CN101721957B - 一种连续炭催化ch4-co2重整反应器 - Google Patents
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Abstract
一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器是在倒“T”型反应器顶部设有催化剂加料机构，并采用螺旋输送机连续加入催化剂，催化剂依靠重力由上向下连续运动，实现连续操作；底部两侧连通有相对应的左横侧臂和右横侧臂，并在左横侧臂和右横侧臂的端头部设有O2进口和焦炉煤气进口；底端设有炭催化后的卸料机构和水封装置，防止污染；在倒“T”型反应器中设有催化床；上侧面设有产品气出口。本发明结构及工艺流程简单，实用于连续炭催化CH4-CO2重整反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种CH4-CO2重整反应器，特别是包括催化剂加料机构、催化后的卸料机构和水封装置的一种用于中低压或常压的CH4-CO2催化重整反应器。
背景技术
CH4-CO2重整生产合成气是转化CH4为液体燃料，氨，甲醇的一条重要途径，称之为气体液化技术(GTL)，CH4和CO2转化为合成气能有效的减少温室气体的排放，满足化学工业领域许多合成过程的需求。焦炉煤气中高CH4含量和气化煤气中高CO2含量二者重整生产合成气具有良好的应用前景(双气头多联产技术)。基于上述理论，在温度800℃～1200℃范围内，大量的催化剂已经用于固定床和流化床CH4-CO2重整反应器试验，特别是镍和贵金属基催化剂。虽然贵金属催化剂更具有活性和选择性，抗积炭能力低于镍基催化剂。但贵金属催化剂成本较高限制了它的工业应用。镍基催化剂以其成本低，相对高的活性可以替代贵金属催化剂，但存在炭沉积于镍基催化剂表面引起催化剂失活的问题。Ni基和贵金属基催化剂还会发生硫中毒，导致催化剂失活。催化剂寿命短，难以实现连续生产。
现有的烃类重整反应器有连续型和紧凑型两种。如，中国专利CN1454970所述为“连续型气固相移动床径向反应器”，该反应器是由上部封头，圆柱型侧壁和底部封头构成反应器壳体，由圆柱型外的多孔筒和圆柱型内多孔筒构成环形空间，装入催化剂后形成圆筒形的催化剂层，反应物料进口和产物出口均设在侧壁。该反应器用于CH4-CO2，CH4-H2O重整，焦炉煤气进口燃烧反应直接接触催化剂炭，引起炭的烧蚀，生成大量的CO2，CH4-CO2重整，达不到减少温室气体排放的目的，反而会增加CO2排放。
还有烃类重整反应器使用贵金属和Ni基催化剂，由于成本高，催化剂容易积炭失活，工业上难以实现连续生产。如，中国专利CN101208264A所述的“紧凑型重整反应器”，用于将工艺流体转化成氢供燃料电池使用，该反应器包括重整部段，蒸煮部段和燃烧部段。重整部段被包含在封闭体积空间内，包含填充有催化剂的一根或多根管道，蒸煮部段设有用于来自燃烧部段的烟道气通过的一条或多条流道，且燃烧部段设有至少一个燃烧器。适用于热交换介质是气体-液体混合物，不适用于CH4-CO2，CH4-H2O气体与气体之间的重整。多设蒸煮部段使结构复杂。
因此，研究一种适合的、价格低廉的并能有效的减少温室气体的排放的催化剂，仍是本领域CH4和CO2转化为合成气的关键技术问题。已有的研究报道，炭对CH4-CO2在600℃～1200℃重整具有催化作用。本发明采用倒T型结构使用催化剂炭，将焦炉煤气和氧气燃烧设置在水平方向，将炭催化剂设置于垂直方向。避免火焰与催化剂的接触，进一步减少炭催化剂的烧蚀，进行炭催化CH4-CO2重整。
发明内容
本发明通过对CH4-CO2重整反应器的结构改进，以解决在使用催化剂炭时，发生炭烧蚀的问题，并提供一种利用催化剂炭催化重整CH4-CO2，将焦炉煤气转化为合成气。
基于上述问题及目的，本发明的一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器包括催化剂加料机构、炭催化后卸料机构以及水封装置，其结构改进是在倒“T”型反应器顶部设置有催化剂加料机构，底部设有卸料机构和水封装置，在倒“T”型反应器底端两侧连通有相对应的左横侧臂和右横侧臂，并在左右两横侧臂的端头上设有O2进口和焦炉煤气进口，在倒“T”型反应器内设有催化床，在倒“T”型反应器上侧面设有产品气出口。
其中，所述的催化床是炭催化剂，其炭催化剂的催化温度是600℃～1200℃；所述的催化温度进一步选为800℃～1300℃；所述的倒“T”型反应器底部中与左右两横侧臂的炭催化剂堆积角度是45°。
本发明是一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，其结构设置呈倒“T”型。之所以称它为倒“T”型是因为：反应器的原理结构设计包括一个“垂直段”和两个对称“水平侧臂”，连续炭催化CH4-CO2重整反应过程运行要求两对称的水平侧臂在下，垂直段向上为合理的反应装置结构，像一个倒“T”字。垂直段放置炭催化剂，在该倒“T”型反应器两侧臂设有反应物料进口，倒“T”型反应器体侧设有产品气出口。倒“T”型反应器顶部设有催化剂加料机构，使用螺旋给料机连续加料，催化剂依靠重力由上而下连续运行，实现了连续操作。底部设有炭催化后卸料机构和水封装置，避免了污染。反应物料从两侧喷嘴喷入发生燃烧反应后转弯进入催化剂层，使倒“T”型反应器垂直段与横侧臂的湍流扩散水平火焰不接触，因此，不发生炭烧蚀。为了验证该重整反应器重整效果，对其进行了模拟实验研究。模拟采用CFD流体动力学软件平台，本模拟是关于燃烧和化学反应。通过PREPDF软件开发了组分PDF文件，GAMBIT软件建模和划分非结构化差分网格。采用FLUENT多孔结构模型模拟炭催化剂层，P1辐射模型模拟辐射换热，K-e湍流模型模拟流体流动，由于壁面与外部环境自然对流换热，因而能量方程模型被采用。组分方程用于模拟化学反应，基于上述模型计算模拟参数。模拟结果显示，催化剂层温度800℃～1300℃，已有研究表明CH4-CO2，CH4-H2O重整反应温度，起始600℃，效果最佳温度1200℃，可见设计的重整反应器催化剂层有较高的温度适合重整。模拟组分分布入口CH4体积分额26.8％，出口2.35％；CO入口体积分额7.6％，出口22.4％；H2入口57％，出口66.6％。模拟结果与原料组成和预期达到转化目标非常吻合，H2/CO比2～3满足理论合成甲醇H2/CO比2.0需求。CH4含量在所需控制范围之内。对小型重整反应器实验研究和数值模拟证明了采用该模拟理论的正确性，该模拟理论用于本发明重整反应器研究得到了合理结果说明本发明的可行性。
本发明利用放热的燃烧反应与吸热的重整反应耦合原理，将燃烧室和重整转化室集成在一个反应器内，实现了两种反应同时存在，同时进行。与现有技术相比，不需设置燃烧室和转化室之间的联通结构，也不需设置外部电加热或焦炉煤气燃烧加热结构，而是通过内部的热力学平衡，实现了CO2和CH4转化制以CO和H2为主的合成气，这样不仅简化了结构而且便于H2和CH4等燃烧放热及时提供给重整反应吸热，节约了能源。实现了自热式转化制合成气。
在利用催化剂炭催化重整CH4-CO2，将焦炉煤气转化为合成气的过程中，炭烧蚀历来是个技术难点，本发明的结构改进解决了这个问题，少量烧蚀的炭排入回收装置，采用螺旋给料机构和催化剂层自身的重力给以补充，能够实现由上而下连续运行进行工业化生产。炭催化剂不会发生表面积炭失活，对硫中毒也有很强的抵抗性。本发明操作简单，只需用点火装置将反应物料进口喷入的O2和喷入的焦炉煤气与气化煤气混合物点燃，用螺旋给料机定期加入炭催化剂，定期排灰即可实现连续运行，采用水封装置可防止灰渣污染环境。本发明在以CH4-CO2重整为核心的焦炉煤气和气化煤气双起头多联产技术中起着关键作用。
附图说明
图1是本发明炭催化CH4-CO2重整反应器的结构示意图。
图中：1：催化剂加料机构；2：产品气出口；3：O2进口；4：焦炉煤气进口；5：催化床；6：水封装置；7：左横侧臂；8：右横侧臂；9：炭催化后卸料机构；10：倒“T”型反应器。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进一步详细描述本发明提出的一种炭催化CH4-CO2重整反应器，所属技术领域的技术人员能够理解和实现本发明所述的技术方案，并且也能够达到本发明的所述效果。
实施例1
如图1所述，实施一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，包括催化剂加料机构1、炭催化后卸料机构9以及水封装置6，其反应器的主体结构设置，是在倒“T”型反应器10的顶部设置有催化剂加料机构1，底部设有卸料机构9以及水封装置6，在倒“T”型反应器10的底端两侧连通有相对应的左横侧臂7和右横侧臂8，并在左横侧臂7和右横侧臂8的端头上设有O2进口3和焦炉煤气进口4，在倒“T”型反应器10内设有催化床5，在倒“T”型反应器上侧面设有产品气出口2。在倒“T”型反应器10中设置有催化床5是炭催化剂，其催化温度是600℃～1500℃，也可以根据炭催化CH4-CO2重整工艺过程，在800℃～1300℃的范围内进行选泽。在倒“T”型反应器的10底部中与左右两侧横臂7和8的炭催化剂堆积角度是45°。O2进口3和焦炉煤气进口4喷入反应物料，运行时根据需要可设计各式各样的喷嘴以匹配重整反应器内流场。反应物料从喷嘴进入左横侧臂7和右横侧臂8，左横侧臂7和右横侧臂8是燃烧室和重整反应室，在此H2，CH4等燃烧放热，并进行部分重整。部分反应后产物转弯向上进入催化层，在炭催化剂作用下CO2-CH4进一步重整生成主要含CO，H2的合成气，并从产品气出口2排出。催化剂加料机构1是螺旋给料机，连续加入炭催化剂，在重力作用下催化层5连续下降，炭催化剂层自然堆积，堆积角为45°，炭催化后废料和部分燃烧灰渣落入炭催化后卸料机构9，定期排走。炭催化后卸料机构9设有水封装置6，避免污染。倒“T”型反应器10利用气相自然上流，固相自然向下实现连续运行。
在炭催化CH4-CO2重整反应时，将倒“T”型容器垂直段填装炭催化剂，其底部炭催化剂按45°角堆积，两对称横侧臂反应物料入口通过选择直流或旋流反应喷嘴，实现与反应器壳体内温度场，流场合理匹配。O2单独通过喷嘴中心通道提供燃烧反应所需的氧化剂，CO2，H2和焦炉煤气共同通过喷嘴外侧燃料入口通道。通过流量计调节氧化剂与燃料入口比例，控制燃烧温度，调节CO2/CH4，H2O/CH4比例，确定重整反应的不同工作条件。喷嘴侧设置点火装置，用于点燃焦炉煤气，燃烧反应热量供给重整吸热反应进行。在高温区炭催化下CH4-CO2，CH4-H2O发生重整反应，生成产品气CO，H2通过炭孔隙进入产品气出口2排出。催化剂区可设置1-4个铂-铑热电偶检测催化剂层温度，反应器设计在常压下运行，从产品气出口采样送色谱工作站分析。
在上述实施例的基础上，本领域的技术人员能够实现一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，在本说明书中涉及到的有关技术内容以及科技术语应当按照本领域的公知常识和贯用手段理解和实现，也可以通过合理的分析推理实施。
Claims (4)
1.一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，其含有催化剂加料机构(1)、炭催化后卸料机构(9)以及水封装置(6)，其特征在于：所述反应器为倒“T”型结构，倒“T”型反应器(10)包括一个垂直段和对称水平设置的左横侧臂(7)和右横侧臂(8)；反应器(10)顶部设置催化剂加料机构(1)，底端设置卸料机构(9)和水封装置(6)；左横侧臂(7)和右横侧臂(8)在倒“T”型反应器(10)底部两侧对称水平连通，并在左横侧臂(7)和右横侧臂(8)的端头上设有O2进口(3)和焦炉煤气进口(4)；催化床(5)设置在倒“T”型反应器(10)的垂直段内；在倒“T”型反应器(10)的上侧面设有产品气出口(2)。
2.如权利要求1所述的一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，其特征在于催化床(5)由炭催化剂形成，炭催化剂的催化温度是600℃～1500℃。
3.如权利要求2所述的一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，其特征在于炭催化剂的催化温度进一步选为800℃～1300℃。
4.如权利要求1所述的一种连续炭催化CH4-CO2重整反应器，其特征在于倒“T”型反应器(10)底部中炭催化剂相对于左、右两横侧臂(7，8)的堆积角度为45°。
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