CN103791617B - 本安型无焰水套炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供本安型无焰水套炉,包括水套炉罐体④、无焰反应管道⑤、天然气管道⑨；所述无焰反应管道⑤通过其内设置的多孔催化材料将无焰反应管道⑤分为燃料气区和空气区；所述无焰反应管道⑤的进气口包括燃料气入口①和空气入口②，燃料气入口①与燃料气区相通，空气入口②与空气区相通。催化无焰反应代替点火燃烧反应，安全快速，且反应温度低于天然气着火点，在满足天然气水套炉的加热要求的同时保证系统温度不至于过高，避免了可能的爆炸、火灾等事故的发生。结构简单，不需要点火装置，直接由反应本身的产热预热反应气体，提高起燃活性。反应效率高，经过催化反应，CH4的转化率高达95%，转化率越高，温度越高，热效率越高。
Description
技术领域
本发明涉及天然气工业，尤其涉及一种本安型无焰水套炉。
背景技术
天然气在开采、输送及应用过程中,多种原因需要对天然气进行加热。因为天然气中含有水合物,在集输和长途输送过程中,为了防止由于天然气温度过低而导致水合物析出凝结成固体,从而堵住管道设备引起事故,需要加热；在天然气应用过程中,往往需要对其减压,而压降较大时会导致天然气温降过大,也需要加热；此外由于工艺需要而需天然气保持一定温度,也需要天然气达到一定的温度，以便进行分离和加工等。因此在天然气减压系统和供气系统中常设置加热设备——水套炉，水套炉是天然气输送应用系统中不可缺少的重要设备。
水套炉内装设有火筒、烟管、盘管等部件，其余部分装入一定量的水，一般为筒体体积的三分之一。燃料在火筒内燃烧产生热能，通过辐射传热和对流传热等过程传递给水，水再将热量传递给盘管内的天然气，使其温度升高。
目前水套炉工作时，是在火筒内喷入天然气和空气的混合物，点火使其燃烧放热，火焰中心最高温度可达2118K，烟气出口温度也高达1166K。如此高的温度，存在一定的安全隐患：如果水套炉内的水蒸干或者发生水泄漏等事故，由于燃烧温度很高，远超过天然气的着火点，会导致天然气爆炸，对设备和人员造成伤害，形成极大的安全隐患。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种本安型无焰水套炉，用低温催化氧化反应代替传统水套炉火筒中的明火燃烧，消除安全隐患，其具体技术方案如下：
一种本安型无焰水套炉,包括水套炉罐体④、无焰反应管道⑤、天然气管道⑨；所述无焰反应管道⑤和天然气管道⑨设置在水套炉罐体④内，所述无焰反应管道⑤通过其内设置的多孔催化材料将无焰反应管道⑤分为燃料气区和空气区；所述无焰反应管道⑤和天然气管道⑨上分别设置有进气口和出气口，所述无焰反应管道⑤的进气口包括燃料气入口①和空气入口②，燃料气入口①与燃料气区相通，空气入口②与空气区相通。
作为优选项：
所述无焰反应管道⑤的进气口、出气口和天然气管道⑨的进气口、出气口均位于水套炉罐体④外部。
所述无焰反应管道⑤的材料为导热材料。
所述无焰反应管道⑤的材料为具有高导热系数且耐腐蚀的海军黄铜或耐腐蚀的钢材。
所述多孔催化材料的形状为齿轮状或“井”字形。
所述多孔催化材料为过渡金属的氧化物、Pt或Pd、以Pt、Pd为基础的合金中的其中一种或几种的混合物。
所述以Pt、Pd为基础的合金为Pt/C、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Ni、Pt-Cr、Pd/CZ、Pd/CZ-Al2O3、Pd/La-Al2O3或Pd/W；过渡金属为Fe、Mo、Ni或Co。
所述水套炉罐体④上方设有补水箱⑧，水套炉罐体④下方设置有支架③。
所述无焰反应管中结构可以是单管式、列管式、多层膜式、多层套管式。
水套炉之所以会产生爆炸的危险，根本原因是由于火筒内采用明火燃烧，且燃烧温度远高于天然气的燃点。要解决这一问题，就要避免使用明火，如果考虑利用催化剂使天然气无焰燃烧的方式，既能够放出足够热量（天然气一般只需要加热到60℃左右），又能够将反应温度控制在天然气燃点以下。这样，即使水套炉内的水分蒸干，炉内的温度也不会高于安全范围，从而从根本上避免了可能的安全事故的发生。
燃料气体从燃料气入口通入，与从空气入口通入的空气在催化剂的作用下反应放热。天然气由天然气入口通入，在炉内加热后经出口排出。CH4和O2反应产生的尾气仍具有较高的温度，这部分温度经过烟管传递给水套炉内的水，实现余热回收再由烟囱⑩排出。
采用催化材料是为了降低氧化反应的活化能，使反应能够在天然气着火点以下的温度下进行。由于催化材料本身是热的良导体，反应产生的热量可以传到反应管壁以加热水套炉内的水，水作为热媒，将热量传到天然气管道，从而提高天然气的温度。
反应管内设有由多孔催化材料制成的燃料管道，多孔催化材料用于吸附气体并催化反应的进行。
反应催化材料可制成齿轮型管状，齿部与铜管壁形成的空隙内通入氧气，为反应的阴极，阴极作用是提供氧化剂，催化阴极的还原反应，阴极主要是氧气发生反应，反应式子如下：
O2(g)+4e-→2O2-；
催化材料的芯部通入燃料气体，阳极的作用是让燃料气体发生氧化反应，一般使用天然气为燃料气体。天然气中主要成分是甲烷，还可能有少量乙烷及其他气体。反应式子如下：
CnH2n+2+(3n+1)O2-→nCO2+(n+1)H2O+(6n+2)e-；
总反应式为：CH4+2O2(g)=CO2（g）+2H2O(g)，该反应是一个放热反应，焓变△H=－802.6kJ/mol，反应活化能Ea=125.6kJ/mol。
该反应常用的催化剂例如过渡金属的氧化物，或Pt或Pd或以Pt、Pd为基础的合金。这里以由Pt-Ni烧制的多孔材料为例，其中Pt的质量分数为5%,是金属粒子直径4——6nm的面心立方。与非贵重金属氧化物催化剂相比，Pt催化剂在碳氢化合物的氧化过程中具有极好的有点：更高的低温起燃活性、更高的碳氢化合物完全转变效率、更高的活性稳定性及更大的抗硫中毒能力。根据催化剂和完全反应率的不同，该催化反应温度处于330℃到400℃之间，高于水的沸点，且低于天然气的燃点，既实现了对天然气的加热又保证了不会因为过热而产生爆炸的危险。
无焰反应管的结构可以是单管式、列管式、多层膜式、多层套管式等。
反应使用的催化剂可以根据反应活性要求和温度要求配制以Pt或Pd为基础的合金、或Fe、Co、Mn、Ni的金属氧化物合成的多种组分和比例的复合催化剂。
可在发明专利的基础上改进系统热管结构和布置方式或配置辅助的燃料预热器和空气预热器、传热传质管道、余热回收装置、调节阀、增压泵、疏水泵等环节以提高热效率。
有益效果：
1、催化无焰反应代替点火燃烧反应，安全快速，且反应温度低于天然气着火点，在满足天然气水套炉的加热要求的同时保证系统温度不至于过高，避免了可能的爆炸、火灾等事故的发生。
2、结构简单，不需要点火装置，直接由反应本身的产热预热反应气体，提高起燃活性。
3、反应效率高，经过催化反应，CH4的转化率高达95%，转化率越高，温度越高，热效率越高。
附图说明
图1：本发明结构示意图；
其中①燃料气入口；②空气入口；③支架；④水套炉罐体；⑤无焰反应管道；⑥天然气入口；⑦天然气出口；⑧补水箱；⑨天然气管道；⑩烟囱；
图2：多孔催化材料为齿轮状无焰反应管道的剖视图；
图3：多孔催化材料燃料管道为“井”字形无焰反应管道的剖视图；
其中：a.无焰反应管道管壁；b.多孔催化材料；c.空气通道；d.燃料气通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
如图1、图2所示，一种本安型无焰水套炉,包括水套炉罐体④、无焰反应管道⑤、天然气管道⑨；所述无焰反应管道⑤和天然气管道⑨设置在水套炉罐体④内，所述无焰反应管道⑤通过其内设置的多孔催化材料将无焰反应管道⑤分为燃料气区和空气区；所述无焰反应管道⑤和天然气管道⑨上分别设置有进气口和出气口，所述无焰反应管道⑤的进气口包括燃料气入口①和空气入口②，燃料气入口①与燃料气区相通，空气入口②与空气区相通。
所述无焰反应管道⑤的进气口、出气口和天然气管道⑨的进气口、出气口均位于水套炉罐体④外部。
所述无焰反应管道⑤的材料为导热材料。
所述无焰反应管道⑤的材料为具有高导热系数且耐腐蚀的海军黄铜或耐腐蚀的钢材。
所述多孔催化材料的形状为齿轮状或“井”字形。
所述多孔催化材料为过渡金属的氧化物、Pt或Pd、以Pt、Pd为基础的合金中的其中一种或几种的混合物。
所述Pt/C、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Ni、Pt-Cr、Pd/CZ、Pd/CZ-Al2O3、Pd/La-Al2O3或Pd/W；过渡金属为Fe、Mo、Ni或Co。
所述水套炉罐体④上方设有补水箱⑧，水套炉罐体④下方设置有支架③。
这里以由Pt-Ni烧制的多孔材料为例，其中Pt的质量分数为5%,是金属粒子直径4——6nm的面心立方。与非贵重金属氧化物催化剂相比，Pt催化剂在碳氢化合物的氧化过程中具有极好的有点：更高的低温起燃活性、更高的碳氢化合物完全转变效率、更高的活性稳定性及更大的抗硫中毒能力。根据催化剂和完全反应率的不同，该催化反应温度处于330℃到400℃之间，高于水的沸点，且低于天然气的燃点，
反应使用的催化剂可以根据反应活性要求和温度要求配制以Pt或Pd为基础的合金、或Fe、Co、Mn、Ni的金属氧化物合成的多种组分和比例的复合催化剂。
上述无焰反应管中结构可以是单管式、列管式、多层膜式、多层套管式。
反应催化材料形状为齿轮型管状，齿部与铜管壁形成的空隙内通入氧气，为反应的阴极，阴极作用是提供氧化剂，催化阴极的还原反应，阴极主要是氧气发生反应，催化材料的芯部通入燃料气体，阳极的作用是让燃料气体发生氧化反应，一般使用天然气为燃料气体。天然气中主要成分是甲烷，还可能有少量乙烷及其他气体。
上述反应催化材料形状为也可为“井”字形，中间部位通入燃料气体，周围通入氧气。
可在本发明的基础上改进系统热管结构和布置方式或配置辅助的燃料预热器和空气预热器、传热传质管道、余热回收装置、调节阀、增压泵、疏水泵等环节以提高热效率。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种本安型无焰水套炉,其特征在于：包括水套炉罐体（4）、无焰反应管道（5）、天然气管道（9）；所述无焰反应管道（5）和天然气管道（9）设置在水套炉罐体（4）内，所述无焰反应管道（5）通过其内设置的多孔催化材料将无焰反应管道（5）分为燃料气区和空气区；所述无焰反应管道（5）和天然气管道（9）上分别设置有进气口和出气口，所述无焰反应管道（5）的进气口包括燃料气入口（1）和空气入口（2），燃料气入口（1）与燃料气区相通，空气入口（2）与空气区相通。
2.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述无焰反应管道（5）的进气口、出气口和天然气管道（9）的进气口、出气口均位于水套炉罐体（4）外部。
3.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述无焰反应管道（5）的材料为导热材料。
4.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述无焰反应管道（5）的材料为海军黄铜或钢材。
5.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述多孔催化材料的形状为齿轮状或“井”字形。
6.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述多孔催化材料为过渡金属的氧化物、Pt或Pd、以Pt、Pd为基础的合金中的其中一种或几种的混合物。
7.如权利要求6所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述以Pt、Pd为基础的合金为Pt/C、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Ni、Pt-Cr、Pd/CZ、Pd/CZ-Al2O3、Pd/La-Al2O3或Pd/W；过渡金属为Fe、Mo、Ni或Co。
8.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述水套炉罐体（4）上方设有补水箱（8），水套炉罐体（4）下方设置有支架（3）。
9.如权利要求1所述的本安型无焰水套炉，其特征在于：所述无焰反应管道（5）的结构为单管式、列管式、多层膜式或多层套管式。
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