CN103459964A - 用于冷却热气体的热交换器和热交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过冷却流体冷却热气体的热交换器，该交换器包括：包括冷却流体槽并具有该冷却流体槽上方产生的气相的收集空间的至少一个竖直定向的罐；至少一个插入该罐内部的竖直管状元件，该竖直管状元件的端部开口，且与该罐同轴；插在该同轴管状元件内的至少一个绕该罐的轴线旋转的螺旋管；至少一个用于该罐的头部产生的气相的出口，该交换器的特征在于至少一个输送管路插在该竖直罐的下部内，用于将该热气体供给至该罐，该输送管路的两端开口，该输送管路的两端中的一个与该竖直罐连接且另一个是自由的且位于该罐的外部，该输送管路为管状的且横向突出至该交换器的外部，该输送管路包括至少一个中心内部管，该中心内部管具有外套，冷却流体在该外套中循环，该中心内部管与该螺旋管流体连接，并沿着插在该竖直罐中的该管状元件延展。

Description

用于冷却热气体的热交换器和热交换系统

技术领域

本发明涉及一种使用冷却流体冷却热气体且同时产生蒸汽的热交换器。更具体地，本发明涉及一种用于冷却来自于催化部分氧化工艺的热气体并在独立气流中同时产生蒸汽的热交换器。

背景技术

产生高温气体的工艺中的主要问题是所产生气体的快速冷却以及其中包括的热气体的随后回收。

产生高温气体的工艺中的设备通常包括：

·产生热气体的反应器，由耐火材料构成，

·热气体的输送管路，该输送管路朝向热交换器，反应器和输送管路都由耐火材料构成。

交换器的下部以及管板由耐火材料组成。热交换器通常用水运作，且在冷却的过程中产生蒸汽。为了外部的热交换过程的目的，使用过量蒸汽。在这些设备运转的过程中经历最多损害的部件中的一个由耐火区域构成，这些耐火区域必须精确设计与实现。当设备在稳定条件运转时，且还尤其是在设备的短暂启动阶段和骤停阶段的过程中，在运行过程中这些区域可能经历断裂。

耐火材料的位置缺陷与磨损缺陷在工业运行过程中加速了破裂的形成，主要是在耐火部件与钢部件之间有不均匀热膨胀的部件中。这种情况尤其发生在当产生的热气体被转移到冷却部件与蒸汽产生部件时。破裂可能使热气体与反应器、输送管路以及热交换器的金属壁接触，并导致高温下运行的外壳的金属壁过热。为了监控这些现象，金属壁必须涂上反射热性的涂料，反射热线的涂料在过热的情况下改变颜色，且在关键的时候适于将少量“表层（skin）”热电偶吸附至金属表面，以测量达到的温度值。金属壁的过热可能导致超过允许的温度，且除了受损耐火部件的重建之外，还需要骤冷该设备。

发明内容

申请人发现了用于解决上述关键方面的创新性技术方案。由申请人所提出的技术方案是，用使用冷却流体（例如，水）的循环的热交换器代替出现在输送管路、热交换器的下部以及管板中存在的部分耐火材料。

本发明提供的优点大体为，设备的工业运行中，维修介入减少、运转安全性、能效、运转能力以及实用性的提高。

所提出的技术方案可以有利地运用于产生高温合成气体的催化部分氧化（catalyticpartial oxidation）工艺。

在这些情况下，冷却流体可以合并到该工艺的内部循环中或者来自于侧流。

美国专利US7,552,701公布了一种交换器，该交换器通过用水来冷却热气体产生过热蒸汽。该汽锅是单一的竖直容器，其下侧部具有用于热气体的入口。交换器包括至少两个平行的螺旋管，该两个平行的螺旋管由绕容器的轴线延展的竖直部件与在容器下部区域横向地凸出的水平部件组成。螺旋管沿着整个容器延展，且一定长度的螺旋管浸没在沸水槽中，但是从某一点开始螺旋管在容器的上部（在此，饱和的气体被收集）向上延展。在饱和蒸汽的收集空间中，该管具有外套，饱和蒸汽在外套中循环，这进一步冷却了生成过热蒸汽的热气体。汽锅的竖直部分被轴向地插入下水管，该下水管接近淡水的入口，从而允许水在其内部向下循环。水在下水管的外部向上循环。螺旋管绕下水管旋转。根据一个优选实施例，热交换器与部分氧化反应器流体连接，特别地反应器的入口与交换器的入口流体连接。此专利并没有指出交换器热气体入口区域存在耐火材料，但是可以合理的认为，在连接的反应器-交换器系统中，离开反应器的部分管（热气体在其中流动）由与反应器的剩余部分类似的耐火材料构成。从机械角度来看，反应器与交换器之间连接的部分仍是关键点，因其经历可能引起破裂的高温。

专利US4,029,054公布了一种通过冷流体来冷却非常热的气体（比如，例如原合成气）以回收该气体中包括的热能的交换器。该交换器包括两个腔，这两个腔通过隔离板（平面的或球形的）隔开，但是通过热气体的通道管而相互连接。下部腔是热气体的供给区域，且涂有耐火材料。上部腔是热气体的冷却区域，且包括用于冷流体的至少一个主要管路。热气体的通路管穿过隔离板且具有外套，冷流体通过第二冷流体回路来循环。该第二回路是必要的，是因为此时气体具有最高温度，该第二回路保证了关键区域的最佳冷却。为了支持这一点，隔离板的下部由耐火材料构成。通过使螺旋冷却管缠绕在中心轴向管上，使热气体的通路管与位于上部腔的头部的排放管路相连接。为了获得非常好的热交换器，强制冷流体按照旋转移动向下循环至该管的中心区域，且向上进入管外部的环形空间，以有利于更高效率的热交换。

专利US4,488,513公布了一种用于冷却热气体的交换器，尤其是冷却来自于部分氧化过程的合成气体，因此回收敏感热并同时产生过热的蒸汽的交换器。交换器包括叠加的、分开和不同的两个区域，这两个区域通过一系列具有合适外套的热气体通路管而相互连接。上部包括竖直加压容器，该加压容器为圆柱状且密闭，在上部具有用于过热蒸汽的出口。容器部分填充沸水，这些沸水形成了热气体的第一冷却区域，而上部是自由的，并充满了过热的蒸汽，这些过热的蒸汽形成了第二冷却区域。螺旋管绕中心轴均匀地且呈放射状地布置，其中一个螺旋上升且一个螺旋下降。沸水槽填充容器直到容器的底部，并与水供给装置相连接。下部涂有耐火材料，且是热气体的供给区域。在这个区域，热气体被划分进入到与上部区域的螺旋管束连接的一系列具有外套的通路管。通路管的外套防止由于高温引起的损坏。

专利4,462,339公布了一种通过水来冷却热气体（比如来自于部分氧化的热气体）、从而回收显热并通式产生饱和和/或过热蒸汽的交换器。交换器包括不同和隔开的两个部分，这两个部分通过具有外套的环形通道（水在其中循环）相互相连。下部涂有耐火材料，且形成了热气体的供给腔。上部为关闭的容器，该容器为圆柱状、竖直且加压的，包括中心圆柱形腔，该腔底部关闭且头部打开，包括至少一个螺旋管束、位于头部的用于饱和气体的中心出口、在中心腔与容器壁之间的环形区域延伸的多个螺旋管束。环形区域的螺旋管的出口与中心腔的环形管的入口连接。水在环形区域循环，蒸发并产生饱和蒸汽。饱和蒸汽可以通过位于中心腔底部的出口排出或在中心腔内过热。水存在的区域位于上方竖直容器的下部，并被水平隔膜划分为两个区域：位于容器的底部与隔膜之间的区域，具有外套的、气体的通路管通过这个区域；位于中心腔的下方与隔膜的上方的区域，沸水在这个区域循环。管均覆有外套以防止由于进入气体的高温所引起的损害。

·在一个实施例中，本发明涉及一种通过冷却流体（优选为水）来冷却热气体的热交换器，该交换器包括：至少一个竖直定向的罐，该竖直定向的罐包括冷却流体槽，并具有在该冷却流体槽上方产生的气相的收集空间，

·至少一个插在该罐中的竖直管状元件，该竖直管状元件在端部敞开，且与该罐同轴，

·至少一个插在该同轴管状元件中、绕罐的轴线旋转的螺旋管，

·至少一个用于在该罐的头部所产生的气相的出口，

该交换器的特征在于至少一个输送管路插在竖直罐的下部，用于使热气体供给至该罐，所述输送管路在两端敞开，两端中的一个连接竖直罐，且另一个是自由的且位于该罐的外部，

该输送管路为管状，且横向突出至该交换器外部，

该输送管路包括至少一个中心内部管，该中心内部管具有外套，冷却流体在该外套中循环，

该中心内部管与螺旋管流体连接，并沿着插在竖直罐中的管状元件竖直地延展。

本发明有利地允许涂在交换器（产生高温气体的工艺且特别是传统催化部分氧化工艺中使用的交换器）的热气体的输送管路和整个下部的耐火材料被完全消除。耐火材料保留下来的唯一操作单元是反应设备。此外，本发明的机械构造允许高温气体产物通过至少两个金属管与的交换器的金属壁在压力下分离，每个金属管有使用两个冷却流体（例如水）循环的至少一个冷却回路。利用这种方法，有利地保证了输送管路的金属壁和交换器的下部、所有加压部件绝不会超过冷却流体（水）的温度，从而创造了本质被动安全性。通过这种方式，提高了热交换方法本身的本质安全性。通过增加产生的蒸汽（如果水是冷却流体）有利于整个系统，因为其提供了可用的热交换表面。

最后，用冷却流体循环系统来代替部分耐火材料促进了大尺寸设备的扩大规模，因为很容易增加热气体的输送管路。

附图说明

本发明的其他目的与优点将会在下面的描述与附图（仅为说明性而非限制性目的）中显得更为明显。

图1示出了本发明的目的的交换器的一个实施例，其中：

（5）为用于供给热气体（1）的输送管路，

（2）中心内部管，

（3与3a）为插在中心内部管（2）的外套中的隔膜，

（4）为围绕中心内部管（2）中的外套，

（6）为圆锥形空隙，圆锥形空隙（6）将冷却流体槽划分为两个空间，一个空间朝向竖直罐（6a）敞开，一个空间朝向输送管路（6b）敞开，

（7）为连接线，

（8）为用于循环冷却流体（例如水）的装置，

（9）为竖直管，

（10）为螺旋管，

（11）为被冷却的气体的出口，

（12）为所产生的气相（例如水蒸气）的出口，

（13）为插在竖直罐中的竖直管状元件。

具体实施方式

本发明的目的的热交换器具有通过冷却流体（优选水）来冷却热气体的功能。热气体优选是合成气体，并优选来自于催化部分氧化过程（其中，氧化剂为氧气，且反应温度范围为500℃～2000℃，优选为750℃～1600℃）。

本发明的目的的热交换器包括：

·至少一个竖直定向的罐，该竖直定向的罐包括冷却流体槽（优选是水），冷却流体槽上

方有所产生的气相（优选为水蒸汽）的收集空间，

·至少一个插在该罐内部的竖直管状元件，该元件两端敞开，且与该罐同轴，

·至少一个插在该同轴管状元件内、绕罐的轴线旋转的螺旋管，

·至少一个用于该罐的头部产生的气相的出口。

该交换器的特征在于至少一个输送管路（水平的或倾斜的）插在竖直罐的下部，用于将热气体供给到该罐，该输送管路的两端敞开，两端中的一个与竖直罐连接，且另一个为自由的且位于该罐外部。该输送管路优选为管状的，且横向突出至交换器的外部。该输送管路包括至少一个中心内部管（优选为管状），该中心内部管具有外套，冷却流体在该外套中循环，该中心内部管与螺旋管流体连接，并沿着插在竖直罐中的管状元件竖直地延展。

该中心管的外套优选为管状的并与中心内部管同轴。该外套也包括优选为管状并与中心内部管同轴的隔膜，以允许冷却流体的内部循环。该隔膜优选地沿着中心内部管的整个长度延展直到该管的上端。

隔膜允许冷却流体的蒸汽被分离：单相的冷流体的流从竖直罐朝向输送管路的自由端循环，优选是混合水-蒸汽相的热流体混合流朝向竖直罐循环。在罐的竖直部分的该隔膜在混合相的热流体与单相的冷流体之间形成间隙，产生了允许冷却流体进行所需要的密度差与压力差。

优选为圆锥形的间隙还存在于输送管路中，该间隙将冷却流体槽划分为两个空间，其中一个朝向竖直罐敞开，且另一个空间朝向输送管路的自由敞开端敞开。两个空间之间形成压力差，这有利于冷却流体的自然循环的出现。

本发明的目的的交换器还包括竖直罐底部与输送管路之间的连接管路。该连接管路上优选地存在至少一个用于循环冷却流体的装置。该装置优选是循环泵（强制性循环）或由循环泵（自助循环）供给的喷射器。

参考图1，热气体（1）进入中心内部管（2），并沿输送管路（5）继续，通过整个竖直管（9）与螺旋管（10），直到出口（11）。管全部被浸没在冷却流体槽中，由此形成了冷却流体的内部循环。该冷却流体沿连接管路（7）流动，用于循环该流体的装置（8）可以沿着连接管路（7）被插入。随后，冷却流体进入到圆锥形间隙（6b），直到被隔膜（3与3a）分开的中心管（2）的外套（4）。隔膜的内部和外部的冷却流体相对于隔膜（3）以等量（equicurrent）流动。冷却流体的混合相与竖直管状元件（13）中的冷却流体液混合。图1还示出了竖直罐内部的管状元件（13）的存在，管状元件（13）包括螺旋管（10）并在罐壁与该螺旋管之间形成了环形区域。在这个环状区域中，产生了强烈递减的、单相冷却流体的循环，这有利于热交换。在冷却热气体的过程中所产生的蒸汽聚集在竖直罐的头部，且从头部（12）的出口离开。

本发明的另一个实施例涉及一种热交换系统，该系统包括至少一个用于催化部分氧化的反应装置以及上述交换器。该反应装置包括：

·供给区域，包括用于液体试剂和气体试剂以及氧化剂的至少一个入口，

·雾化区域和/或汽化区域，包括至少一个雾化设备和/或汽化设备，

·被供给的化合物的混合区域，位于该雾化设备和/或汽化设备的下游，具有恒定的或沿着所述装置的轴线递减的截面，

·反应区域，包括至少一个催化系统和至少一个热屏蔽件，在该反应区域中试剂与氧化剂被转化为热气体，

·制备的热气体的快速冷却区域，

这个热交换系统中所用的交换器的特征在于，将用于供给热气体（从反应装置至交换器）的输送管路直接插在该反应装置的内部，优选插在反应装置的快速冷却区域。

反应区域优选具有恒定的或沿装置的轴线递增的截面，更优选地，反应区域具有为圆柱形或截圆锥形或截棱锥形的形式。混合区域优选地具有圆柱形或截圆锥形或截棱锥形的形式。

-雾化设备和/或汽化设备可与已授权的专利EP1796825中所公布的类似，更多具体细节可参考此专利，该设备主要由以下元件组成：

装有适于供给液体流、分散气体流和另一气体流的装置的供给区域，

-至少一个液体流的两步雾化区域（使用分散气体流），

-另一气体流的分布区域，

其中

-第一步雾化区域由管状核心件和与该核心件同轴的外套构成，液体流流过该管状核心件，该管状核心件装有一系列配套的喷嘴（各喷嘴相对于彼此在同一高度），分散气体流流过该外套，其中该喷嘴允许分散气体流以与该管状核心件的轴线垂直的方向进入到管状核心件，引起液体流的第一雾化，

-第二步雾化区域主要由与管状核心件的底部相连、与该管状核心件的轴线平行的一个或多个喷嘴构成，以提高其雾化度，

-分布区域主要由在第一雾化步骤的外套的外部并与该外套同轴的另一气体流和一系列喷嘴构成，该一系列喷嘴在该另一外套的底部相连，相对于彼此在同一高度定位，相对于管状核心件的轴线平行或倾斜小于40°的角度。

混合装置可与专利申请US08/0244974所公布的类似，更多具体细节可参考此专利，该混合装置主要包括：

-第一供给区域，装有允许第一流体（在操作条件下为气体）从轴向进入；

-底层分布区域，包括与轴线平行的一束管，在该底层分布区域中该流体均匀分布；

-第二供给区域，装有允许第二流体进入分布区域（包括平行的一束管）且均匀分布在

该平行管的外部的装置；

-混合区域，通过支撑该平行管的管板与分布区域分离。

该管板具有裂缝或开口，以允许第二流体在轴向上均匀地排放至混合区域，且该平行管延伸至该管板之上直到混合区域。

由上述热交换系统和交换器本身所获得的技术优势如下：

·减少了维修的介入，

·创建了高度一体化的热气体制备模块，且当冷却流体为水时，使用产生的蒸汽冷却该

热气体，

·有可能预组装可传输的系统并将其安装在实用位点，减少了时间与成本，

·在与短时间接触-催化部分氧化工艺（SCT–CPO）相关的应用中，有可能安装与具有两个锁定点的SCT–CPO设备平行存在的制氢反应器，将对实用位点的介入减少到最少。

本发明的另一个实施例涉及一种用于制备合成气与氢的催化部分氧化方法，该方法以选自于从生物质获得的液体烃、气体烃、和/或被氧化的化合物和其混合物的试剂为原料，该方法包括：

·该试剂的预热阶段，

·试剂与氧化流的反应阶段，以提供包括合成气体的气流，氧化流选自氧气、空气或浓缩空气，

·制备的合成气体的快速冷却阶段，使用本发明的目的的交换器实现。

在本发明的优选实施例中，氧化剂是氧气，且反应温度范围为：500℃～2000℃，优选是750℃～1600℃。

本发明的目的的方法可能包括氢化脱硫阶段。该过程还包括通过水汽变换反应将合成气体中包括的一氧化碳转化成二氧化碳的阶段，和随后的该二氧化碳的去除阶段，以及在水汽变换反应之后反应产物中包括的氢的分离阶段和/或提纯阶段。

Claims (21)

1.一种通过冷却流体冷却热气体的热交换器，所述交换器包括：

·至少一个竖直定向的罐，所述竖直定向的罐包括冷却流体槽并具有在所述冷却流体槽上方所产生的气相的收集空间，

·至少一个插入所述罐内部的竖直管状元件，所述竖直管状元件在端部敞开且与所述罐同轴，

·至少一个绕所述罐的轴线旋转的螺旋管，所述螺旋管插在所述同轴管状元件内，

·至少一个用于在所述罐的头部产生的气相的出口，

所述交换器的特征在于，至少一个输送管路插在所述竖直罐的下部内，用于将所述热气体供给至所述罐，所述输送管路在两端敞开，所述输送管路的两端中的一个与所述竖直罐连接且另一个是自由的且位于所述罐外部，

所述输送管路为管状的且横向突出至所述交换器外部，

所述输送管路包括至少一个中心内部管，所述中心内部管具有外套，冷却流体在所述外套中循环，

所述中心内部管与所述螺旋管流体连接，并沿着插在所述竖直罐中的所述管状元件竖直地延展。

2.根据权利要求1所述的交换器，其中所述输送管路还包括圆锥形的间隙，所述间隙将水槽分为两个空间，一个空间朝向所述竖直罐敞开，而另一个空间朝向所述输送管路的自由敞开端敞开。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述输送管路为水平的或倾斜的。

4.根据权利要求1所述的交换器，所述交换器还包括所述竖直罐的底部与所述输送管路之间的连接管。

5.根据权利要求4所述的交换器，其中所述连接管上设有至少一个用于循环所述冷却流体的装置。

6.根据权利要求4或5所述的交换器，其中所述用于循环所述冷却流体的装置为循环泵或通过循环泵供给的喷射器。

7.根据权利要求1所述的交换器，其中所述中心内部管为管状的。

8.根据权利要求1所述的交换器，其中所述外套为管状的且与所述中心内部管同轴。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述中心内部管的所述外套还包括使所述冷却流体内部循环的隔膜。

10.根据权利要求9所述的热交换器，其中所述隔膜为管状的，且与所述中心内部管同轴。

11.根据权利要求1所述的热交换器，其中容纳在所述外套中的所述隔膜在所述中心内部管的整个长度上延展，直到延展至所述管的上端。

12.根据权利要求1至11所述的交换器，其中所述冷却流体为水。

13.根据权利要求1至11所述的交换器，其中所述热气体为合成气体。

14.一种包括至少一个用于催化部分氧化的反应装置和根据权利要求1所述的交换器的热交换系统，所述反应装置包括：

·供给区域，所述供给区域包括用于试剂和氧化剂的至少一个入口，

·雾化区域和/或汽化区域，所述雾化区域和/或汽化区域包括至少一个雾化设备和/或汽化设备，

·被供给的化合物的混合区域，所述混合区域位于所述雾化设备和/或汽化设备的下游，且具有恒定的或沿着所述装置的轴线递减的截面，

·包括至少一个催化系统和至少一个热屏蔽件的反应区域，在所述反应区域中所述试剂与所述氧化剂被转化为热气体，

·制备的所述热气体的快速冷却区域，

所述交换器的特征在于，所述输送管路直接插在所述反应装置内部，所述输送管路用于将来自于所述反应装置的所述热气体供给至所述交换器。

15.根据权利要求14所述的热交换系统，其中所述反应区域具有恒定的或沿着所述反应装置的所述轴线递增的截面。

16.根据权利要求14所述的热交换系统，其中所述热气体的所述输送管路插在反应装置的所述快速冷却区域中。

17.根据权利要求14所述的热交换系统，其中所述混合区域具有圆柱或截圆锥的形式。

18.根据权利要求14所述的热交换系统，其中所述反应区域具有圆柱或截圆锥或截角锥的形式。

19.一种用于以选自于从生物质获得的液体烃、气体烃、和/或被氧化的化合物以及它们的混合物的试剂而制备合成气体和氢的催化部分氧化方法，包括：

·所述试剂的预热阶段，

·所述试剂与氧化流的反应阶段，以提供包括合成气体的气流，所述氧化流选自氧气、

空气或浓缩空气，

·所述合成气体的快速冷却阶段，

其特征在于，使用根据权利要求1至13所述的交换器来实现所述合成气体的快速冷却。

20.根据权利要求19所述的方法，其中氧化剂是氧气，且反应温度的范围为500°C至2000°C。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述反应温度的范围为750°C至1600°C。