CH4-CO2重整制合成气H2+CO，在甲醇生产、FT合成、氨合成及其他化工产品研制中，已被广泛研究。传统的催化重整方法使用镍或贵金属作催化剂，贵金属系催化剂具有较高活性，但很昂贵。镍基催化剂具有更高活性和选择性，但很容易失活积炭。因此，研发新的、廉价的催化剂耐积炭功效非常重要。本实验研究基于太原重工股份有限公司（简称太重）2009年试点研发的炭催化倒T型重整转化炉，对物料平衡、热平衡和流动阻力进行了计算，考虑了不规则尺寸分布的炭催化剂对在重整反应中流体阻力的影响。对设备主体结构变形量及强度进行了数值模拟分析，对炭催化倒T型重整转化炉温度场、压力场及各种载荷作用性能进行了验证。

1 倒T型重整转化炉研发机理

在高温炭体系中，CO2、CH4、H2O、O2等物质之间存在一系列化学反应，其中主要反应是强放热过程，这些反应发生迅速，在几十毫秒内完成完全反应。CO2与C、CH4与 H2O、CH4与CO2反应全过程为控制过程，这些吸热反应被统称为二段反应。在催化部分氧化过程中，转换温度保持在 1 200 K～1 300 K，用时 1 s～2 s。由炉体提供适当的高径比，以确保完成二段反应。通过对上述反应研究发现，在转化过程中，炭起到重要的催化作用。太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室（简称煤科学重点实验室）进行了热力学实验研究，可知：体系在温度大于900℃时，CH4、H2O、CO2、H2反应的主要平衡产物是 CO和 H2，而甲烷被分解；不同温度下反应的平衡常数分别如下：CH4与H2O反应 （900℃时，1.449 exp3，1 000℃时，9.019 exp3），CH4分解反应 （900 ℃时，51.38，1 000 ℃时107.1）。太原理工大学煤科学重点实验室进行了动力学实验研究，可知：在较高的重整温度（1 100℃～1 300℃）下，在水蒸气、氧气辅助下，CO2和CH4的转化速度很快，在短时间内，体积分数降低到小于0.5%，重整转化后，H2从 44%增加至 56.6%，CO从 23.2%上升至29.5%。出口H2/CO比在2.0左右，通过炭催化重整转化，CH4和CO2有效地转化成合成气（H2+CO）。

设备运行时，氧化放热反应是在倒T型重整转化炉对称布置的2个侧翼进行，达到足够的温度时，进入还原吸热反应段，也就是进入倒T型重整转化炉的主反应腔内，与来自倒T型重整转化炉顶部的碳催化剂一起，在主反应腔的高温炭体系中完成气固流动、分配与接触强化、热量传递与反应动力优化匹配；通过对主反应腔的直径和结构的设置，来实现使气体通过催化剂床层的速度足够低，以确保有足够的重整反应停留时间。而且还与所添加碳催化剂的粒度和比例有关，当所添加的碳催化剂颗粒尺寸分别为25 mm～35 mm和15 mm～25 mm时，单位厚度的碳催化剂层中阻力较小；另一方面，当碳催化剂颗粒粒径为25 mm～35 mm，影响转化率程度较大。太原理工大学煤科学重点实验室进行了研究，结果表明，最有效地减少碳催化剂床层阻力的碳催化剂颗粒大小在5 mm～35 mm的筛阶成分。碳催化剂床层最合适的筛类组合物中的碳催化剂颗粒粒径由 35 mm～25 mm，25 mm～15 mm 和 15 mm～5 mm三档组成，对应的比例为80%、15%和5%。这将导致压降ΔP=313.5 Pa/m。在倒T型重整转化炉中，气体在入口管和出口管中的流体阻力是很低的。碳催化剂床层阻力是其流体阻力的主要组成部分。随着高度的增加，流体在催化剂床层阻力逐渐增大。太原理工大学煤科学重点实验室进行了炭催化甲烷二氧化碳重整转化仿真研究，可知：倒T型重整转化炉中催化剂层温度为1 200℃时，适合于重整反应。原料气和来自外部的水蒸气以及倒T型重整转化炉底部加入的O2混合在一起，使倒T型重整转化炉中的温度升高到950℃～1 300℃，在水蒸气-氧气辅助条件下，高温炭和水、O2以及进入倒T型重整转化炉的原料气中的H2、CH4以及CO2进行化学反应，生成合成气；在倒T型重整转化炉的中上部输入水蒸气，与高温炭发生水蒸气气化反应，吸收热量，使高温合成气输出后，温度降低到750℃～950℃。倒T型重整转化炉技术特性参数列于表1。

 

表1 倒T型重整转化炉技术特性参数

  

设计压力/MPa 0.08操作压力/MPa 0.02设计温度/℃1 300操作温度/℃1 100～1 300爆破片设计压力/MPa 0.075爆破片设计温度/℃300催化剂消耗量/kg·h-1 50催化剂床层高度/m 1.5炉膛内截面面积/m2 0.785原料气入口流量 /m3·h-1 588氧气入口流量 /m3·h-1 132合成气出口流量 /m3·h-1 920碳催化剂粒度/mm 5～35碳催化剂停留时间/h 13.32炉膛内径/m 1.0原料气进气温度/℃600氧气进气温度/℃450合成气出口温度/℃900排渣温度/℃1 050

2 倒T型重整转化炉结构

基于高温炭对二氧化碳和甲烷重整转化催化特性、热力学和动力学等基础原理，太重研发了在高温炭体系中CH4-CO2重整制合成气的设备——倒T型重整转化炉[1]。根据倒T型重整转化炉内部反应工作原理，对其进行了详细的设备结构研发。高温炭体系中甲烷和二氧化碳倒T型重整转化炉结构示意图见图1。该炉由双钟罩加料机、汽封装置、倒T型重整转化炉主体、气体分布器、排渣装置五个主要部分构成。

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图1 倒T型重整转化炉结构示意图

 

1—双钟罩加料机 2—汽封装置 3—炭材料通道4—耐火浇注料 5—合成气输出管 6—竖直内腔7—原料气和水蒸气输入通道 8—水夹套9—气体分布器 10—排渣装置 11—喷嘴

排渣装置由圆盘阀、壳体、气动装置及翻板阀四个部分组成。排渣装置作用是将催化剂残渣排出倒T型重整转化炉，并保证合成气不外泄。

20世纪60年代，我国的石油化工工业处于空白。20世纪60年代初，国家从西欧引进年产3.6万吨乙烯砂子炉及与之配套的高压聚乙烯等4套装置建在兰化。在黄河岸边，老兰化人饮风啜沙、肩挑手扛，在一个叫西固的荒滩上，建起了钢铁之躯的兰化、共和国的“长子”。1970年，装置全面建成投产的那年，17岁的董松江进了厂，在高压聚乙烯车间当了一名工人。一年后，到了车间的心脏—聚合岗位。

本次调查中，13.5%的学生表示校园欺凌的行为在校园中很常见，36.3%的同学表示偶尔发生，19.6%的学生表示不知道，只有30%的学生明确表示所在的学校没有发生过校园欺凌事件。对于校园内常见的拉帮结派、搞小团体的现象，45.9%的学生明确表示反对，30.1%的学生对此持中立态度，19.6%的学生表示无所谓，明确表示支持的学生仅占4.3%。

2.1 倒T型重整转化炉主体

汽封装置环绕催化剂进口布置，外蒸汽环管位于汽封的外围，外环管上设有1个进汽口和6根布汽管，布汽环板通过6根布汽管与外环管连通。此处设置2个连锁机构：汽封装置与双钟罩加料机连锁控制，双钟罩加料机加料时，在其下阀打开前，先打开汽封，完成一次加料，下阀关闭，随后关闭汽封，整个流程每加一次料，汽封便动作一次，确保加入转化炉主体碳催化剂时，合成气不会外泄；汽封装置与倒T型重整转化炉催化剂入口处温度连锁控制，为了避免双钟罩加料机下阀处温度过高，影响密封，在此处设一个安全连锁装置，当主体反应器催化剂入口处温度达到400℃时，打开汽封装置进行冷却，来保证设备安全运行。

风帽位于气体分布器的最上面，辅助层有3层，并由支架支承，支架固定于气体分布器主轴上，气体分布器主轴固定在十字钢梁上，十字钢梁固定于倒T型重整转化炉主体内壁台阶上，通过调节十字梁四端的支撑垫，来调节气体分布器主轴的垂直度及气体分布器与炉体的垂直间隙。该气体分布器具有充分的通风面积、良好的气流分布状况及适当的滞留时间等优点。

倒T型重整转化炉主体上端炭材料通道与汽封结构连接；合成气输出管设在倒T型重整转化炉主体上部，在其进口端设置一个锥帽，加料时其下部形成自然锥形空腔，保证合成气均匀分布被收集输出，不形成死区或偏析，此空腔有利于合成气在此处聚集、沉降，减少合成气带出物，同时也避免了上升过程中的高温合成气与合成气出口管上部残存合成气混合，发生热量交换，使合成气出口管以上的温度维持在有利于设备运行的区间；原料气进口有两个，对称地设置在倒T型重整转化炉主体中下部，与倒T型重整转化炉内腔连通；原料气进口下部呈锥形腔体，可使低活性炭材料催化剂顺利下行，不至于残留在原料气进口的空腔内，保证原料气顺利通过炭材料催化剂床层，并与其保持良好接触、均匀分布；锥形腔体的下端设置了水夹套，由水夹套产生的水蒸气与氧气混合，从底部通入倒T型重整转化炉，使难还原炭被氧化气化。

2.2 双钟罩加料机

为了确保设备主体结构安全运行，运用ANSYS软件，对倒T型重整转化炉主体结构变形及强度进行了数值模拟分析，根据其温度场、压力场及各种载荷的作用，对其性能进行了验证。

气体分布器由风帽、辅助层、支架、气体分布器主轴、十字钢梁五个部分组成。气体分布器作用是托住催化剂并使催化剂颗粒发生不间断运动，以利于倒T型重整转化炉内固体高温炭和转化原料气体的逆向良好接触，也利于物料浓度场与温度场合理分布和灵活可控，并使得转化原料气顺利、均匀通过一定厚度的催化剂床层，同时把利用后的消耗性催化剂残渣排到渣池。

(3)根据适应度值，对种群中的50组解排序，并进行遗传操作得到新一代的包含50组全新可行解的种群。其中，交叉和突变的比率分别为0.8和0.005。

2.3 汽封装置

汽封装置由进汽口、外环管、布汽管及布汽环板四个部分组成，汽封装置作用是加入倒T型重整转化炉催化剂时，辅助双钟罩加料机阻止合成气外泄，同时可冷却催化剂入口温度。

倒T型重整转化炉主体主要由炭材料通道、耐火浇注料、合成气输出管、竖直内腔、原料气和水蒸气输入通道和水夹套六个部分组成。主要在此进行固体高温炭和合成原料气体的主反应。

2.4 气体分布器

双钟罩加料机密封阀由堆焊硬质合金加工而成，迷宫阀设在双钟罩加料机的最顶端，用螺栓与插板阀连接，插板阀的下方与滚筒阀螺栓连接，滚筒阀与料仓壳体螺栓连接，料仓壳体的上端设置上阀板，上阀板与上阀配合，上阀由上阀杆支承，料仓壳体的下端设置下阀板，下阀板与下阀配合，下阀由下阀杆支承，料仓壳体的两侧设置气动系统，气动系统与上阀杆、下阀杆分别采用连杆连接。双钟罩加料机工作时，经筛分的催化剂从中间料仓经插板阀流进滚筒阀内，然后经上下阀流入倒T型重整转化炉主体。运行过程分为3步：（1）加催化剂时，由气动系统推动气缸，将滚筒阀与双钟罩加料上阀同时打开，使催化剂流入料仓壳体；（2）当流入料仓壳体的催化剂达到双钟罩加料机壳体容积的2/3时，关闭滚筒阀和上阀；（3）上阀关闭后，气动系统推动气缸打开下阀，待催化剂全部流入倒T型重整转化炉主体后，关闭下阀。

Norman JL等[19]考察了药师在疼痛药物治疗管理工作中的作用，对患者各项临床指标进行了评估。包括：疼痛评分、疼痛控制满意度、不良反应、疼痛情况对日常生活的影响、阿片类药物的日剂量、辅助镇痛药物的剂量变化、神经病理性疼痛的用药情况和控制状况。研究结果显示，药师主导的MTM对于接受3个月以上阿片类药物治疗的患者，可明显改善其疼痛药物使用效果。

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2.5 排渣装置

倒T型重整转化炉的最上端为双钟罩加料机，依次向下分别为汽封装置、转化炉主体、气体分布器和排渣装置。通过气动系统控制双钟罩加料机各密封阀，炭材料在炉内部气体无泄漏的情况下，进入倒T型重整转化炉主体，参加合成反应后，气化残渣由气体分布器与倒T型重整转化炉主体之间的孔隙下落进入渣池。渣池存储到一定量，通过气动系统控制排渣装置各密封阀，使残渣在炉内气体无泄漏的情况下，进入排渣装置，并由排渣装置下口排出。整个运行过程中，气体分布器由配备的传动系统带动其转动，气体分布器的转动速率与倒T型重整转化炉主体内反应情况协调进行。

排渣装置为双阀锁气出渣装置，圆盘阀位于排渣装置的最上端，圆盘阀与壳体采用螺栓连接，壳体的最下端设置了翻板阀，圆盘阀、翻板阀均由连杆与气动装置连接。运行原理为：通过气体分布器的转动，下到渣池的催化剂残渣在渣池内存储到一定量，此时打开排渣装置上端的圆盘阀，使催化剂残渣下到排渣装置，关闭上阀，打开下阀，将残渣外排。

3 转化炉主体数值模拟分析

双钟罩加料机由迷宫阀、插板阀、滚筒阀、料仓壳体、上阀、下阀、上阀板、下阀板、上阀杆、下阀杆及气动系统十一个部分组成，双钟罩加料机作用是将炭材料催化剂加入倒T型重整转化炉主体，同时避免合成气外泄。

倒T型重整转化炉主体数值模拟分析基础数据及强度条件见表2。

 

表2 数值模拟分析基础数据及强度条件

  

设计压力/MPa 0.08顶部载荷/kN 30侧翼端部载荷/kN 20金属材料温度/℃50主体主要材质Q245R材料在50℃时设计许用应力强度(Sm)/MPa 151材料在50℃时的弹性模量(E)/MPa 2×105一次应力强度限制值（1.5Sm）/MPa 226.5二次应力强度限制值（3Sm）/MPa 453设计最大应变控制值/mm·m-1 0.6

转化炉主体依据设备实际尺寸建模，故建模尺寸确定为：转化炉主体上部内径2 000 mm，上部筒体建模厚度为16 mm，上端椭圆封头建模厚度16 mm，中间锥体建模厚度20 mm，下部筒体内径2 600 mm，下部筒体建模厚度20 mm，转化炉主体侧翼筒体内径1 420 mm，侧翼筒体建模厚度12 mm，建模时对所有涉及到的尺寸细节进行核查。随后进行合理的网格划分，确认网格划分符合要求后，对转化炉主体模型进行加载。转化炉主体模型施加边界条件及其加载图见图2。

  

图2 转化炉主体模型施加边界条件及其加载图

转化炉主体上部由于双钟罩加料机及其所加物料等对转化炉主体施加一个竖直向下的载荷，通过计算，此载荷大小为30 kN，侧翼筒体端部由于外侧烧嘴自身重量及其管道附加载荷的作用，端部施加一个竖直向下的载荷，通过计算，此载荷大小为20 kN，转化炉主体内部承受一个80 kPa的反应压力，载荷加载完毕后，对转化炉主体模型进行应力强度和应变强度分析。

转化炉主体设计工况下的应力强度分布图见图3。由图3可以得知，最大应力位于下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处，其值为66.07 MPa。

研究表明，以往对调速阀节流调速回路的建模及仿真过程中，多数没有考虑液压缸泄漏对活塞速度、刚度及稳定性的影响[1-3]。本文首先对液压缸泄漏的活塞速度表达式进行推导修正，得出液压缸泄漏的活塞速度表达式；随后利用AMESim仿真软件建立了液压缸泄漏的进油调速回路仿真模型，对回路的速度-负载特性进行了仿真分析；最后利用QCS003C教学实验台对所建立的模型的仿真结果进行了实验验证。

  

图3 转化炉主体设计工况下的应力强度分布图

转化炉主体设计工况下的应变强度分布图见图4。由图4可知，最大应变位于下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处，其值为0.43 mm/m。

  

图4 转化炉主体设计工况下的应变强度分布图

基于上述分析结果，下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处为最危险截面，该处应力应变评定合格，即为转化炉主体强度分析合格。采用标准JB 4732—95（2005年确认）中的弹性应力分析方法，根据分析结果进行强度评定，下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处产生的局部薄膜应力为一次应力，局部弯曲应力归为二次应力，查阅JB4732可知，壳体材料在50℃下，许用设计应力强度Sm=151 MPa，一次应力强度限制值为1.5 Sm=226.5 MPa，二次应力强度限制值为3 Sm=453 MPa，根据设计要求，转化炉主体设计最大应变控制值为0.6 mm/m。转化炉主体数值模拟分析输出结果见表3。

 

表3 转化炉主体数值模拟分析输出结果

  

最小值最大值总变形量/mm 0.107 72 1.602 40应力强度/MPa 0.16 66.07弹性应变强度/mm·m-1 0.001 0.430

由表3和图3可知，位于下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处应力最大，最大应力66.07 MPa，满足一次应力限制值（226.5 MPa）和二次应力限制值（453 MPa）的要求。由表3和图4可知，位于下部筒体和下部锥体以及侧翼筒体3个回转面的交点处应变最大，最大应变0.43 mm/m，满足设计最大应变控制值要求（为0.6 mm/m），故所研发的倒T型重整转化炉主体满足操作强度和刚度要求。

4 结 语

基于CH4-CO2重整转化高温炭催化特性、热力学和动力学等基础原理，研发了倒T型重整转化炉，根据其内部工况、反应基理等特点，优化了设备结构。其所有部件均实现自动化操作，并设置了多套安全连锁机构，使得CH4-CO2高温碳催化重整转化顺利进行。为了确保设备主体结构安全可靠，对设备主体结构变形量以及强度进行了数值模拟分析，分析结果表明，侧翼筒体和主壳体连接处产生的应力最大，并且在安全许用应力强度范围内。

倒T型重整转化炉在高温炭体系中可以实现CO2和CH4重整转化，整个反应流程在带保温层的炉壳内完成，并且采用内热式方法，为CH4+H2O反应提供热量，热效率高。与镍基系列催化法或金属负载系列催化剂相比，该设备不使用镍系列或贵金属负载系列催化剂，省去了投资高且复杂的催化体系，不会存在积炭引起催化剂失活的问题，碳质催化剂材料可以是铁合金焦、冶金焦等，来源广泛，价格低，使该工艺的成本大大降低。

参考文献：

[1]太原重型机器集团有限公司.JB/T 7327—2007常压固定床煤气发生炉通用技术条件[S].北京：机械工业出版社，2007-09-01.

[2]全国压力容器标准化技术委员会.JB 4732—1995（2005年确认）钢制压力容器-分析设计标准[S].北京：新华出版社，1995-10-15.