本發(fā)明屬于制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制氫轉(zhuǎn)化爐。

背景技術(shù)：

制氫轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的核心設(shè)備，決定了整個制氫裝置的性能，其投資占總投資的20%~25%，其能耗占裝置總能耗的30%~40%。目前，制氫轉(zhuǎn)化爐主要有頂燒型和側(cè)燒型兩種爐型，其中：

頂燒型制氫轉(zhuǎn)化爐燃燒器在爐頂，火焰向下燃燒，轉(zhuǎn)化爐管采用立管，雙面輻射，原料氣通過爐頂進口管系進入轉(zhuǎn)化爐管被加熱，并發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，形成的富氫高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過爐底出口管系進入蒸汽廢鍋產(chǎn)生蒸汽和進行其它換熱、變換流程。頂燒型轉(zhuǎn)化爐燃燒器火焰方向平行轉(zhuǎn)化管，燃燒區(qū)溫度場與轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需溫度場匹配度較好，操作彈性大，但該型轉(zhuǎn)化爐存在以下缺點：頂部管系較為復(fù)雜，且多排燃燒器布置在爐頂，對流段只能布置在地面上，增加了占地面積；為了得到較高的轉(zhuǎn)化率，一般采取提高轉(zhuǎn)化氣出口溫度（850℃~900℃），高的出口溫度的余熱會產(chǎn)生大量的蒸汽，所產(chǎn)蒸汽一般超過裝置所需蒸汽，外輸?shù)恼羝焚|(zhì)較差，成本較高，性價比低；轉(zhuǎn)化氣出口溫度高，增加了出口管系的設(shè)計難度和建設(shè)投資，大型化后長周期運行很難保證。

側(cè)燒型制氫轉(zhuǎn)化爐燃燒器火焰方向與爐管垂直，對流段布置在輻射的上部側(cè)面，原料氣一般也從上部進入，經(jīng)轉(zhuǎn)化管加熱并發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)。側(cè)燒型轉(zhuǎn)化爐對流段在爐頂，占地面積相對較小，爐管軸向受熱均勻，熱強度較高，爐管投資較小，但該型轉(zhuǎn)化爐同樣存在產(chǎn)蒸汽過多、轉(zhuǎn)化氣出口溫度高的問題，且燃燒器數(shù)量多導(dǎo)致所需投資大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時該型轉(zhuǎn)化爐每個輻射爐膛中僅布置兩只排爐管，產(chǎn)量和規(guī)模受到限制。

通常的制氫轉(zhuǎn)化爐對流段煙氣余熱回收通過預(yù)熱原料氣、產(chǎn)生蒸汽和預(yù)熱助燃空氣來實現(xiàn)，這些余熱回收方案存在低品質(zhì)蒸汽產(chǎn)量大和燃料氣利用效率低的問題。

另外，制氫轉(zhuǎn)化爐燃料通常為量大且熱值低的脫附氣和補充燃料氣，補充燃料氣中含有含氮化合物、氨鹽類物質(zhì)、硫化氫、有機硫及c5以上重質(zhì)烴類物質(zhì)，這些物質(zhì)在燃燒過程可以生成氮氧化物、硫化物及不完全燃燒的碳顆粒，造成氮氧化物、硫化物及顆粒物超標。同時，由于燃料氣中這些物質(zhì)的存在，還會使煙氣的酸露點溫度提高，在余熱回收低溫空氣預(yù)熱段發(fā)生低溫露點腐蝕，造成設(shè)備堵塞，影響裝置正常運行。為保證裝置長周期穩(wěn)定運行，目前采取提高制氫轉(zhuǎn)化爐排煙溫度的方式，一般排煙溫度設(shè)置在150℃以上，熱效率低，造成了燃料氣浪費，進一步增加了運行成本。

為此，需要開發(fā)一種操作彈性大、投資小、節(jié)能、環(huán)保、能保證長周期穩(wěn)定運行的制氫轉(zhuǎn)化爐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的制氫轉(zhuǎn)化爐的不足，提供一種具有高轉(zhuǎn)化溫度、低出口溫度結(jié)構(gòu)的低能耗制氫轉(zhuǎn)化爐，該轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)緊湊、操作彈性大且投資更小。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種制氫轉(zhuǎn)化爐，包括帶襯里殼體、轉(zhuǎn)化爐管、余熱回收系統(tǒng)和燃燒器，所述轉(zhuǎn)化爐管立式布置于所述帶襯里殼體圍成的爐體內(nèi)；爐體內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M入所述余熱回收系統(tǒng)進行余熱回收，原料氣和空氣進入爐體內(nèi)前均在所述余熱回收系統(tǒng)中進行預(yù)熱；所述燃燒器布置于爐底；其中，所述轉(zhuǎn)化爐管為內(nèi)管與外管組成的套管；所述內(nèi)管與外管之間的環(huán)隙中裝有轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的催化劑；轉(zhuǎn)化爐管的底部開有連通環(huán)隙的進口，供原料氣通入；內(nèi)管開有出口，供富氫轉(zhuǎn)化氣排出。

優(yōu)選地，所述燃燒器火焰向上，分布在轉(zhuǎn)化爐管兩側(cè)。

優(yōu)選地，所述內(nèi)管中裝有強化傳熱的填充物，所述填充物為具有導(dǎo)熱性能金屬或非金屬。

優(yōu)選地，所述余熱回收系統(tǒng)包括原料氣預(yù)熱器、蒸汽過熱段、蒸發(fā)段和空氣預(yù)熱段；作為進一步改進，所述原料氣預(yù)熱器由轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段和預(yù)轉(zhuǎn)化原料預(yù)熱段組成；余熱回收系統(tǒng)中的所述空氣預(yù)熱段通常為一段式結(jié)構(gòu)，作為改進，空氣預(yù)熱段使用兩段式結(jié)構(gòu)，由低溫空氣預(yù)熱段和高溫空氣預(yù)熱段組成，通入的空氣依次所述低溫空氣預(yù)熱段和高溫空氣預(yù)熱段實現(xiàn)分級加熱；作為另一改進，所述空氣預(yù)熱段使用三段式結(jié)構(gòu)，由空氣進口預(yù)熱段、低溫空氣預(yù)熱段和高溫空氣預(yù)熱段組成，所述空氣進口預(yù)熱段設(shè)置于空氣進口處。

優(yōu)選地，所述制氫轉(zhuǎn)化爐使用脫附氣和/或補充燃料氣作為燃料氣。

當燃料氣為脫附氣和/或補充燃料氣時，作為余熱回收系統(tǒng)的進一步改進，在所述余熱回收系統(tǒng)還包括脫附氣預(yù)熱段和補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)；脫附氣通入所述脫附氣預(yù)熱段中進行預(yù)熱處理，補充燃料氣通入所述補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)進行預(yù)熱和精處理。所述補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)包括一套余熱系統(tǒng)和固定床反應(yīng)器系統(tǒng)，預(yù)熱系統(tǒng)進行燃料氣的預(yù)熱，反應(yīng)器系統(tǒng)通過多種催化劑的復(fù)合作用可以將燃料氣中的含氮化合物、氨鹽類物質(zhì)、硫化氫、有機硫及c5以上重質(zhì)烴類物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化和吸收精處理。

作為前述余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與布局的改進，可將所述余熱回收系統(tǒng)各組件全部或部分布置在轉(zhuǎn)化爐的上部，以減少占地面積。

本發(fā)明制氫轉(zhuǎn)化爐具有以下優(yōu)點：

1．該轉(zhuǎn)化爐通過套管式結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)化爐管環(huán)隙內(nèi)的原料氣受外部煙氣的高溫輻射熱和內(nèi)管轉(zhuǎn)化氣的雙面加熱，確保高的轉(zhuǎn)化溫度，高轉(zhuǎn)化率，同時由于轉(zhuǎn)化氣與原料氣的換熱作用又降低了出口溫度，使得出口管系更安全、更可靠；

2．通過富氫轉(zhuǎn)化氣與原料氣換熱，減少輻射室熱負荷10~20%，減少燃料消耗，富氫轉(zhuǎn)化氣出口溫度降低100℃~200℃，減少蒸汽外輸量；

3．利用余熱回收系統(tǒng)對燃料氣和空氣雙預(yù)熱，可以實現(xiàn)低過剩空氣系數(shù)下完全燃燒，減少煙氣量和排煙損失，進一步提高加熱爐熱效率，排煙溫度低至90℃以下，熱效率超過95%；

4．燃料氣經(jīng)過復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)精處理，可以進一步降低氮氧化物20%，減少硫化物90%，減少顆粒物30%；同時，可以解決低溫設(shè)備的露點腐蝕問題。

5．該轉(zhuǎn)化爐可以通過調(diào)節(jié)燃燒器負荷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化爐熱負荷，適應(yīng)用氫量的變化，操作彈性大；

6．該轉(zhuǎn)化爐余熱回收系統(tǒng)組件全部或部分布置在轉(zhuǎn)化爐的上部，可減少占地面積，使轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)更緊湊，同時減少了工藝管線投資；

7．由于富氫轉(zhuǎn)化氣出口溫度降低，可降低出口管系材質(zhì)要求，減少建設(shè)投資，同時，由于轉(zhuǎn)化爐負荷降低，煙氣量減少，煙氣余熱減少，余熱回收系統(tǒng)設(shè)備投資減少。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制氫轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例1制氫轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化爐管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例2制氫轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：

1：帶襯里殼體；2：轉(zhuǎn)化爐管；21：進口；22：出口；23：內(nèi)管；24：外管；25：轉(zhuǎn)化反應(yīng)催化劑；3：余熱回收系統(tǒng)；31：轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段；32：預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段；33：蒸汽過熱段；34：空氣預(yù)熱段；35：蒸發(fā)段；36：脫附氣預(yù)熱段；37：補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)；38：引風(fēng)機；39：鼓風(fēng)機；4：燃燒器。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明做進一步說明，以便更好地理解本發(fā)明。

實施例1

以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明做進一步說明，以便更好地理解本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明制氫轉(zhuǎn)化爐主要包括：帶襯里殼體1，轉(zhuǎn)化爐管2，余熱回收系統(tǒng)3和燃燒器4四個主要部分，其中：

轉(zhuǎn)化爐管2采用立式布置，轉(zhuǎn)化爐管2為套管結(jié)構(gòu)，由內(nèi)管23與外管24組成，內(nèi)管23與外管24環(huán)隙空間裝有轉(zhuǎn)化反應(yīng)的催化劑25，具體結(jié)構(gòu)如圖2。工作時，原料氣以400℃～650℃的溫度從轉(zhuǎn)化爐底部進口21進入轉(zhuǎn)化爐管2的環(huán)隙中，高溫?zé)煔馔ㄟ^外管24的管壁將熱量傳給原料氣，原料氣被加熱并通過與催化劑25接觸發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫富氫轉(zhuǎn)化氣再通過內(nèi)管23從出口22排出轉(zhuǎn)化爐管2；高溫富氫轉(zhuǎn)化氣在內(nèi)管23流動過程中，通過內(nèi)管23的管壁與轉(zhuǎn)化爐管2的環(huán)隙中發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)的原料氣進行熱交換，原料氣被加熱的同時富氫轉(zhuǎn)化氣被冷卻，富氫轉(zhuǎn)化氣在排出轉(zhuǎn)化爐管2后溫度為500℃～820℃。該轉(zhuǎn)化爐管2結(jié)構(gòu)設(shè)計使得進入環(huán)隙的原料氣受到外部高溫?zé)煔夂蛢?nèi)部富氫轉(zhuǎn)化氣的雙重加熱作用，會迅速達到發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度而發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，提升了轉(zhuǎn)化爐管2和催化劑25的利用效率，另外該套管結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)化氣溫度更均勻，避免了常規(guī)轉(zhuǎn)化管中心轉(zhuǎn)化氣溫度較低，解決了轉(zhuǎn)化反應(yīng)慢的問題。富氫轉(zhuǎn)化氣將其一部分顯熱傳遞給原料氣，可以降低煙氣側(cè)熱負荷，減少燃料消耗；富氫轉(zhuǎn)化氣自身溫度降低，顯熱減少，降低了后續(xù)換熱設(shè)備負荷，并減少低品質(zhì)蒸汽外輸20%~25%，提高整個裝置能量利用效率；富氫轉(zhuǎn)化氣在出口處的溫度較低，可以降低出口管系的材料等級，減少建設(shè)投資，也降低了出口管系的設(shè)計難度。作為一種更佳的實施方式，在轉(zhuǎn)化爐管2的內(nèi)管23中裝入強化傳熱的填充物，該填充物可以為具有導(dǎo)熱性能金屬或非金屬，通過該填充物可強化富氫轉(zhuǎn)化氣與環(huán)隙中原料氣的換熱效果。

余熱回收系統(tǒng)3主要由原料氣預(yù)熱器、蒸汽過熱段33、空氣預(yù)熱段34、蒸發(fā)段35組成，其中，原料氣預(yù)熱器由轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段31和預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段32組成；空氣預(yù)熱段34為兩段式結(jié)構(gòu)，分別為高溫空氣預(yù)熱段和低溫空氣預(yù)熱段，在煙氣通路中分別設(shè)置于蒸發(fā)段35進出兩端；此外，余熱回收系統(tǒng)3還包括引風(fēng)機38、鼓風(fēng)機39、煙風(fēng)道及煙囪等常規(guī)設(shè)備，本實施例中設(shè)置了1臺引風(fēng)機和1臺鼓風(fēng)機，根據(jù)需要也可將引風(fēng)機和鼓風(fēng)機各設(shè)置2臺，使用2臺時采用一開一備或兩開不備的工作方式。從爐體內(nèi)的輻射室排出的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過原料氣預(yù)熱器31、預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段32、過熱蒸汽預(yù)熱段33、空氣預(yù)熱段34、高溫空氣預(yù)熱段、蒸發(fā)段35和低溫空氣預(yù)熱段，通過與相應(yīng)冷介質(zhì)換熱，其溫度被降至140℃以下，通過引風(fēng)機38排入煙囪排出，使轉(zhuǎn)化爐的熱效率在92%以上；經(jīng)鼓風(fēng)機39輸入的空氣先后經(jīng)過低溫空氣預(yù)熱段和高溫空氣預(yù)熱完成預(yù)熱。為了使轉(zhuǎn)化爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少占地面積，將原料氣預(yù)熱器31、預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段32、過熱蒸汽預(yù)熱段33布置在輻射室頂部，其余各段和煙囪、引風(fēng)機38、鼓風(fēng)機39布置在轉(zhuǎn)化爐旁。本轉(zhuǎn)化爐主要通過原料氣和空氣對煙氣余熱進行回收，減少蒸汽產(chǎn)量8~10%，減少燃料消耗2%~3%。

燃燒器4布置于爐體底部，分布在轉(zhuǎn)化爐管2兩側(cè)，其火焰方向向上，因爐內(nèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)在進口處較慢，需熱量較小，在上部反應(yīng)劇烈，而向上的火焰根部溫度較低，上部溫度較高，火焰溫度分布與轉(zhuǎn)化反應(yīng)需熱量相匹配；燃燒器4可調(diào)整負荷以匹配轉(zhuǎn)化爐熱負荷要求，提高了轉(zhuǎn)化爐的操作彈性。

實施例2

本實施例制氫轉(zhuǎn)化爐包括帶襯里殼體、轉(zhuǎn)化爐管2、余熱回收系統(tǒng)3和燃燒器4四個主要部分，燃料氣使用脫附氣和補充燃料氣。制氫轉(zhuǎn)化爐具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：

轉(zhuǎn)化爐管2結(jié)構(gòu)與布置方式與實施例1中的轉(zhuǎn)化爐管相同；

余熱回收系統(tǒng)3的組件與實施例1相比增設(shè)了脫附氣預(yù)熱段36和補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)37；空氣預(yù)熱段34為三段式結(jié)構(gòu)，分別為高溫空氣預(yù)熱段、低溫空氣預(yù)熱段和空氣進口預(yù)熱段。

如圖3，從輻射室來的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段31、預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段32、過熱蒸汽預(yù)熱段33和高溫空氣預(yù)熱段和蒸發(fā)段35，再分三路分別經(jīng)過脫附氣預(yù)熱段36、補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)37和低溫空氣預(yù)熱段，之后再會合通過空氣進口預(yù)熱段，最后低溫?zé)煔庥蔁焽枧懦?。初始的來自輻射室的高溫?zé)煔馔ㄟ^與相應(yīng)冷介質(zhì)換熱，其溫度被降至100℃以下，轉(zhuǎn)化爐的熱效率達到95%以上；通入的補充燃料氣通過補充燃料氣復(fù)合阻蝕劑系統(tǒng)37進行預(yù)熱和精處理，使其含氮化合物和氨鹽類物質(zhì)之和降至20ppm以下，總硫含量在10ppm以下，c5重質(zhì)烴類含量降至10ppm以下，確保余熱回收系統(tǒng)低溫設(shè)備不會發(fā)生露點腐蝕，同時可以實現(xiàn)二氧化硫的近零排放，氮氧化物和顆粒物的超低排放；另外，將引風(fēng)機38布置在空氣預(yù)熱段34最末端的空氣進口預(yù)熱段之前，避免含冷凝水的低溫?zé)煔馀c引風(fēng)機38接觸，確保引風(fēng)機38長周期穩(wěn)定運行。為了使轉(zhuǎn)化爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少占地面積，將原料氣預(yù)熱器31、預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣預(yù)熱段32和過熱蒸汽預(yù)熱段33布置在輻射室頂部，其余各段、煙囪、引風(fēng)機38和鼓風(fēng)機39布置在轉(zhuǎn)化爐旁。本轉(zhuǎn)化爐主要是通過原料氣、空氣和燃料氣對煙氣余熱進行回收，減少蒸汽產(chǎn)量10~15%，減少燃料消耗3%~5%。

本實施例的燃燒器4與實施例1中結(jié)構(gòu)基本相同，但通入燃燒器4的空氣和燃料氣均經(jīng)過預(yù)熱，提高了燃料燃燒的活化能，可以在過?？諝庀禂?shù)為1.05~1.1（常規(guī)的燃燒器設(shè)計過剩空氣系數(shù)為1.15）下完全燃燒，可以減少5%~10%的排煙損失，進一步提高加熱爐熱效率。

應(yīng)理解，上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于供本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并非具體實施方式的窮舉，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。