CN208747627U - 转化炉管和转化炉 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种转化炉管和转化炉，尤其提出了一种通过含烃输入气体的蒸汽转化来生产合成气体的转化炉管，其中‑外壳管通过分离盘被划分成反应室和排出室；‑蒸汽转化活性固体催化剂的催化剂倾卸床被布置在所述反应室中；‑至少一个热交换器管被布置在所述反应室内并且在所述催化剂倾卸床内，该热交换器管的进口端与所述催化剂倾卸床流体连通并且该热交换器管的出口端与所述排出室流体连通，其中‑所述转化炉管的与气体接触的部件、特别是所述至少一个热交换器管由镍基合金制成并且在它们的内侧上涂覆有铝扩散层。

Description

转化炉管和转化炉
技术领域
本实用新型涉及一种用于将含烃输入材料(优选为天然气和诸如石脑油的轻质液态烃)转化成包括碳氧化物和氢气的合成气体产物的转化炉管。根据本实用新型的转化炉管使得该输入气体与产物气体之间的内部热交换能够部分地转化成合成气体产物，因此在合成气体生产期间的能量消耗以及有价值的氢气和一氧化碳的产物方面具备优势。所述炉管进一步设有防腐蚀层，该防腐蚀层会有效地防止所谓的金属尘化腐蚀。
本实用新型还涉及一种使用根据本实用新型的转化炉管通过对含烃输入材料的蒸汽转化来生产合成气体的方法，并且涉及一种具有根据本实用新型的转化炉管的转化炉。
背景技术
烃可与蒸汽进行催化反应，以提供合成气体，即氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合物。如在乌尔曼工业化学百科全书(Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry)1998电子版第六版关键词“气体生产”中所述，所谓的蒸汽转化是最常采用的生产合成气体的方法，该合成气体然后可转化成更重要的日用化学品，例如甲醇或氨。虽然可以转化诸如例如石脑油、液化气或炼油气等的不同的烃，但主要是含甲烷的天然气的蒸汽转化。
天然气的蒸汽转化是高度吸热的。因此，蒸汽转化在转化炉中进行，该转化炉中并排布置有其中发生蒸汽转化反应的数个含有催化剂的转化炉管。转化炉的外壁及其顶板和底板贴面有或衬有多层耐火材料，该耐火材料耐受高达1200℃的温度。转化炉管通常采用安装在转化炉顶部或底部或者侧壁上的燃烧器来点火，并且直接加热转化炉管之间的空隙。传递到转化炉管的热传递会受到来自高温烟气的热辐射和对流热传递影响。
在由热交换器或燃烧的加热器预热到约500℃之后，烃-蒸汽混合物在最终加热到约500℃至800℃之后进入转化炉管，并且在其中经由转化催化剂转化成一氧化碳和氢气。普遍采用镍基转化催化剂。虽然高级烃被完全转化成一氧化碳和氢气，但在甲烷的情况下，却通常是部分转化。产物气体的组分由反应平衡决定；因此，产物气体不仅包括一氧化碳和氢气，而且包括二氧化碳、未转化的甲烷和水蒸气。针对能量优化或者针对包含高级烃的输入材料，可以在预热器的下游采用所谓的预转化器，用于使输入材料预裂解。然后，在另一个加热器中将预裂解的输入材料加热到期望的转化炉管进口温度。
该高温的合成气体产物气体在离开转化炉之后在一个或多个热交换器中被部分冷却。然后，根据所期望的产物或下游工艺的类型，被部分冷却的合成气体产物气体经受进一步的调节步骤。
由于其高的能量需求，天然气的蒸汽转化很引人瞩目。因此，现有技术已包含了旨在通过优化工艺设计、例如通过能量回收来最大程度地减少外部能量需求的提议。譬如，Higman曾于1990年6月在挪威特隆赫姆的EUROGAS-90会议上演示了带有内部热交换的所谓HCT 转化炉管，也可参阅 http://www.higman.de/gasification/papers/eurogas.pdf(检索日：2011年 09月27日)。该转化炉管包括外部填充催化剂以及旁边的经加热的转化炉管，其中，输入气体从上到下流过催化剂倾卸床。在催化剂倾卸床的内部是由适当材料制成的两个盘绕的双螺旋热交换器管，被部分转化的气体在离开催化剂倾卸床之后流经这两个热交换器管，从而将其显热(sensible heat)的一部分传递到经由催化剂进行的蒸汽转化过程。然而，其缺陷是：由于气体通过所述盘绕的热交换器管的较长路径而导致的较高压降。此外，由于热交换器管的较长段经受与金属尘化腐蚀相关的温度范围，因此下文中阐述的被另外称为“金属尘化”的腐蚀类型变得更加明显。
在高温下，CO和烃具有在金属上游离的倾向，并且由此在金属表面上沉积碳。然后，碳被转化为固相，并且从其均质固体基质中萃取出易感金属(susceptible metals)，因此导致材料的点蚀，并最终导致材料的机械塌缩(mechanical collapse)。这会造成高昂的维护成本并可能导致严重的安全问题，例如，加压的管道和设备的爆裂和/或有毒的一氧化碳的泄漏。
正如在OXID MET(2011)第76:23-42期由A.Agüero等人所著的文章“金属尘化保护涂层(Metal Dusting Protective Coatings)”中教导的那样，金属尘化是这样类型的：金属及合金被腐蚀性分解成细颗粒。易受这种形式的腐蚀作用影响的材料尤其包括铁、镍、钴及其合金。在约400℃至800℃的高温下以及在尤其包含一氧化碳(CO)或烃的气氛中，会发生金属尘化。在低于400℃的蒸汽转化的常规工业条件下，金属尘化反应的热力学势(thermodynamic potential)高，但反应速率低。高于800℃时，金属尘化的热力学势很低，以至于极少发生。因此，在蒸汽转化过程和各种设施(plant)部件中，尤其是在废热区的设备部件中，经常会观察到金属粉尘与在所述温度范围内产生的合成气体接触。
金属尘化的前提是从诸如CO和CH4的碳源形成元素碳。由CO 和甲烷形成碳的主要反应来自以下反应方程式：
(1a)2CO＝C+CO2
(2a)CO+H2＝C+H2O
(3a)CH4＝C+2H2
上述反应从左向右进行的、即形成碳的热力学势由所谓的碳活性aC表示，这三个反应的碳活性被计算为：
(1b)aC1＝Kp1(pCO)2/pCO2
(2b)ac2＝Kp2pCO pH2/pH2O
(3b)aC3＝Kp3pCH4/(pH2)2
其中，Kpi是相关反应的平衡常数，并且pi是相关气体的分压。当活性aC大于1时，碳具有经由相关反应形成的热力学势，但形成碳的程度可能受到反应动力学的限制。当aC小于1时，由于热力学的原因不会形成石墨。从以上方程式得出，aC是温度和相关气体的分压的函数。换言之，aC是温度、气体成分以及在某些情况下还有气体混合物的绝对压强的函数。
文献中已经提出了铁基材料和镍基材料的金属尘化的多种机制。有人认为，形成中间金属碳化物，它们随后会分解成碳和金属粉尘。详细信息请参阅上述文献，例如上述论文。
可以通过在合金表面上施加腐蚀抑制涂层来延缓、甚至防止发生金属尘化。这里通常采用的是基于形成基于元素铝、铬或硅的薄而稳定的防护性粘附层的、扩散涂层或者覆盖物/覆盖层。目前，最常采用铝扩散涂层，用于化学工业中的高温下的防氧化和腐蚀。当合金在高得足以允许金属扩散到基底表面中的高温下涂覆有金属或金属混合物时，形成所述涂层。这会引起与基底材料的冶金结合，并且所述涂层然后变成基底材料的整体构成部分。缺点包括：生产成本高且复杂，以及扩散涂层的寿命有限，例如，所述保护金属因为蒸发而挥发，被反应物或产物气流中的固体颗粒磨损，或者例如铝等的保护金属更深地扩散到要保护的工件的体积内。这种扩散过程会降低保护金属的表面浓度，因此不再提供有效的防腐蚀。
发明内容
因此，本实用新型的一个目的在于提供一种转化炉管，其在通过内部热交换进行能量回收方面具有优良性能，同时对金属尘化腐蚀的腐蚀易感性(corrosionsusceptibility)最小。
上述目的通过具有根据本实用新型所述的特征的转化炉管来实现。
根据本实用新型的转化炉管：
用于在蒸汽转化条件下将优选为天然气的含烃输入材料转化成包括碳氧化物和氢气的合成气体产物的转化炉管包括：
(a)加压的外壳管，其中，所述外壳管通过分隔盘(separating tray) 被划分成反应室和排出室，并且其中，所述反应室是可外部加热的；
(b)布置在反应室中的蒸汽转化活性固体催化剂的催化剂倾卸床；
(c)用于输入气流的进口，该输入气流包括输入材料，该进口布置在反应室的区域中，其中，用于该输入气流的进口与所述催化剂倾卸床流体连通；
(d)至少一个热交换器管，该至少一个热交换器管布置在反应室内和所述催化剂倾卸床内，该至少一个热交换器管的进口端与催化剂倾卸床流体连通并且其出口端与排出室流体连通，其中，所述输入气流在进入反应室之后首先流过催化剂倾卸床，然后以逆流方式流过热交换器管并因此被连续冷却，并且其中，该热交换器管与催化剂倾卸床及流过该催化剂倾卸床的输入气流处于热交换关系；
(e)用于合成气体产物的收集管道，该收集管道与排出室流体连通，
其特征在于，所述转化炉管的与气体接触的金属部件由镍基合金制成，并且，在限定的蒸汽转化条件下的操作期间具有在650℃至800℃之间、优选在680℃至750℃之间、最优选在690℃至720℃之间的温度的那些与气体接触的表面配备有铝扩散层。
本实用新型的另一目的在于提供一种方法，利用该方法，根据本实用新型的转化炉管可以被操作成使得可以充分利用其防腐蚀潜能并且可以实现较长的使用寿命。该目的通过具有如下所述的特征的方法来实现。这里，同样，可看到根据本实用新型的方法的其它实施例。
根据本实用新型的方法：
用于生产合成气体的方法，其在存在蒸汽转化活性固体催化剂的蒸汽转化条件下通过对优选为天然气的含烃输入材料的催化蒸汽转化来实现，包括以下步骤：
(a)提供包括所述输入材料并且添加了转化蒸汽的输入气流，其中，根据所供应的转化蒸汽量与所述输入材料中存在的碳的摩尔比来得出汽碳比S/C；
(b)在蒸汽转化条件下，将所述输入材料催化转化成包括碳氧化物和氢气的合成气体产物；
(c)排放所述合成气体产物并且可选地对所述合成气体产物进行处理(workup)，
其特征在于，在限定的蒸汽转化条件下、特别是根据汽碳比S/C 和转化温度，在根据本实用新型所述的转化炉管中进行步骤(b)中的催化转化，其中，所述转化炉管的与气体接触的金属部件由镍基合金制成，并且，具有在650℃至800℃之间、优选在680℃至750℃之间、最优选在690℃至720℃之间的温度的那些与气体接触的表面配备有铝扩散层。
本实用新型还涉及一种设有根据本实用新型的转化炉管的转化炉。
转化炉管的两个区域之间的流体连通应理解为是指任何类型的连通，只要它使得例如输入气流或合成气体产物流的流体能够从这两个区域中的一个区域流到另一个区域即可，忽略任何居间的区域或部件。
热交换关系应理解为是指在转化炉管的两个区域之间进行热交换或热传递的可能性，其中，诸如热传导、热辐射或对流热传输的所有热交换或热传递机制都可以发挥作用。
蒸汽转化条件应理解为是指本领域技术人员本身公知的工艺条件，特别是温度、压力和停留时间，如上文和下文中举例说明以及在相关文献中详细讨论的并且据此实现反应物的至少部分转化(但优选工业上相关地转化)成诸如CO和氢气的合成气体产物的条件。
蒸汽转化条件通常根据合成气体产物的目标成分来定义。重要参数是汽碳比(S/C比)、进入转化炉管的进口压力和转化温度。然而，也可以进行蒸汽转化条件的微调，使得临界温度范围出现在配备有铝扩散层的那些部件表面处。
转化温度应理解为是指由热传输过程与吸热转化反应之间的相互作用产生的流过转化炉管的气体的最高温度。它用作计算转化平衡的基础。在本实用新型的上下文中，转化温度对应于气体进入热交换器管即刻之前的温度。
与气体接触的部件和与气体接触的表面应理解为是指在根据本实用新型的转化炉管的操作期间与气态反应物或转化反应产物接触的那些部件和表面。
本实用新型基于这样的认知：在带有内部热交换的转化炉管的蒸汽转化的工业常规条件下，通过提供铝扩散层，可以有效地保护金属部件的与气体接触的表面免于金属尘化腐蚀。当在转化炉管的限定的操作条件/蒸汽转化条件(特别是根据汽碳比S/C和转化温度)下，具有在650℃至800℃之间、优选在680℃至750℃之间、最优选在690℃至720℃之间的表面温度的那些与气体接触的金属部件的表面配备有铝扩散层时，这种保护措施发挥了其完全功效。
已经发现，在高于约700℃的蒸汽转化的工业常规条件下，针对所涉及的反应的平衡位置，金属尘化腐蚀即使发生也仅发生极小的程度。结合这一点发现，在高于约700℃的铝扩散层中，铝更多且更快地扩散到所要保护的金属部件的体积中，其中，扩散倾向在很大程度上与蒸汽转化条件无关。这导致铝扩散层的厚度增加，同时该层中的铝浓度降低，因此削弱了该层的防腐蚀功效。
相比之下，在低于约700℃的蒸汽转化的工业常规条件下，金属尘化腐蚀针对所涉及的反应的平衡位置而被促进，并且就反应动力学而言也足够迅速地进行，从而导致在工业相关的使用寿命方面显著破坏材料。然而，扩散到所要保护的下方金属部件的体积中的铝扩散以及因此造成的所述保护层中的铝损失足够慢，用于在部件发生严重腐蚀而需要更换之前实现具有足够铝浓度的铝扩散层以及被这种层保护的部件的适当的工业使用寿命。
本实用新型的优选实施例
优选的是，在根据本实用新型的转化炉管中，所述至少一个热交换器管的内壁的具有在650℃至800℃之间、优选在680℃至750℃之间、最优选在690℃至720℃之间的表面温度的那些区域配备有铝扩散层。由于与流过催化剂倾卸床的输入气流进行的间接热交换，该气流随着其流过热交换器管而逐步被冷却，结果是所述温度范围特别出现在热交换器管的内侧/内壁上，从而，在此提供防腐蚀层特别有用。
根据本实用新型的转化炉管的另一实施例的特征在于，所述至少一个热交换器管的内壁被完全配备有铝扩散层。如上所论，热交换器管的内壁的、其温度高于所述温度范围的区域确实因为铝扩散到金属基底中而经受相对较快的铝损失。然而，就金属尘化腐蚀而言，这并无害处，因为高于所述温度范围，所述腐蚀即使发生也仅发生在轻微程度上。此外，对于这种内部完全配备有铝扩散层的热交换器而言，制造成本和复杂性较低，因为不必首先限定热交换器管的内壁的哪些区域需要配备有铝扩散层以及哪些区域相比之下无需配备有铝扩散层。另外，由于更改转化条件能够改变热交换器管的内壁上的临界温度范围的位置，所以实现了热交换器管的更高的使用灵活性。
在本实用新型的另一方面，所述转化炉管的与气体接触的金属部件的、在限定的蒸汽转化条件下的操作期间具有在从800℃至400℃之间、优选在从750℃至400℃之间、最优选在从720℃至400℃的范围内的表面温度的那些表面也配备有铝扩散层。低于约400℃时，所涉及的反应动力学足够慢，以致金属尘化腐蚀在工业相关使用寿命方面基本上不再起任何作用，因此省去了防腐蚀措施。
在根据本实用新型的转化炉管中，所述至少一个热交换器管优选由镍基合金组成。这些合金具有良好的耐腐蚀性和/或耐高温性(抗蠕变强度)。另外，根据本实用新型的转化炉管优选在内侧和外侧上配备有铝扩散层。这种措施仅略微增加制造成本和复杂性，但当在转化炉管的异常操作模式中(例如在开机、关机期间或断电期间)在热交换器管的外壁上也出现金属尘化腐蚀的临界温度时会提供额外防护。
当在根据本实用新型的转化炉管中对所述至少一个热交换器管的内壁施加足量的铝以确保扩散层中的铝浓度为至少20wt％、尤其优选为至少30wt％时，这是特别优选的。材料分析已经表明，当坚持这些铝浓度时，设有铝扩散层的工件在蒸汽转化条件下在8000个工作小时后获得足够的耐腐蚀性。
替选地是或另外，优选基于所采用的热交换器管的常规尺寸，施加足量的铝，以确保基于被涂覆的热交换器管的金属体积的、该合金中的铝浓度为至少4wt％，优选为至少5wt％。如借助于材料分析所表明的，利用这一准则，设有铝扩散层的工件也在蒸汽转化条件下在8000 个工作小时后获得足够的耐腐蚀性。
当根据本实用新型的转化炉管设有螺旋盘管式热交换器管并且优选存在以双螺旋形状布置在催化剂倾卸床中的两个热交换器管时，这是特别优选的。转化炉管的该实施例代表了设备成本和复杂性与优良的传热性能之间的有利折衷。
在根据本实用新型的方法的特定实施例中，其执行使用了至少一个热交换器管，其中，内壁的具有在650℃至800℃之间、优选在680℃至750℃之间、最优选在690℃至720℃之间的表面温度的那些区域配备有铝扩散层。由于与流过催化剂倾卸床的输入气流进行间接热交换，所以气流随着其流过热交换器管而逐步被冷却，结果是所述温度范围特别出现在热交换器管的内侧/内壁上，从而，在此提供防腐蚀层特别有用。
优选地是，在根据本实用新型的方法的执行期间，所述转化炉管的与气体接触的金属部件的、在限定的蒸汽转化条件下的操作期间具有在从800℃至400℃、优选在从750℃至约400℃、最优选在从720℃至约400℃的范围内的表面温度的那些表面也配备有铝扩散层。低于约 400℃，所涉及的反应动力学足够慢，以致金属尘化腐蚀在工业相关使用寿命方面基本上不再起任何作用，因此省去了防腐蚀措施。
在根据本实用新型的方法的特定实施例中，所述至少一个热交换器管的内壁完全配备有铝扩散层。如上所述，热交换器管的内壁的、其温度高于所述温度范围的区域确实因为铝扩散到金属基底中而经受相对较快的铝损失。然而，就金属尘化腐蚀而言，这并无害处，因为高于所述温度范围，所述腐蚀即使发生也仅发生在轻微程度上。此外，对于这种内部完全配备有铝扩散层的热交换器而言，制造成本和复杂性较低，因为不必首先限定热交换器管的内壁的哪些区域需要配备有铝扩散层以及哪些区域相比之下无需配备有铝扩散层。另外，由于更改转化条件能够改变热交换器管的内壁上的临界温度范围的位置，所以实现了热交换器管的更高的使用灵活性。
本实用新型还包括一种转化炉，其包括带有耐火衬里或耐火表面的炉壁、顶板和底板以及由它们形成的内部，其特征在于，至少一个根据本实用新型所述的转化炉管以及至少一个用于加热所述转化炉管的燃烧器被布置在所述内部中或者布置在辅助空间中，该辅助空间与所述内部在燃烧器的烟气方面流体连通。
在根据本实用新型的转化炉的特定实施例中，所述至少一个转化炉管以自由悬挂或独自站立方式被布置在所述内部中，其中，所述外壳管的包括所述反应室的部分被布置在所述内部中，并且所述外壳管的包括所述排出室的部分至少部分地穿过(fed through)所述顶板或底板。在这一点上，自由悬挂或独自站立方式应理解为是指仅转化器的包括排出室的那一端与该转化炉的顶板或底板机械接触。
这是特别有利的，因为通过这种方式，会避免现有技术公知的转化炉管中由于巨大温差而出现的冲击气流进口与合成气体产物流出口之间的热机械应力。在后一种情况下，采用昂贵且复杂的措施，例如使用应力补偿器(所谓的猪尾管)或控制电缆来补偿应力及其负面效应，例如该转化炉管的变形。对于该转化炉管的自由悬挂或独自站立布置，这就不再需要了。
在根据本实用新型的转化炉的又一个优选实施例中，多个转化炉管和燃烧器布置在所述内部中，使得由所述燃烧器产生的火焰的纵向轴线平行于所述转化炉管的纵向轴线定向。这能够确保燃烧器实现对围绕其布置的转化炉管的均匀加热。另外，所述平行的火焰轴线在较长距离上向转化炉管提供辐射热，并且避免了转化炉管的外侧的局部过热。
示例性实施例
从以下对示例性实施例的描述和附图中，本实用新型的拓展、优点和可能应用将更加清楚。所描述和/或描绘的所有特征本身或以任何期望的组合构成本实用新型的主题，而与它们在权利要求中组合的方式以及所述权利要求相互引用的方式无关。
附图说明
作为唯一附图，图1示出了根据本实用新型的优选实施例的转化炉管。
具体实施方式
图1所示的根据本实用新型的转化炉管被划分成部分A(反应室)、部分B(排出室)和部分C(收集管道)。
经由进口管道2，脱硫天然气与转化蒸汽一起进入被布置在浅管3 的上部中的反应室A。该外壳管由例如G-X45NiCrNbTi3525型镍铬钢构成。所述输入气体的进口温度为600℃，基于催化剂体积的空速通常为4000至5000mN 3/(m3h)。
在本示例性实施例中，转化炉管在外壳管3的敞口管端处于上部位置的情况下被竖直地布置，并且通过燃烧器(图1中未示出)而在外部被加热。在转化炉管的操作期间，该外壳管的敞口管端由密封装置4密封，该密封装置4例如是带有凸缘的盖，它可以被打开，以用于检修以及用于填装和排放催化剂。
在进入该外壳管之后，天然气和转化蒸汽进入由固体镍基转化催化剂的颗粒形成的催化剂倾卸床5。然后，如流动箭头所示，所输入的物质向上流过催化剂倾卸床。该催化剂倾卸床通过分隔盘6固定在该外壳管中。位于该分隔盘与所述催化剂倾卸床之间的是作为催化剂的支撑的惰性体构成的倾卸床7。
在转化催化剂上发生吸热的蒸汽转化反应。在离开催化剂倾卸床之后，既包括碳氧化物和氢气又包括未转化的甲烷的、被部分转化的天然气进入布置在该外壳管的密封管端4处的开放空间8。被部分转换的输入气流随后进入布置在催化剂倾卸床内的盘绕式热交换器管9的进口端。流过热交换器管9的气流以逆流方式将其显热的一部分放出到催化剂倾卸床和流过所述床的输入气流中。热交换器管由具有良好的抗金属尘化腐蚀性的镍基合金制成，例如，合金601、602CA、617、 690、692、693、HR160、HR214或所谓的多层材料，其中所述管被涂覆有锡镍合金或铝镍合金。此外，所述热交换器管在其内侧上设有并且优选在外侧上也设有铝扩散层作为防腐蚀层。
在流过热交换器管之后，合成气体产物流进入排出室B。为此，两个热交换器管9的出口端穿过分隔盘6并因此被固定。然后，所述热交换器管的出口端通向内管10中，该内管10提供了热交换器管9 与收集管道11之间的连通。该内管同样由上述构造及其内壁的金属材料中的一种金属材料制成，并且优选地是，其外壁也设有铝扩散层作为防腐蚀层。在该内管的外壁与所述外壳管的内壁之间附有透气的绝缘材料12。
内管10与收集管道11(部分C)连通，该收集管道在其内侧上设有绝缘材料13和/或耐腐蚀涂层14，例如陶瓷涂层。合成气体产物流经由该收集管道从转化炉管1排出并且被送走，以用于进一步处理。根据该合成气体产物的预期用途，这可以包括一氧化碳转化、用于去除二氧化碳的气体洗涤操作、用于去除氢的变压吸附以及其它处理阶段。
数值示例(本实用新型)
根据本实用新型的转化炉管在蒸汽转化条件下运行超过8000个工作小时的工作时间。转化温度为820℃，S/C比为3.6，转化管的进口压力为33巴绝对值。该转化管设有两个螺旋盘绕式热交换器管，它们由镍基合金制成并且在它们的内壁上设有铝扩散层。
在转化操作结束之后，卸下热交换器管中的一个，并且在不同的纵向部分处取出其内壁的材料样本。
由于所确定的温度曲线，相应的纵坐标对应于不同的稳态温度。
对所取出的样本进行关于其表面形貌的金相分析，并通过 SEM/EDS测量(能量色散X射线分析)来确定铝扩散层的厚度和成分。所取出的样本中没有显示出任何金属尘化腐蚀的迹象。特别地是，观察到在保护层中既没有点蚀也未出现任何裂纹。
表1总结了如此测量的保护层中的平均铝含量和层厚度。从该表中明显可见，在指定的操作条件下，当高于673℃并且特别是高于 818℃，观察到铝扩散层的厚度的显著增加以及该层中的平均铝含量的同时下降。
表1：在蒸汽转化条件下经过8000个工作小时之后取自热交换器管内侧的各个部分的样本的、保护层中的平均铝含量和层厚度
在627℃和818℃下获得的这两个样本在其水平层结构方面进行更详细的分析。表2总结了如此获得的局部铝含量与距离表面的距离(深度)的关系。
显然，较高的表面温度造成铝扩散层的厚度的增厚/增加，并且铝含量在前100μm下降。一种例外情况是：在表面处直接测量到的铝含量。
表2：在627℃和818℃下获得的样本的局部铝含量与从表面到工件内的距离(深度)的关系
表3总结了在各种S/C比和转化温度下操作蒸汽转化设施时计算的Boudouard温度。Boudouard温度被定义为活性根据方程式(2a)等于1时所处的温度。
从表3可以明显看出，Boudouard温度随着S/C比的增加和转化温度的降低而降低。超过相应的Boudouard温度，即，活性根据方程式(2a)小于1时，由于其热力学势不再存在，故金属尘化腐蚀不会发生到任何明显的程度。
表3：在各种S/C比和转化温度下操作蒸汽转化设施时的Boudouard温度
比较例
如在根据本实用新型的数值示例中的那样，转化炉管在相同的蒸汽转化条件下运行超过8000个工作小时的工作时间。该转化炉管设有无铝扩散层的两个螺旋盘绕式热交换器管。
在转化操作结束之后，进而卸下热交换器管中的一个，并且在不同的纵向部分处取出其内壁的材料样本，由于所确定的温度曲线，这些纵向部分对应于不同的稳态温度。因此，所取出的样本对应于下文中记录的温度，根据方程式(2b)的相应附带的Boudouard活性被记录在括号内：
623℃(9.8)、644℃(5.8)、663℃(3.7)、685℃(2.2)、696℃ (1.7)、706℃(1.3)。
而且，在其表面形态方面对这些样本进行分析。所有样本中的腐蚀迹象都很明显，并且，腐蚀倾向随着温度的升高而降低，这与相同方向上的Boudouard活性相一致。对应于623℃的样本显示出极度的腐蚀，而相反，对应于706℃的样本仅显示出轻微的腐蚀。
在其中Boudouard活性降至1下面的更高温度下，不再预期会出现明显的金属尘化腐蚀。
工业应用性
本实用新型提出了一种转化炉管，其使得输入气体与产物气体之间的内部热交换能够部分地转化成合成气体产物，因此在该转化炉管的使用期间的能量消耗方面具备优势。通过创造性地提供具有作为防腐蚀层的铝扩散层的转化炉管，能够有效地阻碍金属尘化腐蚀，特别是当适当地配备有其表面温度在所述临界范围内的、转化炉管的金属部件和区域时。这导致了转化炉管的可能的更长工作时间，并因此具备经济优势。此外，不必对转化炉管的其表面温度高于所述临界范围的区域进行防腐蚀，因此允许节省昂贵且复杂的材料处理的成本。
附图标记列表
[1] 转化炉管
[2] 进口管道
[3] 外壳管
[4] 密封装置
[5] 催化剂倾卸床
[6] 分隔盘
[7] 惰性体构成的倾卸床
[8] 开放空间
[9] 热交换器管
[10] 内管
[11] 收集管道
[12] 绝缘层
[13] 绝缘层
[14] 涂层
[A] 反应室
[B] 排出室
[C] 收集管道。

Claims (19)

1.一种转化炉管，所述转化炉管用于在蒸汽转化条件下将含烃输入材料转化成包括碳氧化物和氢气的合成气体产物，所述转化炉管包括：
(a)加压的外壳管，其中，所述外壳管通过分隔盘被划分成反应室和排出室，并且其中，所述反应室是可外部加热的；
(b)布置在所述反应室中的蒸汽转化活性固体催化剂的催化剂倾卸床；
(c)用于输入气流的进口，所述输入气流包括所述输入材料，用于所述输入气流的所述进口布置在所述反应室的区域中，其中，用于所述输入气流的所述进口与所述催化剂倾卸床流体连通；
(d)至少一个热交换器管，所述至少一个热交换器管布置在所述反应室内和所述催化剂倾卸床内，所述至少一个热交换器管的进口端与所述催化剂倾卸床流体连通并且所述至少一个热交换器管的出口端与所述排出室流体连通，其中，所述输入气流在进入所述反应室之后首先流过所述催化剂倾卸床，然后以逆流方式流过所述热交换器管并且因此被连续冷却，并且其中，所述热交换器管与所述催化剂倾卸床以及流过所述催化剂倾卸床的所述输入气流处于热交换关系；
(e)用于所述合成气体产物的收集管道，所述收集管道与所述排出室流体连通，
其特征在于，所述转化炉管的与气体接触的金属部件由镍基合金制成，并且，在限定的蒸汽转化条件下的操作期间具有在650℃至800℃之间的温度的那些与气体接触的表面配备有铝扩散层。
2.根据权利要求1所述的转化炉管，其中所述温度在680℃至750℃之间。
3.根据权利要求2所述的转化炉管，其中所述温度在690℃至720℃之间。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其中所述含烃输入材料为天然气。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，所述至少一个热交换器管的内壁的具有在650℃至800℃之间的表面温度的那些区域配备有铝扩散层。
6.根据权利要求5所述的转化炉管，其中所述表面温度在680℃至750℃之间。
7.根据权利要求6所述的转化炉管，其中所述表面温度在690℃至720℃之间。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，所述至少一个热交换器管的内壁完全配备有铝扩散层。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，所述转化炉管的与气体接触的金属部件的、在限定的蒸汽转化条件下的操作期间具有在从800℃至400℃范围内的表面温度的那些表面也配备有铝扩散层。
10.根据权利要求9所述的转化炉管，其中所述表面温度在从750℃至约400℃的范围内。
11.根据权利要求10所述的转化炉管，其中所述表面温度在从720℃至约400℃的范围内。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，至少一个热交换器管由镍基合金制成并且在内侧上和外侧上配备有铝扩散层。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，所述至少一个热交换器管的内壁被施加足量的铝，以确保所述扩散层中的铝浓度为至少20wt％。
14.根据权利要求13所述的转化炉管，其中所述扩散层中的铝浓度为至少30wt％。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，至少一个热交换器管沿着其长度的至少一部分螺旋地盘绕。
16.根据权利要求1至3中的任一项所述的转化炉管，其特征在于，至少两个交换器管被布置在所述催化剂倾卸床内。
17.一种转化炉，包括带有耐火衬里或耐火表面的炉壁、顶板和底板以及由它们形成的内部，其特征在于，至少一个根据权利要求1至16中的任一项所述的转化炉管以及至少一个用于加热所述转化炉管的燃烧器被布置在所述内部中或者布置在辅助空间中，该辅助空间在所述燃烧器的烟气方面与所述内部流体连通。
18.根据权利要求17所述的转化炉，其特征在于，所述至少一个转化炉管以自由悬挂或独自站立方式被布置在所述内部中，其中，所述外壳管的包括所述反应室的部分被布置在所述内部中，并且所述外壳管的包括所述排出室的部分至少部分地穿过所述顶板或所述底板。
19.根据权利要求17或18所述的转化炉，其特征在于，多个转化炉管和燃烧器被布置在所述内部中，使得由所述燃烧器产生的火焰的纵向轴线平行于所述转化炉管的纵向轴线定向。
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