本安型無焰水套爐制造技術

本發明專利技術提供本安型無焰水套爐，包括水套爐罐體④、無焰反應管道⑤、天然氣管道⑨；所述無焰反應管道⑤通過其內設置的多孔催化材料將無焰反應管道⑤分為燃料氣區和空氣區；所述無焰反應管道⑤的進氣口包括燃料氣入口①和空氣入口②，燃料氣入口①與燃料氣區相通，空氣入口②與空氣區相通。催化無焰反應代替點火燃燒反應，安全快速，且反應溫度低于天然氣著火點，在滿足天然氣水套爐的加熱要求的同時保證系統溫度不至于過高，避免了可能的爆炸、火災等事故的發生。結構簡單，不需要點火裝置，直接由反應本身的產熱預熱反應氣體，提高起燃活性。反應效率高，經過催化反應，CH4的轉化率高達95%，轉化率越高，溫度越高，熱效率越高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及天然氣工業，尤其涉及一種本安型無焰水套爐。
技術介紹
天然氣在開采、輸送及應用過程中,多種原因需要對天然氣進行加熱。因為天然氣中含有水合物,在集輸和長途輸送過程中,為了防止由于天然氣溫度過低而導致水合物析出凝結成固體,從而堵住管道設備引起事故,需要加熱；在天然氣應用過程中,往往需要對其減壓,而壓降較大時會導致天然氣溫降過大,也需要加熱；此外由于工藝需要而需天然氣保持一定溫度,也需要天然氣達到一定的溫度，以便進行分離和加工等。因此在天然氣減壓系統和供氣系統中常設置加熱設備——水套爐，水套爐是天然氣輸送應用系統中不可缺少的重要設備。水套爐內裝設有火筒、煙管、盤管等部件，其余部分裝入一定量的水，一般為筒體體積的三分之一。燃料在火筒內燃燒產生熱能，通過輻射傳熱和對流傳熱等過程傳遞給水，水再將熱量傳遞給盤管內的天然氣，使其溫度升高。目前水套爐工作時，是在火筒內噴入天然氣和空氣的混合物，點火使其燃燒放熱，火焰中心最高溫度可達2118K，煙氣出口溫度也高達1166K。如此高的溫度，存在一定的安全隱患：如果水套爐內的水蒸干或者發生水泄漏等事故，由于燃燒溫度很高，遠超過天然氣的著火點，會導致天然氣爆炸，對設備和人員造成傷害，形成極大的安全隱患。
技術實現思路
針對
技術介紹
中存在的問題，本專利技術提供一種本安型無焰水套爐，用低溫催化氧化反應代替傳統水套爐火筒中的明火燃燒，消除安全隱患，其具體技術方案如下：一種本安型無焰水套爐,包括水套爐罐體④、無焰反應管道⑤、天然氣管道⑨；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨設置在水套爐罐體④內，所述無焰反應管道⑤通過其內設置的多孔催化材料將無焰反應管道⑤分為燃料氣區和空氣區；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨上分別設置有進氣口和出氣口，所述無焰反應管道⑤的進氣口包括燃料氣入口①和空氣入口②，燃料氣入口①與燃料氣區相通，空氣入口②與空氣區相通。作為優選項：所述無焰反應管道⑤的進氣口、出氣口和天然氣管道⑨的進氣口、出氣口均位于水套爐罐體④外部。所述無焰反應管道⑤的材料為導熱材料。所述無焰反應管道⑤的材料為具有高導熱系數且耐腐蝕的海軍黃銅或耐腐蝕的鋼材。所述多孔催化材料的形狀為齒輪狀或“井”字形。所述多孔催化材料為過渡金屬的氧化物、Pt或Pd、以Pt、Pd為基礎的合金中的其中一種或幾種的混合物。所述以Pt、Pd為基礎的合金為Pt/C、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Ni、Pt-Cr、Pd/CZ、Pd/CZ-Al2O3、Pd/La-Al2O3或Pd/W；過渡金屬為Fe、Mo、Ni或Co。所述水套爐罐體④上方設有補水箱⑧，水套爐罐體④下方設置有支架③。所述無焰反應管中結構可以是單管式、列管式、多層膜式、多層套管式。水套爐之所以會產生爆炸的危險，根本原因是由于火筒內采用明火燃燒，且燃燒溫度遠高于天然氣的燃點。要解決這一問題，就要避免使用明火，如果考慮利用催化劑使天然氣無焰燃燒的方式，既能夠放出足夠熱量（天然氣一般只需要加熱到60℃左右），又能夠將反應溫度控制在天然氣燃點以下。這樣，即使水套爐內的水分蒸干，爐內的溫度也不會高于安全范圍，從而從根本上避免了可能的安全事故的發生。燃料氣體從燃料氣入口通入，與從空氣入口通入的空氣在催化劑的作用下反應放熱。天然氣由天然氣入口通入，在爐內加熱后經出口排出。CH4和O2反應產生的尾氣仍具有較高的溫度，這部分溫度經過煙管傳遞給水套爐內的水，實現余熱回收再由煙囪⑩排出。采用催化材料是為了降低氧化反應的活化能，使反應能夠在天然氣著火點以下的溫度下進行。由于催化材料本身是熱的良導體，反應產生的熱量可以傳到反應管壁以加熱水套爐內的水，水作為熱媒，將熱量傳到天然氣管道，從而提高天然氣的溫度。反應管內設有由多孔催化材料制成的燃料管道，多孔催化材料用于吸附氣體并催化反應的進行。反應催化材料可制成齒輪型管狀，齒部與銅管壁形成的空隙內通入氧氣，為反應的陰極，陰極作用是提供氧化劑，催化陰極的還原反應，陰極主要是氧氣發生反應，反應式子如下：O2(g)+4e-→2O2-；催化材料的芯部通入燃料氣體，陽極的作用是讓燃料氣體發生氧化反應，一般使用天然氣為燃料氣體。天然氣中主要成分是甲烷，還可能有少量乙烷及其他氣體。反應式子如下：CnH2n+2+(3n+1)O2-→nCO2+(n+1)H2O+(6n+2)e-；總反應式為：CH4+2O2(g)=CO2（g）+2H2O(g)，該反應是一個放熱反應，焓變△H=－802.6kJ/mol，反應活化能Ea=125.6kJ/mol。該反應常用的催化劑例如過渡金屬的氧化物，或Pt或Pd或以Pt、Pd為基礎的合金。這里以由Pt-Ni燒制的多孔材料為例，其中Pt的質量分數為5%,是金屬粒子直徑4——6nm的面心立方。與非貴重金屬氧化物催化劑相比，Pt催化劑在碳氫化合物的氧化過程中具有極好的有點：更高的低溫起燃活性、更高的碳氫化合物完全轉變效率、更高的活性穩定性及更大的抗硫中毒能力。根據催化劑和完全反應率的不同，該催化反應溫度處于330℃到400℃之間，高于水的沸點，且低于天然氣的燃點，既實現了對天然氣的加熱又保證了不會因為過熱而產生爆炸的危險。無焰反應管的結構可以是單管式、列管式、多層膜式、多層套管式等。反應使用的催化劑可以根據反應活性要求和溫度要求配制以Pt或Pd為基礎的合金、或Fe、Co、Mn、Ni的金屬氧化物合成的多種組分和比例的復合催化劑。可在專利技術專利的基礎上改進系統熱管結構和布置方式或配置輔助的燃料預熱器和空氣預熱器、傳熱傳質管道、余熱回收裝置、調節閥、增壓泵、疏水泵等環節以提高熱效率。有益效果：1、催化無焰反應代替點火燃燒反應，安全快速，且反應溫度低于天然氣著火點，在滿足天然氣水套爐的加熱要求的同時保證系統溫度不至于過高，避免了可能的爆炸、火災等事故的發生。2、結構簡單，不需要點火裝置，直接由反應本身的產熱預熱反應氣體，提高起燃活性。3、反應效率高，經過催化反應，CH4的轉化率高達95%，轉化率越高，溫度越高，熱效率越高。附圖說明圖1：本專利技術結構示意圖；其中①燃料氣入口；②空氣入口；③支架；④水套爐罐體；⑤無焰反應管道；⑥天然氣入口；⑦天然氣出口；⑧補水箱；⑨...

【技術保護點】
一種本安型無焰水套爐,其特征在于：包括水套爐罐體④、無焰反應管道⑤、天然氣管道⑨；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨設置在水套爐罐體④內，所述無焰反應管道⑤通過其內設置的多孔催化材料將無焰反應管道⑤分為燃料氣區和空氣區；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨上分別設置有進氣口和出氣口，所述無焰反應管道⑤的進氣口包括燃料氣入口①和空氣入口②，燃料氣入口①與燃料氣區相通，空氣入口②與空氣區相通。

【技術特征摘要】
1.一種本安型無焰水套爐,其特征在于：包括水套爐罐體④、無焰反應管道⑤、天然氣管道⑨；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨設置在水套爐罐體④內，所述無焰反應管道⑤通過其內設置的多孔催化材料將無焰反應管道⑤分為燃料氣區和空氣區；所述無焰反應管道⑤和天然氣管道⑨上分別設置有進氣口和出氣口，所述無焰反應管道⑤的進氣口包括燃料氣入口①和空氣入口②，燃料氣入口①與燃料氣區相通，空氣入口②與空氣區相通。
2.如權利要求1所述的本安型無焰水套爐，其特征在于：所述無焰反應管道⑤的進氣口、出氣口和天然氣管道⑨的進氣口、出氣口均位于水套爐罐體④外部。
3.如權利要求1所述的本安型無焰水套爐，其特征在于：所述無焰反應管道⑤的材料為導熱材料。
4.如權利要求1所述的本安型無焰水套爐，其特征在于：所述無焰反應管道⑤的材料為海軍黃銅或鋼材。
5.如權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡雪蛟，向柳，莫小寶，劉翔，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42