CN111271993A - 甲醇无火焰制热设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及甲醇无火焰制热设备及其控制方法。甲醇无火焰制热设备由甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器组成，所述甲醇汽化混合器的空气预热室内设有填充有催化剂的换热管，经空气预热室加热后的空气与预热甲醇混合，在空气预热室的换热管内发生催化氧化反应，放出用于加热空气的热能；所述甲醇制热反应器的工质加热室内设有填充有催化剂的换热管，混合有空气的甲醇混合气在换热管内进行催化氧化反应，放出热能给工质加热。所述控制方法为依据各相关步骤的甲醇催化氧化反应放热量根据热平衡或经验系数计算预热甲醇和制热甲醇的流量。本发明能够实现甲醇的充分催化反应，有助于减少空气污染物排放，避免明火带来的安全隐患。

Description

甲醇无火焰制热设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及甲醇无火焰制热设备及其控制方法。

背景技术

能源是人类经济活动中最重要的要素，当今世界正面临着能源短缺，环境污染日益严重和温室效应等诸多问题，为保护人类赖以生存的环境并使经济持续发展，开发洁净的新能源已迫在眉睫，很多发达国家已将清洁的可再生能源甲醇作为自己未来能源而加紧研究开发。

由于传统的煤炭等化石燃料所造成的污染一直是个急待解决的问题。甲醇作为一种清洁的能源，同时又具有可储存和输送的特点，从长远看，它的发展可能带来能源结构的重大改变，大力研究开发甲醇制热技术和设备，无论对整个世界还是对我国能源安全，还是能源可持续性发展都有着特别重要的意义，不但可替代传统燃料，而且污染小，并且运行成本低，应用广泛。

现有技术下，甲醇制热的主要方法作为燃气与空气混合燃烧。然而，这种明火燃烧的方式往往存在燃烧不充分且排放甲醛和氮氧化物（NO_x）等空气污染物的问题，在某些特殊场合下还禁止明火燃烧，以消除安全隐患。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了甲醇汽化混合器、甲醇制热反应器及由所述甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器组成的甲醇无火焰制热设备，以实现甲醇的充分催化反应，减少空气污染物排放，避免明火带来的安全隐患。

本发明的技术方案是：甲醇无火焰制热设备，包括本发明公开的任一种甲醇汽化混合器和本发明公开的任一种甲醇制热反应器，所述甲醇汽化混合器的甲醇混合气出口连接所述甲醇制热反应器的甲醇混合气进口。

本发明涉及的甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器均为甲醇无火焰加热器在相应用途下的具体实施方式。

所述甲醇无火焰加热器设有壳体，所述壳体内设有管板，所述管板的外缘与所述壳体密封，包括进口侧管板和出口侧管板，所述进口侧管板和出口侧管板将壳体内空间沿壳体的轴向依次分隔为进口腔、加热腔和出口腔，所述加热腔位于所述进口腔和出口腔之间，通常可以为所述壳体内空间的主体部分，其容积通常可大于所述进口腔和出口腔的容积之和，所述进口侧管板和出口侧管板通常应垂直于所述壳体的轴向，且通常为平面板，所述加热室内设有列管，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的进口端和出口端分别固定连接在所述进口侧管板和出口侧管板上，所述换热管的管孔与所述进口侧管板的对应板孔和所述出口侧管板的对应板孔连通为一体，管端的外壁分别与所述进口侧管板和所述出口侧管板密封，所述进口腔设有反应气进口，所述出口腔设有反应气出口，所述加热腔设有被加热介质进口和被加热介质出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂。送入所述反应气进口的反应气体为甲醇混合气，所述甲醇混合气是指含有甲醇和氧的混合气体，可以在催化剂的作用下发生甲醇的催化氧化反应，反应气体经过在加热管内的催化氧化反应后，释放反应热以加热所述加热管外面的被加热介质，经过在加热管内的催化氧化反应后的反应气包含甲醇催化氧化后的产物，进入出口腔，从反应气出口排出。

所述甲醇混合气为适应于甲醇催化氧化的含有一定甲醇和氧的混合气体，通常可以由甲醇和一定比例的空气混合而成，可以依据具体使用目的或要求确定甲醇与空气的比例。

所述壳体的主体部分通常呈圆筒状，圆筒的两端密封连接有各自的封头，所述封头的外形可以为球缺形，也可以采用其他类似反应设备的壳体形状。

所述进口侧管板和出口侧管板通常可以为平面板且垂直于所述壳体的轴向，固定安装在所述壳体的内壁上。

甲醇无火焰加热器的可以为立式壳体，或者为卧式壳体，或者为其他形式设置的壳体，通常优选为立式。

立式壳体和卧式壳体的主要区别在于设置方向不同，将立式壳体旋转90堵，由竖立布置变为水平布置，即可作为卧式壳体。

根据需要，也可以将壳体倾斜一定程度，使其轴线与竖向和水平方向均有一定的夹角。

壳体的设置方向（轴线方向）不妨碍这种产品的工作，可以依据实际需要任意设置。

上述涉及甲醇无火焰加热器的技术内容，适用于本发明的甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器。

下面对甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器及由甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器组成的甲醇无火焰制热设备做进一步介绍。

甲醇汽化混合器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自上至下依次分布的混合均压室、空气预热室和汽化混合室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述空气预热室设有空气进口和空气出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述空气预热室的空气出口通过中间输气管连接所述混合均压室的预热混合气进口，所述中间输气管设有预热甲醇进口或者所述混合均压室设有预热甲醇进口，所述汽化混合室设有制热甲醇进口和甲醇混合气出口。

优选地，所述空气预热室的空气出口设置在空气预热室的上部，空气进口设置在空气预热室的下部。

优选地，所述汽化混合室的上部设有甲醇喷淋管，所述甲醇喷淋管上设有喷嘴或喷淋孔，所述制热甲醇进口的内端连通所述甲醇喷淋管。

优选地，所述换热管为等径或变径的圆管（横截面为圆的管）。

优选地，所述换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，即其管壁呈以波浪形的曲线为母线的旋转曲面状，其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。

优选地，各所述换热管在相同高度上的管径相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。

优选地，所述混合均压室的预热混合气进口位于其顶部。

优选地，所述中间输气管的近混合均压室区域设有缩颈结构，所述预热甲醇进口设置在所述中间输气管的缩颈结构的管径最小处的侧壁上。

优选地，所述甲醇混合气出口和所述空气进口之间设有空气循环管道，所述空气循环管道上串接有加热装置，所述甲醇混合气出口通过相应空气循环管道连接所述加热装置的进口，所述加热装置的出口通过相应空气循环管道连接所述空气预热室的空气进口。

所述加热装置可以为电加热器，以便简化配套设施。

所述空气循环管道上通常可以设有循环泵。

可以依据现有技术，采用三通实现加热装置与相关管道的连接。

甲醇无火焰制热反应器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室、工质加热室和均压排气室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁分别与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述工质加热室设有工质进口和工质出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述均压进气室设有甲醇混合气进口，所述均压排气室设有废气出口。

所述工质加热室的工质进口通常可以设置在工质加热室的上部，工质出口通常可以设置在工质加热室的下部。

优选地，所述换热管为等径或变径的圆管。

优选地，所述换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，即其管壁呈以波浪形的曲线为母线的旋转曲面状，其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同，各所述换热管在相同高度上的管径相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。

优选地，所述均压进气室的下部设有甲醇混合气分布装置，所述甲醇混合气进口位于所述甲醇混合气分布装置的下方。

优选地，所述工质加热室内设有若干折流板，所述折流板上设有用于穿过相应换热管的换热管孔。

优选地，所述折流板在竖向上交错分布，即竖向上任意相邻的折流板，一个靠左，使其左侧边缘与壳体内壁结合，另一个靠右，使其右侧边缘与壳体内壁结合。

所述甲醇汽化混合器的空气进口可以连接空气净化处理装置，或者连通大气。

所述甲醇制热反应器的工质进口和工质出口可以分别连接分别连接加热后工质输送管和待加热工质输送管。

所述甲醇汽化混合器的预热甲醇进口和所述甲醇制热反应器的制热甲醇进口均可以连接甲醇存储装置，以获得甲醇供给。

甲醇无火焰制热设备的控制方法，用于本发明的任意一种甲醇无火焰制热设备，依据工质的加热要求控制或调节送入甲醇制热反应器的甲醇混合气的质量流量和/或甲醇浓度，进而控制甲醇制热反应器中的甲醇催化氧化反应强度和放热功率，依据所需的甲醇混合气的质量流量和甲醇浓度，控制或调节引入甲醇汽化混合器中的制热用甲醇的质量流量和空气的质量流量，依据甲醇催化氧化反应的进气温度要求控制或调节引入甲醇汽化混合器的预热用甲醇的质量流量，进而控制甲醇汽化混合器中的甲醇催化氧化反应强度和放热功率。

优选地，引入所述甲醇制热反应器中的制热用甲醇在甲醇制热反应器的换热管中实现工艺上的完全反应，引入所述甲醇汽化混合器中的预热用甲醇在甲醇汽化混合器的换热管中实现工艺上的完全反应，引入所述甲醇制热反应器的氧和引入所述甲醇汽化混合器中的氧均为超量，在甲醇完全反应后，依然有未反应的氧。

所称工艺上完全反应是指在一定的工艺条件未反应的甲醇浓度在允许的范围之内，或者说工艺上能够合理实现的最大反应程度。

可以采用下列任一方式进行甲醇汽化反应器的启动：

在启动过程中，以加热装置将空气加热至所需的温度，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下，持续将加热后的空气经空气进口送入空气预热室，开启甲醇混合气出口进行空气排放，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态；

或者，

在启动过程中，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下，开启空气进口和甲醇混合气出口，经甲醇混合气出口和空气进口进行空气循环，以加热装置将循环空气加热，使甲醇混合气出口排出的空气作为加热装置的进气，经加热装置加热后重新送入空气进口，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态。

甲醇汽化混合器的工作流程主要为：将含有甲醇和氧的预热用甲醇混合气经混合均压室引入换热管进行甲醇的催化氧化反应，将空气经空气进口引入空气预热室，吸收甲醇催化氧化反应放出的热能，将液态的预热用甲醇经预热甲醇进口引入中间输气管或引入混合均压室，在中间输气管中和/或混合均压室与经空气出口从空气预热室引出的加热后空气混合，形成所述的预热用甲醇混合气，将液态的制热用甲醇经制热甲醇进口引入汽化混合室，与由换热管送入汽化混合室的催化氧化后气体混合，形成含有甲醇和氧的甲醇混合气并经甲醇混合气出口送入，通过控制经空气进口引入空气预热室的空气流量和/或控制经制热甲醇进口引入均压混合室的制热用甲醇流量控制所述甲醇混合气中的甲醇浓度和/或氧浓度，使其满足甲醇混合气的甲醇浓度和/或氧浓度要求，通过控制经预热甲醇进口引入中间输气管或引入混合均压室的预热用甲醇流量控制换热管内的甲醇催化氧化反应的放热强度（放热功率），使其满足甲醇混合气的温度要求。

甲醇制热反应器的主要工作流程为：将甲醇汽化反应器制备的具有一定温度的甲醇混合气从甲醇混合气进口送入甲醇制热反应器，流经换热管时在催化剂的作用下发生甲醇的催化氧化反应，将工质从工质加热室的工质进口引入工质加热室的管外空间（壳程）进行加热，加热后的工质从工质加热室的工质出口引出，经过催化氧化反应后的气体为尾气，经均压排气室的废气出口排出。在其他工艺条件一定的情况下，可以通过调整甲醇混合气的流量和/或甲醇混合气中的甲醇浓度调整对工质的加热量或输出工质的温度。

由于本发明采用催化氧化反应，反应温度为100-600℃，甲醇利用率大于99 %，甲醇空气在催化剂表面进行催化氧化转换成CO₂、H₂O等产物，基本上无二次污染，不产生火焰燃烧的NO_X。

本发明可用于加热水、油及空气等流体工质，并可以用于制备蒸汽，启动温度低，常压运行，反应平稳，无火焰，无尾烟，体积小，易操作，成本低，具有节能、环保、高效、投资和运行成本低的特点，可用于替代电加热器及燃气加热器等现有制热设备。

附图说明

图1是甲醇无火焰制热设备的示意图；

图2是甲醇汽化混合器的示意图；

图3是另一种甲醇汽化混合器的示意图；

图4是甲醇制热反应器的示意图；

图5是另一种甲醇制热反应器的示意图；

图6是一种换热管的局部结构示意图，这种换热管可以用于甲醇汽化混合器，也可以用于甲醇制热反应器；

图7是甲醇制热反应器中涉及换热管孔内的弹力条和换热管的构造示意图，为显示清晰期间，在弹力条和换热管之间增加了间隙，但实际中两者应压紧在一起。

具体实施方式

参见图1，本发明的甲醇无火焰制热设备包括用于工质加热的甲醇催化燃烧制热装置200和用于制取甲醇混合气的设备100，所述用于制取甲醇混合气的设备为本发明公开的任意一种甲醇汽化混合器，所述用于工质加热的甲醇催化燃烧制热装置为本发明公开的任意一种甲醇制热反应器，所述甲醇汽化混合器的甲醇混合气出口通过甲醇混合气输送管连接所述甲醇制热反应器的甲醇混合气进口。

所述甲醇汽化混合器的空气进口连接空气净化处理装置（例如，空气过滤装置），用于引入净化后的空气，预热甲醇进口和制热甲醇进口连接甲醇源（例如甲醇储罐），用于引入液态甲醇，所述甲醇制热反应器的工质出口和工质进口分别连接加热后工质输送管和待加热工质输送管。

依据实际需要，可以在相应连接管道上设置阀门和相关工艺参数（例如，压力、温度和流量等）的在线检测仪。

参见图2和图3，本发明的甲醇汽化混合器采用立式的管式换热器结构，设有立式的壳体110，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板134和下管板136，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，其外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自上至下依次分布的混合均压室122、空气预热室124和汽化混合室126，所述列管由若干换热管132组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，其外壁分别与所述上管板和下管板密封，其管孔分别与所述上管板和下管板的对应板孔连为一体，所述空气预热室设有空气进口102和空气出口104，所述空气预热室的空气进口用于连接外部空气源（例如净化空气的供气管），所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂131，可以依据现有技术选择任意适宜的催化剂，所述空气预热室的空气出口通过中间输气管106连接所述混合均压室的预热混合气进口105，所述中间输气管通常可位于所述壳体的外面，以方便设置并避免占用壳体内空间，所述中间输气管或所述混合均压室设有预热甲醇进口103，用于连接甲醇供液管，引入空气预热用的甲醇，所述汽化混合室设有制热甲醇进口101和甲醇混合气出口108，所述制热甲醇进口用于连接甲醇供液管，引入制热用的甲醇，所述甲醇混合气出口用于连接甲醇混合气输送管，输出具有一定温度的甲醇（空气）混合气。

所述换热管通常可以等间距分布于空气预热室内的全部换热区域。

所述换热管的分布方式优选采用正方形排列或正三角排列，以更好地适应于侧向进气和侧向出气结构，优化空气与换热管的接触。

通常，所述换热管可以为等径或变径的圆管（横截面为圆面的管），以利于管内气流在横截面上的均匀分布。

例如，所述换热管按正方形排列，所述换热管优选为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管（参见图6），其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。在此情形下，各换热管在相同高度上的管径优选相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。上述换热管结构和分布方式不仅有利于增大换热管的表面积，提高换热能力，而且在空气流量发生较大变化的情况下，空气预热室对空气流的阻力变化较小，利于系统的稳定，能够有效地增大所适应的空气流量（负荷）范围，提高抗空气流量变化冲击的能力。另外，在空气流量发生变化时，可以通过调节预热甲醇流量调整催化氧化反应强度，使放热量适应于相应空气流量下的换热量要求。换热管（包括催化剂）的设计应适应于相应的调节，满足最大反应强度要求。

可以在换热管内设置用于支撑催化剂的支架、孔板和/或丝网等。

所述催化剂可以呈块状或颗粒状等。

所述空气预热室的空气进口和空气出口通常可以设置在空气预热室相对的两侧，且一个（优选空气出口）设置在空气预热室的上部，一个（优选空气进口）设置在空气预热室的下部，以实现空气流的均衡分布，保证加热效果。

也可以将空气预热室的空气进口和空气出口分设于空气预热室上部相对的两侧，而在空气预热室内设置位于竖向的折流隔板135，所述空气进口和空气出口对称分布于折流隔板的两侧，折流隔板的上端与上管板连接，下端与下管板之间留有构成气流通道的间距，在折流隔板的作用下，空气预热室的空气流总体上呈U形，延长了空气预热室的空气流路径，利于提高换热能力。

所述中间输气管的近混合均压室区域优选设有缩颈结构（或称喉管），所述预热甲醇进口设置在所述中间输气管的缩颈结构的管径最小处的侧壁上，缩颈处的空气流速加快，对甲醇形成负压抽吸效果，并在抽吸过程及后续的管径扩张过程阶段高效混合，使得进入混合均压室的气体处于良好的混合状态。

所述混合均压室的预热混合气进口优选位于其顶部。在此情形下，所述混合均压室内优选设有位于其进气内端口（预热混合气进口的内端开口）下方的进气挡板128，所述进气挡板呈圆板形或扁圆锥形（锥高远低于底面半径的圆锥形），该圆板的板面（大面）或者扁圆锥的顶点正对所述混合均压室的预热混合气进口，圆板直径或扁圆锥的底直径优选为所述混合均压室的进气内端口内径的1.5-2.5倍，与所述混合均压室的进气内端口间的间距优选为圆板直径或扁圆锥的底面直径的2倍。通过进气挡板的设置，可以避免进入混合均压室的气流直接流向位于中心区域的换热管，有利于改善混合均压室的均压效果，有利于各换热管的流量一致。

所述制热甲醇进口优选设置在所述汽化混合室的上部侧壁上。

所述甲醇混合气出口优选设置在所述汽化混合室底部的中央。

可以依据现有技术，根据控制需要在空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口等管道接口或管道上设置控制阀门，用于进行相应的流量或通断控制，以满足工艺要求。

各所述控制阀门可以为电控电动阀门或其他适应于自动控制的阀门，以便进行自动控制，也可以串接手动阀门，在自动控制失效时进行相应的手动控制，例如，切断相应的管路。

可以依据现有技术，根据控制需要在空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口等管道接口或连接管道上设置在线流量检测仪、压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

也可以在所述混合均压室、空气预热室和汽化混合室设置用于相关检测部位设置在线的压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

具体检测部位及检测参数的设置依据控制需要，可以采用任意适宜的现有技术。

各种管道接口及连接管道（例如，空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口）均可以采用短管形式或其他任意适宜形式，可以焊接在相应装置的壳体上或通过其他方式安装在相应壳体上。

任意管状结构之间的连接可以采用法兰连接或其他适宜的连接方式。

所述汽化混合室的上部优选设有甲醇喷淋管125，所述甲醇喷淋管上设有喷嘴或喷淋孔，所述制热甲醇进口连通（管道连接）所述甲醇喷淋管，以使从制热甲醇进口进入的甲醇通过甲醇喷淋管均匀地分布在汽化混合室内。

所述甲醇喷淋管通常可以呈为水平的环形，通过相关支架同轴安装在所述汽化混合室内，所述喷嘴或喷淋孔可以均匀地分布在甲醇喷淋管的管壁上，开口朝下。用于支撑或安装甲醇喷淋管的支架可以采用任意适宜的形式。

所述甲醇喷淋管的数量可以为一个或多个。当为多个时，各甲醇喷淋管的大小不等，同轴（内外相间）分布在同一个平面上。具体数量可以依据所述汽化混合室相应部位的横截面大小及具体工艺参数设定，以实现较为均匀的甲醇分布。

通常，所述壳体的主体呈圆筒状，其上端和下端分别设有上封头112和下封头114。

所述上管板优选位于所述壳体的主体和所述上封头的连接部位。所述壳体的主体和所述上封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述上管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述上封头相互对接的企口结构之间。

所述下管板优选位于所述壳体的主体和所述下封头的连接部位，所述壳体的主体和所述下封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述下管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述下封头相互对接的企口结构之间。

可以根据需要在所述壳体的主体与所述下封头连接处和所述壳体与所述上封头的连接处设置密封垫。

可以依据实际需要设置上封头和下封头的大小，使得混合均压室和汽化混合室均有适宜的大小，以实现良好的汽化、混合和均压效果，良好的均匀有助于保障各换热管流量的一致性。

可以依据现有技术在壳体的下方设置壳体支架118或底座等，用于壳体的安装和支撑。

可以设置独立的加热装置140在设备启动（开车）过程中对空气进行加热（参见图3），使其达到系统稳定运行的温度要求，在与预热用甲醇混合后，形成的预热用甲醇混合气在进入换热管时具有换热管内催化氧化所需的温度。

所述加热装置通常可以为电加热器。

所述加热装置的进口141可以通过三通连接所述甲醇混合气出口108，出口通过三通连接所述空气预热室的空气进口122，即将加热装置串接在空气循环管道上，空气循环管道的一段143用于加热装置的进口与甲醇混合气出口的连接，将甲醇混合气出口引出的循环空气接入加热装置，空气循环管道的另一段142用于加热装置的出口与所述空气预热室的空气进口的连接，将加热装置加热后的循环空气重新送入空气预热室。通过这种循环加热，一是可以使设备内逐渐升温至稳定工作所需的温度状态，避免热冲击，二是允许采用较小功能的加热装置，以简化设备，降低配套要求。可以依据现有技术设置循环泵144及阀门等实现对空气循环的控制以及进行启动工作方式与稳定工作方式之间的切换。

也可以采用加热装置140直接将空气加热到所需的温度，在此情形下也可以不进行空气的循环，但为保证设备内形成所需的稳定状态，通常亦需要经过一段启动过程，持续通入和排出加热后的空气。

可以将这种甲醇汽化混合器的制热甲醇进口和预热甲醇进口通过相应的甲醇输入管连接甲醇源（例如，甲醇储罐），将所述空气预热室的空气进口通过空气输入管连接空气源（例如空气净化装置），将甲醇混合气出口通过甲醇混合气输送管接入甲醇催化氧化（或称催化燃烧）制热装置（例如，本发明的甲醇制热反应器）的甲醇混合气进口，形成甲醇无火焰制热系统。

可以将这种甲醇汽化混合器与任意适宜的以甲醇催化氧化方式制热的制热设备配套，用于向甲醇催化氧化方式制热的设备提供适宜温度的甲醇混合气，其中甲醇混合气中甲醇含量（浓度）及与氧含量之间的比例可以依据相关制热设备的工艺要求，通常氧为超量，以保证全部甲醇都反应完毕。

制热设备的工作介质（工质）可以为空气、水或导热油等任意适宜形式。

通常，可通过工艺控制及设备设计，使得预热用甲醇在空气预热室的换热管内基本上完全反应。必要时，应考虑空气预热中未反应的甲醇对预热用甲醇流量及制热用甲醇流量的影响。

甲醇汽化混合器的空气进口可以连接空气净化处理装置（例如，空气过滤装置），用于引入净化后的空气，也可以直接连通外部大气空间，预热甲醇进口和制热甲醇进口连接甲醇源（例如甲醇储罐），用于引入液态甲醇。

依据实际需要，可以在相应连接管道上设置阀门和相关工艺参数（例如，压力、温度和流量等）的在线检测仪。

参见图4和图5，本发明的甲醇制热反应器可以采用立式的管式换热器结构，设有立式的壳体210，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板234和下管板236，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，其外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室226、工质加热室224和均压排气室222，所述列管由若干换热管232组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，其外壁分别与所述上管板和下管板密封，其管孔分别与所述上管板和下管板的对应板孔连为一体，所述工质加热室设有工质进口201和工质出口208，所述工质进口用于连接工质输入管（例如，回水管），所述工质出口用于连接工质输出管（例如，蒸汽管），所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂231，所述均压进气室设有甲醇混合气进口202，用于引入具有一定温度的甲醇（空气）混合气，所述均压排气室设有废气（或称尾气）出口209。

所述换热管通常可以等间距分布于工质加热室内的全部换热区域。

所述换热管的分布方式优选采用正方形排列或正三角排列，以更好地适应于工质侧向流入和侧向流出的结构，优化工质与换热管的接触。

通常，所述换热管可以为等径或变径的圆管（横截面为圆面的管），以利于气流在横截面上的均匀分布。

例如，所述换热管按正方形排列，所述换热管优选为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管（参见图6），其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。在此情形下，各换热管在相同高度上的管径优选相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。上述换热管结构和分布方式不仅有利于增大换热管的表面积，提高换热能力，而且在工质流量发生较大变化的情况下，工质加热室对空气流的阻力变化较小，利于系统的稳定，能够有效地增大所适应的工质流量（负荷）范围，提高抗工质流量变化冲击的能力。另外，在工质流量发生变化时，可以通过调节甲醇混合气流量调整催化氧化反应强度，使放热量适应于相应工质流量下的换热量要求。换热管（包括催化剂）的设计应适应于相应的调节，满足最大反应强度要求。

可以在换热管内设置用于支撑催化剂的支架、孔板和/或丝网等。

所述催化剂可以呈块状或颗粒状等。。

所述工质加热室的工质进口和工质出口可以设置在工质加热室相对的两侧，根据场地或管道布局需要也可以设置在同一侧。优选一个（优选工质进口）设置在工质加热室的上部，一个（优选工质出口）设置在工质加热室的下部，以实现空气流的均衡分布，保证加热效果及加热后的工质温度。

也可以将工质加热室的工质进口和工质出口之间设置竖向折流板，将工质进口和工质出口设置在竖向折流板两侧的相同高度。

例如，工质进口和工质出口分设于工质加热室下部相对的两侧，而在工质加热室内设置位于工质进口和工质出口之间的竖向折流隔板，竖向折流隔板的下端与下管板连接，上端与上管板之间留有构成气流通道的间距，使工质流总体呈倒U形，延长了工质加热室的工质流路径，以利于提高换热能力。

所述工质加热室内优选设有若干弓形的折流板238，所述折流板水平设置，折流板的弓形优选为优弧弓形（大于半圆，通常可以接近于半圆，例如，遮挡相应横截面上的55-60%的面积），上下折流板交错分布，即任意上下相邻的折流板，一个位于壳体内的左侧，另一个位于壳体内的右侧，相邻折流板的竖向间距通常可以不小于壳体的半径且不大于壳体的直径，所述折流板上设有用于穿过相应换热管的换热管孔237。

可以在所述工质加热室内设置折流板支杆239或其他形式的折流板支架用于折流板的安装和支撑。

所述换热管孔的内径优选大于所述换热管的外径，换热管孔内设有用于卡在相应换热管周边的多个弹力条235，所述弹力条通常在周向上等间距分布，数量优选为3个。

优选地，所述弹力条为中部向内的弧形弹力条，其中间部位设有与所述换热管表面相似的凹部，所述弹力条的一端固定（例如，焊接或插接）在所述换热管孔的内壁上，另一端抵靠所述换热管孔的内壁，与换热管孔内壁之间不固定。

所述弹力条优选呈立面片状或杆状。呈立面片状的弹力条的内表面的主要部分与换热管的轴线平行，上下边缘可以为圆角状；呈杆状的弹力条的横截面可以为圆形。

所述甲醇混合气进口优选设置在所述均压进气室的底部。

所述废气出口优选设置在所述均压排气室的顶部。

所述均压进气室内优选设有位于其进口内端口（甲醇混合气进口的内端开口）上方的进气挡板228，所述进气挡板呈圆板形或扁圆锥形（锥高远低于底面半径的圆锥形），该圆板的板面（大面）或者扁圆锥的顶点正对所述均压进气室的甲醇混合气进口，圆板直径或扁圆锥的底直径优选为所述均压进气室的进气内端口内径的1.5-2.5倍，与所述均压进气室的进气内端口间的间距优选为圆板直径或扁圆锥的底面直径的2倍。通过进气挡板的设置，可以避免进入均压进气室的气流直接流向位于中心区域的换热管，有利于改善均压进气室的均压效果，有利于各换热管的流量一致。

所述进气挡板可以通过相应的支架安装在均匀进气室内。

可以依据现有技术，根据控制需要在工质进口、工质出口、甲醇混合气进口和废气出口等管道接口或相应连接管道上设置控制阀门，用于进行相应的流量或通断控制，以满足工艺要求。

各所述控制阀门可以为电控电动阀门或其他适应于自动控制的阀门，以便进行自动控制，也可以串接手动阀门，在自动控制失效时进行相应的手动控制，例如，切断相应的管路。

可以依据现有技术，根据控制需要在工质进口、工质出口、甲醇混合气进口和废气出口等管道接口或连接管道上设置在线流量检测仪、压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

也可以在所述均压进气室、工质加热室和均压排气室设置用于相关检测部位设置在线的压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

具体检测部位及检测参数的设置依据控制需要，可以采用任意适宜的现有技术。

各种管道接口（例如，工质进口、工质出口、甲醇混合气进口和废气出口）均可以采用短管形式或其他任意适宜形式，可以焊接在相应装置的壳体上或通过其他方式安装在相应壳体上。

任意管状结构之间的连接可以采用法兰连接或其他适宜的连接方式。

所述均压进气室的下部可以设有或者不设有甲醇混合气分布装置225，所述甲醇混合气进口位于所述甲醇混合气分布装置的下方，以使甲醇混合气在穿过甲醇混合气分布装置后能够形成较为均匀的压力分布。

所述甲醇混合气分布装置可以采用孔板或多层丝网，所述孔板上密布有若干通孔，通产可以水平设置，通过支架安装在所述均压进气室内。

所述甲醇混合气分布装置应基本上遮挡相应部位的全部横截面积。

所述甲醇混合气分布装置的数量可以为一层或多层。

当设有均压进气室内设有进气挡板时，所述甲醇混合气分布装置可以位于所述进气挡板的上方。

通常，所述壳体的主体呈圆筒状，其上端和下端分别设有上封头212和下封头214。

所述上管板优选位于所述壳体的主体和所述上封头的连接部位，所述壳体的主体和所述上封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述上管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述上封头相互对接的企口结构之间。

所述下管板优选位于所述壳体的主体和所述下封头的连接部位，所述壳体的主体和所述下封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述下管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述下封头相互对接的企口结构之间。

可以根据需要在所述壳体的主体与所述下封头连接处和所述壳体与所述上封头的连接处设置密封垫。

可以依据实际需要设置上封头和下封头的大小，使得均压进气室和均压排气室均有适宜的大小，以实现良好的均压效果，良好的均匀有助于保障各换热管流量的一致性。

可以依据现有技术在壳体的下方设置壳体支架218或底座等，用于壳体的安装和支撑。

可以将这种甲醇制热反应器的工质进口和工质出口连接在相应的工质循环管道，或者制热后工质输送管和待制热工质输送管，甲醇混合气进口连接用于制取甲醇混合气的设备的甲醇混合气出口，废气出口设置废气排放管道或连接废气处理装置，形成用于加热相应工质的甲醇无火焰制热系统。

所述用于制取甲醇混合气的设备可以为任意以液态甲醇和空气为进料，制备出具有一定温度的甲醇和空气的混合气体的设备，所述工质可以为空气、水或导热油等任意适宜形式。

使用甲醇无火焰制热设备时，可以通过调节或设定甲醇汽化混合器的空气流量（空气进口的空气流量）和/或甲醇混合气中的甲醇浓度，控制甲醇制热反应器的甲醇催化氧化的放热功率，进而控制在一定工质条件（介质种类、进口温度和进口流量等）下输出的工质温度或工质状况（例如，温度、压力、物质形态）；在一定空气流量下，通过调节或设定输入的制热甲醇流量（制热甲醇进口的甲醇流量）控制甲醇混合气中的甲醇浓度；通过调节或设定甲醇汽化混合器输入的预热甲醇流量（预热甲醇进口的甲醇流量）控制甲醇汽化混合器中甲醇催化氧化的放热功率，进而控制甲醇混合气的出口温度。可以依据甲醇制热反应器的甲醇催化氧化的放热功率和甲醇汽化混合器的甲醇催化氧化的放热功率以及尾气中的含氧量，控制甲醇汽化混合器的空气流量。

各所述流量（各种物质的流量，例如，空气流量、预热甲醇流量、制热甲醇流量、工质流量等）优选采用质量流量或摩尔流量，以方便与催化氧化反应及其放热量相关的计算。

在甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器涉及的甲醇催化氧化反应中，均保持氧为超量，甲醇为限量。由于甲醇通常应达到工艺上的充分反应，可以根据实际情况在考虑尾气中的甲醇浓度或者不考虑尾气中的甲醇浓度的情形下计算甲醇催化氧化的反应强度和放热功率。

作为甲醇无火焰加热器在相应用途下的具体实施方式，本说明书在涉及甲醇汽化混合器和甲醇制热反应器的描述中，对加热器的相关件或结构采用了相应用途下的名称。例如，将两管板依据在立式状态下的位置分别称为上管板或下管板（可以依据具体工作方式确定上管板和下管板中哪个是进口侧管板，哪个是出口侧管板）；在甲醇汽化混合器中，加热腔被称为空气预热室，进口腔被称为混合均压室，出口腔被称为汽化混合室，进口腔的反应气进口被称为预热甲醇进口，出口腔的反应气出口被称为甲醇混合气出口，加热腔的被加热介质进口和被加热介质出口分别被称为空气进口和空气出口；在甲醇制热反应器中，加热腔被称为工质加热室，进口腔被称为均压进气室，出口腔被称为均压排气室，进口腔的反应气进口被称为甲醇混合气进口，出口腔的反应气出口被称为废气出口，加热腔的被加热介质进口和被加热介质出口分别被称为工质进口和工质出口。

本发明所称的“立式”以及相应的“水平”、“上”、“下”、“顶”和“底”等用于对方向和相对位置进行限定的术语仅仅基于表述上的便利，对应于附图中所示的立式状态，用于限定各部分的相对位置关系，不用于限定实际使用方向，但另有其他明确含义的除外。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (10)

1.甲醇无火焰制热设备，其特征在于包括：

甲醇汽化混合器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自上至下依次分布的混合均压室、空气预热室和汽化混合室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述空气预热室设有空气进口和空气出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述空气预热室的空气出口通过中间输气管连接所述混合均压室的预热混合气进口，所述中间输气管设有预热甲醇进口或者所述混合均压室设有预热甲醇进口，所述汽化混合室设有制热甲醇进口和甲醇混合气出口；

甲醇制热反应器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室、工质加热室和均压排气室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁分别与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述工质加热室设有工质进口和工质出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述均压进气室设有甲醇混合气进口，所述均压排气室设有废气出口，

所述甲醇汽化混合器的甲醇混合气出口连接所述甲醇制热反应器的甲醇混合气进口。

2.如权利要求1所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇汽化混合器和所述甲醇制热反应器的换热管均为等径或变径的圆管。

3.如权利要求2所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇汽化混合器的换热管均为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，所述甲醇汽化混合器中的各所述换热管在相同高度上的管径相等，和/或，所述甲醇制热反应器的换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，所述甲醇制热反应器中的各所述换热管在相同高度上的管径相等。

4.如权利要求1-3任一项所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇汽化混合器的中间输气管的近混合均压室区域设有缩颈结构，所述预热甲醇进口设置在所述中间输气管的缩颈结构的管径最小处的侧壁上。

5.如权利要求1-3任一项所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇制热反应器的工质加热室内设有若干折流板，所述折流板上设有用于穿过相应换热管的换热管孔，所述折流板在竖向上交错分布。

6.如权利要求1-3任一项所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇汽化混合器的甲醇混合气出口和所述空气进口之间设有空气循环管道，所述空气循环管道上串接有加热装置，所述甲醇混合气出口通过相应空气循环管道连接所述加热装置的进口，所述加热装置的出口通过相应空气循环管道连接所述空气预热室的空气进口。

7.如权利要求1-3任一项所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇制热反应器的均压进气室的下部设有甲醇混合气分布装置，所述甲醇混合气进口位于所述甲醇混合气分布装置的下方。

8.如权利要求1-3任一项所述的甲醇无火焰制热设备，其特征在于所述甲醇汽化混合器的汽化混合室的上部设有甲醇喷淋管，所述甲醇喷淋管上设有喷嘴或喷淋孔，所述制热甲醇进口的内端连通所述甲醇喷淋管。

9.甲醇无火焰制热设备的控制方法，其特征在于用于权利要求1-8任一项所述的甲醇无火焰制热设备，依据工质的加热要求控制或调节送入甲醇制热反应器的甲醇混合气的质量流量和/或甲醇浓度，进而控制甲醇制热反应器中的甲醇催化氧化反应强度和放热功率，依据所需的甲醇混合气的质量流量和甲醇浓度，控制或调节引入甲醇汽化混合器中的制热用甲醇的质量流量和空气的质量流量，依据甲醇催化氧化反应的进气温度要求控制或调节引入甲醇汽化混合器的预热用甲醇的质量流量，进而控制甲醇汽化混合器中的甲醇催化氧化反应强度和放热功率，引入所述甲醇制热反应器中的制热用甲醇在甲醇制热反应器的换热管中实现工艺上的完全反应，引入所述甲醇汽化混合器中的预热用甲醇在甲醇汽化混合器的换热管中实现工艺上的完全反应，引入所述甲醇制热反应器的氧和引入所述甲醇汽化混合器中的氧均为超量。

10.如权利要求9所述甲醇无火焰制热设备的控制方法，其特征在于采用下列任一方式进行甲醇汽化反应器的启动：

在启动过程中，以加热装置将空气加热至所需的温度，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下，持续将加热后的空气经空气进口送入空气预热室，开启甲醇混合气出口进行空气排放，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态；

或者，

在启动过程中，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下，开启空气进口和甲醇混合气出口，经甲醇混合气出口和空气进口进行空气循环，以加热装置将循环空气加热，使甲醇混合气出口排出的空气作为加热装置的进气，经加热装置加热后重新送入空气进口，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态。

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