甲醇汽化混合器的制作方法

本实用新型涉及甲醇汽化混合器。

背景技术：

能源是人类经济活动中最重要的要素，当今世界正面临着能源短缺，环境污染日益严重和温室效应等诸多问题，为保护人类赖以生存的环境并使经济持续发展，开发洁净的新能源已迫在眉睫，很多发达国家已将清洁的可再生能源甲醇作为自己未来能源而加紧研究开发。

现有技术下，甲醇制热可以采用火焰燃烧方式，也可以采用催化氧化方式。由于火焰燃烧方式往往存在燃烧不充分且排放甲醛和氮氧化物（nox）等空气污染物的问题，且在某些特殊场合下还禁止明火燃烧，因此，至少在某些情形下，催化氧化方式以一种更为可行的方案，这种方式不仅反应彻底，而且操作温度低，能够有效地避免因高温燃烧导致的氮氧化物（nox），是一种高效环保的甲醇制热方式。

然而，催化氧化反应对操作温度有较为严格的要求，温度过低不能形成有效的反应，温度过高又会损坏催化剂，而常温下甲醇成液态，因此一种有效的解决方式是在将甲醇送入催化氧化反应器之前，先进行甲醇汽化以与空气混合，并将甲醇混合气（含有甲醇和氧的混合气体）依据催化氧化反应器的操作温度要求，加热到适当的温度。

现有气体加热方式通常为采用换热器，例如，管式换热器，通过蒸汽等热媒对气体进行加热，然而，引入新的热媒将导致设备和工艺的复杂化，需要一定的配套条件（例如，工业蒸汽源）。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了甲醇汽化混合器，以在基本上不引入新的热媒的情况下实现甲醇汽化并与空气混合，形成具有一定温度的甲醇混合气。

本实用新型的技术方案是：甲醇汽化混合器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自上至下依次分布的混合均压室、空气预热室和汽化混合室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述空气预热室设有空气进口和空气出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述空气预热室的空气出口通过中间输气管连接所述混合均压室的预热混合气进口，所述中间输气管设有预热甲醇进口或者所述混合均压室设有预热甲醇进口，所述汽化混合室设有制热甲醇进口和甲醇混合气出口。

优选地，所述空气预热室的空气出口设置在空气预热室的上部。

优选地，所述空气预热室的空气进口设置在空气预热室的下部。

优选地，所述汽化混合室的上部设有甲醇喷淋管，所述甲醇喷淋管上设有喷嘴或喷淋孔，所述制热甲醇进口的内端连通所述甲醇喷淋管。

优选地，所述换热管为等径或变径的圆管（横截面为圆的管）。

优选地，所述换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，即其管壁呈以波浪形的曲线为母线的旋转曲面状，其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。

优选地，各所述换热管在相同高度上的管径相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。

优选地，所述混合均压室的预热混合气进口位于其顶部。

优选地，所述中间输气管的近混合均压室区域设有缩颈结构。

优选地，所述预热甲醇进口设置在所述中间输气管的缩颈结构的管径最小处的侧壁上。

优选地，所述甲醇混合气出口和所述空气进口之间设有空气循环管道，所述空气循环管道上串接有加热装置，所述甲醇混合气出口通过相应空气循环管道连接所述加热装置的进口，所述加热装置的出口通过相应空气循环管道连接所述空气预热室的空气进口。

所述加热装置可以为电加热器，以便简化配套设施。

所述空气循环管道上通常可以设有循环泵。

可以依据现有技术，采用三通实现加热装置与相关管道的连接。

本实用新型可以采用下列操作或控制方法：将含有甲醇和氧的预热用甲醇混合气经混合均压室引入换热管进行甲醇的催化氧化反应，将空气经空气进口引入空气预热室，吸收甲醇催化氧化反应放出的热能，将液态的预热用甲醇经预热甲醇进口引入中间输气管或引入混合均压室，在中间输气管中和/或混合均压室与经空气出口从空气预热室引出的加热后空气混合，形成所述的预热用甲醇混合气，将液态的制热用甲醇经制热甲醇进口引入汽化混合室，与由换热管送入汽化混合室的催化氧化后气体混合，形成含有甲醇和氧的甲醇混合气并经甲醇混合气出口送入，通过控制经空气进口引入空气预热室的空气流量和/或控制经制热甲醇进口引入均压混合室的制热用甲醇流量控制所述甲醇混合气中的甲醇浓度和/或氧浓度，使其满足甲醇混合气的甲醇浓度和/或氧浓度要求，通过控制经预热甲醇进口引入中间输气管或引入混合均压室的预热用甲醇流量控制换热管内的甲醇催化氧化反应的放热强度（放热功率），使其满足甲醇混合气的温度要求。

可以采用下列任意一种方式进行甲醇汽化混合器的启动（或称开车）:

在启动过程中，以另行设置的加热装置将空气加热至所需的温度，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下（关闭预热甲醇进口和制热甲醇进口），持续将加热后的空气经空气进口送入空气预热室，开启甲醇混合气出口进行空气排放，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态；或者，在启动过程中，在不加入预热用甲醇和制热用甲醇的情形下（关闭预热甲醇进口和制热甲醇进口），开启空气进口和甲醇混合气出口，经甲醇混合气出口和空气进口进行空气循环，以另行设置的加热装置将循环空气加热，一次加热的温升达到或低于所需的温升要求（即来自空气源的空气经过加热装置的一次加热后达到所需的温度要求或者达不到所需的温度要求），使甲醇混合气出口排出的空气作为加热装置的进气，经加热装置加热后重新送入空气进口，直至空气预热室内的空气温度达到所需的温度后，开启预热甲醇进口通入预热用甲醇，关闭加热装置，将空气在不经加热装置加热的情形下直接送入空气进口，在换热管内的甲醇催化氧化反应工况稳定后，开启制热甲醇进口通入制热用甲醇，从甲醇混合气出口获得适宜温度的甲醇混合气，由此进入正常工作状态。

本实用新型主要流程和有益效果是：将全部空气按所需流量引入空气预热室的管外空间（壳程）进行加热，加热后的空气将从预热甲醇进口引入的液态甲醇（可称为预热用甲醇）汽化形成混合气体，然后经空气预热室的换热管（管程）进入汽化混合室，将从制热甲醇进口引入的液态甲醇汽化并混合，形成并输出适应于送入甲醇催化氧化反应器的甲醇混合气。在流经换热管的过程中，预热用甲醇在催化剂的作用下与氧发生催化氧化反应（或称催化燃烧），放出的热能经换热管给管外空间的空气加热。在其他工艺参数一定的情况下，可以通过控制预热用甲醇的流量控制换热管内的放热量（通常可以通过工艺参数控制使预热用甲醇在换热管内全部反应），进而控制加热后的空气温度及最终输出的甲醇混合气的温度；可以通过控制制热用甲醇的流量控制甲醇混合气中的甲醇浓度，使其适应甲醇制热的催化氧化反应要求。

可以通过电加热装置等在开机时进行空气加热，将加热到一定温度后的空气送入空气进口，以满足启动过程中甲醇催化氧化的温度要求，正常运行后，依靠换热管内的甲醇催化氧化放热满足全部加热需求，不需另外设置加热工艺或加热设备，由于电加热器效率高，使用方便，而启动阶段需要加热的空气量相对很小，基本上不会因加热导致成本的明显升高，并且必要时还可以在甲醇混合气出口和空气进口之间设置循环，在启动阶段不加热预热用甲醇和制热用甲醇的情形下通过电加热装置对空气进行循环加热，以减小对电加热装置的功率要求，实现设备的简化。

本实用新型以甲醇催化氧化的放热作为制热用甲醇汽化和气体加热升温的能源，在稳定工作状态下无需另行设置加热装置，不仅安全可靠，而且避免了为甲醇汽化和混合气升温而设置复杂的加热系统，简化了设备构造，方便了操作和控制，降低了运行成本。

附图说明

图1是甲醇汽化混合器的结构示意图；

图2是甲醇制热反应器的另一种实施方式的结构示意图；

图3是用于甲醇汽化混合器的一种换热管的（局部）结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，所述甲醇汽化混合器通常可以采用立式的管式换热器结构，设有立式的壳体10，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板34和下管板36，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，其外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自上至下依次分布的混合均压室22、空气预热室24和汽化混合室26，所述列管由若干换热管32组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，其外壁分别与所述上管板和下管板密封，其管孔分别与所述上管板和下管板的对应板孔连为一体，所述空气预热室设有空气进口2和空气出口4，所述空气预热室的空气进口用于连接外部空气源（例如净化空气的供气管），所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂31，可以依据现有技术选择任意适宜的催化剂，所述空气预热室的空气出口通过中间输气管6连接所述混合均压室的预热混合气进口5，所述中间输气管通常可位于所述壳体的外面，以方便设置并避免占用壳体内空间，所述中间输气管或所述混合均压室设有预热甲醇进口3，用于连接甲醇供液管，引入空气预热用的甲醇，所述汽化混合室设有制热甲醇进口1和甲醇混合气出口8，所述制热甲醇进口用于连接甲醇供液管，引入制热用的甲醇，所述甲醇混合气出口用于连接甲醇混合气输送管，输出具有一定温度的甲醇（空气）混合气。

所述换热管通常可以等间距分布于空气预热室内的全部换热区域。

所述换热管的分布方式优选采用正方形排列或正三角排列，以更好地适应于侧向进气和侧向出气结构，优化空气与换热管的接触。

通常，所述换热管可以为等径或变径的圆管（横截面为圆面的管），以利于管内气流在横截面上的均匀分布。

例如，所述换热管按正方形排列，所述换热管优选为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管（参见图3），其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。在此情形下，各换热管在相同高度上的管径优选相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。上述换热管结构和分布方式不仅有利于增大换热管的表面积，提高换热能力，而且在空气流量发生较大变化的情况下，空气预热室对空气流的阻力变化较小，利于系统的稳定，能够有效地增大所适应的空气流量（负荷）范围，提高抗空气流量变化冲击的能力。另外，在空气流量发生变化时，可以通过调节预热用甲醇流量调整催化氧化反应强度，使放热量适应于相应空气流量下的换热量要求。换热管（包括催化剂）的设计应适应于相应的调节，满足最大反应强度要求。

可以在换热管内设置用于支撑催化剂的支架、孔板和/或丝网等。

所述催化剂可以呈块状或颗粒状等。

所述空气预热室的空气进口和空气出口通常可以设置在空气预热室相对的两侧，且一个（优选空气出口）设置在空气预热室的上部，一个（优选空气进口）设置在空气预热室的下部，以实现空气流的均衡分布，保证加热效果。

也可以将空气预热室的空气进口和空气出口分设于空气预热室上部相对的两侧，而在空气预热室内设置位于竖向的折流隔板35，所述空气进口和空气出口对称分布于折流隔板的两侧，折流隔板的上端与上管板连接，下端与下管板之间留有构成气流通道的间距，在折流隔板的作用下，空气预热室的空气流总体上呈u形，延长了空气预热室的空气流路径，利于提高换热能力。

所述中间输气管的近混合均压室区域优选设有缩颈结构（或称喉管），所述预热甲醇进口设置在所述中间输气管的缩颈结构的管径最小处的侧壁上，缩颈处的空气流速加快，对甲醇形成负压抽吸效果，并在抽吸过程及后续的管径扩张过程阶段高效混合，使得进入混合均压室的气体处于良好的混合状态。

所述混合均压室的预热混合气进口优选位于其顶部。在此情形下，所述混合均压室内优选设有位于其进气内端口（预热混合气进口的内端开口）下方的进气挡板28，所述进气挡板呈圆板形或扁圆锥形（锥高远低于底面半径的圆锥形），该圆板的板面（大面）或者扁圆锥的顶点正对所述混合均压室的预热混合气进口，圆板直径或扁圆锥的底直径优选为所述混合均压室的进气内端口内径的1.5-2.5倍，与所述混合均压室的进气内端口间的间距优选为圆板直径或扁圆锥的底面直径的2倍。通过进气挡板的设置，可以避免进入混合均压室的气流直接流向位于中心区域的换热管，有利于改善混合均压室的均压效果，有利于各换热管的流量一致。

可以采用任意适宜形式的支架支撑和安装所述进气挡板。

所述制热甲醇进口优选设置在所述汽化混合室的上部侧壁上。

所述甲醇混合气出口优选设置在所述汽化混合室底部的中央。

可以依据现有技术，根据控制需要在空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口等管道接口或管道上设置控制阀门，用于进行相应的流量或通断控制，以满足工艺要求。

各所述控制阀门可以为电控电动阀门或其他适应于自动控制的阀门，以便进行自动控制，也可以串接手动阀门，在自动控制失效时进行相应的手动控制，例如，切断相应的管路。

可以依据现有技术，根据控制需要在空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口等管道接口或连接管道上设置在线流量检测仪、压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

也可以在所述混合均压室、空气预热室和汽化混合室设置用于相关检测部位设置在线的压力检测仪和/或温度检测仪等，用于进行相应部位相关参数的检测，以满足工艺控制要求。

具体检测部位及检测参数的设置依据控制需要，可以采用任意适宜的现有技术。

各种管道接口及连接管道（例如，空气进口、空气出口、中间输气管、预热甲醇进口、制热甲醇进口和甲醇混合气出口）均可以采用短管形式或其他任意适宜形式，可以焊接在相应装置的壳体上或通过其他方式安装在相应壳体上。

任意管状结构之间的连接可以采用法兰连接或其他适宜的连接方式。

所述汽化混合室的上部优选设有甲醇喷淋管25，所述甲醇喷淋管上设有喷嘴或喷淋孔，所述制热甲醇进口连通（管道连接）所述甲醇喷淋管，以使从制热甲醇进口进入的甲醇通过甲醇喷淋管均匀地分布在汽化混合室内。

所述甲醇喷淋管通常可以呈为水平的环形，通过相关支架同轴安装在所述汽化混合室内，所述喷嘴或喷淋孔可以均匀地分布在甲醇喷淋管的管壁上，开口朝下。用于支撑或安装甲醇喷淋管的支架可以采用任意适宜的形式。

所述甲醇喷淋管的数量可以为一个或多个。当为多个时，各甲醇喷淋管的大小不等，同轴（内外相间）分布在同一个平面上。具体数量可以依据所述汽化混合室相应部位的横截面大小及具体工艺参数设定，以实现较为均匀的甲醇分布。

通常，所述壳体的主体呈圆筒状，其上端和下端分别设有上封头12和下封头14。

所述上管板优选位于所述壳体的主体和所述上封头的连接部位。所述壳体的主体和所述上封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述上管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述上封头相互对接的企口结构之间。

所述下管板优选位于所述壳体的主体和所述下封头的连接部位，所述壳体的主体和所述下封头相互对接的端面上设有相互配合的企口结构（环形阶台结构），所述下管板的外缘夹持在所述壳体的主体和所述下封头相互对接的企口结构之间。

可以根据需要在所述壳体的主体与所述下封头连接处和所述壳体与所述上封头的连接处设置密封垫。

可以依据实际需要设置上封头和下封头的大小，使得混合均压室和汽化混合室均有适宜的大小，以实现良好的汽化、混合和均压效果，良好的均匀有助于保障各换热管流量的一致性。

可以依据现有技术在壳体的下方设置壳体支架18或底座等，用于壳体的安装和支撑。

参见图3，可以设置独立的加热装置40在设备启动（开车）过程中对空气进行加热，使其达到系统稳定运行的温度要求，在与预热用甲醇混合后，形成的预热用甲醇混合气在进入换热管时具有换热管内催化氧化所需的温度。

所述加热装置通常可以为电加热器。

所述加热装置的进口41可以通过三通连接所述甲醇混合气出口8，出口通过三通连接所述空气预热室的空气进口22，即将加热装置串接在空气循环管道上，空气循环管道的一段43用于加热装置的进口与甲醇混合气出口的连接，将甲醇混合气出口引出的循环空气接入加热装置，空气循环管道的另一段42用于加热装置的出口与所述空气预热室的空气进口的连接，将加热装置加热后的循环空气重新送入空气预热室。通过这种循环加热，一是可以使设备内逐渐升温至稳定工作所需的温度状态，避免热冲击，二是允许采用较小功能的加热装置，以简化设备，降低配套要求。可以依据现有技术设置循环泵44及阀门等实现对空气循环的控制以及进行启动工作方式与稳定工作方式之间的切换。

也可以采用加热装置40直接将空气加热到所需的温度，在此情形下也可以不进行空气的循环，但为保证设备内形成所需的稳定状态，通常亦需要经过一段启动过程，持续通入和排出加热后的空气。

可以将这种甲醇汽化混合器的制热甲醇进口和预热甲醇进口通过相应的甲醇输入管连接甲醇源（例如，甲醇储罐），将所述空气预热室的空气进口通过空气输入管连接空气源（例如空气净化装置），将甲醇混合气出口通过甲醇混合气输送管接入甲醇催化燃烧（催化氧化）制热装置的甲醇混合气（甲醇催化燃烧所用的甲醇与空气的混合气体）进口，形成甲醇无火焰制热系统。

可以将这种甲醇汽化混合器与任意适宜的以甲醇催化氧化方式制热的制热设备配套，用于向甲醇催化氧化方式制热的设备提供适宜温度的甲醇混合气，其中甲醇混合气中甲醇含量（浓度）及与氧含量之间的比例可以依据相关制热设备的工艺要求，通常氧为超量，以保证全部甲醇都反应完毕。

制热设备的工作介质（工质）可以为空气、水或导热油等任意适宜形式。

通常，可通过工艺控制及设备设计，使得预热用甲醇在空气预热室的换热管内基本上完全反应，必要时，应考虑空气预热中未反应的甲醇对预热用甲醇流量及制热用甲醇流量的影响。

甲醇汽化混合器的空气进口可以连接空气净化处理装置（例如，空气过滤装置），用于引入净化后的空气，也可以直接连通外部大气空间，预热甲醇进口和制热甲醇进口连接甲醇源（例如甲醇储罐），用于引入液态甲醇。

依据实际需要，可以在相应连接管道上设置阀门和相关工艺参数（例如，压力、温度和流量等）的在线检测仪。

本实用新型所称的“立式”以及相应的“水平”、“上”、“下”、“顶”和“底”等用于对方向和相对位置进行限定的术语仅仅基于表述上的便利，对应于附图中所示的立式状态，用于限定各部分的相对位置关系，不用于限定实际使用方向，但另有其他明确含义的除外。

本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

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