專利名稱：一種徑向套管式冷卻甲烷化爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及甲烷化爐，特別適合煤化工領域中烷氨聯(lián)產中的合成天然氣工藝，是一種新型的、高效的、均溫型甲烷化爐。
背景技術：
我國的能源特征是“缺油、少氣、富煤”，煤炭資源相對豐富，天然氣資源相對較少。 隨著中國經濟發(fā)展，天然氣的工業(yè)用量尤其民用量大幅度增加，目前的產量已不能滿足人們的日益增長的生產和生活的需要。又由于天然氣熱值高，便于輸送且輸送成本低等優(yōu)勢， 合成天然氣技術有了廣闊的發(fā)展前景并將廣泛應用于人們的生產和日常生活。人工合成天然氣工藝中最核心設備是甲烷化爐，甲烷化爐的結構形式以及內件的設計直接影響設備的投資和運行效率進而影響整個裝置的投資造價以及運行成本。
人工合成天然氣有直接法和間接法，間接法的流程為煤氣化-變換-凈化-甲烷化-SNG ；直接法的流程為煤氣化-脫硫-甲烷化-脫碳-SNG，粗煤氣不經過變換，由煤氣中CO直接在水蒸汽下發(fā)生甲烷化。間接甲烷化技術上比較成熟優(yōu)于直接法，主要以間接甲烷化技術為主，直接甲烷化技術尚無工程業(yè)績。
間接法的主要過程為由煤氣化制得的合成氣經過變換調整H/C比，其中的H2、 CO、CO2在甲烷化爐內進行甲烷化反應可制取合成天然氣，反應如下
C0+3H2 = CH4+H20+206KJ/mol(1)
C02+4H2 = CH4+2H20+165KJ/mol (2)
甲烷化反應⑴和⑵為強放熱反應，反應熱為合成氨的4倍，合成甲醇的2倍， 因此較高的反應熱可導致很大的絕熱溫升。設備的高溫操作，帶來選材以及結構設計的難題，并且由于材料高溫下許用應力較低，導致設備材料厚度超標，設備笨重龐大。另外高溫情況下(及高于600°C)有熱裂解和析碳現(xiàn)象的發(fā)生，因此解決高熱量的移走以及熱量有效回收利用是甲烷化爐的關鍵。
目前國內外的技術主要有丹麥TOPS0E開發(fā)的甲烷循環(huán)工藝(TREMPTM)和英國DAVY公司的CRG甲烷化技術，兩種技術的甲烷化爐均為絕熱型。移走熱量基本采用兩種方法即稀釋法和激冷法稀釋法是用甲烷化反應后循環(huán)氣稀釋合成原料氣降溫，然后用廢熱鍋爐回收反應熱得到高壓蒸汽；激冷法就是在反應器催化床層之間不斷加入低溫的新鮮氣，以降低入口氣體溫度和CO組分的濃度。這兩種方法均需要配置循環(huán)壓縮機，增加了裝置投資和耗費大量電能，增加運行的成本。
國內的均溫甲烷化技術主要采用焦爐氣合成天然氣，其針對于低濃度CO、高濃度 CH4含量的合成氣組分，且國內技術的處理量較小，尚不能滿足大型工業(yè)化的要求。另外，合成氨工業(yè)中的甲烷化更是如此，由于CO和(X)2會使氨合成催化劑中毒，在合成氣進合成反應器前需將微量的CO和(X)2轉化為CH4,甲烷化的目的僅為去除雜質，而非合成生產生活所需的天然氣。目前國內外的甲烷化技術受到了反應高溫以及產量受限的制約。發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種以雙套管換熱的徑向反應的均溫型甲烷化爐，進而通過本發(fā)明可以解決高溫帶來的設備選材、催化劑失效、以及設備大型化等問題。
本發(fā)明的上述目的是通過提供一種徑向套管式冷卻甲烷化爐實現(xiàn)的。
所述的一種徑向套管式冷卻甲烷化爐，包括甲烷化爐外筒體，位于外筒體上部的上封頭，以及封閉爐外筒體下部的下球頭；其中，下球頭一側設有原料氣進口，另一側設有合成氣引出管，爐內壁與催化劑框圍成環(huán)隙，原料氣體通過由下球頭構成的進氣腔進入環(huán)隙中；上封頭設有催化劑裝填口，催化劑由催化劑裝填口加入爐內；催化劑框支撐于催化劑支撐上，其上設有催化劑框通氣孔，原料氣穿過通氣孔與催化劑接觸并發(fā)生反應；爐內的中心位置設有中心集氣管，外筒體的催化劑框內設置有沿外筒體軸向布置的套管，所述套管沿徑向覆蓋催化劑框與中心集氣管圍成的空間內部中心集氣管壁上設有集氣管通氣孔， 合成氣通過置于中心集氣管上的通氣孔進入集氣管內，經過卸料管與合成氣引出管圍成的環(huán)隙并最終由合成氣出口排出。
優(yōu)選地，所述外套管內部設有內管。
優(yōu)選地，催化劑框底部設有卸料錐，該卸料錐小端設有卸料管，催化劑由催化劑裝填口加入爐內后，沉積在卸料錐上并填充至卸料管內。
優(yōu)選地，卸料錐的錐壁上設有卸料錐通氣孔，合成氣最終穿過卸料錐通氣孔進入由卸料管與合成氣引出管圍成的環(huán)隙中，并最終由合成氣出口排出。
優(yōu)選地，卸料錐設有卸料錐支撐，該支撐另一端支撐于催化劑框支撐上。
優(yōu)選地，中心集氣管上端設有盲板，管周圍設有中心管支撐板，其上端設有盲板。
優(yōu)選地，上封頭上方設有管板，其支撐上筒體，所述上筒體的頂部設有大蓋；上筒體一側設有汽液出口，另一側設有冷卻水進口。
優(yōu)選地，冷卻水從冷卻水進口流入，通過液體分布器得到均勻分配并進入內管中， 后折流至外套管，冷卻水吸收反應熱形成高壓蒸汽，從外套管與內管的環(huán)隙流出，經由汽液出口流出。
優(yōu)選地，所述冷卻水進口通過膨脹節(jié)與液體分布器相連接，其中在該液體分布器中形成液體分布空間。
通過本發(fā)明的技術方案，可以實現(xiàn)以下優(yōu)點
>采用雙套管結構，較固定管板結構消除了較高溫差應力以及安裝的殘余應力，結構的溫度場分布均勻，冷卻流體流速均勻，流通阻力減小。
>采用均溫型甲烷化爐，一定流速的冷卻水將熱量及時取走，避免了高溫時的催化劑失活，同時避免了 CH4在高于600°C以上熱裂解現(xiàn)象(見反應幻的發(fā)生，設備溫度得到控制，并且可應用國產催化劑，增加了催化劑的可選擇性，延長催化劑的壽命。
CH4 = 2H2+C-74KJ/mol (3)
>反應氣體沿催化劑框徑向流動，提高了反應效率，減少了催化劑的裝填量。同時， 減少了氣體與催化劑的過度接觸，避免了因析碳(見反應4)引起的催化劑失活現(xiàn)象的發(fā)生。
2C0 = C02+C-172KJ/mol (4)
>下部卸料口采用錐形料斗卸料，便于催化劑的卸料操作。


圖1為徑向套管式冷卻甲烷化爐結構示意圖。
附圖標記列表
1、原料氣進口 2、下球頭、3進氣腔4、催化劑框支撐5、催化劑框6、催化劑框通氣孔7、外筒體8、環(huán)隙9、外套管10、內管11、催化劑12、集氣管通氣孔13、中心集氣管14、上封頭15、催化劑裝填口 16、管板17、上筒體18、汽液出口 19、大蓋20、膨脹節(jié) 21、冷卻水進口 22、液體分布空間23、液體分布器24、盲板25、中心管支撐板26、卸料錐 27、卸料錐支撐28、卸料錐通氣孔29、卸料管30、環(huán)隙31、合成氣引出管32、合成氣出口 33、卸料口具體實施方式
下面將結合本發(fā)明的附圖對本發(fā)明的甲烷化爐的最優(yōu)選結構加以詳細的描述。
如圖所示，該甲烷化爐包括甲烷化爐外筒體7，位于外筒體上部的上封頭14，以及封閉爐外筒體下部的下球頭2。下球頭一側設有原料氣進口 1，原料氣體通過下球頭內的進氣腔3進入爐內壁與催化劑框5圍成的環(huán)隙8中。上封頭14上設有催化劑裝填口 15，催化劑11由催化劑裝填口 15加入爐內。在環(huán)隙8的徑向內側設有催化劑框5，其支撐于催化劑支撐4上，所述催化劑框上設有催化劑框通氣孔6，在外筒體7內設置有沿外筒體軸向布置的套管9，其沿徑向覆蓋催化劑框5與中心集氣管13圍成的空間內部。套管9內部設有內管10。下球頭2上方設有卸料錐沈，該卸料錐小端設有卸料管四。卸料錐沈頭部設有卸料錐支撐27，該支撐27另一端支撐于卸料錐支撐4上。卸料錐沈的錐壁上設有通氣孔觀，卸料管四外側設有環(huán)隙30。爐內的中心位置設有中心集氣管13，上端設有盲板M，管的周圍設有中心管上支撐25。集氣管壁上設有集氣管通氣孔12，合成氣引出管31置于下球頭2并與催化劑框5相連接，合成氣出口 32置于合成氣引出管上。
其中，在工作過程中，催化劑11由催化劑裝填口 15加入爐內，沉積在卸料錐沈上并填充至卸料管四內。原料氣穿過通氣孔6與催化劑接觸并發(fā)生反應，原料氣(C0、C02、 H2)通過原料氣進口 1進入環(huán)隙8，原料氣沿環(huán)隙軸向流動，上行過程中通過催化劑框通氣孔6徑向流入進入催化劑床層，在催化劑的作用下反應生成CH4,由于反應為體積減小過程， 生成的CH4氣體在壓差作用下徑向流動，通過集氣管通氣孔12進入中心集氣管13，聚集的 CH4氣體向下流動，通過卸料錐沈上的通氣孔28進入環(huán)隙30從而經合成氣出口 32流出。
其中，甲烷化爐的冷卻部分的設置為在上封頭14上方設有管板16，其支撐上筒體17，所述上筒體17的頂部設有大蓋19 ；上筒體17 —側設有汽液出口 18，另一側設有冷卻水進口 21冷卻水進口通過膨脹節(jié)20與液體分布器23相連接，并在該液體分布器中形成液體分布空間22。
在工作過程中，冷卻水從進口 21流入，通過液體分布器23得到均勻分配，冷卻水進入內管10，折流至外套管9，冷卻水吸收合成甲烷的反應熱，產生高壓蒸汽，高壓蒸汽通過外套管9與內管10的環(huán)隙流出，通過汽液出口 18流出。
以上已經結合了本發(fā)明的最優(yōu)選實施例對本發(fā)明的徑向套管式冷卻甲烷化爐作出了詳細的描述，然而本領域的技術人員可以認識到，在不背離本發(fā)明的實質和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變化。應當認為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例是描述性的，而非限定性的，本發(fā)明的范圍應當根據(jù)所附的獨立權利要求加以確定。
權利要求
1.一種徑向套管式冷卻甲烷化爐，其包括甲烷化爐外筒體7，位于外筒體上部的上封頭14，以及封閉爐外筒體下部的下球頭2 ；其中，下球頭2 —側設有原料氣進口 1，另一側設有合成氣引出管31，爐內壁與催化劑框5圍成環(huán)隙8，原料氣體通過由下球頭構成的進氣腔 3進入環(huán)隙8中；上封頭14設有催化劑裝填口 15，催化劑11由催化劑裝填口 15加入爐內； 催化劑框5支撐于催化劑支撐4上，其上設有催化劑框通氣孔6，原料氣穿過通氣孔6與催化劑接觸并發(fā)生反應；爐內的中心位置設有中心集氣管13，外筒體7催化劑框5內設置有沿外筒體軸向布置的套管9，所述套管沿徑向覆蓋催化劑框5與中心集氣管13圍成的空間內部；中心集氣管13壁上設有集氣管通氣孔12，合成氣通過集氣管通氣孔12進入集氣管內，并經過卸料管四與合成氣引出管31圍成的環(huán)隙30，并最終由合成氣出口 32排出，所述合成氣引出管31置于下球頭2并與催化劑框5相連接，所述合成氣出口 32置于合成氣引出管上。
2.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，所述外套管9內部設有內管10。
3.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，催化劑框5底部設有卸料錐沈，該卸料錐的小端端部設有卸料管四，催化劑11由催化劑裝填口 15加入爐內后， 沉積在卸料錐沈上并填充至卸料管四內。
4.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，卸料錐沈的錐壁上設有卸料錐通氣孔觀，合成氣最終穿過卸料錐通氣孔觀進入由卸料管四與合成氣引出管 31圍成的環(huán)隙30中，并最終由合成氣出口 32排出。
5.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，卸料錐沈設有卸料錐支撐27，該支撐27另一端支撐于催化劑框支撐4上。
6.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，中心集氣管上端設有盲板M，管周圍設有中心管支撐板25，其上端設有盲板24。
7.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，上封頭14上方設有管板16，其支撐上筒體17，所述上筒體17的頂部設有大蓋19 ；上筒17 —側設有汽液出口 18，另一側設有冷卻水進口 21。
8.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，冷卻水從冷卻水進口 21流入，通過液體分布器23得到均勻分配并進入內管10中，后折流至外套管9，冷卻水吸收反應熱形成高壓蒸汽，從外套管9與內管10的環(huán)隙流出，經由汽液出口 18流出。
9.根據(jù)權利要求1所述的徑向套管式冷卻甲烷化爐，其特征在于，所述冷卻水進口通過膨脹節(jié)20與液體分布器23相連接，其中在該液體分布器中形成液體分布空間22。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種徑向套管式冷卻甲烷化爐，包括甲烷化爐外筒體，上封頭以及下球頭。下球頭一側設有原料氣進口，另一側設有合成氣引出管，爐內壁與催化劑框圍成一環(huán)隙，原料氣體通過由下球頭構成的進氣腔進入該環(huán)隙中。上封頭上設有催化劑裝填口，催化劑由催化劑裝填口加入爐內。催化劑框支撐于催化劑支撐上，其上設有催化劑框通氣孔，原料氣穿過通氣孔與催化劑接觸并發(fā)生反應。爐內中心位置設有中心集氣管，在外筒體催化劑框內設置有沿外筒體軸向布置的套管，所述套管沿徑向覆蓋催化劑框與中心集氣管圍成的空間內部。合成氣通過置于中心集氣管上的通氣孔進入集氣管內，經過卸料管與合成氣引出管圍成的環(huán)隙并最終由合成氣出口排出。冷卻水從冷卻水進口流入，通過液體分布器得到均勻分配并進入內管中，后折流至外套管，冷卻水吸收反應熱形成高壓蒸汽，從外套管與內管流出，經由汽液出口流出。
文檔編號C07C1/04GK102513036SQ201110456489
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權日2011年12月30日
發(fā)明者姜從斌, 楊國政, 王洋, 甘曉雁, 路遙, 陳鳴鳴 申請人:航天長征化學工程股份有限公司