CN115895694A - 立式负压烟气炉 - Google Patents

Abstract

一种立式负压烟气炉，包括：炉体，炉体上设有贯穿炉壁的物料进口管、蒸汽进口管、烟气出口管、产品出口管；溢出式热解反应装置，设于炉体内，溢出式热解反应装置的物料热解进口和物料出口分别与物料进口管和产品出口管连接；燃烧器，燃烧器的出气管道穿过炉壁与炉膛连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及负压引风控制系统，用于控制炉膛的温度和烟气出口管排出的烟气温度。该立式负压烟气炉用于在绝氧条件下、无需额外添加甲烷化催化剂通过高温水活化碳氢的方式制取天然气。

Description

立式负压烟气炉

技术领域

本发明属于煤化工领域，具体地，涉及一种立式负压烟气炉。

背景技术

煤制天然气作为清洁产业，极大地节约了煤炭资源，提升了煤炭价值。特别是针对“缺油、少气、富煤”的能源结构，积极发展煤制天然气工业，实现煤的就地转化，减少运输成本，具有非常重要的战略意义。

全世界已投产的工业级煤制天然气装置较少，我国长期致力于煤制天然气全技术链的国产化，但真正进入工业应用的也不多。煤制天然气整个生产工艺流程可简述为：原料煤与高纯氧气和中压蒸汽进行反应制得粗煤气；粗煤气经耐硫耐油变换冷却和脱硫脱碳后，制成净煤气；净煤气进入甲烷化装置合成甲烷，生产出天然气。主工艺生产装置包括空分、碎煤加压气化炉、耐硫耐油变换装置、气体净化装置、甲烷化合成装置及废水处理装置。

甲烷化是把煤炭变为清洁的天然气的关键核心技术之一，在高温、高压和催化剂作用下，把煤气化生成的一氧化碳、二氧化碳和氢气催化生成甲烷。其中，甲烷化催化剂在这个化学反应过程中发挥着至关重要的作用，也是限制我国煤制天然气整套系统自主化的关键点。由于主流工艺路线基本确定，很多研究都是围绕甲烷化催化剂的改进展开的。

发明内容

本发明的发明人在研究中发现，煤制天然气工艺并非必需额外添加甲烷化催化剂，可以利用煤炭中含有的催化组分实现甲烷化催化。基于该颠覆性发现，本发明提出了一种立式负压烟气炉，用于这种全新的高温水活化碳氢制取天然气的工艺。

为了实现上述目的，本发明提供一种立式负压烟气炉，包括：

炉体，所述炉体上设有贯穿炉壁的物料进口管、蒸汽进口管、烟气出口管、产品出口管；

溢出式热解反应装置，设于所述炉体内，所述溢出式热解反应装置的物料热解进口和物料出口分别与所述物料进口管和所述产品出口管连接；

燃烧器，所述燃烧器的出气管道穿过所述炉壁与炉膛连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及

负压引风控制系统，用于控制所述炉膛的温度和所述烟气出口管排出的烟气温度。

优选地，所述炉体由耐火材料制成，所述炉体的外壁设有保温材料层，所述保温材料层的外部罩设有金属外壳；其中，所述炉体由耐火材料浇筑和/或砌筑而成，所述保温材料层包括保温涂料层和保温棉层；

所述炉壁包括顶壁、底壁、前壁、后壁和一对侧壁，所述物料进口管设于所述前壁的顶部且贯穿所述前壁，所述烟气出口管设于所述前壁的底部且贯穿所述前壁，所述蒸汽进口管设于所述后壁的顶部且贯穿所述后壁，所述产品出口管设于所述后壁的底部且贯穿所述后壁。

优选地，所述炉膛内自上向下分为高热段、中热段、低热段和烟气收集段，所述燃烧器包括多个高温段燃烧器和多个中温段燃烧器，所述高温段燃烧器设于所述高热段，所述中温段燃烧器设于所述中热段。

优选地，所述溢出式热解反应装置包括壳体和在所述壳体内从上向下依次设置的混热式热解反应段、沉降式热解反应段和气灰收集段；所述混热式热解反应段和沉降式热解反应段分别用于对物料进行初次热解和二次热解，所述气灰收集段用于收集热解产物。

优选地，所述混热式热解反应段包括上溢槽，所述上溢槽的顶部开口，底部为锥形，所述上溢槽的底部用于与所述物料进口管连接；

所述混热式热解反应段还包括喷射装置，所述喷射装置设于所述上溢槽内，用于向所述上溢槽内喷射蒸汽；所述喷射装置的底部与所述蒸汽进口管连接，所述蒸汽进口管穿过所述壳体和所述上溢槽的侧壁。

优选地，所述喷射装置包括锥形的连通部和设于所述连通部上方的旋流喷射部；

所述连通部的内部设有蒸汽通道，所述蒸汽通道与所述蒸汽进口管连通；

所述旋流喷射部包括以所述连通部的中心轴为中心均布的多个蒸汽子通道，每个所述蒸汽子通道的一端与所述蒸汽通道连通，另一端与所述上溢槽的内部连通，以便向所述上溢槽内喷射蒸汽；

所述旋流喷射部包括以所述连通部的中心轴为中心均布的多个阻挡部，所述阻挡部为弧形或折线型，相邻的所述阻挡部之间形成所述蒸汽子通道。

优选地，所述喷射装置还包括设于所述旋流喷射部上方的遮盖部，所述遮盖部从上方封闭每个所述蒸汽子通道。

优选地，所述壳体包括壳体侧壁、上盖和底盖，所述壳体侧壁为圆筒形，所述上盖和下盖均为圆弧形，分别设于所述壳体侧壁的顶部和底部；

所述沉降式热解反应段包括从上向下依次设置的多个过热通道，所述过热通道贯穿所述壳体侧壁；所述过热通道沿所述壳体侧壁的径向方向设置，相邻的过热通道之间形成夹角，且多个所述过热通道相对于所述壳体的中心轴以螺旋方式排列。

优选地，所述负压引风控制系统包括控制器、负压引风机、炉膛温度传感器、出炉烟气温度传感器，所述负压引风机与所述烟气出口管连接，所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器分别用于测量所述炉膛温度和所述烟气温度；

所述控制器根据所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器的测量结果控制所述负压引风机的转速和所述燃烧器的功率，以使所述炉膛温度保持在第一温度范围内，使所述烟气温度保持在第二温度范围内。

优选地，所述的立式负压烟气炉还包括烟气换热器和产品换热器，所述烟气换热器设于所述烟气出口管的出口端，所述产品换热器设于所述产品出口管的出口端。

本发明的有益效果在于：提供一种在绝氧条件下、无需额外添加甲烷化催化剂的高温水活化碳氢制取天然气的设备。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明实施例的立式负压烟气炉的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的溢出式热解反应装置的结构示意图；

图3示出了图2中的E-E剖面的剖视图；

图4示出了图3中的F-F剖面的剖视图；

图5示出了根据本发明实施例的混热式热解反应段的轴向剖视图；

图6示出了图5中的B-B剖面的剖视图；

图7示出了根据本发明实施例的沉降式热解反应段的局部立体图。

附图标记说明

800立式负压烟气炉；801炉体；8011炉膛；8012高热段；8013中热段；8014低热段；8015烟气收集段；8021高温段燃烧器；8022中温段燃烧器；803负压引风机；804烟气换热器；805产品换热器；

900溢出式热解反应装置；901壳体；9011壳体侧壁；9012上盖；9013下盖；902混热式热解反应段；9021上溢槽；9022遮盖部；9023连通部；9024旋流喷射部；9025蒸汽通道；9026蒸汽子通道；9027阻挡部；903沉降式热解反应段；9031过热通道；9032烟气换热口；904气灰收集段；

MI物料进口管；PE产品出口管；GI蒸汽进口管；GE烟气出口管。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明实施例的立式负压烟气炉的结构示意图。如图1所示，立式负压烟气炉800包括：

炉体801，炉体801上设有贯穿炉壁的物料进口管MI、蒸汽进口管GI、烟气出口管GE、产品出口管PE；

溢出式热解反应装置900，设于炉体801内，溢出式热解反应装置具有物料热解进口和物料出口，物料热解进口和物料出口分别与物料进口管MI和产品出口管PE连接；

燃烧器，燃烧器的出气管道穿过炉壁与炉膛8011连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及

负压引风控制系统，用于控制炉膛的温度和烟气出口管排出的烟气温度。

负压烟气炉工作时，燃烧器工作，通过出气管道向炉膛内供给高温烟气。物料和高温蒸汽分别通过物料进口管和蒸汽进口管进入溢出式热解反应装置，物料在溢出式热解反应装置内被高温蒸汽和高温烟气加热，进行热解反应。反应得到的产品通过产品出口管排出，进行下一工艺步骤；烟气通过烟气出口管排出。负压引风控制系统用于控制炉膛的温度和烟气出口管排出的烟气温度，保证反应的正常进行。

在本实施例中，炉体801由耐火材料制成，炉体801的外壁设有保温材料层，保温材料层的外部罩设有金属外壳。具体地，炉体801由耐火材料浇筑或砌筑而成，保温材料层包括保温涂料层和保温棉层。通过设置保温材料层，能够增强炉体的保温效果，节约能源。

炉壁包括顶壁、底壁、前壁、后壁和一对侧壁，物料进口管MI设于前壁的顶部且贯穿前壁，烟气出口管GE设于前壁的底部且贯穿前壁，蒸汽进口管GI设于后壁的顶部且贯穿后壁，产品出口管PE设于后壁的底部且贯穿后壁。

图2示出了根据本发明实施例的溢出式热解反应装置的结构示意图。如图2所示，溢出式热解反应装置900包括壳体901和在壳体内从上向下依次设置的混热式热解反应段902、沉降式热解反应段903和气灰收集段904。混热式热解反应段902和沉降式热解反应段903分别用于对物料进行初次热解和二次热解，气灰收集段904用于收集热解产物。

溢出式热解反应装置工作时，物料首先进入混热式热解反应段902，在此进行初次热解，然后未完全热解的物料从混热式热解反应段溢出，以重力沉降的方式进入沉降式热解反应段903，在此进行二次热解，然后经气灰收集段收集后输出。溢出式热解反应装置通过两个热解反应段使物料充分热解，提高产品产出率。

图3和图4分别示出了图2中的E-E剖面、F-F剖面的剖视图，图5示出了根据本发明实施例的混热式热解反应段的轴向剖视图，图6示出了图5中的B-B剖面的剖视图，图7示出了根据本发明实施例的沉降式热解反应段的立体图。

如图3至7所示，在本实施例中，混热式热解反应段包括上溢槽9021，上溢槽的顶部开口，底部为锥形，上溢槽的底部用于与物料进口管MI连接。物料从物料进口管MI进入上溢槽9021，在此进行初次热解，热解反应后的物料从上溢槽9021的顶部开口溢出，以重力沉降的方式进入沉降式热解反应段903。

混热式热解反应段还包括喷射装置，喷射装置设于上溢槽9021内，用于向上溢槽9021内喷射蒸汽；喷射装置的底部与蒸汽进口管GI连接，蒸汽进口管GI穿过壳体901和上溢槽9021的侧壁。

高温蒸汽经蒸汽进口管GI进入喷射装置，由喷射装置喷射到上溢槽9021内，从而对上溢槽9021内的物料进行加热。从物料进口管MI进入上溢槽9021的物料温度一般在200～360℃以内，高温蒸汽的温度在800～1000℃以内。

在本实施例中，喷射装置包括锥形的连通部9023和设于连通部上方的旋流喷射部9024。连通部9023的内部设有蒸汽通道9025，蒸汽通道9025与蒸汽进口管GI连通，高温蒸汽通过蒸汽进口管GI进入蒸汽通道9025中。

旋流喷射部9024包括以连通部的中心轴为中心均布的多个蒸汽子通道9026，每个蒸汽子通道9026的一端与蒸汽通道9025连通，另一端与上溢槽9021的内部连通，以便向上溢槽内喷射蒸汽。蒸汽通道9025中的高温蒸汽通过各蒸汽子通道9026以旋流方式喷射到上溢槽内，与物料进行充分换热。

具体地，旋流喷射部包括以连通部的中心轴为中心均布的多个阻挡部9027，阻挡部9027为弧形或折线型，相邻的阻挡部之间形成所述蒸汽子通道9026。阻挡部9027优选为弧形，从而相邻的阻挡部之间形成的蒸汽子通道9026也为弧形，有利于降低蒸汽子通道对高温蒸汽的阻力，使高温蒸汽能够高速喷射到上溢槽内。或者，阻挡部9027可以为折线型，这样相邻的阻挡部之间形成的蒸汽子通道9026也为折线型，有利于降低加工制造的难度。

在本实施例中，喷射装置还包括设于旋流喷射部上方的遮盖部9022，遮盖部9022从上方封闭每个蒸汽子通道9026，防止高温蒸汽从蒸汽子通道9026的顶部溢出，最大限度的保证高温蒸汽以旋流方式喷射到上溢槽内。

参考图2、图4和图7，溢出式热解反应装的壳体包括壳体侧壁9011、上盖9012和底盖9013，壳体侧壁9011为圆筒形，上盖9012和下盖9013均为圆弧形，分别设于壳体侧壁9011的顶部和底部。混热式热解反应段902靠近上盖9012，气灰收集段904设于下盖9013内，沉降式热解反应段903设于二者之间。

在本实施例中，沉降式热解反应段903包括从上向下依次设置的多个过热通道9031，过热通道9031贯穿壳体侧壁9011，两端分别通过烟气换热口9032与壳体侧壁9011连接。使用时，溢出式热解反应装置置于烟气炉内，壳体901的外部充满高温烟气。高温烟气通过烟气换热口9032进入过热通道9031内，对壳体901内的物料进行加热。过热通道9031贯穿壳体侧壁9011有利于高温烟气穿过壳体，提高烟气的流动性，进而提高加热效率。

过热通道沿壳体侧壁9011的径向方向设置，相邻的过热通道9031之间形成夹角，且多个过热通道9031相对于壳体901的中心轴以螺旋方式排列。从上溢槽9021溢出的物料以重力沉降的方式通过沉降式热解反应段903，与各过热通道9031进行换热，被二次加热，实现完全热解。高温烟气的温度一般在900～1100℃的范围内，以保证物料完全热解。

优选地，过热通道9031为圆筒形，其也可以设计为椭圆筒形等。

再次参考图1，炉膛8011内自上向下分为高热段8012、中热段8013、低热段8014和烟气收集段8015，燃烧器包括多个高温段燃烧器8021和多个中温段燃烧器8022，高温段燃烧器8021设于高热段8012，中温段燃烧器8022设于中热段8013。在本实施例中，高温段燃烧器8021和中温段燃烧器8022均为4个，围绕炉膛均布，向炉膛内均匀地供给高温烟气。立式负压烟气炉的整体高度较高，分别设置高温段燃烧器8021和中温段燃烧器8022可以根据不同工段温度来选定或调节燃烧器功率，以适应温度需求。混热式热解反应段902设于高热段8012，沉降式热解反应段903设于中热段8013和低热段8014，气灰收集段904设于烟气收集段8015。

在本实施例中，负压引风控制系统包括控制器、负压引风机803、炉膛温度传感器(未示出)、出炉烟气温度传感器(未示出)，负压引风机803与烟气出口管GE连接，炉膛温度传感器和出炉烟气温度传感器分别用于测量炉膛温度T1和烟气温度T2。

控制器根据炉膛温度传感器和出炉烟气温度传感器的测量结果控制负压引风机的转速和燃烧器的功率，以使炉膛温度T1保持在第一温度范围内，使烟气温度T2保持在第二温度范围内。可以利用各种现有技术手段实现引风机的转速调节，例如采用变频器等。

具体地，当炉膛温度T1高于第一温度范围的上限且烟气温度T2高于第二温度范围的上限时，控制器控制负压引风机的转速增大，并控制燃烧器的功率减小，从而使得炉膛温度T1和烟气温度T2同时降低。当炉膛温度T1低于第一温度范围的下限且烟气温度T2低于第二温度范围的下限时，控制器控制压引风机的转速减小，并控制燃烧器的功率增大，从而使得炉膛温度T1和烟气温度T2同时升高。通过这种方式，将炉膛温度保持在合适的反应温度范围内，同时将烟气温度控制在合理范围内。控制器可以选用PLC控制器。

进一步地，立式负压烟气炉还包括烟气换热器804和产品换热器805，烟气换热器804设于烟气出口管GE的出口端，产品换热器805设于产品出口管PE的出口端，实现热量回收。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种立式负压烟气炉，其特征在于，包括：

炉体，所述炉体上设有贯穿炉壁的物料进口管、蒸汽进口管、烟气出口管、产品出口管；

溢出式热解反应装置，设于所述炉体内，所述溢出式热解反应装置的物料热解进口和物料出口分别与所述物料进口管和所述产品出口管连接；

燃烧器，所述燃烧器的出气管道穿过所述炉壁与炉膛连通，用于向炉膛内供给高温烟气；以及

负压引风控制系统，用于控制所述炉膛的温度和所述烟气出口管排出的烟气温度。

2.根据权利要求1所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述炉体由耐火材料制成，所述炉体的外壁设有保温材料层，所述保温材料层的外部罩设有金属外壳；其中，所述炉体由耐火材料浇筑和/或砌筑而成，所述保温材料层包括保温涂料层和保温棉层；

所述炉壁包括顶壁、底壁、前壁、后壁和一对侧壁，所述物料进口管设于所述前壁的顶部且贯穿所述前壁，所述烟气出口管设于所述前壁的底部且贯穿所述前壁，所述蒸汽进口管设于所述后壁的顶部且贯穿所述后壁，所述产品出口管设于所述后壁的底部且贯穿所述后壁。

3.根据权利要求1所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述炉膛内自上向下分为高热段、中热段、低热段和烟气收集段，所述燃烧器包括多个高温段燃烧器和多个中温段燃烧器，所述高温段燃烧器设于所述高热段，所述中温段燃烧器设于所述中热段。

4.根据权利要求1所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述溢出式热解反应装置包括壳体和在所述壳体内从上向下依次设置的混热式热解反应段、沉降式热解反应段和气灰收集段；所述混热式热解反应段和沉降式热解反应段分别用于对物料进行初次热解和二次热解，所述气灰收集段用于收集热解产物。

5.根据权利要求4所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述混热式热解反应段包括上溢槽，所述上溢槽的顶部开口，底部为锥形，所述上溢槽的底部用于与所述物料进口管连接；

所述混热式热解反应段还包括喷射装置，所述喷射装置设于所述上溢槽内，用于向所述上溢槽内喷射蒸汽；所述喷射装置的底部与所述蒸汽进口管连接，所述蒸汽进口管穿过所述壳体和所述上溢槽的侧壁。

6.根据权利要求5所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述喷射装置包括锥形的连通部和设于所述连通部上方的旋流喷射部；

所述连通部的内部设有蒸汽通道，所述蒸汽通道与所述蒸汽进口管连通；

所述旋流喷射部包括以所述连通部的中心轴为中心均布的多个蒸汽子通道，每个所述蒸汽子通道的一端与所述蒸汽通道连通，另一端与所述上溢槽的内部连通，以便向所述上溢槽内喷射蒸汽；

所述旋流喷射部包括以所述连通部的中心轴为中心均布的多个阻挡部，所述阻挡部为弧形或折线型，相邻的所述阻挡部之间形成所述蒸汽子通道。

7.根据权利要求6所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述喷射装置还包括设于所述旋流喷射部上方的遮盖部，所述遮盖部从上方封闭每个所述蒸汽子通道。

8.根据权利要求4所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述壳体包括壳体侧壁、上盖和底盖，所述壳体侧壁为圆筒形，所述上盖和下盖均为圆弧形，分别设于所述壳体侧壁的顶部和底部；

所述沉降式热解反应段包括从上向下依次设置的多个过热通道，所述过热通道贯穿所述壳体侧壁；所述过热通道沿所述壳体侧壁的径向方向设置，相邻的过热通道之间形成夹角，且多个所述过热通道相对于所述壳体的中心轴以螺旋方式排列。

9.根据权利要求1所述的立式负压烟气炉，其特征在于，所述负压引风控制系统包括控制器、负压引风机、炉膛温度传感器、出炉烟气温度传感器，所述负压引风机与所述烟气出口管连接，所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器分别用于测量所述炉膛温度和所述烟气温度；

所述控制器根据所述炉膛温度传感器和所述出炉烟气温度传感器的测量结果控制所述负压引风机的转速和所述燃烧器的功率，以使所述炉膛温度保持在第一温度范围内，使所述烟气温度保持在第二温度范围内。

10.根据权利要求1所述的立式负压烟气炉，其特征在于，还包括烟气换热器和产品换热器，所述烟气换热器设于所述烟气出口管的出口端，所述产品换热器设于所述产品出口管的出口端。

Images