CN110898768A - 一种双等温系统变换炉 - Google Patents

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施程亮
许仁春
徐洁
相红霞
周金路
左晶文
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Abstract

本发明涉及一种双等温系统变换炉，包括炉体、催化剂框和换热管，以及合成气收集管道，催化剂框与合成气收集管道之间的空腔形成反应腔；其特征在于：各换热管分为两组，包括连接第一冷媒源的第一组换热管和连接第二冷媒源的第二组换热管，第一组换热管靠近催化剂框布置，第二组换热管靠近合成气收集管道布置；换热管包括外管和内管；外管的下端口封闭，内管从外管的上端口插入到外管内，内管的下端口靠近外管的下端口并连通外管的内腔，内管的上端口连接锅炉水管道，并且内管的侧壁上间隔设有多个通孔；外管的侧壁与内管的侧壁之间具有间隙；外管的上端口连接蒸汽收集腔。

Description

一种双等温系统变换炉
技术领域
本发明涉及一种到化工设备，尤其涉及一种双等温系统变换炉。
背景技术
我国是一个煤炭资源丰富，石油资源相对缺乏的国家，进入21世纪以来，我国煤化工进入快速发展阶段。煤炭气化是对煤炭进行化学加工的一个重要方法，是实现煤炭洁净利用的关键。
CO变换工序是现代煤化工技术中不可或缺的一环，承担着承上启下的作用。CO变换的目的是调整合成气中H2和CO浓度，满足下游用户的需求。当CO变换工艺配套制氨或制氢装置时，对变换气中CO干基含量有较高要求，通常要求CO干基含量小于0.4％。常规做法是中温变换炉下游再串联一台低温变换炉进行低温深度CO变换。这将导致工艺流程长，设备多、投资高、系统压降大的一系列问题。
(1)如申请号为201410439881.7的中国发明专利所公开的《一种用于高浓度CO原料气的绝热串等温工艺》，其实施例2，工艺流程设置为绝热变换+等温变换+绝热变换，为将变换气中CO干基含量将至0.4％以下，该流程在等温变换下游再串联一台绝热变换炉，导致工艺流程长、设备多、系统压降大的问题。
(2)如申请号为201410572326.1的中国发明专利所公开的《一种径向流动副产蒸汽式等温变换炉》，根据其实施例叙述，该变换炉是属于一级变换，即中温变换，其单程反应后一氧化碳含量小于等于3％，如配套制氨或制氢装置时，其下游还需要串联一台低温变换炉进行深度变换，将其CO干基含量降至0.4％以下。导致工艺流程长、设备多、投资高、系统压降大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种在一个变换炉内能同时进行中温变换和低温变换的双等温系统变换炉，满足下游系统对CO干基含量小于等于0.4％的要求。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双等温系统变换炉，包括炉体、设置在所述炉体内的催化剂框以及设置在所述催化剂框内的多根换热管，所述催化剂框内还设有合成气收集管道，所述催化剂框与所述合成气收集管道之间的空腔形成反应腔；其特征在于：
各所述换热管分为两组，包括连接第一冷媒源的第一组换热管和连接第二冷媒源的第二组换热管，所述第一组换热管靠近所述催化剂框布置，所述第二组换热管靠近所述合成气收集管道布置；
所述换热管包括外管和内管；所述外管的下端口封闭，所述内管从所述外管的上端口插入到所述外管内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管的内腔，所述内管的上端口连接锅炉水管道，并且所述内管的侧壁上间隔设有多个通孔；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙；
所述外管的上端口连接蒸汽收集腔。
较好的，所述第一冷媒源为第一汽包，所述第二冷媒源为第二汽包；更好地，第一汽包副产低压饱和蒸汽，第二汽包副产中压饱和蒸汽；
所述第一组换热管中的各第一换热管的入口连接第一汽包的冷却水出口，各所述第一换热管的出口连接所述第一汽包的蒸汽入口；
所述第二组换热管中的各第二换热管的入口连接所述第二汽包的冷却水出口，各所述第二换热管的出口连接所述第二汽包的蒸汽入口；
优选所述催化剂框包括内筒和外筒，所述内筒套设于所述外筒内并与所述外筒之间具有间隙，所述外筒与所述炉体的侧壁之间的间隙构成原料气通道；所述合成气收集管道设置在所述内筒内；
所述反应腔被所述内筒分隔为位于所述外筒与所述内筒之间的第一反应腔和位于所述内筒与所述合成气收集管道之间的第二反应腔；
所述第一组换热管布置在所述第一反应腔内，至少部分所述第二组换热管布置在所述第一反应腔内。
进一步地，所述第二组换热管分为两部分，第一部分布置在所述第二反应腔内，第二部分布置在所述第一反应腔内并位于所述第一组换热管的内侧且靠近所述内筒。
上述各方案中的反应腔内可以装填同一种催化剂，例如宽温催化剂，较好的，所述第一反应腔内装填有第一催化剂，所述第二反应腔内装填有第二催化剂。所述第一催化剂和第二催化剂为不同的催化剂。例如分别为CO变换中温催化剂和CO变换低温催化剂。
进一步地，所述第一组换热管的换热面积占总换热面积的0.4～0.6；
所述换热面积为埋设在催化剂床层内换热管外管的外表面积。所述第一组换热管的换热面积为各第一换热管外表面积之和；所述第二组换热管的换热面积为各所述第二换热管外表面积之和。
所述总换热面积为第一组换热管的换热面积与第二组换热管的换热面积之和。
更好地，所述第二组换热管的第二部分在第一反应腔内的换热面积占所述总换热面积的0.06～0.2，以保证进入第二反应腔内的反应气的温度在230℃左右。
优选所述内筒和所述外筒的横截面与所对应炉体部分的横截面结构相同。
作为上述各方案的进一步优选，所述通孔位于容置在所述外管内的内管部分的上部位置，通孔的孔径为4～14mm，所述通孔的开孔率相对于内管部分为0.1～0.6％。
进一步地，所述通孔的轴线与所述内管的轴线之间的夹角为30～60°。
通孔的孔径及数量需根据不同负荷工况核算确定，其设置不得造成主通道的短路。
为使换热更充分，优选在所述间隙内设有扰流板；所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置；所述扰流板的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁。
与现有技术相比，本发明能将低温CO变换和中温CO变换反应集成在一个反应炉内，原料气先经过催化剂外框进行中温变换反应，变换反应热通过中压锅炉水移热副产4.0Mpa(G)的中压饱和蒸汽，中温变换后的反应气经低压锅炉水降温后进入催化剂内框进行低温变换反应，将其CO干基含量降至0.4％以下，低温变换反应热通过低压锅炉水移热副产0.45MPa(G)的低压饱和蒸汽。该系统流程短、设备少、投资低、系统压降小。
附图说明
图1为本发明实施例中反应器部分的纵向剖视图；
图2为本发明实施例的示意图；
图3为沿图1中A-A线的剖视图；
图4为图3中C部分的局部放大图；
图5为本发明实施例中换热管剖视局部放大图；
图6为图5中内管的局部平展图；
图7为图5中D部分的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图7所示，该双等温系统变换炉包括：
炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。炉体1的顶部设有原料气入口14，炉体1的底部设有合成气出口33。
催化剂框，用于装填催化剂，设置在筒体13内，所述催化剂框与所述合成气收集管道之间的空腔形成反应腔。本实施例中的催化剂框包括内筒21和外筒22。
催化剂框的安装结构可根据需要选用现有技术中的任一种。本实施例中催化剂框的上、下端不封闭，催化剂框内催化剂床层的上、下两端均装填耐火球，外筒通过筒体固定，内筒通过两侧的换热管固定。
内筒21套设于外筒22内并与所述外筒22之间具有间隙，所述外筒与所述炉体的侧壁之间的间隙构成原料气通道2a；所述合成气收集管道3套设在所述内筒21内。
所述反应腔被所述内筒分隔为位于所述外筒与所述内筒之间的第一反应腔2b和位于所述内筒与所述合成气收集管道之间的第二反应腔2c。
内筒21和外筒22的侧壁上均设有通孔(图中未示出)，通孔不仅作为原料气和合成气的流经通道，而且起到气体分布器的作用，使原料气均匀进入第一反应腔内，第一反应气均匀进入第二反应腔内。
本实施例中，筒体、内筒和所述外筒以及合成气收集管道的横截面结构相同，为同心布置的同心圆型结构。
本实施例在第一反应腔和第二反应腔内填充了不同的窄温型催化剂。在第一反应腔内填充了中温变换催化剂，在第二反应腔内填充了低温变换催化剂。针对各自的反应特点填充不同类型的催化剂，有利于充分利用在特定温度区间内的变换催化剂反应活性，反应速率高，CO转化率高。该方式为优选方式。
第一反应腔和第二反应腔内也可以填充相同的宽温型催化剂，宽温型催化剂因需要同时兼顾中温变换和低温变换活性，因此其变换反应速率及CO转化率相对上述窄温型催化剂低。同时宽温型催化剂为兼顾中温和低温催化活性，以牺牲催化剂使用寿命为代价。使用宽温型催化剂可以不设置内筒。
合成气收集管道3，用于收集第二反应气，并将第二反应气通过合成气输送管道33送出炉体1，设置在催化剂框内腔的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中相邻筒体31通过法兰34相连接；各筒体31的侧壁上设有多个供合成气从催化剂床层进入到合成气收集管道3内的进气孔(图中未示出)；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管道3的上端口上，合成气收集管3的下端口连接合成气输送管道33。
换热管，有多根，平行于炉体1的轴线竖向穿设在催化剂床层内，包括由多根第一换热管4a组成的第一组换热管以及由多根第二换热管4b组成的第二组换热管。各第一换热管4a和各第二换热管4b在反应腔内的同心圆周线上间隔均匀的排布。
为便于区别，在图3中各第二换热管4b以实心圆表示，各第一换热管4a以空心圆表示。
第一换热管和第二换热管的结构相同，均包括外管41和内管42；所述外管41的下端口封闭，所述内管42从所述外管的上端口插入到所述外管41内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管41的内腔；并且所述内管42的侧壁上间隔设有多个通孔44；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙45。
本实施例中，所述通孔44位于内管的上半部位置，通孔44的孔径为4～14mm，本实施例为8mm；开孔率占内管侧壁面积的0.2％；该内管侧壁面积是指内管容置在外管内的部分的侧壁面积；通孔的轴线与内管轴线之间的夹角α为45°，α可在30～60°内选择；通孔的设置能有效改善冷却水在间隙中的分布，提高换热的均衡性。小孔的孔径及数量需根据不同负荷工况核算确定，其设置不得造成主通道的短路。
所述间隙45内设有扰流板43；所述扰流板43沿所述内管42的轴线方向螺旋布置；所述扰流板43的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁，外套管内的物流沿扰流板43在间隙45内上升，与催化剂床层中的反应热换热，在外管的上端口排出蒸汽，蒸汽进入蒸汽收集管47排出。蒸汽收集管47内部设置圆形隔板49，圆形隔板49将蒸汽收集管分隔成两个独立蒸汽收集腔，分别为第一蒸汽收集腔53和第二蒸汽收集腔63。
其中，各第一换热管4a布置在第一反应腔内且靠近外筒。各所述第一换热管的入口通过第一管箱51连接第一冷却水管道52，第一冷却水管道52连接第一汽包5的冷却水出口；各所述第一换热管41的出口通过第一蒸汽收集腔53连接第一蒸汽管道54，第一蒸汽管道54连接第一汽包5的蒸汽入口。第一反应腔通过中压锅炉水移热副产4.0Mpa(G)的中压饱和蒸汽，饱和温度约为252℃。
各第二换热管4b分为两部分，第一部分布置在第二反应腔内，第二部分布置在第一反应腔内并靠近内筒21设置。本实施例在第一反应腔内布置有2层第二换热管4b，优选1～5层。各第二换热管4b的入口通过第二管箱61连接第二冷却水管道62，第二冷却水管道62连接第二汽包6的冷却水出口；各第二换热管4b的出口通过第二蒸汽收集腔63连接第二蒸汽管道64，第二蒸汽管道64连接第二汽包的蒸汽入口。第二反应腔通过低压锅炉水移热副产0.45Mpa(G)的低压饱和蒸汽，饱和蒸汽温度约为155℃。
本实施例中，第一组换热管的换热面积占总换热面积的0.53；第二组换热管的第二部分的换热面积占总换热面积的0.09，第二组换热管设置在第二反应腔内的第一部分的换热面积占总换热面积的0.38。
第一组换热管的换热面积为各第一换热管在催化剂床层内外管的外表面积之和；第二组换热管的换热面积为各第二换热管在催化剂床层内外管的外表面积之和；总换热面积为第一组换热管的换热面积与第二组换热管的换热面积之和。
第一反应腔内的进行中温变换反应，通过约252℃的中压锅炉水移热副产4.0Mpa(G)的中压饱和蒸汽，同时维持反应的操作温度在240～280℃之间。第二反应腔内的进行低温变换反应，通过约155℃的低压锅炉水移热副产0.45Mpa(G)的低压饱和蒸汽，同时维持反应的操作温度在200～240℃之间。为了较好的衔接第一反应腔和第二反应腔变换气温度，因此在第一反应腔内设置了第二组换热管的第二部分，通过较低温度的锅炉水(约155℃的低压锅炉水)与高温变换气进行强换热，将变换气降低10～40℃，使其在进入第二反应腔内的温度在230℃左右。
第一管箱51和第二管箱61可以为环管结构，如本实施例图1中所示出；两个管箱还可以是上、下叠合布置的箱体结构，两个管箱还可以是管板形式。
第一冷却水管道52，第二冷却水管道62和第二蒸汽管道64上均分别设有第一膨胀节52a，第二膨胀节62a和第三膨胀节64a，用于吸收热应力。
该双等温系统变换炉的工作原理描述如下：
原料气通过原料气入口14进入反应器上封头的空腔内，沿原料气通道下行，经由外筒上的各通孔均匀进入第一反应腔的催化剂床层，进行中温CO变换反应，形成第一反应气，反应温度为240～280℃。第一汽包内的中压冷却水通过自然循环方式从第一冷却水管道进入各第一换热管4a，取走第一反应腔内的催化剂床层的反应热，生成的汽水混合物通过第一蒸汽收集腔、第一蒸汽管道返回第一汽包进行汽液分离，副产4.0Mpa(G)中压饱和蒸汽。中压饱和蒸汽通过中压饱和蒸汽管道56送至下游；通过中压锅炉给水管道57向第一汽包内补入中压锅炉水。
第一反应气径向流动，经由内筒上各通孔从第一反应腔进入第二反应腔。在进入第二反应腔之前，第一反应气流经第一反应腔内的第二换热管时，先与这部分第二换热管内的低压冷却水换热，第一反应气的温度逐步降至适合低温CO变换进料温度要求后，经由内筒上的各通孔进入第二反应腔内的催化剂床层，进行低温CO变换反应，形成第二反应气。
第二汽包内的低压冷却水通过自然循环方式从第二冷却水管道、第二管箱进入各第二换热管，取走第二反应腔内催化剂床层的反应热，生成的汽水混合物通过第二蒸汽收集腔、第二蒸汽管道返回第二汽包进行汽液分离，副产0.45Mpa(G)低压饱和蒸汽，低压饱和蒸汽通过低压饱和蒸汽管道66送至下游，通过低压锅炉给水管道67向第二汽包补入低压锅炉水。
原料气在同一个变换炉中先后经过中温变换反应和低温变换反应，CO含量降至0.4％(V％，干基)以下。
第二反应气通过合成气收集管3经由合成气输送管道33输送至下游系统。

Claims (9)

1.一种双等温系统变换炉，包括炉体、设置在所述炉体内的催化剂框以及设置在所述催化剂框内的多根换热管，所述催化剂框内还设有合成气收集管道，所述催化剂框与所述合成气收集管道之间的空腔形成反应腔；其特征在于：
各所述换热管分为两组，包括连接第一冷媒源的第一组换热管和连接第二冷媒源的第二组换热管，所述第一组换热管靠近所述催化剂框布置，所述第二组换热管靠近所述合成气收集管道布置；
所述换热管包括外管和内管；所述外管的下端口封闭，所述内管从所述外管的上端口插入到所述外管内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管的内腔，所述内管的上端口连接锅炉水管道，并且所述内管的侧壁上间隔设有多个通孔；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙；所述外管的上端口连接蒸汽收集腔。
2.根据权利要求1所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述第一冷媒源为第一汽包，所述第二冷媒源为第二汽包；
所述第一组换热管中的各第一换热管的入口连接第一汽包的冷却水出口，各所述第一换热管的出口连接所述第一汽包的蒸汽入口；
所述第二组换热管中的各第二换热管的入口连接所述第二汽包的冷却水出口，各所述第二换热管的出口连接所述第二汽包的蒸汽入口。
3.根据权利要求2所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述催化剂框包括内筒和外筒，所述内筒套设于所述外筒内并与所述外筒之间具有间隙，所述外筒与所述炉体的侧壁之间的间隙构成原料气通道；所述合成气收集管道设置在所述内筒内；
所述反应腔被所述内筒分隔为位于所述外筒与所述内筒之间的第一反应腔和位于所述内筒与所述合成气收集管道之间的第二反应腔；
所述第一组换热管布置在所述第一反应腔内，至少部分所述第二组换热管布置在所述第一反应腔内。
4.根据权利要求3所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述第二组换热管的第一部分布置在所述第二反应腔内，第二部分布置在所述第一反应腔内并位于所述第一组换热管的内侧且靠近所述内筒。
5.根据权利要求4所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述第一反应腔内装填有第一催化剂，所述第二反应腔内装填有第二催化剂；所述第一催化剂和第二催化剂为不同的催化剂。
6.根据权利要求1至5任一项所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述第一组换热管的换热面积占总换热面积的0.4～0.6；
所述第一组换热管的换热面积为各所述第一换热管外管外表面积之和；所述第二组换热管的换热面积为各所述第二换热管的外表面积之和；
所述总换热面积为第一组换热管的换热面积与第二组换热管的换热面积之和。
7.根据权利要求6所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述第二组换热管的第二部分在第一反应腔内换热面积占所述总换热面积的0.06～0.2。
8.根据权利要求7所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述通孔位于容置在所述外管内的内管部分的上部位置，通孔的孔径为4～14mm，所述通孔的开孔率相对于内管部分为0.1～0.6％。通孔的轴线与所述内管的轴线之间的夹角为30～60°。
9.根据权利要求8所述的双等温系统变换炉，其特征在于所述间隙内设有扰流板；所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置；所述扰流板的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁。
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