[实用新型]一种基于套管反应器的底烧式制氢转化炉

说明书

技术领域

本实用新型属于制氢转化炉技术领域，具体的说，涉及一种基于套管反应器的底烧式制氢转化炉。

背景技术

制氢转化炉是制氢装置的核心，内包含制氢转化反应器，该反应器是一种外热式列管反应器，由于转化反应的强吸热及高温等特点，这种反应器被设计成加热炉的形式，催化剂装在一根根的转化炉管内，在炉膛内直接加热，反应介质通过炉管内的催化剂床层进行反应。

制氢转化套管反应器可以实现把高温产品气中600℃-850℃的高温位热量通过在反应管内设立中心管自循环用于加热反应气，变反应管外侧单向加热为管外管内双向供热，从而减少燃料消耗和能耗，成为制氢转化炉反应器研究的一个方向。但由于制氢转化炉加热温度高，反应强度大，简单的套管结构无法适应高温下的应力变化，易于出现开裂等问题。

关于套管反应器的结构专利不多，其中发明专利--节能型蒸汽转化炉炉管，CN103785333A，描述了这种制氢转化炉套管反应器原理，并对简单的机械结构进行了描述，但实验证明，简单机械结构完全不能满足长周期运行要求，其反应管进气口和出气口部位，在温度超过400℃时，基本会发生开裂，无法正常运行。

制氢装置转化炉按辐射室供热方式进行分类，可分为以下四种方式：顶烧炉、侧烧炉、梯台炉、底烧炉。

顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往下烧，烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并流传热。侧烧炉燃烧器安装在辐射室侧墙，火焰附墙燃烧，通过辐射墙对转化管传热，烟气流动方向与管内介质流动方向相反，传热方式错流传热。梯台炉的燃烧器排数比侧烧炉要少，是一种改进的错流传热。底烧炉为逆流传热。

由于不同的传热方式，所以不同炉型具有不同的热强度和管壁温度分布。顶烧炉火焰集中在炉膛顶部，最高管壁温度和热强度同时在转化管顶部出现峰值是顶烧式转化炉的特点。对于侧烧和梯台转化炉，由于燃烧器均匀分布在沿管长方向的不同标高，辐射传热比较均匀，允许较高的转化气出口温度，提高氢的产率。底烧炉在传热性能上，具有炉顶热强度低，炉底热强度高的特性，因而炉管壁温变化最大，特别是炉底处炉管壁温是所有炉型中最高，对炉管寿命十分不利，为了控制最高管壁热强度不超标，只能选用很低的平均热强度，造成管材的巨大浪费，所以大型装置都不采用底烧炉。

顶烧炉和底烧炉的所有转化管排均在同一炉膛内，排列比较紧凑，节省占地面积，适于大型化。侧烧炉和梯台炉大型化有一定的困难。顶烧炉的燃烧器密集排列在炉顶，燃料配管及空气配管相应简化，但炉顶结构比较复杂。

近15年来，关于制氢转化炉的中国专利共有一百多篇。这些专利按照主要结构特征可分为传统炉改进、换热式转化炉、流化床反应器、固定催化剂床层反应器、使用催化剂层的反应器以及其他与制氢转化炉相关的专利等六类。制氢转化炉的专利主要集中在传统炉改进和换热式转化炉两个方面。传统炉改进占专利总数的42%，换热式转化炉占专利总数的28%，流化床反应器的专利占总是的11%，传统炉改进专利主要集中在炉管结构和连接、燃烧器和转化炉材料等几方面。

现阶段制氢转化炉均存在能耗大的问题，转化部分是装置的主要能耗单元，现阶段制氢装置综合能耗超过1000千克标油/吨，一般占现代炼厂总能耗的3%及以上。主要原因为现有蒸汽重整制氢工艺中，蒸汽与经过预处理的制氢原料混合物约500℃进入重整转化炉装填有催化剂的反应管，经燃烧加热进行反应，最高约850℃的产品气出转化炉进入余热锅炉产生高压蒸汽。这种流程辐射段热负荷只占50%以上，其余由烟气能量回收段回收，约占总燃烧热的10%的能量转化为外输蒸汽，所以重整转化能耗高，制氢成本居高不下，转化炉体积庞大。由于装置的大型化，制氢转化炉管路系统的热膨胀问题越来越突出。大量的热膨胀问题要通过尾管和弹簧支吊架等热膨胀吸收元件和预留有足够的热膨胀空间来解决。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种改进的底烧式制氢转化炉。

本实用新型的制氢转化炉是基于套管反应器技术，把高温产品气中600℃-850℃的高温位热量通过在反应管内设立中心管自循环用于加热反应气，变反应管外侧单向加热为管外管内双向供热，从而提高反应管内低温段的温度和反应速率，使反应管内温度场趋于均匀，平均温度提高，平均氢气转化率和氢气产量大为增加，燃料消耗大幅减少，达到节能降耗和减少制氢成本的目的，同样体积转化炉可显著增加氢气产量。

本实用新型的技术方案如下：