1.本实用新型涉及一种分段式水煤气变换炉，为水煤气变换器领域。
背景技术：2.绝热式变换炉作为水煤气变换的设备，在生产时，需要将反应热及时排出变换炉，以控制炉内温度，使炉内的反应温度保持在设定范围内。目前，变换炉的换热介质以汽水混合物为主，从变换炉排出汽水混合物或直接生成饱和汽，其中的汽水混合物在闪蒸出蒸汽后，继续返回变换炉内作用换热介质。目前，水煤气中co含量较高，最高能够达到约70％，导致变换炉在工作时，在轴向方向上，反应温升较快，容易产生“飞温”现象。为避免“飞温”现象，一般采用多台变换炉串联的方式进行生产，并采用不同温度的介质将其中的反应热移出。
3.采用串联变换炉来进行水煤气变换，能够较好地解决“飞温”现象，但却导致变换装置的设备较多，控制点增加，增加了工艺控制难度，也增加了设备的购置费用。
技术实现要素：4.为最大限度地减少或避免“飞温”现象，本技术提出来一种分段式水煤气变换炉，其包括一外壳，该外壳沿竖直方向延伸，在外壳内设置有一冷激区，在冷激区的上侧设置有上反应区，在冷激区的下侧设置有下反应区，在外壳上设置有连通冷激区的冷激气管；在上反应区的底部安装有上触媒支撑格栅，在下反应区的底部安装有下触媒支撑格栅；
5.在下反应区内设置有至少三个盘管换热部，该至少三个盘管换热部沿高度方向间隔设置，其中位于最上方的盘管换热部称为首级盘管换热部，位于最下方的盘管换热部称为末级盘管换热部，首级盘管换热部与末级盘管换热部之间的盘管换热部称为中间盘管换热部；在外壳的顶部设置有进气管，在外壳的底部设置有排气管。
6.本技术中，在水煤气变换炉内，设置了两个上下两个反应区，且在下反应区内，沿上下方向设置了多个盘管换热部，能够对下反应区内不同高度的反应区域进行单独的温度调控，以使整个下反应区的反应温度处于最佳的反应温度内，有利于提高生产效率。目前所采用的列管换热装置，移热介质无论是采用逆流还是顺流方式，沿移热介质的流动方向，移热介质的温度逐渐升高，换热效果降低，且为了避免产生“飞温”，需要限制变换炉的最高反应温度，导致部分区域的反应温度无法处于最佳的反应温度，只能在稍低的反应温度下进行反应，限制了生产效率的提升。
7.在部分生产工艺中，为了提高生产效率，是使反应温度的上限略低于产生“飞温”的温度点，但是在实际操作中，由于水煤气进料的波动，极易使反应温度超标，产生“飞温”现象，且使工艺控制的难度加大。
8.而在本技术中，由于在高度方向上设置了多个盘管换热部，能够单独对每个盘管换热部内的移热介质的用量、入口温度和出口温度进行调整，从而精确控制下反应区内在轴向方向上各区域的反应温度，有利于下反应区内反应温度的平稳控制。利用本技术，能够
使下反应区内的最高反应温度与最低反应温度的温差控制在30-40℃，且使下反应区的反应温度沿一弧线平稳移动，使下反应区内的反应温度处于最高反应温度区域内。在下反应区域内，同一高度层内反应温度的变化控制在1-3℃。
9.而在现有技术中，同一高度层内反应温度的变化在6-8℃内，这种大幅度的变化，主要是由于冷激气的加入以及换热介质流量波动所造成的。在目前，一方面，为控制反应温度，会将部分原料气作为冷激气，由反应器的中部补充到反应器内，在生产过程中，虽然尽量保持原料气进料量和进料温度的稳定，以使反应平稳进行，但是由于原料气总会产生一定的波动性，从而导致冷激气的波动，造成反应器内局部反应温度的波动加大；另一方面，移热介质一般采用汽水混合物，而且在整个反应器内，同一根换热管在高度方向上贯穿整个反应区域，由于采用逆流换热，移热介质由下向上流动，在达到最高反应区域时，其移热功能已大幅度降低，而且在现在的生产过程中，反应温度往往是控制在最高反应区域内，一旦反应温度产生波动，就会产生超温，易于产生“飞温”现象，为了避免造成“飞温”现象，当反应温度向上超过设定温度时，为使反应温度快速下移，在调节移热介质的流量时，往往会超额调整，导致反应温度的波动加大。
10.而在本技术中，由于在下反应区内设置了多个盘管换热部，对于各个区域的反应温度能够及时单独调整，降低了其温度波动幅度。并且能够根据进气和冷激气气量的变化及时调整首级换热部内移热介质的参数，降低下反应区顶部区域温度的变化。
11.进一步，在上反应区内不设置换热装置。上反应区作为反应的起始阶段，易于产生结焦现象，设置一个独立的上反应区，能够便于单独对上反应区内的第一触媒进行单独更换，降低对下反应区内第二触媒的更换频率，而在现有技术中，采用单一反应区的变换炉内，所有的触媒需要根据进气端触媒的结焦情况进行更换，实际上大部分的触媒仍处于有效反应阶段，造成了大量有效触媒的更换，增加了运行成本。利用上反应区，使反应温度上升到设定反应温度区域内，并在冷激气的降温作用下，使反应气体以设定温度进入到下反应区内。由于上反应区的反应时间较短，无需设置换热装置。
12.进一步，为避免上反应区内的反应温度超标，产生“飞温”现象，并使反应主要集中在下反应区内，以提高反应热的回收，上反应区与下反应区的高度比例为1：(2-5)。由于上反应区为原料气的初始反应区，原料气的温度相对较低，能够吸收大量的反应热，因此在将上反应区的高度控制在一定的比例范围，能够使反应混合气的温度未达到产生“飞温”现象的温度前，进入到冷激区内，降低反应混合气的温度，同时冷激区内的冷激气也能够对上反应区内的温度形成抑制，避免在上反应区内产生“飞温”现象。但是上反应区的高度也不宜太高，由于随着反应的进行，反应混合气的温度会逐渐升高，上反应区的高度太高时，极易使反应混合气的温度超过设定温度，产生“飞温”现象，因此上反应区内第一触媒的装填高度最好控制在1.5-2.5米内，在上述第一触媒的装填高度范围内，能够有效地避免反应混合气的温度超过设定温度。
13.进一步，为避免进气对上反应区内的第一触媒冲击过大，造成大量第一触媒颗粒的破碎，在进气管位于外壳内的一端上安装有布气器，该布气器包括一底板和设置在该底板上方的至少三块环形板，该至少三块环形板沿竖直方向间隔设置，该底板和各环形板均沿水平方向延伸，在相邻的两块环形板之间、以及底板与相邻的环形板之间均设置若干块导流板，各导流板均沿竖直方向延伸，且导流板均由径向转动一角度后所形成，且所有导流
板的转动方向相同。进一步，底板上不设置贯穿底板的上表面和下表面的通孔。利用上布气器，使水煤气从进气管进入到外壳内后，能够经布气器向四周流动，并在导流板的作用下，形成螺旋气流，以能够均匀地进入到上反应区内。
14.进一步，每一盘管换热部均包括一进口管、一出口管和两端分别连接在该进口管和出口管上的若干根换热管，同一盘管换热部内的若干根换热管中，至少包括两根螺旋换热管，螺旋换热管绕外壳的中心轴线螺旋延伸；相邻的两个换热管之间具有间隙。相邻换热管之间的间隙控制在50-150mm之间。
15.该设计能够使换热管均匀地布置在下反应区内，对第二换热区内的反应热均匀吸收，以使下反应区内各处的反应温度较为均匀。由于采用了螺旋管的结构形式，使得换热管能够在一个小的区域内尽量延长其长度，提高换热的均匀性。
16.进一步，为提高换热效果，至少有一个盘管换热部中的所有换热管均为螺旋换热管。
17.进一步，为使下反应区内的反应温度平稳变化，首级盘管换热部和末级盘管换热部均用于流通锅炉水，所有中间盘管换热部均用于流通饱和蒸汽。冷激区内的反应混合气在进入到下反应区后，其反应温度处于上升阶段，因此首级盘管换热部采用锅炉水作为移热介质，以能够顺利地吸收反应热。在下反应区的下部区域，由于处于反应的末期，有效反应大幅度地降低，所产生的反应热量也相对较低，采用锅炉水以能够满足对反应热的吸收。而在下反应区的中间区域，处于反应最激烈的区域，利用饱和蒸汽作为作用移热介质，使饱和蒸汽成为过热蒸汽，不但能够使下反应区的中间区域的反应温度处于较高设置范围内，还能够单独调节饱和蒸汽的温度和流量，以控制该中间区域的反应温度，使中间盘管换热部所在反应区域内的反应温度波动控制在
±
1.5℃范围内，使反应温度保持在最高设定反应温度区域内，且能够有效地避免反应温度向上超过最高设定反应温度，避免“飞温”现象。
附图说明
18.图1是本实用新型的一种实施例的结构示意图。
19.图2是盘管换热部的结构示意图。
20.图3是布气器的结构示意图。
具体实施方式
21.请参阅图1和图2，以下首先对分段式水煤气变换炉的结构进行说明，其包括沿竖直方向延伸的外壳10，该外壳10包括筒体11，筒体11沿竖直方向延伸，在筒体的顶部焊接有上封头12，在筒体的底部焊接有下封头13，裙座19支撑在下封头13上。
22.在上封头12上安装有进气管14，在下封头上安装有排气管15。并在上封头上还安装有上人孔16，在下封头上安装有下人孔17。
23.在外壳内设置有上反应区50和位于上反应区50下方的下反应区20，在上反应区50与下反应区20之间形成有冷激区40，冷激气进管42焊接在筒体11上，在冷激气进管的内侧端连接有一冷激气管41，该冷激气管呈环状，在冷激气管的上下两侧均开设有冷激气孔。冷激气进管42的外侧端形成为冷激气进口43。
24.在本实施例中，上反应区的第一高度h与下反应区的第二高度s的比例为1：2.8，可
以理解，在其他实施例中，第一高度h与第二高度的比例还可以为1：2、1:2.5、1:3、1:4或1:5，当然也可以为1：(2-5)之间的其他比例。
25.在上反应区50的底部安装有上触媒支撑格栅51，在上反应区50的顶部安装有上格栅盖板52，上触媒支撑格栅51与上格栅盖板52之间的空间成为用于堆放第一触媒的上反应腔53。上格栅盖板52上部的空间形成为布气腔55，进气管14连通该布气腔55。
26.在进气管14位于外壳内的一端上安装有布气器60，该布气器60包括一底板63和设置在该底板上方的六块环形板62，六块环形板沿竖直方向间隔设置，且底板63和各环形板62均沿水平方向延伸，在相邻的两块环形板之间、以及底板与相邻的环形板之间均设置若干块导流板64，各导流板均沿竖直方向延伸，且导流板均由径向转动一角度后所形成，且所有导流板的转动方向均相同。底板上不设置贯穿底板的上表面和下表面的通孔。在最上方的环形板的上表面上焊接有一连接筒61，该连接筒焊接在进气管14的下端上。导流板将相邻的环形板连接在一起，并将底板连接在最下方的环形板上。
27.在筒体上安装有上触媒卸料管54，该上触媒卸料管54由下向上沿倾斜方向伸入到上反应腔53内、并连通上反应腔，上触媒卸料管54的位于上反应腔内的进口的下端与上触媒支撑格栅51的上表面平齐，以能够使上反应腔53内的第一触媒能够顺利地由上触媒卸料管54排出，以更换第一触媒。
28.在下反应区20的底部安装有下触媒支撑格栅21，在下反应区20的顶部安装有下格栅盖板22，下触媒支撑格栅21与下格栅盖板22之间的空间成为堆放第二触媒的下反应腔23。
29.在下触媒支撑格栅21上安装有下触媒卸料管24，该下触媒卸料管24的上端向上贯穿下触媒支撑格栅21后连通下反应腔23，下触媒卸料管24的下端向上伸出下封头。下触媒卸料管24的上端面与下触媒支撑格栅21的上表面平齐。
30.本实施例中，在上反应区内不设置换热装置。在下反应区内设置有三个盘管换热部，有三个盘管换热部沿高度方向间隔设置，位于最上方的盘管换热部称为首级盘管换热部301，位于最下方的盘管换热部称为末级盘管换热部303，位于首级盘管换热部301与末级盘管换热部303之间的盘管换热部称为中间盘管换热部302，即本实施例中仅有一个中间盘管换热部。可以理解，在其他实施例中，还可以在设置多个中间盘管换热部，例如设置2个、3个、4个或5个中间盘管换热部，中间盘管换热部数量不要太多，过多的中间盘管换热部，不但需要设置更多的外接管道，还需要在外壳上开设更多的穿管孔，对外壳结构的均匀性造成影响。
31.本实施中，各盘管换热部的结构相同，以下以首级盘管换热部301为例，来说明盘管换热部的具体结构，该首级盘管换热部301包括安装在下反应区内的进口环形管31和出口环形管32，进口环形管31位于出口环形管32的上方。进口管311连接在进口环形管31上，该进口管安装在外壳上，并向外伸出外壳。出口管321连接在出口环形管上，该出口管安装在外壳上，并向外伸出外壳。
32.在进口环形管31和出口环形管32之间连接有六根换热管33，所有的换热管均为螺旋换热管，螺旋换热管绕外壳的中线轴线螺旋延伸，相邻的螺旋换热管之间具有间隙，各螺旋换热管沿螺旋方向并行延伸。本技术中，相邻换热管之间的距离控制在50-150mm之间，具体在本实施例中，相邻的换热管之间的距离控制在80-120mm。
33.本实施例中，首级盘管换热部和末级盘管换热部均用于流通锅炉水，所有中间盘管换热部均用于流通饱和蒸汽。
34.以下对本实施在生产时的水煤气变换流程进行说明，其具体包括如下步骤：
35.(1)水煤气经进气管进入到布气腔55内，然后向下依次流经上反应区、冷激区和下反应区，并进行反应，生成变换气，最后由排气管排出；
36.(2)冷激气由冷激气管进入到冷激区内，并与冷激区内已有的气体进行混合；
37.(3)第一锅炉水进入首级盘管换热部内，吸收反应热后，形成为第一饱和蒸汽，并排出首级盘管换热部；第二锅炉水进入末级盘管换热部内，吸收反应热后，形成为第三饱和蒸汽，并排出末级盘管换热部；第二饱和蒸汽进入中间盘管换热部内，吸收反应热后，形成为过热蒸汽，并排出该中间盘管换热部。当第二饱和蒸汽的产量无法满足中间换热管组的移热要求时，采用外部饱和蒸汽来弥补第二饱和蒸汽产量的不足。
38.本实施例中，水煤气的进口温度为251
±
2℃，变换气的出口温度为407-410℃，上反应区和下反应区内的反应压力均为6.3-6.4mpag。
39.第一锅炉水的进口温度为183℃，第一饱和蒸汽的出口温度为248℃；第一饱和蒸汽直接作为第二饱和蒸汽，并进入到中间盘管换热部内，过热蒸汽的出口温度为445℃。第二锅炉水的进口温度为220℃，第三锅炉水的出口温度为235℃，较第二锅炉水的进口温度高15℃。
40.冷激气的添加量为水煤气进气量的20-21wt％，冷激气的进口温度为225-230℃。
41.为说明本技术的有益效果，将上述变换炉内的三个盘管换热部更换为沿竖直方向延伸的列管换热器，作为对比例，并在下反应区内，沿高度方向由上向下取10个测温点，检测温度的变化范围，具体数据变化列入下表：
[0042][0043]
由上表可以看出，利用本技术，能够有效地降低变换炉内各区域的温度变化区域，提高反应的稳定性，同时提高反应的可控性。
技术特征：1.一种分段式水煤气变换炉，其特征在于，包括一外壳，该外壳沿竖直方向延伸，在外壳内设置有一冷激区，在冷激区的上侧设置有上反应区，在冷激区的下侧设置有下反应区，在外壳上设置有连通冷激区的冷激气管；在上反应区的底部安装有上触媒支撑格栅，在下反应区的底部安装有下触媒支撑格栅；在下反应区内设置有至少三个盘管换热部，该至少三个盘管换热部沿高度方向间隔设置，其中位于最上方的盘管换热部称为首级盘管换热部，位于最下方的盘管换热部称为末级盘管换热部，首级盘管换热部与末级盘管换热部之间的盘管换热部称为中间盘管换热部；在外壳的顶部设置有进气管，在外壳的底部设置有排气管。2.根据权利要求1所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，在上反应区内不设置换热装置。3.根据权利要求1所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，上反应区与下反应区的高度比例为1：(2-5)。4.根据权利要求1所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，在进气管位于外壳内的一端上安装有布气器，该布气器包括一底板和设置在该底板上方的至少三块环形板，该至少三块环形板沿竖直方向间隔设置，该底板和各环形板均沿水平方向延伸，在相邻的两块环形板之间、以及底板与相邻的环形板之间均设置若干块导流板，各导流板均沿竖直方向延伸，且导流板均由径向转动一角度后所形成，且所有导流板的转动方向相同。5.根据权利要求4所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，底板上不设置贯穿底板的上表面和下表面的通孔。6.根据权利要求1所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，每一盘管换热部均包括一进口管、一出口管和两端分别连接在该进口管和出口管上的若干根换热管，同一盘管换热部内的若干根换热管中，至少包括两根螺旋换热管，螺旋换热管绕外壳的中心轴线螺旋延伸；相邻的两个换热管之间具有间隙。7.根据权利要求6所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，至少有一个盘管换热部中的所有换热管均为螺旋换热管。8.根据权利要求1所述的分段式水煤气变换炉，其特征在于，首级盘管换热部和末级盘管换热部均用于流通锅炉水，所有中间盘管换热部均用于流通饱和蒸汽。
技术总结本申请公开了一种分段式水煤气变换炉，其包括一外壳，在外壳内设置有一冷激区，在冷激区的上下两侧设置分别为上反应区和下反应区；在下反应区内设置有至少三个盘管换热部，该至少三个盘管换热部沿高度方向间隔设置，其中位于最上方的盘管换热部称为首级盘管换热部，位于最下方的盘管换热部称为末级盘管换热部，首级盘管换热部与末级盘管换热部之间的盘管换热部称为中间盘管换热部；在外壳的顶部设置有进气管，在外壳的底部设置有排气管。利用本申请，能够使下反应区内的最高反应温度与最低反应温度差控制在30-40℃，且使下反应区内从上到下的反应温度沿一弧线平稳移动，使下反应区内的反应温度处于最高反应温度区域内。内的反应温度处于最高反应温度区域内。内的反应温度处于最高反应温度区域内。
技术研发人员：卢健 王雪林
受保护的技术使用者：南京聚拓化工科技有限公司
技术研发日：2022.08.15
技术公布日：2022/12/1
