[發明專利]本安型無焰水套爐

有效

• 申請號: 201410035609.2
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103791617A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 胡雪蛟;向柳;莫小寶;劉翔
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: F24H7/02
• 分類號: F24H7/02;F24H9/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及天然氣工業，尤其涉及一種本安型無焰水套爐。

背景技術

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。

發明內容

針對背景技術中存在的問題，本發明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-→2O^2-；

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：