一种列管式分段可控半等温变换炉
技术领域
本发明涉及一种列管式分段可控半等温变换炉。
背景技术
我国是一个煤炭资源丰富，石油资源相对缺乏的国家，进入21世纪以来，我国煤化工进入快速发展阶段。煤炭气化是对煤炭进行化学加工的一个重要方法，是实现煤炭洁净利用的关键。
CO变换工序是现代煤化工技术中不可或缺的一环，承担着承上启下的作用。CO变换的目的是调整合成气中H2和CO浓度，满足下游用户的需求。根据CO反应为强放热反应的特性，目前通常有以下几种型式的反应器：
(1)轴向反应器。轴向反应器的内部装满催化剂，变换气从轴向通过催化剂床层，进行绝热变换反应。该反应器的特点是结构简单，催化剂装填量大。但由于全部变换气需要通过整个催化剂床层，变换气的压降较大，尤其是在催化剂末期破碎的情况下，变换炉造成的压降很大，导致整个变换系统压降升高。在中水气比、高CO的粗合成气反应的情况下，极易导致超温。因此轴向反应器仅适用于低温变换等绝热升温较小的地方。
(2)轴径向反应器。与轴向反应器不同的是，轴径向反应器的变换气的流向是沿反应器的径向，从外到内经过催化剂床层，进入中心管后流出反应炉。该型式的反应器气体分布平稳，不受催化剂装填密度影响，床层压降较小；相比相同工况的轴向变换炉，筒体温度较低，设备直径和壁厚小，设备投资低；可选用高活性小颗粒的催化剂；出口CO含量低。
(3)等温反应器。以上两种变换炉均采用绝热反应器，由于变换反应属于强放热反应，且是一个热力学控制的过程，因此变换工艺在流程设置上均采用多段，多次换热的反应方式。这样就造成了传统工艺变换工艺相对复杂、热损失高、蒸汽耗量高，设备造价高等一系列问题。
等温反应器通过“水移热”的物理方法即时将反应热移走，就可维持催化剂床层在稳定的低温下操作，保证高的CO变换率。等温变换技术与传统的绝热变换相比优势如下：
a、等温变换即时移走反应热，维持催化剂床层在较低温度下稳定运行；
b、副产蒸汽使得能量的消耗大幅度降低；
c、化工艺流程，降低系统压降以及装置投资。
但目前应用的等温变换技术存在以下问题：
①等温变换炉汽包副产的蒸汽为饱和蒸汽，无法生产更高品质的过热蒸汽。变换装置为蒸汽富余装置，通常多余的蒸汽要通过蒸汽管网供全厂其他用户使用，而饱和蒸汽温度降低易产生凝液，无法进入管网。传统绝热变换炉出口温度较高，通常在400℃以上，可以为饱和蒸汽进行过热，而等温变换炉由于反应热大部分被水循环系统带走，出口温度只有300℃左右，无法提供过热源，只能通过单独设置加热炉或与其他装置进行热联合，增加了工艺的复杂性与设备投资。
②等温变换炉温度难以调节。由于上游负荷变动、水气比波动、催化剂末期提温等因素的影响，变换炉出口温度需要经常调节。由于汽包和换热管之间为水循环为自然循环，即利用水的静压头和换热管内两相流的密度差产生的推动力形成的水汽循环，因此在移除反应热的控制上具有一定难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种通过分段进料以满足不同负荷、水气比工况下粗合成气变换反应的要求，并能调节出口变换气温度以满足变换单元副产蒸汽等级要求的列管式分段可控半等温变换炉。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种列管式分段可控半等温变换炉，包括竖向延伸且呈圆筒状的炉体，该炉体顶部开有粗合成气进口、底部开有变换气出口，所述炉体中设置有能将其内腔分隔为相对独立的上段与下段的隔板，所述列管式分段可控半等温变换炉还包括：
内上筒体，设于所述炉体的上段中，具有用于填充绝热变换反应催化剂的内腔，所述内上筒体的外周壁与炉体内周壁之间形成有进气环隙，所述内上筒体的外周壁上开设有若干个间隔布置的第一进气口；
中心管，设于所述内上筒体的中央部位且上端封闭、下端具有与隔板下方相连通的下端口，所述中心管的周壁上开设有若干个供内上筒体中的气体进入中心管中的通气口；
锅炉水进水腔，设于所述炉体的下段中且靠近隔板布置；
蒸汽收集腔，设于所述炉体上段中且位于上筒体的上方，用于收集锅水受热产生的蒸汽；
锅炉水列管，为多根，各锅炉水列管的下端与所述锅炉水进水腔相连接、上端与所述蒸汽收集腔相连接，各锅炉水列管靠近所述中心管围设在中心管外周，从而使内上筒体内布置有锅炉水列管的区域形成半等温区、位于该半等温区外围未布置锅炉水列管的区域形成绝热区I；
汽包，设于所述炉体上方，该汽包通过锅炉水下降管与所述锅炉水进水腔相连通、通过蒸汽上升管与所述蒸汽收集腔相连通，所述的汽包与锅炉水下降管、锅炉水进水腔、锅炉水列管、蒸汽收集腔、蒸汽上升管共同构成一可控饱和蒸汽发生系统；以及
内下筒体，设于所述炉体的下段中且位于锅炉水进水腔下方，具有用于填充变换反应催化剂的内腔；所述内下筒体上端与隔板之间形成混气区，所述炉体侧壁上开有供混合气输入该混气区中的开口，所述内下筒体具有供混合区的气体进入的第二进气口及供反应后气体输出的出气口，该出气口与所述变换气出口相连通。所述锅炉水进水腔位于该混气区中。
优选地，所述内下筒体的外周壁与炉体内周壁之间具有进气间隙，所述第二进气口为多个且间隔布置在内下筒体的周壁上，所述内下筒体中央部位设置有竖向布置且上端封闭、下端敞口的导气管，所述出气口为多个且间隔布置在该导气管的周壁上，所述导气管的下端口延伸至炉体的变换气出口处。所述炉体中设置有位于内下筒体底部的仅允许气体经导气管竖向向下输出的挡板。
本发明的内下筒体还可以采用另一种结构：所述炉体的局部内周壁构成内下筒体的周壁，所述内下筒体上下贯通从而使其上端形成所述的第二进气口、下端形成所述的出气口。所述炉体内底壁形成碗状的导流结构，所述的变换气出口开设于该导流结构的中央部位，从而使内下筒体底部输出的气体经导流结构导流后自变换气出口输出。该结构与上述结构相比，是为了适应不同的气化技术和变换工艺流程，催化剂装填量大，可以减少设备尺寸。
优选地，所述混合区中设置有横向布置的具有喷淋结构的气体分布器，该气体分布器具有混合气进口。该结构有利于提高混气效果，使气体混合更加均匀。
优选地，所述锅炉水下降管至少为两根且对称布置在锅炉水进水腔的两侧，至少一根锅炉水下降管上设置有能控制流体流量的调节阀。通过调节调节阀的开度来控制系统内的水气自然循环比，从而达到调节半等温反应区内变换气温度及饱和蒸汽产量的目的。半等温区内锅炉水列管的数量、排布范围及密度可根据粗合成气水气比、负荷范围及变换气出口温度要求来调整，从而使半等温区将部分变换气反应的热量通过锅炉水转移走，使该区域的变换反应介于绝热和等温反应之间。
优选地，所述炉体的内顶壁形成倒置的碗状导流面，所述的粗合成气进口位于该导流面的中央部位，所述导流面形成将粗合成气向其周边的进气环隙引导的导流结构。该结构有利于提高气体输入时的流通效果。
优选地，所述炉体上设置有对应内上筒体底部的催化剂装卸孔I、对应内下筒体底部的催化剂装卸孔II，以便于更换催化剂；混合区对应的炉体侧壁上还开有检修人孔，以便于检修。
优选地，所述内上筒体与内下筒体的顶部及底部均填充有瓷球，用于保护和支持变换催化剂；所述内上筒体与内下筒体的顶部还设置有覆盖在瓷球顶部的压栅，拆除压栅可对瓷球及催化剂进行更换。
本发明通过设置带有调节阀及旁路进气口的可控半等温饱和蒸汽发生系统，可以迅速、有效调节变换气温度，不仅对产汽压力无影响，而且解决了高一氧化碳含量原料气变换反应易超温、控温难的问题。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过分段反应技术，使进入旁路的气体无需单独加热至起活温度，通过与变换炉上段出口变换气混合的方法即可达到起活温度，减少了流程的复杂性及设备投资；在上段中通过结合可控蒸汽发生系统而形成了半等温区，可根据粗合成气负荷或水气比的大小，以及变换催化剂初末期工况，通过旁路进气量和锅炉水流量的控制，有效的调节变换气出口的温度，保证下游换热系统的稳定；
本发明通过控制半等温区的工况可以灵活控制变换气出口温度，对高压饱和蒸汽进行过热，无需再设置外部过热炉或与其他装置热联合，缩短了现有变换工艺的流程，降低了投资和操作难度；
本发明的适用范围广泛，可适用于一氧化碳干基体积含量为30～90％，水/绝干气体积比为0.1～1.6的原料；变换炉内的锅炉水列管不必布满整个反应器，列管数量大大减少，锅炉水进水腔和蒸汽收集腔管口数量减少，制造工艺难度降低。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为沿图1中A-A方向的剖视图；
图3为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1、2所示，本发明的列管式分段可控半等温变换炉包括竖向延伸且呈圆筒状的炉体19，该炉体19顶部开有粗合成气进口4、底部开有变换气出口28，炉体19中设置有能将其内腔分隔为相对独立的上段1a与下段1b的隔板1c，列管式分段可控半等温变换炉还包括内上筒体2a、中心管21、锅炉水进水腔26、蒸汽收集腔5、锅炉水列管10、汽包2、内下筒体2b。
上述内上筒体2a设于炉体19的上段1a中，具有用于填充绝热变换反应催化剂20的内腔，内上筒体2a的外周壁与炉体19内周壁之间形成有进气环隙9，内上筒体2a的外周壁上开设有若干个间隔布置的第一进气口22。
上述中心管21设于内上筒体2a的中央部位且上端封闭、下端具有与隔板1c下方相连通的下端口，中心管21的周壁上开设有若干个供内上筒体2a中的气体进入中心管21中的通气口211。
上述锅炉水进水腔26设于炉体19的下段1b中且靠近隔板1c布置。
上述蒸汽收集腔5设于炉体19上段1a中且位于内上筒体2a的上方，用于收集锅水受热产生的蒸汽。
上述锅炉水列管10为多根，各锅炉水列管10的下端与锅炉水进水腔26相连接、上端与蒸汽收集腔5相连接，各锅炉水列管10靠近中心管21围设在中心管21外周，从而使内上筒体2a内布置有锅炉水列管10的区域形成半等温区8、位于该半等温区8外围未布置锅炉水列管10的区域形成绝热区I6。
上述汽包2设于炉体19上方，该汽包2的顶部具有蒸汽输出口1，该汽包2通过锅炉水下降管3与锅炉水进水腔26相连通、通过蒸汽上升管15与蒸汽收集腔5相连通，汽包2与锅炉水下降管3、锅炉水进水腔26、锅炉水列管10、蒸汽收集腔5、蒸汽上升管15共同构成一可控饱和蒸汽发生系统。
上述内下筒体2b设于炉体19的下段1b中且位于锅炉水进水腔26下方，具有用于填充变换反应催化剂的内腔，内下筒体2b构成绝热区II 14，内下筒体2b上端与隔板1c之间形成混气区13，锅炉水进水腔26位于该混气区13中，炉体19侧壁上开有供混合气输入该混气区13中的开口，内下筒体2b具有供混合区13的气体进入的第二进气口21b及供反应后气体输出的出气口22b，该出气口22b与变换气出口28相连通。
具体的，内下筒体2b的外周壁与炉体19内周壁之间具有进气间隙23b，第二进气口21b为多个且间隔布置在内下筒体2b的周壁上，内下筒体2b中央部位设置有竖向布置且上端封闭、下端敞口的导气管24b，出气口22b为多个且间隔布置在该导气管24b的周壁上，导气管24b的下端口延伸至炉体19的变换气出口28处。炉体19中设置有位于内下筒体2b底部的仅允许气体经导气管24b竖向向下输出的挡板25b。
混合区13中设置有横向布置的具有喷淋结构的气体分布器23，该气体分布器23具有混合气进口。该结构有利于提高混气效果，使气体混合更加均匀。
锅炉水下降管3为两根且对称布置在锅炉水进水腔26的两侧，一根锅炉水下降管3上设置有能控制流体流量的调节阀16。通过调节调节阀16的开度来控制系统内的水气自然循环比，从而达到调节半等温反应区内变换气温度及饱和蒸汽产量的目的。半等温区内锅炉水列管的数量、排布范围及密度可根据粗合成气水气比、负荷范围及变换气出口温度要求来调整，从而使半等温区将部分变换气反应的热量通过锅炉水转移走，使该区域的变换反应介于绝热和等温反应之间。
炉体19的内顶壁形成倒置的碗状导流面191，粗合成气进口4位于该导流面191的中央部位，导流面191形成将粗合成气向其周边的进气环隙9引导的导流结构，该结构有利于提高气体输入时的流通效果。
炉体19上设置有对应内上筒体2a底部的催化剂装卸孔I25、对应内下筒体2b底部的催化剂装卸孔II27，以便于更换催化剂；混合区13对应的炉体19侧壁上还开有检修人孔12，以便于检修。
内上筒体2a与内下筒体2b的顶部及底部均填充有瓷球11，用于保护和支持变换催化剂；内上筒体2a与内下筒体2b的顶部还设置有覆盖在瓷球11顶部的压栅18，拆除压栅18可对瓷球及催化剂进行更换。
本实施例的使用过程如下：
粗合成气进口4的原料气经变换炉的上封头处进入进气环隙9，通过第一进气孔22从轴向通过绝热变换反应催化剂20，首先进入绝热区I 6进行绝热变换反应至420℃，再进入半等温区8；变换气在半等温区8内进行半等温变换反应，温度保持不变，多余的热量被半等温区锅炉水列管10内的锅炉水吸收产生饱和蒸汽，反应后的变换气通过中心管21收集，进入变换炉下段混合区13；来自旁路进气口的粗合成气温度210℃，在气体分布器23的作用下，在混合区13内与变换炉上段出口的变换气充分混合后，进入变换炉下段绝热区II14再次进行绝热反应，反应完成的气体温度为400℃，从变换气出口28导出；
在上述过程中，可控饱和蒸汽发生系统的运行流程为：来自锅炉水下降管3的低温锅炉水首先进入锅炉水进水腔26汇集，然后进入半等温区的锅炉水列管10，低温锅炉水在吸收半等温区8反应的热量后，变成水汽混合物，其中饱和蒸汽沿锅炉水列管10上升至蒸汽收集腔5进行初步分液后，继续沿蒸汽上升管15进入汽包2，再次分离掉冷凝水后，从蒸汽出口1产出饱和蒸汽，送出系统外。
本实施例通过设置带有调节阀16及旁路进气口的可控半等温饱和蒸汽发生系统，可以迅速、有效调节变换气温度，不仅对产汽压力无影响，而且解决了高一氧化碳含量原料气变换反应易超温、控温难的问题。现有普通半等温变换炉出口变换气为保持一定的过热度，通常要求稳定在一定温度以上，而当粗合成气负荷变化或催化剂末期活性降低的工况下，缺乏有效调节出口温度的手段，因此可控性和调节性较差。在本实施例的分段可控半等温变换炉中，旁路可以调节进绝热段混合变换气的水气比和CO含量；同时绝热段采用热力学平衡控制，可以满足出口变换气的温度要求。因此，本实施例的分段可控半等温变换炉半等温段出口温度范围没有要求，通过旁路的调节，绝热段出口变换气即可以保证在一定温度(通常为400℃)之上，控制灵活，操作简便，确保了下游换热网络的稳定性。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：如图3所示，炉体19的局部内周壁构成内下筒体2b的周壁，内下筒体2b上下贯通从而使其上端形成第二进气口、下端形成的出气口。炉体19内底壁形成碗状的导流结构192，变换气出口28开设于该导流结构192的中央部位，从而使内下筒体2b底部输出的气体经导流结构导流后自变换气出口28输出。
该结构与实施例1的结构相比，是为了适应不同的气化技术和变换工艺流程，催化剂装填量大，可以减少设备尺寸。
在本发明的说明书及权利要求书中使用了表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“侧”、“顶”、“底”等，用来描述本发明的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，是基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。
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