天然气制氢系统中的集成式换热设备的制作方法

本发明涉及一种换热设备，尤其是涉及应用于天然气制氢系统中的集成式换热设备。

背景技术

当前，天然气制氢装置中对高温烟气的热量利用一般是采用对流段的方式，所述的对流段由若干独立的换热列管组成。高温烟气通过对流段时，依次与天然气蒸汽混合气、原料天然气、锅炉给水、空气等进行换热，最后通过引风机排入大气。对转化气的热量回收则是通过一个独立的转化气废热锅炉进行余热回收，所述的废热锅炉一般是列管式换热设备，其中管程走转化气，壳程走锅炉给水，转化气与锅炉给水换热后产生饱和蒸汽。

对于小型装置而言，烟气对流段内的各个换热列管，50％以上位于管箱的保温层中，并没有与烟气进行直接接触换热；为了保证烟气热量的利用率，对流段的换热列管具有换热管数量多、面积大、投资高、占地大等缺点。

此外，在现有的方案中，烟气对流段都会设置烟气废热锅炉，将剩余的烟气热量与锅炉给水换热，而转化气通过独立的转化气废热锅炉与锅炉给水换热，这造成了设备和资源的重复和浪费。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种天然气制氢系统中的集成式换热设备，将原料天然气、天然气蒸汽混合气、转化气、烟气、锅炉给水等多种介质联合起来换热，不同的介质在不同的换热通道，最终各自达到各自的换热目的。

所述的集成式换热设备包括一体式制成的第一换热部和第二换热部；其中，所述第一换热部包括烟气筒体、原料天然气盘管以及天然气蒸汽混合气盘管，所述第二换热部包括转化气管束、第一烟气管束以及锅炉给水壳体；所述第一烟气管束串接于所述烟气筒体的出口。

优选的，所述原料天然气盘管和所述天然气蒸汽混合气盘管内嵌于所述烟气筒体中，所述天然气蒸汽混合气盘管位于所述烟气筒体的入口与所述原料天然气盘管之间。

优选的，所述烟气筒体的内壁设有隔热层。

优选的，所述烟气筒体的内部沿筒体长度的方向设有若干折流板。

优选的，所述第二换热部还包括第二烟气管束，用于使所述第一烟气管束输出的烟气再次与锅炉给水换热。

优选的，所述第一烟气管束、所述第二烟气管束以及所述转化气管束的布局与圆筒形的锅炉给水壳体相适配，使得所述集成式换热设备的体积或占地面积最小化。

具体的，所述第二烟气管束位于所述第一烟气管束上侧或下侧。

具体的，所述转化气管束位于所述第一烟气管束和所述第二烟气管束的前侧或后侧。

通过上述的集成式换热设备，将原料天然气、天然气蒸汽混合气、转化气、烟气、锅炉给水等多种介质联合起来换热，将天然气制氢工艺中的多台换热设备进行合理优化、有效集成，可以节省设备投资，同时提高系统的换热效率，降低装置的热损失，最终降低装置的能耗。

附图说明

图1为一示例性的天然气制氢工艺流程示意图；

图2a为一示例性实施例的集成式换热设备的主视示意图；

图2b为一示例性实施例的集成式换热设备的俯视示意图；

图2c为一示例性实施例的集成式换热设备的左视示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更详细地阐述。

参考图1，传统的天然气制氢工艺包括以下步骤。

脱硫步骤：将原料天然气预热至约300～400℃左右后进行脱硫处理。本实施例中的原料天然气是以甲烷为主的天然气，含有多种杂质，通常含有微量硫。脱硫的目的在于避免后面步骤中的催化剂中毒，转化催化剂在使用过程中极易受到毒害而丧失活性，对原料中的杂质含量有严格的要求，尤其是硫的含量。由于天然气中含微量硫，因此必须先对天然气进行脱硫处理。

转化步骤：转化过程在转化炉中进行。一般的转化炉包括对流段和辐射段，脱硫处理后的天然气与蒸汽混合气先在转化炉的对流段中预热至约500～600℃，再进入转化炉的辐射段进行转化反应。所述转化炉所需的热量由燃料气提供，燃料气包括原料天然气。在催化剂(优选为金属镍)的作用下，转化反应包括：

ch4+h2o＝co+3h2，

co+3h2＝ch4+h2o，

co+h2o＝co2+h2，

生成的转化气主要包括氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。

需要说明的是，上述脱硫步骤中提及的原料天然气的预热过程也是在转化炉的其中一个对流段中完成的。转化炉中燃烧加热产生的烟气温度为800-900℃。

变换步骤：高温转化气(一般在750～850℃之间)经一个转化气蒸汽发生器(废热锅炉)换热后，降低温度进入变换工序，中温变换的温度为330-360℃。在催化剂fe2o3.cr2o3的作用下发生变换反应：co+h2o＝co2+h2。通过中温变换反应，将气体中co含量降低到2％以下，同时继续生产氢气。中变换气经过热交换回收部分余热后，再经冷却器冷却分水后进入psa部分。

纯化步骤：采用psa净化工艺。具体地，经过冷却、分水后的中变气，进入psa单元，吸附除去氢气以外的其它杂质(ch4、co、co2、h2o等)，使产品氢气得以净化，杂质解吸后送至转化炉中作为燃料气。

需要进一步说明的是，在上述的天然气制氢工艺流程中，转化炉中产生的烟气热量通过与原料天然气、天然气蒸汽混合气换热后，仍有大量余热，一般的流程是，将富热烟气进一步依次通过废热锅炉(与锅炉给水换热)和空气换热设备(与空气换热)，然后由烟囱排出。

基于前述的天然气制氢工艺的背景说明，本发明提出一种集成式换热设备，将原料天然气、天然气蒸汽混合气、转化气、烟气、锅炉给水等多种介质联合起来换热，不同的介质经过不同的换热通道，最终各自达到各自的换热目的。

具体的，请一并参考图2a、图2b及图2c。

所述的集成式换热设备包括一体式制成的第一换热部和第二换热部。其中，第一换热部包括烟气筒体212、原料天然气盘管214以及天然气蒸汽混合气盘管216；第二换热部包括转化气管束224、第一烟气管束226以及锅炉给水壳体222；第一烟气管束226串接于烟气筒体212的出口。

上述的集成式换热设备的换热过程如下。

转化炉中燃烧输出的烟气经过烟气筒体212与原料天然气盘管214中的原料天然气以及天然气蒸汽混合气盘管216中的天然气蒸汽混合气进行换热。其中原料天然气吸收烟气的热量以进入前述的脱硫步骤，天然气蒸汽混合气吸收烟气的热量以进入前述的转化步骤。

烟气筒体212中的烟气经过第一换热部的换热过程后进入第二换热部的第一烟气管束226；锅炉给水壳体222中的锅炉给水与第一烟气管束226中的烟气和转化气管束224中的转化气进行换热，换热过程中产生的部分蒸汽可用于与脱硫后的天然气形成天然气蒸汽混合气作为转化炉中的反应气体。

上述第二换热部中，锅炉给水同时与经过第一烟气管束中的烟气和经过转化气管束的转化气换热，相较于传统换热设计方案，提高了废热锅炉设备和锅炉给水资源的复用率，进而降低了整个系统换热设备的数量，优化了换热管道布局，降低了整个系统的占地面积和运行成本。

由于天然气蒸汽混合气的换热温度高于原料天然气的换热温度，优选的，天然气蒸汽混合气盘管214内嵌于烟气筒体212的入口和原料天然气盘管216之间，使天然气蒸汽混合气优先与转化炉输出的高温烟气进行换热，从而更合理地利用烟气的热量，降低系统的能量损失。

优选地，烟气筒体212的内壁设置隔热层218，例如厚度为50～100mm的硅酸盐材料层，使高温烟气仅与原料天然气和天然气蒸汽混合气进行换热，换热温度不受锅炉给水壳体222中的相对低温的水的影响。

优选的，烟气筒体212的内部沿筒体长度方向设有若干折流板(图中未示)，以增加烟气在筒体内的停留时间，降低烟气筒体212的长度，从而降低整个换热设备的占地面积。所述的若干折流板为耐高温的不锈钢圆环形折流板。

由于整个系统中的烟气的温度较高，初始温度为800-900℃，经过锅炉给水换热后进入空气换热之前的温度一般需要达到250℃左右；优选的，为控制第一烟气管束226的长度以减少整个集成式换热设备的占地面积，增加设置第二烟气管束228，其中第二烟气管束228位于第一烟气管束226上侧，第一烟气管束226输出的烟气经过一烟气罩232后进入第二烟气管束228与锅炉给水换热。

本领域技术人员容易理解的，不限于本实施例的公开，第二烟气管束228也可以设置于第一烟气管束226下侧，可根据具体施工环境灵活设计。

根据本公开的示例，转化气管束224设置于第一烟气管束226和第二烟气管束228的后侧，本领域技术人员容易想到，转化气管束224也可以设置于第一烟气管束226和第二烟气管束228前侧，可根据具体施工环境灵活设计。

具体的，前述转化气管束224、第一烟气管束226以及第二烟气管束228的布局应考虑与圆筒形的锅炉给水壳体相适配，使得所述的集成式换热设备的体积或占地面积最小化。

通过上述方式，将天然气制氢工艺中的多个分立的换热设备进行高度集成，节省了设备投资，提高了系统的换热效率，降低了装置的热损失和能耗。