CN105836707B - 非催化部分氧化-重整炉和利用其制备合成气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种非催化部分氧化‑重整炉和利用其制备合成气的方法，其中，非催化部分氧化‑重整炉包括：反应腔室，所述反应腔室内自上而下形成非催化部分氧化区和重整区；氧气入口和第一天然气入口，所述氧气入口和第一天然气入口分别独立地设置在所述非催化部分氧化区的顶壁或者侧壁上；第二天然气入口，所述第二天然气入口设置在所述非催化部分氧化区与所述重整区的交界处的侧壁上；以及合成气出口，所述合成气出口设置在所述重整区的底壁上。该非催化部分氧化‑重整炉结构较简单，恰好利用了上部空间非催化部分氧化反应产生的过高温度显热以供下部重整反应使用，制备合成气无需大量昂贵的镍基催化剂，维护成本低，制得的合成气品质高。

Description

非催化部分氧化-重整炉和利用其制备合成气的方法
技术领域
本发明属于合成气制备领域，具体而言，本发明涉及非催化部分氧化-重整炉和利用其制备合成气的方法。
背景技术
以H2、CO为主的合成气是目前大多化工合成的主要原料，如合成氨、合成甲醇、烯烃和乙二醇等，也可以直接作为还原气供气基竖炉直接还原铁矿石使用。天然气因其清洁且利用方便成为大多工业的首选制合成气的原料。
天然气的主要成分为甲烷，目前工业上主要采用水蒸气催化重整天然气工艺生产合成气。该工艺能耗高、投资大等缺点，特别是其合成气的H2/CO＝3，不适合大多的后续化工加工工艺。20年代末以来，天然气自热部分氧化制合成气成为人们研究讨论的重点，该工艺是让天然气在1000℃以上的高温下与氧气发生不完全燃烧反应，生成H2+CO为主的合成气。但是该方法制备的合成气的品质不高。
因此，目前生产合成气技术仍有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种非催化部分氧化-重整炉和利用其制备合成气的方法，该非催化部分氧化-重整炉结构较简单，恰好利用了上部空间非催化部分氧化反应产生的过高温度显热以供下部重整反应使用，利用其制备合成气无需大量昂贵的镍基催化剂，维护成本低，制得的合成气品质高。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种非催化部分氧化-重整炉，包括：
反应腔室，所述反应腔室内自上而下形成非催化部分氧化区和重整区；
氧气入口和第一天然气入口，所述氧气入口和第一天然气入口分别独立地设置在所述非催化部分氧化区的顶壁或者侧壁上；
第二天然气入口，所述第二天然气入口设置在所述非催化部分氧化区与所述重整区的交界处的侧壁上；以及
合成气出口，所述合成气出口设置在所述重整区的底壁上。
由此，根据本发明的上述实施例的非催化部分氧化-重整炉，反应腔室内的上部为主要发生氧气与天然气的非催化部分氧化反应的非催化部分氧化区，反应腔室内的下部为主要发生天然气与上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。非催化部分氧化区与重整区的主要区别是其中发生的主要化学反应不同，而未进行人工强行隔离。仅通过在中部开设了第二天然气入口，通过第二天然气入口喷入天然气后即发生以重整蓄热反应而形成重整区。该非催化部分氧化-重整炉恰好利用上部非催化部分氧化反应为放热反应产生的高温气体显热，为下部的重整区提供热量，进而使得上部产生的粗合成气继续与再次通入的新鲜天然气发生重整反应，进而制得优质合成气。利用该非催化部分氧化-重整炉制备合成气达到热量与物质的最佳利用。
另外，根据本发明上述实施例的非催化部分氧化-重整炉还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述氧气入口和第一天然气入口均设置在所述非催化部分氧化区的顶壁上。
在本发明的一些实施例中，上述实施例的非催化部分氧化-重整炉进一步包括：预热炉，所述预热炉具有天然气入口和预热天然气出口，所述预热天然气出口分别与所述第一天然气入口和所述第二天然气入口相连。
根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种利用前面所述的非催化部分氧化-重整炉制备合成气的方法，包括：
通过所述氧气入口和第一天然气入口向所述非催化部分氧化区内通入氧气和第一部分天然气，使所述氧气和第一部分天然气发生非催化部分氧化反应，以便得到粗合成气；
通过所述第二天然气入口向所述非催化部分氧化区与所述重整区的交界处通入第二部分天然气，使所述第二部分天然气与所述粗合成气发生重整反应，以便获得优质合成气；以及
将所述优质合成气从所述合成气出口排出；
其中，所述重整区内发生的重整反应所需热量来自所述非催化部分氧化区内发生的非催化部分氧化反应放出的热量。
由此，根据本发明的上述实施例的非催化部分氧化-重整炉，反应腔室内的上部为主要发生氧气与天然气的非催化部分氧化反应的非催化部分氧化区，反应腔室内的下部为主要发生天然气与上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。非催化部分氧化区与重整区的主要区别是其中发生的主要化学反应不同，而未进行人工强行隔离。仅通过在中部开设了第二天然气入口，通过第二天然气入口喷入天然气后即发生以重整蓄热反应而形成重整区。该非催化部分氧化-重整炉恰好利用上部非催化部分氧化反应为放热反应产生的高温气体显热，为下部的重整区提供热量，进而使得上部产生的粗合成气继续与再次通入的新鲜天然气发生重整反应，进而制得优质合成气。利用该非催化部分氧化-重整炉制备合成气达到热量与物质的最佳利用。
另外，根据本发明上述实施例的利用非催化部分氧化-重整炉制备合成气的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，上述实施例的制备合成气的方法进一步包括：预先将所述第一天然气和所述第二天然气预热250摄氏度。
在本发明的一些实施例中，所述氧气的温度为250摄氏度。
在本发明的一些实施例中，所述非催化部分氧化区内的温度为1200-1350摄氏度，所述重整区内的温度为850-1000摄氏度。
在本发明的一些实施例中，所述第一天然气与所述第二天然气的体积比为(80-95)：(5-20)。
在本发明的一些实施例中，将所述氧气与所述第一天然气按照(0.6-0.9)：1的体积比通入所述非催化部分氧化区。
在本发明的一些实施例中，所述优质合成气中水蒸气含量低于6体积％，二氧化碳含量低于2.5体积％，甲烷含量低于2.5体积％。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的非催化部分氧化-重整炉的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种非催化部分氧化-重整炉。下面参考图1详细描述本发明具体实施例的非催化部分氧化-重整炉。
根据本发明具体实施例的非催化部分氧化-重整炉包括：反应腔室10，氧气入口30和第一天然气入口40，第二天然气入口50，合成气出口60。其中，反应腔室10内自上而下形成非催化部分氧化区11和重整区12；氧气入口30和第一天然气入口40分别独立地设置在非催化部分氧化区的顶壁或者侧壁上；第二天然气入口50设置在非催化部分氧化区11与重整区12的交界处的侧壁上；以及合成气出口60设置在重整区12的底壁上。
由此，根据本发明的上述实施例的非催化部分氧化-重整炉，反应腔室内的上部为主要发生氧气与天然气的非催化部分氧化反应的非催化部分氧化区，反应腔室内的下部为主要发生天然气与上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。非催化部分氧化区与重整区的主要区别是其中发生的主要化学反应不同，而未进行人工强行隔离。仅通过在中部开设了第二天然气入口，通过第二天然气入口喷入天然气后即发生以重整蓄热反应而形成重整区。该非催化部分氧化-重整炉恰好利用上部非催化部分氧化反应为放热反应产生的高温气体显热，为下部的重整区提供热量，进而使得上部产生的粗合成气继续与再次通入的新鲜天然气发生重整反应，进而制得优质合成气。利用该非催化部分氧化-重整炉制备合成气达到热量与物质的最佳利用。
根据本发明的具体实施例，氧气入口30和第一天然气入口40均设置在非催化部分氧化区的顶壁上。由此，使得通入的天然气与氧气发生非催化部分氧化反应，并且可以使得生成的粗合成气由非催化部分氧化区进入重整区。进而利用非催化部分氧化区内的反应放出的热量供给至重整区，进而实现热量的充分利用。
根据本发明的具体实施例，上述实施例的非催化部分氧化-重整炉进一步包括：预热炉70，所述预热炉具有天然气入口71和预热天然气出口72，所述预热天然气出口72分别与所述第一天然气入口40和所述第二天然气入口50相连。由此，将用于制备合成气的天然气预先在预热炉70内进行加热。由此降低非催化部分氧化-重整炉内制备合成气的能耗，进而降低在炉内生成的H2O含量。
根据本发明的具体实施例，具体，可以将天然气加热至250摄氏度，由此可以将其与温度为250摄氏度的氧气同时通入反应腔室内的非催化部分氧化区，进而使得天然气与氧气直接发生非催化部分氧化反应，生成粗合成气。由此无需外部供应反应所需热量，同时降低在炉内生成的H2O含量。
另外，发明人发现，为了减少天然气在非催化部分氧化-重整炉内的完全燃烧量，故而生成的H2O更少。因为将预热后的约250℃的天然气加热到1200多℃，比冷的天然气加热到1200多℃消耗的能量更少，反应产生的H2O也更少。
根据本发明的具体实施例，天然气非催化部分氧气反应是个强放热过程，无需像水蒸汽重整法那样需要额外燃料燃烧以提供重整反应所需大量热量，因此单位能耗能显著降低。另外，无需催化剂，因此可以显著降低该非催化部分氧化-重整炉的造价，也可放宽对原料硫含量的限制，维护成本更低。
本发明上述实施例的非催化部分氧化—重整炉，通过天然气分段通入，使得在同一个反应腔室内同时发生非催化部分氧化反应和重整反应，上部非催化部分氧化反应生产的约1300℃的粗合成气，在下部重整区内与天然气进行重整吸热后降至约900℃。既恰好利用了上部空间非催化部分氧化反应产生的过高温度显热以供下部重整反应使用，进而制备得到了高温的优质合成气。并且该高温的优质合成气可直接供给至气基竖炉直接还原装置使用，由此省去了废锅显热回收和洗涤除水等工序。因此，本发明上述实施例的非催化部分氧化—重整炉实现热量充分利用、所产合成气的品质达到最优，既未浪费热量，又无需外部供应反应所需热量。
根据本发明的具体实施例，利用该非催化部分氧化—重整炉制备合成气，其中甲烷的转化率高。另外，非催化部分氧化区产生的粗合成气中水蒸气含量高，约10体积％。通过进一步地，在重整区发生的重整反应后，制得的优质合成气中水蒸气含量降低至约1-6％。由此可直接供后续合成系统或气基竖炉直接还原系统使用。
根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种利用前面实施例的非催化部分氧化-重整炉制备合成气的方法。
根据本发明具体实施例的制备合成气的方法包括：通过氧气入口和第一天然气入口向非催化部分氧化区内通入氧气和第一部分天然气，使氧气和第一部分天然气发生非催化部分氧化反应，以便得到粗合成气；通过第二天然气入口向非催化部分氧化区与重整区的交界处通入第二部分天然气，使第二部分天然气与粗合成气发生重整反应，以便获得优质合成气；以及将优质合成气从合成气出口排出；其中，重整区内发生的重整反应所需热量来自非催化部分氧化区内发生的非催化部分氧化反应放出的热量。
由此，根据本发明的上述实施例的非催化部分氧化-重整炉，反应腔室内的上部为主要发生氧气与天然气的非催化部分氧化反应的非催化部分氧化区，反应腔室内的下部为主要发生天然气与上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。非催化部分氧化区与重整区的主要区别是其中发生的主要化学反应不同，而未进行人工强行隔离。仅通过在中部开设了第二天然气入口，通过第二天然气入口喷入天然气后即发生以重整蓄热反应而形成重整区。该非催化部分氧化-重整炉恰好利用上部非催化部分氧化反应为放热反应产生的高温气体显热，为下部的重整区提供热量，进而使得上部产生的粗合成气继续与再次通入的新鲜天然气发生重整反应，进而制得优质合成气。利用该非催化部分氧化-重整炉制备合成气达到热量与物质的最佳利用。
根据本发明的具体实施例，上述实施例的制备合成气的方法进一步包括：预先将第一天然气和第二天然气预热250摄氏度。根据本发明的具体实施例，氧气的温度为250摄氏度。由此可以将250摄氏度的第一天然气和氧气同时通入反应腔室内的非催化部分氧化区，进而使得天然气与氧气直接发生非催化部分氧化反应，生成粗合成气。由此无需外部供应反应所需热量。
根据本发明的具体实施例，天然气非催化部分氧气反应是个强放热过程，无需像水蒸汽重整法那样需要额外燃料燃烧以提供重整反应所需大量热量，因此单位能耗能显著降低。根据本发明的具体实施例，发生非催化部分氧化反应的非催化部分氧化区内的温度为1200-1350摄氏度。因此，上部非催化部分氧化反应生产的约1300℃的粗合成气，在下部重整区内与天然气进行重整吸热后降至约900℃，因此，重整区内的温度为850-1000摄氏度。由此，既恰好利用了上部空间非催化部分氧化反应产生的过高温度显热以供下部重整反应使用，进而制备得到了高温的优质合成气。并且该高温的优质合成气可直接供给至气基竖炉直接还原装置使用，由此省去了废锅显热回收和洗涤除水等工序。因此，本发明上述实施例的非催化部分氧化—重整炉实现热量充分利用、所产合成气的品质达到最优，既未浪费热量，又无需外部供应反应所需热量。
另外，该制备合成气的方法无需催化剂，因此可以显著降低该非催化部分氧化-重整炉的造价，也可放宽对原料硫含量的限制，维护成本更低。
根据本发明的具体实施例，通过将天然气分为两部分在不同阶段参与反应制备合成气，根据本发明的具体实施例，第一天然气与第二天然气的体积比为(80-95)：(5-20)。发明人发现，如果该比例过高，则出非催化部分氧化-重整炉的合成气中的H2O含量达不到<6％的要求；如果该比例过低，则出部分氧化-重整炉的合成气中的甲烷量会偏高并且合成气的温度也会过低。由此，通过控制第一天然气与第二天然气的体积比为(80-95)：(5-20)可以进一步提高制备得到的合成气的产品品质。根据本发明的具体实施例，通过上述方法制备得到的合成气中水蒸气含量低于6体积％，二氧化碳含量低于2.5体积％，甲烷含量低于2.5体积％。
根据本发明的具体实施例，将氧气与第一天然气按照(0.6-0.9)：1的体积比通入非催化部分氧化区。由此可以使得二者充分反应生成粗合成气。发明人发现，如果该比例过高，则反应生成的粗合成气中H2O含量过高；如果该比例过低，则反应生成的粗合成气温度偏低，进而无法为下面的重整区内的重整反应提供足够的热量。
根据本发明的具体实施例，发明人发现，氧气、第一天然气和第二天然气的温度，氧气和天然气的配比，以及第一天然气与第二天然气加入量配比是影响非催化部分氧化区与重整区内的热量匹配的关键因素。为此，发明人为了使得非催化部分氧化区与重整区内的热量能够达到匹配，即非催化部分氧化区内发生的非催化部分氧化反应放出的热量恰好能够满足重整区内的重整反应所需热量。可以通过同时控制氧气、第一天然气和第二天然气的预热温度为250摄氏度，氧气与第一天然气按照(0.6-0.9)：1，以及第一天然气与第二天然气的体积比为(80-95)：(5-20)。由此可以进一步提高热量利用率，降低生产成本，同时提高合成气品质。
根据本发明的具体实施例，利用该非催化部分氧化—重整炉制备合成气，其中甲烷的转化率高。另外，非催化部分氧化区产生的粗合成气中水蒸气含量高，约10体积％。通过进一步地，在重整区发生的重整反应后，制得的优质合成气中水蒸气含量降低至约1-6％。由此可直接供后续合成系统或气基竖炉直接还原系统使用。
根据本发明的具体实施例，通过上述实施的制备合成气的方法制备得到的优质合成气中水蒸气含量低于6体积％，二氧化碳含量低于2.5体积％，甲烷含量低于2.5体积％。
实施例1
非催化部分氧化—重整炉内的上部为主要发生氧气与天然气的部分氧化反应的部分氧化区，下部为主要发生天然气与非催化部分氧化—重整炉上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。预热后约250℃的天然气分为两路，第1路约85％天然气从部分氧化-重整炉顶部进入，与同样从顶部通入的约250℃的氧气(氧气/第1路天然气＝0.65)和少量水蒸汽在炉内上部发生部分氧化反应，部分氧化区温度约1330℃，生成以H2+CO为主的粗合成气，此粗合成气中H2O(g)含量高(约11％)；第2路约15％天然气从非催化部分氧化-重整炉中部进入，与上部生成粗合成气发生重整反应，主要与粗合成气中的H2O(g)发生重整反应，生成约930℃的优质合成气，该合成气含5.3％的H2O(g)、1.9％的CO2、1.1％的CH4。即上部高温气体的约0.6GJ/Nm3气体的显热正好被下部重整吸热区利用了。
实施例2
非催化部分氧化—重整炉内的上部为主要发生氧气与天然气的部分氧化反应的部分氧化区，下部为主要发生天然气与非催化部分氧化—重整炉上部生成的粗合成气的重整反应的重整区。预热后约250℃的天然气分为两路，第1路约90％天然气从非催化部分氧化-重整炉顶部进入，与同样从顶部通入的约250℃的氧气(氧气/第1路天然气＝0.64)和少量水蒸汽在炉内上部发生部分氧化反应，部分氧化区温度约1290℃，生成以H2+CO为主的粗合成气，此粗合成气中H2O(g)含量高(约10％)；第2路约10％天然气从部分氧化-重整炉中部进入，与上部生成粗合成气发生重整反应，主要与粗合成气中的H2O(g)发生重整反应，生成约950℃的优质合成气，该合成气含5.6％的H2O(g)、1.9％的CO2、1.0％的CH4。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种非催化部分氧化-重整炉，其特征在于，包括：
反应腔室，所述反应腔室内自上而下形成非催化部分氧化区和重整区；
氧气入口和第一天然气入口，所述氧气入口和第一天然气入口分别独立地设置在所述非催化部分氧化区的顶壁或者侧壁上；
第二天然气入口，所述第二天然气入口设置在所述非催化部分氧化区与所述重整区的交界处的侧壁上；以及
合成气出口，所述合成气出口设置在所述重整区的底壁上。
2.根据权利要求1所述的非催化部分氧化-重整炉，其特征在于，所述氧气入口和第一天然气入口均设置在所述非催化部分氧化区的顶壁上。
3.根据权利要求1所述的非催化部分氧化-重整炉，其特征在于，进一步包括：预热炉，所述预热炉具有天然气入口和预热天然气出口，所述预热天然气出口分别与所述第一天然气入口和所述第二天然气入口相连。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的非催化部分氧化-重整炉制备合成气的方法，其特征在于，包括：
通过所述氧气入口和第一天然气入口向所述非催化部分氧化区内通入氧气和第一部分天然气，使所述氧气和第一部分天然气发生非催化部分氧化反应，以便得到粗合成气；
通过所述第二天然气入口向所述非催化部分氧化区与所述重整区的交界处通入第二部分天然气，使所述第二部分天然气与所述粗合成气发生重整反应，以便获得优质合成气；以及
将所述优质合成气从所述合成气出口排出；
其中，所述重整区内发生的重整反应所需热量来自所述非催化部分氧化区内发生的非催化部分氧化反应放出的热量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：预先将所述第一天然气和所述第二天然气预热250摄氏度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧气的温度为250摄氏度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非催化部分氧化区内的温度为1200-1350摄氏度，所述重整区内的温度为850-1000摄氏度。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一天然气与所述第二天然气的体积比为(80-95)：(5-20)。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述氧气与所述第一天然气按照(0.6-0.9)：1的体积比通入所述非催化部分氧化区。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述优质合成气中水蒸气含量低于6体积％，二氧化碳含量低于2.5体积％，甲烷含量低于2.5体积％。
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