CN102923658B - 一种气态烃非催化部分氧化转化炉及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种气态烃非催化部分氧化转化炉及其应用，转化炉为竖直式容器，转化炉上封头上设有2～10个气化烧嘴的连接口，转化炉竖直式容器的底部设有2～4个废热锅炉的连接口。本发明的转化炉与目前公开的转化炉相比，具有转化效率高、耐火衬里使用寿命长、负荷增减方便，特别适宜于大型化装置。采用本方法生产的合成气进而可用于合成氨、甲醇、合成油、直接还原炼铁等工业生产，用途极为广泛。

Description

一种气态烃非催化部分氧化转化炉及其应用
技术领域
本发明涉及一种气态含烃物料间接转化的方法，具体涉及一种采用非催化部分氧化生产合成气的转化炉及其工业应用。
背景技术
天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等气态烃以甲烷为主要成分，是重要的基础能源和化工原料。气态烃转化制备化学产品以利用化学能为主，转化效率是衡量转化技术优劣的主要指标之一。利用气态烃生产合成气（CO+H2）是甲烷间接转化普遍采用的方法之一，进而可用于合成氨、甲醇、合成油、直接还原炼铁等工业生产，用途极为广泛。
气化烃转化制合成，转化炉内发生的主要反应有：
CH4+H2O- ＞ CO+3H2      吸热    （1）
CH4+CO2- ＞ 2CO+2H2     吸热    （2）
CO+H2O- ＞ CO2+H2       放热    （3）
CH4+0.5O2- ＞ CO+2H2     放热    （4）
H2+0.5O2- ＞ H2O         放热    （5）
CO+0.5O2- ＞ CO2         放热    （6）
这些反应有的吸热、有的放热，有的需要催化剂、有的不需要催化剂。根据这些反应的特点，开发了不同的化学反应器，主要有：
（1）固定床管式反应器，适宜有催化剂存在下的甲烷水蒸汽重整、二氧化碳重整制备合成气，甲烷催化部分氧化反应亦采用固定床反应器进行研究。其中甲烷二氧化碳重整和甲烷催化部分氧化还处于实验室试验阶段，甲烷水蒸汽重整和二氧化碳重整需外界提供能量。
（2）气流床反应器，适宜无催化剂存在下的甲烷部分氧化反应制备合成气，即气态烃非催化部分氧化制备合成气，无需外界提供能量。
（3）自热转化反应器，上部为燃烧区主要发生非催化部分氧化反应，下部为固定催化剂床层主要发生水蒸汽重整反应，利用非催化部分氧化放出的热量提供给水蒸汽重整反应，实现自供热。
（4）流化床反应器，适宜甲烷催化部分氧化，无需外界提供能量。甲烷催化部分氧化还处于实验室试验阶段。
采用气流床反应器的气态烃非催化部分氧化得到的合成气中合成中H2/CO 体积比接近于2，合成气无需进行变换反应就可以直接进行甲醇合成和F-T合成反应合成油等工艺；该工艺流程和设备结构简单，无需催化剂，不受催化剂对温度和硫化物含量的限制。
气态烃非催化部分氧化氧化技术日益受到工业界的重视。但目前工业运行的气态烃非催化部分氧化炉均采用顶置单喷嘴、只连接单废热锅炉的结构，限制了转化炉的进一步大型化满足现代化工的需求。同时，由于喷嘴速度的限制，在不降低转化炉运行压力的情况下，转化炉负荷调节范围不大。鉴于此，工业界希望开发一种能适宜大型化、负荷调节灵活的气态烃非催化部分氧化转化炉。
发明内容
转化炉与气化烧嘴采用法兰连接，法兰太大即成本会大幅上升同时带来密封问题；为了保护烧嘴在烧嘴头部设有烧嘴冷却水，为了保证烧嘴冷却水在烧嘴头部的均匀流动和充分冷却单个烧嘴不宜过大；气化烧嘴连接口的直径一般需小于500mm。转化炉出口高温合成气的显热一般采用火管废热锅炉回收，火管废热锅炉上亦有截面大法兰，火管废热锅炉直径太大，火管废热锅炉成本会大幅上升；火管废热锅炉直径一般小于3000mm。本发明通过在转化炉顶部设置多个气化烧嘴连接口、在转化炉底部设置多个废热锅炉的连接口来解决上述转化炉进一步大型化的问题。具体方案如下：
一种气态烃非催化部分氧化转化炉，包括竖直式容器、设置在所述竖直式容器上部的上封头和设置在所述竖直式容器下部的下封头，所述上封头设有具备2～10个气化烧嘴的连接口，所述竖直式容器的底部四周设有2～4个废热锅炉的连接口。
所述上封头和下封头为椭球形或半球形。
所述气化烧嘴的连接口与所述气化烧嘴共轴线。
所述气化烧嘴的轴线与所述转化炉的轴线之间的夹角为a，a为0～75°。
当所述气化烧嘴的连接口的个数为2～3时，所述气化烧嘴的连接口在以所述转化炉的轴线为中心的圆周上均匀分布；当所述气化烧嘴的连接口个数M大于4时，其中1个位于所述转化炉的轴线中心，另外M-1个在以所述转化炉轴线为中心的圆周上均匀分布。
所述转化炉的耐火衬里为耐火砖型式，耐火砖厚度B为100～600mm；所述废热锅炉的两个相邻连接口之间的夹角b大于或等于90°。
所述转化炉炉膛高度H与炉膛直径D的比值H：D=5～2；所述气化烧嘴距所述转化炉轴线的距离S与所述转化炉炉膛直径D的比值S：D=0.1～0.9。
所述转化炉的工作压力为0.1～12MPa，气化温度为1000～1700℃。
所述气态烃是指天然气、页岩气、油田气、煤层气、炼厂气、焦炉气、热解气中的一种或其混合物。
所述的气态烃非催化部分氧化转化炉的应用，用于合成氨、甲醇、合成油或直接还原炼铁。
本发明的转化炉与目前公开的转化炉相比，具有转化效率高、耐火衬里使用寿命长、负荷增减方便，特别适宜于大型化装置。采用本方法生产的合成气进而可用于合成氨、甲醇、合成油、直接还原炼铁等工业生产，用途极为广泛。
附图说明
图1 是实施例的气态烃非催化部分氧化炉的结构示意图；
图2是实施例的气态烃非催化部分氧化炉的A-A向示意图；
图3是实施例的气态烃非催化部分氧化炉的A-A向示意图；
图4是实施例的气态烃非催化部分氧化炉的B-B向示意图。
符号说明
1：气化烧嘴连接口；2：气化烧嘴；3：竖直式容器；4：废热锅炉连接口；5：耐火衬里；6：上封头；7：下封头。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
参见图1，气态烃非催化部分氧化转化炉包括竖直式容器3、设置在竖直式容器3上部的上封头6和设置在竖直式容器3下部的下封头7，上封头6上设有M个气化烧嘴的连接口1，竖直式容器3的底部四周设有N个废热锅炉的连接口4。
设置在气化烧嘴连接口1中的气化烧嘴2。气化烧嘴连接口1与气化烧嘴2共轴线。
所述的转化炉的上封头6和下封头7为椭球形或半球形。
气化烧嘴2的轴线与转化炉的轴线之间的夹角为a，夹角a角度为0～75°。
所述转化炉炉膛高度H与炉膛直径D的比值H：D=5～2。
转化炉的耐火衬里5为耐火砖型式，耐火砖厚度B为100～600mm。
参加图2和图3，所述气化烧嘴连接口1的个数M为2～10个。当气化烧嘴连接口1的个数M为2～3时，气化烧嘴连接口1与转化炉轴线为中心的圆周上均布；当气化烧嘴连接口1的个数M大于4时，1个位于转化炉轴线中心，M-1个在与转化炉轴线为中心的圆周上均布。
所述工艺烧嘴距转化炉轴线的距离S与转化炉炉膛直径D的比值S：D=0.1～0.9。
参加图4，废热锅炉的连接口4N为2～4个。两个相邻废热锅炉的连接口之间的夹角b大于等于90°。
实施例   1
对某厂天然气制油品装置采用FT合成油工艺，装置能力100万吨油品/年，有效气CO+H2的需求量为大约75万Nm3/h。FT合成油要求合成气中H2/CO的体积比约为1.8，采用气态烃非催化部分氧化转化炉将天然气转化为合成气，合成气经过脱硫脱碳处理后进而去FT合成油工序。
气化炉压力为3.3MPaG，气化炉采用耐火砖衬里。转化炉设置为3台。单台转化炉有效气产量大约25万Nm3/h，天然气处理量大约98500Nm3/h。气化炉炉壳外直径为4.2米，炉膛内直径D为3.6米，转化炉炉膛直段高度为16米。
设置4个工艺喷嘴，单烧嘴天然气流量24625 Nm3/h。一个烧嘴位于转化炉轴线，另3个在与转化炉轴线为中心的圆周上均布。夹角a为30°。距离S为0.5D。
设置2个废热锅炉连接口，两个连接口之间夹角b为90°。
喷嘴为三通道，从内向外各通道分别为氧气、天然气、水蒸汽。单个喷嘴各通道参数为：氧气纯度为99.6%，流量为15617Nm3/h，经氧气加热器加热到220℃后进入喷嘴；天然气的组成列于表1，流量为24625 Nm3/h，经天然气加热器加热到300℃后进入喷嘴；水蒸汽流量为1.4t/h。
气化炉出口合成气参数列于表2，主要工艺指标列于表3。从表2可看出，H2/CO的体积比约为1.8，合成气不需变换能满足FT合成油工艺要求；合成气中CH4含量低，表明转化炉CH4转化效率高。从表3 可以看出，出转化装置合成气中有效气（CO+H2）含量高，原料消耗较低，表明本发明提出的转化炉在大型化方面的优势。

Claims (10)

1.一种气态烃非催化部分氧化转化炉，包括竖直式容器、设置在所述竖直式容器上部的上封头和设置在所述竖直式容器下部的下封头，其特征在于，所述上封头设有具备2～10个气化烧嘴的连接口，所述竖直式容器的底部四周设有2～4个废热锅炉的连接口。
2.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述上封头和下封头为椭球形或半球形。
3.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述气化烧嘴的连接口与所述气化烧嘴共轴线。
4.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述气化烧嘴的轴线与所述转化炉的轴线之间的夹角为a，a为0～75°。
5.根据权利要求1或4所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，当所述气化烧嘴的连接口的个数为2～3时，所述气化烧嘴的连接口在以所述转化炉的轴线为中心的圆周上均匀分布；当所述气化烧嘴的连接口个数M大于4时，其中1个位于所述转化炉的轴线中心，另外M-1个在以所述转化炉轴线为中心的圆周上均匀分布。
6.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述转化炉的耐火衬里为耐火砖型式，耐火砖厚度B为100～600mm；所述废热锅炉的两个相邻连接口之间的夹角b大于或等于90°。
7.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述转化炉炉膛高度H与炉膛直径D的比值H：D=5～2；所述气化烧嘴距所述转化炉轴线的距离S与所述转化炉炉膛直径D的比值S：D=0.1～0.9。
8.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述转化炉的工作压力为0.1～12MPa，气化温度为1000～1700℃。
9.根据权利要求1所述的气态烃非催化部分氧化转化炉，其特征在于，所述气态烃是指天然气、页岩气、油田气、煤层气、炼厂气、焦炉气、热解气中的一种或其混合物。
10.权利要求1至9任一所述的气态烃非催化部分氧化转化炉的应用，其特征在于，用于合成氨、甲醇、合成油或直接还原炼铁。
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