蒸汽重整制氢转化管及包含其的转化炉的制作方法

1.本实用新型涉及天然气蒸汽重整制氢技术领域，具体涉及蒸汽重整制氢转化管及包含其的转化炉。


背景技术：

2.近几年市场上对小规模制氢的需求量逐渐增加，小型天然气蒸汽重整制氢转化炉越显重要。为了将装置做小，大多转化管的设计采用了原料气上端进且转化气上端出的流道设计方式。在这种上进上出的设计中，催化剂床层中一般会穿设一根芯管，该芯管用于引导原料气从催化剂床层的底部进入催化重整反应区。
3.由于催化剂的有效期远小于转化炉的使用寿命，在转化炉的寿命周期内，当转化管中的催化剂失效后，需要设备维护人员到现场更换催化剂。但是，设备维护人员更换催化剂时，在将芯管从催化剂床层中撤离的过程中经常会出现折弯或损坏芯管的情况。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种蒸汽重整制氢转化管及包含该蒸汽重整制氢转化管的转化炉。
5.一方面，本实用新型提供一种蒸汽重整制氢转化管，包括管体、催化剂床层、芯管、热交换装置以及筛孔管。其中，催化剂床层置于管体内，催化剂床层将管体内部分隔为上腔和下腔；芯管贯穿催化剂床层。热交换装置置于上腔，热交换装置的上端具有原料气换热进口和转化气换热出口，热交换装置的下端具有原料气换热出口和转化气换热进口；其中，原料气换热出口与芯管的上端连通，转化气换热进口与上腔连通。筛孔管套设于芯管之外，且筛孔管与芯管之间具有横向间隙。优选地，该横向间隙的尺寸为1～3mm。
6.优选地，热交换装置包括第一热交换部、第二热交换部以及气流倒转部。其中，第一热交换部的顶部设有所述原料气换热进口和所述转化气换热出口，第一热交换部包括内侧转化气降温流道和外侧原料气升温流道，外侧原料气升温流道连通至原料气换热进口，内侧转化气降温流道连通至转化气换热出口。第二热交换部的底部设有转化气换热进口和原料气换热出口，第二热交换部包括转化气散热气路和原料气吸热气路，转化气散热气路连通至转化气换热进口，原料气吸热气路连通至原料气换热出口。气流导转部使外侧原料气升温流道流体连通至原料气吸热气路，且使转化气散热气路流体连通至内侧转化气降温流道。
7.具体地，第一热交换部被构造成包括内筒和包绕内筒的外筒，内侧转化气降温流道由内筒限定，外侧原料气升温流道由外筒和内筒之间的流道限定，原料气换热进口设于外筒的顶部，转化气换热出口设于内筒的顶部。具体地，气流导转部包括第一腔、第二腔以及位于第一腔与第二腔之间的分隔件，分隔件设有原料气流通接口和转化气流通接口。转化气散热气路通过第二腔和转化气流通接口流体连通至内侧转化气降温流道。外侧原料气升温流道通过第一腔和原料气流通接口流体连通至原料气吸热气路。
8.具体地，第二热交换部包括外壳，外壳上端具有第一接口和第二接口，第一接口与原料气流通接口连通，第二接口与第二腔连通，外壳下端具有原料气换热出口和转化气换热进口。进一步地，第二热交换部还包括纵向设置的多个换热管，每个换热管的上端均与第二接口连通，每个换热管的下端均与转化气换热进口连通。进一步地，第二热交换部还包括引流管，引流管被多个换热管包围，引流管的上端与第一接口连通，引流管的下端与原料气换热出口连通；其中，引流管的位于外壳内的上端设有原料气流入导流孔，引流管的位于外壳内的下端设有原料气流出导流孔。第二热交换部还包括阻隔件，阻隔件设于原料气流入导流孔和原料气流出导流孔之间以阻断原料气在引流管中的流通。进一步地，第二热交换部还包括设置于外壳内部的若干第一折流件和若干第二折流件，第一折流件和第二折流件沿引流管的长度方向交替排布；其中，第一折流件对原料气产生折流的位置与引流管的中心纵轴线之间的距离大于第二折流件对原料气产生折流的位置与引流管的中心纵轴线之间的距离。其中，多个换热管限定转化气散热气路；引流管的外壁、外壳的内壁、第一折流件以及第二折流件共同限定原料气吸热气路。
9.特别地，第一折流件被构造成圆盘形折流板，第二折流件被构造成圆环形折流板。其中，圆盘形折流板的外径大于圆环形折流板的内径，原料气经由圆盘形折流板的外沿和圆环形折流板的内沿进行折流。
10.另一方面，本实用新型提供一种转化炉，该转化炉包括上述第一方面的转化管。
11.本实用新型的特点及优点包括：
12.(1)由于在催化剂床层与芯管之间设置筛孔管，且筛孔管与芯管之间具有横向间隙，因此，便于设备维护人员在更换催化剂时将芯管撤离，避免出现折弯或损坏芯管的情况。
13.(2)由于进入筛孔管与芯管之间横向间隙中的原料气可经由筛孔管上的孔隙进入催化剂床层发生反应，因此，可以避免原料气直接通过筛孔管与芯管之间的间隙通道向上流动混入转化气气流中，提高原料气的转化率。
14.(3)催化剂床层中反应产生的转化气可以通过筛孔管上的孔隙进入到间隙所在的通道中，间隙中流动的转化气可以向芯管中的原料气传递热量，更有利于原料气在芯管中升温。
附图说明
15.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本实用新型涉及的蒸汽重整制氢转化炉的示意图；
17.图2是本实用新型涉及的蒸汽重整制氢转化管的示意图；
18.图3是图2中筛孔管与芯管的部分放大示意图；
19.图4是部分筛孔管的立体放大示意图；
20.图5是本实用新型实施例涉及的热交换装置的示意图；
21.图6是图5中第二热交换部的一种实施例的示意图；
22.图7a是图6中第一折流件的示意图；
23.图7b是图6中第二折流件的示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
25.参考图1，本实用新型公开一种蒸汽重整制氢转化炉200，例如天然气重整制氢转化炉，使原料气(天然气和水蒸气的混合物)发生重整转化反应生成转化气(甲烷、氢气、co、co2和h2o的混合物)。转化炉200内设有若干燃烧器23和转化管100，转化管100从炉顶区域21向下纵向延伸至转化炉主体22内。燃烧器23燃烧产生的高温烟气为转化管100中的重整转化反应提供所需的热量。
26.在一些具体的实施方式中，参考图2，转化管100包括管体11、多孔支撑板17、催化剂床层12以及热交换装置60。其中，多孔支撑板17设于管体11内侧的下端，用于为催化剂床层12提供支撑。热交换装置60用于使需要升温的原料气和需要降温的转化气进行热量交换。
27.继续参考图2，催化剂床层12置于管体11内，催化剂床层12将管体11分隔为上腔11a和下腔11b。芯管13贯穿催化剂床层12，芯管13的底端略微超过催化剂床层12的底部或基本与催化剂床层12的底部齐平，芯管13的顶端超过催化剂床层12的顶部或基本与催化剂床层12的顶部齐平。
28.具体地，热交换装置60置于上腔11a，热交换装置60的上端具有原料气换热进口60a和转化气换热出口60b，热交换装置60的下端具有原料气换热出口60c和转化气换热进口60d。其中，原料气换热出口60c与芯管13的上端连通，转化气换热进口60d与上腔11a连通。
29.根据本公开的一些实施例，继续参考图2和图3，芯管13外套设有一筛孔管15，且芯管13与筛孔管15之间具有横向间隙16。较佳地，间隙16的横向尺寸l为1～3mm。其中，筛孔管15的长度基本与催化剂床层12的高度相一致或筛孔管15的顶部略高于催化剂床层12的顶部。
30.在装置设备的使用和维护中，有需要对失效的催化剂床层12进行更换。具体地，在更换催化剂床层12时，先将热交换装置60以及与之连接的芯管13撤除。由于筛孔管15将催化剂床层12与芯管13分隔，并且筛孔管15与芯管13之间具有间隙16，因此，便于设备维护人员将芯管撤除，避免出现折弯或损坏芯管的情况。
31.热交换装置60用于对原料气和转化气进行热量交换，使转化气温度降低，使原料气温度升高。具体地，原料气气流18a从原料气换热进口60a流入热交换装置60，从原料气换热出口60c流出热交换装置60；转化气气流18b从转化气换热进口60d流入热交换装置60，从转化气换热出口60b流出热交换装置60。
32.经热交换装置60换热后的原料气气流18a流出原料气换热出口60c后进入芯管13，原料气气流18a沿芯管13向下进入下腔11b，再由多孔支撑板17上的孔隙进入催化剂床层12
发生反应。反应产生的转化气气流18b从催化剂床层12的顶部进入到上腔11a，再通过转化气换热进口60d流入热交换装置60。
33.原料气气流18a从下腔11b向上流动时，少量的原料气会进入间隙16所在的通道中。由于筛孔管15上具有孔隙，间隙16中的原料气可经由筛孔管15上的孔隙进入催化剂床层12发生重整反应，可以避免原料气直接向上流动混入上腔11a的转化气气流中，提高原料气的转化率。同时，催化剂床层12中反应产生的转化气也可以通过筛孔管15上的孔隙进入到间隙16所在的通道中，间隙16中流动的转化气可以向芯管13中的原料气传递热量，有利于原料气在芯管13中升温；即，芯管13、间隙16和筛孔管15三者构成了一个换热组件。原料气在经过热交换装置60提升温度后，通过该换热组件进一步地获得温度的提升。
34.根据本实用新型的一些优选的实施方式，参考图5，热交换装置60包括第一热交换部61、第二热交换部62以及气流倒转部63。
35.第一热交换部61的顶部设有原料气换热进口60a和转化气换热出口60b。第一热交换部61具有内侧转化气降温流道61a和外侧原料气升温流道61b，外侧原料气升温流道61b连通至原料气换热进口60a，内侧转化气降温流道61a连通至转化气换热出口60b。
36.第二热交换部62的底部设有转化气换热进口60d和原料气换热出口60c。第二热交换部62具有转化气散热气路62a和原料气吸热气路62b，转化气散热气路62a连通至转化气换热进口60d，原料气吸热气路62b连通至原料气换热出口60c。可选地，在一些实施方式中，第二热交换部62的底部仅设置一个转化气换热进口60d；在另一些实施方式中，第二热交换部62的底部可设置多个转化气换热进口60d。
37.气流导转部63使第一热交换部61的外侧原料气升温流道61b流体连通至第二热交换部62的原料气吸热气路62b，且使第二热交换部62的转化气散热气路62a流体连通至第一热交换部61的内侧转化气降温流道61a。
38.具体地，第一热交换部61被构造成包括内筒611和包绕内筒611的外筒612，内侧转化气降温流道61a由内筒611限定，外侧原料气升温流道61b由外筒612和内筒611之间的流道限定。原料气换热进口60a设于外筒612的顶部，转化气换热出口60b设于内筒611的顶部。
39.具体地，气流导转部63包括第一腔631c、第二腔631d以及位于第一腔631c与第二腔631d之间的分隔件631，分隔件631设有原料气流通接口631a和转化气流通接口631b。
40.具体地，通过第二腔631d与分隔件631上设置的转化气流通接口631b，第二热交换部62的转化气散热气路62a流体连通至第一热交换部61中的内侧转化气降温流道61a。具体地，通过第一腔631c与分隔件631上设置的原料气流通接口631a，第一热交换部61的外侧原料气升温流道61b流体连通至第二热交换部的原料气吸热气路62b。
41.本实用新型通过设置外冷内热的第一热交换部61，可以降低转化管100上端的热损失，提高热量利用率，使热量被更加有效地用于原料气的升温加热。进一步地，通过设置第一热交换部61、第二热交换部62以及气流导转部63，气流导转部63使第一热交换部61外侧的原料气经过一个阶段的升温后被引导进入到合适的第二热交换部62继续升温。由于第一热交换部61和第二热交换部62为原料气分别都提供了有效的热量交换，原料气在此之后所需的热量减少；因此在第二热交换部62之后的为了提高原料气温度的热交换路径或热交换装置的设计可以精简化，从而使转化管100的长度能够做短，转化炉200装置能够做小。
42.根据本实用新型的一些优选的实施方式，参考图6，第二热交换部62包括外壳620，
外壳620上端具有第一接口620a和多个第二接口620b，外壳620下端具有整个热交换装置60的原料气换热出口60c和多个转化气换热进口60d。其中，第一接口620a与气流倒转部63中的分隔件631上的原料气流通接口631a连通，第二接口620b与气流倒转部63的第二腔631连通。
43.继续参考图6，第二热交换部62还包括纵向设置的多个换热管623，每个换热管623的上端均连通至第二接口620b，由此进而与气流倒转部63的第二腔631相连通。每个换热管623的下端均连通至转化气换热进口60d，特别地，每个换热管623的下端即为转化气换热进口60d。
44.进一步地，第二热交换部62还包括被多个换热管623所包围的引流管625。引流管625的上端与第一接口620a连通，由此进而与气流倒转部63中的分隔件631上的原料气流通接口631a连通。引流管625的下端与原料气换热出口60c连通，特别地，引流管625的下端即为原料气换热出口60c。其中，引流管625的位于外壳620内的上端设有原料气流入导流孔625a，引流管625的位于外壳620内的下端设有原料气流出导流孔625c，一阻隔件625b设于原料气流入导流孔625a和原料气流出导流孔625c之间以阻断原料气在引流管625中的流通。具体地，原料气流入导流孔625a在纵向上分三排设置，每排4个孔；原料气流出导流孔625c同原料气流入导流孔625a的设置方式类似。导流孔625a和625b分别设置于靠近引流管625的上端和下端，可以增加原料气在第二热交换部62中与换热管623中的转化气进行热交换的运动路程，增加换热时间从而提高换热效果。
45.优选地，第二热交换部62还包括沿着引流管625的长度方向交替排布的若干第一折流件621和若干第二折流件622，其中，第一折流件621和第二折流件622均设置于外壳620内部。特别地，第一折流件621对原料气产生折流的位置与引流管625的中心纵轴线的之间的距离w1(第一折流位置距离)大于第二折流件622对原料气产生折流的位置与所述引流管625的中心纵轴线之间的距离w2(第二折流位置距离)。换句话说，第一折流位置远离引流管625而邻近外壳620的侧壁，第二折流位置远离外壳620的侧壁而邻近引流管625。
46.在如图6所示的优选的第二热交换部62中，多个换热管623限定转化气散热气路62a；引流管625的外壁、外壳620的内壁、第一折流件621以及第二折流件622共同限定原料气吸热气路62b。
47.在一些实施方式中，第一折流件621被构造成圆盘形折流板(参考图7a)，第二折流件622被构造成圆环形折流板(参考图7b)。其中，圆盘形折流板的内径与引流管的外径适配，圆盘形折流板的外径小于外壳的内径；圆环形折流板的外径与外壳的内径适配，圆环形折流板的内径大于引流管的外径。并且，圆盘形折流板的外径d1大于圆环形折流板的内径d2，使得原料气经由圆盘形折流板的外周边沿oe和圆环形折流板的内周边沿ie进行折流。
48.通过设置折拐的原料气吸热气路62b，延长原料气由原料气流入导流孔625a到达原料气流出导流孔625c的路程，能够增加换热时间，使换热更加充分。
49.具体地，参考图5，原料气从第一热交换部61的外筒612顶部的原料气换热进口60a进入热交换装置60，沿外侧原料气升温流道61b进入到气流倒转部63的第一腔631c。随后原料气经过气流倒转部63的原料气流通接口631a进入第二热交换部62的第一接口620a。
50.参考图6，原料气进入第二热交换部62后，首先被引流管625上端的三排原料气流入导流孔625a引导流径方向使得原料气进入引流管625的外壁与外壳620的内壁限定的腔
体内，最后被引流管625下端的三排原料气流出导流孔625c引导流径方向使得原料气流向原料气换热出口60c。在引流管625内，原料气流入导流孔625a和原料气流出导流孔625c之间设置有阻隔件625b，引流管625被阻隔件625b阻断，使得原料气不能在引流管625中竖直地向下流进。
51.在第二热交换部62内的原料气流动路径上，在原料气流入导流孔625a和原料气流出导流孔625c之间，原料气气流18a交替地被第一折流件621和第二折流件622引导流径方向。其中，第一折流件621对原料气流径的导通位置邻近外壳620的内壁，第二折流件622对原料气流径的导通位置邻近引流管625的外壁。优选地，位于最上方和最下方的折流件均为第一折流件621，以使得原料气的流动路径更长。原料气气流18a经最下方的第一折流件621引导流径后，经过原料气流出导流孔625c到达热交换装置60的原料气换热出口60c(引流管625的下端)。
52.转化气从催化剂床层12的顶部逸出到达上腔11a，然后通过第二热交换部62的下端的转化气换热进口60d进入换热管623。在引流管625的外壁与外壳620的内壁限定的腔体内，换热管623外充满了被折流的原料气气流18a，换热管623内部的转化气气流18b向外辐射热量，使原料气气流18a升温。转化气气流18b从换热管623上端的第二接口620b向上流入气流倒转部63的第二腔631d中，进一步地，转化气气流18b从气流倒转部63的分隔件631上的转化气流通接口631b进入第一热交换部61的内筒611所限定的内侧转化气降温流道61a，最后从内筒611顶部的转化气换热出口60b流出热交换装置60。
53.本领域技术人员容易理解的，上述优选的热交换装置并不构成对本实用新型核心保护思想的具体限制。在本实用新型的总体思想启发下，还可以替代地选择其它的热交换装置设置于上腔；本实用新型不排除对具有这些替代的热交换装置的转化管的保护。
54.以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。