CN107285277B - 一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法，装置包括一段转化炉、脱硫装置、第一盘管、第二盘管、第三盘管、第四盘管、套管以及炉管，所述一段转化炉包括对流段和辐射段，所述第一盘管、所述第二盘管、所述第三盘管以及所述第四盘管均设置于所述对流段中，所述炉管设置于辐射段中，所述第一盘管的进气端位于对流段外部，第一盘管的出气端与所述脱硫装置的进气口连通，所述第二盘管的进气端与所述脱硫装置的出气口连通，所述第三盘管和第四盘管的进气端均位于对流段外部，第三盘管和第四盘管的出气端分别通过气管接入到辐射段中。本发明采用上述结构，能够提高原料气的转化效率，降低燃料气的用量，降低成本。

Description

一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法
技术领域
本发明涉及石油化工领域，具体是一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法。
背景技术
采用气态烃（天燃气、焦炉气、煤层气等）为原料制备甲醇或氨合成原料气工业化运行的方法主要为非催化转化法和催化部分氧化法两大类。催化部分氧化法又分为一段转化法、部分氧化法、两段转化法。一段转化法只配备一段转化炉，不需配备空分装置，但烃类总碳转化率较低，转化气中烃类残余含量约3~5%（体积，干基），同时燃料烃类消耗较高。部分氧化法只配备部分氧化炉，需配备空分装置，烃类消耗和氧气消耗均较高。两段转化法包括：厢式一段转化+二段转化、管壳式或套管式换热式转化+二段转化、厢式一段转化+换热式转化+二段转化等，两段转化均需配备空分装置，其优点是烃类总碳转化效率较高，二段转化炉出口转化气中烃类残余含量可小于0.5%（体积，干基），同时烃类燃料消耗较低。
在烃类蒸汽转化工艺过程中所使用的转化炉，目前国内外有两种炉型，一种是采用直接火加热的一段转化炉，如美国M•W•Kellogg公司顶部烧嘴箱型炉；法国Heurtey公司的侧壁烧嘴双室型炉；法国Societe Foster Wheeler公司的梯台型炉等，均采用直接火加热的方式来提供转化管内烃类转化所需的热量。另外一种就是不采用直接火加热的蒸汽转化炉，这种转化炉又分为管壳式和套管式，如英国某公司和乌克兰的换热式转化炉，以及国内一些中小型化工厂所使用的换热式转化炉，都是一种圆筒形外壳，内部装有换热管束，属压力容器范畴。这种炉型存在结构复杂，制造成本高，不便于维修的缺点。而且一旦炉子某处发生故障，该装置就必需全部停产检修，尤其是难以适应较大生产规模需求的缺点。另外一种套管式炉型，如专利号201120045196.8的专利《换热式转化炉》及2014204391673的专利《套管式换热式转化炉》，这种炉型结构简单，制造成本低，易于大型化，事故发生率较低，万一发生故障，不需停车检修，不影响生产，彻底解决了管壳式炉型的缺点。这里需要特别指出的是，现有的套管式换热式转化炉都是对催化剂单面加热，烃类转化率较低。
由此，上述各种不同的烃类转化方法均存在各自的缺点，传统的一段转化法燃料消耗高，部分氧化法原料和氧气消耗高，两段转化法需配备空分装置，两段转化法中配备的换热式转化炉中催化剂为单面受热，烃类转化率较低。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法，解决现有烃类蒸汽转化制备合成气时，存在燃料消耗高、部分氧化法原料和氧气消耗高的问题，另一方面，还能解决两段转化法需配备空分装置，两段转化法中配备的换热式转化炉中催化剂为单面受热，烃类转化率较低的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，包括一段转化炉、脱硫装置、第一盘管、第二盘管、第三盘管、第四盘管、套管以及炉管，所述一段转化炉包括对流段和辐射段，所述第一盘管、所述第二盘管、所述第三盘管以及所述第四盘管均设置于所述对流段中，所述炉管设置于辐射段中，所述第一盘管的进气端位于对流段外部，第一盘管的出气端与所述脱硫装置的进气口连通，所述第二盘管的进气端与所述脱硫装置的出气口连通，所述第三盘管和第四盘管的进气端均位于对流段外部，第三盘管和第四盘管的出气端分别通过气管接入到辐射段中；
所述套管包括内管和外管，所述内管的外壁和外管的内壁之间的环隙装填有反应催化剂，所述外管的进气端与所述第二盘管的出气端连通，外管的出气端与炉管的进气端连通，炉管的出气端与内管的进气端连通，内管的出气端输出转化后的转化气。
进一步地，作为优选技术方案，所述内管与外管的连接处设置有补偿器。
进一步地，作为优选技术方案，所述内管的内壁上设有螺旋片，所述螺旋片由上而下或者由下而上地呈螺旋状贴在内管的内壁上。
进一步地，作为优选技术方案，所述外管的外壁上设有若干翅片和/或钉头。
进一步地，作为优选技术方案，所述外管的进气端与所述第二盘管的出气端之间采用挠性管与集合管相连接，外管的出气端与炉管的进气端采用挠性管与集合管相连接。
一种烃类蒸汽转化制备合成气的方法，包括以下步骤：
步骤S1：原料气经一段转化炉对流段预热后进入脱硫装置进行脱硫处理，脱硫后混入蒸汽，得到原料气A；
步骤S2：原料气A经一段转化炉对流段预热后进入内管与外管之间的环隙中进行初步转化反应，得到转化气B；
步骤S3：转化气B进入一段转化炉辐射段的炉管内进行烃类深度转化反应，得到转化气C；
步骤S4：转化气C进入内管中，为原料气A的初步转化反应提供热量，自身降温后输出；
步骤S5：燃料气经一段转化炉对流段预热后进入一段转化炉辐射段，与预热后的空气混合作为燃料燃烧，为转化气B深度转化反应提供热量，并得到烟气E；
步骤S6：烟气E流经外管，为原料气A初步转化提供热量，自身温度降低后经一段转化炉对流段回收热量后排入烟囱。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S1中，原料气A的温度为500~600℃。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S2中，从内管与外管之间的环隙流出的转化气B的温度为680~750℃。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S3中，转化气C的温度为850~880℃。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S5中，一段转化炉辐射段烟气E的温度为950~1100℃。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果是：
（1）本发明所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法，与传统的两段加压蒸汽转化和换热式转化相比，最显著的优点就是省去了二段转化炉以及投资高的制氧装置，即无氧换热式转化工艺，不但大大降低了建设投资和产品成本，同时也简化了装置的操作。
（2）本发明所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法，与传统直接火加热的一段转化炉匹配，使烃类转化率在没有二段转化炉的情况下达到工艺设计要求，同时，由于与传统的一段转化炉匹配，减少了燃料气的消耗。
（3）本发明所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置及制备方法，具有结构简单，便于制造和维修的优点。
（4）本发明可实现甲醇、氨、醋酸、制氢等联合生产，实现资源循环使用，从而大大降低各项消耗指标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为内管与螺旋片的位置关系示意图；
图3为外管与翅片的位置关系示意图；
图4为外管与钉头的位置关系示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1、一段转化炉，2、脱硫装置，3、第一盘管，4、第二盘管，5、内管，6、外管，7、炉管，8、第三盘管，9、螺旋片，10、翅片，11、对流段，12、辐射段，13、钉头，14、第四盘管。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例所示的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，包括一段转化炉1、脱硫装置2、第一盘管3、第二盘管4、第三盘管8、第四盘管14、套管以及炉管7，一段转化炉1包括对流段11和辐射段12，第一盘管3、第二盘管4、第三盘管8以及所述第四盘管14均设置于所述对流段11中，炉管7设置于辐射段12中，第一盘管3的进气端位于对流段11外部，第一盘管3的出气端与脱硫装置2的进气口连通，第二盘管4的进气端与脱硫装置2的出气口连通，第三盘管8和第四盘管14的进气端均位于对流段11外部，第三盘管8和第四盘管14的出气端分别通过气管接入到辐射段12中。
本实施例的所述套管包括内管5和外管6，内管5的外壁和外管6的内壁之间的环隙装填有反应催化剂，由于内管5与外管6为管状结构，内管5位于外管6内，因此，内管5的外壁与外管6的内壁之间形成的是环状间隙，简称环隙；外管6的进气端与第二盘管4的出气端连通，外管6的出气端与炉管7的进气端连通，炉管7的出气端与内管5的进气端连通，内管5的出气端输出转化后的转化气。
本实施例的工作原理：一方面，将具有一定压力的烃类原料气，经第一盘管3预热后进入到脱硫装置进行脱硫处理，完成脱硫后配入蒸汽得到原料气A，原料气A经第二盘管4预热至500℃～600℃，然后原料气A进入到内管5与外管6之间的环隙，即催化剂床层，完成初步反应后得到转化气B并进入到辐射段12中的炉管7，此时，转化气B的温度可达550～700℃，烃类转化率达到70%左右，转化气B在炉管7内完成烃类深度转化反应，得到转化气C，此时，转化气的温度可达750～890℃，烃类转化率达到90%左右，然后转化气C进入到内管5中，并为催化剂床层空间提供热量交换后流出；另一方面，燃料气、空气分别从第三盘管8、第四盘管14进入，在对流段11完成预热后引入到辐射段12，燃料气在辐射段12内燃烧，为转化气B在炉管7中的深度转化反应提供热量，并得到温度为950～1100℃的高温烟气E，高温烟气E流向对流段11，并依次流经套管、第二盘管4、第一盘管3、第三盘管8、第四盘管14、，随着换热的进行，烟气E的温度逐渐降低，烟气E流经套管、第二盘管4、第一盘管3、第三盘管8、第四盘管14时的温度分别为750～950℃、500～750℃、200～500℃、100～200℃，最后从烟囱排出。
在本实施例中，原料气A的初步反应采用套管来实现，一方面，高温烟气E流经套管，为管内的转化气与催化剂的反应由外向内提供热量，另一方面，炉管7内深度转化反应得到的转化气C进入到内管5内，为管内的转化气与催化剂的反应由内向外提供热量，也就是说，转化气C与高温烟气E对套管实现了内外双重加热，极大地满足了内管5与外管6的环隙中原料气甲烷转化所需要的热量，降低了转化气B中的甲烷残留，即进入辐射段12中炉管7内的甲烷含量降低，使之转化反应所需的热量降低，从而达到节省单纯一段转化烧嘴燃料气的目的。
综上所述，本实施例采用套管（内管+外管）结构形式，无需用火直接加热，一方面，通过将一段转化炉辐射段炉管流出的高温一段转化气引入内管中，为内管、外管环隙中的预转化反应提供热量；另一方面，一段转化炉辐射段产生的高温烟气流经外管、第二盘管，同样为内管、外管之间的转化气B的初步反应提供热量，在套管的作用下，实现了原料气内、外同时加热，加热效率大大提高，使得原料气的转化效率提高，不仅在设备上实现了优化,同时在工艺上也实现了优化。另外，还需要说明的是，本实施例的每根套管（内管+外管）都是独立的一个换热单元，不属于压力容器范畴，可更容易制造而不受容规监管。
为了避免出现内管、外管刚性连接的膨胀差，本实施例在内管5与外管6的连接处设置有补偿器，用于吸收内外管刚性连接处由于温度差异而导致的膨胀差，防止拉裂，确保整个反应的气密性，优选的，本实施例可采用波形补偿器来实现，需要说明的是，波形补偿器为现有技术，其结构和工作原理在此就不赘述，我们只是将其应用到本发明中来。
如图2所示，本实施例在内管5的内壁上设有螺旋片9，螺旋片9由上而下或者由下而上地呈螺旋状贴在内管5的内壁上，螺旋片9可利用自身弹性贴附于内管5的内壁而不至于掉落或者被转化气C吹出，增加了螺旋片9之后，能够有效增大转化气C与催化剂床层空间的接触面积，同时螺旋片9还能延长转化气C在内管5中的停留时间，使转化气C将尽可能多的热量提供给催化剂床层空间，提供转化气B的转化效率。
如图3所示，本实施例在外管6的外壁上设置若干翅片10，翅片10呈竖条状设置于外管6的外壁，翅片10之间的间距可根据需要而设定，增加翅片10之后，高温烟气E流至外管6时，可增加高温烟气E与外管6的接触时间，同时由于翅片10此时与外管6连为一体，即是增大了接触面积，从而增大了高温烟气E与外管6之间的热交换效率，进而有效提高催化剂床层中转化气的转化效率。同样地，为了进一步增大热交换效率，如图4所示，本实施例还可在外管6的外壁设置若干钉头13，钉头13的形状为圆柱形，其可直接焊接在外管6的外壁上，钉头13的自由端朝向远离外管6的竖直中心线方向，翅片10和钉头13可选其一设置，也可以同时设置，在钉头13和翅片10的作用下，增强了高温烟气E与外管6之间的热交换效率，提高了催化剂床层中转化气的转化效率，降低了转化气中的甲烷含量，使之进入辐射段12中炉管7内的甲烷含量降低，炉管7内反应所需的热量降低，即降低了燃料消耗。
另外，本实施例的外管6的进气端与第二盘管4的出气端之间采用挠性管与集合管相连接，外管6的出气端与炉管7的进气端采用挠性管与集合管相连接，挠性管起着吸收热膨胀的作用，集气管起着分气和集气的作用，从而既保证了整个反应的气密性，又很好地实现了气体的进出、分配。
本实施例采用以下方法来实现烃类蒸汽转化制备，具体步骤如下：
步骤S1：原料气经一段转化炉对流段预热后进入脱硫装置进行脱硫处理，脱硫后混入蒸汽，得到原料气A，此时原料气A的温度为500℃；
步骤S2：原料气A经一段转化炉对流段预热后进入内管与外管之间的环隙中进行初步转化反应，得到转化气B，此时转化气B的温度为680℃；
步骤S3：转化气B进入一段转化炉辐射段的炉管内进行烃类深度转化反应，得到转化气C，此时转化气C的温度为850℃；
步骤S4：转化气C进入内管中，为原料气A的初步转化反应提供热量，自身降温后输出；
步骤S5：燃料气经一段转化炉对流段预热后进入一段转化炉辐射段，与预热后的空气混合作为燃料燃烧，为转化气B深度转化反应提供热量，并得到烟气E，此时高温烟气E的温度为950℃；
步骤S6：烟气E流经外管，为原料气A初步转化提供热量，自身温度降低后经一段转化炉对流段回收热量后排入烟囱。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是本实施例的烃类蒸汽转化制备步骤如下：
步骤S1：原料气经一段转化炉对流段预热后进入脱硫装置进行脱硫处理，脱硫后混入蒸汽，得到原料气A，此时原料气A的温度为550℃；
步骤S2：原料气A经一段转化炉对流段预热后进入内管与外管之间的环隙中进行初步转化反应，得到转化气B，此时转化气B的温度为700℃；
步骤S3：转化气B进入一段转化炉辐射段的炉管内进行烃类深度转化反应，得到转化气C，此时转化气C的温度为865℃；
步骤S4：转化气C进入内管中，为原料气A的初步转化反应提供热量，自身降温后输出；
步骤S5：燃料气经一段转化炉对流段预热后进入一段转化炉辐射段，与预热后的空气混合作为燃料燃烧，为转化气B深度转化反应提供热量，并得到烟气E，此时高温烟气E的温度为1000℃；
步骤S6：烟气E流经外管，为原料气A初步转化提供热量，自身温度降低后经一段转化炉对流段回收热量后排入烟囱。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是本实施例的烃类蒸汽转化制备步骤如下：
步骤S1：原料气经一段转化炉对流段预热后进入脱硫装置进行脱硫处理，脱硫后混入蒸汽，得到原料气A，此时原料气A的温度为600℃；
步骤S2：原料气A经一段转化炉对流段预热后进入内管与外管之间的环隙中进行初步转化反应，得到转化气B，此时转化气B的温度为750℃；
步骤S3：转化气B进入一段转化炉辐射段的炉管内进行烃类深度转化反应，得到转化气C，此时转化气C的温度为880℃；
步骤S4：转化气C进入内管中，为原料气A的初步转化反应提供热量，自身降温后输出；
步骤S5：燃料气经一段转化炉对流段预热后进入一段转化炉辐射段，与预热后的空气混合作为燃料燃烧，为转化气B深度转化反应提供热量，并得到烟气E，此时高温烟气E的温度为1100℃；
步骤S6：烟气E流经外管，为原料气A初步转化提供热量，自身温度降低后经一段转化炉对流段回收热量后排入烟囱。
在上述方法中我们可以看到，套管完成了两次热交换，一次是从炉管出来的转化气C与内管完成热交换，另一次是高温烟气E与外管完成热交换，套管内的催化剂床层空间获得了内外两次加热，极大地提高了催化剂床层空间内的转化反应效率，使催化剂床层空间内得甲烷反应更彻底，进而流入到炉管内的甲烷量更少，降低炉管内反应对热量的需求，进而降低燃料消耗。
如上所述，可较好的实现本发明。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，其特征在于，包括一段转化炉（1）、脱硫装置（2）、第一盘管（3）、第二盘管（4）、第三盘管（8）、第四盘管（14）、套管以及炉管（7），所述一段转化炉（1）包括对流段（11）和辐射段（12），所述第一盘管（3）、所述第二盘管（4）、所述第三盘管（8）以及所述第四盘管（14）均设置于所述对流段（11）中，所述炉管（7）设置于辐射段（12）中，所述第一盘管（3）的进气端位于对流段（11）外部，第一盘管（3）的出气端与所述脱硫装置（2）的进气口连通，所述第二盘管（4）的进气端与所述脱硫装置（2）的出气口连通，所述第三盘管（8）和第四盘管（14）的进气端均位于对流段（11）外部，第三盘管（8）和第四盘管（14）的出气端分别通过气管接入到辐射段（12）中；
所述套管包括内管（5）和外管（6），所述内管（5）的外壁和外管（6）的内壁之间的环隙装填有反应催化剂，所述外管（6）的进气端与所述第二盘管（4）的出气端连通，外管（6）的出气端与炉管（7）的进气端连通，炉管（7）的出气端与内管（5）的进气端连通，内管（5）的出气端输出转化后的转化气。
2.根据权利要求1所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，其特征在于，所述内管（5）与外管（6）的连接处设置有补偿器。
3.根据权利要求1所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，其特征在于，所述内管（5）的内壁上设有螺旋片（9），所述螺旋片（9）由上而下或者由下而上地呈螺旋状贴在内管（5）的内壁上。
4.根据权利要求1所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，其特征在于，所述外管（6）的外壁上设有若干翅片（10）和/或钉头（13）。
5.根据权利要求1所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置，其特征在于，所述外管（6）的进气端与所述第二盘管（4）的出气端之间采用挠性管与集合管相连接，外管（6）的出气端与炉管（7）的进气端采用挠性管与集合管相连接。
6.一种采用权利要求1~5任一项所述的一种烃类蒸汽转化制备合成气的装置实现合成气制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：原料气经一段转化炉对流段预热后进入脱硫装置进行脱硫处理，脱硫后混入蒸汽，得到原料气A；
步骤S2：原料气A经一段转化炉对流段预热后进入内管与外管之间的环隙中进行初步转化反应，得到转化气B；
步骤S3：转化气B进入一段转化炉辐射段的炉管内进行烃类深度转化反应，得到转化气C；
步骤S4：转化气C进入内管中，为原料气A的初步转化反应提供热量，自身降温后输出；
步骤S5：燃料气经一段转化炉对流段预热后进入一段转化炉辐射段，与预热后的空气混合作为燃料燃烧，为转化气B深度转化反应提供热量，并得到烟气E；
步骤S6：烟气E流经外管，为原料气A初步转化提供热量，自身温度降低后经一段转化炉对流段回收热量后排入烟囱。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，原料气A的温度为500~600℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，从内管与外管之间的环隙流出的转化气B的温度为680~750℃。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，转化气C的温度为850~880℃。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，一段转化炉辐射段烟气E的温度为950~1100℃。
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