技术摘要：
本发明公开了复合式绝热串控温变换炉装置，其包括绝热反应部、控温反应部和连接在绝热反应部与控温反应部之间的连接部；该绝热反应部包括第一外壳，设置在第一外壳内的内筒，第一内筒与第一外壳之间形成第一环隙，第一外壳上安装有一冷激气管、粗煤气进口管和一段变换  全部
背景技术：
在煤化工中，将粉煤气化后所制得的原料气进行变换反应，生成变换气，使原料气 中的CO转化为CO2，同时产生H2，变换气用于制氨或制氢，在目前，在变换反应过程中，一般均 要联产蒸汽，为适应自身各种压力蒸汽的需要，均通过变换反应获取多种压力的蒸汽，以供 生产所需，因此常常导致反应时间过长，CO转化无法有效提高，且生产工艺流程长。 在目前，由于CO的变换反应的流程较长，一般均依照反应温度的不同设置多个反 应器，各反应器之间采用管道进行连接，这种设备布置方式的优点是降温和设备间的换热 方式灵活方便，且设备的检修方便，但是整套装置的布置面积较大，管线较多。 为了减少占地面积，开发了一种单炉多段式反应器，即在一个炉内既设置绝热段 也设置控制段，或设置多个绝热段，这种反应器的优点是占地少，管线少，但是结构复杂，制 造成本高，且催化剂的装填和排放均不方便。 另外，目前所采用的煤气化工艺中，所产出的合成气中的CO干基体积比一般为 60％以上，水气比一般为0.7-1.0。当采用这种合成气生产合成氨原料气时，由于合成氨需 要将合成气中的CO最大限度地转化为氢气，通常需要1.2以上的高水气比才能满足要求，但 是高水气比会加大合成气的体积，需要更大的变换反应器，而且反应也更加剧烈，反应极易 出现飞温现象，使得生产工艺的控制变得更加复杂。大型的变换反应器，不但制造成本，而 且维护成本也较高。采用成本更大的变换反应器，并在复杂的控制条件下进行变换气的生 产，其成本也相应地提高。同时高水气比，使得蒸汽的消耗量加大，成本增加。 如何合理地利用现有的合成气，并在更低的成本下生产变换气也成为一个现实问 题。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明首先提出了一种复合式绝热串控温变换炉装置，其包括 绝热反应部、控温反应部和连接在绝热反应部与控温反应部之间的连接部，绝热反应部位 于控温反应部的上方； 该绝热反应部包括沿竖直方向延伸的第一外壳，该第一外壳呈筒状，在该第一外 壳内设置有第一内件，该第一内件包括一沿竖直方向延伸的内筒、密封地安装在该内筒的 下端的第一内下封头、以及安装在该内筒的上端的顶部格栅；该第一内筒与第一外壳之间 形成环状的第一环隙，在顶部格栅与第一外壳的顶部之间形成一布气腔，在第一内下封头 与第一外壳的底部之间形成一进气腔；该第一环隙的上端与下端分别连通布气腔与进气 腔；第一内件支撑在第一外壳的底部，且第一内件与第一外壳的内周壁之间滑动连接，使第 一内件能够在竖直方向上自由伸缩； 4 CN 111732075 A 说　明　书 2/8 页 第一外壳上安装有一冷激气管，该冷激气管的出口端位于内筒的内腔中； 在第一外壳的底部安装有粗煤气进口管和一段变换气出口管，其中粗煤气进口管 连通进气腔，一段变换气出口管的一端连通内筒的内腔，一段变换气出口管的另一端向下 伸出第一外壳； 控温反应部包括沿竖直方向延伸的第二外壳，该第二外壳呈筒状，在该第二外壳 内设置有第二内件，该第二内件包括一沿竖直方向延伸的布气筒、安装在该布气筒的上端 的上管板、安装在该布气筒的下端的下管板，在上管板与下管板之间安装有换热列管；布气 筒与第二外壳之间形成第二环隙，在布气筒上开设有连通第二环隙和布气筒的内腔的布气 孔； 在第二外壳的顶部安装有汽水混合物出口管和二段变换气进口管，在第二外壳的 底部安装有进水管，该换热列管的上端连通汽水混合物出口管，该换热列管的下端连通进 水管；二段变换气进口管连通第二环隙； 在第二外壳的底部安装有变换气排出管，变换气集中管设置在布气筒的中心部、 并沿竖直方向延伸，变换气集中管的顶端容纳在布气筒的内腔中，变换气集中管的下端向 下延伸、并连通变换气排出管；在变换气集中管的管壁上设置有连通布气筒的内腔的呈通 孔状的气孔。 该变换炉装置具有两个相对独立的绝热反应部和控温反应部，减少占地面积，采 用该变换炉装置进行变换气的生产时，原料气首先进入到顶部的绝热反应部进行反应，然 后向下进入到控温反应部进行反应，由于将绝热反应部设置在控温反应部的上方，在进行 相应管道的布置时，可依托该变换炉装置进行，而设置独立的绝热反应器和控温反应器时， 需要分别设置相应的安装平台来安装绝热反应器和控温反应器，造成施工费用高和施工周 期长等问题。 该变换炉装置中的绝热反应部为一轴向反应段，设置有一个第一环隙，在生产时， 原料气由粗煤气进口管首先进入到布气腔内，然后顺第一环隙上升到布气腔内，再向下进 入到第一内筒内进行反应，由于第一环隙为充满原料气，该原料气的温度相对与第一内筒 内部的温度要低，有利于降低第一外壳的温度，减少第一外壳的形变，以保证设备的使用寿 命。由于第一内件支撑在第一外壳的底部，且能够沿竖直方向自由伸缩，因此在绝热反应部 工作时，第一外壳不会受到内件由于热胀冷缩而产生变化的内应力的影响，使第一外壳仅 受自身变形所产生内压力的影响。 该变换炉装置中的控温反应部为一径向反应段，在第二外壳内设置有第二内件， 并第二内件的布气筒与第二外壳之间设置有第二环隙，在该控温反应部工作时，从绝热反 应部排出的一段变换气经第二外壳顶部的二段变换气进口管进入到第二外壳内，然后沿第 二环隙向下流动，并穿过布气筒进入到布气筒的内腔中进行反应，完成反应的气体经变换 气集中管向下排出，进入到下道工序。 由于第二环隙内的一段变换气的阻隔作用，使第二外壳的温度要低于第二内筒的 内腔的温度，利于降低第二外壳的温度，减少第二外壳的形变，以保证设备的使用寿命。 具体地，沿高度方向，在内筒中设置两层触媒支撑板，分别为第一触媒支撑板和第 二触媒支撑板，第一触媒支撑板位于第二触媒支撑板的上方，在第一触媒支撑板与第二触 媒支撑板之间设置有一中间格栅；该第一触媒支撑板与顶部格栅之前形成第一触媒腔，该 5 CN 111732075 A 说　明　书 3/8 页 中间格栅与第二触媒支撑板之间形成第二触媒腔，在第一触媒支撑板与中间格栅之间形成 一冷激腔，该冷激气管的出口端位于该冷激腔内；第一触媒腔和第二触媒腔装填有触媒，在 冷激腔内不装填触媒； 对应于每层触媒支撑板，均设置有一触媒出料管，每一触媒出料管均向下延伸并 由第一外壳的底部伸出第一外壳。 绝热反应部中依次设置了第一触媒腔、冷激腔和第二触媒腔，冷激腔作为冷激气 的分布腔。原料气分为两股进入到绝热反应部内，其中第一路原料气从上向下依次经过第 一触媒腔、冷激腔和第二触媒腔，第一路原料气在经过第一触媒腔后，大量的CO已转化为 CO2 ,第二路原料气作为冷激气进入到冷激腔，随第一原料气进入到第二触媒腔内进行反 应，将冷激腔设置在第一触媒腔与第二触媒腔之间，进入到冷激腔内第二路原料气还可以 降低第一触媒腔的温度，避免反应温度的过高，在经过第一触媒腔的反应后，第一路原料气 中的CO含量已大幅度降低，第二路原料气进入到冷激腔后，也主要进入到第二触媒腔内进 行反应，使原料气在绝热反应部内反应更加均匀。 进一步，该冷激气管与内筒同轴设置，该冷激气管的进口端向上伸出第一外壳的 顶部，该冷激气管的出口端向下自由地穿过顶部格栅与第一触媒支撑板后进入到冷激腔 内。 该设计可以减少冷激气管对第一外壳的自由伸缩的限制，减少第一外壳在热胀冷 缩时所产生的内应力。在绝热反应部工作时，在高温下，第一外壳和第一内件均会发生不同 程度的膨胀，使冷激气管自由地穿过顶部格栅与第一触媒支撑板后，可以保证冷激气管与 第一内件无接触，在冷激气管变形时，不会对顶部格栅与第一触媒支撑板等第一内件造成 影响，同时第一内件的变形也不会对冷激气管的变形造成影响，最大限度地使各部件能够 自由伸缩，减少内应力的聚集，保证设备的安全使用。 具体地，在变换气集中管上套设有一排料管，该排料管的上端连接在下管板上，该 排料管的下端密封地安装在第二外壳的底部；在第二外壳的底部设置有一排料腔，在排料 管上开设有连通排料腔的排料孔，在第二外壳的外侧安装有连通排料腔的卸料管，在排料 管与变换气集中管之间形成呈环状的出料腔，该出料腔连通布气筒的内腔。 该设计可以顺利地将控温反应部内的触媒排出，在需要排出控温反应部内的触媒 时，布气筒内的触媒会经出料腔进入到排料腔内，然后经卸料管排出，该设计利用重力使布 气筒内的触媒顺利地排出，有利于加快触媒的更换。 进一步，在上管板的中心部开设有一安装孔，该安装孔用于将变换气集中管插入 到布气筒内，在安装孔上可拆卸地安装有一密封盖，该密封盖包括一法兰和连接在该法兰 上的密封罩，该密封罩呈向下突出的圆弧状。 利用该安装孔，可以顺利将变换气集中管插入到布气筒内进行安装，密封盖上的 呈圆弧状的密封罩，不但可以使密封盖顺利地安装在安装孔上，圆弧状的密封罩还能够承 受更大的压力，有利于减少密封罩的厚度。 其次，本申请还提供一种变换工艺，其上述任一项所述的复合式绝热串控温变换 炉装置进行，其包括： 一级绝热变换：原料气经换热器后进行脱毒，脱毒后的原料气分为两路，其中一路 为进料气，另一路为冷激气，该进料气经粗煤气进口管进入到绝热反应部的进气腔内，然后 6 CN 111732075 A 说　明　书 4/8 页 沿第一环隙向上流动进入到布气腔内，再经顶部格栅进入到内筒的内腔中进行反应；冷激 气经冷激气管进入到内筒的内腔中，与进料气混合并进行反应；原料气经反应后生成一段 变换气，并从一段变换气出口管排出； 二级控温变换：一段变换气进入到混合器内，调节蒸汽和调节水进入到混合器内 对一段变换气进行水气比和温度的调节，从混合器排出的一段变换气经二段变换气进口管 进入到控温反应部内，然后经第二环隙进入到布气筒的内腔中，进行反应生成二段变换气， 二段变换气进入到变换气集中管内、然后经变换气排出管排出；二段变换器进入到换热器 内对原料气加热； 汽包内的饱和水经进水管进入到换热列管内，进行换热后经汽水混合物出口管排 出进入到汽包内副产蒸汽。 该变换工艺中，原料气首先经过绝热反应部的反应后生成一段变换气，然后对一 段变换气的水气比和温度进行调节，在绝热反应部可以采用高温反应，以提高控温反应部 的运行温度和提高喷水量，以降低变换气中的COS，同时可以采用低水气比，使甲烷化副反 应达到最小。 进一步，汽包的副产蒸汽作为调节蒸汽。 汽包的副产蒸汽作为调节蒸汽返回到变换系统中，可以减少外部能源的消耗。 具体地，原料气中，干基CO的体积比为62-75％，水气比为0.48-0.54； 进料气和冷激气进入到绝热反应部的进口温度均为250-260℃； 在绝热反应部内，反应压力为6.0-6.2MPaG；MPaG表示表压； 一段变换气在绝热反应部的出口温度为430-435℃； 一段变换气的干基CO的体积比31-37％， 一段变换气经补水后，水气比为0.58-0.66； 一段变换气到控温反应部的进口温度为290-298℃； 二段变换气在控温反应部的出口温度为315-330℃； 二段变换气中的干基CO的体积比为2.5-3.5％； 汽包所副产蒸汽的压力为6.3-6.9MPaG。 在上述各工艺条件的限制下，原料气在绝热反应部反应时，采用低水气比，并使绝 热反应部的反应温度达到430℃，可提高控温反应部的反应温度和喷水量，并降低气体中的 COS，可使绝热反应部在低水气比反应时，可使甲烷化副反应达到最小，其中二段变换气中 的COS体积比为0.0014％干基，甲烷的体积比为0.038％干基。 汽包的副产蒸汽的压力能够与控温反应部内的温度相适应，使自产蒸汽能够自然 地加入到反应系统中，以方便地控制控温反应部内的温度。 由于采用了低水气比的运行，可节约大量的蒸汽并由此减少冷凝水量，同时较好 地抑制了甲烷化副反应。 进一步，为使汽包的副产蒸汽的压力能够与控温反应部内的温度最大限度地相适 应，汽包仅生产一种蒸汽。 附图说明 图1是复合式绝热串控温变换炉装置一实施例的结构示意图。 7 CN 111732075 A 说　明　书 5/8 页 图2是图1中B部分的放大图，具体为绝热反应部的结构示意图。 图3是图2的左视图。 图4是图1中C部分的放大图，具体为控温反应部的结构示意图。 图5是图4的左视图。 图6是图5中A部分的放大图。 图7变换工艺的流程图。