一種用于天然氣蒸汽轉化的高溫內襯反應器的制作方法

本實用新型涉及天然氣蒸汽轉化制氫/合成氣領域，具體涉及一種內襯反應器。

背景技術：

目前國內天然氣蒸汽轉化制氫或合成氣工藝，大多采用蒸汽轉化技術，即在催化劑存在的高溫條件下(轉化爐中)，使甲烷等烴類與水蒸汽反應生成H₂、CO等混合氣。其主要反應為：

1、

2、

3、

4、

隨著制氫/合成氣規模的不斷提高，單臺轉化爐已難以經濟可靠地滿足大規模工藝生產要求。國內大多數轉化工藝采用了在轉化爐前設置預轉化爐的工藝。預轉化爐的使用不僅分擔了轉化爐的部分負荷(約15～20％)，降低了轉化爐規模；同時重烴組份在預轉化催化劑床層經吸熱反應分解為輕組分，避免重烴在轉化爐內因更高的床層溫度環境而反應，導致催化劑積碳，大大延長了轉化催化劑的使用壽命，延長了轉化爐運行周期。

預轉化爐或轉化爐的反應氣在進入其各自的預熱器前均需補充過量的蒸汽以使甲烷蒸汽轉化反應完全并抑制積碳反應。過量蒸汽的加入使得水蒸汽在預轉化爐中瓷球表面凝結，尤其在開車階段需加入大量的水蒸汽，預轉化爐上部瓷球處水汽凝結現象較為突出。水汽的侵入大大增加了容器內催化劑床層至容器殼體金屬內壁的導熱系數。

典型的預轉化爐操作條件：2.8MPa@550℃(設計為：3.5MPa@300(壁溫)℃，襯里設計絕熱溫度為150℃)，反應氣自頂部進入，底部排出。因溫度較高，目前耐火材料均采用一層耐火剛玉澆注料和一層輕鋁澆注料的結構，保溫層澆注料與容器殼體金屬內壁間有一層耐400℃的耐酸瀝青漆以防止露點腐蝕，容器殼體因有耐火材料可以降低金屬外壁設計工作溫度(300℃)，選材為Q345R。

出轉化爐的轉化氣溫度約在800～850℃，在正常運行情況下，過熱水蒸汽隨工藝氣進入下游熱回收降溫后分離。轉化爐出口輸氣總管的設計與預轉化爐類似，操作條件：2.2MPa@890/150(管子壁溫)℃(設計為：2.4MPa@910/300(管子壁溫)℃)，采用一層耐火剛玉澆注料和一層輕鋁澆注料的結構(盲端采用一層剛玉磚、一層陶纖毯以及兩層輕鋁磚和陶纖毯)，管子采用Q345R板材卷制而成。

開車期間析出的凝結水順著預轉化爐澆注料表面的裂紋滲入高溫瀝青漆處，約550℃的水汽夾帶著工藝氣將高溫瀝青漆逐漸熔化并從設備底部壓力相對較低的出氣口處流出，形成高溫氣-汽流體的流道。從而便使得容器殼體外壁溫度遠高于設計值(設計150℃，運行過程中最高至380℃)，設備運行存在較大安全隱患。

在開停車階段，隨著系統逐漸升溫和降溫，轉化氣的溫度隨之變化，當轉化氣溫度低于水蒸汽露點溫度時，大量的水汽在輸氣總管盲端人孔處析出，含水蒸汽的氣體穿過剛玉磚、輕鋁磚與剛玉澆注料的縫隙在陶纖毯處冷凝，造成陶纖毯吸水變形，并在自重條件下下墜使得氣體竄至Q345R金屬內壁處，造成盲端上部外壁超溫(最高至310℃)，存在較大安全隱患。

技術實現要素：

為解決上述現有技術所存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種用于天然氣蒸汽轉化的高溫內襯反應器，以簡單實用的結構設計同時滿足高溫和富水汽的氣體輸送要求。

為達到上述目的，本實用新型采用了以下技術方案：

包括耐壓殼體以及設置在耐壓殼體內壁上的采用自流型澆注料制成的耐火襯里，所述耐火襯里內設置有內夾套，內夾套包括由多層沿周向排列的直筒襯板、連接于每層直筒襯板內相鄰直筒襯板間的軸向搭接板以及連接于相鄰層直筒襯板間的周向搭接板構成的直筒體，所述直筒體與設置在耐壓殼體上相應開口處的工藝氣進氣口、溫度計接口、進料口、卸料口、工藝氣出氣口以及人孔相連通，所述軸向搭接板以及周向搭接板具有沿對應方向延伸的V型槽。

所述內夾套還包括設置于所述直筒體端部的斜襯板。

所述耐壓殼體上、下端部均采用橢圓封頭結構，所述內夾套由直筒體以及設置于直筒體上、下兩端的上斜襯板、下斜襯板構成。

所述工藝氣進氣口、溫度計接口、進料口、卸料口、工藝氣出氣口以及人孔與內夾套連接為一體，與耐壓殼體之間通過所述耐火襯里分隔。

所述內夾套、軸向搭接板以及周向搭接板采用不銹鋼制成。

所述內夾套與耐火襯里之間填充有絕熱材料層。

所述絕熱材料選自陶瓷纖維毯。

所述人孔位于耐壓殼體側壁，人孔內設置有人孔塞；人孔塞包括不銹鋼筒、設置在不銹鋼筒外壁的纖維紙以及填充在不銹鋼筒內的陶瓷纖維毯。

所述卸料口位于耐壓殼體下端，卸料口內設置有由自流型澆注料構成的圓柱形塞子，該塞子與卸料口的間隙由設置在塞子外壁上的陶瓷纖維毯封堵。

本實用新型的有益效果體現在：

與現有技術相比，本實用新型使用自流型澆注料構成的耐火襯里，利用其一次成型特點將施工對耐火襯里質量的影響降至最低，同時，利用V型搭接板，即具有V型槽的搭接板創造性的提出能自我吸收熱膨脹的內夾套，有效地避免了工藝氣及水汽與襯里接觸的可能，從而在不大幅增加設備制造成本的前提下保證了設備能在設計指標下安全可靠的運行，具有結構簡單、成本低廉的特點。

附圖說明

圖1為反應器的結構示意圖；

圖2為內夾套結構簡圖；

圖3為軸向搭接板裝配示意圖；

圖4為環向搭接板裝配示意圖；

圖5為內夾套直筒段結構示意圖；

圖中：1.耐壓殼體，2.耐火襯里，3.直筒襯板，4.下斜襯板，5.上斜襯板，6.陶纖毯夾層，7.卸料口，8.進料口，9.溫度計接口，10.工藝氣進氣口，11.軸向搭接板，12.周向搭接板，13.工藝氣出氣口。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細下說明。

參見圖1，本實用新型提供一種天然氣蒸汽轉化制氫/合成氣用內襯反應器，包括反應器耐壓殼體1、由澆注料構成的耐火襯里2、由陶瓷纖維毯構成的陶纖毯夾層6及金屬內夾套(內夾套包括直筒襯板3、下斜襯板4及上斜襯板5等)。

所述反應器耐壓殼體1是一臺Ф3800×8600×60mm的壓力容器，上、下封頭為橢圓封頭(上封頭設置工藝氣進氣口10、進料口8以及溫度計接口9，下封頭設置有卸料口7、工藝氣出氣口13)。筒體采用Q345R板材、接管采用16MnIII鍛件。錨固釘材質為S30408，錨固釘在容器熱處理前焊接到耐壓殼體1內壁上。所述反應器耐壓殼體1的結構設計與普通帶內襯的壓力容器一致。

所述耐火襯里2由自流型剛玉澆注料(低鐵、低硅)一次澆筑成型，具有強度高、耐沖刷的特點。同時，自流型澆注料可最大程度地降低施工對耐火襯里質量的影響。原設備澆筑形式采用振動澆筑形式，自流澆注料與振動澆注料相比有以下優點：1、能在自重作用下流動而無需振動；2、能自動鋪展開并可達到振動澆注料無法達到的部位；3、可泵送施工，降低勞動強度，加快施工周期；4、減少施工噪音污染。

參見圖2，所述內夾套由直筒襯板3、下斜襯板4及上斜襯板5等組成。上、下封頭處的斜襯板與直筒襯板夾角125度(圖1)，這樣減少了內夾套的制作難度，降低制造周期。直筒襯板3加工方法為：由寬1500mm、厚3mm的304不銹鋼板卷制為不銹鋼筒，再裁剪為弧度60°、長1500mm及寬500mm的不銹鋼板。不銹鋼板間采用夾角60°，凹槽長1500mm、寬60mm的V形搭接板搭接以吸收軸向和周向膨脹。

所述內夾套與耐火襯里2之間設有一層30mm厚的陶纖毯夾層6(壓縮后為27mm)以增加內夾套與耐火襯里2間的密實性，同時避免運輸過程中內夾套與耐火襯里2之間發生碰撞。

所述反應器底部催化劑卸料口7處澆注料設計成與接口法蘭內徑同徑的圓柱孔，預制一件與該圓柱孔有5mm間隙的圓柱形澆注料塞子，在催化劑卸料完成后在塞子外壁包裹一層10mm厚的陶瓷纖維毯塞入卸料口7，防止在運行過程中該卸料口處超溫。

反應器側壁開有人孔，該人孔處澆注料澆筑成帶15°錐度的孔，制作一件與之有2mm間隙的不銹鋼筒人孔塞，筒內塞滿陶瓷纖維毯來增加該人孔塞的隔熱效果，筒外壁包裹一層3mm厚的纖維紙來減少人孔塞與人孔之間間隙，減少氣流進入該間隙造成人孔位置超溫。

所述反應器頂部溫度計接口9/進料口8的內襯筒分別與上斜襯板5有3mm間隙，用3mm厚的陶瓷纖維紙塞實。

所述反應器工藝氣進氣口10內部設計有一304H的圓柱形導流筒，在導流筒靠近頂部位置開6個50×50mm的方形孔用來作為澆注口，待澆注料澆筑、烘爐結束后用304H鋼板焊堵。

在本實施例中，采用巧妙的內夾套設計(自我吸收熱膨脹的內夾套)，有效地隔離了高溫富水汽的工藝氣與耐火襯里的接觸，避免了因水汽導熱及沖刷導致的容器外壁超溫。上述內襯反應器的制備工藝包括以下步驟：

1)壓力容器制造與普通壓力容器一致，在完成錨固釘焊接后進行射線探傷、熱處理及水壓/氣壓試驗。

2)在金屬容器制造完成并通過驗收后即可開始澆注耐火襯里。金屬容器在立式狀態下施工，在其內搭設腳手架，并支模具(卸料口7、溫度計接口9、進料口8、人孔提前預制接口模具并在模具表面包裹1mm陶瓷纖維紙)，從下至上開6層呈環向均布的100×100mm方形孔用做澆注口，澆注口應避開人孔。

3)從下至上依次澆注自流型澆注料，每澆筑完一層后將方形孔堵死。澆注完成并養護結束后拆除模板及腳手架，按澆注料廠家說明書進行襯里烘干。烘干結束后按廠家說明書及襯里施工驗收標準進行驗收，驗收合格后進行后續工作。

4)在澆注料表面用高溫密封膠黏貼一層厚30mm的陶瓷纖維毯。

5)不銹鋼內夾套施工，步驟如下：

A、先將下斜襯板分片通過工藝氣進氣口處開口送入容器內，并在底部組焊；

B、將直筒襯板放入容器內進行環向組裝，并用軸向搭接板11焊接，焊接形式參見圖3、圖5；

C、上層直筒襯板與下一層直筒襯板用環向搭接板(即周向搭接板12)焊接，參見圖4；

D、繼續組對焊接，直至上斜襯板5與工藝氣進氣口焊接完成。

6)內夾套焊接完成后，用陶瓷纖維紙將頂部溫度計接口/進料口與內夾套處的縫隙塞實。

7)設備運至現場安裝完成后，在催化劑裝填前用陶瓷纖維毯包裹住的澆注料塞子從設備內部塞入卸料口內。待卸料口封裝完成后即可開始催化劑的裝填工作。

8)催化劑及瓷球裝填結束并驗收合格后，用陶瓷纖維紙將人孔塞包裹住并塞入人孔，并將人孔蓋恢復。

本實用新型的優點如下：

(1)本實用新型主要采用不銹鋼內夾套，避免了高溫富水汽的工藝氣與耐火襯里的接觸，提高了設備的運行可靠性。

(2)本實用新型采用的內夾套及搭接板都是普通不銹鋼制作備，結構簡單、加工周期短、新增投資少、成本低廉。

(3)本實用新型采用V型搭接的方式，解決了內夾套熱態條件下的膨脹問題，簡單有效。