专利名称：一种换热式转化炉炉管的制作方法
技术领域：
本实用新型属于换热式转化炉炉管技术领域，主要涉及一种换热式转化炉炉管。这种炉管适用于以高温烟气为热源的转化炉，包括以天然气为原料的合成氨一段转化炉、甲醇一段转化炉以及其它烃类加压蒸汽转化装置的制氢转化炉。
背景技术：
烃类蒸汽转化作为一种工艺生产过程已有数十年了。传统的转化炉构造复杂，操作要求高，建造费用昂贵，转化炉的费用占了整个装置投资相当大一部分。近年来开发的一种换热式转化炉，系通过利用高温烟气和高温转化气同时作为热源加热原料气以满足烃类蒸汽转化所需要的热量。与传统的转化炉相比，具有热效率高、节省燃料、转化气出口温度缓和等优点。
目前，以高温烟气为热源的换热式转化炉炉管，根据换热式转化炉的不同，有几种形式。当换热式转化炉为容器式时，转化炉又称为转化器，其结构类似于浮头式换热器，其炉管为刺刀管，安装方式类似于浮头换热器的列管，全部密闭在容器内。此种炉型结构复杂、装卸催化剂困难、高温密封和大型化困难(参看丹麦Topsoe公司的HTCR换热式转化炉)，此种转化炉的燃烧室与转化器分离，炉管不受火焰辐射，其炉管由三套管即外套管、转化管和内插管组成，同轴布置。外套管较短，大约为转化管长度的1/2，位于转化管的中上部。转化管开顶端、闭底端，外套管开顶端、开底端，内插管开底端，转化管和外套管由转化器内部管板分别支撑。转化管中上部受在外套管和转化管之间环隙内流动的高温烟气的对流传热，下部受1000℃～1300℃的高温烟气的辐射和对流传热，此时，转化管下端内部的转化气的最高温度在780℃～800℃之间，转化管下部壁温很高。因此，此种转化炉对高温烟气的温度控制要求严格，如果烟气温度超温，转化管下部温度有可能超过转化管最高使用温度，这也是为什么燃烧室与炉管分离的原因之一。为了降低转化管下部壁温，美国专利5429809提出用外套管将转化管中下部(包括最底端)整个套住，屏蔽高温气体对转化管的辐射，并在外套管下部侧壁开有一系列的的小圆孔，高温气体由小圆孔进入转化炉和外套管之间的环隙向转化管对流放热，同时吸收外套管的热量，以此降低转化管壁温，保护转化管。在烟气温度均为1300℃的情况下，与下部没有外套管的转化管相比，上述带外套管的转化管热强度降低一半，只有35000kCal/m2.h，壁温降低了大约100℃，只有750℃，使转化管在烟气温度超过1300℃时仍可以使用。但是，此种外套管对转化管的保护仍有不足，外套管外的高温气体透过外套管小圆孔仍然对转化管产生辐射，使转化管相应位置形成一个个局部高温点，如果放在燃烧室内，高温火焰通过小圆孔对转化管的辐射更强烈。
当换热式转化炉为非容器式换热转化炉时，转化炉由一系列独立的套管式炉管构成，每一根套管式炉管即相当于一个反应器。此种炉型具有结构简单、催化剂装卸方便、容易实现大型化等特点(参看美国专利5935531)，其转化炉炉管的中下部在燃烧室内，火焰直接辐射其外套管中下部，燃烧器位于燃烧室顶部，火焰向下燃烧。其炉管主要由转化管、外套管、内插管组成，同轴布置，转化管开顶端、闭底端，外套管开顶端、开底端，内插管开底端，转化管和外套管下端平齐或略有长短，转化管在燃烧室外部支撑。炉管中下部直接布置在燃烧室内，外套管屏蔽高温火焰和烟气的辐射热，保护转化管。高温烟气通过外套管底端开口及外套管下端侧壁细长孔进入外套管和转化管之间的环隙向上流动，对转化管放热的同时吸收外套管的热量。但美中不足的是进入外套管和转化管之间环隙的全部高温烟气均需要通过外套管底端开口及外套管下端侧壁细长孔，局部热强度过高，另外，对应外套管下端侧壁细长孔位置的转化管直接受火焰和高温烟气的辐射，有可能使转化管局部过热。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种改进的换热式转化炉炉管，用于以高温烟气为热源的套管式换热转化炉中，具有结构简单、可靠性高、适用的烟气温度高、范围广。
本实用新型实现上述目的采取的技术方案其主要由转化管、外套管、内插管及催化剂构成，转化管的中下段位于外套管内，内插管插入转化管内，其下端开口底端与转化管封闭底端之间留有间隙，上端开口伸出转化管，转化管和内插管之间的环隙装填催化剂，在转化管上设有原料气入口管嘴，外套管的下部管壁上均匀分布有多个开孔，形成高温烟气进入区域，在每个开孔部位均设置有翘起的用于遮蔽烟气/火焰辐射及导流烟气的导流挡片。
本实用新型的特征之一是外套管下部的高温烟气进入区域的长度占外套管整个长度的5％～50％。高温烟气由此进入外套管和转化管之间的环隙，为原料气的转化反应提供热量。
本实用新型的的特征之二是外套管下部的高温烟气进入区域设置的翘起的导流挡片有效遮蔽了高温火焰和烟气对转化管的辐射，使转化管与高温烟气之间的热交换为纯对流方式。
本实用新型的特征之三是外套管和内插管均由转化管支撑。外套管通过转化管上的焊接吊耳支撑，内插管通过转化管上焊接的转化气出口弯管支撑。在转化炉上安装时，仅需要支撑转化管，简单可靠。
本实用新型的特征之四是内插管和转化气出口弯管可以是同一根整管。内插管在转化管内，其承受的内外压差很小，因此其管壁可以很薄。转化气出口弯管其伸出转化管后承受的内外压差很大，同时又要悬吊内插管，因此其管壁较厚。如果壁厚不一致，内插管和转化气出口弯管之间就可能需要增加一道焊缝。如果内插管和转化气出口弯管为同一根整管，壁厚相同，或采用特殊工艺使其作为内插管的部分较薄，作为转化气出口弯管的部分较厚，就可以去掉内插管和转化气出口弯管之间的焊缝，提高炉管的安全性。
和美国专利5429809相比，本实用新型通过在外套管下部的高温烟气进入区域设置翘起的导流挡片，利用翘起的导流挡片屏蔽外套管外的高温气体对转化管的辐射，消除了转化管上的局部过热点，同时使高温烟气进入外套管的方式由垂向进入改为侧向进入，流动更通畅。另外，本实用新型炉管中下部可以直接布置在燃烧室内，也可以与燃烧室分离，适用的烟气温度更高，适用范围更广。
和美国专利5935531相比，本实用新型增加了高温烟气进入外套管时的流通面积，使转化管对应烟气进口的面积增加，转化管烟气进口处热强度降低，壁温下降。且开口的位置可调，可以避开转化管的最高温部位设置。同时外套管未开口部分和翘起的金属片屏蔽了高温火焰和烟气对转化管的辐射，使用更安全。
本实用新型的换热式转化炉炉管的工作原理是具有一定温度和压力的原料气，从原料气入口管嘴进入转化管的上部，由上到下通过转化管内的催化剂床层，同时吸收转化管外高温烟气和内插管内的高温转化气放出的热量完成转化反应生成转化气，转化气在转化管底端通过转化管底端与内插管底端的间隙进入内插管，向上流动，同时释放热量给原料气，换热后的转化气从内插管顶部进入转化气出口弯管导出。高温烟气从外套管下部侧壁条形开口进入转化管和外套管之间形成的环隙，与原料气逆向流动，为原料气转化反应提供热量，换热后从外套管顶端开口导出。
附图1为本实用新型换热式转化炉炉管的纵剖面图。
附图2为本实用新型附图1A-A剖面图。
附图3为本实用新型附图1局部节点I的放大图。
图中，1、换热式转化炉炉管，2、转化管，3、内插管，4、外套管，5、导流挡片，6、催化剂，7、催化剂支撑格栅，8、原料气入口管嘴，9、转化气出口弯管，10、外套管吊耳，11、转化管支耳，12、法兰。
具体实施方式
结合附图对其结构加以进一步说明。
如图1所示，本实用新型提出的转化炉炉管1适用于以高温烟气为热源的转化炉，包括以天然气为原料的换热式合成氨一段转化炉、换热式甲醇一段转化炉以及其它烃类加压蒸汽转化装置的制氢转化炉。其主要由转化管2、内插管3及外套管4催化剂6构成，转化管2的中下段位于外套管4内，上端与法兰12焊接，其上部侧壁开有两个小孔，一个小孔焊接原料气入口管嘴8，另一个小孔焊接转化气出口弯管9。转化管支耳11位于转化管上部靠近法兰12的位置，支撑整个转化炉炉管1的重量。催化剂支撑格栅7位于转化管2内部底端与转化管焊接，其中心有圆孔，允许内插管3通过圆孔自由膨胀。内插管3位于转化管2内部中心，开底端、开顶端，底端距转化管2闭底端有一定间隙，顶端与转化气出口弯管9连接，并通过转化气出口弯管9使内插管3悬挂在转化管2中心位置。转化管2和内插管3之间的环隙装有催化剂6，催化剂6通过法兰12装卸。外套管4上端位于原料气入口管嘴8及转化气出口弯管9的下方，通过外套管吊耳10将转化管2和外套管4连接为一体。在外套管4的下部管壁上均匀分布有多个开孔，这些开孔是条形孔，还可以是圆孔、方孔。开孔沿外套管4的下部管壁圆周分布多圈，每圈数量为3～20个，各圈间距为10～300mm。由此在外套管4的下部形成高温烟气进入区域，在每个开孔部位均设置有翘起的与开孔方式相匹配的导流挡片5，其翘起的角度为2°～30°。该翘起的导流挡片5可以是外套管3侧壁开口后开口部位的翘起部分，也可以是另外焊接的金属片，起遮蔽烟气(或火焰)辐射和导流烟气的作用，其形状为片状，可以是条形、方形、圆形等形式。
本实用新型使用时，具有一定压力的温度为520℃的原料气从原料气入口管嘴8进入转化管2和内插管3之间的环隙，由上到下通过催化剂6床层，同时吸收转化管2外高温烟气(1300℃)和内插管3内的高温转化气放出的热量完成转化反应生成转化气，800℃的转化气在转化管2底端通过转化管2底端与内插管3底端的间隙进入内插管3，向上流动，同时释放热量给原料气，换热后的转化气从内插管3顶部进入转化气出口弯管9导出，导出后的转化气温度570℃左右。1300℃的高温烟气从外套管4下部的高温烟气进入区域进入转化管2和外套管4之间形成的环隙，与原料气逆向流动，为原料气转化反应提供热量，换热后从外套管4顶端开口导出，导出后的烟气温度为620℃左右。
权利要求1.一种换热式转化炉炉管，包括转化管(2)、内插管(3)、外套管(4)及催化剂(6)，转化管(2)的中下段位于外套管(4)内，内插管(3)插入转化管(2)内，其下端开口底端与转化管封闭底端之间留有间隙，上端开口伸出转化管(2)，转化管(2)和内插管(3)之间的环隙装填催化剂(6)，在转化管(2)上设有原料气入口管嘴(8)，在外套管(4)的下部管壁上均布有多个开孔，形成高温烟气进入区域，其特征在于在外套管(4)的每个开孔部位均设置有翘起的用于遮蔽烟气/火焰辐射及导流烟气的导流挡片(5)。
2.根据权利要求1所述的换热式转化炉炉管，其特征在于所述的外套管(4)的下部管壁上均布的多个开孔是沿管壁多圈设置，每圈数量为3～20个，各圈间距为10～300mm。
3.根据权利要求1所述的换热式转化炉炉管，其特征在于所述的翘起的导流挡片(5)其翘起的角度为2°～30°。
4.根据权利要求1所述的换热式转化炉炉管，其特征在于所述的翘起的导流挡片(5)可以是外套管侧壁开口后开口部位的翘起部分，也可以是另外焊接的金属片，其形状为片状。
专利摘要本实用新型公开的换热式转化炉炉管主要其由转化管(2)、外套管(4)、内插管(3)及催化剂(6)构成，转化管的下段位于外套管内，内插管插入转化管内，其下端开口底端与转化管封闭底端之间留有间隙，上端开口伸出转化管，转化管和内插管之间的环隙装填催化剂，在转化管上设有原料气入口管嘴(8)，外套管的下部管壁上均匀分布有多个开孔，形成高温烟气进入区域，在每个开孔部位均设置有翘起的用于遮蔽烟气/火焰辐射及导流烟气的导流挡片(5)。本实用新型设计合理，其利用翘起的导流挡片屏蔽外套管外的高温气体对转化管的辐射，消除了转化管上的局部过热点，同时使高温烟气进入外套管的方式由垂向进入改为侧向进入，流动更通畅。另外，本实用新型炉管中下部可以直接布置在燃烧室内，也可以与燃烧室分离，适用的烟气温度更高，适用范围更广。具有结构简单、安全可靠，节省投资的特点。
文档编号B01J8/06GK2796823SQ20052003047
公开日2006年7月19日 申请日期2005年4月18日 优先权日2005年4月18日
发明者王德瑞, 董世达, 田小玲, 纪志愿 申请人:王德瑞, 董世达, 田小玲, 纪志愿