專利名稱：一種連續(xù)炭催化CH₄-CO₂重整反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CH4-C02重整反應(yīng)器，特別是包括催化劑加料機構(gòu)、催化后的卸料 機構(gòu)和水封裝置的一種用于中低壓或常壓的CH4-C02催化重整反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
CH4-C02重整生產(chǎn)合成氣是轉(zhuǎn)化CH4為液體燃料，氨，甲醇的一條重要途徑，稱之為 氣體液化技術(shù)(GTL) ，(^4和(1)2轉(zhuǎn)化為合成氣能有效的減少溫室氣體的排放，滿足化學(xué)工業(yè) 領(lǐng)域許多合成過程的需求。焦?fàn)t煤氣中高CH4含量和氣化煤氣中高C02含量二者重整生產(chǎn) 合成氣具有良好的應(yīng)用前景(雙氣頭多聯(lián)產(chǎn)技術(shù))?；谏鲜隼碚摚跍囟?0(TC 120(TC 范圍內(nèi)，大量的催化劑已經(jīng)用于固定床和流化床CH4-C02重整反應(yīng)器試驗，特別是鎳和貴金 屬基催化劑。雖然貴金屬催化劑更具有活性和選擇性，抗積炭能力低于鎳基催化劑。但貴 金屬催化劑成本較高限制了它的工業(yè)應(yīng)用。鎳基催化劑以其成本低，相對高的活性可以替 代貴金屬催化劑，但存在炭沉積于鎳基催化劑表面引起催化劑失活的問題。Ni基和貴金屬 基催化劑還會發(fā)生硫中毒，導(dǎo)致催化劑失活。催化劑壽命短，難以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
現(xiàn)有的烴類重整反應(yīng)器有連續(xù)型和緊湊型兩種。如，中國專利CN1454970所述為 "連續(xù)型氣固相移動床徑向反應(yīng)器"，該反應(yīng)器是由上部封頭，圓柱型側(cè)壁和底部封頭構(gòu)成 反應(yīng)器殼體，由圓柱型外的多孔筒和圓柱型內(nèi)多孔筒構(gòu)成環(huán)形空間，裝入催化劑后形成圓 筒形的催化劑層，反應(yīng)物料進(jìn)口和產(chǎn)物出口均設(shè)在側(cè)壁。該反應(yīng)器用于CH4-C02， CH4-H20重 整，焦?fàn)t煤氣進(jìn)口燃燒反應(yīng)直接接觸催化劑炭，引起炭的燒蝕，生成大量的C02， CH4-C02重 整，達(dá)不到減少溫室氣體排放的目的，反而會增加C02排放。 還有烴類重整反應(yīng)器使用貴金屬和Ni基催化劑，由于成本高，催化劑容易積炭失 活，工業(yè)上難以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。如，中國專利CN101208264A所述的"緊湊型重整反應(yīng)器"，用 于將工藝流體轉(zhuǎn)化成氫供燃料電池使用，該反應(yīng)器包括重整部段，蒸煮部段和燃燒部段。重 整部段被包含在封閉體積空間內(nèi)，包含填充有催化劑的一根或多根管道，蒸煮部段設(shè)有用 于來自燃燒部段的煙道氣通過的一條或多條流道，且燃燒部段設(shè)有至少一個燃燒器。適用 于熱交換介質(zhì)是氣體_液體混合物，不適用于CH4-C02， CH4-H20氣體與氣體之間的重整。多 設(shè)蒸煮部段使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 因此，研究一種適合的、價格低廉的并能有效的減少溫室氣體的排放的催化劑， 仍是本領(lǐng)域CH4和C02轉(zhuǎn)化為合成氣的關(guān)鍵技術(shù)問題。已有的研究報道，炭對CH4-C02在 600°C 120(TC重整具有催化作用。本發(fā)明采用倒T型結(jié)構(gòu)使用催化劑炭，將焦?fàn)t煤氣和氧 氣燃燒設(shè)置在水平方向，將炭催化劑設(shè)置于垂直方向。避免火焰與催化劑的接觸，進(jìn)一步減 少炭催化劑的燒蝕，進(jìn)行炭催化CH4-C02重整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過對CH4-C02重整反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以解決在使用催化劑炭時，發(fā)生炭 燒蝕的問題，并提供一種利用催化劑炭催化重整CH廠(A，將焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣。
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基于上述問題及目的，本發(fā)明的一種連續(xù)炭催化CH4_C02重整反應(yīng)器包括催化劑 加料機構(gòu)、炭催化后卸料機構(gòu)以及水封裝置，其結(jié)構(gòu)改進(jìn)是在倒"T"型反應(yīng)器頂部設(shè)置有催 化劑加料機構(gòu)，底部設(shè)有卸料機構(gòu)和水封裝置，在倒"T"型反應(yīng)器底端兩側(cè)連通有相對應(yīng)的 左橫側(cè)臂和右橫側(cè)臂，并在左右兩橫側(cè)臂的端頭上設(shè)有02進(jìn)口和焦?fàn)t煤氣進(jìn)口 ，在倒"T"型 反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有催化床，在倒"T"型反應(yīng)器上側(cè)面設(shè)有產(chǎn)品氣出口 。 其中，所述的催化床是炭催化劑，其炭催化劑的催化溫度是60(TC 1200°C ;所述 的催化溫度進(jìn)一步選為80(TC 1300°C ;所述的倒"T"型反應(yīng)器底部中與左右兩橫側(cè)臂的 炭催化劑堆積角度是45。。 本發(fā)明是一種連續(xù)炭催化CH4-C02重整反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)設(shè)置呈倒"T"型。之所以稱 它為倒"T"型是因為反應(yīng)器的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計包括一個"垂直段"和兩個對稱"水平側(cè)臂"， 連續(xù)炭催化CH廠(A重整反應(yīng)過程運行要求兩對稱的水平側(cè)臂在下，垂直段向上為合理的 反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)，像一個倒"T"字。垂直段放置炭催化劑，在該倒"T"型反應(yīng)器兩側(cè)臂設(shè)有反 應(yīng)物料進(jìn)口，倒"T"型反應(yīng)器體側(cè)設(shè)有產(chǎn)品氣出口。倒"T"型反應(yīng)器頂部設(shè)有催化劑加料 機構(gòu)，使用螺旋給料機連續(xù)加料，催化劑依靠重力由上而下連續(xù)運行，實現(xiàn)了連續(xù)操作。底 部設(shè)有炭催化后卸料機構(gòu)和水封裝置，避免了污染。反應(yīng)物料從兩側(cè)噴嘴噴入發(fā)生燃燒反 應(yīng)后轉(zhuǎn)彎進(jìn)入催化劑層，使倒"T"型反應(yīng)器垂直段與橫側(cè)臂的湍流擴散水平火焰不接觸，因 此，不發(fā)生炭燒蝕。為了驗證該重整反應(yīng)器重整效果，對其進(jìn)行了模擬實驗研究。模擬采用 CFD流體動力學(xué)軟件平臺，本模擬是關(guān)于燃燒和化學(xué)反應(yīng)。通過PREPDF軟件開發(fā)了組分PDF 文件，GAMBIT軟件建模和劃分非結(jié)構(gòu)化差分網(wǎng)格。采用FLUENT多孔結(jié)構(gòu)模型模擬炭催化 劑層，PI輻射模型模擬輻射換熱，K-e湍流模型模擬流體流動，由于壁面與外部環(huán)境自然對 流換熱，因而能量方程模型被采用。組分方程用于模擬化學(xué)反應(yīng)，基于上述模型計算模擬參 數(shù)。模擬結(jié)果顯示，催化劑層溫度80(TC 1300°C，已有研究表明(^4-0)2，(^4-1120重整反應(yīng) 溫度，起始60(TC，效果最佳溫度120(TC，可見設(shè)計的重整反應(yīng)器催化劑層有較高的溫度適 合重整。模擬組分分布入口 CH4體積分額26. 8 % ，出口 2. 35 % ;CO入口體積分額7. 6 % ，出 口 22.4%;112入口 57%，出口 66.6%。模擬結(jié)果與原料組成和預(yù)期達(dá)到轉(zhuǎn)化目標(biāo)非常吻合， H2/CO比2 3滿足理論合成甲醇H2/CO比2. 0需求。CH4含量在所需控制范圍之內(nèi)。對小 型重整反應(yīng)器實驗研究和數(shù)值模擬證明了采用該模擬理論的正確性，該模擬理論用于本發(fā) 明重整反應(yīng)器研究得到了合理結(jié)果說明本發(fā)明的可行性。 本發(fā)明利用放熱的燃燒反應(yīng)與吸熱的重整反應(yīng)耦合原理，將燃燒室和重整轉(zhuǎn)化室 集成在一個反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)了兩種反應(yīng)同時存在，同時進(jìn)行。與現(xiàn)有技術(shù)相比，不需設(shè)置燃 燒室和轉(zhuǎn)化室之間的聯(lián)通結(jié)構(gòu)，也不需設(shè)置外部電加熱或焦?fàn)t煤氣燃燒加熱結(jié)構(gòu)，而是通 過內(nèi)部的熱力學(xué)平衡，實現(xiàn)了 C02和CH4轉(zhuǎn)化制以CO和H2為主的合成氣，這樣不僅簡化了 結(jié)構(gòu)而且便于H2和CH4等燃燒放熱及時提供給重整反應(yīng)吸熱，節(jié)約了能源。實現(xiàn)了自熱式 轉(zhuǎn)化制合成氣。 在利用催化劑炭催化重整CH廠(A，將焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣的過程中，炭燒蝕歷 來是個技術(shù)難點，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)改進(jìn)解決了這個問題，少量燒蝕的炭排入回收裝置，采用螺 旋給料機構(gòu)和催化劑層自身的重力給以補充，能夠?qū)崿F(xiàn)由上而下連續(xù)運行進(jìn)行工業(yè)化生 產(chǎn)。炭催化劑不會發(fā)生表面積炭失活，對硫中毒也有很強的抵抗性。本發(fā)明操作簡單，只 需用點火裝置將反應(yīng)物料進(jìn)口噴入的02和噴入的焦?fàn)t煤氣與氣化煤氣混合物點燃，用螺旋
4給料機定期加入炭催化劑，定期排灰即可實現(xiàn)連續(xù)運行，采用水封裝置可防止灰渣污染環(huán) 境。本發(fā)明在以CH4-C02重整為核心的焦?fàn)t煤氣和氣化煤氣雙起頭多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)中起著關(guān)鍵 作用。


圖1是本發(fā)明炭催化CH4-C02重整反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中1 :催化劑加料機構(gòu)；2 :產(chǎn)品氣出口 ；3 :02進(jìn)口 ；4 :焦?fàn)t煤氣進(jìn)口 ；5 :催化 床;6 :水封裝置;7 :左橫側(cè)臂;8 :右橫側(cè)臂;9 :炭催化后卸料機構(gòu);10 :倒"T"型反應(yīng)器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖通過具體實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明提出的一種炭催化CH廠(A 重整反應(yīng)器，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解和實現(xiàn)本發(fā)明所述的技術(shù)方案，并且也能 夠達(dá)到本發(fā)明的所述效果。
實施例1 如圖1所述，實施一種連續(xù)炭催化CH4_C02重整反應(yīng)器，包括催化劑加料機構(gòu)1、炭 催化后卸料機構(gòu)9以及水封裝置6，其反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)置，是在倒"T"型反應(yīng)器10的頂 部設(shè)置有催化劑加料機構(gòu)l，底部設(shè)有卸料機構(gòu)9以及水封裝置6，在倒"T"型反應(yīng)器10的 底端兩側(cè)連通有相對應(yīng)的左橫側(cè)臂7和右橫側(cè)臂8，并在左橫側(cè)臂7和右橫側(cè)臂8的端頭上 設(shè)有02進(jìn)口 3和焦?fàn)t煤氣進(jìn)口 4，在倒"T"型反應(yīng)器10內(nèi)設(shè)有催化床5，在倒"T"型反應(yīng) 器上側(cè)面設(shè)有產(chǎn)品氣出口 2。在倒"T"型反應(yīng)器10中設(shè)置有催化床5是炭催化劑，其催化 溫度是60(TC 150(TC，也可以根據(jù)炭催化CH4-C02重整工藝過程，在800°C 130(TC的范 圍內(nèi)進(jìn)行選澤。在倒"T"型反應(yīng)器的10底部中與左右兩側(cè)橫臂7和8的炭催化劑堆積角 度是45° 。 02進(jìn)口 3和焦?fàn)t煤氣進(jìn)口 4噴入反應(yīng)物料，運行時根據(jù)需要可設(shè)計各式各樣的 噴嘴以匹配重整反應(yīng)器內(nèi)流場。反應(yīng)物料從噴嘴進(jìn)入左橫側(cè)臂7和右橫側(cè)臂8，左橫側(cè)臂7 和右橫側(cè)臂8是燃燒室和重整反應(yīng)室，在此^，CH4等燃燒放熱，并進(jìn)行部分重整。部分反應(yīng) 后產(chǎn)物轉(zhuǎn)彎向上進(jìn)入催化層，在炭催化劑作用下C02-CH4進(jìn)一步重整生成主要含CO，H2的合 成氣，并從產(chǎn)品氣出口 2排出。催化劑加料機構(gòu)1是螺旋給料機，連續(xù)加入炭催化劑，在重 力作用下催化層5連續(xù)下降，炭催化劑層自然堆積，堆積角為45° ，炭催化后廢料和部分燃 燒灰渣落入炭催化后卸料機構(gòu)9，定期排走。炭催化后卸料機構(gòu)9設(shè)有水封裝置6，避免污 染。倒"T"型反應(yīng)器IO利用氣相自然上流，固相自然向下實現(xiàn)連續(xù)運行。
在炭催化CH4-C02重整反應(yīng)時，將倒"T"型容器垂直段填裝炭催化劑，其底部炭催 化劑按45°角堆積，兩對稱橫側(cè)臂反應(yīng)物料入口通過選擇直流或旋流反應(yīng)噴嘴，實現(xiàn)與反 應(yīng)器殼體內(nèi)溫度場，流場合理匹配。02單獨通過噴嘴中心通道提供燃燒反應(yīng)所需的氧化劑， C02，H2和焦?fàn)t煤氣共同通過噴嘴外側(cè)燃料入口通道。通過流量計調(diào)節(jié)氧化劑與燃料入口比 例，控制燃燒溫度，調(diào)節(jié)0)2/(^4，1120/(^4比例，確定重整反應(yīng)的不同工作條件。噴嘴側(cè)設(shè)置 點火裝置，用于點燃焦?fàn)t煤氣，燃燒反應(yīng)熱量供給重整吸熱反應(yīng)進(jìn)行。在高溫區(qū)炭催化下 CH4-C02， CH4-H20發(fā)生重整反應(yīng)，生成產(chǎn)品氣CO， H2通過炭孔隙進(jìn)入產(chǎn)品氣出口 2排出。催 化劑區(qū)可設(shè)置1-4個鉑-銠熱電偶檢測催化劑層溫度，反應(yīng)器設(shè)計在常壓下運行，從產(chǎn)品氣 出口采樣送色譜工作站分析。
在上述實施例的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)一種連續(xù)炭催化CH4-C02重 整反應(yīng)器，在本說明書中涉及到的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容以及科技術(shù)語應(yīng)當(dāng)按照本領(lǐng)域的公知常識 和貫用手段理解和實現(xiàn)，也可以通過合理的分析推理實施。
權(quán)利要求
一種連續(xù)炭催化CH4-CO2重整反應(yīng)器，其含有催化劑加料機構(gòu)(1)、炭催化后卸料機構(gòu)(9)以及水封裝置(6)，其特征是在倒“T”型反應(yīng)器(10)頂部設(shè)置有催化劑加料機構(gòu)(1)，底端設(shè)有卸料機構(gòu)(9)和水封裝置(6)；在倒“T”型反應(yīng)器(10)底部兩側(cè)連通有相對應(yīng)的左橫側(cè)臂(7)和右橫側(cè)臂(8)，并在左橫側(cè)臂(7)和右橫側(cè)臂(8)的端頭上設(shè)有O2進(jìn)口(3)和焦?fàn)t煤氣進(jìn)口(4)；在倒“T”型反應(yīng)器(10)內(nèi)設(shè)有催化床(5)，上側(cè)面設(shè)有產(chǎn)品氣出口(2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)炭催化CH廠(A重整反應(yīng)器，其特征在于催化床(5)是炭催化劑，炭催化劑的催化溫度是600°C 1500°C 。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)炭催化CH4-C02重整反應(yīng)器，其特征在于炭催化劑的催化溫度進(jìn)一步選為800°C 1300°C。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)炭催化CH4-C02重整反應(yīng)器，其特征在于倒"T"型反應(yīng)器(10)底部中與左右兩橫側(cè)臂(7)和(8)的炭催化劑堆積角度是45。。
全文摘要
一種連續(xù)炭催化CH4-CO2重整反應(yīng)器是在倒“T”型反應(yīng)器頂部設(shè)有催化劑加料機構(gòu)，并采用螺旋輸送機連續(xù)加入催化劑，催化劑依靠重力由上向下連續(xù)運動，實現(xiàn)連續(xù)操作；底部兩側(cè)連通有相對應(yīng)的左橫側(cè)臂和右橫側(cè)臂，并在左橫側(cè)臂和右橫側(cè)臂的端頭部設(shè)有O2進(jìn)口和焦?fàn)t煤氣進(jìn)口；底端設(shè)有炭催化后的卸料機構(gòu)和水封裝置，防止污染；在倒“T”型反應(yīng)器中設(shè)有催化床；上側(cè)面設(shè)有產(chǎn)品氣出口。本發(fā)明結(jié)構(gòu)及工藝流程簡單，實用于連續(xù)炭催化CH4-CO2重整反應(yīng)。
文檔編號B01J8/02GK101721957SQ20091022797
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者張國杰, 張永發(fā), 成海柱, 田承圣 申請人:太原理工大學(xué)