专利名称：内部换热式加氢气化炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种内部换热式加氢气化炉。
背景技术：
随着城市化进程的加快和环保要求的提高，对天然气的需求逐年增加。2009年我国天然气消费量为874. 5亿Nm3，缺口达40亿Nm3。据预测，2020年我国天然气需求量将达到2500亿Nm3，而同期天然气产量仅为800亿Nm3，可购700亿Nm3，缺口达1000亿Nm3。天然气资源的短缺不仅影响我国经济的可持续发展，而且将造成我国能源供给的安全隐患。煤制天然气技术是弥补我国天然气资源短缺的有效手段。常规煤制天然气技术通常采用高温煤气化(100(TC以上)、水煤气变换、低温甲醇洗和甲烷化等多个升温、降温的工艺流程，投 资较大、能效较低。煤的加氢气化是指煤与氢气在一定温度和高压下反应生成甲烷的过程。在气化阶段氢气可与碳直接反应生成甲烷，因而得到富含甲烷的合成气和轻质焦油。加氢气化生成的合成气中甲烷含量高、热效率高，同时能够很好的解决CO2的减排问题。加氢气化的特点为反应温度主要集中在800 1000°C，低于传统煤气化技术需要的温度；反应压力较高，一般在7 IOMpa ;停留时间较短，一般在几秒至几十秒；主要产物为甲烷，同时副产附加值较高的BTX (即苯、甲苯、二甲苯的混合物)。较高压力下，要使得加氢气化反应能够发生，通常需要将原料氢气加热到一定的温度。同时，加氢气化反应是放热反应过程，反应温度会随反应的进行不断升高，高温不利于甲烷的生成，同时BTX在高温下也会发生二次副反应。因而，需要采取一定的措施将反应温度控制在一定的温度范围，保障反应的进行，并控制反应的温度。2010年公开的中国专利申请CN101657525A、名称为“由煤制备天然气代用品的系统和方法”中提出了一种加氢气化反应器。其加氢气化反应具体实现过程如下来自电解水的氢气和氧气，经过高压蒸汽预热后，再经过水冷却的氢气燃烧器加热后进入加氢气化器，与常温进入到反应器内的煤粉发生加氢气化反应，生成以甲烷为主的合成气体。然而，在该专利申请中，最初的氢气和氧气均采用高压蒸汽预热，这样的预热方式需要额外增加用于提供高压蒸汽的设备等成本，而且蒸汽预热后的气体能够升高的温度有限，所以在后续气化器入口的氢气燃烧器中就需要燃烧大量的氢气和氧气来提供足够热量来加热氢气，才能达到加氢气化反应需要的温度。另外，加氢气化反应整体是放热反应，而加氢气化器内无任何控温措施，容易导致加氢气化反应器内温度升高，会抑制甲烷的生成，并伴有大量的二次副反应发生，不利于副产BTX的生成。
实用新型内容针对以上现有加氢气化反应器存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种新型内部换热式加氢气化炉，利用气化炉内的反应热，通过换热管换热将原料氢气(H2)预热到一定的温度，从而降低用于加热原料氢气的氢气燃烧器中的氢气和氧气的用量，同时，换热过程吸收部分反应热，能够维持反应区温度均一和恒定，保证较高的甲烷产率和BTX收率，降低合成气出口温度，便于气化炉内壁和外壁的选材和延长装置的使用寿命。为此，本实用新型提供了一种内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述内部换热式加氢气化炉包括圆筒形内炉筒，其下端开口，上端与喷嘴部连接，所述喷嘴部设置有进煤喷嘴和至少一个氢气喷嘴；圆筒形外炉筒，所述外炉筒的上端与所述喷嘴部密封连接，所述外炉筒的下端封闭以形成底部，并且所述底部设置有排渣口，在所述外炉筒(3)的中上部或者中部设置有合成气出口；以及换热管，所述换热管具有用于原料氢气进入的氢气入口和用于经预热后的原料氢气排出的氢气出口，其中，所述外炉筒的直径大于所述内炉筒的直径，并且所述内炉筒的长度小于所述外炉筒的长度以将所述内炉筒密封地套接在所述外炉筒内，所述换热管附着在所述内炉 筒的外壁上。在一个优选实施方式中，所述换热管是环形盘管或竖管，或者所述换热管通过焊接或者缠绕方式而固定在所述内炉筒的外壁上，或者所述换热管的管材为不锈钢、铜管或招管，或者所述换热管的外径为10 30mm,厚度为0. 25 I. Omm的,或者所述换热管彼此之间的距离为2 5mm。在一个优选实施方式中，所述外炉筒的上部具有小于其下部的直径，以在所述外炉筒的下部形成扩大段。在一个优选实施方式中，所述内炉筒的下部具有小于其上部的直径，以在所述内炉筒上部形成扩大段。在一个优选实施方式中，所述氢气入口的位置低于所述氢气出口的位置。在一个优选实施方式中，所述加氢气化炉具有均勻分布在所述进煤喷嘴周围的多个氢气喷嘴。在一个优选实施方式中，所述进煤喷嘴的中心线与所述内炉筒和所述外炉筒的中
心线重合。在一个优选实施方式中，在所述外炉筒的内壁上设置有耐火衬层。在一个进一步优选实施方式中，所述耐火衬层包括设置在所述外炉筒的内壁与所述内炉筒之间的硅铝酸棉层、莫来石层和刚玉层，并且所述刚玉层面向所述换热管。在一个优选实施方式中，所述内炉筒的下部与所述外炉筒之间设置有气体挡板，并且所述合成气出口设置在所述气体挡板的下方。本实用新型的内部换热式加氢气化炉，通过在位于外炉筒内的内炉筒的外壁上设置用于预热原料氢气的换热管，吸收部分高温合成气的热量和/或部分气化反应热，实现对原料氢气的预热，从而减少氢气热损，提高系统热效率，减少原料氢气加热设备的功率负荷和物质消耗。实现气化反应区内反应温度的均匀，保证甲烷的产率，避免BTX在高温下分解，提高BTX收率。对气化炉的外炉筒起到一定的隔热作用，延长气化炉的使用寿命。
图I采用间壁换热的加氢气化炉的纵向剖视图；[0023]图2采用内炉筒外环形盘管换热的加氢气化炉的纵向剖视图；以及图3采用内炉筒外竖管换热的加氢气化炉的纵向剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图详细地描述根据本实用新型的内部换热式加氢气化炉，应当理解，这些描述仅用于举例说明本实用新型的目的而不用于限制。本实用新型的内部换热式加氢气化炉可以用于煤加氢气化生成富含甲烷的合成气。例如，如图I所示，本实用新型的内部换热式加氢气化炉包括圆筒形内炉筒9，其下端开口，上端与喷嘴部连接(例如焊接)在一起，喷嘴部设置有进煤喷嘴I和至少一个氢气喷嘴2或者12 ;圆筒形外炉筒3，其上端与喷嘴部通过法兰密封连接，下端封闭以形成底部，在所 述底部上设置有排渣口 7，在所述外炉筒3的中上部或者中部设置有合成气出口 11 ;以及换热管4，所述换热管4具有用于原料氢气进入的氢气入口 5和用于经预热后的原料氢气排出的氢气出口 10，其中，所述外炉筒3的直径大于所述内炉筒9的直径，并且所述内炉筒9的长度小于所述外炉筒3的长度以将所述内炉筒9密封地套接在所述外炉筒3内，并且其中所述换热管4附着在所述内炉筒9的外壁上。优选地，所述内部换热式加氢气化炉的进煤喷嘴I和氢气喷嘴，例如优选两个，甚至更优选四个氢气喷嘴都设置在喷嘴部(例如如图I所示的圆弧形喷嘴部)上。优选地，进煤喷嘴I的中心线与圆筒形加氢气化炉的内炉筒9和外炉筒3的中心线重合，多个例如四个氢气喷嘴均匀分布在该进煤喷嘴I的四周。反应区8以圆筒形气化炉的内炉筒9为边界，紧邻气化炉的外炉筒3内侧是保温层，以减少气化炉内炉筒9的热量损失，同时降低气化炉外炉筒3的温度。可替换地，内炉筒9的下部具有小于其上部的直径，以在所述内炉筒9上部形成扩大段。气化炉的外炉筒3的内壁优选设置耐火衬层，例如堆砌三层耐火衬层，其衬层材料在外炉筒3的内壁与内炉筒9之间包括硅铝酸棉、莫来石和刚玉，其中刚玉层面向内炉筒9。需要说明的是，这样的耐火衬层的结构可以变化，例如以不同顺序堆砌这些材料的衬层来形成。紧邻刚玉耐火材料的是外壁焊接或者缠绕用于氢气预热的换热管4的气化炉的内炉筒9。优选地，原料氢气入口 5和预热后的氢气出口 10分别设置在气化炉的内炉筒9的中部和中上部，在换热管4内采用逆流换热的方式预热原料氢气。氢气的入口和出口与换热管4连通，穿过外炉筒3与外部管路连接，氢气管路的外壁均与外炉筒3焊接在一起。在气化炉的外炉筒3的下部(即内炉筒9下方)设置扩大段6，即外炉筒3的下部分具有比其上部分更大的直径，通过扩大段6降低气速和压力，减少粉尘和半焦的夹带量。煤加氢气化反应后的合成气以及夹带的少量粉尘和半焦由位于气化炉中上部或中部的合成气出口 11逸出，气化反应后生成的大部分半焦在重力作用下落入扩大段6中，经由外炉筒3底部设置的排渣口 7排出。换热管4可以为例如盘管或竖管，可以例如采用不锈钢、铝管或铜管制成，优选地换热管4的管外径可以为10 30mm,管壁厚可以为0. 25 I. Omm的,优选地换热管4的管间距可以为2 5謹。[0037]在合成气出口 11设置在气化炉外筒的中部时，在内炉筒9下部与外炉筒3之间设置有气体挡板13，挡板位于外炉筒扩大段6的上端，并且与气化炉的底部大致平行。合成气出口 11设置在气体挡板13的下方。操作中，将室温(25°C )的高压氢气从原料氢气入口 5进料到气化炉的内炉筒9外壁上的换热管4，通过吸收部分高温合成气和/或气化炉的部分气化反应热后，预热后的氢气在氢气出口 10温度可达200 400°C，同时，再通过一定的加热装置加热到需要的温度后，通过氢气喷嘴2、12进入气化炉参与加氢气化反应。经过换热后，煤加氢气化反应区内可以保持850°C左右的恒定温度。下面具体结合附图，通过实施例的方法更具体地描述本实用新型。实施例I图I示出了根据本实用新型的一个实施方式的一种内部换热式加氢气化炉的纵 向剖视图，其中使用的换热管4是环形盘管，外炉筒3和内炉筒9之间未设置气体挡板，并且相应地，合成气出口 11位于外炉筒的上部。该内部换热式加氢气化炉采用间壁换热的方式，如图I所示，主要以高温合成气的热量来预热常温原料气氢气。合成气出口 11设置在气化炉外炉筒3的中上部。气化炉的外炉筒3内壁上的保温层与气化炉的内炉筒9之间有IOcm左右的空隙，可以称之为间壁。间壁中间放置环形盘管换热管4，盘管材质为传热效果较好的金属材质，例如为不锈钢管、招管或铜管。一定温度的氢气通过氢气喷嘴2、12进入气化炉，与通过进煤喷嘴I进入气化炉的粉煤在气化反应区8发生加氢气化反应。反应后的高温合成气体、半焦和灰尘从气化炉内炉筒9的下部开口逸出，大部分半焦进入扩大段6，并从排渣口 7排出。夹带少量灰尘和半焦的高温合成气由气化炉内炉筒9的下部向周边扩散，沿着内炉筒9和外炉筒3之间的间壁向上流动。常温原料气氢气经过氢气入口 5进入内炉筒9外壁上的换热盘管4，与从气化炉内炉筒9逸出的高温合成气进行间壁换热，从而降低合成气出口 11的温度，同时将原料氢气预热到一定温度，降低加热原料氢气的能量消耗，提高系统的热效率。同时换热盘管4与反应炉的内炉筒9的外壁相连接，紧邻内炉筒9的换热盘管4内低温氢气也会吸收通过内炉筒9传递过来的气化反应放出的部分热量，避免了反应区温度升高对甲烷以及BTX产率的影响，降低气化炉的内炉筒9温度。实施例2图2示出了根据本实用新型的另一个实施方式的一种内部换热式加氢气化炉的纵向剖视图，其中使用的换热管4是环形盘管，外炉筒3和内炉筒9之间设置有气体挡板13，并且相应地，合成气出口 11位于外炉筒3的中下部。该内部换热式加氢气化炉采用内炉筒9外环形盘管换热的方式，如图2所示，主要以反应炉内炉筒9中的气化反应热量来预热常温原料气氢气。合成气出口 11设置在气化炉外炉筒3的中部偏下的位置，在气体挡板13的阻隔作用下，高温合成气体不再对原料氢气进行预热。一定温度的氢气通过氢气喷嘴2、12进入气化炉，与通过进煤喷嘴I进入气化炉的粉煤在气化反应区8发生加氢气化反应。反应后的高温合成气体、半焦和灰尘从气化炉内炉筒9的底部逸出，大部分半焦进入扩大段6，并从排渣口 7排出。夹带少量灰尘和半焦的高温合成气由气化炉内炉筒9的底部向周边扩散，并从合成气出口 11逸出。常温原料气氢气经过入口 5进入内炉筒9外壁上的换热盘管4，通过反应炉的内炉筒9的传热作用，吸收气化反应放出的部分热量，避免了反应区8温度升高对甲烷以及BTX产率的影响，降低气化炉的内炉筒9温度，并对气化炉的外炉筒3也起到一定的隔热作用，延长气化炉的内炉筒9和外炉筒3的使用寿命。实施例3图3示出了根据本实用新型的又一个实施方式的一种内部换热式加氢气化炉的纵向剖视图，其中使用的换热管4是竖管，外炉筒3和内炉筒9之间设置有气体挡板13并且相应地,合成气出口 11位于外炉筒3的中下部。更具体地,该内部换热式加氢气化炉采用内炉筒9外竖管4换热的方式，如图3所示，与实施例2中的内部换热式加氢气化炉类似，该内部换热式加氢气化炉主要以反应炉内炉筒9中的气化反应热量来预热常温原料气氢气，区别在于换热采用的是竖管，而不是环形盘管。合成气出口 11同样设置在气化炉外炉筒3的中部偏下的位置，在气体挡板13的阻隔作用下，高温合成气体不再对原料氢气进行预热。整体的物料运行过程与上述实施例2相同。与现有技术相比，本实用新型的内部换热式加氢气化炉具有以下优势I、将原料气(H2)由炉外预热的方式改为炉内预热方式，气化工艺结构更紧凑，减少用于原料氢气预热的高压蒸汽装置的制备成本和氢气燃烧器等装置的气体物料用量；2、采用高温合成气和/或部分内部高温反应热预热氢气，氢气换热管路更短，减少氢!气热损，并提闻系统热效率；3、将氢气的换热管缠绕或焊接在气化炉的内炉筒外侧，流经换热管的低温原料氢气在吸收气化反应放出的热量的同时，降低气化炉的内炉筒温度，并对气化炉的外炉筒也起到一定的隔热作用，延长气化炉的内炉筒和外炉筒的使用寿命；4、加氢气化反应是一个放热反应，在沿气化炉的纵轴方向，随着反应的进行，气化炉内温度逐渐升高。换热管内氢气逐渐吸收部分反应热，有利于实现炉内均匀的反应温度；以及5、利用低温氢气吸收部分反应热，有利于抑制反应温升，保证甲烷的产率，避免BTX在高温下分解，提高BTX收率。以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式
。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以作出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。
权利要求1.ー种内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述内部换热式加氢气化炉包括 圆筒形内炉筒(9)，其下端开ロ，上端与喷嘴部连接，所述喷嘴部设置有进煤喷嘴(I)和至少ー个氢气喷嘴(2，12)； 圆筒形外炉筒(3)，所述外炉筒(3)的上端与所述喷嘴部密封连接，所述外炉筒(3)的下端封闭以形成底部，并且所述底部设置有排渣ロ(7)，在所述外炉筒(3)的中上部或者中部设置有合成气出口(11);以及 换热管(4)，所述换热管(4)具有用于原料氢气进入的氢气入口(5)和用于经预热后的原料氢气排出的氢气出口(10)， 其中，所述外炉筒⑶的直径大于所述内炉筒(9)的直径，并且所述内炉筒(9)的长度小于所述外炉筒(3)的长度以将所述内炉筒(9)密封地套接在所述外炉筒(3)内，所述换热管(4)附着在所述内炉筒(9)的外壁上。
2.根据权利要求I所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述换热管(4)是环形盘管或竖管，或者所述换热管(4)通过焊接或者缠绕方式而固定在所述内炉筒(9)的外壁上，或者所述换热管(4)的管材为不锈钢、铜管或铝管，或者所述换热管(4)的外径为10 30mm,厚度为0. 25 I. Omm的,或者所述换热管(4)彼此之间的距离为2 5mm。
3.根据权利要求I所述的内部换热式加氢气化炉,其特征在于,所述外炉筒(3)的上部具有小于其下部的直径，以在所述外炉筒(3)的下部形成扩大段(6)。
4.根据权利要求I所述的内部换热式加氢气化炉,其特征在于,所述内炉筒(9)的下部具有小于其上部的直径，以在所述内炉筒(9)上部形成扩大段。
5.根据权利要求I所述的内部换热式加氢气化炉,其特征在于,所述氢气入口(5)的位置低于所述氢气出口(10)的位置。
6.根据权利要求I所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述加氢气化炉具有均匀分布在所述进煤喷嘴(I)周围的多个氢气喷嘴。
7.根据权利要求6所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述进煤喷嘴(I)的中心线与所述内炉筒(9)和所述外炉筒(3)的中心线重合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，在所述外炉筒(3)的内壁上设置有耐火衬层。
9.根据权利要求8所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述耐火衬层包括设置在所述外炉筒(3)的内壁与所述内炉筒(9)之间的硅铝酸棉层、莫来石层和刚玉层，并且所述刚玉层面向所述换热管(4)。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的内部换热式加氢气化炉，其特征在于，所述内炉筒(9)的下部与所述外炉筒(3)之间设置有气体挡板(13)，并且所述合成气出口(11)设置在所述气体挡板(13)的下方。
专利摘要本实用新型涉及一种内部换热式加氢气化炉，通过在位于外炉筒(3)内的内炉筒(9)的外壁上设置用于预热原料氢气的换热管(4)，吸收部分高温合成气的热量和/或部分气化反应热，实现对原料氢气的预热，从而减少氢气热损，提高系统热效率，减少原料氢气加热设备的功率负荷和物质消耗。实现气化反应区内反应温度的均匀，保证甲烷的产率，避免BTX在高温下分解，提高BTX收率。对气化炉的外炉筒起到一定的隔热作用，延长气化炉的使用寿命。
文档编号C07C15/04GK202754974SQ20122045601
公开日2013年2月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者汪国庆, 马丽荣, 毕继诚, 崔鑫, 周三 申请人:新奥科技发展有限公司