專利名稱：：一種重整制合成氣的方法及反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種合成氣的制備方法。本發(fā)明還涉及實現(xiàn)上述方法的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
：富含Oi氣的天然氣、煤層氣、焦?fàn)t煤氣是主要氣相資源。其用于生產(chǎn)液態(tài)能源化工產(chǎn)品時，必須加以轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化方法可分為如下幾類催化蒸汽轉(zhuǎn)化、催化部分氧化和非催化部分氧化法。1)催化蒸汽轉(zhuǎn)化催化蒸汽轉(zhuǎn)化法是指在鎳、銠等催化劑作用下，通過CH^H20重整反應(yīng)，轉(zhuǎn)化CH4成C0和H2的工藝。其主要反應(yīng)如(l一4)式。CH4+H20=C0+3H2AH298^206.4kJ/mo1(1)CH4+2H20=C02+4H2AH298=165.4kJ/mol(2)其主要缺點是原料消耗高、能耗高、生產(chǎn)強度低、催化劑壽命短、容易出現(xiàn)催化劑中毒和預(yù)熱過程出現(xiàn)積炭等現(xiàn)象。2)非催化部分氧化法焦?fàn)t煤氣非催化部分氧化轉(zhuǎn)化是一般熱力學(xué)控制條件下的CH,轉(zhuǎn)化反應(yīng)，隨反應(yīng)溫度提高反應(yīng)加速。例如，對水碳比為2的甲烷蒸汽混合氣，在70(TC和75CTC下反應(yīng)6小時，干轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量分別為86。/。和72%，轉(zhuǎn)化率僅達平衡轉(zhuǎn)化率的38%，當(dāng)溫度升至950。C和1050。C下加熱2小時，甲垸轉(zhuǎn)化率達平衡轉(zhuǎn)化率的68%和86%。非催化部分氧化操作溫度達1300150CTC時，CH,才能快速轉(zhuǎn)化，過程才有工業(yè)化意義。非催化轉(zhuǎn)化有如下特點(1)原料氣要求寬松，焦?fàn)t氣不需深度脫硫凈化，無催化劑中毒問題；(2)高溫裂解把所有烷烴、烯烴及芳香化合物C0+H20=C02+H:CH4+C02=2C0+2H:AH298二247.4kJ/mol△H298=-41.OkJ/mol都裂解轉(zhuǎn)化成C和H2;(3)產(chǎn)品氣中有碳黑生成，需凈化系統(tǒng)等不足。甲烷的重整反應(yīng)速度與溫度相關(guān)。在鎳、銠等催化劑存在的條件下，理論認(rèn)為甲烷轉(zhuǎn)化在950。C105(TC完成，在115(TC125(TC時有工業(yè)應(yīng)用意義。非催化劑的條件下，甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)需在130(TC以上，才有工業(yè)應(yīng)用的價值。不論是催化轉(zhuǎn)化還是非催化轉(zhuǎn)化，合理布置反應(yīng)場溫度、建立合理的反應(yīng)溫度場，是完成甲烷轉(zhuǎn)化并提高熱效率的核心。如果簡單地提高反應(yīng)溫度，會造成耗氧增加、熱效率降低和由于材料原因產(chǎn)生的工業(yè)應(yīng)用成本增加等問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種重整制合成氣的方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于實現(xiàn)上述方法的反應(yīng)器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的重整制合成氣的方法，是以富含甲烷氣的焦?fàn)t煤氣、煤層氣和天然氣中的一種或幾種為原料氣，在非催化條件下采用部分氧化法制備以氫、一氧化碳為主要成分的合成氣。富含甲垸氣體轉(zhuǎn)化制取合成氣，是既有H2、又有CH4條件下，甲烷通過重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO和H2的過程。CH廠H20、CH廠C02重整反應(yīng)有兩種渠道，即(1)在Ni系列催化劑條件下，在溫度為(115096(TC)條件下轉(zhuǎn)化。(2)在不使用催化劑的條件下的轉(zhuǎn)化，即在溫度為(13ocrc以上)時實現(xiàn)CH4重整轉(zhuǎn)化。本發(fā)明依據(jù)甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)特征，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、不使用催化劑、投資低、能耗低、操作穩(wěn)定的方法和反應(yīng)器。本發(fā)明的具體操作方法是，將原料氣、氧氣與水蒸汽混合后，在0.lMPa2Mpa個壓力條件下加熱至1250—1400。C，使原料氣進行轉(zhuǎn)化生成合成氣，通過冷卻至650—850'C，收集氣體部分。上述方法中，較理想的原料、氧氣與水蒸汽的比例范圍是多少。本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)上述方法的反應(yīng)器，為一金屬殼體構(gòu)成，該反應(yīng)器的頂部安裝有單元燒嘴，該單元燒嘴通過一預(yù)混室連通氧氣進口、水蒸氣進口和原料氣進口；單元燒嘴軸間距為單元燒嘴直徑的210倍，由此陣列排列的燒嘴單元組成整體燒嘴；反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的上段設(shè)有耐火內(nèi)襯，構(gòu)成轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，對應(yīng)該轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的反應(yīng)器外表面套設(shè)有表面水冷套；下段內(nèi)側(cè)設(shè)有金屬內(nèi)襯，該金屬內(nèi)襯與反應(yīng)器的金屬殼體之間設(shè)有冷卻盤管，構(gòu)成硫轉(zhuǎn)化段；在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段和硫轉(zhuǎn)化段之間設(shè)有激冷燒嘴；反應(yīng)器底部設(shè)有合成氣出口。所述的反應(yīng)器，其中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的長徑比為0.55。所述的反應(yīng)器，其中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的耐火內(nèi)襯與金屬殼體之間設(shè)有保溫內(nèi)襯。所述的反應(yīng)器，其中，單元燒嘴由陣列式單元燒嘴組成，各單元燒嘴呈等距離三角形、梅花形或六邊形分布。所述的反應(yīng)器，其中，燒嘴內(nèi)部設(shè)有抗回火結(jié)構(gòu)。所述的反應(yīng)器，其中，單元燒嘴連接至火焰監(jiān)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點-(1)不使用任何催化劑，不產(chǎn)生催化劑中毒現(xiàn)象。(2)裝置簡單，無內(nèi)構(gòu)件燒損現(xiàn)象。(3)原料氣不需要預(yù)熱，熱效率高，氧耗低。反應(yīng)器內(nèi)部平均溫度低于各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)裝置。(4)兩段反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可以有效抑制不良副反應(yīng)發(fā)生，提高產(chǎn)品氣中的有效氣體成分含量。(5)原料氣要求寬松，不產(chǎn)生預(yù)熱過程中由于焦油碳化造成的設(shè)備故障。(6)在轉(zhuǎn)化過程中同時完成原料氣中硫向易于脫除形態(tài)的轉(zhuǎn)化。(7)總體工藝流程簡單，省去了預(yù)熱爐、飽和器等裝置，設(shè)備投資少、運行穩(wěn)定。圖1是本發(fā)明的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式以下是對本發(fā)明的詳細說明，不對本發(fā)明作任何限制。需要說明的是，本發(fā)明涉及的公知技術(shù)部分沒有作詳細，并且在附圖中也沒有標(biāo)出，如控制燒嘴的燃燒控制系統(tǒng)以及燒嘴上設(shè)置的回火抑制裝置等，均采用的公知技術(shù)。另外，如前所述，本發(fā)明的原料氣可以是焦?fàn)t煤氣、煤層氣和天然氣中的一種或幾種，為便于敘述，以焦?fàn)t煤氣為原料氣進行說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實施例的描述，能夠理解采用其它原料氣也可以完成本發(fā)明。本發(fā)明的反應(yīng)是在O.lMPa2Mpa個壓力條件下進行的，原料氣以合理流速(具體流速是多少)進入反應(yīng)器內(nèi)部。少量(具體是多少)水蒸汽和氧氣同時進入反應(yīng)器。本發(fā)明的反應(yīng)器，是由金屬殼體l構(gòu)成柱形空間，該反應(yīng)器的頂部安裝有單元燒嘴2，該單元燒嘴2通過一預(yù)混室3連通氧氣進口4、水蒸氣進口5和原料氣進口6，使進入反應(yīng)器內(nèi)的氧氣、水蒸氣和原料氣混合。單元燒嘴軸間距為單元燒嘴直徑的210倍，單元燒嘴由陣列式單元燒嘴組成，各單元燒嘴可以是呈等距離三角形、梅花形、六邊形分布。燒嘴內(nèi)部設(shè)有抗回火結(jié)構(gòu)(公知技術(shù))；單元燒嘴由火焰監(jiān)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)(公知技術(shù))。反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的上段設(shè)有由耐火材料制成的耐火內(nèi)襯7，構(gòu)成轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的長徑比為0.55。單元燒嘴噴入的氧氣、水蒸氣和原料氣的混合氣體在該轉(zhuǎn)化反應(yīng)段加熱至1250—140(TC，完成甲烷轉(zhuǎn)化，將原料氣轉(zhuǎn)化生成合成氣。為避免高溫對反應(yīng)器殼體的損壞和保持轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的轉(zhuǎn)化溫度，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的耐火內(nèi)襯與金屬殼體之間設(shè)有保溫內(nèi)襯8，在對應(yīng)轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的反應(yīng)器外表面套設(shè)有表面水冷套9，以通過冷水對反應(yīng)器殼體進行冷卻保護。在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)同時發(fā)生，快速完成甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)。由于本發(fā)明的反應(yīng)系統(tǒng)具有O.lMPa2Mpa個壓力，原料氣體在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段內(nèi)完成甲垸轉(zhuǎn)化后，進入反應(yīng)器下段的硫轉(zhuǎn)化段。在硫轉(zhuǎn)化段通過激冷抑制不利反應(yīng)發(fā)生，并保證各種形態(tài)的硫完向成有利于脫除成分的轉(zhuǎn)化。在硫轉(zhuǎn)化段內(nèi)部溫度為硫轉(zhuǎn)化段溫度為65(TC85(rC。硫轉(zhuǎn)化段的具體結(jié)構(gòu)是下段的內(nèi)側(cè)設(shè)有金屬內(nèi)襯IO，該金屬內(nèi)襯10與反應(yīng)器的金屬殼體之間設(shè)有冷卻盤管ll。在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段和硫轉(zhuǎn)化段之間設(shè)有激冷燒嘴12，通過噴灑冷卻水，將轉(zhuǎn)化反應(yīng)段生成的高溫合成氣冷卻至650—85(TC，合成氣通過設(shè)在反應(yīng)器底部的合成氣出口13進入收集熱回收裝置(公知技術(shù))。經(jīng)過熱回收裝置的合成氣為35crc5ocrc，可以將該合成氣通過換熱器(公知技術(shù))與原料氣進行熱交換后進入冷卻裝置。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從以上的描述可以看出，本發(fā)明的創(chuàng)新點是1)提出了一種部分氧化非催化轉(zhuǎn)化的新技術(shù)原理。即構(gòu)建差異速度條件下的低擴散、陣列分布活塞流動場。用三種反應(yīng)原料構(gòu)成一種氧化、轉(zhuǎn)化一體場。這個反應(yīng)場呈現(xiàn)出與其他反應(yīng)場明顯不同的物質(zhì)分布、流體力學(xué)和化學(xué)特征。通過控制流場內(nèi)的狀態(tài)有效減少原料消耗、抑制反應(yīng)副產(chǎn)物發(fā)生、提高熱效率。實現(xiàn)了低氧耗、低水蒸汽消耗、低平均反應(yīng)溫度條件下的甲烷高轉(zhuǎn)化率。2)本發(fā)明提出了一種非催化部分氧化燒嘴。該燒嘴使(1)反應(yīng)器內(nèi)部形成獨特的物質(zhì)流動場，形成呈陣列分布的層狀反應(yīng)區(qū)。使甲垸參與部分氧化反應(yīng)，形成基本反應(yīng)物質(zhì)和添加的輔助反應(yīng)物質(zhì)的大界面反應(yīng)。充分利用反應(yīng)基團的擴散特征，在小區(qū)域內(nèi)完成轉(zhuǎn)化反應(yīng)。(2)反應(yīng)器內(nèi)部無明顯的氧化段和還原段分割。在一體的層狀反應(yīng)區(qū)內(nèi)同步完成氧化和還原反應(yīng)。(3)形成燒嘴的低溫工作條件。特定的原料分布使燒嘴處于低于90(TC的工作狀態(tài)，提高了燒嘴的工作壽命，降低了燒嘴的材質(zhì)要求，提高了裝置整體的運行穩(wěn)定性。(4)反應(yīng)器內(nèi)部及燒嘴基體上設(shè)置火焰控制系統(tǒng)，提高體系的控制和監(jiān)視水平，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3)本發(fā)明的反應(yīng)器為兩段式反應(yīng)器，其轉(zhuǎn)化反應(yīng)段沒有明顯的軸向頂部高溫區(qū)，不會出現(xiàn)由于頂部溫度高而燒壞燒嘴和反應(yīng)器頂部的不足。同時由于小長徑比參數(shù)的使用，使反應(yīng)器整體高溫區(qū)域縮短。反應(yīng)器的后段為可控溫度的硫轉(zhuǎn)化段，保證硫轉(zhuǎn)化完成并抑制不利副反應(yīng)發(fā)生。4)本發(fā)明的燒嘴裝有燃燒控制系統(tǒng)的反應(yīng)器。該控制系統(tǒng)可以保證裝置在可控條件下操作，及時發(fā)現(xiàn)裝置故障狀態(tài)避免惡性事故發(fā)生。5)本發(fā)明在燒嘴上設(shè)置了回火抑制裝置。在裝置操作過程中最大限度的抑制回火現(xiàn)象發(fā)生，保證設(shè)備安全運行。6)集中了以反應(yīng)轉(zhuǎn)化裝置和非預(yù)熱為一體的轉(zhuǎn)化工藝。權(quán)利要求1、一種重整制取合成氣的方法，將原料氣、氧氣與水蒸汽混合，在0.1MPa～2Mpa個壓力條件下加熱至1250-1400℃，之后冷卻至650-850℃，收集氣體部分；所述的原料氣體為焦?fàn)t煤氣、煤層氣和天然氣中的一種或幾種。2、如權(quán)利要求1所述的方法，其中，原料氣、氧氣與水蒸汽的比例范圍是多少。3、一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求l所述方法的反應(yīng)器，為一金屬殼體構(gòu)成，該反應(yīng)器的頂部安裝有單元燒嘴，該單元燒嘴通過一預(yù)混室連通氧氣進口、水蒸氣進口和原料氣進口；單元燒嘴軸間距為單元燒嘴直徑的210倍，由此陣列排列的燒嘴單元組成整體燒嘴；反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的上段設(shè)有耐火內(nèi)襯，構(gòu)成轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，對應(yīng)該轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的反應(yīng)器外表面套設(shè)有表面水冷套；下段內(nèi)側(cè)設(shè)有金屬內(nèi)襯，該金屬內(nèi)襯與反應(yīng)器的金屬殼體之間設(shè)有冷卻盤管，構(gòu)成硫轉(zhuǎn)化段；在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段和硫轉(zhuǎn)化段之間設(shè)有激冷燒嘴；反應(yīng)器底部設(shè)有合成氣出口。4、如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的長徑比為0.55。5、如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的耐火內(nèi)襯與金屬殼體之間設(shè)有保溫內(nèi)襯。6、如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，單元燒嘴由陣列式單元燒嘴組成，各單元燒嘴呈等距離三角形、梅花形或六邊形分布。7、如權(quán)利要求3或6所述的反應(yīng)器，其中，燒嘴內(nèi)部設(shè)有抗回火結(jié)構(gòu)。8、如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，單元燒嘴連接至火焰監(jiān)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)。9、如權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中，反應(yīng)器內(nèi)部為一柱形空間。全文摘要一種重整制取合成氣的方法，將原料氣、氧氣與水蒸汽混合，在0.1MPa～2MPa個壓力條件下加熱至1250-1400℃，之后冷卻至650-850℃，收集氣體部分。用于實現(xiàn)上述方法的反應(yīng)器，為一金屬殼體構(gòu)成，該反應(yīng)器的頂部安裝有單元燒嘴，該單元燒嘴通過一預(yù)混室連通氧氣進口、水蒸氣進口和原料氣進口；反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的上段設(shè)有耐火內(nèi)襯，構(gòu)成轉(zhuǎn)化反應(yīng)段，對應(yīng)該轉(zhuǎn)化反應(yīng)段的反應(yīng)器外表面套設(shè)有表面水冷套；下段內(nèi)側(cè)設(shè)有金屬內(nèi)襯，該金屬內(nèi)襯與反應(yīng)器的金屬殼體之間設(shè)有冷卻盤管，構(gòu)成硫轉(zhuǎn)化段；在轉(zhuǎn)化反應(yīng)段和硫轉(zhuǎn)化段之間設(shè)有激冷燒嘴；反應(yīng)器底部設(shè)有合成氣出口。文檔編號C01B3/00GK101580229SQ200810094580公開日2009年11月18日申請日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日發(fā)明者強王申請人:上海一度生物技術(shù)有限公司