煤制天然气的反应热回收装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤制天然气的反应热回收装置。包括内部装设有U形换热管的壳体，所述壳体的下端设置有清洁水进口，壳体的上端设置有汽包，壳体的一端连接有管板；管板的外侧设置有管箱，管箱的内腔通过分程隔板分隔为高温上腔和低温下腔；所述U形换热管设置在管板上并分别与管箱的高温上腔和低温下腔连通，所述高温上腔的进气端与反应气入口连通，低温下腔的出气端与反应气出口连通；所述管箱内设置有耐火隔热衬里和耐热保护罩。本发明解决了煤制天然气过程中产生的高温气体热量回收的问题，而且煤制天然气的反应热回收利用，节约了能源，也避免了将大量高温气体排放到空气中引起的地球热效应。
【专利说明】煤制天然气的反应热回收装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热回收设备，具体的说是一种煤制天然气的反应热回收装置。
【背景技术】
[0002]天然气做为一种洁净、安全的优质能源越来越受到人们的青睐，以气代油、以气发电和城市燃气化已经成为中国的发展趋势，在天然气的消费结构中，化工和城市燃气占总量的60%以上。而中国是一个富煤缺油少气的国家，天然气资源人均占有率不到世界平均水平的10%，所以将煤炭转换为天然气，替代部分天然气资源，减少煤炭直接使用或者煤炭运输产生的粉尘污染，符合国家的产业政策，也是开辟清洁能源的新途径。国家规划覆盖全国的五横两纵天然气管网，形成西气东输、北气南下及液化天然气的供气格局。
[0003]煤制天然气的工艺路线为:变换原料气进入反应器，在催化床进行合成反应，反应器中产生的气体从反应器出口送出，并传送给反应热回收装置，通过热交换将反应热回收装置的水转换为高温饱和蒸汽，再经过过热器送至汽轮机发电用。其中在反应器催化床进行合成反应后的气体，成份为:H2 89.4%、C07.22%、C022.69%、Ν2 0.69%，氢气占很大比例。由于是放热反应，出口最高温度达750° C，压力最高达3.8MPa，这样的高温、高压条件以及高温、高压下的氢腐蚀都超出了常规反应热回收装置的承受能力。另外目前的反应热回收装置结构一般都是换热器型式的结构，应用于对750°C高温反应气体进行冷却时，不仅管间距较小，高温下冷却水的体积急速膨胀，没有相应的宽阔空间，而且750°C高温反应气体温度较高，且含有大量氢气，对换热器的腐蚀非常严重，因此这种反应热回收装置的内置结构不适合煤制天然气的余热回收。
【发明内容】
[0004]本发明需要解决的技术问题是提供一种结构合理、能够承受煤制天然气过程中产生的高温高压气体，以及能够避免在高温高压环境下受到氢腐蚀的余热回收装置。
[0005]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
煤制天然气的反应热回收装置，包括内部装设有U形换热管的壳体，所述壳体的下端设置有清洁水进口，壳体的上端设置有与壳体连通的、用于容纳并释放蒸汽的汽包，壳体的一端密闭连接有管板；管板的外侧设置有与管板密闭连接并通过法兰与壳体固定连接的管箱，管箱的内腔通过分程隔板分隔为高温上腔和低温下腔，所述U形换热管设置在管板上并分别与管箱的高温上腔和低温下腔连通，所述高温上腔的进气端与设置在管箱顶端的反应气入口连通，低温下腔的出气端与设置在管箱底端的反应气出口连通；所述管箱的内壁、管板的外侧以及分程隔板的上面均设置有耐火隔热衬里，所述耐火隔热衬里与高温上腔及低温下腔接触的面上还设置有用于支撑耐火隔热衬里的耐热保护罩。
[0006]本发明的进一步改进在于:所述管箱的外壁上还设置有用于冷却管箱的水冷夹套，所述管箱外壁的下端设置有与水冷夹套连通的冷却水进口，管箱外壁的顶端设置有与水冷夹套连通的冷却水出口。[0007]本发明的进一步改进在于:所述位于管板内的U形换热管的内部设置有用于保护管板的隔热套管。
[0008]本发明的进一步改进在于:所述壳体的顶部设置有用于安装压力表的压力表口El ;壳体的底端设置有用于排放污垢的排污口 ；壳体与管板相对的一端设置有用于安装温度计的温度计接口和用于安装液位传感器及液位计的液位计口 D1。
[0009]本发明的进一步改进在于:所述汽包的顶部设置有安全阀，汽包的侧壁上设置有用于安装压力表的压力表口 E2和用于释放蒸汽的蒸汽出口 ；汽包下部的侧壁上设置有用于安装液位传感器及液位计的液位计口 D2。
[0010]本发明的进一步改进在于:所述蒸汽出口处设置有汽水分离器。
[0011]由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是:
本发明解决了煤制天然气合成中反应器出口的高温气体热量回收以及高压、氢腐蚀设备的难题，有利于促进煤炭转化为天然气的产业的发展，而且煤制天然气的反应热回收装置将反应热进行回收，产生高温饱和蒸汽，再经过过热器将饱和蒸汽变成过热蒸汽，送至气包供汽轮机发电使用，节约了能源，避免了将大量高温高压气体排放到空气中弓I起地球热效应。
[0012]U形换热管固定在管板上，并支撑于壳体内部轨道上，不与壳体内壁接触，便于壳体材料的选用。
[0013]管箱内的耐火隔热衬里以及耐热保护罩将管箱、管板以及分程隔板与高温高压的反应气隔离，降低管箱、管板及分程隔板的温度，便于管箱、管板及分程隔板材料的选用，利于延长管箱、管板及分程隔板的使用寿命。
[0014]管箱外壁上的水冷夹套可以对管箱进一步冷却，确保安全运行。
[0015]壳体顶端的压力表口 El用以安装压力表，压力表用于监测壳体内部的压力，当壳体内部的压力超过工作压力时，安全阀开启以降低壳体内部的压力；壳体底端的排污口用于排放清洗壳体内腔时产生的污垢；壳体与管板相对的另一侧壁上的温度计接口用于安装温度计，温度计用于监测壳体内部的温度，可以防止壳体内部温度过高；壳体与管板相对的另一侧壁上的液位计口 Dl用于安装液位传感器及液位计，液位传感器及液位计用于监测壳体内部的液面高度，防止液面低于U形换热管位置，影响换热管与清洁水的热交换。
[0016]汽包侧壁上的压力表口 E2用于安装压力表，压力表用于监测汽包内蒸汽的压力，当蒸汽压力超过工作压力时，汽包顶部的安全阀开启以降低汽包内的压力；汽包的侧壁上的蒸汽出口用于释放壳体内U形换热管与清洁水进行热交换产生的蒸汽；汽包下部侧壁上的液位计口 D2用于安装液位传感器及液位计，液位传感器及液位计用于监测清洁水的液面高度，可以避免壳体内产生的蒸汽无法通过汽包从蒸汽出口排出。蒸汽出口处设置有汽水分离器，避免出汽夹带水。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的结构示意图；
其中:1、水冷夹套，2、管箱，3、耐火隔热衬里，4、分程隔板，5、耐热保护罩，6、隔热套管，
7、管板，8、U形换热管，9、壳体，10、汽包，11、安全阀，12、鞍座，Al、冷却水进口，A2、冷却水出口，B1、反应气入口，B2、反应气出口，Cl、清洁水进口，C2、蒸汽出口，Dl、液位计口，D2、液位 计口，El、压力表口，E2、压力表口，G、温度计接口，H:排污口。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明:
如图1所示，煤制天然气的反应热回收装置，包括管箱2、壳体9及汽包IO，壳体9内部装设有U形换热管8，U形换热管8通过设置在壳体9外侧的管板7定位并伸入壳体9内，U形换热管8的另一端支撑于壳体9内部轨道上；管板7与壳体9相对的另一侧设置有管箱2，管箱2与壳体9通过各自的法兰固定连接在一起，将带有U形管的管板7挤紧在中间位置；壳体9的上端设置有汽包10，汽包10与壳体9连通，用于容纳并释放蒸汽。
[0019]管箱2用于盛放反应气，在本实施例中，管箱2选用06Crl9Nil0不锈钢，符合GB24511-2009《承压设备用不锈钢板及钢带》的规定。管箱2内设置有分程隔板4，将管箱2的内腔分隔为高温上腔和低温下腔，高温上腔的进气端与设置在管箱2顶端的反应气入口 BI连通，高温上腔的出气端与U形换热管8的进气端连通；低温下腔的进气端与U形换热管8的出气端连通，低温下腔的出气端与设置在管箱2底端的反应气出口 B2连通。煤制天然气的合成反应产生的高温高压的腐蚀性气体，从反应气入口 BI进入管箱2的高温上腔，然后从管箱2的高温上腔进入U形换热管8，高温高压腐蚀性气体通过U形换热管8在壳体9内与壳体9内的清洁水进行充分的热交换，变成低温低压气体，低温低压气体从U形换热管8的另一端口出来进入管箱2的低温下腔，再从反应气出口 B2排出。
[0020]管箱2的内壁、管板7的外侧以及分程隔板4的上面均设置有耐火隔热衬里3，耐火隔热衬里3与高温上腔及低温下腔接触的面上还设置有用于支撑耐火隔热衬里3的耐热保护罩5。在本实施例中，耐火隔热衬里3采用国内较先进的ZS-1耐高温涂料，耐火隔热衬里共设置有三层，第一层为过渡层，采用ZS-1011涂料进行涂层，第二层为中间层，采用ZS-1涂料进行涂层，涂层厚为20mm，第三层为封闭层，采用ZS-1021涂料进行涂层。
[0021]管箱2的外壁上设置有水冷夹套1，水冷夹套I用于冷却管箱2。管箱2外壁的下端设置有与水冷夹套I连通的冷却水进口 Al，管箱2外壁的顶端设置有与水冷夹套I连通的冷却水出口 A2 ;冷却水从冷却进水口进到水冷夹套I的夹层内腔里，通过冷却夹套与管箱2进行充分的热交换变成热水，从冷却出水口排出，可做循环冷却水继续使用。
[0022]壳体9与管箱2通过各自的法兰固定连接在一起，壳体9与管箱2各自法兰相对的端面上焊接有衬环，两个衬环之间还设置有密封垫，即壳体9的法兰与管箱2的法兰通过衬环及密封垫将管板7紧固。本实施例中，管箱2的法兰与壳体9的法兰采用16MnIII锻件制作，衬环选用06Crl9Nil0不锈钢加工。
[0023]壳体9用于盛放给U形换热管8降温的清洁水，由于壳体9不直接接触高温高压反应气体，在本实施例中，根据国家标准GB150-2011《压力容器》进行常规设计，材料选用国家标准GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》中的Q345R。但在结构上，变径段是难以加工的，增加对变径段的纵、环向焊缝的100%射线检测要求，以确保角向焊缝的焊接质量。
[0024]本实施例中，壳体9采用AKV釜式重沸器型式，去除原重沸器的活动管箱，将本发明中的管箱2与管板7、壳体9固定连接，以简化结构，减少高温材料的使用。本实施例的壳体采用釜式重沸器的壳体，其换热空间大，保证了高温气体使冷却水急速气化所需要的空间。[0025]管板7压紧在壳体9的法兰和管箱2的法兰之间，用于定位U形换热管8，并将管箱2与壳体9的内腔分离。管板7的外侧端面上设置有用于保护管板7的耐火隔热衬里3，耐火隔热衬里3与管箱2内腔接触的端面上还设置有支撑耐火隔热衬里3的耐热保护罩5 ；隔热套管6设置在位于管板7内的U形换热管8的内部,隔热套管6的外端口焊接在管板7外侧的耐热保护罩5上，隔热套管6的长度大于管板的厚度。隔热套管6与U形换热管8之间填塞用于隔热的陶瓷纤维纸，避免U形换热管8与管板7接触的部位以及管板7的温度过高。
[0026]在本实施例中，U形换热管8、耐热保护罩5以及隔热套管6的材料均选用06Cr25Ni20不锈钢，06Cr25Ni20不锈钢是奥氏体铬镍不锈钢，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，因为有较高的铬含量和镍含量，使得所述不锈钢还具有高温蠕变强度，能在高温下持续作业，具有良好的耐高温性。
[0027]壳体9的顶端设置有压力表口 El ;压力表口 El用以安装压力表，压力表用于监测壳体9内部的压力，当壳体9内部的压力超过工作压力时，安全阀11开启，以降低壳体9内部的压力，维持壳体9内部压力基本恒定。
[0028]壳体9的底端设置有用于排放污垢的排污口 H以及清洁水进口 Cl，排污口 H用于排放清洗壳体9内腔时产生的污垢，清洁水进口 Cl用于为壳体9输送清洁水。
[0029]壳体9的与管板7相对的另一侧壁上设置有用于安装温度计的温度计接口 G和液位计口 Dl ;温度计用于监测壳体9内部的温度，可以防止壳体9内部温度过高。
[0030]汽包10的顶部设置有安全阀11，汽包10的侧壁上设置有压力表口 E2和用于释放蒸汽的蒸汽出口 C2 ;汽包10下部的侧壁上设置有液位计口 D2。壳体9内的清洁水吸收U形换热管8的热量后变成蒸汽通过汽包10从蒸汽出口 C2出去；压力表用以测量汽包10内的压力，当汽包10内的压力超过工作压力时，安全阀11开启以降压，维持汽包10内工作压力基本恒定。液位计口 D2与液位计口 Dl组合在一起用于安装液位传感器及液位计，液位传感器及液位计用于监测壳体9内清洁水的液面高度，既可以防止液面过低时影响U形换热管8与清洁水的热交换，又可以避免液面过高时壳体9内产生的蒸汽无法通过汽包10从蒸汽出口 C2排出。蒸汽出口 C2处设置有汽水分离器，以分离蒸汽与水，避免出汽夹带水。
[0031]本发明的工作过程如下所述:
本发明开始工作时，首先，壳体9下部的清洁水进口 Cl开启，清洁水进入壳体9，完全淹没U形换热管8，液面到达控制位置时，停止供水；同时水冷夹套I下端的冷却水进口 Al以及上端的冷却水出口 A2开启，冷却水从冷却进水口进到水冷夹套I的夹层内腔里，再从冷却出水口排出，形成一个冷却通路。
[0032]高温高压的腐蚀性反应气，从反应气入口 BI进入管箱2的高温上腔，然后从管箱2的高温上腔进入U形换热管8，高温高压腐蚀性气体通过U形换热管8在壳体9内与壳体9内的清洁水进行充分的热交换，变成低温低压气体，低温低压气体从U形换热管8的另一端口出来进入管箱2的低温下腔，再从反应气出口 B2排出。
[0033]自反应气进入管箱2的高温上腔开始，管箱壁逐渐升温，水冷夹套I里的冷水就会吸收管箱2的热量为管箱2降温，自身成为热水，从冷却出水口排出。
[0034]反应气进入U形换热管8后,通过换热管与壳体9内清洁水进行热交换,水吸收换热管的热量，温度升高，急剧汽化，产生大量蒸汽，蒸汽通过汽包10从汽包10上部的蒸汽出口 C2排出。
[0035]在壳体9内的清洁水温度升高急剧汽化的过程中，壳体9及汽包10的内腔压力也不断增加，当压力超过工作压力时，汽包10的安全阀11开启，以降低内部的压力，维持壳体9及汽包10内部工作压力基本恒定，同时水越来越少，当水面降低到控制位置时，清洁水进口 Cl重新开启，又开始补充清洁水。
【权利要求】
1.煤制天然气的反应热回收装置，包括内部装设有U形换热管(8)的壳体(9)，其特征在于:所述壳体(9)的下端设置有清洁水进口(Cl)，壳体(9)的上端设置有与壳体(9)连通的、用于容纳并释放蒸汽的汽包(10)，壳体(9)的一端密闭连接有管板(7);管板(7)的外侧设置有与管板(7)密闭连接并通过法兰与壳体(9)固定连接的管箱(2)，管箱(2)的内腔通过分程隔板(4)分隔为高温上腔和低温下腔，所述U形换热管(8)设置在管板(7)上并分别与管箱(2)的高温上腔和低温下腔连通，所述高温上腔的进气端与设置在管箱(2)顶端的反应气入口(BI)连通，低温下腔的出气端与设置在管箱(2)底端的反应气出口(B2)连通；所述管箱(2)的内壁、管板(7)的外侧以及分程隔板(4)的上面均设置有耐火隔热衬里(3)，所述耐火隔热衬里(3)与高温上腔及低温下腔接触的面上还设置有用于支撑耐火隔热衬里(3)的耐热保护罩(5)。
2.根据权利要求1所述的煤制天然气的反应热回收装置，其特征在于:所述管箱(2)的外壁上还设置有用于冷却管箱(2)的水冷夹套(1)，所述管箱(2)外壁的下端设置有与水冷夹套连通的冷却水进口(Al)，管箱外壁的顶端设置有与水冷夹套连通的冷却水出口(A2)。
3.根据权利要求1所述的煤制天然气的反应热回收装置，其特征在于:所述位于管板(7)内的U形换热管(8)内部设置有用于保护管板(7)的隔热套管(6)。
4.根据权利要求1所述的煤制天然气的反应热回收装置，其特征在于:所述壳体(9)的顶部设置有用于安装压力表的压力表口 El ;壳体(9)的底端设置有用于排放污垢的排污口(H);壳体(9)与管板(7)相对的一端设置有用于安装温度计的温度计接口(G)和用于安装液位传感器及液位计的液位计口 Dl。
5.根据权利要求1所述的煤制天然气的反应热回收装置，其特征在于:所述汽包(10)的顶部设置有安全阀(11)，汽包的侧壁上设置有用于安装压力表的压力表口 E2和用于释放蒸汽的蒸汽出口(C2);汽包下部的侧壁上设置有用于安装液位传感器及液位计的液位计Π D2。
6.根据权利要求5所述的煤制天然气的反应热回收装置，其特征在于:所述蒸汽出口(C2)处设置有汽水分尚器。
【文档编号】F22B1/18GK103574568SQ201210262078
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】张继军, 郑明涛, 徐建茹, 刘松琴, 杨士斌 申请人:石家庄工大化工设备有限公司