CN203382499U - 一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，目的在于解决现有的甲醇水蒸汽重整制氢装置以导热油系统作为热源，其大多采用明火加热装置，占地面积较大，且甲醇水蒸汽重整制氢装置的尾气被放空，造成资源的严重浪费的问题，其包括反应器管体、直管、第一封头、第二封头、第一管板、第二管板、空气进气管、尾气进气管。本实用新型以甲醇水蒸汽重整制氢装置产生的尾气作为热源，以道生油作为热载体，有效减小设备的体积，且不产生明火，因而能够大幅减少装置的占地面积，同时，本实用新型以甲醇水蒸汽重整制氢装置的尾气作为热源，避免了资源的浪费，同时有效降低了生产成本，对于提高企业生产效益具有重要意义。

Description

一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器

技术领域

本实用新型涉及化工领域，特别是一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，该加热器以甲醇水蒸汽重整制氢装置产生的尾气为原料，通过催化燃烧反应产生热量，从而对导热载体进行加热。 

背景技术

甲醇水蒸汽重整制氢是指在一定温度及压力条件下，以甲醇和脱盐水为原料，通过甲醇水蒸汽重整制氢催化剂的作用，进行转化反应，制取氢气。制备的氢气可以用作其他反应的原料气，例如合成氨原料气。 

目前，现有广泛使用的甲醇水蒸汽重整制氢工艺是将原料甲醇和脱盐水先按一定比例配制，在加压条件下，分别经预热、气化、过热步骤，过热后的原料混合气进行催化转化反应，得到转化气。转化气中，氢气占转化气的体积百分比为75%，剩余组分为CO、CO₂、H₂O等。转化气再通过变压吸附，得到符合纯度要求的产品氢气，同时分离出尾气，尾气被放空。尾气中含有H₂、CO、CO₂等，其中，氢气占尾气的体积百分比约为40%，CO占尾气的体积百分比约为5%，CO₂占尾气的体积百分比约为40%。 

甲醇水蒸汽重整制氢反应为吸热反应，现有的甲醇水蒸汽重整制氢装置需要外加热源。目前广泛采用导热油系统作为甲醇水蒸汽重整制氢装置的热源，其以导热油为热载体，一般导热油经加热到290℃后，进入甲醇水蒸汽重整制氢装置，为反应提供热量，然后导热油的温度下降至约270℃，再返回到导热油炉中，形成一个封闭的导热油循环加热系统。导热油系统大多采用明火加热装置，例如采用燃煤、燃油、燃气加热等，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，且现有的导热油系统本身占地面积较大，这就增大了甲醇水蒸汽重整制氢装置的占地面积；同时，现有的导热油系统一般采用矿物油WD-320（WD-320为矿物油的型号），这种矿物油容易结碳，通常使用2-3年后，必须清洗整个导热油系统的所有管线和设备，无形中也增加了使用成本；且尾气被放空，尾气中的可燃组分没有得到有效利用，造成了资源的严重浪费。 

催化燃烧是指借助催化剂，在较低温度下，实现对有机物的完全氧化，因而具有能耗少、操作简单、安全、净化效率高的优点，其在有机废气净化领域，尤其是回收价值较低的有机废气净化领域，具有广泛的应用。与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低、燃烧更加完全。如果将甲醇水蒸汽重整制氢反应的尾气作为原料，进行催化燃烧，将会大大提高热能利用率，有效降低能耗，然而由于H₂自身的特殊性质，如何使甲醇水蒸汽重整制氢反应的尾气与空气混合后，其中的H₂浓度降到爆炸极限以下，成为尾气催化燃烧技术发展的“瓶颈”。 

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有的甲醇水蒸汽重整制氢装置以导热油系统作为热源，其大多采用明火加热装置，占地面积较大，且甲醇水蒸汽重整制氢装置的尾气被放空，造成资源的严重浪费的问题，提供一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器。本实用新型以甲醇水蒸汽重整制氢装置产生的尾气作为热源，以道生油作为热载体，有效减小设备的体积，且不产生明火，因而能够大幅减少甲醇水蒸汽重整制氢装置的占地面积，同时，本实用新型以甲醇水蒸汽重整制氢装置的尾气作为热源，避免了资源的浪费，同时有效降低了生产成本，对于提高企业生产效益具有重要意义。本实用新型构思巧妙，结构特殊，利用特定的内部结构，能够有效降低混合气中H₂的浓度，使H₂的浓度降低到爆炸极限以下，有效保证了设备及工人的安全，减小了安全隐患。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，包括反应器管体、设置在反应器管体内的直管、第一封头、第二封头、第一管板、第二管板、空气进气管、尾气进气管，所述第一封头、第二封头分别设置在反应器管体的两端，所述直管两端分别通过第一管板、第二管板与反应器管体相连，所述第二封头上设置有预热管，所述空气进气管、尾气进气管分别插入直管内，所述直管与第一封头连通，所述反应器管体与直管之间设置有若干个催化反应换热管，所述第一封头、第二封头通过催化反应换热管连通，所述反应器管体上还分别设置有道生油进口、道生油出口。

所述尾气进气管的插入端位于比空气进气管的插入端更靠近第一封头的位置。 

还包括甲醇进气管，所述甲醇进气管插入直管内。 

所述甲醇进气管的插入端设置有喷嘴。 

所述甲醇进气管的插入端位于比尾气进气管的插入端更靠近第一封头的位置，所述尾气进气管的插入端位于比空气进气管的插入端更靠近第一封头的位置。 

还包括电机，所述电机的输出轴上设置有叶片，所述叶片设置在第一封头内。 

所述第一管板上设置有混合气挡板。 

所述混合气挡板呈弧形。 

所述预热管内分别设置有空气换热管、尾气换热管，所述空气换热管与空气进气管相连，所述尾气换热管与尾气进气管相连。 

所述空气换热管为换热用蛇形管，所述尾气换热管为换热用蛇形管。 

所述催化反应换热管包括外壁、设置在外壁内的中心支撑管、设置在中心支撑管上的翅片、设置在中心支撑管上的催化剂。 

所述催化剂设置在中心支撑管上，呈环状。 

本实用新型针对前述存在的问题，提供一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，包括反应器管体、设置在反应器管体内的直管、第一封头、第二封头、第一管板、第二管板、空气进气管、尾气进气管。第一封头、第二封头分别设置在反应器管体的两端，直管两端分别通过第一管板、第二管板与反应器管体相连，第二封头上设置有预热管，空气进气管、尾气进气管分别插入直管内，直管与第一封头连通。直管一端通过第二管板与与反应器管体相连，从而将直管与第二封头隔开，即不直接连通。反应器管体与直管之间设置有催化反应换热管，第一封头、第二封头通过催化反应换热管连通，反应器管体上还分别设置有道生油进口、道生油出口。 

本实用新型工作时，空气通过空气进气管进入直管内，尾气通过尾气进气管进入直管内，进入直管内的空气、尾气混合后，混合后的气体进入第一封头内，再进入催化反应换热管进行催化燃烧，产生高温烟气，并释放出热量。释放的热量对反应器管体与直管之间的道生油进行加热，加热后的道生油从道生油出口流出，为甲醇水蒸汽重整制氢提供热量。催化燃烧释放的高温烟气在对道生油进行加热的同时，能够对混合气体中的H₂进行稀释，使其浓度降低至爆炸极限以下。 

申请人于2009年12月08日申请了一种利用制氢所生尾气作为热源的催化燃烧器（简称在先申请），申请号：CN200920316749.1，本申请是在该专利的基础上，进行改进所得到的。在先申请的利用制氢所生尾气作为热源的催化燃烧器，在该催化燃烧器中，反应器筒体内设置有内部直管，内部直管的周边布置有反应列管，反应列管内设置有催化剂，反应列管和内部直管的两端都开口；反应器筒体的一端，位于反应列管和内部直管的外侧，设置有尾气进口和空气进口；反应器筒体的另一端，位于反应列管和内部直管的外侧，设置有高温烟气出口；即在先申请中，尾气、空气分过通过尾气进口和空气进口进入反应器筒体的一端，该端与反应列管和内部直管直接相通，换言之，尾气、空气在反应器筒体的一端混合后作为混合气体，可以进入反应列管内进行催化燃烧反应，产生高温烟气，也可以通过内部直管直接进入反应器筒体的另一端，形成未反应气体，最后，高温烟气和未反应气体通过高温烟气出口排除。该在先申请中，混合气体的流向无法控制，燃烧效率不稳定，同时，排除的气体中还可能含有未反应气体，可能会导致排除的气体中氢气含量达到爆炸极限以上，安全性能不稳定。 

而在本申请中，空气进气管、尾气进气管分别插入直管内，直管与第一封头连通，且直管与第二封头隔开，即不直接连通，同时第一封头、第二封头通过催化反应换热管连通。本申请在工作时，尾气、空气分过通过尾气进口和空气进口进入直管内，并在直管内混合作为混合气体，由于直管与第二封头隔开，因而混合气体只能通过直管进入第一封头内，再通过催化反应换热管进行催化燃烧反应，产生高温烟气，再进入第二封头内，最后通过设置在第二封头上的预热管排出。与在先申请相比，本申请中，混合气体的流向唯一，燃烧效率仅与空气、尾气的进气量有关，燃烧效率更加稳定，同时流向的唯一，能够保证所有的混合气体都进入催化反应换热管内，不仅提高了催化反应效率，而且能够有效保证在排出的气体中，氢气含量在爆炸极限以下，有效保证了装置的安全性，燃烧效率、安全性能均得到了极大提高，具有显著的进步意义。 

作为优选，尾气进气管的插入端位于比空气进气管的插入端更靠近第一封头的位置，采用该设计，空气进入直管后，会使尾气进气管的插入端产生负压，从而更有利于尾气进入直管内。直管为尾气和空气提供了混合的空间，有利于其中氢气的稀释。 

作为优选，包括甲醇进气管，甲醇进气管插入直管内，甲醇进气管的插入端位于比尾气进气管的插入端更靠近第一封头的位置，尾气进气管的插入端位于比空气进气管的插入端更靠近第一封头的位置，甲醇进气管的插入端设置有喷嘴。甲醇进气管、尾气进气管、空气进气管的插入端到第一封头的距离依次递增，三者的插入端的端点呈三角形，采用该结构，空气能够为尾气、甲醇提供负压，尾气能够为甲醇提供负压，从而更有利于空气、尾气、甲醇三者的混合。在甲醇进气管的插入端设置喷嘴，喷嘴能够将甲醇呈“雾状”喷射入直管中，“雾状”的甲醇在直管中被汽化并过热到一定温度，满足催化燃烧反应对温度的要求。 

作为优选，包括电机，所述电机的输出轴上设置有叶片，所述叶片设置在第一封头内。使用时，电机带动叶片转动，叶片能够使混合后的气体更好的进入催化反应换热管中，以利于催化反应的进行。 

作为优选，第一管板上设置有混合气挡板，混合气挡板呈弧形，弧形混合气挡板有利于控制混合后气体的流向。 

作为优选，预热管内分别设置有空气换热管、尾气换热管，空气换热管与空气进气管相连，尾气换热管与尾气进气管相连。更进一步，空气换热管、尾气换热管分别为换热用蛇形管。通过采用空气换热管、尾气换热管，能够利用预热管将尾气、空气预热，提供其温度，不仅有利于后期催化燃烧反应的进行，而且提高热能利用率，减少了能量的损失。 

作为优选，催化反应换热管包括外壁、设置在外壁内的中心支撑管、翅片、催化剂，翅片、催化剂分别设置在中心支撑管上。采用该结构，有利于催化反应的进行，及其与道生油热量的交换。作为优选，催化剂呈环状。 

本实用新型构思巧妙，大幅减少甲醇水蒸汽重整制氢装置的占地面积，避免尾气中氢气的浪费，且具有较高的能源利用率，能够显著降低甲醇水蒸汽重整制氢的生产成本。同时，本发明能够降低混合气中H₂的浓度至爆炸极限以下，保证了设备及工人的安全。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。 

图2是本实用新型中催化反应换热管的剖视图。 

图3是图1中含有催化反应换热管段的剖视图。 

图中标记：1为反应器管体，2为直管，3为第一封头，4为第二封头，5为第一管板，6为第二管板，7为空气进气管，8为尾气进气管，9为预热管，10为催化反应换热管，11为道生油进口，12为道生油出口，13为甲醇进气管，14为电机，15为输出轴，16为叶片，17为混合气挡板，18为空气换热管，19为尾气换热管，20为外壁，21为中心支撑管，22为翅片，23为催化剂。 

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1 

如图所示，包括反应器管体1、直管2、第一封头3、第二封头4、第一管板5、第二管板6、空气进气管7、尾气进气管8、甲醇进气管13、预热管9、道生油进口11、道生油出口12。第一封头3、第二封头4分别设置在反应器管体1的两端，直管2一端通过第一管板5与反应器管体1相连，直管2另一端通过第二管板6与反应器管体1相连，直管2与第一封头3连通，空气进气管7、尾气进气管8、甲醇进气管13分别插入直管2内，甲醇进气管13的插入端设置有喷嘴。甲醇进气管13的插入端位于比尾气进气管8的插入端更靠近第一封头3的位置，尾气进气管8的插入端位于比空气进气管7的插入端更靠近第一封头3的位置。第一管板5上还设置有混合气挡板17，混合气挡板17呈弧形。预热管9设置在第二封头4上，预热管9内分别设置有空气换热管18、尾气换热管19，空气换热管18、尾气换热管19分别为换热用蛇形管，空气换热管18与空气进气管7相连，尾气换热管19与尾气进气管8相连。还包括电机14，电机14的输出轴15上设置有叶片16，叶片16设置在第一封头3内。道生油进口11、道生油出口12分别设置在反应器管体1上。反应器管体1与直管2之间形成空腔，反应器管体1与直管2之间设置有若干个催化反应换热管10，第一封头3、第二封头4通过催化反应换热管10连通。催化反应换热管10包括外壁20、设置在外壁20内的中心支撑管21、翅片22、催化剂23，翅片22、催化剂23分别设置在中心支撑管21上，其中，催化剂23呈环状。

空气首先通过空气换热管18预热至约240℃，预热后的空气再通过空气进气管7进入直管2内。甲醇水蒸汽重整制氢的尾气通过尾气换热管19预热至260℃后，预热后的尾气再通过尾气进气管8进入直管2内。为了提高催化燃烧反应放出的热量，满足甲醇水蒸汽重整制氢反应对热量的需要程度，增加少部分甲醇，甲醇通过甲醇进气管13进入直管2内，甲醇通过设置在甲醇进气管13插入端的喷嘴呈“雾状”喷射入直管2内，“雾状”甲醇在直管2内被汽化并过热到一定温度，以满足催化燃烧反应对甲醇温度的要求。空气进气管7、尾气进气管8、甲醇进气管13的管端呈梯形分布，空气进入直管2后，形成负压，将预热后的尾气、被气化的甲醇吸入到直管2内，并混合均匀，得混合气。电机14通过输出轴15带动叶片16旋转，混合气在第一封头3内的叶片16作用下，被抽至第一封头3内，再通过混合气挡板17与第一封头3之间的空隙进入催化反应换热管10内。催化反应换热管10为多个，其内的中心支撑管21为实心管，在中心支撑管21表面均布多只翅片22，催化剂23套装在实心管外，翅片22与催化剂23间错排布。翅片22能够增加换热面积，催化剂23呈环状，混合气具有一定的温度，其在催化剂23的作用下，发生催化燃烧反应，并放出热量。催化燃烧反应产生的高温烟气对道生油进行加热，同时烟气温度降低，提供的热量能够完全满足甲醇水蒸汽重整制氢对热量的需求。此外，催化燃烧反应产生的热量还为直管2中的混合气提供热量，对混合气进行加热至一定温度，有效提高了热效率。烟气温度降低后，进入预热管9内。预热管9内分别设置有空气换热管18、尾气换热管19，烟气分别对空气、尾气预热，进一步提高了整个装置的热能利用率，此时，烟气的温度降低至国家对排放尾气温度的要求以下，排入大气中。 

在整个过程中，反应器管体1、直管2、第一管板5、第二管板6形成环状间隙，道生油从道生油进口11进入环状间隙内，混合气发生催化燃烧反应，产生的高温烟气沿第一封头3到第二封头4的方向通过催化反应换热管10，在电机14产生的气流作用下，不断流动；在这个过程中，混合气不断地在催化反应换热管10内部发生催化燃烧反应，持续产生的烟气降低了混合气中H₂的浓度，使其浓度低于4%，处于爆炸极限浓度以下，而催化燃烧反应产生的热量被道生油带走，最终使本实用新型的内部热场分布趋于稳定，而换热后的烟气则通过预热管9排出。 

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 (10)

1.一种甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，包括反应器管体(1)、设置在反应器管体(1)内的直管(2)、第一封头(3)、第二封头(4)、第一管板(5)、第二管板(6)、空气进气管(7)、尾气进气管(8)，所述第一封头(3)、第二封头(4)分别设置在反应器管体(1)的两端，所述直管(2)两端分别通过第一管板(5)、第二管板(6)与反应器管体(1)相连，所述第二封头(4)上设置有预热管(9)，所述空气进气管(7)、尾气进气管(8)分别插入直管(2)内，所述直管(2)与第一封头(3)连通，所述反应器管体(1)与直管(2)之间设置有若干个催化反应换热管(10)，所述第一封头(3)、第二封头(4)通过催化反应换热管(10)连通，所述反应器管体(1)上还分别设置有道生油进口(11)、道生油出口(12)。

2.根据权利要求1所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，还包括甲醇进气管(13)，所述甲醇进气管(13)插入直管(2)内。

3.根据权利要求2所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述甲醇进气管(13)的插入端设置有喷嘴。

4.根据权利要求3所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述甲醇进气管(13)的插入端位于比尾气进气管(8)的插入端更靠近第一封头(3)的位置，所述尾气进气管(8)的插入端位于比空气进气管(7)的插入端更靠近第一封头(3)的位置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，还包括电机(14)，所述电机(14)的输出轴(15)上设置有叶片(16)，所述叶片(16)设置在第一封头(3)内。

6.根据权利要求1所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述第一管板(5)上设置有混合气挡板(17)。

7.根据权利要求6所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述混合气挡板(17)呈弧形。

8.根据权利要求1所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述预热管(9)内分别设置有空气换热管(18)、尾气换热管(19)，所述空气换热管(18)与空气进气管(7)相连，所述尾气换热管(19)与尾气进气管(8)相连。

9.根据权利要求1-4、6、7、8任一项所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述催化反应换热管(10)包括外壁(20)、设置在外壁(20)内的中心支撑管(21)、设置在中心支撑管(21)上的翅片(22)、设置在中心支撑管(21)上的催化剂(23)。

10.根据权利要求9所述的甲醇水蒸汽重整制氢的尾气为原料的催化燃烧加热器，其特征在于，所述催化剂(23)设置在中心支撑管(21)上，呈环状。

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