CN105861055B - 用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，属于能源利用技术领域。该反应装置包括依次连接的气体分布器、壳程壳体和气体集气器，在该壳程壳体的内腔中容纳有多个气体反应管，其中，该多个气体反应管呈正六边形排列，该多个气体反应管的一端设置在该气体分布器中，该多个气体反应管的另一端设置在该壳程壳体中，且在该壳程壳体的外表面上连接有至少两层火焰烧嘴，该至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴均与该多个气体反应管彼此配合且呈环状布置。本发明提供的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置通过壳程壳体的火焰烧嘴沿气体反应管的六边形排列边线同向均匀分布，达到传热稳定、传热均匀、温度易控制的效果。

Description

用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，特别涉及用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置。

背景技术

能源与环境一直是人类得以生存繁衍的焦点问题，伴随着石油资源的不间断利用，环境污染问题也日益严重，尤其是二氧化碳排放日益增加，由此所引起的一系列的环境问题。随着2015年我国新《环保法》的正式实施，其提高了环保要求和节能降排标准。根据国际能源署(IEA)的报告，2014年全球二氧化碳排放量为323亿吨，其中中国全球二氧化碳排放量约80亿吨。

二氧化碳的排放主要来自汽车尾气、烟道气、炼钢转炉气、窑炉气以及垃圾填埋气等。垃圾填埋场排放的沼气中二氧化碳含量为30％～40％，因此如何减排二氧化碳和如何利用二氧化碳成为了研究的热点。

在工业上，甲烷低碳烃的来源非常丰富，主要有焦炉气、煤层气、垃圾填埋气、甲醇合成驰放气、费托合成驰放气、油田气和炼厂气等。焦炉气富含约为20％～25％的甲烷，而我国每年放散的焦炉气约200亿Nm³，其中山西省约有40亿Nm³焦炉气未实现综合利用。

煤层气属非常规天然气，其热值与天然气相当。2014年我国煤层气抽采量为152亿立方米，中国工程院编制《我国煤层气开发利用战略研究》显示，到2030年我国煤层气产量有望达到894亿方(中规模)。垃圾填埋场所排放的沼气中同时富含甲烷二氧化碳，其中甲烷含量在45％～60％，二氧化碳含量为40％～30％。目前全球垃圾填埋场每年排放的沼气中所含甲烷就有75亿Nm³，但是其利用率还不到排放量的10％，应用前景极其可期。

因此，充分利用丰富的甲烷资源，结合温室效应的二氧化碳气体重整制合成气，在节能减排的同时变废为宝，为综合利用甲烷减排二氧化碳资源提供了一条可行的技术路线，具有环保、经济、科学的多重价值。

公开号为CN101721957B的中国专利申请公开了一种连续催化CH₄-CO₂重整反应装置，在倒“T”型反应装置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可实现连续操作，底部两侧连通用相对应的左横侧臂和右横侧臂，两端设有O₂进料与焦炉煤气进料，底部设有卸料机构和水封装置防止污染，反应装置中设催化床，上侧面设出气口。但该反应装置结构复杂，供热不稳定，温度波动较大，难以实现工业化。

公开号为CN103896210A的中国专利申请公开了一种CH₄-CO₂催化重整反应装置及其工艺，该反应装置主要在多筒式重整反应装置上面板、下底板和进料主管上设有负离子发生器；甲烷二氧化碳与负离子发生器产生的负离子通入气体混合器，混合均匀后送入重整反应装置中进行反应；重整反应装置的上面板和下底板处所设有负离子发生器，用于补充前期消耗掉的负离子，合成气出口设在重整反应装置外壁的上部分。但该反应装置设有加热炉等配套设备，使得设备复杂，耦合困难，并且温度控制区间略大，会导致合成气的产率不稳定。

公开号为CN103979492A的中国专利申请公开了一种二氧化碳-甲烷自热重整制备合成气的工艺方法，该方法将甲烷、二氧化碳和氧气送入装填有重整催化剂的二氧化碳-甲烷自热重整反应装置内进行混合，使甲烷氧气发生氧化反应，然后以该氧化反应释放的热量为热源，使甲烷二氧化碳发生重整反应，制备出合成气。但由于该方法是通过利用甲烷氧化反应为甲烷二氧化碳重整反应提供热量，因此需要消耗大量的甲烷，从而浪费了优质的甲烷资源，并且因为有氧气的存在，因此温度波动较大，催化剂易高温烧结。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置。所述技术方案如下：

本发明的一个目的是提供了一种用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，所述反应装置包括依次连接的气体分布器、壳程壳体和气体集气器，在所述壳程壳体的内腔中容纳有多个气体反应管，其中，

所述多个气体反应管呈正六边形排列，所述多个气体反应管的一端设置在所述气体分布器中，所述多个气体反应管的另一端设置在所述壳程壳体中，且在所述壳程壳体的外表面上连接有至少两层火焰烧嘴，所述至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴的所有的火焰喷嘴均与所述多个气体反应管彼此配合且呈环状布置。

具体地，所述至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴包括多个火焰烧嘴，所述多个火焰烧嘴中所有的火焰烧嘴的一端均设置在所述壳程壳体的外面，所述多个火焰烧嘴中所有的火焰烧嘴的另一端均设置在所述壳程壳体的内腔中。

优选地，位于同一层的多个火焰烧嘴均与所述正六边形的六个边线彼此一一对应设置呈同向环形分布，所述同一层的多个火焰烧嘴中的每一个火焰烧嘴均沿所述六个边线中对应的边线的长度方向设置。

进一步地，所述多个气体反应管中的所有的气体反应管均沿壳程壳体的纵长方向设置，

所述至少两层火焰烧嘴中的同一层的多个火焰烧嘴沿所述壳程壳体的周长方向设置，所述至少两层火焰烧嘴中的不同层的火焰烧嘴沿所述壳程壳体的纵长方向设置。

进一步地，所述所有的气体反应管均包括气体预热段和气体反应段，所述气体预热段靠近所述气体分布器设置，所述气体反应段靠近所述气体集气器设置，

所述所有的气体反应管的气体预热段和气体反应段分别与所述至少两层火焰烧嘴中的至少一层火焰烧嘴彼此对应设置。

进一步地，在所述所有的气体反应管中的气体预热段中装填有刚玉球，在所述所有的气体反应管中的气体反应段中装填有催化剂。

进一步地，所述壳程壳体分为壳体反应段和设置在所述壳体反应段下方的壳体冷却段，所述多个气体反应管中的所有的气体反应管均设置在所述壳体反应段的内腔中，所述壳体冷却段与所述气体集气器彼此连通。

具体地，在所述壳体反应段的两端分别设置有耐高温分隔部，所述所有的气体反应管的两端在穿过对应的所述耐高温分隔部之后分别插入所述气体分布器和壳体冷却段。

进一部地，在所述壳体反应段内衬有所述耐高温分隔部，且在所述壳体反应段的靠近所述气体分布器的一端设置有排烟管，

在所述壳体冷却段的相对两侧分别设置有冷却介质入口和冷却介质出口。

进一步地，所述冷却介质入口设置在所述壳体冷却段的靠近所述气体集气器的一端，所述冷却介质出口设置在所述壳体冷却段的靠近所述壳体反应段的一端，

在所述气体分布器上设置有原料气进料口，在所述气体集气器上设置有合成气出料口。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明所提供的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置通过采用能燃烧的工业废气或者其它无法直接化学利用的气体作为燃气燃烧供热，并且以列管式固定床为基本形式，通过壳程壳体的火焰烧嘴沿气体反应管的六边形排列边线同向均匀分布，从而形成环形热流分布，由此达到传热稳定、传热均匀、温度易控制的效果，进而解决了传热不均匀、温度难以控制所引起的镍基催化剂烧结、易积炭等问题，还减少了甲烷资源的浪费，提高了资源的利用率，最终节省了投资。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置的结构示意图；

图2是沿图1所示的A-A切割线获得的剖视图。

其中，100用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，10气体分布器，11原料气进料口，20壳程壳体，21气体反应管，211气体预热段，212气体反应段，22火焰烧嘴，221第一层火焰烧嘴，222第二层火焰烧嘴，223第三层火焰烧嘴，224第四层火焰烧嘴，23壳体反应段，24壳体冷却段，241冷却介质入口，242冷却介质出口，25排烟管，30气体集气器，31合成气出料口，40耐高温分隔部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，其示出了根据本发明的一个实施例的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置100。反应装置100包括依次连接的气体分布器10、壳程壳体20和气体集气器30，在壳程壳体20的内腔中容纳有多个气体反应管21。具体地，多个气体反应管21呈正六边形排列，多个气体反应管21的一端设置在气体分布器10中，多个气体反应管21的另一端设置在壳程壳体20中，且在壳程壳体20的外表面上连接有至少两层火焰烧嘴，至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴的所有的火焰喷嘴均与多个气体反应管21彼此配合且呈环状布置。

如图1所示，在气体分布器10上设置有原料气进料口11，且气体分布器10与多个气体反应管21的入口相连。相应地在气体集气器30上设置有合成气出料口31，气体集气器30收集来自多个气体反应管21的合成气，其中多个气体反应管21为甲烷和二氧化碳重整反应区域。在使用时，经脱硫净化后的甲烷和二氧化碳的混合原料气通过原料气进料口11进入气体分布器10，之后经气体分布器10由上部均匀进入多个气体反应管21，最后通过该合成出料口31流出反应装置100。

在一示例中，反应装置100为管壳列管式固定床反应装置，该反应装置100的整体换热方式为间接换热，且壳程壳体20的形状为圆筒形，在壳程壳体20的靠近气体分布器10的一端设置有排烟管25。本领域技术人员可以明白，壳程壳体20的形状可以根据需要进行相应的调整。

在另一示例中，壳程壳体20的内腔为燃气燃烧供热区域，壳程壳体20分为壳体反应段23和设置在壳体反应段23下方的壳体冷却段24。多个气体反应管21中的所有的气体反应管21均设置在壳体反应段23的内腔中，壳体冷却段24与气体集气器30彼此连通。在壳体反应段23的两端和壳体反应段23的内表面上均设置有耐高温分隔部40，这样气体分布器10通过耐高温分隔部40与壳体反应段23分隔，同时气体集气器30通过另一耐高温分隔部40与壳体冷却段24分隔。

在还一示例中，耐高温分隔部40为耐高温材料制成，通过在壳体反应段23的内表面内衬耐高温材料，由此形成了双层保温形式。在使用时，所有的气体反应管21的一端穿过壳体反应段23的靠近气体分布器10设置的耐高温材料之后插入到气体分布器10中，所有的气体反应管21的另一端在穿过壳体反应段23的靠近壳体冷却段24设置的耐高温材料之后插入到壳体冷却段24中。

如图1所示，多个气体反应管21中的所有的气体反应管21均沿壳程壳体20的纵长方向设置，且所有的气体反应管21均包括气体预热段211和气体反应段212，气体预热段211靠近气体分布器10设置，气体反应段212靠近气体集气器30设置。在一个示例中，在所有的气体反应管21中的气体预热段211中主要装填有刚玉球等具有蓄势能力的填充物，而在所有的气体反应管21中的气体反应段212中装填有催化剂。

众所周知，在甲烷二氧化碳重整反应中，发生的反应有主反应和副反应两种。具体地，主反应：CH₄+CO₂＝2CO+2H₂；△H＝+247.3KJ/mol；

副反应主要有：

(1)CO歧化反应：2CO＝C+CO₂；△H＝-172.4KJ/mol及其逆反应；

(2)CH₄的分解反应：CH₄＝C+2H₂；△H＝74.6KJ/mol；

(3)逆水煤气反应：CO₂+H₂＝CO+H₂O；△H＝-41KJ/mol。

由此可见，甲烷二氧化碳重整反应在热力学上是一种强吸热反应。反应温度需要在600℃以上才有显著的合成气产生，当反应温度要达到700～900℃左右时，才可以显著提高合成气的产率，因此在如此高温条件下如何提供稳定的热量来源是反应装置的重点和技术难点之一；而且若使用镍基催化剂，在反应时，由于局部高温极易引起镍基催化剂的烧结与积炭失活，因此如何能保证在反应过程中传热的均匀是反应装置的技术难点之二。

由此，本发明所提供的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置100中设计了至少两层火焰烧嘴，同时每一层火焰烧嘴均设置有多个火焰烧嘴，该多个火焰烧嘴均匀分布，且形成环形热流分布，由此解决了上述传热不均匀、温度难以控制所引起的镍基催化剂烧结、易积炭等问题。

具体地，至少两层火焰烧嘴包括第一层火焰烧嘴221、第二层火焰烧嘴222、第三层火焰烧嘴223和第四层火焰烧嘴224。第一层和第二层火焰烧嘴均与所有的气体反应管21的气体预热段211彼此对应设置，第三层和第四层火焰烧嘴均与所有的气体反应管21的气体反应段212彼此对应设置。当然本领域技术人员可以明白，火焰烧嘴可以设置为2层、3层或者更多层，与气体预热段对应的火焰烧嘴可以设置为1层、2层或者更多层，与气体反应段对应的火焰烧嘴也可以设置为1层、2层或者更多层，本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员不应当理解为对本发明的一种限制。

结合图1和图2所示，第一层、第二层、第三层和第四层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴包括6个火焰烧嘴22，本领域技术人员可以明白，每一层火焰烧嘴可以根据需要设置为7个、12个或者更多个，本示例仅是一种说明性示例，本领域技术人员不应当理解为对本发明的一种限制。如图2所示，每一层火焰烧嘴中的每一个火焰烧嘴22的一端均设置在壳程壳体20的外面，每一个火焰烧嘴22的另一端均设置在壳程壳体20的内腔中。

在一个示例中，第一、第二、第三和第四层火焰烧嘴均采用高温火焰烧嘴，使燃气与空气燃烧形成燃烧室，之后通过燃烧产生的大量的热为所有的气体反应管21提供稳定换热，而燃烧所产生的烟气从顶部的排烟管25排出。在另一示例中，第一、第二、第三和第四层火焰烧嘴均匀分布在壳程壳体20的4个径向截面上，而设置在同一层的6个火焰烧嘴22在每个截面上均沿正六边形的边线均匀分布，同时使火焰烧嘴22的方向与多个气体反应管21所排列形成的正六边形的边线一致且同向排列。换句话说，第一、第二、第三和第四层火焰烧嘴彼此沿反应装置100的纵长方向均匀分布，而且设置在同一层的6个火焰烧嘴22沿壳程壳体20的圆周方向依次布置，同时使同一层的6个火焰烧嘴22均与正六边形的6个边线彼此一一对应设置且呈同向环形分布，且使得每一个火焰烧嘴22均沿六个边线中对应的边线的长度方向设置，通过上述火焰烧嘴的设计可以在壳程壳体的内腔中形成环形的均匀的火焰热流分布。在此仅以六边形为例说明如何设置火焰喷嘴，本领域技术人员还可以根据需要设置成任何其它合适的形状。

在另一示例中，气体反应管21的气体反应段212处的温度为700～900℃，压力为15～40kPa；相应地，壳体反应段23的内腔中的燃气温度为1050～1150℃，压力为10～15kPa；且火焰烧嘴22处所使用的燃气气源可以是能燃烧的工业废气或者其它无法直接化学利用的气体，比如焦炉煤气、合成驰放气、炼厂气等。

如图1所示，多个气体反应管21中所有的气体反应管的出口设置在壳体冷却段24中。具体地，在壳体冷却段24的相对两侧分别设置有冷却介质入口241和冷却介质出口242，冷却介质入口241设置在壳体冷却段24的靠近气体集气器30的一端，冷却介质出口242设置在壳体冷却段24的靠近壳体反应段23的一端，在使用时，来自于多个气体反应管21的合成气在壳体冷却段24处冷却，之后流至气体集气器30中，最后通过气体集气器30的合成气出料口31流出反应装置100。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明提供的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置通过采用能燃烧的工业废气或者其它无法直接化学利用的气体作为燃气燃烧供热，并且以列管式固定床为基本形式，通过壳程壳体的火焰烧嘴沿气体反应管的六边形排列边线同向均匀分布，从而形成环形热流分布，由此达到传热稳定、传热均匀、温度易控制的效果，进而解决了传热不均匀、温度难以控制所引起的镍基催化剂烧结、易积炭等问题，还减少了甲烷资源的浪费，提高了资源的利用率，最终节省了投资。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，所述反应装置包括依次连接的气体分布器、壳程壳体和气体集气器，在所述壳程壳体的内腔中容纳有多个气体反应管，其特征在于，

所述多个气体反应管呈正六边形排列，所述多个气体反应管的一端设置在所述气体分布器中，所述多个气体反应管的另一端设置在所述壳程壳体中，且在所述壳程壳体的外表面上连接有至少两层火焰烧嘴，所述至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴的所有的火焰喷嘴均与所述多个气体反应管彼此配合且呈环状布置，

其中所述至少两层火焰烧嘴中的每一层火焰烧嘴包括多个火焰烧嘴，位于同一层的多个火焰烧嘴均与所述正六边形的六个边线彼此一一对应设置呈同向环形分布，所述同一层的多个火焰烧嘴中的每一个火焰烧嘴均沿所述六个边线中对应的边线的长度方向设置，

所述所有的气体反应管均包括气体预热段和气体反应段，所述气体预热段靠近所述气体分布器设置，所述气体反应段靠近所述气体集气器设置，

所述所有的气体反应管的气体预热段和气体反应段分别与所述至少两层火焰烧嘴中的至少一层火焰烧嘴彼此对应设置。

2.根据权利要求1所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

所述多个火焰烧嘴中所有的火焰烧嘴的一端均设置在所述壳程壳体的外面，所述多个火焰烧嘴中所有的火焰烧嘴的另一端均设置在所述壳程壳体的内腔中，所述的火焰烧嘴都是高温火焰烧嘴。

3.根据权利要求1所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

所述多个气体反应管中的所有的气体反应管均沿壳程壳体的纵长方向设置，

所述至少两层火焰烧嘴中的同一层的多个火焰烧嘴沿所述壳程壳体的周长方向设置，所述至少两层火焰烧嘴中的不同层的火焰烧嘴沿所述壳程壳体的纵长方向设置。

4.根据权利要求1所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

在所述所有的气体反应管中的气体预热段中装填有刚玉球，在所述所有的气体反应管中的气体反应段中装填有催化剂。

5.根据权利要求4所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

所述壳程壳体分为壳体反应段和设置在所述壳体反应段下方的壳体冷却段，所述多个气体反应管中的所有的气体反应管均设置在所述壳体反应段的内腔中，所述壳体冷却段与所述气体集气器彼此连通。

6.根据权利要求5所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

在所述壳体反应段的两端分别设置有耐高温分隔部，所述所有的气体反应管的两端在穿过对应的所述耐高温分隔部之后分别插入所述气体分布器和壳体冷却段。

7.根据权利要求6所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

在所述壳体反应段内衬有所述耐高温分隔部，且在所述壳体反应段的靠近所述气体分布器的一端设置有排烟管，

在所述壳体冷却段的相对两侧分别设置有冷却介质入口和冷却介质出口。

8.根据权利要求7所述的用于甲烷二氧化碳催化重整制备合成气的反应装置，其特征在于，

所述冷却介质入口设置在所述壳体冷却段的靠近所述气体集气器的一端，所述冷却介质出口设置在所述壳体冷却段的靠近所述壳体反应段的一端，

在所述气体分布器上设置有原料气进料口，在所述气体集气器上设置有合成气出料口。