CN110876910A - 一种径向床等温变换炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向床等温变换炉，包括炉体、换热管和变换气收集管道；其特征在于：各换热管竖向布置，换热管的上端部和下部分别连接在上管板和下管板上；上管板和下管板均横向设置在炉体内，将炉体的内腔自上至下依次分隔为上腔、反应腔和下腔；各换热管的上端口均连通上腔，各换热管的下端口连通浮动管箱的内腔；浮动管箱容置在下腔内、限位在各换热管上并且不直接连接炉体；浮动管箱的入口连通界外锅炉水源，上腔的出口连通界外蒸汽回收设备；炉体上设有原料气入口，反应腔内设有连通原料气入口和反应区的气体分布器。

Description

一种径向床等温变换炉

技术领域

本发明涉及一种反应器，具体指一种径向床等温变换炉。

背景技术

国内在粉煤气化生成的高浓度CO变换流程设计过程中，变换炉较多的采用了绝热变换炉。由于粗合成气中CO含量高，同时变换反应是强放热过程，因此，变换单元在流程上均采用多台绝热炉串联设置，炉间移走反应热。这也造成了传统高浓度CO变换流程较复杂、变换炉台数多、系统压降大、设备投资高及变换炉温度控制困难等一系列问题。

等温变换炉的工作原理较简单，在等温变换炉内置入换热管道，当炉内发生CO变换反应时，通过锅炉给水副产蒸汽的方式移走反应热，这样就可以保持催化剂床层温度基本恒定。等温变换炉工作原理虽然简单，但在工程设计和装置实际运行过程中，对等温变换炉的要求却很高，要保证能够及时移走反应热、变换气分布要均匀，同时由于变换温度较高，炉内各部件的热应力集中是一个关键和重要的问题。

申请号201620153805.4的中国专利申请了《一种双球腔可控移热变换反应器》，但该专利对于换热管的连接及支撑措施不够合理，主要存在的问题如下：

换热管与上下球体连接时，大部分换热管的上下端部均需要通过弯曲来调节管道的排布形式及其间距，并且换热管弯曲时的曲率半径在扇面上是持续变化的。这首先会增加换热管排布时的加工制造难度，其次是当换热管处于工作状态时，在自身重力及管内物料重力的综合作用下，容易造成换热管弯曲形变，由于换热管是埋设在催化剂床层内的，换热管的形变必然要挤压其周边的催化剂，进而造成催化剂床层的疏密不均，这必将影响气体流场的均匀分布，导致催化剂床层内温度场的分布不均，最终对CO转化率以及催化剂寿命产生不利影响。

上下球体分别连接上下封头，且位于炉体轴线上。靠近炉体轴线的换热管两端与上下球体的连接近似直线，换热管的热变形位移没有膨胀节或自然弯曲来吸收，其热膨胀力直接作用在焊缝连接薄弱处，使得换热管与上下球体之间连接处局部热应力超标，而当热应力达到材料的屈服强度时，则会造成材料由弹性变形转变为塑性变形直至破坏。如果换热管一旦破裂，当管内压力大于管侧压力时，管内汽水混合物会溢出，破坏催化剂床层。而当管内压力大于管侧压力，则变换气会泄露到蒸汽系统中，在生产上存在极大安全隐患。另外换热管的热胀也容易造成本身扭曲变形，挤压催化剂床层，最终对CO转化率以及催化剂寿命产生不利影响。

申请号201210377926.3的中国专利申请了《一种CO全径向等温炉》，该专利通过平盖管板支撑换热管结构，由于平板结构的稳定性差，通常采用增加平板壁厚的方法提高稳定性。板厚的增加导致设备投资增加，设备制造难度增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种加工难度低、结构稳固、容易吸收热应力的径向床等温变换炉。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种径向床等温变换炉，包括炉体，设置在所述炉体内的多根换热管和变换气收集管道；其特征在于：

各所述换热管竖向布置，换热管的上端部和下部分别连接在上管板和下管板上；所述上管板和下管板均横向设置在所述炉体内，将所述炉体的内腔自上至下依次分隔为上腔、反应腔和下腔；

各所述换热管的上端口均连通所述上腔，各所述换热管的下端口连通浮动管箱的内腔，所述浮动管箱容置在所述下腔内、限位在各所述换热管上并且不直接连接所述炉体；所述浮动管箱的入口连通界外锅炉水源，所述上腔的出口连通界外蒸汽回收设备；

所述炉体上设有原料气入口，所述反应腔内设有连通所述原料气入口和所述反应区的气体分布器。

较好的，所述原料气入口设置在所述炉体的下端面上并连通所述下腔；所述下管板上间隔设有多个连通所述原料气入口和所述气体分布器的原料气通孔；

所述气体分布器为环形网罩，套设在各所述换热管外，其下端缘支撑设置在所述下管板上，其上端源密封连接所述炉体的内表面，所述环形网罩与所述炉体的内表面之间具有间隙，该间隙形成连通所述原料气通孔和所述环形网罩上网孔的原料气通道。

优选所述气体分布器的上端缘低于催化剂床层顶面600～1200mm，以避免原料气未经过催化剂床层充分反应直接进入变换气收集管道，造成短路而影响变换气出口组成。

所述炉体包括上封头、下封头和连接在两者之间的筒体；所述上管板连接在所述上封头的内壁上。上管板设置在上封头的空腔内，充分利用封头内的空间，与部分封头内壁组成独立空腔，结构设置合理紧凑，不占用或少占用筒体部分空间，能减少因占用筒体空间的无效筒体长度。

为方便检修，可以在所述上封头上设有连通所述上腔的第一人孔和蒸汽排放口，设有连通所述变换气收集管道的第二人孔。

上述各方案中，优选所述上管板包括下凸的弧形部和连接在所述弧形部周缘上的竖向连接筒节，所述连接筒节与所述弧形部圆滑过渡，所述连接筒节的上端缘连接在所述炉体的内壁上。采用圆筒状竖向连接筒节连接支撑下凸的弧形部，支撑受力面大，受力均匀，吊挂式结构，结构稳定性好。弧形结构受力稳定性远高于平板结构。

更好地，所述弧形部为椭圆形弧形部，所述弧形部的厚度

其中，

δ为弧形部的计算厚度，mm

p_c为上腔的最高设计压力，MPa；

D_i为弧形部的内直径，mm；

[σ]_t为设计温度下弧形部所使用材料的许用应力，MPa；

φ为焊接接头系数；

K为弧形部的椭圆形封头形状系数，

h_i为弧形部的内曲面高度，mm。当D_i＝2h_i时，弧形部为球形结构。

该方案相较于常规的平板结构的管板，厚壁可减薄60％～85％。因壁厚与炉体直径成正比关系，本方案有利于变换炉装置的大型化，且壁厚的减薄极大地降低了设备投资。

优选所述第二人孔设置在所述上封头上，所述第二人孔通过检修管道连通所述变换气收集管；所述弧形部的中部设有通孔，所述检修管道的下端缘连接所述通孔的周缘，所述检修管道的上端缘连接所述上封头；

所述变换气收集管道的上端口设有上端盖。

通过检修管道可装卸催化剂、检修变换气收集管道以及反应腔，并且检修管道的设计还起到吊挂、固定上管板的作用，上管板通过连接筒节和检修管道吊挂在上封头上，进一步稳固了变换炉的内部结构；且支撑受力面大，且受力均匀，一举三得。

更好的，所述变换气收集管道支撑设置在下封头上，其上端部穿过所述通孔套设在所述检修管道内。

为方便检修，可以在所述浮动管箱上设有检修用浮动管箱人孔；所述浮动管箱通过冷却水管道连接界外锅炉水源，所述冷却水管道上设有膨胀节。换热管固定在上管板上，上管板为热膨胀的基准点，当换热管及浮动管箱的温度高于筒体时，向下膨胀，当换热管及浮动管箱的温度低于筒体时，向上膨胀；膨胀节的设计能够有效吸收换热管以及浮动管箱的热应力。膨胀节根据热膨胀量的大小选择合适的膨胀节层数和波数。冷却水管道有多根，在同一圆周线上均布设置，每根冷却水管道上都设置膨胀节，膨胀节在吸收热应力的同时，通过下封头对浮动管箱及换热管进行辅助支撑，分担上管板的受力，有利于结构的稳定性。

换热管道平行于轴线垂直穿设在催化剂床层中且无弯制部分，只存在垂直方向的热变形，不会挤兑催化剂床层进而不会影响催化剂床层均匀分布。人孔的设计方便对有问题的换热管进行堵漏，也方便管箱的组焊施工。同时因上管板横向覆盖整个换热截面，因此适用于各类换热管布置方式而不受影响，如极轴排列、同心圆排列、正三角形排列，正方形排列等等。

优选在所述下封头上设有变换气出口、原料气入口和锅炉水口；所述变换气收集管道穿过所述浮动管箱连接所述变换气出口；所述冷却水管道连接所述锅炉水口。

与现有技术相比较，本申请将上管板连接在炉体上，换热管吊挂在上管板上，浮动管箱吊挂在换热管上，整个支撑形式为倒挂式结构，支撑受力稳定；换热管与上管板、下管板和浮动管箱之间可以垂直连接，不需要弯制，降低了变换炉的制作加工难度；换热管变形单一，受力单一，以拉应力为主，不产生径向变形，局部应力容易控制。

附图说明

图1为本发明实施例中变换炉部分的纵向剖视图；

图2为本发明浮动管箱结构安装的纵向剖视图

图3为本发明上管板安装结构的纵向剖视图

图4为本发明下管板结构的俯视图

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图4所示，该新型径向床等温变换炉包括：上封头11、下封头12、筒体13、炉体1、浮动管箱2、下管板6、换热管4、气体分布器7、变换气收集管道3、上管板8等主要部件组成。所述上管板和下管板均横向设置在所述炉体内，将所述炉体的内腔自上至下依次分隔为上腔、反应腔和下腔。

炉体1，由上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13组成。上封头11中心设有第二人孔14，第二人孔14上扣盖有人孔盖。下封头12设有原料气入口37和变换气出口36。

浮动管箱2，图2为本发明浮动管箱2的剖视图，由第一内筒节21、中心开大孔的第一凸形封头22、第一外筒节23、中心开大孔的环形管板24组焊形成的浮动式箱体2，形成第一空腔25。第一内筒节21与筒体13为同心布置的同心圆型结构。第一内筒节21的外径、第一凸形封头22中间开孔直径及环形管板24中间开孔直径三者一致，其大小根据变换气收集管道3的大小而定。第一凸形封头22上设有管口26和浮动管箱检修人孔27，管口26与锅炉水管道51连通，锅炉水管道51穿越下封头12连通外界系统，管口26可设置多个，均布，锅炉水管道51的数量与之匹配。锅炉水管道51上设有膨胀节51a，用于吸收热应力。浮动管箱检修人孔27用于换热管堵漏和管箱组焊。第一外筒节23的高度由外排换热管孔的检维修操作空间而定。第一凸形封头22可以是椭圆形封头、半球形封头、球冠形封头。

上管板8，图3为本发明上管板结构的剖视图，由连接筒节82和中部开通孔的下凸的弧形部83组成，连接筒节82的下端缘连接弧形部的周缘，两者的连接位置圆滑过渡；通孔的周缘连接检修管道81，检修管道81和连接筒节的上端缘均连接在上封头上。上封头11、上管板8以及检修管道81三者组焊后围合形成上腔84。检修管道81与筒体13为同心布置的同心圆型结构。检修管道81的外径与弧形部83中间开孔直径一致，其大小根据变换气收集管道3的大小而定。上封头设有蒸汽排放口52和第一人孔15分别连通上腔，蒸汽排放口52可设置多个，均布。第一人孔15用于换热管堵漏和上管板组焊，连接筒节82的高度由外排换热管孔的检维修操作空间而定。弧形部83可以是椭圆形封头、半球形封头、球冠形封头。

本实施例中的弧形部为椭圆形，弧形部的厚度δ按下述公式计算：

其中，

δ为弧形部的计算厚度，mm

p_c为上腔的最高设计压力，MPa；

D_i为弧形部的内直径，mm；

[σ]^t为设计温度下弧形部所使用材料的许用应力，MPa；

φ为焊接接头系数；

K为弧形部的椭圆形封头形状系数，

h_i为弧形部的内曲面高度，mm。当D_i＝2h_i时，弧形部为球形结构。

以配套3.8MPaG粉煤气化，炉体直径为3m的等温变换炉对比管板，采用平板管板结构其计算厚度约为260mm，而采用本发明的弧形部管板的计算厚度约为70mm。壁厚减薄了74％。板厚的减薄可降低设备投资，降低设备制造难度。同时板厚与炉体直径成正比关系，因此本方案有利于变换炉装置的大型化。

换热管4，有多根，平行于炉体1的轴线竖向垂直穿设在催化剂床层内，换热管在催化剂床层内间隔均匀的排布。换热管的下端与环形管板24焊接连接，换热管的入口与第一空腔25连通。换热管的上端与上管板8的弧形部83焊接连接，换热管的出口与上腔84连通。

变换气收集管道3，用于收集变换气，并将变换气通过变换气输送管道36送出炉体1，设置在炉体1的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中相邻筒体31通过法兰34相连接；埋设在催化剂床层内的各筒体31的侧壁上设有多个供变换气从催化剂床层进入到变换气收集管道3内的进气孔(图中未示出)，但距离催化剂上、下界面600～1200mm范围内不开设进气孔，以避免原料气未经过催化剂床层充分反应直接进入变换气收集管道，造成短路；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在变换气收集管道3的上端口上，端盖拆开后与上封头内腔以及第二人孔14相连通，供检修人员进入到变换气收集管道3中；变换气收集管3的下端口连接变换气输送管道36。变换气收集管道3也是催化剂装卸通道。

气体分布器7，环形网罩，与筒体13同心布置的同心圆型结构。结构型式类似现有技术的催化剂框的外框，气体分布器7与所述筒体13的侧壁之间的间隙构成原料气通道7a，埋设在催化剂床层内的气体分布器7的侧壁上设有多个均布的供原料气从原料气通道7a进入催化剂床层的进气孔(图中未示出)。气体分布器的上端缘低于催化剂床层顶面X为600～1200mm。以避免原料气未经过催化剂床层充分反应直接进入变换气收集管道，造成短路而影响变换气出口组成。

气体分布器7与变换气收集管道3外壁、下管板6及上管板8围合的空间为催化剂床层，用于装填催化剂。

下管板6，图4为本发明下管板结构的俯视图，下管板6设置在浮动管箱2的上方，下管板6与变换炉筒体13和变换气收集管道3筒体相焊接。

下管板6的外边缘开多个φ50～130的原料气通孔61，本实施例是φ80，原料气通孔61均布，用于原料气进入原料气通道7a。该下管板6用于支撑催化剂床层，限位换热管管束4。

该变换炉的工作原理描述如下：

原料气通过原料气入口37进入变换炉下封头的空腔内，通过下管板外边缘开设的原料气通孔进入原料气通道上行，经由气体分布器上的各通孔均匀进入催化剂床层，进行CO变换反应，形成变换气。汽包(图中未示出)内的冷却水通过自然循环方式经由锅炉水管道，第一空腔进入各换热管，取走催化剂床层的变换反应热，生成的汽水混合物进入上腔经由蒸汽排放口返回汽包进行汽液分离，副产蒸汽。变换气通过变换气收集管收集汇合经由变换气输送管道输送至下游系统。

Claims (10)

1.一种径向床等温变换炉，包括炉体，设置在所述炉体内的多根换热管和变换气收集管道；其特征在于：

各所述换热管竖向布置，换热管的上端部和下部分别连接在上管板和下管板上；所述上管板和下管板均横向设置在所述炉体内，将所述炉体的内腔自上至下依次分隔为上腔、反应腔和下腔；

各所述换热管的上端口均连通所述上腔，各所述换热管的下端口连通浮动管箱的内腔；所述浮动管箱容置在所述下腔内、限位在各所述换热管上并且不直接连接所述炉体；所述浮动管箱的入口连通界外锅炉水源，所述上腔的出口连通界外蒸汽回收设备；

所述炉体上设有原料气入口，所述反应腔内设有连通所述原料气入口和所述反应区的气体分布器。

2.根据权利要求1所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述原料气入口设置在所述炉体的下端面上并连通所述下腔；所述下管板上间隔设有多个连通所述原料气入口和所述气体分布器的原料气通孔；

所述气体分布器为环形网罩，套设在各所述换热管外，其下端缘支撑设置在所述下管板上，其上端源密封连接所述炉体的内表面，所述环形网罩与所述炉体的内表面之间具有间隙，该间隙形成连通所述原料气通孔和所述环形网罩上网孔的原料气通道。

3.根据权利要求2所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述气体分布器的上端缘低于催化剂床层顶面600～1200mm。

4.根据权利要求3所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述炉体包括上封头、下封头和连接在两者之间的筒体；

所述上管板连接在所述上封头的内壁上。

5.根据权利要求4所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述上封头上设有连通所述上腔的第一人孔和蒸汽排放口，设有连通所述变换气收集管的第二人孔。

6.根据权利要求4或5所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述上管板包括下凸的弧形部和连接在所述弧形部周缘上的竖向连接筒节，所述连接筒节与所述弧形部圆滑过渡，所述连接筒节的上端缘连接在所述炉体的内壁上。

7.根据权利要求6所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述弧形部为椭圆形弧形部，所述弧形部的厚度

其中，

δ为弧形部的计算厚度，mm

p_c为上腔的最高设计压力，MPa；

D_i为弧形部的内直径，mm；

[σ]^t为设计温度下弧形部所使用材料的许用应力，MPa；

φ为焊接接头系数；

K为弧形部的椭圆形封头形状系数，

h_i为弧形部内曲面高度，mm。当D_i＝2h_i时，弧形部为球形结构。

8.根据权利要求7所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述第二人孔设置在所述上封头上，所述第二人孔通过检修管道连通所述变换气收集管；所述弧形部的中部设有通孔，所述检修管道的下端缘连接所述通孔的周缘，所述检修管道的上端缘连接所述上封头；

所述变换气收集管道的上端口设有上端盖。

9.根据权利要求8所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述浮动管箱上设有检修用浮动管箱人孔；所述浮动管箱通过冷却水管道连接界外锅炉水源，所述冷却水管道上设有膨胀节。

10.根据权利要求9所述的径向床等温变换炉，其特征在于所述下封头上设有变换气出口、原料气入口和锅炉水口；所述变换气收集管道穿过所述浮动管箱连接所述变换气出口；所述冷却水管道连接所述锅炉水口。

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