CN1016500B - 用火焰生产合成气的方法和装置 - Google Patents

用火焰生产合成气的方法和装置

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Abstract

本发明提供了一种在缺乏助燃剂环境下燃烧燃料生产合成气的方法和装置，所述助燃剂是气态的，所述装置包括有将燃料和一部分可燃气体送入反应器的第一设备；以及将第二部分可燃气体送入反应器的第二设备，所述第二设备包括有一个限定了所述反应器的至少一部分的多孔壁。

Description

本发明涉及一种用火焰生产合成气的方法和装置。
碳氢化合物，例如天然气，在缺氧气氛下燃烧将导致形成一氧化碳（CO）、氢（H2），以及二氧化碳（CO2）和水（H2O）。
例如，如果在绝热平衡状态一摩尔甲烷与0.7摩尔氧燃烧，得到54.9%摩尔的氢（H2），31.6摩尔的一氧化碳（CO），1.7%摩尔的二氧化碳（CO2）和11.7摩尔的水（H2O）。
然而，由充分的燃烧过程，存在有两性碳氢化合物，形成的CO和H2减少，而CO2和H2O增多。已进行了减少这种现象的试验，如果反应器的壁面是绝热的（反应器的形状不允许有散热损失），向CO和H2的转变情况会更好。
对于O/C比接近1.5摩尔/摩尔的情况没有什么主要问题，但对于此比率较低情况下，就需要予热气体。在碳氢化合物比甲烷重的情况下，积炭的形成可以限制O/C比的降低。
本发明提供了一种特别是在准确运行条件下，例如在当有碳氢化合物而不是甲烷存在下运行时或当给反应器送入空气而不是氧气时，而C/O比较低的条件下，避免反应器出口形成积炭的方法和装置。
本发明的装置使得在缺少气态助燃剂或氧化剂 （例如氧气或加氧空气或空气）的环境条件下，燃烧燃料来获得或产生合成气成为可能。
该装置包括将燃料和一部分助燃剂送入反应器的第一设备，将另一部分助燃剂送入反应器的第二设备，该第二设备包括至少一个多孔壁。
这个多孔壁限定了至少反应器的一部分。
该多孔壁可以大体限定出反应器的反应区。
该多孔壁可以大体具有圆柱体形状，在这个圆柱体的一端可装有送入燃料和一部分助燃剂的第一设备，在圆柱体的另一端是封闭的。
该圆柱体可包括一个排放流出的导管。
来自第一设备的气体由于反应器中存在有偏转壁，其方向发生变化，至少这个偏转壁的一部分是多孔的，用来输入一部分助燃剂。
本发明的装置可包括由至少两部分形成的反应器，在第一部分的一端，与第一供给设备相对的位置上，具有至少一个出口孔，而反应器的第二部分围绕着这一端，同时留出走气体的通道空间。在这种情况下，偏转壁相当于与反应器第一部分的出口孔相对的位置上的反应器第二部分壁面的部分。
反应器的第二部分可大体围绕着或包封住反应器的整个第一部分。
多孔壁可有一个面，即并非限定了反应器的那个面，由密封的外壳所包围，该外壳本身包括有助燃剂供给设备。
多孔壁可由一种具有绝热性好的材料制成，和/或可包括一种具有催化性质的材料，例如氧化锆或锆氧土。
第一供给设备可包括有数根管子，并可分别将所述燃料和一部分助燃剂运送给反应器。
上述不同的反应区可以一个单独的多孔构件或以多块多孔构件来形成，也就是说包括有数块可堆放起来的分构件。
这些堆放起来的分构件可有孔口和/或沟槽和/或榫舌。
本发明还涉及一种在缺乏燃料的助燃剂，该助燃剂是气态的情况下，进行燃烧来产生或获得合成气的方法。
根据这种方法，燃料和一部分助燃剂由第一供给设备送入反应器，而另一部分可燃气体通过带有限定所述反应器性质的多孔壁送入。
一种变化的方法是通过多孔壁送入一种反应催化剂。
另一种变化的方法是由第一供给设备送入的助燃剂在性质上和/或成分上可不同于所述第二供给设备送入的助燃剂，然而，最好它们是同样的。
在一个实施例中，反应器具有双重的多孔表层（由耐火材料或陶瓷材料制成），通过该表层送入助燃剂，例如氧气或加氧或不加氧的空气，或是生产期间使用的其它气体（蒸汽）。
在本发明的一个特定实施例中，碳氢化合物和氧气分别由燃烧器送入，而氧气和蒸汽的混合物由多孔壁送入。
现有技术可由1985年燃烧科学和技术42卷165-183页上发表的M.kitano和Y.Otsuka的文章“Suppression    Effects    of    stretching    flow    on    soot    emission    from    laminar    diffusion    flames”一文以及美国专利4618451号来说明。
本发明特别适宜于产生一氧化碳（CO）和氢（H2）。
从下面由附图说明的特定实例的描述，可更好地理解本发明，本发明的优点会更清楚，但该实例绝不是对本发明的限定。附图中
图1表明了本发明的包括有一个大体圆柱形多孔壁的第一实施例，
图2说明了反应器由两部分形成的另一实施例，
图3表明了反应器具有由多孔材料制成的多个反应区的一个实施例，
图4到图10表明了这些反应区的不同变型。
图1中，标号1代表整个反应器，该反应器包括有一个燃烧器2，该燃烧器可包含有数根管子3。这些管子中的一些可用来供给含氧的可燃气体，其它的一些用来供给燃料。
不脱离开本发明的范围和精神的任何其它类型的燃烧器都可使用。
在图1的情况下，管子3用来供给氧气，在管子之间有自由空间4，用来提供要被转变的气体，例如甲烷。
就燃料气体而论，该气体可由导管5提供给燃烧器2，就可燃气体而论，可由导管6提供给燃烧器2。
燃烧器2安装在圆柱形多孔筒7上，在这个筒的上部有流出物排放管8。
在图1的实例中，多孔筒7和设备在其下端的燃烧器限定出了反应器9。
多孔筒7本身封闭在一个密封的外壳10内，流出物排放管8和给燃烧器提供甲烷（CH4）和氧气（O2）的导管5和6通过这个外壳。
此外，通过导管11给这个外壳提供可燃气体，例如氧气。
本发明中，在外壳10和多孔筒7之间保持一个自由空间或配气区16。
通过导管11输入的氧气将占据这个空间16并笼罩多孔壁，以这种方式给多孔壁提供氧气。氧气渗入到反应区9并参与反应，使得甲烷完全转变为CO、H2、CO2和H2O。
当然，通过燃烧器2的导管6送入反应区9的氧气量不足于使甲烷完全转变，需要渗入多孔壁7的氧气，以获得完全的转变。
根据是否在反应区9的一点处或是其它地方提供氧气的情况，多孔壁7的孔隙度可以变化，使得在反应区9中的不同地方送入的氧气量可以改变。例如，孔隙度可沿反应器1的轴线12而变化。
更特别的是可以通过组合式构件的组装，例如有不同孔隙度的板或块13、14、15的组装，来改变孔隙度。
大体在燃烧器2的高度上，多孔壁可由密封壁或由燃烧器2本身的壳体来连续。
也可将蒸汽或其它气体送入反应区9来完成该过程。这一方式可通过燃烧器的导管6来达到，也可通过导管11将这些气体送入自由空间16来达到。
外壳的内壁最好能涂上防辐射保护层或热保护层17。
本装置有几个优点。通过多孔壁的气体被加热并冷却了多孔壁。然而，在生产合成气的条件下，壁面太冷是不可取的，这是因为它会降低转变效率（反应的凝固）并引起碳的积聚。在我们这种情况下，弥散的氧气产生了一层能够保护壁面的反应限制层，较冷的壁面就离开了正在转变的气体。
在距燃烧器2的一定距离内引入一部分氧气是可能的，由于氧气是在不足以完全转变的那个地方，在燃烧器2的出口处的燃烧更强烈。
因此，在燃烧器2的高度上，燃烧是在较低温度下进行的，这样就保护了燃烧器。
氧气是逐渐通过多孔壁送入的，从而完成转变。
本发明的装置使得在优良安全的状况下运行成为可能。事实上，反应器的任何毁坏都是从冲击多孔壁开始的，而由于外壳10的存在，多孔壁仅是中间壁。
另外，在运行期间，燃烧器喷口的温度比起所有的转变产物都由燃烧器引入的情况来要低。
对于承受热交换最多的那部分壁面，可调整这部分壁面的孔隙度来提高扩散速率。
本发明的装置避免了必须给燃烧器引入予热到很高温度的氧气。
图2说明了反应器包括两部分的另一实施例。
第一部分18限定在纵长构件19内，纵长构件19最好由耐火材料制成。
燃烧器2安设在构件19的下端20，该构件的另一端21设有一个开口22，该开口给反应器的第二部分23供气。
反应器的第二部分23包围着纵长构件19的上端21。
反应器的第二部分由纵长构件19的外壁面24，及由耐火材料制成的圆柱形套筒25以及安置在该圆柱形套筒25上的圆顶或罩盖26所限定。这样就将纵长构件19的上端21封闭起来。
圆顶26设置在为反应器的第一部分的流出物而设的出口孔或开口22的对面。
这个孔本身在燃烧器的轴线27的位置上，该轴线也是反应器的轴线。
从孔22输出的流出物被圆顶26偏转180°，通过反应器的第二部分23沿纵长构件19的外壁面运动，从导管28排出。
在这个实施例中，圆顶26是一个偏转壁，并由多孔材料，或可能的话由多孔耐火材料制成，用来引入不是通过燃烧器的导管29送入的那部分可燃气体。
圆顶26的没有限定反应器的那个面30由密封罩31所包围，罩31限定出一个室32。
通过导管33给室32提供助燃剂，例如氧气。氧气通过圆顶的多孔壁26渗入，给燃烧器的第二部分23提供氧气。
图2中，密封罩31构成了外壳34的一部分，外壳包围住整个反应器，并包括有送入氧气的 导管33，排出流出物的导管28和燃烧器21的壳体。
燃烧器2是多管型的或其它类型的，所以它有数根管子35来提供燃料，例如天然气，燃料通过导管36送达至燃烧器2。
助燃剂，例如氧气，通过燃烧器的管子35之间留下的空间送入第一反应器。
在这个实施例中，来自第一反应器的碳黑聚集在圆顶形状的多孔壁上。应注意到碳黑由聚结而堆积起来的，因而可以很容易从这个壁上收集起来。
与反应器相接触的多孔圆顶26加热通过它的氧气，使得积聚在圆顶内表面上的碳黑完全氧化。还可考虑有催化作用的多孔材料，这种材料可包括例如锆。
这样，在合成气生产期间，当反应过程产生碳黑时，本发明的装置特别优越。事实上，如果积炭粘附在多孔壁上，那么通过多孔壁渗入的助燃剂可使之再燃。然而图1表明的反应器的形状对粘附并不有利。而图2表明的形状更有效，通过孔22碳黑碰撞到壁30上，但尽管如此仍有部分碳黑有被带走的危险。
这里给出的多孔壁的实施例容易使碳黑粘附，而由于助燃剂通过这些多孔壁渗入，氧化了碳黑，因而必然消除了这些碳黑。
本实施例中，面积/体积比增加了。
图3表明的实施例中，多孔构件41包括许多作为合成气通道的主孔38和供给助燃剂的副孔39，助燃剂是通过多孔构件41提供的。事实上主孔和副孔是呈孔道的状态，更正确地是呈管子的状态。标号40代表燃烧器，该燃烧器可以是本申请中已描述的那种类型。可通过一个供给室42给副孔道39送入附加的可燃气体，供给室42由外壳43所限定，外壳43又包围住另一装设多孔构件41的套壳44。套壳44壁上形成有孔45，用来供气给副孔道39。
图3中，供给室42的可燃气体源没有表明。图4表示通过图3的A-A线的反应器的断面图。在这个图中应注意到主孔道和副孔道并不相交，供给副孔道39的可燃气体在“迁移”进入多孔构件41的由标号46（图4）表示的区域后，到达主孔道38。
沉积在主孔道壁面上的碳黑，由来自副孔道的可燃气体氧化。
多孔构件41可以是单块构件或是多块构件，只要使其工业生产方便就行。
图5和图6表示由堆积起来的数块构件所形成的多孔构件的一个实例。
图6是沿图5表示的多孔构件41的B-B线的剖面图。多孔构件是由堆积起来的数块多孔分构件47、48所构成，这些构件的每一块都包括有通道49，这些分构件堆积在一起后，通道49就形成了主孔道。
直线沟槽50与榫舌51相配合而形成副孔道。
接合面52可以原样保留，或为了充满间隙也可涂上一层（非多孔的或多孔的）材料。
这一层可以是耐火砂浆53，如图7中详细表明的那样。
如果分构件47、48的孔隙度足够大的话，那么通过接合面到来的气体量比起通过孔隙弥散的气体量小，这一层就没有什么意义。
主孔道和副孔道的形状可以改变，特别是为了更好地截留住碳黑和/或为了更好地分布附加的可燃气体和/或增加交换表面。
这样，孔道可以设有偏转器或挡板54。
图8和图9表明了这样一个实施例。它包括许多个蜂窝状的多孔分构件55-60，分构件带有孔洞51或不同直径并中心偏离的通道。
箭头62表示气体的路径。
图9是沿图8的C-C线的剖视图。
为了供给附加的可燃气体，其过程可如图3表明的实施例那样。
就小流量的二次可燃气体而言，副孔的断面将小于主孔的断面。
不脱离本发明的范围，副孔道63可以如图10所示的那样相交起来。
所使用的可燃气体可包括氧气、空气和/或以蒸气形式存在的水和用于所说明的不同实施例的水，燃料可以是甲烷（CH4）或任何其它的碳氢化合物。

Claims (17)

1、一种在缺乏助燃剂量的情况下燃烧燃料来产生合成气的方法，所述助燃剂是气态的，其中燃料和一部分助燃剂由第一供给设备送入反应器，而另一部分可燃气体通过一个带有限定所述反应器的性质的多孔壁的第二供给设备送入。
2、如权利要求1所述的方法，其特征是通过多孔壁送入一种反应催化剂。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征是由第一供给设备送入的可燃气体与由第二供给设备送入的可燃气体在性质和成分上是相同的。
4、如权利要求3所述的方法，其特征是由所述第二供给设备送入的可燃气体包括氧气和蒸汽。
5、一种在缺乏助燃剂的环境下燃烧燃料生产合成气的装置，其中助燃剂是气态的，该装置包括有将燃料和一部分助燃剂送入反应器的第一设备，该装置进一步还包括有将另一部分助燃剂送入反应器的第二设备，该第二设备包括至少一个多孔壁，所述多孔壁大体具有圆柱体的形状，在该圆柱体的一端有供给燃料和一部分助燃剂的第一设备，另一端是封闭的，所述圆柱体还包括有用来排出流出物的导管;所述多孔壁包括有一个面，即不是限定出反应器的那个面，由一个密封外壳所包围，所述外壳、本身具有助燃剂供给设备;所述第一供给设备包括有数根管子，所述设备将所述燃料和所述部分助燃剂分别运送给反应器。
6、如权利要求5所述的装置，其中所述多孔壁限定了反应器的一部分。
7、如权利要求5所述的装置，其中所述多孔壁可限定所述反应器的至少一个反应区。
8、如权利要求7所述的装置，其中所述多孔壁限定数个反应区。
9、如权利要求5所述的装置，其中由于反应器中存在有偏转壁，来自第一供给设备的气体在反应器中方向发生变化，该偏转壁的一部分是多孔的，用来引入一部分助燃剂。
10、如权利要求9所述的装置，该装置包括至少具有两部分的反应器，在第一部分的一端，具有一个大体处于与所述第一供给设备相对位置上的出口孔，所述反应器的第二部分围绕着这一端，同时留出走气体的通道空间，所述偏转壁相当于与反应器第一部分出口孔相对位置上的反应器第二部分的壁面部分。
11、如权利要求10所述的装置，其中反应器的第二部分包围着所述反应器的整个第一部分。
12、如权利要求11所述的装置，其中所述多孔壁由一种具有良好绝热特性的材料所制成。
13、如权利要求12所述的装置，其中所述多孔壁由一种具有催化性质的材料组成，例如氧化锆。
14、如权利要求8所述的装置，其中所述反应区是由单独一块多孔构件构成的。
15、如权利要求8所述的装置，其中所述反应区是由包括了数块分构件的多孔构件制成的。
16、如权利要求15所述的装置，其中所述分构件是相互堆放在一起的。
17、如权利要求16所述的装置，其中所述分构件包括有沟槽、通道和/或榫舌。
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