CN114436211A - 天然气微波催化转化装置及转化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体转化技术领域，涉及一种天然气微波催化转化装置及转化方法，包括加热炉、转化炉、微波转化炉以及微波发生器；所述加热炉、转化炉、微波转化炉依次相连通；所述加热炉上设置原料进口；所述微波转化炉上设置转化气出口；所述微波发生器置于微波转化炉内部并与微波转化炉相连。本发明在低温度下获得较高的转化率，提升转化率，降低能耗，提高系统的热效率，适应各种转化工艺模式。

Description

天然气微波催化转化装置及转化方法
技术领域
本发明属于气体转化技术领域，涉及一种天然气微波催化转化装置及转化方法，将天然气转化应用于制氢氨、甲醇合成气中。
背景技术
天然气转化，主要是指把天然气原料转化成合成氨之原料气或其他化合物之原料，便于天然气的深加工利用。传统的转化方法是蒸汽转化法，但是该法反应温度高、热利用率低、设备复杂、原料消耗大，已很少采用；现在采用的转化方法有单段蒸汽转化法和两段蒸汽转化法，但是存在转化温度高、催化剂易中毒，天然气耗量多，转化率偏低，要获得高转化率，需加二段纯氧转化，但是这样会使得系统能耗增加，造成能源的浪费，增加原料成本的投入。
发明内容
基于上述天然气转化出现的技术问题，本发明旨在公开一种天然气微波催化转化装置及转化方法，在低温度下获得较高的转化率，提升转化率，降低能耗，提高系统的热效率，适应各种转化工艺模式。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种天然气微波催化转化装置，包括加热炉、转化炉、微波转化炉以及微波发生器；所述加热炉、转化炉、微波转化炉依次相连通；所述加热炉上设置原料进口；所述微波转化炉上设置转化气出口；所述微波发生器置于微波转化炉内部并与微波转化炉相连。
进一步的，所述微波转化炉包括外壳体以及置于外壳体上方并与外壳体相连的封头；所述转化气出口置于外壳体上；所述转化炉与封头相连通；所述微波发生器与封头相连。
进一步的，所述外壳体内从上自下设置依次相连通的吸波催化层和增强型吸波催化层；所述微波发生器位于吸波催化层上方。
进一步的，所述微波转化炉还包括设置在外壳体内侧壁上的金属内衬。
进一步的，所述微波转化炉还包括设置在外壳体内壁与金属内衬之间的保温层。
进一步的，所述天然气微波催化转化装置还包括与微波发生器电相连的外接电源。
一种所述的天然气微波催化转化装置的转化方法，包括以下步骤：
1)原料气经加热炉预热后进入转化炉中，温度450～700℃下，在催化剂作用下进行初级转化；
2)进一步的，初级转化后的原料气进入微波转化炉内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层和增强型吸波催化层，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
3)步骤2)生成的转化气直接从转化气出口排出系统外；或是转化气依次经转化炉(和加热炉，并分别与转化炉内的初级转化原料气以及加热炉内的原料气换热降温后从加热炉排出系统外。
进一步的，所述步骤1)中，原料气为富甲烷气和蒸汽的混合，或是天然气和蒸汽的混合。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供一种全新的天然气催化转化装置，不用氧气，不耗氢气，所需热量由微波提供，直接作用于气体分子及催化剂，改变原料配比，改变反应条件，在较低的温度下，获得较高的转化率，适用于天然气转化制氢氨、甲醇合成气中。
2、本发明提供的转化装置中，将微波转化炉设置于转化工艺末级处，转化炉后，适应各种转化工艺模式，转化率高，能量消耗低，提高系统热效率。
3、本发明提供的微波转化炉用微波给能，气体吸波并带到催化剂层，促进深度转化，利能选择性加热物料，加热速度快，加热均匀，易于控制，产品选择性好；同时用微波转化同时实现物料不损耗，提高转化率。
4、本发明提供的微波转化炉，在外壳体内壁上的保温层和金属内衬；保温层与外壳体内壁相接触，而金属内衬只设置在侧壁段上，外壳体顶部和底部不设置，通过金属内衬对微波散逸进行屏蔽，减小微波损耗，从而降低能源投入成本；通过保温层降低能量消耗，同时避免高温导致的催化剂中毒，实现低温转化；与传统烧氧二段炉比较，微波转化炉反应温度能减低约100～250℃，且不耗氧，不损失氢气，安全，炉子不用设水夹套，同样原料获取更多的产品气，产品气中有更多的一氧化碳，这是微波和催化剂共同作用的因此本发明提供的微波转化炉作用意义重大。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式示意图；
图2为本发明第二种实施方式示意图；
图3为本发明第三种实施方式示意图；
其中：
1—加热炉；2—转化炉；3—微波转化炉；31—外壳体；32—保温层；33—金属内衬；34—吸波催化层；35—增强型吸波催化层。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
本发明提供的天然气微波催化转化装置，包括加热炉1、转化炉2、微波转化炉3以及微波发生器；加热炉1、转化炉2、微波转化炉3依次相连通；加热炉1上设置原料进口；微波转化炉3上设置转化气出口；微波发生器置于微波转化炉3内部并与微波转化炉3相连。
本发明提供的微波转化炉3包括外壳体31以及置于外壳体31上方并与外壳体31相连的封头；转化气出口置于外壳体31上；转化炉2与封头相连通；微波发生器与封头相连。
本发明中，外壳体31内从上自下设置依次相连通的吸波催化层34和增强型吸波催化层35；微波发生器位于吸波催化层34上方。
本发明中，微波转化炉3还包括设置在外壳体31内侧壁上的金属内衬33。微波转化炉3还包括设置在外壳体31内壁与金属内衬33之间的保温层32。
本发明中，天然气微波催化转化装置还包括与微波发生器电相连的外接电源。
本发明提供的天然气微波催化转化装置的转化方法，包括以下步骤：
1)原料气经加热炉1预热后进入转化炉2中，温度450～700℃下，在催化剂作用下进行初级转化；
2)进一步的，初级转化后的原料气进入微波转化炉3内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层34和增强型吸波催化层35，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
3)步骤2)生成的转化气直接从转化气出口排出系统外；或是转化气依次经转化炉2和加热炉1，并分别与转化炉2内的初级转化原料气以及加热炉1内的原料气换热降温后从加热炉1排出系统外。
本发明步骤1)中，原料气为富甲烷气和蒸汽的混合，或是天然气和蒸汽的混合。
下面以几组具体实施例说明本发明提供的催化转化装置以及方法。
实施例1
参见图1，本实施例提供的天然气微波催化转化装置包括加热炉1、转化炉2、微波转化炉3和微波发生器；加热炉1上设置原料进口；微波转化炉3上设置转化气出口；转化气出口依次经转化炉2和加热炉1后排出界外；加热炉1、转化炉2、微波转化炉3依次连通；微波发生器置于微波转化炉3内部并与微波转化炉3内壁相连。
本实施例中，微波转化炉3包括外壳体31以及置于外壳体31上方并与外壳体31相连的封头；转化气出口置于外壳体31上；转化炉2与封头相连通；微波发生器与封头相连。
本实施例中，本发明中，外壳体31内从上自下设置依次相连通的吸波催化层34和增强型吸波催化层35；微波发生器位于吸波催化层34上方。
本实施例中，微波转化炉3还包括设置在外壳体31内侧壁上的金属内衬33。微波转化炉3还包括设置在外壳体31内壁与金属内衬33之间的保温层32。(如图1所示，仅在内壁一段上对保温层32和金属内衬33进行示意。)
具体的，微波转化炉3的外壳体31为上小下大的凸形结构，外壳体31顶部设置封头，封头与外壳体31通过法兰连接。外壳体31内壁上(内壁包括顶部内壁、内侧壁和底部内壁)设置保温层32，保温层32内壁上设置金属内衬33，金属内衬33只在内侧壁上设置。实施时，外壳体31是承压壳体；金属内衬33是防微波散逸的屏蔽，减小微波带来的损耗，从而降低能源消耗；保温层32的作用是最大化减小热的对外传递，防止热量损失。
本实施例中，吸波催化层34为吸波催化反应段；增强型吸波催化层35为增强型吸波催化反应段。
本实施例中，吸波催化层34内填充有吸波催化剂氧化铝载镍基；增强型吸波催化层35内填充有增强吸波催化剂复合碳化硅，也可以替换成碳化钼吸波材料。
实施时，转化气出口置于外壳体31底部；外壳体31内部的微波发生器外接电源，产生微波辐射。且在外壳体31外部还设置与微波发生器相连的变压调频设备，设定微波发生器的电压，电流和工作频率。
本实施例中，微波发生器产生微波辐射，微波发生器的位置，会直接影响辐射的方向以及微波辐射效果，优选的，微波发生器设置在外壳体31内的颈部位置处，具体的是与封头中心连接管连接，从而由上向下辐射，从中间向侧壁方向产生辐射。
本实施例中，转化炉2为换热式转化炉。转化炉2内部设置催化剂层。催化剂层填充有转化催化剂。
本实施例中，加热炉1为换热器，主要作用是通过换热的方式向流过加热炉1的原料气体进行预加热。加热炉1侧下部设置原料进口；加热炉1顶部设置原料气出口；加热炉1侧上部设置转化气循环入口，加热炉1底部设置转化气循环出口。
具体的，本实施例中，原料气为富甲烷气和蒸汽的混合。
本实施例提供的天然气微波催化转化装置，其转化方法包括以下步骤：
1)原料气从原料进口进入加热炉1中，与循环回来的转化气换热升温至450℃，实现原料气的预热；预热升温后的原料气从加热炉1顶部进入转化炉2顶部中，转化炉2内部，预热后的原料气与循环来的转化气换热升温，在温度500℃下，在催化剂作用下进行初级转化；初级转化反应为CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；初级转化后的原料气中主要是CO、CO2、H2以及没反应的CH4和H2O；
2)初级转化后的原料气进入微波转化炉3内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层34和增强型吸波催化层35，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
具体的，初级转化后的原料气从转化炉2底部进入微波转化炉3顶部，在微波转化炉3内，经微波发生器产生的微波给能，初级转化后的原料气吸收微波能量后，先流过吸波催化层34(吸波催化段)，经微波发生器产生的微波给能后，在吸波催化剂作用下完成一级深度转化；再继续流经增强型吸波催化层35(增强型吸波催化段)，在增强吸波催化剂作用下完成二级深度转化，最终生成转化气；一级深度转化和二级深度转化的反应均为，CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；由于反应为吸热反应，保温层32防止热量损耗，减小能量消耗；最终的转化气中主要含有CO、H2、少量CO2、少量的未反应的CH4及没反应的H2O；
3)生成的转化气从微波转化炉3底部的转化气出口出来后，先循环至转化炉2中，与预热后的原料气换热，向预热后的原料气给热，使其进行初级转化，而转化气降温继续循环至加热炉1内，与原料气继续换热，向原料气给热使其预热至450℃，转化气进行两次换热降温后从加热炉1底部排出系统外。
本实施例在实施时，转化炉2内的转化率可到达20-50％；微波转化炉3内的转化率大概在80-99％。
本实施提供的装置，不用氧气，不用氢，所需热量由微波提供，低温下实现天然气的催化转化，利用转化气自给热，实现热量的循环利用，大大降低热量损耗，转化率高，提高系统热效率，降低热量成本。
实施例2
参见图2，本实施例提供的天然气微波催化转化装置包括加热炉1、转化炉2、微波转化炉3和微波发生器；加热炉1上设置原料进口；微波转化炉3上设置转化气出口；转化气出口依次经转化炉2和加热炉1后排出界外；加热炉1、转化炉2、微波转化炉3依次连通；微波发生器置于微波转化炉3内部并与微波转化炉3内壁相连。
本实施例中，微波转化炉3包括外壳体31以及置于外壳体31上方并与外壳体31相连的封头；转化气出口置于外壳体31上；转化炉2与封头相连通；微波发生器与封头相连。
本实施例中，本发明中，外壳体31内从上自下设置依次相连通的吸波催化层34和增强型吸波催化层35；微波发生器位于吸波催化层34上方。
本发明中，微波转化炉3还包括设置在外壳体31内侧壁上的金属内衬33。微波转化炉3还包括设置在外壳体31内壁与金属内衬33之间的保温层32。(如图2所示，仅在内壁一段上对保温层32和金属内衬33进行示意。)
具体的，微波转化炉3的外壳体31为上小下大的凸形结构，外壳体31顶部设置封头，封头与外壳体31通过法兰连接。外壳体31内壁上(内壁包括顶部内壁、内侧壁和底部内壁)设置保温层32，保温层32内壁上设置金属内衬33，金属内衬33只在内侧壁上设置。实施时，外壳体31是承压壳体；金属内衬33是防微波散逸的屏蔽，减小微波带来的损耗，从而降低能源消耗；保温层32的作用是最大化减小热的对外传递，防止热量损失。
本实施例中，吸波催化层34为吸波催化反应段；增强型吸波催化层35为增强型吸波催化反应段。
本实施例中，吸波催化层34内填充有吸波催化剂氧化铝载镍基；增强型吸波催化层35内填充有增强吸波催化剂复合碳化硅，也可以替换成碳化钼吸波材料。
实施时，转化气出口置于外壳体31底部；外壳体31内部的微波发生器外接电源，产生微波辐射。且在外壳体31外部还设置与微波发生器相连的变压调频设备，设定微波发生器的电压，电流和工作频率。
本实施例中，微波发生器产生微波辐射，微波发生器的位置，会直接影响辐射的方向以及微波辐射效果，优选的，微波发生器设置在外壳体31内的颈部位置处，具体的是与封头中心连接管连接，从而由上向下辐射，从中间向侧壁方向产生辐射。
本实施例中，转化炉2为绝热式转化炉时，转化炉2内壁上设置保温层，转化炉2内设置催化剂层。
本实施例中，加热炉1为圆筒式加热炉，也可以采用方形加热炉，主要作用是加热。因此还包括与加热炉1相连通的燃料管路，通过燃料管路向加热炉1进行加热。加热炉1上部设置原料进口，加热炉1底部设置燃料管路。
本实施例提供的原料气为天然气和蒸汽的混合。
本实施例提供的天然气微波催化转化装置的转化方法，包括以下步骤：
1)原料气从原料进口进入加热炉1中，同时加热炉1底部的燃料管路向加热炉1内部给热，原料气升温至450℃时，进入转化炉2顶部中；在转化炉2内部，由于转化炉2为绝热式转化炉，在温度450℃以及催化剂作用下进行初级转化；初级转化反应为CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；初级转化后的原料气中主要是CO、CO2、H2以及没反应的CH4和H2O；
2)初级转化后的原料气进入微波转化炉3内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层34和增强型吸波催化层35，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
具体的，初级转化后的原料气从转化炉2底部进入微波转化炉3顶部，在微波转化炉3内，经微波发生器产生的微波给能，初级转化后的原料气吸收微波能量后，先流过吸波催化层34，在吸波催化剂作用下完成一级深度转化；再继续流经增强吸波催化层35，在增强吸波催化剂作用下完成二级深度转化，最终生成转化气；一级深度转化和二级深度转化的反应均为，CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；最终的转化气中主要含有CO、H2、少量CO2、少量的未反应的CH4及没反应的H2O；
3)生成的转化气从微波转化炉3底部的转化气出口直接排出系统外。
本实施例在实施时，转化炉2内的转化率可到达30-50％；微波转化炉3内的转化率大概在75-88％。
本实施提供的装置，所需热量由微波提供，低温下实现天然气的催化转化，但是本装置加热时，有燃料消耗。
实施例3
参见图3，本实施例提供的天然气微波催化转化装置包括加热炉1、转化炉2、微波转化炉3和微波发生器；加热炉1上设置原料进口；微波转化炉3上设置转化气出口；转化气出口依次经转化炉2和加热炉1后排出界外；加热炉1、转化炉2、微波转化炉3依次连通；微波发生器置于微波转化炉3内部并与微波转化炉3内壁相连。
本实施例中，微波转化炉3包括外壳体31以及置于外壳体31上方并与外壳体31相连的封头；转化气出口置于外壳体31上；转化炉2与封头相连通；微波发生器与封头相连。
本实施例中，本发明中，外壳体31内从上自下设置依次相连通的吸波催化层34和增强型吸波催化层35；微波发生器位于吸波催化层34上方。
本发明中，微波转化炉3还包括设置在外壳体31内侧壁上的金属内衬33。微波转化炉3还包括设置在外壳体31内壁与金属内衬33之间的保温层32。(如图3所示，仅在内壁一段上对保温层32和金属内衬33进行示意。)
具体的，微波转化炉3的外壳体31为上小下大的凸形结构，外壳体31顶部设置封头，封头与外壳体31通过法兰连接。外壳体31内壁上(内壁包括顶部内壁、内侧壁和底部内壁)设置保温层32，保温层32内壁上设置金属内衬33，金属内衬33只在内侧壁上设置。实施时，外壳体31是承压壳体；金属内衬33是防微波散逸的屏蔽，减小微波带来的损耗，从而降低能源消耗；保温层32的作用是最大化减小热的对外传递，防止热量损失。
本实施例中，吸波催化层34为吸波催化反应段；增强型吸波催化层35为增强型吸波催化反应段。
本实施例中，吸波催化层34内填充有吸波催化剂氧化铝载镍基；增强型吸波催化层35内填充有增强吸波催化剂复合碳化硅，也可以替换成碳化钼吸波材料。
实施时，转化气出口置于外壳体31底部；外壳体31内部的微波发生器外接电源，产生微波辐射。且在外壳体31外部还设置与微波发生器相连的变压调频设备，设定微波发生器的电压，电流和工作频率。
本实施例中，微波发生器产生微波辐射，微波发生器的位置，会直接影响辐射的方向以及微波辐射效果，优选的，微波发生器设置在外壳体31内的颈部位置处，具体的是与封头中心连接管连接，从而由上向下辐射，从中间向侧壁方向产生辐射。
本实施例中，转化炉2为蒸汽式转化炉时，转化炉2内设置催化剂层。
本实施例中，加热炉1与转化炉2分别置于炉体内；且转化炉2两端均延伸至炉体外；加热炉1轴向与转化炉2轴向相垂直；转化炉2上还设置与转化炉2内部相通的燃料管路。本实施例中的加热炉1与转化炉2组成类似于顶烧、侧烧或底烧蒸汽转化炉结构，加热炉1相当于蒸汽转化炉结构中的对流室，与烟气进行预热；转化炉2就相当于蒸汽转化炉结构中辐射室，实现加热转化，因此转化炉2上设置有燃料管路，通过燃料进行加热。具体的，转化炉2的炉管外部烧燃料气，炉管内进行催化转化，炉管尾部为对流段，可预热各种介质。
本实施例中，加热炉1上部设置原料进口。
本实施例提供的原料气为天然气和蒸汽的混合。
本实施例提供的天然气微波催化转化装置的转化方法，包括以下步骤：
1)原料气从原料进口进入加热炉1中，与进入加热炉1中的烟气进行换热升温至450℃时，进入转化炉2顶部中；在转化炉2内部，燃料通过转化炉2顶部的燃料管路向转化炉2加热，在温度700℃以及催化剂作用下进行初级转化；初级转化反应为CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；初级转化后的原料气中主要是CO、CO2、H2以及没反应的CH4和H2O；
2)初级转化后的原料气进入微波转化炉3内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层34和增强型吸波催化层35，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
具体的，初级转化后的原料气从转化炉2底部进入微波转化炉3顶部，在微波转化炉3内，经微波发生器产生的微波给能，初级转化后的原料气吸收微波能量后，先流过吸波催化层34，在吸波催化剂作用下完成一级深度转化；再继续流经增强吸波催化层35，在增强吸波催化剂作用下完成二级深度转化，最终生成转化气；一级深度转化和二级深度转化的反应均为CH4+H2O＝3H2+CO；CH4+2H2O＝4H2+CO2；最终的转化气中主要含有CO、H2、少量CO2、少量的未反应的CH4及没反应的H2O；
3)生成的转化气从微波转化炉3底部的转化气出口直接排出系统外。
本实施例在实施时，转化炉2内的转化率可到70％以上；微波转化炉3内的转化率大概在95％。
本实施提供的装置，燃料直接向2给热，加热炉1与烟气预热，先进行初级转化，再利用微波原理，吸波完成深度催化转化反应，转化率高，但是燃料消耗稍大；深度转化所需热量由微波提供，低温下实现天然气的深度催化转化。
本发明中，微波转化炉3的功率大小，根据最终转化气的成分需求设计定额；微波转化炉3内用吸波型转化催化剂，转化炉2内用传统的转化催化剂。
本发明中，微波转化炉3内的反应温度在700-850℃，采用微波给能提高天然气的转化率，降低残余甲烷，与传统烧氧二段炉比较，微波转化炉反应温度能低约100～250℃，不耗氧，不损失氢气，安全，转化炉不用设水夹套，同样原料获取更多的产品气，产品气中有更多的一氧化碳，这是微波和催化剂共同作用的结果，因此本发明提供的微波催化转化具有重大意义。
上述实施例为本发明提供的转化装置的几种较优实施例方式，任何在本装置基础上进行的变形、修改都应落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种天然气微波催化转化装置，其特征在于，包括加热炉(1)、转化炉(2)、微波转化炉(3)以及微波发生器；所述加热炉(1)、转化炉(2)、微波转化炉(3)依次相连通；所述加热炉(1)上设置原料进口；所述微波转化炉(3)上设置转化气出口；所述微波发生器置于微波转化炉(3)内部并与微波转化炉(3)相连。
2.根据权利要求1所述的天然气微波催化转化装置，其特征在于，所述微波转化炉(3)包括外壳体(31)以及置于外壳体(31)上方并与外壳体(31)相连的封头；所述转化气出口置于外壳体(31)上；所述转化炉(2)与封头相连通；所述微波发生器与封头相连。
3.根据权利要求2所述的天然气微波催化转化装置，其特征在于，所述外壳体(31)内从上自下设置依次相连通的吸波催化层(34)和增强型吸波催化层(35)；所述微波发生器位于吸波催化层(34)上方。
4.根据权利要求2或3所述的天然气微波催化转化装置，其特征在于，所述微波转化炉(3)还包括设置在外壳体(31)内侧壁上的金属内衬(33)。
5.根据权利要求4所述的天然气微波催化转化装置，其特征在于，所述微波转化炉(3)还包括设置在外壳体(31)内壁与金属内衬(33)之间的保温层(32)。
6.根据权利要求5所述的天然气微波催化转化装置，其特征在于，所述天然气微波催化转化装置还包括与微波发生器电相连的外接电源。
7.一种如权利要求6所述的天然气微波催化转化装置的转化方法，其特征在于，所述转化方法包括以下步骤：
1)原料气经加热炉(1)预热后进入转化炉(2)中，温度450～700℃下，在催化剂作用下进行初级转化；
2)进一步的，初级转化后的原料气进入微波转化炉(3)内，原料气吸收微波发生器产生的辐射微波，并依次通过吸波催化层(34)和增强型吸波催化层(35)，在催化剂作用下完成深度转化，最终生成转化气；
3)步骤2)生成的转化气直接从转化气出口排出系统外；或是转化气依次经转化炉(2)和加热炉(1)，并分别与转化炉(2)内的初级转化原料气以及加热炉(1)内的原料气换热降温后从加热炉(1)排出系统外。
8.根据权利要求7所述的转化方法，其特征在于，所述步骤1)中，原料气为富甲烷气和蒸汽的混合，或是天然气和蒸汽的混合。
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