CN102795599A - 一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，包括沼气原料气罐和二氧化碳原料气罐，还包括气体混合器和反应器，反应器包括反应器壳体，反应器壳体一端设置有绝缘底座，另一端设置有气体出口，反应器壳体内填充有二氧化碳重整催化剂，绝缘底座上设置有气体喷嘴，反应器壳体内位于气体喷嘴两侧分别设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别与高压电源连接，沼气原料气罐和二氧化碳原料气罐均与气体混合器连接，气体混合器与气体喷嘴连接，气体出口与合成气收集系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及气体合成技术领域，更具体涉及一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，它适用于沼气二氧化碳催化重整。
背景技术
沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。它含有少量硫化氢以及一些痕量的有机污染物，所以略带臭味。沼气的主要成分是甲烷，由50%～75%甲烷(CH4)、25%～50%二氧化碳(CO2)、0%～5%氮气(N2)、小于1%的氢气(H2)、小于0.4%的氧气(O2)与0.1%～3%硫化氢(H2S)和有机挥发性气体（VOCS）等气体组成。其特性与天然气相似,空气中如含有8.6～20.8%（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。每立方米纯甲烷的发热量为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦。但是由于大量的温室气体二氧化碳存在，沼气需要提炼才能成为一种高品质高附加值的燃气。
化学合成气作为重要的化工原料，在工业上用途广泛，可用于合成液体燃料、甲醇和化肥等一系列重要的化学品。国内外普遍采用天然气甲烷来制合成气，天然气甲烷重整制合成气主要通过三种途径：
（1）甲烷-水蒸气催化重整制取合成气，其反应方程式如下：
CH4+H2O→CO+3H2， ΔH298K=206kJ/mol
（2）甲烷-二氧化碳催化重整制取合成气，其反应方程式如下：
CH4+CO2→2CO+2H2，ΔH298K=247kJ/mol
（3）甲烷部分氧化制取合成气，其反应方程式如下：
CH4+1/2O2→CO+2H2，ΔH298K=-36kJ/mol
众所周知，沼气中CH4体积含量为50%-75%，CO2体积含量为25%-50%，CH4与CO2的摩尔当量比大概在1︰2左右，因此如果再能把这部分自身CO2利用起来制合成气，不但对温室气体减排和环境保护有重要作用，而且解决了常规沼气处理中CO2分离问题，一举两得。当前常规的甲烷-二氧化碳催化重整制合成气的最大问题是积炭而造成催化剂失活，CH4转化效率低，因此这种方法很难在实际中得到应用。但是在等离子体激活的条件下，利用其协同效应，甲烷-二氧化碳催化重整制合成气途径已经看到希望，转化效率大大提高。因此，利用等离子体诱导甲烷-二氧化碳催化重整制合成气可以使沼气制成化学合成气，是一种新型的沼气高附加值利用技术。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，结构简单，使用方便，解决了由于沼气中相当部分为二氧化碳，甲烷纯度相对较低，二氧化碳需要分离的问题，使沼气进一步制成合成气，而合成气主要为一氧化碳和氢气基本没有二氧化碳，同时把沼气中的二氧化碳作为一种碳源也利用起来转化成合成气，达到沼气高附加值利用目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，包括沼气原料气罐、二氧化碳原料气罐、气体混合器和反应器壳体，反应器壳体一端设置有绝缘底座，另一端设置有气体出口，反应器壳体内填充有二氧化碳重整催化剂，绝缘底座上设置有气体喷嘴，反应器壳体内位于气体喷嘴两侧分别设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别与高压电源连接，沼气原料气罐和二氧化碳原料气罐均与气体混合器连接，气体混合器与气体喷嘴连接，气体出口与合成气收集系统连接。
如上所述的第一电极和第二电极均为尖刀形，第一电极和第二电极对称分布在气体喷嘴两侧。
如上所述的沼气原料气罐和二氧化碳原料气罐均依次通过原料气阀门和质量流量计与气体混合器连接。
如上所述的气体出口还与气相色谱连接。
如上所述的合成气收集系统为低压储气柜。
如上所述的气体喷嘴材质为不锈钢或铜；第一电极材质为钨或不锈钢或铜；第二电极材质为钨或不锈钢或铜。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、解决沼气中二氧化碳需要分离的问题；
2、制成工业合成气主要为氢气和一氧化碳，达到清洁高附加值利用目的；
3、使沼气中相当部分二氧化碳，成为一种碳源利用起来，通过等离子体协同作用转化为合成气；同时也降低二氧化碳温室气体排放，保护了我们的生态环境。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-二氧化碳原料气罐，2-沼气原料气罐，3-原料气阀门，4-质量流量计，5-气体混合器（SH91-9505-1），6-等离子体，701-第一电极，702-第二电极，8-绝缘底座，9-气体喷嘴，10-气体出口，11-反应器壳体，12-二氧化碳重整催化剂，13-高压电源（HB-Z303-5AC），14-合成气收集系统（低压储气柜，山东盛大化学），15-气相色谱（GC112A）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，包括沼气原料气罐2、二氧化碳原料气罐1、气体混合器5和反应器壳体11，反应器壳体11一端设置有绝缘底座8，另一端设置有气体出口10，反应器壳体11内填充有二氧化碳重整催化剂12，绝缘底座8上设置有气体喷嘴9，反应器壳体11内位于气体喷嘴9两侧分别设置有第一电极701和第二电极702，第一电极701和第二电极702分别与高压电源13连接，沼气原料气罐2和二氧化碳原料气罐1均与气体混合器5连接，气体混合器5与气体喷嘴9连接，气体出口10与合成气收集系统14连接。
第一电极701和第二电极702均为尖刀形，第一电极701和第二电极702对称分布在气体喷嘴9两侧。
沼气原料气罐2和二氧化碳原料气罐1均依次通过原料气阀门3和质量流量计4与气体混合器5连接。
气体出口10还与气相色谱15连接。
合成气收集系统14为低压储气柜。用于存储气体出口10输出的气体。
气体喷嘴9材质为不锈钢或铜；第一电极701材质为钨或不锈钢或铜；第二电极702材质为钨或不锈钢或铜。
沼气通过气体喷嘴均匀的从第一电极701和第二电极702之间通过，与刀型电极（第一电极701和第二电极702）放电形成的等离子体充分反应，以便利于提高二氧化碳催化重整沼气制合成气的效率。两个刀型电极中，可一个电极与接地相连，另一个电极与高压电源相连，两电极距离非常接近，中间只间隔了一个沼气喷嘴。当高压电源提供1万伏以上的高压时，两个电极之间便形成一个等离子体的高压放电区。
第一电极701和第二电极702接通高压电源，在强电压的前提下，在两个对称的高压电极之间产生极高的电场强度，导致电晕放电产生，第一电极701和第二电极702间形成大量的正离子、负离子、电子、自由基等各种等离子体。在第一电极701和第二电极702的中心，设置有气体喷嘴9，沼气和二氧化碳通过气体喷嘴9进入第一电极701和第二电极702之间的电晕区，形成大量的活性等离子体，因此在等离子体诱导下，沼气和二氧化碳以及等离子体进入二氧化碳重整催化剂12，会发生强烈的沼气的二氧化碳催化重整反应，合成气转化效率极高。反应生成的合成气随着气流从气体出口10排出。
由于第一电极701和第二电极702的曲率半径很小，所以在两个电极之间容易形成很强的电场，从而产生等离子体放电。刀型电极（第一电极701和第二电极702）的材料可采用钨、不锈钢或铜，本实例中采用不锈钢制。二氧化碳重整催化剂12主要是蜂窝状填充的镍基催化材料，由于沼气一般不够纯净含有微量的污染气体，本实例中采用以二氧化钛为载体的镍基催化剂（金属镍包裹的γ-TiO2）。
由于第一电极701和第二电极702的放电难易与电极材料有关，一般来说钨、不锈钢以及铜都是较好的电极材料，能使电极棒放电更稳定、均匀。
沼气原料气罐2中的沼气和二氧化碳原料气罐1中的二氧化碳气体，分别通过质量流量计4，可以实现定量控制。因为甲烷-二氧化碳催化重整反应：
CH4+CO2→2CO+2H2，ΔH298K=247kJ/mol
其甲烷与二氧化碳比例为1:1，但沼气成分中为50%～75%甲烷(CH4)、25%～50%二氧化碳(CO2)，其它气体成分含量很少，主要是大概0-5%的氮气，而氮气是一种化学稳定的气体，不参加反应。因此在进行沼气制合成气反应中，必须精确的对沼气测定，以便知道沼气中甲烷和二氧化碳含量，然后根据实际的沼气中甲烷和二氧化碳比值，来补充或不补充二氧化碳的量，来保证在等离子体诱导下发生沼气制合成气反应中，甲烷与二氧化碳含量比例为1:1，从而保证合成气的品质。
利用气相色谱15，可以准确知道合成气中各种气体成分，氢气和一氧化碳的比例，从而知道甲烷-二氧化碳反应效率。因为沼气是一种成分较为复杂的气体，并且各种途径产生的沼气性状又有一定的区别，如垃圾填埋发酵产生的沼气，秸秆、粪便发酵产生的沼气等。因此，根据制取合成气反应效率高低，我们可以将一个或者数个等离子体诱导下的反应器串连组装起来，从而提高沼气的处理量和保证生成合成气的品质。
表1本发明与常规沼气二氧化碳分离技术的对比表
常规的甲烷-二氧化碳催化重整制合成气，由于甲烷与二氧化碳反应耗能较高以及在催化剂表面积碳的问题，会造成催化剂失活，因此甲烷转化制合成气的效率较低。而在等离子体诱导下，甲烷的二氧化碳催化重整反应被大大激活，转化效率大大提高。同时，沼气本身就有相当部分的二氧化碳气体，因此利用此反应器还可以把沼气中的温室气体二氧化碳利用起来，通过二氧化碳催化重整反应一起转变为合成气。因此，等离子体诱导下沼气二氧化碳催化重整制合成气的反应器，不仅把沼气制成合成气高附加值利用，而且把二氧化碳作为一种碳源利用起来，降低了温室气体排放，一举两得。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本申请的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：包括沼气原料气罐（2）、二氧化碳原料气罐（1）、气体混合器（5）和反应器壳体（11），反应器壳体（11）一端设置有绝缘底座（8），另一端设置有气体出口（10），反应器壳体（11）内填充有二氧化碳重整催化剂（12），绝缘底座（8）上设置有气体喷嘴（9），反应器壳体（11）内位于气体喷嘴（9）两侧分别设置有第一电极（701）和第二电极（702），第一电极（701）和第二电极（702）分别与高压电源（13）连接，沼气原料气罐（2）和二氧化碳原料气罐（1）均与气体混合器（5）连接，气体混合器（5）与气体喷嘴（9）连接，气体出口（10）与合成气收集系统（14）连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：所述的第一电极（701）和第二电极（702）均为尖刀形，第一电极（701）和第二电极（702）对称分布在气体喷嘴（9）两侧。
3.根据权利要求1所述的一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：所述的沼气原料气罐（2）和二氧化碳原料气罐（1）均依次通过原料气阀门（3）和质量流量计（4）与气体混合器（5）连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：所述的气体出口（10）还与气相色谱（15）连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：所述的合成气收集系统（14）为低压储气柜。
6.根据权利要求1所述的一种利用沼气进行甲烷-二氧化碳催化重整的反应装置，其特征在于：所述的气体喷嘴（9）材质为不锈钢或铜；第一电极（701）材质为钨或不锈钢或铜；第二电极（702）材质为钨或不锈钢或铜。
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2012
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