CN201842639U - 一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，包括反应器壳程、上封板和下封板，反应器壳程分别与上封板和下封板固定连接，所述反应器壳程的上部连接有烟气出口，中部连接有二次空气进口，下部一侧连接有一次空气进口，另一侧连接有尾气进气口；所述反应器壳程中连接有转化管，该转化管的两端分别设置有转化器法兰和转化气出口，转化管的上部连接有原料气进气口，转化管的内部设置有绝热堵头和转化催化剂托盘，所述转化器法兰与法兰盖连接；所述反应器壳程中依次设置有第一气体分布板、第二气体分布板和第三气体分布板。本实用新型构思巧妙、设计合理，占地面积小，生产成本低，提高了资源利用率。

Description

一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器

技术领域

本实用新型涉及一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，特别涉及一种为天然气水蒸气催化重整制氢、甲醇水蒸气裂解制氢、沼气重整制氢反应提供热量的管壳式反应器。

背景技术

氢气是一种应用广泛的原材料，工业上作为原料气、还原气、冷却气、保护气和燃烧气，在化工、石油化工、冶金和科学研究等领域，有着广泛的用途；同时作为一种高效、清洁的能源，成为燃料电池燃料的首选。

天然气水蒸气催化重整制氢、甲醇水蒸气裂解制氢、沼气重整制氢等方法均是目前国内向市场供氢的主要制氢方法。天然气制氢和沼气重整制氢采用的转化器是管式工业炉，该设备具有用耐火材料包围的燃烧室。利用燃料直接燃烧产生的热量将物质（固体或流体）加热并发生转化反应。管式工业炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五部分组成。辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分，这个部分直接受到火焰冲刷，温度最高，必须充分考虑所用材料的强度和耐热性能等，转化部分是个热交换的主要场所，全炉热负荷的70-80％是由辐射室担负的，是全炉最重要的部分；对流室是靠由辐射室出来的高温烟气进行对流换热的部分，对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子，进行有效的对流传热，对流室一般担负全炉热负荷的20-30％；余热回收系统是从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分，安设余热回收系统后，整个炉子的总热效率能达到88-90％；燃烧器通过燃烧燃料气产生热量；通风系统的任务是将燃烧用空气导入燃烧器，并将废气引出炉子。

因天然气转化制氢反应是一个强吸热反应，所以在转化炉管内部随着反应深度的加强，催化剂床层的温度梯度会呈现一种沿气体流动方向逐渐降低的状态，但为了是整个炉管内的反应在一个相对稳定的温度下进行，这就要求炉管各段获得的热量不一致，总的来说就是沿着反应气体流动的方向，炉管获得的热量逐渐增加。可以说转化炉辐射室的设计和操作的核心问题是使炉管的壁温上下均匀，也就是减少由于反应不平衡所造成的局部析碳和过热，延长炉管寿命。在通常的天然气蒸汽转化炉中，采用燃烧器燃烧方向与原料气气体流动方向一致的方法解决这个问题。一般来说，转化炉管的长度受到炉管内催化剂抗压强度、允许的压力降、烟气中温度梯度及转化管膨胀等因素的限制，一般转化管的长度约为8-12m。对于大、中型天然气制氢转化装置采用这种长度的转化炉管较为经济。但对于小型天然气转化装置，采用长炉管势必会增加炉体钢结构及耐火材料的投资，且整个转化炉体积以及占地面积过大，造成对各种资源不必要的浪费。另外，天然气水蒸气重整制氢装置尾气中可燃组分没有得到有效的利用，造成资源浪费。

甲醇水蒸气重整制氢反应器的结构是管壳式反应器，壳体通入热载体，通常热载体为导热油，管程中有催化剂，在壳程中高温热载体为管程中的转化反应提供热量，促使原料与水蒸气在管内部进行转化反应，制取合成氨原料气（即氢气）。甲醇水蒸气重整制氢反应为吸热反应，整个装置需要外加热源，现有的甲醇水蒸气重整制氢装置广泛采用导热油系统作为热源，导热油作为热载体，导热油系统多采用明火加热装置（如燃煤或燃油、气等），导热油一般采用矿物油（型号为WD-320），这种矿物油容易结碳，2-3年必须清洗整个导热油系统所有管线和设备，增加了成本；此外，根据国家有关规定，明火装置与氢气装置的安全距离不得小于15m，而导热油系统本身占地面积较大，这就使整个甲醇水蒸气重整制氢装置占地面积大；另外，尾气中可燃组分没有得到有效的利用，造成资源浪费。

上述两种方法均采用明火装置，前者由于转化反应剧烈，烟气温度高，对操作系统及控制系统和材料都提出了很高的要求，后者需提供占地面积大，投资大的导热油炉房，以煤或燃油为燃料。这两种方式均对环境造成了很大污染，无形中又增大了环保方面的投入。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器。该管壳式反应器构思巧妙、设计合理，占地面积小，生产成本低，提高了资源利用率。

为实现上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，包括反应器壳程、上封板和下封板，反应器壳程分别与上封板和下封板固定连接，

所述反应器壳程的上部连接有烟气出口，中部连接有二次空气进口，下部一侧连接有一次空气进口，另一侧连接有尾气进气口；

所述反应器壳程中连接有转化管，该转化管的两端分别设置有转化器法兰和转化气出口，转化管的上部连接有原料气进气口，转化管的内部设置有绝热堵头和转化催化剂托盘，所述转化器法兰与法兰盖连接；

所述反应器壳程中依次设置有第一气体分布板、第二气体分布板和第三气体分布板。

作为优选方式，所述转化管中设置有转化催化剂。

作为优选方式，所述第一气体分布板和第二气体分布板之间、第二气体分布板和第三气体分布板之间均设置有催化燃烧反应用催化剂。

作为优选方式，所述二次空气进口、一次空气进口和尾气进气口的横剖面为半圆型的环管。

作为优选方式，所述所述第一气体分布板为环状。

作为优选方式，所述转化器法兰与法兰盖通过紧固件连接。

本实用新型绝热堵头采用绝热材料可以隔绝热量的散失；反应器壳程外表面与环状半圆管相接触的地方钻有一定数量的小孔，使进气相对均匀；第一气体分布板为环状，由烧结金属制成，烧结金属板内部有微孔，可以使进入转化器壳程的气体能够再次被均匀分布。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型构思巧妙、设计合理，占地面积小，生产成本低，提高了资源利用率。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型一次空气进口结构示意图。

图中标记：1 紧固件、2 法兰盖、3 转化器法兰、4 绝热堵头、5转化管、6 原料气进气口、7上封板、8 烟气出口、9反应器壳程、10 二次空气进口、11 一次空气进口、12 下封板、13 转化气出口、14 转化催化剂托盘、15 尾气进气口、16 第一气体分布板、17 催化燃烧反应用催化剂、18 转化催化剂、19 第二气体分布板、20 第三气体分布板。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：如图1、2所示，一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，包括反应器壳程9、上封板7和下封板12，反应器壳程9分别与上封板7和下封板12固定连接，所述反应器壳程9的上部连接有烟气出口8，中部连接有二次空气进口10，下部一侧连接有一次空气进口11，另一侧连接有尾气进气口15；所述反应器壳程9中连接有转化管5，该转化管5的两端分别设置有转化器法兰3和转化气出口13，转化管5的上部连接有原料气进气口6，转化管5的内部设置有绝热堵头4和转化催化剂托盘14，所述转化器法兰3与法兰盖2连接；所述反应器壳程9中依次设置有第一气体分布板16、第二气体分布板19和第三气体分布板20。

所述转化管5中设置有转化催化剂18。所述第一气体分布板16和第二气体分布板19之间、第二气体分布板19和第三气体分布板20之间均设置有催化燃烧反应用催化剂17。所述二次空气进口10、一次空气进口11和尾气进气口15的横剖面为半圆型的环管。所述所述第一气体分布板16为环状。所述转化器法兰3与法兰盖2通过紧固件1连接。

由于催化燃烧反应十分剧烈，为了将催化燃烧反应的剧烈程度控制在一定范围以内，所以空气分两次进入反应器壳程。从一次空气进口进入一定量的空气，与从尾气进气口进入反应器的尾气在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧反应，反应后产物为二氧化碳和水，未完全反应的尾气通过件号第二气体分布板进入另一个催化剂床层，在此床层内又通入二次空气，在二次空气的作用下，使尾气完全被反应掉，催化燃烧反应放出的热场也是由上而下逐渐增加，该热场分布正好符合转化管内转化反应对热量的需要，发生催化燃烧反应后的产生的烟气通过烟气出口被排出反应器外。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：包括反应器壳程（9）、上封板（7）和下封板（12），反应器壳程（9）分别与上封板（7）和下封板（12）固定连接，

所述反应器壳程（9）的上部连接有烟气出口（8），中部连接有二次空气进口（10），下部一侧连接有一次空气进口（11），另一侧连接有尾气进气口（15）；

所述反应器壳程（9）中连接有转化管（5），该转化管（5）的两端分别设置有转化器法兰（3）和转化气出口（13），转化管（5）的上部连接有原料气进气口（6），转化管（5）的内部设置有绝热堵头（4）和转化催化剂托盘（14），所述转化器法兰（3）与法兰盖（2）连接；

所述反应器壳程（9）中依次设置有第一气体分布板（16）、第二气体分布板（19）和第三气体分布板（20）。

2.如权利要求1所述的一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：所述转化管（5）中设置有转化催化剂（18）。

3.如权利要求1所述的一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：所述第一气体分布板（16）和第二气体分布板（19）之间、第二气体分布板（19）和第三气体分布板（20）之间均设置有催化燃烧反应用催化剂（17）。

4.如权利要求1所述的一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：所述二次空气进口（10）、一次空气进口（11）和尾气进气口（15）的横剖面为半圆型的环管。

5.如权利要求1所述的一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：所述所述第一气体分布板（16）为环状。

6.如权利要求1所述的一种利用催化燃烧反应作为热源的管壳式反应器，其特征在于：所述转化器法兰（3）与法兰盖（2）通过紧固件（1）连接。

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