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CN203159209U - 二氧化碳-甲烷自热重整反应器 - Google Patents

二氧化碳-甲烷自热重整反应器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种二氧化碳-甲烷自热重整反应器，包括炉体、烧嘴、气体分布器、混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室；所述烧嘴由炉体顶部插入混合器；所述气体分布器设置在烧嘴端部前；所述混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室依次从上到下设置在炉体内部。该重整反应器利用氧气与甲烷氧化过程中产生的热量实现二氧化碳-甲烷重整反应的热量自供给，不仅减少了投资和运行成本，而且还提高了甲烷的转化效率。

Description

二氧化碳-甲烷自热重整反应器
技术领域
本实用新型涉及碳一化工领域，特别是涉及一种二氧化碳-甲烷自热重整反应器。
背景技术
化石能源日益短缺和环境污染严重是当今世界面临的两大危机难题，温室效应对气候环境的严重影响使人们日益关注CO2减排问题，以CO2作为碳氧资源经高温催化转化制备合成气是CO2大规模化工利用的重点发展方向。以CO2为原料，与煤化工、煤层气利用过程排放的甲烷通过重整转化制备合成气过程可实现CO2和CH4两种温室气体的同时高效利用，并减排了温室气体，实现了能源化学品的碳资源循环利用，具有巨大的经济效益，因此CH4-CO2重整反应被认为是未来煤化工碳资源有效利用的核心技术。
目前尚未有甲烷和二氧化碳重整制合成气工业化的例子，其重点和难点主要在于缺少不易积碳、不易堵塞、不易失活、转化效率高、稳定性好等性能优异的催化剂和安全可靠、操作方便、开停车灵活、使用寿命长等设计合理的反应器装置。根据《气化和气体合成反应的热力学》（[苏联]拉夫洛夫等著，吴越译）书中的热力计算可知，甲烷二氧化碳重整反应是一个强吸热反应，从热力学分析过程中，温度高达600℃以上才有合成气生产，随反应温度升高，反应转化率增大，合成气产率增加。如此高温条件下热量的来源，也是工艺过程的重点和难点之一。
目前国内外的纯氧转化炉皆是针对甲烷和水蒸气重整反应的转化炉（也称为二段炉），针对二氧化碳和甲烷重整反应的转化炉未见报道和使用。
目前的甲烷与水蒸气重整反应的转化炉有以下缺陷：
1．转化效率低，30%～90%的甲烷转化需要依赖二段炉前段设置的一段炉。
2．甲烷与水蒸气转化炉都需要补充大量的水蒸气，除了满足甲烷与水蒸气重整反应的需要外，还需要额外的水蒸气进行消炭，增加了运行成本，也为后续的水蒸气分离增加了运行成本，且没有仅为甲烷与二氧化碳重整不需要补充水蒸气的转化炉。
3．在传统二段转化炉中，甲烷与氧气极容易混合不均匀，造成氧气在燃烧段没有消耗完毕，进入催化段后对催化段的催化剂造成破坏。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种二氧化碳-甲烷自热重整反应器，它可以提高甲烷的转化效率，并可以降低生产成本。
为解决上述技术问题，本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器，主要包括炉体、烧嘴、气体分布器、混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室；所述烧嘴由炉体顶部插入混合器；所述气体分布器设置在烧嘴端部前；所述混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室依次从上到下设置在炉体内部。
较佳的，该二氧化碳-甲烷自热重整反应器还可以在炉体外烧嘴端部处设置冷却系统，例如水夹套。
所述催化反应床层外侧和集气室出口可以装设多个测温元件，例如热电偶温度计。
与二段炉相比，本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器，具有以下优点和有益效果：
1.是针对二氧化碳和甲烷重整反应而设计的反应器设备，能够将“温室气体”二氧化碳转化成为具有附加值的化工原料和能源，且可以不添加水蒸气或者根据工艺需要添加少量的水蒸气。
2．利用氧气与甲烷氧化过程中产生的热量实现高温条件下强吸热重整反应的热量自供给，不需额外提供外部热量。
3．采用单一反应器即可将甲烷转化至甲烷含量为0.1～2%的合成气，不仅转化效率高，而且能减少投资和运行成本。
4.采用了混合器、气体分布器以及燃烧室，且燃烧室具有足够的空间，使氧气能够在燃烧室内燃烧殆尽，且催化剂床层入口处气体分布均匀。
附图说明
图1是本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器装置示意图。
图2是本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器内气体分布器示意图。
图3是本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器内原料气单通道示意图。
图4是本实用新型的二氧化碳-甲烷自热重整反应器内原料气双通道示意图。
图中附图标记说明如下：
1：炉体
2：气体分布器
3：耐火衬里
4：水夹套
5：混合器
6：燃烧室
7：催化反应床层
8：集气室
9、10：热电偶温度计
11：烧嘴
具体实施方式
为对本实用新型的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式，详述如下：
如图1所示，本实施例的二氧化碳-甲烷自热重整反应器，包括炉体1、气体分布器2、耐火衬里3、水夹套4、混合器5、燃烧室6、催化反应床层7、集气室8、多个热电偶温度计9、10和烧嘴11。其中：
气体分布器2呈圆形，设置在烧嘴11的端部前，气体分布器2上非均匀地开设有多个圆形通孔，这些孔呈同轴环状排列，且内环开孔密度大于外环开孔密度，如图2所示。
耐火衬里3填充在炉体1的内壁。
水夹套4包覆在炉体1外。由于氧气与甲烷燃烧会产生高温，因此，需要在烧嘴11端部设置一个强制对流冷却系统，用流经烧嘴11的冷却水给烧嘴11降温。
混合器5、燃烧室6、催化反应床层7和集气室8依次从上到下设置在炉体1内部。混合器5的高径比为2～3，优选为2。燃烧室6呈锥形，高度为混合器5直径的3～5倍，优选5倍。催化反应床层7内装填一定量的Ni-Ca-Zr催化剂，外侧装设有多个热电偶温度计9。集气室8的出口装设有热电偶温度计10。
进行二氧化碳-甲烷重整反应时，氧气从氧气管道进入烧嘴11，沿轴向流到烧嘴11的端部；富含二氧化碳和甲烷的原料气（可以是富含甲烷的气体，也可以是同时富含甲烷和二氧化碳的气体，例如天然气、焦炉气、油田气、炼厂气、煤层气、甲醇合成驰放气、费托合成驰放气中的任一种或者几种的组合。）则沿垂直于混合器5顶部切线的方向（可以采用单侧或双侧切线进气，如图3、4所示）进入气体分布器2，以平均的流速与烧嘴11端部喷射的高速氧气在细长的混合器5中均匀混合，并在混合的瞬时发生燃烧反应，然后通过一个单孔喷射进锥形燃烧室6的上部。
燃烧后的原料气从燃烧室6进入催化剂床层7，在Ni-Ca-Zr催化剂的作用下，进行二氧化碳-甲烷重整反应，反应空速为1000～50000h-1，优选5000～20000h-1。反应后产生的合成气进入集气室8，从集气室8的出口流出，其甲烷含量为0.1～2%。

Claims (10)

1.二氧化碳-甲烷自热重整反应器，其特征在于，包括炉体、烧嘴、气体分布器、混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室；所述烧嘴由炉体顶部插入混合器；所述气体分布器设置在烧嘴端部前；所述混合器、燃烧室、催化反应床层和集气室依次从上到下设置在炉体内部。
2.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述炉体内壁填充有耐火衬里。
3.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，还包括有冷却系统，装设在炉体外烧嘴端部处。
4.根据权利要求3所述的重整反应器，其特征在于，所述冷却系统为水夹套。
5.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述气体分布器呈圆形，且非均匀地开设有多个通孔。
6.根据权利要求5所述的重整反应器，其特征在于，气体分布器上的通孔呈同轴环状排列，且内环开孔密度大于外环开孔密度。
7.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述混合器的高径比为2～3。
8.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述燃烧室呈锥形，高度为混合器直径的3～5倍。
9.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述催化反应床层内装填Ni-Ca-Zr催化剂。
10.根据权利要求1所述的重整反应器，其特征在于，所述催化反应床层外侧和集气室出口装设测温元件。
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