CN210438410U - 一种天然气制氢转化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种天然气制氢转化装置，包括内衬耐火层且顶部一端开设有烟气出口的炉体、设于炉体顶部另一端的燃烧器及设于炉体内的炉管，炉管分为依次通过猪尾管连通的进气段、中间段及出气段三部分，进气段通过猪尾管延伸至炉体外设有进气口，中间段包含多根直立并列的转化管，出气段为转化气盘管、设于进气段内部且其上端通过猪尾管延伸至炉体外设有出气口。本实用新型将炉管分为进气段、中间段及出气段三部分，且彼此之间采用猪尾管相互连接，成为一个独立的系统，在结构上可完全替代8～12m的“长”炉管，降低了炉体钢结构和炉体耐火层材料的用量，减小了转化装置体积和占地面积，节省了资源，从而降低了投资成本，提高了效益。

Description

一种天然气制氢转化装置

技术领域

本实用新型涉及制氢转化设备领域，具体涉及一种天然气制氢转化装置。

背景技术

天然气制氢转化炉是在高温、高压的条件下，以天然气、油田气、焦炉气、炼厂尾气或轻油为原料，借助转化炉管内镍基催化剂的作用，促使原料与水蒸气在转化炉管内部进行转化反应制取合成氨原料气(即氢气)的高温设备。

由于天然气蒸汽转化法制取氢气的工艺过程是在2.0～4.0MPa(A)的压力和700～800℃的高温下进行，操作条件苛刻，相应设备材料要求高，其投资一般占合成氨厂非定型设备投资的30％。

天然气蒸汽反应为吸热反应，其所需热量必须为外部提供，通常由安置在转化炉上部或下部的燃烧器(燃料气通常为天然气)提供，燃烧器燃烧放出热量，热能转化为辐射能，辐射能被炉管吸收，满足转化炉管内部反应所需热量，这一过程通常在转化炉辐射室内进行。所谓辐射室是通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分，辐射室是热交换的主要场所，整个天然气蒸汽转化炉热负荷的70～80％是由辐射室担负的，它是全炉最重要的部分，天然气蒸汽转化反应过程全部在辐射室内完成。

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。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。

由于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，转化炉管的长度一般约为8～12m。对于大、中型天然气制氢转化炉采用这种长度的转化炉管较为经济，但对于小型天然气制氢转化炉，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用空间过大，造成对各种资源不必要的浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种天然气制氢转化装置，以解决小型化天然气制氢转化炉采用长炉管造成的投资大、占地面积大、材料和资源浪费的问题，最终达到降低投资、提高效益及节约资源的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种天然气制氢转化装置，包括内衬耐火层且顶部一端开设有烟气出口的炉体、设于所述炉体顶部另一端的燃烧器及设于所述炉体内的炉管，所述炉管分为依次通过猪尾管连通的进气段、中间段及出气段三部分，所述进气段通过猪尾管延伸至所述炉体外设有进气口，所述中间段包含多根直立并列的转化管，所述出气段为转化气盘管、设于所述进气段内部且其上端通过猪尾管延伸至所述炉体外设有出气口。

进一步地，所述进气段为第一转化管，所述中间段共含有3根转化管，即第二转化管、第三转化管及第四转化管，所述第一转化管、第二转化管、第三转化管及第四转化管依次通过猪尾管首尾连通。

进一步地，所述第一转化管内设有中部套管及第一中心管，所述转化气盘管套装在所述中部套管外，所述第一中心管位于所述中部套管内、其下端通过猪尾管与所述转化气盘管下端连通；所述第二转化管、第三转化管及第四转化管内分别设有第二中心管、第三中心管及第四中心管，所述第一转化管上部通过猪尾管第一段与所述第二转化管上部连通，所述第二中心管上端通过猪尾管第二段与所述第三转化管上部连通，所述第三中心管上端通过猪尾管第三段与所述第四转化管上部连通，所述第四中心管上端通过猪尾管第四段与所述第一中心管上端连通。

进一步地，所述猪尾管第一段、第二段、第三段及第四段均位于所述炉体顶部的耐火层内。

进一步地，所述第一中心管、第二中心管、第三中心管及第四中心管分别与所述中部套管、第二转化管、第三转化管及第四转化管之间形成的环状间隙内填充有催化剂床层。

进一步地，四根所述的转化管距离所述燃烧器由近及远呈一字间隔排开，所述第一转化管离所述燃烧器最远，所述第二转化管离所述燃烧器最近，所述第三转化管及第四转化管位所述于第一转化管与第二转化管之间，且所述第四转化管位于所述第二转化管与第三转化管之间。

进一步地，相邻两根转化管之间的炉体上设有竖向的折流板，相邻的两个折流板错开布置、分别位于所述炉体内的顶部及底部。

进一步地，所述炉体顶部内侧设有烟气挡板，所述烟气挡板位于所述炉管一侧将所述炉体分为转化区和对流区，所述燃烧器及炉管位于所述转化区，所述对流区内从下至上设有多个并排的换热盘管，所述换热盘管位于所述烟气出口的正下方。

与现有技术相比，本实用新型提供的天然气制氢转化装置具有以下有益效果：

1、将炉管分为进气段、中间段及出气段三部分，且彼此之间采用猪尾管相互连接，成为一个独立的系统，在结构上可完全替代8～12m的“长”炉管，降低了炉体钢结构和炉体耐火层材料的用量，减小了转化装置体积和占地面积，节省了资源，从而降低了投资成本，提高了效益；

2、四根转化管距离燃烧器由近及远按2、4、3、1的顺序布置，使得他们能够获得不同的辐射热量，弥补了炉体内温度梯度的变化，保证了整个转化管内部的天然气制氢转化反应在温度相对稳定的状态下进行，从而保证了转化效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为转化管连接示意图。

附图标记说明如下：

1：炉体 11：烟气出口

12：折流板 13：烟气挡板

2：燃烧器 3：进气段

31：进气口 32：中部套管

33：第一中心管 4：中间段

5：出气段 51：出气口

6：第二中心管 7：第三中心管

8：第四中心管 9：催化剂床层

10：换热盘管。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1～图2所示，本实用新型提供了一种天然气制氢转化装置，包括内衬耐火层且顶部一端开设有烟气出口11的炉体1、设于炉体1顶部另一端的燃烧器2及设于炉体1内的炉管，炉管分为依次通过猪尾管连通的进气段3、中间段4及出气段5三部分，进气段3通过猪尾管延伸至炉体1外设有进气口31，中间段4包含多根直立并列的转化管，出气段5为转化气盘管、设于进气段3内部且其上端通过猪尾管延伸至炉体1外设有出气口51。

本实施例将一个通常意义上的“长”炉管(长度约为8～12m)设计为4个独立的“短”炉管(长度约为2～3m)，进气段3为第一转化管，中间段4共含有3根转化管，即第二转化管、第三转化管及第四转化管，第一转化管、第二转化管、第三转化管及第四转化管依次通过猪尾管首尾连通。四根转化管彼此之间采用猪尾管相互连接，成为一个独立的系统，在结构上可完全替代8～12m的“长”炉管，降低了炉体钢结构和炉体耐火层材料的用量，减小了转化装置体积和占地面积，节省了资源，从而降低了投资成本，提高了效益。

第一转化管、第二转化管、第三转化管及第四转化管均采用上支撑的形式支撑在炉体1的顶部，使炉管在高温状态下工作时可以自由地在炉体1内向下膨胀；它们的上端均设有绝热堵头，用于防止热量外泄。第一转化管内设有中部套管32及第一中心管33，转化气盘管套装在中部套管32外，第一中心管33位于中部套管32内、其下端通过猪尾管与转化气盘管下端连通；第二转化管、第三转化管及第四转化管内分别设有第二中心管6、第三中心管7及第四中心管8，如图2所示，第一转化管上部通过猪尾管第一段（即a-b段）与第二转化管上部连通，第二中心管6上端通过猪尾管第二段（即c-d段）与第三转化管上部连通，第三中心管7上端通过猪尾管第三段（即e-f段）与第四转化管上部连通，第四中心管8上端通过猪尾管第四段（即g-h段）与第一中心管33上端连通。猪尾管第一段、第二段、第三段及第四段均位于炉体1顶部的耐火层内。

上述的猪尾管由机械性能优良的Incoloy800H材料制得的钢管制成，由于这种钢管抗热变形能力强，柔韧性能好，通常又被称为“猪尾管”，采用多弯头的形式，可抵抗在高温的工作状态下材料的变形。

第一中心管33、第二中心管6、第三中心管7及第四中心管8分别与中部套管32、第二转化管、第三转化管及第四转化管之间形成的环状间隙内填充有催化剂床层9。

由于天然气蒸汽转化制氢反应为强吸热反应，随着原料气从进气口31进入炉管后在四根转化管内部催化剂床层9上反应的进行和深入，炉体1内的温度梯度呈现自进气段3、中间段4和出气段5依次降低的状态。为了使整个转化管内部的天然气制氢转化反应在温度相对稳定的状态下进行，所以要求这四根转化管获得的热量不同。为了实现这个目的，原料气按照一定次序依次进入各个转化管，根据这四根转化管设置在炉体1内位置的不同，受到辐射的热量不同最终实现了四根转化管获得的热量不同的目的。在本实施例中，如图2所示，四根转化管距离燃烧器2由近及远呈一字间隔排开，第一转化管离燃烧器2最远，第二转化管离燃烧器2最近，第三转化管及第四转化管位于第一转化管与第二转化管之间，且第四转化管位于第二转化管与第三转化管之间。

相邻两根转化管之间的炉体1上设有竖向的折流板12，相邻的两个折流板12错开布置、分别位于炉体1内的顶部及底部。折流板12可以引导燃烧器2产生的高温烟气依次通过每根转化管并对其进行热量辐射以满足原料气转化的温度要求。

炉体1顶部内侧设有烟气挡板13，烟气挡板13位于炉管一侧将炉体1分为转化区和对流区，燃烧器2及炉管位于转化区，对流区内从下至上设有多个并排的换热盘管10，换热盘管10位于烟气出口11的正下方。

本实用新型的工作原理如下：

以160Nm³/h小型天然气制氢装置为例，燃烧器2安装在炉体1的顶部，燃料气为部分原料天然气与PSA尾气的混合气体，为炉体1内的炉管提供反应所需的热量，动作时火焰长度小于0.5m。炉管根据炉体1内热场分布，分为共4根转化管，每根净受热长度为2～3m，距离燃烧器2由近及远依次布置第二转化管、第四转化管、第三转化管、第一转化管，原料气从进气口31进入第一转化管（即进气段3）内完成原料气预热及初步转化，原料气在中部套管32与第一转化管外壳形成的环状间隙内与转化气盘管（即出气段5）中的转化气进行换热，原料气温度预热到300～400℃，预热后的原料气从中部套管32下部进入第一转化管内部的催化剂床层9，完成第一阶段转化；完成第一阶段转化的转化气从b口进入第二转化管的催化剂床层9进行第二阶段的转化，完成第二阶段转化后的转化气在第二转化管底部汇集进入第二中心管6，由c口出，即完成第二阶段转化；完成第二阶段转化的转化气由c口进入d口，进入第三转化管，第三阶段转化与第二阶段基本相同，完成第三阶段转化后的转化气由e口离开第三转化管，通过f口进入第四转化管，完成第四阶段转化后的转化气经过g口回到第一转化管内的第一中心管33并进入转化气盘管（即出气段5）完成对原料气预热的工作后，通过出气口51离开转化装置，进入后续工段。燃烧器2产生的高温烟气（温度降至～180℃）对转化区提供热量后，依次通过对流区换热盘管10后从烟气出口11离开转化装置。

本实施例中，由于大大降低了整个炉管系统的高度（从8～12m降至2～3m），从而使炉体钢结构的用量降低了35％，炉体耐火层材料用量降低了43％，达到了有效降低转化装置体积、降低整个炉体占地面积及节省资源的目的，进而降低了投资成本，提高了效益。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种天然气制氢转化装置，包括内衬耐火层且顶部一端开设有烟气出口（11）的炉体（1）、设于所述炉体（1）顶部另一端的燃烧器（2）及设于所述炉体（1）内的炉管，其特征在于，所述炉管分为依次通过猪尾管连通的进气段（3）、中间段（4）及出气段（5）三部分，所述进气段（3）通过猪尾管延伸至所述炉体（1）外设有进气口（31），所述中间段（4）包含多根直立并列的转化管，所述出气段（5）为转化气盘管、设于所述进气段（3）内部且其上端通过猪尾管延伸至所述炉体（1）外设有出气口（51）。

2.根据权利要求1所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，所述进气段（3）为第一转化管，所述中间段（4）共含有3根转化管，即第二转化管、第三转化管及第四转化管，所述第一转化管、第二转化管、第三转化管及第四转化管依次通过猪尾管首尾连通。

3.根据权利要求2所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，所述第一转化管内设有中部套管（32）及第一中心管（33），所述转化气盘管套装在所述中部套管（32）外，所述第一中心管（33）位于所述中部套管（32）内、其下端通过猪尾管与所述转化气盘管下端连通；所述第二转化管、第三转化管及第四转化管内分别设有第二中心管（6）、第三中心管（7）及第四中心管（8），所述第一转化管上部通过猪尾管第一段与所述第二转化管上部连通，所述第二中心管（6）上端通过猪尾管第二段与所述第三转化管上部连通，所述第三中心管（7）上端通过猪尾管第三段与所述第四转化管上部连通，所述第四中心管（8）上端通过猪尾管第四段与所述第一中心管（33）上端连通。

4.根据权利要求3所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，所述猪尾管第一段、第二段、第三段及第四段均位于所述炉体（1）顶部的耐火层内。

5.根据权利要求3所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，所述第一中心管（33）、第二中心管（6）、第三中心管（7）及第四中心管（8）分别与所述中部套管（32）、第二转化管、第三转化管及第四转化管之间形成的环状间隙内填充有催化剂床层（9）。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，四根所述的转化管距离所述燃烧器（2）由近及远呈一字间隔排开，所述第一转化管离所述燃烧器（2）最远，所述第二转化管离所述燃烧器（2）最近，所述第三转化管及第四转化管位于所述第一转化管与第二转化管之间，且所述第四转化管位于所述第二转化管与第三转化管之间。

7.根据权利要求6所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，相邻两根转化管之间的炉体（1）上设有竖向的折流板（12），相邻的两个折流板（12）错开布置、分别位于所述炉体（1）内的顶部及底部。

8.根据权利要求1所述的天然气制氢转化装置，其特征在于，所述炉体（1）顶部内侧设有烟气挡板（13），所述烟气挡板（13）位于所述炉管一侧将所述炉体（1）分为转化区和对流区，所述燃烧器（2）及炉管位于所述转化区，所述对流区内从下至上设有多个并排的换热盘管（10），所述换热盘管（10）位于所述烟气出口（11）的正下方。

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