本發(fā)明涉及煤氣化工藝變換工段等領(lǐng)域的高溫、高壓場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

在化工、石化等行業(yè)中，高溫、高壓、大直徑的反應(yīng)器使用日漸廣泛。在化工領(lǐng)域的煤氣化變換工段，變換爐是核心設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)粗煤氣到變換合成氣的氣體變換，同時(shí)解決熱量平衡問題，經(jīng)常需要原料氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器配合變換爐實(shí)現(xiàn)其核心功能。工程實(shí)際中，這三臺(tái)設(shè)備壓力、溫度均高，設(shè)計(jì)條件苛刻，制造要求很高，在投資與操作方面都占據(jù)了變換工段中較大的份額，且傳統(tǒng)變換爐本身催化劑容易局部過熱，因此如何解決此問題就顯得非常重要。

基于此，筆者使用了此新型爐式反應(yīng)器，該結(jié)構(gòu)能將三臺(tái)設(shè)備縮減為一臺(tái)設(shè)備，在高壓、高溫工況下僅有一個(gè)承壓外殼存在，減少了厚壁、大直徑設(shè)備外殼的數(shù)量。此結(jié)構(gòu)解決了超溫問題，解決了能源消耗與投資過大的問題，從設(shè)備布置來說也縮減了裝置用地?？捎糜诟邷亍⒏邏?，需要通過催化劑實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)置原料預(yù)熱及蒸汽過熱裝置的新型爐式反應(yīng)器，其主要用于變換工段，能夠確保實(shí)現(xiàn)熱量交換與變換反應(yīng)，反應(yīng)熱可控，流程被縮短，減少了能源消耗，安全可靠。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種內(nèi)置原料預(yù)熱及蒸汽過熱裝置的新型爐式反應(yīng)器，包括粗煤氣進(jìn)口、催化劑床層、催化劑內(nèi)筒、壓力外殼、催化劑外筒、換熱管束和內(nèi)封頭，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)置蒸汽過熱器，蒸汽過熱器的外殼就是反應(yīng)器的催化劑內(nèi)筒，在反應(yīng)器催化劑外筒側(cè)壁環(huán)形分布若干小孔，在催化劑床層上設(shè)有環(huán)狀格柵；在催化劑外筒上部側(cè)壁面設(shè)有開孔壁a區(qū)，在催化劑內(nèi)筒下部側(cè)壁面設(shè)有開孔壁b區(qū)，緊鄰開孔壁b區(qū)的正上方設(shè)有筒體開孔壁c區(qū)；在催化劑外筒側(cè)壁從開孔壁a區(qū)正下方起至催化劑床層下段止，沿圓周方向設(shè)置若干個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)好的高效導(dǎo)熱棒；在換熱管束上設(shè)有由圓盤-圓環(huán)形板組成的環(huán)形折流板；由催化劑外筒與壓力外殼圍成一個(gè)環(huán)形通道，由催化劑外筒與催化劑內(nèi)筒圍成一個(gè)填裝催化劑的通道；由催化劑內(nèi)筒與換熱管束圍成內(nèi)置換熱器的殼程，通過內(nèi)部多通道布置實(shí)現(xiàn)氣體流道的上下翻轉(zhuǎn)。

其中，開孔壁b區(qū)開孔間距小，開孔數(shù)目多，開孔位置較低，實(shí)現(xiàn)變換氣的軸向流動(dòng)。

其中，于開孔壁c區(qū)開孔間距較大，開孔數(shù)目較少，開孔位置較高，實(shí)現(xiàn)變換氣的徑向流動(dòng)。

其中，開孔壁a區(qū)在催化劑外筒上部側(cè)壁面開孔，與環(huán)狀格柵一同實(shí)現(xiàn)粗煤氣的軸、徑向流動(dòng)。

其中，催化劑床層的氣體分布是軸徑向的，使得催化劑床層上覆蓋的催化劑直徑小。

其中，粗煤氣從反應(yīng)器底部粗煤氣進(jìn)口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)入到由催化劑外筒與催化劑內(nèi)筒及內(nèi)封頭圍成的密閉空間內(nèi)，密閉空間內(nèi)的粗煤氣經(jīng)由環(huán)形分布的若干小孔進(jìn)入催化劑外筒與壓力外殼間形成的環(huán)形通道；氣體上升至殼體上部后，通過環(huán)狀格柵進(jìn)入催化劑床層，反應(yīng)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，反應(yīng)熱由若干高效導(dǎo)熱棒從催化劑外筒傳導(dǎo)至冷粗煤氣側(cè)，預(yù)熱了環(huán)形通道內(nèi)的冷粗煤氣，實(shí)現(xiàn)了原料氣預(yù)熱器的功能；少量的粗煤氣流體在催化劑外筒上側(cè)壁面的開孔壁a區(qū)進(jìn)入催化劑床層，與環(huán)狀格柵一同實(shí)現(xiàn)流體的軸、徑向流動(dòng)；經(jīng)過預(yù)熱的粗煤氣經(jīng)由環(huán)狀格柵和開孔壁a區(qū)進(jìn)入催化劑外筒與催化劑內(nèi)筒圍成的填裝催化劑的通道，實(shí)現(xiàn)變換爐的氣體變換功能；經(jīng)過氣體變換的粗煤氣轉(zhuǎn)化為變換氣，部分變換氣經(jīng)由開孔壁b區(qū)進(jìn)入到內(nèi)置換熱器的殼程實(shí)現(xiàn)軸向流動(dòng)，其余變換氣通過緊鄰開孔壁b區(qū)正上方的筒體開孔壁c區(qū)徑向進(jìn)入內(nèi)置換熱器的殼程；由開孔壁b區(qū)和開孔壁c區(qū)兩開孔區(qū)進(jìn)入的變換氣互相混合，流入由催化劑內(nèi)筒與換熱管束圍成的內(nèi)置換熱器殼程，經(jīng)由環(huán)形折流板與上進(jìn)下出的管內(nèi)蒸汽完成逆流換熱，最終實(shí)現(xiàn)蒸汽過熱器的功能。

本發(fā)明提供的新型爐式反應(yīng)器，通過在內(nèi)部設(shè)置多腔體實(shí)現(xiàn)氣體流道的上下翻轉(zhuǎn)，通過在腔體側(cè)壁開設(shè)打孔壁的方式實(shí)現(xiàn)氣體引流，通過在催化劑外筒側(cè)壁設(shè)置若干導(dǎo)熱系數(shù)絕佳的導(dǎo)熱棒將催化劑床層的反應(yīng)熱傳導(dǎo)至粗煤氣實(shí)現(xiàn)粗煤氣預(yù)熱，少量的粗煤氣流體在催化劑外筒上段打孔壁面進(jìn)入催化劑床層，實(shí)現(xiàn)了流體的軸、徑向流動(dòng)。在催化劑作用下變換反應(yīng)后的氣體分成兩股，各自通過不同高度的打孔壁軸、徑向流入內(nèi)置換熱器的殼側(cè)，與管側(cè)的蒸汽進(jìn)行熱量交換，最終實(shí)現(xiàn)蒸汽被加熱，變換氣被冷卻的功能。

本發(fā)明反應(yīng)器內(nèi)置蒸汽過熱器，蒸汽過熱器的壓力外殼就是反應(yīng)器的催化劑內(nèi)筒體，壓力低，壁厚薄，在高壓、高溫工況下僅有一個(gè)承壓外殼存在，減少了厚壁、大直徑設(shè)備外殼的數(shù)量。

本發(fā)明提供的新型爐式反應(yīng)器，氣體處于軸、徑向流動(dòng)且采用了若干高效導(dǎo)熱棒及時(shí)將熱量傳導(dǎo)至冷粗煤氣側(cè)，代替了傳統(tǒng)的原料氣預(yù)熱器對(duì)粗煤氣進(jìn)行預(yù)熱，減少了高壓承壓外殼的使用，可以解決催化劑局部超溫現(xiàn)象。因?yàn)檩S、徑向流動(dòng)的氣體一部分從外向內(nèi)流動(dòng)，反應(yīng)器殼體處于相對(duì)低溫運(yùn)行，同時(shí)高效導(dǎo)熱棒的采用也及時(shí)將熱量傳導(dǎo)至冷粗煤氣側(cè)，解決了局部超溫現(xiàn)場(chǎng)，因此更加安全可靠。此設(shè)備的采用致使變換主流程縮短，設(shè)備及管線數(shù)量變少，縮減了投資經(jīng)費(fèi)，減少了布置占地，易于操作，易于維修更換。

本發(fā)明提供的新型爐式反應(yīng)器，能將三臺(tái)設(shè)備縮減為一臺(tái)設(shè)備，在高壓、高溫工況下僅有一個(gè)承壓外殼存在，減少了厚壁、大直徑設(shè)備外殼的數(shù)量。此結(jié)構(gòu)解決了超溫問題，解決了能源消耗與投資過大的問題，從設(shè)備布置來說也縮減了裝置用地?？捎糜诟邷?、高壓，需要通過催化劑實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)合。

附圖說明

圖1-1是傳統(tǒng)軸向變換爐工作原理圖。

圖1-2是新型爐式反應(yīng)器工作原理圖。

圖2-1是傳統(tǒng)軸向變換爐主流程圖。

圖2-2是新型爐式反應(yīng)器主流程圖。

圖3是新型爐式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)號(hào)：粗煤氣進(jìn)口-1、變換氣出口-2、環(huán)形分布的若干小孔-3、高效導(dǎo)熱棒-4、催化劑床層-5、開孔壁b區(qū)-6、催化劑內(nèi)筒-7、蒸汽進(jìn)口-8、過熱蒸汽出口-9、卸料口-10、人孔-11、開孔壁c區(qū)-12、環(huán)狀格柵-13、壓力外殼-14、催化劑外筒-15、開孔壁a區(qū)-16、環(huán)形折流板-17、換熱管束-18、內(nèi)封頭-19。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容。

如圖3所示，粗煤氣從反應(yīng)器底部粗煤氣進(jìn)口(1)通過底部封頭進(jìn)入設(shè)備，氣體通過環(huán)形分布的若干小孔(3)進(jìn)入催化劑外筒(15)與壓力外殼(14)間的環(huán)形流道，氣體上升至殼體上部后，通過環(huán)狀格柵(13)進(jìn)入催化劑床層(5)，反應(yīng)產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，反應(yīng)熱由若干高效導(dǎo)熱棒(4)從催化劑外筒(15)傳導(dǎo)至粗煤氣側(cè)，起到了預(yù)熱粗煤氣的作用。少量的粗煤氣流體在催化劑外筒(15)上側(cè)壁面的開孔壁a區(qū)(16)進(jìn)入催化劑床層(5)，與環(huán)狀格柵(13)一同實(shí)現(xiàn)流體的軸、徑向流動(dòng)。粗煤氣穿過催化劑床層(5)后成為變換氣，變換氣后經(jīng)開孔壁b區(qū)(6)進(jìn)入催化劑內(nèi)筒(7)也就是換熱管束(18)的殼程實(shí)現(xiàn)軸向流動(dòng)，此開孔壁b區(qū)(6)開孔間距小，開孔數(shù)目多。緊鄰(6)的正上方筒體設(shè)置開孔壁c區(qū)(12)，此段變換氣通過徑向進(jìn)入換熱管束(18)的殼程，此開孔壁c區(qū)(12)開孔間距較大，開孔數(shù)目較少，兩開孔區(qū)的變換氣混合，經(jīng)圓盤-圓環(huán)形板組成的環(huán)形折流板(17)折流，與管內(nèi)上進(jìn)下出的蒸汽實(shí)現(xiàn)逆流換熱。

蒸汽進(jìn)口(8)位于內(nèi)置換熱器的上管箱，蒸汽經(jīng)由換熱管束(18)內(nèi)部被加熱成為過熱蒸汽，由過熱蒸汽出口(9)送至系統(tǒng)管線，與殼側(cè)的變換氣實(shí)現(xiàn)換熱，最終變換氣由變換氣出口(2)送至系統(tǒng)管線，頂部人孔(11)實(shí)現(xiàn)內(nèi)置換熱管束(18)的裝卸，下封頭卸料口(10)用來卸內(nèi)部填料。此設(shè)備通過打孔壁的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了流體的軸、徑向流動(dòng)，通過內(nèi)置換熱管束(18)實(shí)現(xiàn)了蒸汽過熱器的功能，通過高效導(dǎo)熱棒實(shí)現(xiàn)了粗煤氣原料預(yù)熱功能，是一爐多能的高效率設(shè)備。

在設(shè)備催化劑外筒(15)側(cè)壁(從開孔壁a區(qū)(16)下方起至催化劑床層(5)下段止)沿圓周方向，設(shè)置若干個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)好的導(dǎo)熱棒(4)，將內(nèi)部反應(yīng)熱傳導(dǎo)至冷粗煤氣氣體側(cè)，用以加熱粗煤氣。此處的高效導(dǎo)熱棒(4)相當(dāng)于傳統(tǒng)原料氣預(yù)熱器的換熱管，此處實(shí)現(xiàn)了換熱功能，又不需另外設(shè)置換熱管。

此處的壓力外殼(14)相當(dāng)于原流程中的原料氣預(yù)熱器的壓力外殼，同時(shí)它又是反應(yīng)器的外殼體(相當(dāng)于原流程中的變換爐外殼)，此結(jié)構(gòu)的使用使得高溫高壓下的壓力外殼減少一個(gè)，合二為一。

環(huán)形分布的若干小孔(3)設(shè)置在催化劑外筒(15)側(cè)壁下段，沿圓周方向均勻分布。粗煤氣由粗煤氣進(jìn)口(1)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)入到由催化劑外筒(15)與催化劑內(nèi)筒(7)及內(nèi)封頭(19)圍成的密閉空間內(nèi)。這時(shí)，沿圓周方向均勻開設(shè)的若干小孔(3)就起到了導(dǎo)流與氣體分布的作用，粗煤氣經(jīng)過若干小孔后，進(jìn)入環(huán)形通道，實(shí)現(xiàn)軸對(duì)稱的均勻流動(dòng)。

環(huán)形通道中的大量粗煤氣經(jīng)過環(huán)狀格柵(13)以軸向方向進(jìn)入催化劑床層(5)，之所以在催化劑外筒(15)側(cè)壁的上段設(shè)置開孔壁a區(qū)(16)就是為了讓少量的粗煤氣經(jīng)過開孔壁以徑向的方式進(jìn)入催化劑床層(5)。開孔壁a區(qū)的設(shè)置使得反應(yīng)器上段的粗煤氣氣體實(shí)現(xiàn)了軸向和徑向流動(dòng)，最終所需的催化劑直徑也較小。之所以僅僅在內(nèi)殼體的上部設(shè)置一段開孔壁a區(qū)(16)，是為了使粗煤氣在環(huán)形通道內(nèi)多停留一段時(shí)間，以便被高效導(dǎo)熱棒(4)充分加熱，提高進(jìn)入催化劑床層(5)的粗煤氣溫度，假設(shè)將催化劑外筒(15)側(cè)壁大范圍打孔，則無法實(shí)現(xiàn)粗煤氣的充分預(yù)熱。基于此，將開孔壁a區(qū)(16)設(shè)置在上段既可以實(shí)現(xiàn)粗煤氣被預(yù)熱的目的，又可以實(shí)現(xiàn)部分氣體的徑向流動(dòng)，可謂是一舉兩得。

在催化劑作用下變換反應(yīng)后，粗煤氣轉(zhuǎn)化為變換氣。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流與分布的功能，在催化劑內(nèi)筒(7)側(cè)壁下段，也就是催化劑床層(5)的下段設(shè)置兩段開孔密度不同，開孔高度不同的開孔壁。在最下段設(shè)置開孔壁b區(qū)(6)，此處開孔間距小，開孔數(shù)目多，大量變換氣進(jìn)入催化劑內(nèi)筒(7)，也就是進(jìn)入換熱管束(18)的殼程實(shí)現(xiàn)軸向流動(dòng)。緊鄰其正上方的催化劑內(nèi)筒(7)側(cè)壁設(shè)置開孔壁c區(qū)(12)，此處開孔間距較大，開孔數(shù)目較少，少量變換氣通過徑向方向進(jìn)入換熱管束(18)的殼程，由兩開孔區(qū)分別流入的變換氣在換熱管束(18)的殼程內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了軸、徑向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了均勻分布。之所以僅僅在催化劑內(nèi)筒(7)的下段設(shè)置開孔壁b區(qū)(6)和開孔壁c區(qū)(12)，是為了進(jìn)入催化劑床層(5)的粗煤氣幾乎能夠全部通過催化劑床層，較好實(shí)現(xiàn)粗煤氣到變換氣的反應(yīng)過程。假設(shè)將開孔壁設(shè)置在催化劑內(nèi)筒(7)殼體的全段，則無法保證粗煤氣到變換氣的充分轉(zhuǎn)換。如前文所述，之所以設(shè)置開孔密度不同，高度不同的兩段開孔壁，其實(shí)也是為了實(shí)現(xiàn)氣體的軸、徑向流動(dòng)。不同的是，此處是將變換氣導(dǎo)流至催化劑內(nèi)筒(7)實(shí)現(xiàn)軸、徑向流動(dòng)，而開孔壁a區(qū)(16)的設(shè)置是為了將粗煤氣導(dǎo)流至催化劑床層實(shí)現(xiàn)軸、徑向流動(dòng)。

環(huán)狀格柵(13)的設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)氣體分布，同時(shí)對(duì)催化劑起到限位作用。

環(huán)形折流板(17)是由圓盤-圓環(huán)形板組成。因?yàn)殚_孔壁b區(qū)(6)和開孔壁c區(qū)(12)是沿圓周設(shè)置，變換氣得以均勻進(jìn)入換熱器殼程，使用環(huán)形折流板(17)就是為了使催化劑床層(5)內(nèi)的變換氣始終保持軸對(duì)稱的均勻流動(dòng)，始終不會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

內(nèi)封頭(19)是由催化劑內(nèi)筒(7)與催化劑外筒(15)支撐。

如圖1-2所示，粗煤氣先是通過環(huán)形分布的若干小孔(3)進(jìn)入環(huán)形流道后，氣體為軸向流向，氣體分別從頂部和開孔壁a區(qū)(16)進(jìn)入催化劑床層(5)，成功實(shí)現(xiàn)了軸、徑向流動(dòng)。

如圖2-2所示，新型爐式反應(yīng)器的采用大大縮短了變換主流程，起到了明顯的優(yōu)化作用。

需要說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行同等替換。

凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。