CN114053970B - 一种甲烷裂解炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种甲烷裂解炉，包括炉体及烟道，烟道与炉体上端连通，炉体内设有隔墙，隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内。本发明所述的甲烷裂解炉以天然气为原料，通过分离裂解产物炭黑及氢气的方法，可以实现以低成本、低碳排放或零碳排放大规模工业化生产氢气的目标。

Description

一种甲烷裂解炉
技术领域
本发明属于天然气制氢领域，尤其是涉及一种甲烷裂解炉。
背景技术
根据美国环境保护署的数据，CH4的温室效应是等量物质的CO2的28--36倍。地壳浅层特别是北极冻土层是天然甲烷储藏库，全球变暖及地壳运动都会导致甲烷释放，甲烷释放又会加速全球变暖。制止甲烷向大气中排放的最好办法就是以大规模生产的方式把甲烷用掉，而又不向大气中排放二氧化碳。
氢气不仅是一种"洁净"的能源，也是一种十分重要的工业原料，它广泛应用于石油、化工、电子、冶金、油脂、航天、轻工业等领域。天然气的主要成分是甲烷，在工业上一个重要的应用是制氢。但目前主流的以天然气为原料大规模制取氢气的工艺，存在着氢气生产成本高、二氧化碳排放量大的问题。另外，现有的天然气制氢工艺通常采用固体催化剂，还存在催化剂失活及效率不高的问题，影响产能的进一步扩大。
因而，开发一种低成本、低碳排放或零碳排放且可以大规模产业化的制氢工艺就成为一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种甲烷裂解炉，以实现低成本、高效、低碳排放或零碳排放的制氢目标。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种甲烷裂解炉，包括炉体及烟道，所述烟道与炉体连通，炉体内设有隔墙，所述隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，所述炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层的液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内。烟道通常设置于炉体的上端，但也可设置在炉体侧壁的一侧。隔墙的上端应高于熔体层的液面，以保证熔体不会倒灌进入炭黑仓。加料装置用于向熔池内添加熔体或渣料或裂解催化剂。浸入式烧嘴用于将燃气和氧气通入熔池内，使燃气和氧气充分燃烧放热，为甲烷裂解提供高温熔体环境，通过控制注入熔池内的燃气和氧气的量可以控制熔体层的温度。天然气喷枪用于向熔体内喷入天然气，使天然气中的烷烃(主要是甲烷)在熔体催化作用下发生裂解，反应生成的氢气从烟道排出，而产生的炭黑浮在熔体层上形成炭黑层，当累积的炭黑层的高度超过隔墙顶端时，超出的部分炭黑越过隔墙落入炭黑仓内。炭黑仓底部的排料口用于排出炭黑。浸入式烧嘴的出口应设于熔体内，使燃气和氧气燃烧产生的热量可以高效的加热熔体；天然气喷枪的出口也须设置在熔体内，以保证天然气中的甲烷可以被熔体的高温环境快速加热、催化并迅速发生裂解反应；另外，浸入式烧嘴和天然气喷枪位于炉体内的枪体部分并不要求都浸入熔体，只须保证其出口位于熔体内适当的位置即可。
进一步地，所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将熔池分隔为加热室及裂解室，挡墙与炉体内壁固接且挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道顶部低于熔体层的液面，所述加料装置及浸入式烧嘴与加热室连通，所述天然气喷枪与裂解室连通。连通加热室及裂解室的通道只位于熔体层内，可以有若干个，也即熔体可以在加热室和裂解室之间自由流动，而加热室及裂解室位于熔体层液面以上的空间被挡墙完全隔绝，互不连通。
进一步地，所述烟道包括氢气烟道及燃气烟道，所述氢气烟道与裂解室连通，所述燃气烟道与加热室连通。浸入式烧嘴喷入加热室熔体内的氧气和燃气燃烧后生成的烟气进入燃气烟道，天然气喷枪喷入裂解室的烷烃(主要是甲烷)裂解后产生的氢气进入氢气烟道。氢气烟道及燃气烟道两个烟道互相隔离，可以大幅度的提高从氢气烟道中排出的氢气的纯度，降低后续烟气处理的难度。
进一步地，所述挡墙的导热系数大于100W/(m·k)，挡墙的材质采用导热性能好、熔点高、耐磨、耐腐蚀的材料制成，例如是氧化铍、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化镁中的一种或多种的组合。
进一步地，所述炭黑仓侧壁设有冷却机构；优选地，所述冷却机构为水冷机构或风冷机构，通过冷却机构将落入炭黑仓中的炭黑温度降低至300℃以下，便于直接在空气中将炭黑排出。
进一步地，所述炭黑仓环绕所述熔池设置，炭黑仓的截面呈环形。这种环绕式的设置方式一方面可以减少熔池中的热量散失，另一方面也便于熔池顶部的炭黑排入炭黑仓中。
进一步地，所述炭黑仓底部的排料口高度比熔池底部高度低0.2m以上；优选地，所述炭黑仓底部的排料口比熔池的底部低2-20米。炭黑仓底部伸出炉体的设置便于炭黑仓中的炭黑充分地冷却降温。
进一步地，所述隔墙的导热系数小于0.2W/(m·k)；优选地，隔墙的材质为陶瓷纤维、氧化铝纤维或其复合材料中的一种或多种的组合。隔墙的材质选为绝热材料的原因是尽量减少从熔池传递至炭黑仓的热量，一方面便于炭黑仓中的炭黑快速降温，另一方面减少熔池内热量的损耗，降低综合能耗。此外，隔墙也可以不用隔热材料，而采用水冷壁挂渣的方式构建，即与炭黑仓的外壁采用同样的结构。
进一步地，所述天然气喷枪的出口位置高于浸入式烧嘴的出口位置。浸入式烧嘴有若干个，烧嘴出口(喷头)设置在熔体偏底部的位置，以便产生的热量通过自然对流的方式传递至熔体的中上部。天然气喷枪也有若干个，天然气喷枪的出口(喷头)设置在熔体内，高于浸入式烧嘴的出口位置，以使甲烷的裂解反应能吸收到足够的热量。
需要说明的是：浸入式烧嘴可以是独立式的，也可由氧气喷枪及燃气喷枪组合而成。独立式的浸入式烧嘴为单枪多通道结构，其中的一个通道为氧气进入通道，一个通道为燃气进入通道，还有一个通道为冷却介质(冷空气或冷水)循环通道，用于给浸入式烧嘴降温。燃气可以是天然气、氢气或碳氢化合物类气体，优选氢气，可以实现零碳排放。在实际应用中，控制喷入的燃氧比，使燃气稍过量，可以使喷入的氧气燃烧殆尽，避免过剩的氧气与甲烷裂解的石墨反应，从而降低碳排放。
进一步地，所述熔体层中的有效成分为镍铁合金；优选地，所述镍铁合金为红土镍矿冶炼得到的，导热性能好，且对甲烷裂解有良好的催化效果。
本发明创造所述的甲烷裂解炉的工作原理如下：
天然气中的烷烃(主要是甲烷)裂解会吸收大量的热量，炉壁也会向外界辐射热量，为向熔池内补充热量，通过浸入式烧嘴向熔体内喷入燃气与氧气燃烧放热。熔体的温度一般约为1000-1600℃，由喷入的燃气及氧气的量来控制。通过天然气喷枪向熔体内喷入天然气，天然气进入高温的熔体环境后，快速升温，天然气中的烷烃(主要是CH4)在催化剂及高温的作用下，迅速裂解为炭黑和氢气。
甲烷在熔体中发生如下化学反应：
CH4→C+2H2
裂解产生的氢气上浮进入烟气，最终经烟道排出炉外，进入后续处理流程。
而固态小颗粒的炭黑上浮至熔体表面，形成炭黑层；当炭黑层的高度不断累积，超越隔墙顶端后，在侧向挤压力及重力的作用下，部分炭黑滑落进入炭黑仓。在炭黑仓中，炭黑在向下移动的过程中，不断的降温，最终通过设置在炭黑仓底部的排料口排出炉外。
本发明所述的甲烷裂解炉也称为中闪Ⅲ型制氢炉，相对于现有技术，具有以下优势：
(1)中闪Ⅲ型制氢炉以天然气为原料，通过高效分离裂解产物炭黑和氢气的方法，可以实现以低成本、低碳排放或零碳排放大规模工业化生产氢气的目标。
(2)中闪Ⅲ型制氢炉熔池内的熔体层为液态熔体，熔体还含有催化烷烃裂解的有效成分，为甲烷裂解反应提供了一个良好的高温催化环境，甲烷进入熔体后，与熔融状的催化剂充分接触，迅速升温并发生裂解反应，相对于传统甲烷催化的气固接触(采用固体催化剂)，比表面积大了几个数量级，因而使甲烷的催化效率和转化率成倍增长，还使单位空间的处理量有了较大的提升，从而使单位氢气的生产成本和投资大大降低。
(3)中闪Ⅲ型制氢炉的排渣口及加料装置的设计可实现催化剂的动态可替换，催化剂活性降低时，可通过排渣口排出熔体，同时或随后通过加料装置向熔体内加入催化剂成分。
(4)中闪Ⅲ型制氢炉巧妙的设计了炭黑仓，使裂解产物炭黑在降温后得以回收，即增加了销售收入，又减少了化石原料的碳排放。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1所述的甲烷裂解炉的结构示意图；
图2为本发明实施例2所述的甲烷裂解炉的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的熔池与炭黑仓并联式分布结构示意图；
图4为本发明实施例所述的熔池与炭黑仓环绕式分布结构示意图。
附图标记说明：
1、炉体；2、烟道；3、隔墙；4、熔池；5、炭黑仓；6、熔体层；7、加料装置；8、浸入式烧嘴；9、天然气喷枪；10、排料口；11、挡墙；12、加热室；13、裂解室；14、排渣口；15、炭黑层；16、氢气烟道；17、燃气烟道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例中的甲烷裂解炉如图1所示，包括炉体1及烟道2，烟道2与炉体1上端连通，炉体1内设有隔墙3，隔墙3的上端与炉体1上端之间留有间隙，炉体1内腔被隔墙3分隔为熔池4及炭黑仓5，熔池4与炭黑仓5呈环绕式分布，如图4所示，熔池4内设有熔体层6，熔池4侧壁或底部连通有加料装置7、浸入式烧嘴8、天然气喷枪9及排渣口14，炭黑仓5侧壁设有水冷机构，底部设有排料口10，炭黑仓排料口10的位置比熔池4的底部低约10米。在熔体内，天然气喷枪9的出口位置高于浸入式烧嘴8的出口位置，熔体层6的液面低于隔墙3上端。隔墙3的材质为绝热材料，隔墙3的导热系数小于0.2W/(m·k)。熔体层6中的熔体采用红土镍矿冶炼得到的液态的镍铁合金产品。
本实施例中的甲烷裂解工艺流程如下：
氢气和氧气通过浸入式烧嘴8喷入熔池4的熔体中，充分燃烧并放出热量，使熔体层6的温度加热到1500℃以上。同时，通过天然气喷枪9向熔体的中上部喷入天然气，天然气进入熔体中，其中的烷烃迅速升温并裂解为氢气和炭黑，生成的氢气经烟道2排出炉外，而炭黑上浮至熔体上部，形成炭黑层15；当熔体层6上部的炭黑层15累积到超过隔墙3顶部一定高度时，炭黑层顶部的部分炭黑滑落至炭黑仓5。炭黑仓排料口10的位置比熔池4的底部低约10米，在炭黑仓5的外壁上，设置有大量的水冷水套，以使其中的炭黑降温，越靠近炭黑仓5的底部，炭黑的温度越低，在到达炭黑仓5的排料口时，炭黑的温度已降至200℃以下，打开排料口10的阀门可以直接在空气中出料。
当熔体的催化活性降低时，可通过排渣口14从炉体中放出熔体，同时或随后通过加料装置7向熔体内加入液态的镍铁合金。
在本实施例中，使用氢气作为燃气，并控制氢氧比，使浸入式烧嘴喷入的氢气稍过量，使用氧气燃烧殆尽；同时，通过分离甲烷的裂解产物炭黑和氢气，使天然气中的碳得以以固碳的形式回收，从而在甲烷裂解炉生产氢气的整个工艺过程中可以做到零碳排放。
实施例2
本实施例中的甲烷裂解炉如图2所示，与实施例1中的甲烷裂解炉区别在于：熔池4与炭黑仓5呈并联式分布，如图3所示，炉体1内设有挡墙11，挡墙11将熔池4分隔为加热室12及裂解室13。挡墙11采用导热性能好(导热系数一般要求大于100W/(m·k))、熔点高、耐磨、耐腐蚀性能好的材料制成，可选择氧化铍、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化镁这几种材料中的一种或多种的组合。加热室12的底部高度低于裂解室13的底部高度且两室在垂直方向上错开，挡墙11与炉体1内壁固接且挡墙11上设有连通加热室12及裂解室13的通道，熔体层6的液面高于通道顶部，加热室12熔体液面上部的空间与裂解室13熔体液面上部的空间互不连通，加料装置7及浸入式烧嘴8与加热室12连通，天然气喷枪9与裂解室13连通，烟道2包括氢气烟道16及燃气烟道17，氢气烟道16与裂解室13连通，燃气烟道17与加热室12连通。熔体层6中的熔体采用高炉炼铁或红土镍矿冶炼后得到的熔渣。
本实施例中的甲烷裂解工艺流程如下：
氧气和燃气通过浸入式烧嘴8喷入加热室12内下部的熔体中，氧气与燃气充分燃烧并放出热量，把熔体温度加热到1200℃以上。把浸入式烧嘴8的出口设置在靠近加热室12的底部的位置，且加热室12的底部低于裂解室13的底部，这样便于加热后的熔体通过对流的方式向上部的裂解室13传热。燃烧产生的烟气经燃气烟道17排出炉外。
同时，向裂解室13下部的熔体内喷入天然气。天然气进入熔体后，其中的烷烃迅速裂解为氢气和炭黑，生成的高温氢气经氢气烟道16排出炉外，而生成的炭黑上浮至熔体上部，形成炭黑层15。当炭黑层15累积到超过隔墙3顶部一定高度时，炭黑层15顶部的部分炭黑滑落至炭黑仓5内，在下行的过程中经过不断的冷却后，最终从炭黑仓5底部的排料口10排出炉外。为了保证排料的气密性，在炭黑仓的排料口连接有锁斗系统，锁斗系统设置了一套复杂的自动循环控制系统，用于定期排出炭黑。每隔一段时间，锁斗阀将锁斗与甲烷裂解炉隔离，锁斗泄压，将炭黑排出系统，然后锁斗重新充压，进入下一个循环。另外，甲烷裂解产生的炭黑粒径通常比较小，堆积的比较致密，当炭黑仓设置的长度超过10米时，可以通过设置在排料口的阀门定期直接向外排放炭黑。
本实施例通过设置挡墙的方式，隔离燃气燃烧产生的烟气及天然气裂解产生的氢气，从而使用甲烷裂解炉制取的氢气的纯度更高，降低了后续氢气提纯工序的工作量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (13)

1.一种甲烷裂解炉，其特征在于：包括炉体及烟道，所述烟道与炉体连通，炉体内设有隔墙，所述隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，所述炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内，所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将熔池分隔为加热室及裂解室，挡墙与炉体内壁固接且挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道顶部低于熔体层的液面，所述加料装置及浸入式烧嘴与加热室连通，所述天然气喷枪与裂解室连通。
2.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述烟道包括氢气烟道及燃气烟道，所述氢气烟道与裂解室连通，所述燃气烟道与加热室连通。
3.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述挡墙的导热系数大于100W/(m·k)。
4.根据权利要求3所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述挡墙的材质为氧化铍、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化镁中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述炭黑仓侧壁设有冷却机构。
6.根据权利要求5所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述冷却机构为水冷机构或风冷机构。
7.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述炭黑仓环绕所述熔池设置，炭黑仓的截面呈环形。
8.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述炭黑仓底部的排料口高度比熔池底部高度低0.2m以上。
9.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述隔墙的导热系数小于0.2W/(m·k)。
10.根据权利要求9所述的甲烷裂解炉，其特征在于：隔墙的材质为陶瓷纤维、氧化铝纤维或其复合材料中的一种或多种的组合。
11.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述天然气喷枪的出口位置高于浸入式烧嘴的出口位置。
12.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述熔体层的有效成分为镍铁合金。
13.根据权利要求12所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述镍铁合金为红土镍矿冶炼得到的。
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