CN116986552A - 紧凑型蒸汽重整装置 - Google Patents

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CN116986552A CN202310436464.6A CN202310436464A CN116986552A CN 116986552 A CN116986552 A CN 116986552A CN 202310436464 A CN202310436464 A CN 202310436464A CN 116986552 A CN116986552 A CN 116986552A
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张维
宋鹏飞
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卢璐
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Abstract

本发明提供一种紧凑型蒸汽重整装置，包括燃烧器、燃烧室、反应器、第一预热模块和第二预热模块。燃烧器被构造成在燃烧室中燃烧产生烟气，反应器通过燃烧室产生的烟气而被辐射传热且被用于由烃类原料气和H2O蒸汽混合后的混合气生成重整产物。第一预热模块被实施为对烟气的热量进行回收，其中布置有空气预热管和蒸汽发生器。第二预热模块被实施为对重整产物的热量进行回收，第二预热模块环绕第一预热模块，第二预热模块中布置有混合气预热管，第二预热模块与外部热绝缘。本发明能够提高重整装置的运行效率并提高能量利用率。

Description

紧凑型蒸汽重整装置
技术领域
本发明涉及一种蒸汽重整装置，更特别地，涉及一种紧凑型蒸汽重整装置。
背景技术
紧凑型蒸汽重整装置则采用先进的小通道反应器和微颗粒催化剂技术，使得整个装置的体积和重量大大减小。同时，紧凑型装置的响应速度更快，能够快速调节反应参数以满足不同场合的氢气需求。目前的紧凑型蒸汽重整装置具有温度分布不合理的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种紧凑型蒸汽重整装置，能够分梯度利用系统内部热量，高效、节能。
本发明提供一种紧凑型蒸汽重整装置，包括：燃烧器和燃烧室，燃烧器被构造成在所述燃烧室中燃烧产生烟气；反应器，反应器通过所述燃烧室产生的烟气而被辐射传热且被用于由烃类原料气和H2O蒸汽混合后的混合气生成重整产物；第一预热模块，第一预热模块被实施为对烟气的热量进行回收，第一预热模块中布置有空气预热管和蒸汽发生器；以及第二预热模块，第二预热模块被实施为对重整产物的热量进行回收，第二预热模块环绕第一预热模块，第二预热模块中布置有混合气预热管，第二预热模块与外部热绝缘。
优选地，蒸汽发生器包括脱盐水预热管段和汽化过热管段，脱盐水预热管段和汽化过热管段流体连通；其中，脱盐水预热管段被实施为以逆流方式与烟气进行换热，所述汽化过热管段被实施为以顺流方式与烟气进行换热。
优选地，脱盐水预热管段被构造成包括盘管段和直管段，直管段的一端连接至盘管段，直管段的另一端连接至汽化过热管段；其中，盘管段位于烟气的流动方向的下游。
进一步地，第一预热模块中设有第一环管，第一环管被构造成接收烃类原料气和汽化过热管段输送的H2O蒸汽而得到混合气。
进一步地，紧凑型蒸汽重整装置的上侧设有连通管，连通管的一端与第一环管流体连通，连通管的另一端与混合气预热管流体连通。
进一步地，第一预热模块的上侧设有第二环管，连通管被构造成在混合气的下游方向流体连通至所述第二环管；混合气预热管被构造成若干混合气预热盘管，第二环管分流地与若干混合气预热盘管连通。
进一步地，第二预热模块的上侧设有第三环管，第三环管设有向外侧延伸的重整产物输出端；第二预热模块的顶部设有管板，管板设有第一通孔和第二通孔；其中，第一通孔被构造成使第二环管与若干混合气预热盘管流体连通；第二通孔与第三环管流体连通，第二通孔为重整产物提供流出通道。
在一些实施方式中，空气预热管被构造成盘管，空气预热管围绕于蒸汽发生器的外侧。
进一步地，反应器的外侧设有外侧混合气盘管，反应器的底部设有混合气入口；外侧混合气盘管在混合气的上游方向与混合气预热管流体连通，在混合气的下游方向与混合气入口流体连通。
进一步地，第二预热模块和反应器之间设有第四环管；混合气预热管被构造成若干混合气预热盘管，若干混合气预热盘管合流地终止于第四环管的内侧；外侧混合气盘管被构造成若干根盘管，外侧混合气盘管分流地起始于第四环管的外侧。
本公开的特点及优点包括：本发明通过合理布局第一预热模块和第二预热模块中的换热管路，分梯度地利用烟气和重整产物的热量，能够提高重整装置的运行效率、提高能量利用率以及降低能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了紧凑型蒸汽重整装置的立体示意图；
图2示出了紧凑型蒸汽重整装置的俯视示意图；
图3A示出了沿着图2中AA方向剖切的紧凑型蒸汽重整装置的示意图；
图3B是图3A中X的放大示意图；
图3C是图3A中Y的放大示意图；
图4A示出了沿着图2中BB方向部分剖切的紧凑型蒸汽重整装置的立体示意图；
图4B是图4A中Z的放大示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
图1示出了本发明的紧凑型蒸汽重整装置100的立体示意视图，图2示出了紧凑型蒸汽重整装置100的俯视示意图。蒸汽重整装置100总体呈圆柱形且具有外壳体103，其物料流入口或物料流入口连接端优选布置在装置的顶部。具体而言，装置顶部设有空气入口78、原料气入口72、燃料气入口74和脱盐水入口76。进一步地，装置顶部还设有烟气出口82，重整产物出口84设置在靠近装置顶部的侧面。
参考图3A-图4B，紧凑型蒸汽重整装置100中设置有位于外壳体103内的燃烧器101、燃烧室102和反应器10。提供给燃烧器101的燃料气通过助燃空气在燃烧室102中燃烧产生高温的烟气。高温烟气的热量辐射传输给反应器10，反应器10将烃类原料气和H2O蒸汽混合后的混合气生成重整产物。根据本发明的优选的实施方式，烃类原料气和提供给燃烧器101的燃料气均为天然气，重整产物为包含氢气和一氧化碳的合成气。
反应器10设置于紧凑型蒸汽重整装置100的底部。反应器10具有杯状的内侧壁和杯状的外侧壁，反应器10的内部被构造为一环形空间，该环形空间由内侧壁和外侧壁所限定，催化剂14被布置在该环形空间中。反应器10整体呈杯状，混合气入口12设置于反应器10的底部。具体地，反应器10的外侧壁的底部设有混合气入口12，反应器10的底部设有连接至外侧壁的管体15，管体15与反应器10的环形空间通过混合气入口12流体连通。管体15侧壁设有连通孔19，混合气经由该连通孔19后进一步经由混合气入口12进入反应器10的环形空间参与化学反应。反应器10的底部设有位于混合气入口12的第一筛孔板16，反应器10的顶部设有位于内侧壁和外侧壁之间的环形的第二筛孔板17。设置第一筛孔板16和第二筛孔板17既有利于流体流入和流出反应器10，又有利于将催化剂限定在一定的空间内。另外，当紧凑型蒸汽重整装置100正常放置时，第一筛孔板16为催化剂提供支撑；当紧凑型蒸汽重整装置100倒置时，第二筛孔板17为催化剂14提供支撑。
在一些实施例中，为方便更换催化剂14，第一筛孔板16可拆卸地连接至管体15，第二筛孔板17固定连接至内侧壁和外侧壁。具体地，管体15内设有堵头18，堵头可拆卸地连接至管体15。堵头18的上端设有支架，第一筛孔板15固定连接至支架。优选地，堵头18内填充有隔热填充物，用于隔热。更具体地，管体15和堵头的下端分别设有法兰，管体和堵头通过连接至法兰的螺栓可拆卸连接。管体15的法兰固定连接至外壳体103的底壁。
燃烧室102布置于杯状的反应器10的内侧，且燃烧室102与反应器10的内侧壁之间具有一定距离。燃烧器101可设置于燃烧室102的顶部，高温的烟气从燃烧室102的底部流出后，先通过反应器10的内侧壁为催化重整反应提供辐射热量，再流向装置顶部的烟气出口82。其中，紧凑型蒸汽重整装置100的中部设有纵向延伸的芯轴105，芯轴105为燃烧器101提供燃料气的流通通道。芯轴105的顶端设置燃料气入口74，芯轴105的底端连接至燃烧器101。
继续参考图3A、图3B，杯状的反应器10的上方设有第一预热模块20和第二预热模块30。第一预热模块20被实施为对烟气的热量进行回收，第二预热模块30被实施为对重整产物(例如合成气)的热量进行回收。第一预热模块20被构造成包括第一壳体21，第一壳体21可以分体地或一体地成为反应器10的内侧壁的向上延伸；优选地，第一壳体21向上延伸至紧凑型蒸汽重整装置100的顶部。第二预热模块30被构造成包括第二壳体31，第二壳体31可以分体地或一体地成为反应器10的外侧壁的向上延伸。在一些实施方式中，第一壳体21的上端超出于第二壳体31的上端；反应器10与外壳体103之间、第二壳体31与外壳体103之间以及超出于第二壳体31的第一壳体21的上面部分与外壳体之间均设有隔热填充层104。
参考图3A-图4B，第一预热模块20对烟气的热量进行回收，其中的烟气的流通通道由第一壳体21和芯轴105的外壁所限定。第一预热模块20中布置有蒸汽发生器26，从脱盐水入口76流入的脱盐水经过蒸汽发生器26后得到重整反应所需的混合气中的H2O蒸汽组分。在一些实施方式中，蒸汽发生器26被构造成包括脱盐水预热管段262和汽化过热管段264。脱盐水先进入脱盐水预热管段262预热后，再进入汽化过热管段264。脱盐水预热管段262和汽化过热管段264可与烟气进行逆流换热或并行换热。在一些实施例中，脱盐水预热管段262被实施为与烟气进行逆流换热，有利于脱盐水充分吸热。在一些实施例中，汽化过热管段264被实施为与烟气进行顺流换热。汽化过热管段264的入口位于下侧，出口位于上侧。这样设置使被预热后的脱盐水从下侧的入口进入汽化过热管段264，有利于汽水混合物的向上流动。优选地，汽化过热管段264的管直径大于脱盐水预热管段262的管直径。脱盐水吸热后在汽化过热管段264中形成汽水混合物，体积大幅增加。脱盐水预热管段262的管直径增大，有助于降低管内汽水混合物(或者蒸汽)在管道内的流速，减少系统压降。
具体地，参见图4B，脱盐水预热管段262被构造成包括盘管段262a和直管段262b，汽化过热管段264与盘管段262a通过直管段262b连接。优选地，汽化过热管段264被构造成盘管。盘管段262a和汽化过热管段264的盘绕管的盘绕直径和盘绕高度可根据所需热交换的表面积进行选择。优选地，在烟气的流动方向上，盘管段262a位于下游。烟气从上游向下游流动时，烟气温度逐渐降低。进入盘管段262a的低温脱盐水与下游的烟气温差较大，有利于换热，使排出紧凑型蒸汽重整装置100的烟气温度低，提高整个装置的热能利用，降低损耗。直管段262b与芯轴105并行延伸，连接至汽化过热管段264的入口。进一步地，汽化过热管段264的盘管的盘绕直径大于脱盐水预热管段262的盘管段262a的盘绕直径，有利于增加汽化过热管段264的热交换的表面积，使得流过汽化过热管段264的介质充分吸热。具体地，盘管262a和汽化过热管段264均为单层盘管。
进一步地，第一预热模块20中还布置有空气预热管22。在一些实施方式中，空气预热管22被构造成多根盘管，从空气入口78流入的空气经过空气预热管22与烟气逆流换热后进入燃烧器101作为助燃气体。空气预热管22的盘管的盘绕直径和盘绕高度可根据所需热交换的表面积进行选择。优选地，空气预热管22的管直径比蒸汽发生器26的管直径大，将空气预热管22围绕蒸汽发生器26的外侧布置更容易实施。另一方面，空气预热管22盘绕间隙较大，有利于烟气从该间隙穿过，使得烟气与脱盐水预热管段262换热。可替换地，空气预热管22可围绕芯轴105设置且位于蒸汽发生器26的内侧。可替换地，空气预热管22设置于蒸汽发生器26的内侧时，可以和燃烧器101做成一个整体，例如做成空气自预热式燃烧装置。
参见图3A、图3C，在一些实施例中，空气入口78、烟气出口82和燃料气入口74同轴设置，空气入口78和烟气出口82均为环形。烟气出口82环绕燃料气入口74设置，空气入口78环绕烟气出口82设置。可选地，第一壳体21的内侧上部设有环形的空气腔23，空气入口78通过空气腔23与空气预热管22连通。烟气通道设置于空气腔23的内侧。
参考图4A、图4B，在第一预热模块20中的烟气流动的下游、蒸汽发生器26的末端设有第一环管28，第一环管28具有原料气接收端281、蒸汽接收端282以及混合气输出端283。其中，蒸汽发生器26的末端(例如，汽化过热管段264的末端)连接至蒸汽接收端282，装置顶部的原料气入口72流体连通至原料气接收段281。第一环管28为原料气和H2O蒸汽提供相互混合的管路。进一步地，参见图4A，装置的顶部设有连通管41，连通管41的一端与混合气输出端283流体连通，连通管41的另一端与设置于第二预热模块30的混合气预热管32(后文详述)流体连通。第一预热模块20与第二预热模块30独立设置，第一环管28设置于第一预热模块20，混合气预热管32设置于第二预热模块，通过连通管41使得第一环管28与混合气预热管32流体连通。具体地，连通管41包括横管段和竖管段，两个竖管段分别连接至横管段两端。其中，横管段设置于外壳体103的外部，其中一个竖管段延伸穿过外壳体103并进入第一预热模块20内，该竖管段连接至第一环管28的混合气输出端283。另一个竖管段延伸穿过外壳体连接至混合气预热管32。部分连通管41设置于外壳体103的外部，可减少对外壳体103的内部空间需求，有利于减少紧凑型蒸汽重整装置100体积及重量。
参考图3A、图4A，第一壳体21的上端附近的隔热填充层104中设有第二环管44，第二环管44在混合气的上游方向与连通管41流体连通，第二环管44在混合气的下游方向与混合气预热管32流体连通。具体而言，第二壳体31的顶部设置管板46，管板46设有第一通孔461，第二环管44通过管板46上的第一通孔461与混合气预热管32流体连通。
参考图3A、图4A，第二预热模块30对重整产物的热量进行回收，重整产物的流通通道由第一壳体21、第二壳体31以及管板46所限定。混合气预热管32被构造成若干混合气预热盘管，第二环管44分流地与若干混合气预热盘管的起始端连通。对应地，管板46设有若干第一通孔461，每根混合气预热盘管延伸经过第一通孔461后向下盘绕延伸。杯状的反应器10输出的重整产物从反应器10的顶部进入第二预热模块30，重整产物与混合气逆流换热。
参考图4A、图4B，管板46上还设有第二通孔462，第二壳体31的上端附近的隔热填充层104中设有第三环管45，第三环管45设有重整产物输出端45a，重整产物输出端45a上形成重整产物出口84。其中，管板上的第二通孔462与第三环管45流体连通。具体地，第二通孔462可设为多个，每个第二通孔462经由弯管连通至第三环管45。重整产物到达第二预热模块30的顶部后从管板46上的第二通孔462进入第三环管45，进一步从第三环管45流出装置100。
进一步，参考图3A、图4A，反应器10的外侧的隔热填充层104中设有外侧混合气盘管62。在一些实施方式中，外侧混合气盘管62在混合气的上游方向流体连通至混合气预热管32的末端，在混合气的下游方向终止于反应器10的下方的连通孔19。可替代地，外侧混合气盘管62在混合气的下游方向终止于反应器10底部的混合气入口12。
优选地，参考图3A、图4A，反应器10和第二预热模块30之间设置第四环管47。特别地，第四环管47可设置于反应器10的外侧壁的顶部与第二壳体31的底部之间。第四环管47在混合气的上游方向流体连通至混合气预热管32，在混合气的下游方向流体连通至外侧混合气盘管62。混合气预热管32终止于第四环管47的内侧，外侧混合气盘管62起始于第四环管47的外侧。混合气预热管32位于第二预热模块30内，外侧混合气盘管62位于反应器10外侧(即位于第二预热模块30外侧)，设置第四环管47不仅可使混合气预热管32和外侧混合气盘管62流体连通，还可使混合气在第四环管47内进一步混合，既能混合均匀又能平衡混合气流速。
参考图2A，燃料气91从燃料气入口74进入芯轴105输送至燃烧器101，助燃空气92从空气入口78进入空气腔23后途经空气管热管22输送至燃烧室102，在助燃空气92作用下，燃烧器101使燃料气91燃烧产生烟气93。烟气93为反应器10及位于第一预热模块20中的蒸汽发生器26和空气预热管22提供热能。脱盐水94从脱盐水入口76进入脱盐水流道，途经脱盐水预热管段262和汽化过热管段264时吸收烟气热能后形成H2O蒸汽。原料气从原料气入口72流入，原料气和H2O蒸汽在第一环管混合形成混合气。混合气途经连通管41和第二环管44后，流入混合气预热盘管时吸收重整产物热能，再经过第四环管47及外侧混合气盘管62后流入反应器10。混合气在催化剂14的作用下反应生成重整产物97。重整产物97经第三环管45的重整产物出口84流出。
以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，包括：
燃烧器和燃烧室，所述燃烧器被构造成在所述燃烧室中燃烧产生烟气；
反应器，所述反应器通过所述燃烧室产生的烟气而被辐射传热且被用于由烃类原料气和H2O蒸汽混合后的混合气生成重整产物；
第一预热模块，所述第一预热模块被实施为对烟气的热量进行回收，所述第一预热模块中布置有空气预热管和蒸汽发生器；以及
第二预热模块，所述第二预热模块被实施为对重整产物的热量进行回收，所述第二预热模块环绕所述第一预热模块，所述第二预热模块中布置有混合气预热管，所述第二预热模块与外部热绝缘。
2.根据权利要求1所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述蒸汽发生器包括脱盐水预热管段和汽化过热管段，所述脱盐水预热管段和所述汽化过热管段流体连通；其中，所述脱盐水预热管段被实施为以逆流方式与烟气进行换热，所述汽化过热管段被实施为以顺流方式与烟气进行换热。
3.根据权利要求2所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述脱盐水预热管段被构造成包括盘管段和直管段，所述直管段的一端连接至所述盘管段，所述直管段的另一端连接至所述汽化过热管段；其中，所述盘管段位于烟气的流动方向的下游。
4.根据权利要求3所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述第一预热模块中设有第一环管，所述第一环管被构造成接收烃类原料气和所述汽化过热管段输送的H2O蒸汽而得到混合气。
5.根据权利要求4所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述紧凑型蒸汽重整装置的上侧设有连通管，所述连通管的一端与所述第一环管流体连通，所述连通管的另一端与所述混合气预热管流体连通。
6.根据权利要求5所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，
所述第一预热模块的上侧设有第二环管，所述连通管被构造成在混合气的下游方向流体连通至所述第二环管；
所述混合气预热管被构造成若干混合气预热盘管，所述第二环管分流地与所述若干混合气预热盘管连通。
7.根据权利要求6所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述第二预热模块的上侧设有第三环管，所述第三环管设有向外侧延伸的重整产物输出端；
所述第二预热模块的顶部设有管板，所述管板设有第一通孔和第二通孔；
其中，所述第一通孔被构造成使所述第二环管与所述若干混合气预热盘管流体连通；所述第二通孔与所述第三环管流体连通，所述第二通孔为所述重整产物提供流出通道。
8.根据权利要求3所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述空气预热管被构造成盘管，所述空气预热管围绕于所述蒸汽发生器的外侧。
9.根据权利要求1所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述反应器的外侧设有外侧混合气盘管，所述反应器的底部设有混合气入口；
所述外侧混合气盘管在混合气的上游方向与所述混合气预热管流体连通，在混合气的下游方向与所述混合气入口流体连通。
10.根据权利要求9所述的紧凑型蒸汽重整装置，其特征在于，所述第二预热模块和所述反应器之间设有第四环管；
所述混合气预热管被构造成若干混合气预热盘管，所述若干混合气预热盘管合流地终止于所述第四环管的内侧；
所述外侧混合气盘管被构造成若干根盘管，所述外侧混合气盘管分流地起始于所述第四环管的外侧。
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