括：分别停止向燃烧室和混合室供应燃料和原料，以及向燃烧室然后向混合室仅供应第二量的氧化剂，其中，供应的氧化剂与附着至每个混合室的壁的碳反应。另外，控制器可以控制燃料、氧化剂和原料向所有反应器的供应以进行正常的热解操作，除了反应器进行除污操作之外，使得系统继续产生碳和氢，同时在每个反应器中依次进行除污操作。

17、根据本公开的另一个方面，提供了操作热解反应器的方法，方法包括：将在0.9至1.1的燃料/氧化剂当量比值内的第一量的燃料和氧化剂供应到燃烧室中并且燃烧第一量的燃料和氧化剂以产生燃烧产物；将原料和燃烧产物供应到混合室中，其中，原料与燃烧产物混合并在热解操作中分解为包含氢和碳的反应产物；监测在热解操作期间碳和氢的产量；以及当监测的碳和氢的产量在目标碳和氢规格之外时，将第二量的氧化剂供应到混合室中，并且使所供应的第二量的氧化剂与附着到混合室的壁上的碳反应。

18、根据本公开的又一个方面，提供了操作热解反应器的方法，方法包括：将在0.9至1.1的燃料/氧化剂当量比值内的第一量的燃料和氧化剂供应到燃烧室中并且燃烧第一量的燃料和氧化剂以产生燃烧产物；将原料和燃烧产物供应到混合室中，其中，原料与燃烧产物混合并在热解操作中分解为包含氢和碳的反应产物；监测在热解操作期间碳和氢的产量；以及当仅监测的碳产量在目标碳规格之外时，将第二量的燃料和氧化剂以具有大于1.1的燃料/氧化剂当量比值的富燃料/氧化剂比值供应到燃烧室中，并且燃烧第二量的燃料和氧化剂以产生燃烧产物和烟灰；将原料、燃烧产物和烟灰供应到混合室中，其中，燃烧产物和烟灰与原料混合，以及原料在热解操作中分解成反应产物并且烟灰结晶形成碳。

19、本技术实现要素：不一定描述所有方面的整个范围。其他方面、特征和优点在审阅以下特定实施方式的描述之后将对本领域普通技术人员显而易见。