CN109569490B - 一种非催化重整反应器及其工艺 - Google Patents

一种非催化重整反应器及其工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非催化重整反应器及其工艺，所述反应器包括换热区，混合区，重整反应区，换热区在外层，内层为混合区和重整反应区；混合区位于重整反应区的下方；换热区通过直接金属激光烧结技术，逐层构建成端到端的瑞士卷式结构；换热区通过空气与产物的相向式流动实现热交换；混合区为可拆卸式的螺旋式管路结构；重整反应区为圆柱体结构，位于混合区的上方。所述换热区的空气出口与混合区的空气进口相连通；混合区出口与重整反应区的进口相连通；重整反应区的出口与换热区的产物进口相连通。本发明避免了使用催化剂；换热区入口反应物为空气，实现了低能、高效的产出；本发明提高了重整产率的同时响应了绿色化学的号召。

Description

一种非催化重整反应器及其工艺
技术领域
本发明涉及一种非催化重整反应器及其工艺，特别涉及对烃类气体液体燃料、普通生物物质热解气以及焦化厂、化肥厂、炼油和煤矿开采等过程产生的富甲烷气体进行重整的装置。
背景技术
部分氧化是将高能量密度烃类燃料（丙烷，天然气，汽油，JP-8等）转化为合成气的简单方法，合成气可以很容易地被固体氧化物燃料电池（SOFC）用于发电， 或进一步纯化用于高纯度氢气生成。 由于部分氧化重整产物保留了大部分化学能，如何利用这些化学能存在一些问题。
催化方法对烃类燃料重整有一些缺点。当燃料含有高浓度的硫物质时，催化剂也面临挑战。硫会使许多催化剂中毒，导致需要在引入重整系统之前更换催化剂或预处理燃料。 此外，催化剂通常需要额外注意启动和关闭过程，这增加了整个系统的复杂性。
在这种反应器中进行气相燃料重整的难题是重整反应。 高度预热的燃料和空气混合物在进入所需反应区之前引起自燃。 在先前的开发中，应用中心燃料喷射方法来应对这一挑战。但是，空气和燃料的分离导致在进入部分氧化反应区之前混合不充分，导致大量烟灰形成。
德国专利DE 103 95 205 A1可知重整区填充有多孔材料的重整器，其内表面增强催化反应，而减小气体流过重整区的速度。但其送料器的缺点在于喷射装置的复杂设计需要复杂的用于控制的机械和电子特征，不理想地增加了成本。中国专利 200810012601.9公开了一种热解及气体过程中焦油焦炭的清除方法及可燃气体重整方法，通过以整体式蓄热蜂窝陶瓷为载体，通过负载催化剂的方法，在氧化剂的作用下进行转化重整，但需清除多孔陶瓷表面附着的焦油和焦炭，增加了成本且降低了生产效率。
发明内容
本发明旨在提供一种非催化重整反应器，避免了使用催化剂，在重整反应前使气体充分混合，在混合气体达到自燃点之前进入重整反应区进行反应，使其烟灰率降到最低，该设备是一种低能、高产率的新设备。
本发明通过设计不使用催化剂的重整反应器，实现了节能减排。本发明的产物为发生重整反应后的生成物，反应物为空气和烃类燃料，用产物中回收的热量来预热反应物，使反应无需借助外界而有很高的温度，从而使反应在不使用催化剂的情况下还能顺利进行，并且产率也比较高。此外，瑞士卷式几何形状有效地减少了大部分热损失（例如表面损失和烟气损失），减少了能量损失，改造过程使重整产品具有高能量，因此具有高的重整效率。混合区的螺旋式设计以及内部的挡板设计都能有效地增加气体混合的均匀程度。
本发明提供了一种非催化重整反应器，包括换热区，混合区，重整反应区，换热区在外层，内层为混合区和重整反应区；混合区位于重整反应区的下方；
换热区通过直接金属激光烧结技术，逐层构建成端到端的瑞士卷式结构；换热区通过空气与产物的相向式流动实现热交换；混合区为可拆卸式的螺旋式管路结构；
重整反应区为圆柱体结构，位于混合区的上方；
所述换热区的空气出口与混合区的空气进口相连通；混合区出口与重整反应区的进口相连通；重整反应区的出口与换热区的产物进口相连通。
所述的直接金属激光烧结技术，是通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。
进一步地，所述换热区高为8-12m，外径为4m；所述换热区的逐层构建的瑞士卷式结构是不可拆卸的一体化结构，设计层数共6层。
进一步地，所述换热区端到端的瑞士卷式设计是通过空气出口和产物进口实现的。空气出口为一端，逆时针流经换热区，过程是自上而下流经换热区；产物进口为另一端，产物顺时针流经换热区，过程是自下而上流经换热区；两种气体对流，实现换热。是由两个端口控制的，因此是端到端。一个顺时针，另一个逆时针，一个自下而上，另一个自上而下。
进一步地，所述混合区中的螺旋式管路总长为5-8m，高为1-2m，混合区的空气进口的管径为20-30cm，管径随管长的增加而逐渐增加，管长每增加1m管径增加4cm，混合区出口的管径为95-105cm，从空气进口处起在管长4m~4.5m处为可拆卸口。
进一步地，所述混合区的螺旋式管路内的120cm处开始至螺旋式管路内的4.9m处，设有上下交错排布的圆锥形挡板，圆锥形挡板的高为10cm，圆锥底面圆的半径为5cm，每个圆锥形挡板的间距为25cm。
进一步地，在混合区的螺旋式管路上设有烃类燃料注入口；烃类燃料注入口由烃类燃料主注入口和烃类燃料辅注入口组成；
所述混合区的螺旋式管路外侧的15cm-100cm处设有烃类燃料主注入口，共计3个，每个间距为20cm，螺旋式管路内侧的20cm-85cm处设有烃类燃料辅注入口，共计2个，每个间距为20cm；所述烃类燃料主注入口和烃类燃料辅注入口交错排布。
进一步地，所述烃类燃料注入口包括烃类燃料注入口导管、注入口喷口和烃类燃料注入口导管接口，烃类燃料注入口导管焊接在螺旋式管路上。
进一步地，所述烃类燃料注入口导管是弧形，与螺旋式管路呈30度角，与注入口喷口处呈90度角，烃类燃料注入口导管的管长为6cm，烃类燃料注入口导管接口可拆卸，烃类燃料注入口导管的注入口喷口设为半径为10cm的圆形。
进一步地，所述注入口喷口为圆形，在该端面上设有三块条形隔板，使气体分区域流出，便于控制气体的喷出角度。
进一步地，所述隔板上设有与导管相连通的导管支管，导管支管的管径为3cm，管长为3cm，每根导管支管的间距为5.3cm，使气体射程大于由注入口喷口处喷出的气体。
进一步地，所述导管支管上接有菱形喷口，菱形喷口的边长为3cm，菱形的其中一个内角为60度，菱形喷口上钻有半径为0.3cm、紧密排列的的圆孔，便于气体充分混合。
本发明提供了上述非催化重整反应器的工艺，包括以下步骤：
（1）空气由换热区的空气入口进入换热区，经预热后，沿逆时针方向从换热区的空气出口流出，进入混合区；
（2）烃类燃料经注入口进入混合区与空气充分混合后进入重整反应区进行重整反应；
（3）重整反应结束后产物由换热区的产物进口进入换热区，实现与空气的换热，换热结束后，沿顺时针方向从换热区的产物出口流出重整反应器，从而空气被产物的高热预热。
上述工艺中，所述的烃类燃料为JP-8。
本发明的有益效果：
（1）本发明避免了使用催化剂；
（2）本发明的燃料JP-8为高硫含量的燃料，硫会使许多催化剂中毒，导致需要在引入重整系统之前更换催化剂或预处理燃料，并且催化剂通常需要额外注意启动和关闭过程，这增加了整个系统的复杂性；
（3）本发明的换热区入口反应物为空气，实现了低能、高效的产出；
（4）本发明设计的混合区使注入的燃料JP-8与空气充分混合的同时还避免了混合气体自燃，极大地降低了烟灰率，提高了重整产率的同时响应了绿色化学的号召。
附图说明
图1为本发明非催化重整反应器的剖视图；
图2是本发明非催化重整反应器的俯视图（换热区中间为重整反应区）；
图3是本发明非催化重整反应器底部仰视图（换热区与混合区连接）；
图4是本发明非催化重整反应器混合室的剖视图；
图5是混合室注入口的剖视图；
图6是混合室注入口的立体视图；
图7是混合室注入口喷口处的俯视图；
图8是混合室注入口喷口上的隔板处的侧视图；
图9是混合室注入口喷口上的菱形喷口的俯视图；
图中标记是：1、换热区，2、混合区，3、重整反应区，4、换热区的空气入口，5、换热区的产物出口，6、混合区的空气进口，7、螺旋式管路，8、烃类燃料主注入口，9、烃类燃料辅注入口，10、混合区出口，11、换热区的空气出口，12、换热区的产物进口，13、烃类燃料注入口导管，14、注入口喷口处，15、喷口上的隔板，16、导管支管，17、菱形喷口，18、圆孔，19、烃类燃料注入口导管接口，20、圆锥形挡板，21、混合区入口，22、混合区出口。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~9所示，一种非催化重整反应器，包括换热区1，混合区2，重整反应区3，其特征在于：换热区1在外层，内层为混合区2和重整反应区3；混合区2位于重整反应区3的下方；
换热区1通过直接金属激光烧结技术，逐层构建成端到端的瑞士卷式结构；换热区1通过空气与产物的相向式流动实现热交换；混合区2为可拆卸式的螺旋式管路7结构；
重整反应区3为圆柱体结构，位于混合区2的上方；
所述换热区1的空气出口11与混合区的空气进口6相连通；混合区出口10与重整反应区3的进口相连通；重整反应区3的出口与换热区的产物进口12相连通。
所述直接金属激光烧结技术，是指通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件
进一步地，所述换热区1高为8-12m，外径为4m；所述换热区1的逐层构建的瑞士卷式结构是不可拆卸的一体化结构，设计层数共6层。
进一步地，所述换热区1端到端的瑞士卷式设计是通过空气出口11和产物进口12实现的。空气出口为一端，逆时针流经换热区，过程是自上而下流经换热区；产物进口为另一端，即换热区的产物进口12，产物顺时针流经换热区，过程是自下而上流经换热区；两种气体对流，实现换热。是由两个端口控制的，因此是端到端。一个顺时针，另一个逆时针，一个自下而上，另一个自上而下。
进一步地，所述混合区2中的螺旋式管路7总长为5-8m，高为1-2m，混合区的空气进口6的管径为20-30cm，管径随管长的增加而逐渐增加，管长每增加1m管径增加4cm，混合区出口10的管径为95-105cm，从空气进口处起在管长4m~4.5m处为可拆卸口。
进一步地，所述混合区2的螺旋式管路7内的120cm处开始至螺旋式管路7内的4.9m处，设有上下交错排布的圆锥形挡板20，圆锥形挡板20的高为10cm，圆锥底面圆的半径为5cm，每个圆锥形挡板20的间距为25cm。
进一步地，在混合区2的螺旋式管路7上设有烃类燃料注入口；烃类燃料注入口由烃类燃料主注入口和烃类燃料辅注入口组成；
所述混合区2的螺旋式管路7外侧的15cm-100cm处设有烃类燃料主注入口8，共计3个，每个间距为20cm，螺旋式管路7内侧的20cm-85cm处设有烃类燃料辅注入口9，共计2个，每个间距为20cm；所述烃类燃料主注入口8和烃类燃料辅注入口9交错排布。
进一步地，所述烃类燃料注入口包括烃类燃料注入口导管13、注入口喷口14和烃类燃料注入口导管接口19，烃类燃料注入口导管13焊接在螺旋式管路7上。
进一步地，所述烃类燃料注入口导管13与螺旋式管路7呈30度角，与注入口喷口14呈90度角，烃类燃料注入口导管的管长为6cm，烃类燃料注入口导管接口19可拆卸，烃类燃料注入口导管13的注入口喷口14设为半径为10cm的圆形。
进一步地，所述注入口喷口14为圆形，在该端面上设有三块条形隔板15，使气体分区域流出，便于控制气体的喷出角度。
进一步地，所述隔板15上设有与导管13相连通的导管支管16，导管支管16的管径为3cm，管长为3cm, 每根导管支管16的间距为5.3cm，使气体射程大于由注入口喷口14处喷出的气体。
进一步地，所述导管支管16上接有菱形喷口17，菱形喷口17的边长为3cm，菱形的其中一个内角为60度，菱形喷口17上钻有半径为0.3cm、紧密排列的的圆孔18 ，便于气体充分混合。
导管支管16焊接在隔板15上，作用是烃类燃料气体通过，导管支管16的长度比较短，个数比较多。
本发明提供了上述非催化重整反应器的工艺，包括以下步骤：
（1）空气由换热区的空气入口4进入换热区1，经预热后，沿逆时针方向从换热区的空气出口11流出，进入混合区2；
（2）烃类燃料经注入口8/注入口9进入混合区2与空气充分混合后进入重整反应区3进行重整反应；
（3）重整反应结束后产物由换热区的产物进口12进入换热区1，实现与空气的换热，换热结束后，沿顺时针方向从换热区的产物出口5流出重整反应器，从而空气被产物的高热预热。
上述工艺中，所述的烃类燃料为JP-8。

Claims (8)

1.一种非催化重整反应器，其特征在于：包括换热区，混合区，重整反应区，换热区在外层，内层为混合区和重整反应区；混合区位于重整反应区的下方；
换热区通过直接金属激光烧结技术逐层构建成端到端的瑞士卷式结构；换热区通过空气与产物的相向式流动实现热交换；混合区为可拆卸式的螺旋式管路结构；在混合区的螺旋式管路上设有烃类燃料注入口；烃类燃料注入口由烃类燃料主注入口和烃类燃料辅注入口组成；所述混合区的螺旋式管路外侧的15cm-100cm处设有烃类燃料主注入口，共计3个，每个间距为20cm，螺旋式管路内侧的20cm-85cm处设有烃类燃料辅注入口，共计2个，每个间距为20cm；所述烃类燃料主注入口和烃类燃料辅注入口交错排布；
重整反应区为圆柱体结构，位于混合区的上方；
所述换热区的空气出口与混合区的空气进口相连通；混合区出口与重整反应区的进口相连通；重整反应区的出口与换热区的产物进口相连通；
所述混合区中的螺旋式管路总长为5-8m，高为1-2m，混合区的空气进口的管径为20-30cm，管径随管长的增加而逐渐增加，管长每增加1m管径增加4cm，混合区出口的管径为95-105cm，从空气进口处起在管长4m~4.5m处为可拆卸口；
所述混合区的螺旋式管路内的120cm处开始至螺旋式管路内的4.9m处，设有上下交错排布的圆锥形挡板，圆锥形挡板的高为10cm，圆锥底面圆的半径为5cm，每个圆锥形挡板的间距为25cm。
2.根据权利要求1所述的非催化重整反应器，其特征在于：所述换热区高为8-12m，外径为4m；所述换热区的逐层构建的瑞士卷式结构是不可拆卸的一体化结构，设计层数共6层。
3.根据权利要求1所述的非催化重整反应器，其特征在于：所述烃类燃料注入口包括烃类燃料注入口导管、注入口喷口和烃类燃料注入口导管接口，烃类燃料注入口导管焊接在螺旋式管路上。
4.根据权利要求3所述的非催化重整反应器，其特征在于：所述烃类燃料注入口导管与螺旋式管路呈30度角，烃类燃料注入口导管的管长为6cm，烃类燃料注入口导管接口可拆卸，烃类燃料注入口导管的注入口喷口设为半径为10cm的圆形；所述注入口喷口为圆形，在该端面上设有三块条形隔板，使气体分区域流出，便于控制气体的喷出角度。
5.根据权利要求4所述的非催化重整反应器，其特征在于：所述隔板上设有与导管相连通的导管支管，导管支管的管径为3cm，管长为3cm，每根导管支管的间距为5.3cm，使气体射程大于由注入口喷口处喷出的气体。
6.根据权利要求5所述的非催化重整反应器，其特征在于：所述导管支管上接有菱形喷口，菱形喷口的边长为3cm，菱形的其中一个内角为60度，菱形喷口上钻有半径为0.3cm、紧密排列的圆孔，便于气体充分混合。
7.一种非催化重整反应器的工艺，采用权利要求1~6任一项所述的非催化重整反应器，其特征在于：包括以下步骤：
（1）空气由换热区的空气入口进入换热区，经预热后，沿逆时针方向从换热区的空气出口流出，进入混合区；
（2）烃类燃料经注入口进入混合区与空气充分混合后进入重整反应区进行重整反应；
（3）重整反应结束后产物由换热区的产物进口进入换热区，实现与空气的换热，换热结束后，沿顺时针方向从换热区的产物出口流出重整反应器，从而空气被产物的高热预热。
8.根据权利要求7所述的非催化重整反应器的工艺，其特征在于：所述的烃类燃料为JP-8。
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