加氢气化炉的制作方法

1.本公开涉及气化炉制造技术领域，尤其涉及一种加氢气化炉。


背景技术：

2.粉煤加氢气化，指在高温(700～1000
°
)、高压(5～7mpa)条件下，使原料煤中的原有结构直接转化为目标产品，是一种清洁、高效的煤炭利用技术。加氢气化的反应过程主要分为一次热分解以及一次热分解产物的二次裂解的两个过程。对于一次热分解过程，需要在尽可能短的时间内获得更大的能量，以提高一次热分解的产物，而在二次裂解阶段则需要精确的控制反应路径和深度，也就是反应的温度和反应时间，才能获得特定的产物组成和产率。
3.现有加氢气化反应器均以常规的气流床反应器为主，在一个罐体内很难同时达到一次热分解的理想反应效果和二次裂解的理想反应效果，使得难以实现较为理想的反应控制过程，导致反映效果较差，产物组成和产率难以满足需求。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种加氢气化炉。
5.本公开提供了一种加氢气化炉，其包括气化炉炉体，所述气化炉炉体内形成有反应腔，所述气化炉炉体上设置有连通至所述反应腔的进料口和出料口；
6.所述反应腔内形成有依次连通的全混流反应区、中间流道和平推流反应区，所述进料口连通至所述全混流反应区，所述平推流反应区连通至所述出料口；
7.在沿所述进料口朝向所述出料口的方向上，所述中间流道的径向横截面的面积先减小后增大，以使所述全混流反应区内的物料在所述中间流道内由全混流流型改变为平推流流型。
8.可选的，所述反应腔内设置有整流内构件，所述整流内构件位于所述全混流反应区和所述平推流反应区之间，所述中间流道设置在所述整流内构件上。
9.可选的，所述整流内构件包括两个锥形筒，两个所述锥形筒的缩口端大小一致且相互对接，两个所述锥形筒的扩口端均连接至所述反应腔的内壁上，以使两个所述锥形筒的扩口端形成所述中间流道的入口和出口。
10.可选的，所述平推流反应区内设置有列管反应器，所述列管反应器内形成有若干均布的列管通道，所述列管通道的延伸方向与所述进料口朝向所述出料口的方向相同，以使所述平推流反应区内的物料通过所述列管通道后流向所述出料口处。
11.可选的，所述列管反应器包括沿所述气化炉炉体的径向截面均布的若干列管，所述列管的延伸方向为所述进料口朝向所述出料口的方向，相邻的所述列管之间的缝隙形成所述列管通道。
12.可选的，所述气化炉炉体内还设置有激冷区，所述激冷区设置在所述平推流反应
区和所述出料口之间并连通于所述平摊流反应区和所述出料口；
13.所述激冷区内设置有激冷换热器，以使所述平推流反应区内的物料经过所述激冷换热器进行降温。
14.可选的，所述激冷换热器的数量为至少两个，并且所有所述激冷换热器沿所述进料口朝向所述出料口的方向排布。
15.可选的，相邻的两个所述激冷换热器之间通过冷却介质分隔板相互阻隔。
16.可选的，所述激冷换热器包括若干换热管，所述换热管间填充有冷却介质；
17.所有所述换热管沿所述气化炉炉体的径向截面均布，且相邻的所述换热管之间的缝隙形成所述换热通道，以使流入所述激冷区的物料在所述换热通道间进行降温换热。
18.可选的，所述平推流反应区内设置有列管反应器，所述列管反应器包括沿所述反应腔的径向截面均布的若干列管；
19.所述换热管与所述列管的数量相同且一一对应设置，并且相互对应的每个所述换热管和所述列管的内部连通，以使所述换热管内的冷却介质流入所述列管的内部。
20.本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
21.本公开提供的加氢气化炉通过在反应腔内进行区域划分，即，将其分为全混流反应区、中间流道和平推流反应区，全混流反应区内用于进行一次热分解过程，因此可以对全混流反应区进行针对性设置以提高一次热分解效果，进一步地，中间流道连通全混流反应区和平推流反应区，并且中间流道的径向横截面面积设置成沿进料口朝向出料口的方向先减少后增大，导致物料在经过中间流道的过程中会产生流速变化，物料流型发生改变，从在全混流反应区内形成的全混流流型在中间流物料在中间流道内进行整流，形成平推流流型后再进入平推流反应区内进行二次裂解反应，在此基础上，又可以对平推流反应区进行针对性设置以提高二次裂解反应效果，综上所述，该加氢气化炉实现了在同一个气化炉内通过中间流道进行反应区的分隔，使其能够同时兼顾满足两个反应过程，且能够针对性地分别调整两个反应区内的指标的效果，实现了对气化炉内流场的调控，使反应过程最优可控。
附图说明
22.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
23.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本公开实施例所述的加氢气化炉的结构示意图。
25.其中，1、炉体；10、反应腔；1a、全混流反应区；1b、中间流道；1c、平推流反应区；1d、激冷区；11、进料口；12、出料口；2、整流内构件；3、列管反应器；4、激冷换热器；5、冷却介质分隔板；61、冷却介质入口；62、冷却介质出口；71、入口阀；72、出口阀。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可
以相互组合。
27.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.粉煤加氢气化过程中，其反应过程主要分为一次热分解以及一次热分解产物的二次裂解两个反应过程，其中，对于一次热分解过程来说，需要在尽可能短的时间内获得更大的能量，用以切断更多的化学键，以提高一次热分解的产物，所以，对于一次热分解阶段需要实现尽可能高的升温速率，该反应过程时间较短，一到两秒即可完成。而在二次裂解阶段则需要精确的控制反应路径和深度，也就是反应的温度和反应时间，才能获得特定的产物组成和产率。
29.可见，对于一次热分解的反应区，该反应区以全混流为主，从而最大限度提高煤粉与高温氢气的混合效果，提高升温速率，进而提高产率。针对二次裂解阶段，最重要的是实现对二次裂解反应物反应深度的控制，要保证所有产物经历相同的反应过程，因此，该反应区应以平推流为主最佳。而现有的加氢气化反应器均以常规的气流床反应器为主，在一个反应炉内无法兼顾既能照顾到一次热分解，又能满足二次裂解的最佳设置，导致反应的精确控制难以实现。
30.针对上述缺陷，本实施例提供了一种加氢气化炉，通过在气化炉炉体内设置中间流道来将反应腔内进行分区，从而能够设置出全混流反应区和平推流反应区，并且将该连通全混流反应区和平推流反应区的中间流道设置成先渐缩后扩张的通道，来使物料在中间流道中实现两种流型的转变，解决了反应器无法兼顾不同反应过程的问题。其具体结构设置如下：
31.如图1所示，本实施例提供一种加氢气化炉，其包括炉体1，炉体1内形成有反应腔10，炉体1上设置有连通至反应腔10的进料口11和出料口12；
32.反应腔10内形成有依次连通的全混流反应区1a、中间流道1b和平推流反应区1c，进料口11连通至全混流反应区1a，平推流反应区1c连通至出料口12；
33.在沿进料口11朝向出料口12的方向上，中间流道1b的径向横截面的面积先减小后增大，以使全混流反应区1a内的物料在中间流道1b内由全混流流型改变为平推流流型。
34.通常，炉体1为竖向放置设置，反应腔10与反应过程的走向趋势均为竖向，因此，全混流反应区1a、中间流道1b、平推流反应区1c沿竖直方向自上向下排布。炉体1表面的进料口11设置在顶部，方便投料。
35.在本实施例中，进料口11进一步可以通过喷嘴形成，即，喷嘴的入口用于进料，喷嘴的出口位于反应腔10中。可以使氢气、氧气以及煤粉分别通过设置在喷嘴的入口的氢气进口、氧气进口以及煤粉进口共同通入喷嘴中，然后喷射进全混流反应区1a内。具体实现时，物料从喷嘴进入炉体1内的反应腔10，并在喷嘴出口将氢气加热至1000℃以上，使煤粉与氢气进行碰撞并快速混合，以在全混流反应区1a内进行一次热分解，此时，可以调整全混流反应区1a的温度以及物料从进料口11处输送的速度，以最大限度地提高煤粉与高温氢气的混合效果，另外，也可以通过提高升温速率来提高产率。
36.具体地，该反应区的尺寸设计，例如占用高度等，可以依据处理量而定，保证使物料在全混流反应区1a的平均停留时间处于1～2秒。同样地，由于气化炉炉体1的整体容量固
定，因此可以通过合理分配全混流反应区1a、中间流道1b以及平推流反应区1c的空间占比来控制各个反应区的反应效果。
37.该加氢气化炉通过在反应腔10内进行区域划分，即，将其分为全混流反应区1a、中间流道1b和平推流反应区1c，全混流反应区1a内用于进行一次热分解过程，因此可以对全混流反应区1a进行针对性设置以提高一次热分解效果，进一步地，中间流道1b连通全混流反应区1a和平推流反应区1c，并且中间流道1b的径向横截面面积设置成沿进料口11朝向出料口12的方向先减少后增大，导致物料在经过中间流道1b的过程中会产生流速变化，物料流型发生改变，从在全混流反应区1a内形成的全混流流型在中间流物料在中间流道1b内进行整流，形成平推流流型后再进入平推流反应区1c内进行二次裂解反应，在此基础上，又可以对平推流反应区1c进行针对性设置以提高二次裂解反应效果，综上，该加氢气化炉实现了在同一个气化炉内通过中间流道1b进行反应区的分隔，使其能够同时兼顾满足两个反应过程，且能够针对性地分别调整两个反应区内的指标的效果，实现了对气化炉内流场的调控，使反应过程最优可控。
38.进一步地，反应腔10内设置有整流内构件2，整流内构件2位于全混流反应区1a和平推流反应区1c之间，中间流道1b设置在整流内构件2上。也就是说，中间流道1b可以通过在炉体1内设置一结构来实现分隔两个反应区且连通两个反应区的效果。在此基础上，可以合理分配三个分区的占比，例如，控制二次裂解反应的反应深度，保证所有物料尽可能经历相同的反应过程。
39.在本实施例中，整流内构件2包括两个锥形筒，两个锥形筒的缩口端大小一致且相互对接，两个锥形筒的扩口端均连接至反应腔10的内壁上，以使两个锥形筒的扩口端形成中间流道1b的入口和出口。通过两个锥形筒顶部拼接，形成了截面先减小后增大的中间流道1b，结构易得，方便设置。当然，在其他实施例中，也可以通过其他方式来形成中间流道1b，例如在炉体1内腔壁上设置两个相对的弧形板，用来形成先渐缩后扩张的中间流道1b。
40.其中，整流内构件2的结构参数，例如缩口比例、缩口倒角、扩展段倒角等，均会对全混流流型往平推流流型转化的效果产生影响，因此，需要优化各条件参数，尽可能地提高转化效率。例如，对于关键设计尺寸其一，整流内构件2缩口尺寸来说，其缩口处的尺寸l1需要根据连通全混流反应区1a的扩口处的尺寸，即气化炉炉体1的内径l2同步进行参考设计，优选地，l2∶l1＝1.5∶1～3∶1，其中，缩口处的截面流速过大，会导致物料的流速不够，不足以改变物料的流向，无法起到整流作用，而缩口处的截面流速过小，会导致物料的流速过大，物料朝向平推流反应区1c流动的方向较为集中，无法分散到整个气化炉的截面，甚至会导致无法起到整流作用，物料不足以改变为平推流流型。另外，对于关键设计尺寸其二，整流内构件2的第一缩口倒角α，即连通全混流反应区1a的扩口边缘处与缩口边缘处的连接壁与气化炉侧壁之间的角度来说，可以优选设置为40～60
°
，其中，倒角过大会产生较大的阻力，倒角较小则会浪费气化炉的有限反应空间。对于关键设计尺寸其三，整流内构件2的第二缩口倒角β，即缩口边缘处至连通平推流反应区1c的扩口边缘的连接壁与气化炉侧壁之间的角度来说，可以优选设置为5～12
°
，该处倒角的大小对物料转化为平推流并且均匀布满整个气化炉横截面的效果会产生影响。
41.为了保证物料在平推流反应区1c内均匀分布，在本实施例中，还在平推流反应区1c内设置有列管反应器3，列管反应器3内形成有若干均布的列管通道，列管通道的延伸方
向与进料口11朝向出料口12的方向相同，以使平推流反应区1c内的物料通过列管通道后流向出料口12处。列管反应器3所布置的空间形成列管反应区，其中均布的列管通道能够引导物料均匀地进入通道内，并在通道内进行裂变反应，从而保证物料可以均匀地进行较为缓慢的二次反应，也使反应过程和反应时间方便进行控制。
42.进一步地，列管反应器3包括沿炉体1的径向截面均布的若干列管，列管的延伸方向为进料口11朝向出料口12的方向，相邻的列管之间的缝隙形成列管通道。通过列管之间的缝隙来形成较大高径比的通道，保证物料在此处不会出现返流。
43.由于需要在反应完成后对物料进行降温处理以终止反应，在本实施例中，炉体1内还设置有激冷区1d，激冷区1d设置在平推流反应区1c和出料口12之间并连通于平摊流反应区和出料口12；激冷区1d内设置有激冷换热器4，以使平推流反应区1c内的物料经过激冷换热器4进行降温。所有换热管沿气化炉炉体1的径向截面均布，且相邻的换热管之间的缝隙形成换热通道，以使所有流入激冷区1d的物料在换热通道内进行降温换热，且保证温度均匀。激冷换热器4包括若干换热管，换热管间填充有冷却介质，以对物料进行降温，在此区域内，反应温度降至700℃以后，加氢气化反应则会终止。冷却介质可选水等换热能力较高的液体，优选为锅炉水，用于产生高压蒸汽，也可以是氢气，用于加热反应气体。
44.激冷换热器4的数量可以设置为至少两个，并且所有激冷换热器4沿进料口11朝向出料口12的方向排布。每个激冷换热器4形成一个换热腔室，多个激冷换热器4则形成沿进料口11朝向出料口12方向上均匀排布的多个换热腔室，通过控制冷却介质进入的腔室来改变激冷位置，从而根据反应过程确定需要终止反应的位置以及进行激冷换热的位置。由于腔室越多控制越精细，因此优选为3-6个，过少达不到分区控制的目的，过多则容易造成浪费。
45.进一步的，相邻的两个激冷换热器4之间通过冷却介质分隔板5相互阻隔，以保证各个腔室之间的换热独立性。
46.在此基础上，平推流反应区1c的列管反应器3包括沿反应腔10的径向截面均布的若干列管，换热管与列管的数量相同且一一对应设置，并且相互对应的每个换热管的间隙和列管连通，以使换热管间的冷却介质流入列管的内部，可以使列管作为激冷换热器4的一部分进行换热作用，从而扩大了激冷区1d的范围，使未通入冷却介质的部分换热管的区域作为平推流反应区1c内用来起均匀分流作用，而通有冷却介质的另一部分换热管的区域作为激冷区1d。
47.换热管的上游设置有冷却介质入口61，下游设置有冷却介质出口62，相对应的，在冷却介质入口61和冷却介质出口62侧还设置有入口阀71和出口阀72。并且，每个激冷换热器4都由单独的阀门进行控制，因此可以根据需要对不同数量的换热器引入冷却介质。
48.气化炉炉体1的底部设置出料口12，终止反应后的产物通过出口排出，用以进行下步分离精除尘，或者进行产物获取。
49.模拟结果显示，通过优化控制，可将总碳转化率和油品收率提高15％以上，提高了加氢气化技术的经济性。
50.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在
涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。