用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置的製造方法
2023-05-20 15:30:36 1
用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，屬於能源利用技術領域。該反應裝置包括依次連接的氣體分布器、殼程殼體和氣體集氣器，在殼程殼體的內腔中容納有多個氣體反應管，其中，多個氣體反應管呈正六邊形排列，多個氣體反應管的一端設置在氣體分布器中，該多個氣體反應管的另一端設置在該殼程殼體中，且在該殼程殼體的外表面上連接有至少兩層火焰燒嘴，該至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴均與該多個氣體反應管彼此配合且呈環狀布置。本實用新型提供的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置通過殼程殼體的火焰燒嘴沿氣體反應管的六邊形排列邊線同向均勻分布，達到傳熱穩定、傳熱均勻、溫度易控制的效果。
【專利說明】
用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及能源利用技術領域，特別涉及用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置。
【背景技術】
[0002]能源與環境一直是人類得以生存繁衍的焦點問題，伴隨著石油資源的不間斷利用，環境汙染問題也日益嚴重，尤其是二氧化碳排放日益增加，由此所引起的一系列的環境問題。隨著2015年我國新《環保法》的正式實施，其提高了環保要求和節能降排標準。根據國際能源署(IEA)的報告，2014年全球二氧化碳排放量為323億噸，其中中國全球二氧化碳排放量約80億噸。
[0003]二氧化碳的排放主要來自汽車尾氣、煙道氣、煉鋼轉爐氣、窯爐氣以及垃圾填埋氣等。垃圾填埋場排放的沼氣中二氧化碳含量為30 %?40 %，因此如何減排二氧化碳和如何利用二氧化碳成為了研究的熱點。
[0004]在工業上，甲烷低碳烴的來源非常豐富，主要有焦爐氣、煤層氣、垃圾填埋氣、甲醇合成馳放氣、費託合成馳放氣、油田氣和煉廠氣等。焦爐氣富含約為20%?25%的甲烷，而我國每年放散的焦爐氣約200億Nm3，其中山西省約有40億Nm3焦爐氣未實現綜合利用。
[0005]煤層氣屬非常規天然氣，其熱值與天然氣相當。2014年我國煤層氣抽採量為152億立方米，中國工程院編制《我國煤層氣開發利用戰略研究》顯示，到2030年我國煤層氣產量有望達到894億方(中規模)。垃圾填埋場所排放的沼氣中同時富含甲烷二氧化碳，其中甲烷含量在45 %?60 %，二氧化碳含量為40 %?30 %。目前全球垃圾填埋場每年排放的沼氣中所含甲烷就有75億Nm3，但是其利用率還不到排放量的10 %，應用前景極其可期。
[0006]因此，充分利用豐富的甲烷資源，結合溫室效應的二氧化碳氣體重整制合成氣，在節能減排的同時變廢為寶，為綜合利用甲烷減排二氧化碳資源提供了一條可行的技術路線，具有環保、經濟、科學的多重價值。
[0007]公開號為CN101721957B的中國專利申請公開了一種連續催化CH4-CO2重整反應裝置，在倒「T」型反應裝置頂部設有催化劑加料機構，並採用螺旋輸送機連續加入催化劑可實現連續操作，底部兩側連通用相對應的左橫側臂和右橫側臂，兩端設有O2進料與焦爐煤氣進料，底部設有卸料機構和水封裝置防止汙染，反應裝置中設催化床，上側面設出氣口。但該反應裝置結構複雜，供熱不穩定，溫度波動較大，難以實現工業化。
[0008]公開號為CN103896210A的中國專利申請公開了一種CH4-CO2催化重整反應裝置及其工藝，該反應裝置主要在多筒式重整反應裝置上面板、下底板和進料主管上設有負離子發生器；甲烷二氧化碳與負離子發生器產生的負離子通入氣體混合器，混合均勻後送入重整反應裝置中進行反應;重整反應裝置的上面板和下底板處所設有負離子發生器，用於補充前期消耗掉的負離子，合成氣出口設在重整反應裝置外壁的上部分。但該反應裝置設有加熱爐等配套設備，使得設備複雜，耦合困難，並且溫度控制區間略大，會導致合成氣的產率不穩定。
[0009]公開號為CN103979492A的中國專利申請公開了一種二氧化碳-甲烷自熱重整製備合成氣的工藝方法，該方法將甲烷、二氧化碳和氧氣送入裝填有重整催化劑的二氧化碳-甲烷自熱重整反應裝置內進行混合，使甲烷氧氣發生氧化反應，然後以該氧化反應釋放的熱量為熱源，使甲烷二氧化碳發生重整反應，製備出合成氣。但由於該方法是通過利用甲烷氧化反應為甲烷二氧化碳重整反應提供熱量，因此需要消耗大量的甲烷，從而浪費了優質的甲烷資源，並且因為有氧氣的存在，因此溫度波動較大，催化劑易高溫燒結。
【實用新型內容】
[0010]為了解決現有技術中存在的上述問題和缺陷的至少一個方面，本實用新型提供了一種用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置。所述技術方案如下:
[0011]本實用新型的一個目的是提供了一種用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置。
[0012]根據本實用新型的一個方面，提供了一種用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，所述反應裝置包括依次連接的氣體分布器、殼程殼體和氣體集氣器，在所述殼程殼體的內腔中容納有多個氣體反應管，其中，
[0013]所述多個氣體反應管呈正六邊形排列，所述多個氣體反應管的一端設置在所述氣體分布器中，所述多個氣體反應管的另一端設置在所述殼程殼體中，且在所述殼程殼體的外表面上連接有至少兩層火焰燒嘴，所述至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴的所有的火焰噴嘴均與所述多個氣體反應管彼此配合且呈環狀布置。
[0014]具體地，所述至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴包括多個火焰燒嘴，所述多個火焰燒嘴中所有的火焰燒嘴的一端均設置在所述殼程殼體的外面，所述多個火焰燒嘴中所有的火焰燒嘴的另一端均設置在所述殼程殼體的內腔中。
[0015]優選地，位於同一層的多個火焰燒嘴均與所述正六邊形的六個邊線彼此一一對應設置呈同向環形分布，所述同一層的多個火焰燒嘴中的每一個火焰燒嘴均沿所述六個邊線中對應的邊線的長度方向設置。
[0016]進一步地，所述多個氣體反應管中的所有的氣體反應管均沿殼程殼體的縱長方向設置，
[0017]所述至少兩層火焰燒嘴中的同一層的多個火焰燒嘴沿所述殼程殼體的周長方向設置，所述至少兩層火焰燒嘴中的不同層的火焰燒嘴沿所述殼程殼體的縱長方向設置。
[0018]進一步地，所述所有的氣體反應管均包括氣體預熱段和氣體反應段，所述氣體預熱段靠近所述氣體分布器設置，所述氣體反應段靠近所述氣體集氣器設置，
[0019]所述所有的氣體反應管的氣體預熱段和氣體反應段分別與所述至少兩層火焰燒嘴中的至少一層火焰燒嘴彼此對應設置。
[0020]進一步地，在所述所有的氣體反應管中的氣體預熱段中裝填有剛玉球，在所述所有的氣體反應管中的氣體反應段中裝填有催化劑。
[0021]進一步地，所述殼程殼體分為殼體反應段和設置在所述殼體反應段下方的殼體冷卻段，所述多個氣體反應管中的所有的氣體反應管均設置在所述殼體反應段的內腔中，所述殼體冷卻段與所述氣體集氣器彼此連通。
[0022]具體地，在所述殼體反應段的兩端分別設置有耐高溫分隔部，所述所有的氣體反應管的兩端在穿過對應的所述耐高溫分隔部之後分別插入所述氣體分布器和殼體冷卻段。
[0023]進一部地，在所述殼體反應段內襯有所述耐高溫分隔部，且在所述殼體反應段的靠近所述氣體分布器的一端設置有排煙管，
[0024]在所述殼體冷卻段的相對兩側分別設置有冷卻介質入口和冷卻介質出口。
[0025]進一步地，所述冷卻介質入口設置在所述殼體冷卻段的靠近所述氣體集氣器的一端，所述冷卻介質出口設置在所述殼體冷卻段的靠近所述殼體反應段的一端，
[0026]在所述氣體分布器上設置有原料氣進料口，在所述氣體集氣器上設置有合成氣出料口。
[0027]本實用新型的技術方案的有益效果是:本實用新型所提供的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置通過採用能燃燒的工業廢氣或者其它無法直接化學利用的氣體作為燃氣燃燒供熱，並且以列管式固定床為基本形式，通過殼程殼體的火焰燒嘴沿氣體反應管的六邊形排列邊線同向均勻分布，從而形成環形熱流分布，由此達到傳熱穩定、傳熱均勻、溫度易控制的效果，進而解決了傳熱不均勻、溫度難以控制所引起的鎳基催化劑燒結、易積炭等問題，還減少了甲烷資源的浪費，提高了資源的利用率，最終節省了投資。
【附圖說明】
[0028]圖1是根據本實用新型的一個實施例的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置的結構示意圖；
[0029]圖2是沿圖1所示的A-A切割線獲得的剖視圖。
[0030]其中，100用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，10氣體分布器，11原料氣進料口，20殼程殼體，21氣體反應管，211氣體預熱段，212氣體反應段，22火焰燒嘴，221第一層火焰燒嘴，222第二層火焰燒嘴，223第三層火焰燒嘴，224第四層火焰燒嘴，23殼體反應段，24殼體冷卻段，241冷卻介質入口，242冷卻介質出口，25排煙管，30氣體集氣器，31合成氣出料口，40耐高溫分隔部。
【具體實施方式】
[0031]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。
[0032]參見圖1，其示出了根據本實用新型的一個實施例的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置100。反應裝置100包括依次連接的氣體分布器10、殼程殼體20和氣體集氣器30，在殼程殼體20的內腔中容納有多個氣體反應管21。具體地，多個氣體反應管21呈正六邊形排列，多個氣體反應管21的一端設置在氣體分布器10中，多個氣體反應管21的另一端設置在殼程殼體20中，且在殼程殼體20的外表面上連接有至少兩層火焰燒嘴，至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴的所有的火焰噴嘴均與多個氣體反應管21彼此配合且呈環狀布置。
[0033]如圖1所示，在氣體分布器10上設置有原料氣進料口 11，且氣體分布器10與多個氣體反應管21的入口相連。相應地在氣體集氣器30上設置有合成氣出料口 31，氣體集氣器30收集來自多個氣體反應管21的合成氣，其中多個氣體反應管21為甲烷和二氧化碳重整反應區域。在使用時，經脫硫淨化後的甲烷和二氧化碳的混合原料氣通過原料氣進料口 11進入氣體分布器10，之後經氣體分布器10由上部均勻進入多個氣體反應管21，最後通過該合成出料口 31流出反應裝置100。
[0034]在一示例中，反應裝置100為管殼列管式固定床反應裝置，該反應裝置100的整體換熱方式為間接換熱，且殼程殼體20的形狀為圓筒形，在殼程殼體20的靠近氣體分布器1的一端設置有排煙管25。本領域技術人員可以明白，殼程殼體20的形狀可以根據需要進行相應的調整。
[0035]在另一不例中，殼程殼體20的內腔為燃氣燃燒供熱區域，殼程殼體20分為殼體反應段23和設置在殼體反應段23下方的殼體冷卻段24。多個氣體反應管21中的所有的氣體反應管21均設置在殼體反應段23的內腔中，殼體冷卻段24與氣體集氣器30彼此連通。在殼體反應段23的兩端和殼體反應段23的內表面上均設置有耐高溫分隔部40，這樣氣體分布器10通過耐高溫分隔部40與殼體反應段23分隔，同時氣體集氣器30通過另一耐高溫分隔部40與殼體冷卻段24分隔。
[0036]在還一示例中，耐高溫分隔部40為耐高溫材料製成，通過在殼體反應段23的內表面內襯耐高溫材料，由此形成了雙層保溫形式。在使用時，所有的氣體反應管21的一端穿過殼體反應段23的靠近氣體分布器10設置的耐高溫材料之後插入到氣體分布器10中，所有的氣體反應管21的另一端在穿過殼體反應段23的靠近殼體冷卻段24設置的耐高溫材料之後插入到殼體冷卻段24中。
[0037]如圖1所示，多個氣體反應管21中的所有的氣體反應管21均沿殼程殼體20的縱長方向設置，且所有的氣體反應管21均包括氣體預熱段211和氣體反應段212，氣體預熱段211靠近氣體分布器10設置，氣體反應段212靠近氣體集氣器30設置。在一個示例中，在所有的氣體反應管21中的氣體預熱段211中主要裝填有剛玉球等具有蓄勢能力的填充物，而在所有的氣體反應管21中的氣體反應段212中裝填有催化劑。
[0038]眾所周知，在甲烷二氧化碳重整反應中，發生的反應有主反應和副反應兩種。具體地，主反應:CH4+CO2 = 2C0+2H2 ；ΔΗ=+247.3ΚJ/mo I ；
[0039]副反應主要有:
[0040](I)CO 歧化反應:2C0 = C+C02;AH=-172.4KJ/mol 及其逆反應；
[0041 ] (2) CH4 的分解反應:CH4 = C+2H2 ；ΔΗ=74.6Κ J/mo I ；
[0042 ] (3)逆水煤氣反應:CO2+H2 = COH2O ；ΔΗ=_4 IK J/mo I。
[0043]由此可見，甲烷二氧化碳重整反應在熱力學上是一種強吸熱反應。反應溫度需要在600°C以上才有顯著的合成氣產生，當反應溫度要達到700?900°C左右時，才可以顯著提高合成氣的產率，因此在如此高溫條件下如何提供穩定的熱量來源是反應裝置的重點和技術難點之一;而且若使用鎳基催化劑，在反應時，由於局部高溫極易引起鎳基催化劑的燒結與積炭失活，因此如何能保證在反應過程中傳熱的均勻是反應裝置的技術難點之二。
[0044]由此，本實用新型所提供的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置100中設計了至少兩層火焰燒嘴，同時每一層火焰燒嘴均設置有多個火焰燒嘴，該多個火焰燒嘴均勻分布，且形成環形熱流分布，由此解決了上述傳熱不均勻、溫度難以控制所引起的鎳基催化劑燒結、易積炭等問題。
[0045]具體地，至少兩層火焰燒嘴包括第一層火焰燒嘴221、第二層火焰燒嘴222、第三層火焰燒嘴223和第四層火焰燒嘴224。第一層和第二層火焰燒嘴均與所有的氣體反應管21的氣體預熱段211彼此對應設置，第三層和第四層火焰燒嘴均與所有的氣體反應管21的氣體反應段212彼此對應設置。當然本領域技術人員可以明白，火焰燒嘴可以設置為2層、3層或者更多層，與氣體預熱段對應的火焰燒嘴可以設置為I層、2層或者更多層，與氣體反應段對應的火焰燒嘴也可以設置為I層、2層或者更多層，本示例僅是一種說明性示例，本領域技術人員不應當理解為對本實用新型的一種限制。
[0046]結合圖1和圖2所示，第一層、第二層、第三層和第四層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴包括6個火焰燒嘴22，本領域技術人員可以明白，每一層火焰燒嘴可以根據需要設置為7個、12個或者更多個，本示例僅是一種說明性示例，本領域技術人員不應當理解為對本實用新型的一種限制。如圖2所示，每一層火焰燒嘴中的每一個火焰燒嘴22的一端均設置在殼程殼體20的外面，每一個火焰燒嘴22的另一端均設置在殼程殼體20的內腔中。
[0047]在一個示例中，第一、第二、第三和第四層火焰燒嘴均採用高溫火焰燒嘴，使燃氣與空氣燃燒形成燃燒室，之後通過燃燒產生的大量的熱為所有的氣體反應管21提供穩定換熱，而燃燒所產生的煙氣從頂部的排煙管25排出。在另一示例中，第一、第二、第三和第四層火焰燒嘴均勻分布在殼程殼體20的4個徑向截面上，而設置在同一層的6個火焰燒嘴22在每個截面上均沿正六邊形的邊線均勻分布，同時使火焰燒嘴22的方向與多個氣體反應管21所排列形成的正六邊形的邊線一致且同向排列。換句話說，第一、第二、第三和第四層火焰燒嘴彼此沿反應裝置100的縱長方向均勻分布，而且設置在同一層的6個火焰燒嘴22沿殼程殼體20的圓周方向依次布置，同時使同一層的6個火焰燒嘴22均與正六邊形的6個邊線彼此一一對應設置且呈同向環形分布，且使得每一個火焰燒嘴22均沿六個邊線中對應的邊線的長度方向設置，通過上述火焰燒嘴的設計可以在殼程殼體的內腔中形成環形的均勻的火焰熱流分布。在此僅以六邊形為例說明如何設置火焰噴嘴，本領域技術人員還可以根據需要設置成任何其它合適的形狀。
[0048]在另一示例中，氣體反應管21的氣體反應段212處的溫度為700?900°C，壓力為15?40kPa;相應地，殼體反應段23的內腔中的燃氣溫度為1050?1150 °C，壓力為10?15kPa;且火焰燒嘴22處所使用的燃氣氣源可以是能燃燒的工業廢氣或者其它無法直接化學利用的氣體，比如焦爐煤氣、合成馳放氣、煉廠氣等。
[0049]如圖1所示，多個氣體反應管21中所有的氣體反應管的出口設置在殼體冷卻段24中。具體地，在殼體冷卻段24的相對兩側分別設置有冷卻介質入口 241和冷卻介質出口 242，冷卻介質入口 241設置在殼體冷卻段24的靠近氣體集氣器30的一端，冷卻介質出口 242設置在殼體冷卻段24的靠近殼體反應段23的一端，在使用時，來自於多個氣體反應管21的合成氣在殼體冷卻段24處冷卻，之後流至氣體集氣器30中，最後通過氣體集氣器30的合成氣出料口 31流出反應裝置100。
[0050]本實用新型的技術方案的有益效果是:本實用新型提供的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置通過採用能燃燒的工業廢氣或者其它無法直接化學利用的氣體作為燃氣燃燒供熱，並且以列管式固定床為基本形式，通過殼程殼體的火焰燒嘴沿氣體反應管的六邊形排列邊線同向均勻分布，從而形成環形熱流分布，由此達到傳熱穩定、傳熱均勻、溫度易控制的效果，進而解決了傳熱不均勻、溫度難以控制所引起的鎳基催化劑燒結、易積炭等問題，還減少了甲烷資源的浪費，提高了資源的利用率，最終節省了投資。
[0051]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【主權項】
1.一種用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，所述反應裝置包括依次連接的氣體分布器、殼程殼體和氣體集氣器，在所述殼程殼體的內腔中容納有多個氣體反應管，其特徵在於， 所述多個氣體反應管呈正六邊形排列，所述多個氣體反應管的一端設置在所述氣體分布器中，所述多個氣體反應管的另一端設置在所述殼程殼體中，且在所述殼程殼體的外表面上連接有至少兩層火焰燒嘴，所述至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴的所有的火焰噴嘴均與所述多個氣體反應管彼此配合且呈環狀布置。2.根據權利要求1所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 所述至少兩層火焰燒嘴中的每一層火焰燒嘴包括多個火焰燒嘴，所述多個火焰燒嘴中所有的火焰燒嘴的一端均設置在所述殼程殼體的外面，所述多個火焰燒嘴中所有的火焰燒嘴的另一端均設置在所述殼程殼體的內腔中。3.根據權利要求2所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 位於同一層的多個火焰燒嘴均與所述正六邊形的六個邊線彼此一一對應設置呈同向環形分布，所述同一層的多個火焰燒嘴中的每一個火焰燒嘴均沿所述六個邊線中對應的邊線的長度方向設置。4.根據權利要求3所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 所述多個氣體反應管中的所有的氣體反應管均沿殼程殼體的縱長方向設置， 所述至少兩層火焰燒嘴中的同一層的多個火焰燒嘴沿所述殼程殼體的周長方向設置，所述至少兩層火焰燒嘴中的不同層的火焰燒嘴沿所述殼程殼體的縱長方向設置。5.根據權利要求1-4中任一項所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 所述所有的氣體反應管均包括氣體預熱段和氣體反應段，所述氣體預熱段靠近所述氣體分布器設置，所述氣體反應段靠近所述氣體集氣器設置， 所述所有的氣體反應管的氣體預熱段和氣體反應段分別與所述至少兩層火焰燒嘴中的至少一層火焰燒嘴彼此對應設置。6.根據權利要求5所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 在所述所有的氣體反應管中的氣體預熱段中裝填有剛玉球，在所述所有的氣體反應管中的氣體反應段中裝填有催化劑。7.根據權利要求6所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 所述殼程殼體分為殼體反應段和設置在所述殼體反應段下方的殼體冷卻段，所述多個氣體反應管中的所有的氣體反應管均設置在所述殼體反應段的內腔中，所述殼體冷卻段與所述氣體集氣器彼此連通。8.根據權利要求7所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 在所述殼體反應段的兩端分別設置有耐高溫分隔部，所述所有的氣體反應管的兩端在穿過對應的所述耐高溫分隔部之後分別插入所述氣體分布器和殼體冷卻段。9.根據權利要求8所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 在所述殼體反應段內襯有所述耐高溫分隔部，且在所述殼體反應段的靠近所述氣體分布器的一端設置有排煙管， 在所述殼體冷卻段的相對兩側分別設置有冷卻介質入口和冷卻介質出口。10.根據權利要求9所述的用於甲烷二氧化碳催化重整製備合成氣的反應裝置，其特徵在於， 所述冷卻介質入口設置在所述殼體冷卻段的靠近所述氣體集氣器的一端，所述冷卻介質出口設置在所述殼體冷卻段的靠近所述殼體反應段的一端， 在所述氣體分布器上設置有原料氣進料口，在所述氣體集氣器上設置有合成氣出料□ O
【文檔編號】C10J1/20GK205710605SQ201620548435
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】黃偉, 王棟, 白冰, 苗茂謙, 李曉東, 張乾
【申請人】太原理工大學