CN2245612Y - 烃类分段热转化炉 - Google Patents

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曾凡盾
熊长华
冉蜀英
李世忠
王之杰
周铸彬
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Abstract

一种烃类分段热转化炉，它是对原《天然气部分燃烧旋焰乙炔炉》的技术改进，由旋流混合器(I)、旋流组合烧嘴器(Ⅱ)、反应道(Ⅲ)、水急冷装置(Ⅳ)、刮炭装置(Ⅴ)和气液分离器(Ⅵ)六个部分组成；它能将天然气和轻质油进行分段热转化，联产乙炔、乙烯和合成气三种化工原料气，乙烯收率达40％以上，同时增产乙炔和合成气分别达10％和33％，热利用率提高20％以上，单炉生产能力提高1.5倍。

Description

烃类分段热转化炉
本实用新型属于烃类热转化设备，具体涉及天然气(甲烷，以下同)和轻质油(石脑油或凝析油，以下同)热转化为含乙炔、乙烯和合成气(CO＋H2)组***解气的分段热转化炉。
在本申请之前，我们于1995年7月18日申请有名称为《天然气部分燃烧旋焰乙炔炉》的实用新型专利(申请号：95241897.5)。它是天然气部分氧化制乙炔的一种热转化炉，由旋流混合器、旋流组合烧嘴器、反应道、淬火装置和刮炭装置五个部分组成。在这种热转化炉中，天然气和氧气在1500℃左右进行部分燃烧反应，生成含乙炔和含合成气组分的高温裂解气；采用水作急冷剂的淬火装置对燃烧火焰迅速淬火急冷，使裂解气温度从1500℃迅速降至100℃以下，以稳定生成的乙炔，阻止发生二次反应。但是，这样必然导致大量高温热能损失，使乙炔成本增加。
本实用新型的目的在于：针对上述热转化炉的不足，对它进行改造和革新，设计一种能回收利用高温热能的烃类分段热转化炉。
本实用新型的技术构思是：在上述《天然气部分燃烧旋焰乙炔炉》的反应道上段同一园周边上开设喷油孔，采取喷轻质油对天然气燃烧火焰迅速淬火急冷措施，既起阻止裂解气中乙炔发生二次反应的作用；又能利用1500℃左右裂解气的高温热能，使油热转化为含低碳烯烃(主要是乙烯)的油裂解气；对天然气和轻质油分段热转化后的混合裂解气，再用水急冷装置迅速急冷，阻止烯烃发生二次反应。
下面结合附图来说明本实用新型烃类分段热转化炉的结构。
图-1为烃类分段热转化炉的总体结构示意图。在图-1中，I-旋流混合器，II-旋流组合烧嘴器，III-反应道，IV-水急冷装置，V-刮炭装置，VI-气液分离器；A-氧气进口，B-天然气进口，C-辅助氧进口，D-冷却夹套换热介质进口，E-冷却夹套换热介质出口，F-反应道喷油孔，G-水急冷装置进水管，H-刮炭装置进水管，J-点火孔，O-裂解气出口，N-排污口。
本实用新型烃类分段热转化炉为全金属结构，由旋流混合器(I)、旋流组合烧嘴器(II)、反应道(III)、水急冷装置(IV)、刮炭装置(V)和气液分离器(VI)六个部分组装而成。
图-2为旋流混合器(I)的结构详图。在图-2中，1-分配挡板，2-分配孔，3-天然气旋涡器，4-氧气喷嘴，5-高速混合管，6-扩散道；A-氧气进口，B-天然气进口，M-混合气体。
将预热到600-650℃的天然气从天然气进口(B)引入，在流通断面经分配挡板(1)和分配孔(2)，使之均匀分配后进入环形断面，再经天然气旋涡器(3)旋出，与由氧气进口(A)引入，并经氧气喷嘴(4)喷出的高速氧气，在高速混合器(5)上端的混合点混合；混合气体以超音速的线速通过高速混合管，再经扩散道(6)进入旋流组合烧嘴器(II)。整个混合过程在数拾微秒之内完成。
旋流混合器(I)的主要设计参数如下：
高速混合管的气体线速：300-800/s
高速混合管的长径比：＞2
天然气旋涡器旋槽外旋线水平升角＞25度，旋槽程数＞2
扩散道锥角：＞5度
图-3为旋流组合烧嘴器(II)的结构详图。在图-3中，C-辅助氧导管，K-混合气体旋涡器，L-中心辅氧孔，6-扩散道，M-混合气体。
图-4为旋流组合烧嘴器(II)的烧嘴孔分布图。
旋流组合烧嘴器(II)的扩散道(6)，与旋流混合器(I)的扩散道勿合一致，法兰连接。在旋流组合烧嘴器(II)中，由混合气体旋涡器(K)和中心辅氧孔(L)构成一个单元旋流烧嘴；单元旋流烧嘴按正三角形排列组合，构成一个多单元组合旋流烧嘴板(本图例为七单元组合)。混合气体由扩散道(6)经过每个烧嘴的旋涡器(K)形成高速旋转气流，进入反应道(III)进行部分燃烧反应，在1500℃左右的火焰温度下使一部分天然气热转化为乙炔，形成含乙炔和合成气组分的裂解气；辅助氧经每个烧嘴的中心辅氧孔(L)，导入反应道(III)起稳定火焰的作用。
旋流组合烧嘴器(II)的主要设计参数如下：
单元烧嘴直径(d)：＜100mm
单元烧嘴间距：＞1.2d
混合气体旋涡器叶片数：＞2
混合气体旋涡器叶片外旋线水平升角：＞25度
混合气体旋涡器出口旋流速度：＞120m/s
中心辅氧孔出口直流速度：＞5m/s
图-5为反应道(III)的结构详图。在图-5中，II-旋流组合烧嘴器，III-反应道，IV-水急冷装置，V-刮炭装置；P-冷却夹套，D-冷却夹套换热介质进口，E-冷却夹套换热介质出口，F-反应道喷油孔，J-点火孔。
图-6为图-5的I-I剖面喷油孔分布图。
反应道(III)采用带冷却夹套(P)的全金属园筒型结构。在冷却夹套上设有热补偿器，下端设换热介质进口(D)，上端设换热介质出口(E)，通过夹套可预热入炉天然气或加热气化入炉轻质油，并确保反应道在高温下不变形；在反应道上端紧靠烧嘴板位置开设一个带视镜的点火孔(J)；在反应道上段开设喷油孔(F)，均布于同一园周边，其喷油孔位置(即一段热转化区高度L1)由裂解气在反应道的线速和在一段热转化区的停留时间确定；从烧嘴板端面至喷油孔位置的反应道园周面的高度(L1)范围，为一段热转化区，在此区域进行天然气部分燃烧反应，生成含乙炔和合成气组分的天然气裂解气；从喷油孔位置的反应道园周面至水急冷装置端面的高度(L2)范围，为二段热转化区，在此区域利用喷入的轻质油对天然气燃烧火焰进行淬火急冷，阻止生成的乙炔发生二次反应，同时轻质油又可利用1500℃左右的裂解气高温热能进行热裂解，生成合低碳烯烃(主要是乙烯)和合成气组分的油裂解气；天然气和轻质油经过分段热转化后的混合裂解气，温度降至1000℃以下，再采用水急冷装置从反应道中心径向喷水急冷，使混合裂解气温度降至100℃以下，阻止生成的烯烃产生二次反应。
反应道(III)的主要设计参数如下：
裂解气在反应道的线速：＞30m/s
喷油孔径(d)：Φ3-Φ20mm；间距：5-20d
二段热转化区与一段热转化区的高度比(L1/L2)＝1.5--3.5
裂解气在一段热转化区停留时间：0.002-0.005秒
裂解气在二段热转化区停留时间：0.006-0.009秒
本实用新型烃类分段热转化炉的水急冷装置(IV)，采用在反应道(III)下端中心能垂直升降的多层水幕式喷头，由中心径向喷水急冷裂解气。可根据二段热转化反应过程的需要，自动、半自动或手动调整反应时间。
本实用新型烃类分段热转化炉的刮炭装置(V)，采用环形水冷升降式，手动、半自动或自动刮炭。
本实用新型烃类分段热转化炉，是对在先申请的《天然气部分燃烧旋焰乙炔炉》实用新型的技术改进，它可有效回收利用高温余热，实现一炉联产乙炔、乙烯和合成气三种化工原料气。经过中间试验证明：在天然气热转化处理能力相同的情况下，炉子的热利用率提高20％以上；利用一段热转化的余热对轻质油进行热转化，乙烯收率达40％以上，用2.4吨凝析油可产1吨乙烯，同时还可增产乙炔10％左右，增产合成气33％左右；仅考虑乙炔和乙烯的产量，单炉生产能力提1.5倍左右。本实用新型烃类分段热转化炉，为综合利用我国油气资源，生产乙炔，并联产乙烯和合成气，开辟了一条新途径；对以天然气为原料的现有化肥厂、化工厂进行技术改造，调整产品结构，提高经济效益，具有很高的推广应用价值和前景。
实施例：
以一段热转化天然气处理能力541标m3/h，二段热转化凝析油处理能力306Kg/h的炉子为例。
一、原料性质
1、天然气组成(V％)
CH4   C2H6  C3H8  C4H10   CO    CO2    N2   H2
98.85  1.19     0.07     0.63     0.11  0.30    0.30  1.55
2、凝析油
相对密度(d)0.7527，特性因素(K)12.18
平均分子量(M)125   芳烃指数(BCMI)11
馏程(℃)：初馏点52，50％138，干点350
族组成(W％)：
正构烷烃    异构烷烃    环烷烃    芳烃
29.10       43.151      16.192    11.646
二、转化炉关键部件结构尺寸
1、旋流混合器(I)
氧气喷嘴：直径35.3mm
天然气旋涡器：外径86mm，内径57mm，旋槽外旋线水平升角45度，旋槽程数12
高速混合管：内径41mm，长度200mm2、旋流组合烧嘴器(II)
烧嘴板：19单元正三角形排列组合烧嘴，直径262mm
单元烧嘴：直径27mm，辅氧孔Φ3.5mm
混合气旋涡器叶片数：4
混合气旋涡器叶片外旋线水平升角：30度3、反应道(III)
反应道内径：263mm
喷油孔：孔径Φ4mm，孔数14个
一段热转化区高度(L1)：140mm
二段热转化区高度(L2)：340mm三、出炉裂解气1、裂解气气量：1299标m3/h7、裂解气组成(V％)C2H2   C2H4     CO     H2      CO2    CH4    C3H67.00      8.06       10.42  47.68     2.57   10.46   1.23C3H4(甲)  C4H4         C4H4(丙)       C4H6    C2H60.256     0.234           0.164       0.705    0.251C4H2      芳烃               O2    N20.051     0.62           0.0052 0.306

Claims (5)

1.一种烃类分段热转化炉，由旋流混合器(I)、旋流组合烧嘴器(II)、反应道(III)、水急冷装置(IV)、刮炭装置(V)和气液分离器(VI)六个部分组成，其特征在于所说的反应道(III)是带冷却夹套(P)的全金属园筒型结构，在它的上端设有一个点火孔(J)；在它的上段同一园周边上均布开设喷油孔(F)，其喷油孔位置(即一段热转化区高度L1)由裂解气在反应道的线速和在一段热转化区的停留时间确定；二段热转化区与一段热转化区的高度比(L2/L1)＝1.5-3.5；裂解气在反应道的线速大于30m/s。
2.按照权利要求1所述的烃类分段热转化炉，其特征在于所说的喷油孔(F)孔径(d)为Φ3-Φ20mm，间距为5-20d。
3.按照权利要求1所述的烃烃分段热转化炉，其特征在于所说的冷却夹套(P)上设有热补偿器，下端设有换热介质进口(D)，上端设有换热介质出口(E)。
4.按照权利要求1所述的烃类分段热转化炉，其特征在于说的旋流组合烧嘴器(II)是由混合气体旋涡器(K)和中心辅氧孔(L)构成一个单元旋流烧嘴，单元旋流烧嘴按正三角形排列组合构成一个多单元组合旋流烧嘴板；单元旋流烧嘴直径(d)＜100mm，间距＞1.2d；混合气体旋涡器叶片数＞2，叶片外旋线水平升角＞25度；混合气体旋涡器出口旋流速度＞120m/s，中心辅氧孔出口直流速度＞5m/s。
5.按照权利要求1所述的烃类分段热转化炉，其特征在于所说的旋流混合器(I)有氧气进口(A)、天然气进口(B)、分配挡板(1)、分配孔(2)、天然气旋涡器(3)、氧气喷嘴(4)、高速混合管(5)和扩散道(6)；高速混合管气体线速为300-800m/s，高速混合管的长径比＞2，天然气旋涡器旋槽外旋线水平升角＞25度，旋槽程数＞2，扩散道锥角＞5度。
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