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CN205115038U - 一种甲烷化学链重整制合成反应装置 - Google Patents

一种甲烷化学链重整制合成反应装置 Download PDF

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CN205115038U
CN205115038U CN201520880921.1U CN201520880921U CN205115038U CN 205115038 U CN205115038 U CN 205115038U CN 201520880921 U CN201520880921 U CN 201520880921U CN 205115038 U CN205115038 U CN 205115038U
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CN
China
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gas
reactor
methane
honeycomb
reaction
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CN201520880921.1U
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Inventor
魏国强
何方
赵增立
李海滨
黄振
郑安庆
赵坤
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Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Original Assignee
Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
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Abstract

本实用新型公开了一种甲烷化学链重整制合成反应装置,包括反应器筒体,反应器筒体内设置有蜂窝状氧载体和若干个贯穿反应器筒体的蜂窝状氧载体孔道,反应器筒体一端设置有气体存储区,气体存储区设置有反应器气体入口,另一端设置有气体收集区,气体收集区设置有尾气出口。本实用新型的优点是:甲烷化学链重整反应装置与传统的水蒸汽或CO2重整相比,省去了水蒸气和纯氧制备环节,成本显著降低;易于实现反应的等温操作,而且避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险;不需要驱动催化剂颗粒在反应器中循环,能量损耗低,设备使用寿命长;蜂窝状氧载体在反应中具有蓄热功能,帮助反应器维持反应温度,有利于反应的稳定进行。

Description

一种甲烷化学链重整制合成反应装置
技术领域
本实用新型涉及燃料清洁燃烧、功能材料、环境保护技术领域,尤其是涉及一种甲烷化学链重整制合成反应装置。
背景技术
甲烷是天然气、煤层气和天然气水合物的主要成分,随着石油资源的日渐枯竭,储量相对丰富的甲烷资源将成为后石油时代最具希望的替代能源之一,勘探表明,我国煤层气储量约为35万亿m3,天然气远景储量达到43万亿m3,因此,研究开发经济、高效的甲烷转化技术具有重大的战略意义。而将甲烷转化为液体燃料和化学品的一个重要途径是首先将甲烷转化为合成气(H2+CO),再经过Fischer-Tropsch合成等手段将合成气进一步转化为液体燃料和化学品,所以,合成气是天然气化工的重要中间产物。
传统的天然气重整是通过甲烷与水蒸气(steammethanereforming,SMR)或CO2(carbondioxidereforming,CDR)发生重整反应生成合成气,再由合成气制氢、甲醇、合成氨和汽油等液体燃料等。SMR和CDR都是强烈的吸热反应,设备庞大复杂,操作费用昂贵,其中合成气制备约占整个天然气化工总投资和生产成本的60%-70%。因此,研究更经济、更高效的甲烷转化技术就显得迫在眉睫。
甲烷化学链重整是近年来发展起来的一种甲烷制合成气技术,其实质是甲烷部分氧化制合成气。化学链重整是根据化学链式反应的原理,利用金属氧化物分子中的晶格氧作为氧源将甲烷部分氧化成合成气;然后,失去晶格氧的金属氧化物又被空气氧化恢复晶格氧,完成链式循环反应。可见,在甲烷化学链重整与甲烷水蒸汽或CO2重整相比,省去了纯氧制备环节,是一个温和的放热反应,可以在低能耗的条件下实现甲烷的高转化率和H2、CO的高选择性,具有投资少、效率高、能耗低等优点,而且还避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险。
需要指出的是,传统的甲烷重整循环流化床反应器需要不断驱动催化剂快速循环,不但能耗较大,对设备的磨损也很严重,同时不易实现等温操作。而一种良好的甲烷重整反应器装置不仅要能实现高效的燃料重整,还应考虑到装置的能耗及反应的等温操作。因此,需要一种新型的甲烷化学链重整制合成反应装置来解决上述问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种甲烷化学链重整制合成反应装置,其不需纯氧的制备,不需要推动催化剂在应器之间循环,降低能耗,反应温和,容易实现等温操作,来克服现有技术的缺陷。
本实用新型的技术解决方案是:一种甲烷化学链重整制合成反应装置,包括反应器筒体,其特征在于:所述反应器筒体内设置有蜂窝状氧载体和若干个贯穿所述反应器筒体的蜂窝状氧载体孔道,所述反应器筒体一端设置有气体存储区,所述气体存储区设置有反应器气体入口,另一端设置有气体收集区,所述气体收集区设置有尾气出口。甲烷和空气交替通过氧载体孔道进行晶格氧和热量的传递,实现燃料的重整。
尾气出口用于连接余热锅炉换热等设备以及合成气净化加压装置,净化后的合成气可加压存储或进入合成工段。
本实用新型提出的反应装置在运行过程中只需调节反应器气体入口的进气量、气体流速以及反应温度即可实现稳定持续的等温操作,不需纯氧制备,不需要驱动催化剂颗粒循环所需的较大能耗,延长了反应器壁的使用寿命,避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险,较好地解决了当前流化床反应器中存在的能耗大,易磨损,操作不稳定,温度各点波动较大的问题,如反应器中氧载体再生时以水替代空气,还可获得较为纯净的氢气,可用于燃料电池。
所述气体存储区还设置有气体辐射式预分布器,所述气体辐射式预分布器与所述反应器气体入口连接。用于对反应器气体入口进入的气体再分布,使气体均匀稳定地进入蜂窝状氧载体孔道。
优选地,所述反应器筒体与所述气体存储区可拆卸连接,反应器筒体与所述气体存储区通过法兰连接。
优选地,所述反应器筒体与所述气体收集区可拆卸连接,所述反应器筒体与所述气体收集区通过法兰连接。反应器筒体与所述气体存储区以及反应器筒体与气体收集区的可拆卸连接可便于生产过程中的检修和其他操作。
优选地,所述反应器筒体外设置有加热装置。反应器筒体外壁由炉膛式加热系统供热,以维持反应所需的温度。
优选地,所述蜂窝状氧载体选自La0.7Sr0.3MnO3、La0.7Sr0.3NiO3和LaFeO3中的一种,蜂窝状氧载体由复合过渡金属氧化物压制烧结而成。蜂窝状氧载体由复合过渡金属氧化物制成,结构上具有大量的氧空位且具有较大的比表面积,由中心向周边等径均匀排列圆柱形孔道,孔道与轴向平行,在高温时能可逆的吸收和传递氧,对甲烷等燃料具有较高的催化活性,具有很好的热力学稳定性和适宜的机械强度,对阴离子、电子、空位显示出混合类型的传导特性,因此,适宜在氧载体反应器中进行化学链重整。已有的实验表明,复合金属化物可以为甲烷的化学链重整提供足够的晶格氧,且具有优秀的结构稳定性和良好的氧化还原循环反应活性。
本实用新型的有益效果是:
1)甲烷化学链重整与传统的水蒸汽或CO2重整相比,省去了水蒸气和纯氧制备环节,成本显著降低;
2)易于实现反应的等温操作,而且还避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险;
3)不需要驱动催化剂颗粒在反应器中循环,能量损耗低,设备使用寿命长;
4)氧载体再生时,如使用水蒸气代替空气,水蒸气裂解可以生成较为纯净的氢气,可用于燃料电池;
5)蜂窝状氧载体在反应中具有蓄热功能,可帮助反应器维持反应温度,减轻外加热设备的热负荷,有利于反应的稳定进行。
附图说明
附图1为本实用新型甲烷化学链重整制合成反应装置的结构示意图;
1、反应器气体入口,2、气体辐射式预分布器,3、气体存储区,4、第一法兰,5、反应器筒体,6、蜂窝状氧载体,7、蜂窝状氧载体孔道,8、第二法兰,9、气体收集区,10、尾气出口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明,图1中的箭头方向为气体流动的方向。
实施例1
参阅图1,一种甲烷化学链重整制合成反应装置,由反应器筒体5、蜂窝状氧载体6、入口辐射式气体预分布器2、气体存储区3、气体收集区9、尾气出口10、第一法兰4和第二法兰8组成。反应器筒体5内设置有蜂窝状氧载体6和若干个贯穿反应器筒体5的蜂窝状氧载体孔道7,蜂窝状氧载体6固定于甲烷化学链重整制合成反应装置中间,空气中的气态氧、燃料所需的晶格氧以及燃料反应区中的部分反应热量通过蜂窝状氧载体进行交换。甲烷和空气交替通过氧载体孔道进行晶格氧和热量的传递,实现燃料的重整。
气体存储区3设置有反应器气体入口1。反应器气体入口1由三通电磁阀控制。反应器气体入口1用于分别连接不同气体的存储、加压和净化设备。气体收集区设置有尾气出口10,尾气出口10用于连接余热锅炉换热等设备以及合成气净化加压装置,净化后的合成气可加压存储或进入合成工段。
本实用新型提出的反应装置本装置采用了蜂窝状氧载体与空气、甲烷交替反应的的设计方式进行甲烷重整制取合成气,通过蜂窝状氧载体来传递晶格氧和热量,在运行过程中只需调节燃料反应器气体入口1的进气量、气体流速以及反应温度即可实现稳定持续的等温操作,不需纯氧制备,不需要驱动催化剂颗粒循环所需的较大能耗,延长了反应器壁的使用寿命,避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险,较好地解决了当前流化床反应器中存在的能耗大,易磨损,操作不稳定,温度各点波动较大的问题,如反应器中氧载体再生时以水替代空气,还可获得较为纯净的氢气,可用于燃料电池。
气体辐射式预分布器2与反应器气体入口1连接。用于对反应器气体入口1进入的气体再分布,使气体均匀稳定地进入蜂窝状氧载体孔道。
反应器筒体5与气体存储区3可拆卸连接,反应器筒体5与气体存储区3可通过螺栓或法兰连接,或通过本领域技术人员可以想到的连接方式连接均在本实用新型的保护范围之内,在本实施例中反应器筒体5与气体存储区3通过第一法兰4连接。
反应器筒体5与气体收集区9可拆卸连接,反应器筒体5与气体收集区9可通过螺栓或法兰连接,或通过本领域技术人员可以想到的连接方式连接均在本实用新型的保护范围之内,在本实施例中反应器筒体5与气体收集区9通过第二法兰8连接。反应器筒体5与气体存储区3以及反应器筒体5与气体收集区8的可拆卸连接可便于生产过程中的检修和其他操作。
反应器筒体5外设置有加热装置,反应器筒体外壁由耐高温不锈钢材料(904L)制成,反应器筒体外壁由炉膛式加热系统供热,以维持反应所需的温度。
蜂窝状氧载体选自La0.7Sr0.3MnO3、La0.7Sr0.3NiO3和LaFeO3中的一种,蜂窝状氧载体由复合过渡金属氧化物压制烧结而成。蜂窝状氧载体由复合过渡金属氧化物制成,结构上具有大量的氧空位且具有较大的比表面积,由中心向周边等径均匀排列圆柱形孔道,孔道与轴向平行,在高温时能可逆的吸收和传递氧,对甲烷等燃料具有较高的催化活性,具有很好的热力学稳定性和适宜的机械强度,对阴离子、电子、空位显示出混合类型的传导特性,因此,适宜在氧载体反应器中进行化学链重整。已有的实验表明,复合金属化物可以为甲烷的化学链重整提供足够的晶格氧,且具有优秀的结构稳定性和良好的氧化还原循环反应活性。
本实用新型的工作原理是:开启反应器筒体外加热装置,控制反应器温度850℃-900℃,燃料(CH4)、空气、惰性气体(N2)交替经反应器底部的反应器气体入口1进入反应器。首先打开反应器气体入口1中N2吹扫反应器5分钟,之后关闭N2,打开反应器气体入口1中的燃料入口,来自反应器底部的CH4进入辐射式气体预分布器2,进辐射式气体预分布器2分散均匀后,在自身的压力下沿蜂窝状氧载体通道7自下而上流动,高温时CH4和蜂窝状氧载体6发生反应,使用蜂窝状氧载体中晶格氧来部分氧化重整CH4,生成CO和H2为主要组分的合成气,合成气经气体收集区9后由尾气出口10排出,经余热锅炉获得热量后,到分离净化系统净化后得到较纯的合成气,甲烷转化率超过90%,CO和H2接近1:2,加压后存储或是进入合成工段;反应30分钟后,关闭燃料进气,打开N2气入口,吹扫残余的未反应气体5分钟,尾气经顶部尾气出口10排出,排出后的气体经余热锅炉或换热器回收热量后排入大气;吹扫完成后,关闭惰性气体入口,打开反应器气体入口1中的空气入口,空气经辐射式气体预分布器2进入反应器,在自身的压力下沿蜂窝状氧载体道7自下而上流动,高温时空气中的气态氧和蜂窝状氧载体6发生反应,使蜂窝状氧载体6中的晶格氧得以恢复,并与蜂窝状氧载体6进行热量交换,促进反应的持续进行,尾气经出口10排出,再经余热锅炉或换热器回收热量后排入大气,如此交替通入燃料、惰性气体、空气,反应持续循环进行。
实施例2
反应装置与实施例1相同,选取LaFeO3为蜂窝状氧载体材料,开启反应器筒体外加热装置,控制反应器温度850℃,燃料(CH4)、空气、惰性气体(N2)交替经反应器底部的反应器气体入口1进入反应器。首先打开反应器气体入口1中N2吹扫反应器5分钟,气体流量80L/h,之后关闭N2,打开反应器气体入口1中的燃料入口,来自反应器底部的CH4进入辐射式气体预分布器2,气体流量120L/h,进辐射式气体预分布器2分散均匀后,在自身的压力下沿蜂窝状氧载体通道7自下而上流动,高温时CH4和蜂窝状氧载体6发生反应,使用蜂窝状氧载体中晶格氧来部分氧化重整CH4,生成CO和H2为主要组分的合成气,合成气经气体收集区9后由尾气出口10排出,经余热锅炉获得热量后,到分离净化系统净化后得到较纯的合成气,加压后存储或是进入合成工段;反应30分钟后,关闭燃料进气,打开N2气入口,吹扫残余的未反应气体5分钟,尾气经顶部尾气出口10排出,排出后的气体经余热锅炉或换热器回收热量后排入大气;吹扫完成后,关闭惰性气体入口,打开反应器气体入口1中的空气入口,空气经辐射式气体预分布器2进入反应器,在自身的压力下沿蜂窝状氧载体道7自下而上流动,流量为180L/h,高温时空气中的气态氧和蜂窝状氧载体6发生反应,使蜂窝状氧载体6中的晶格氧得以恢复,并与蜂窝状氧载体6进行热量交换,促进反应的持续进行,尾气经出口10排出,再经余热锅炉或换热器回收热量后排入大气,如此交替通入燃料、惰性气体、空气,反应持续循环进行。
实施例2的实施条件及实施例结果,如表1所示。
表1
实施例3
与实施例2相同,不同之处在于:
实施例3的实施条件及实施例结果,如表2所示。
表2
实施例4
与实施例2相同,不同之处在于:
实施例4的实施条件及实施例结果,如表3所示。
表3
由表1、表2和表3可以看出,甲烷转化率超过90%,CO和H2接近1:2。
甲烷化学链重整反应装置与传统的水蒸汽或CO2重整相比,省去了水蒸气和纯氧制备环节,成本显著降低;易于实现反应的等温操作,而且还避免了甲烷与气相氧直接接触可能发生爆炸的危险;不需要驱动催化剂颗粒在反应器中循环,能量损耗低,设备使用寿命长;氧载体再生时,如使用水蒸气代替空气,水蒸气裂解可以生成较为纯净的氢气,可用于燃料电池;蜂窝状氧载体在反应中具有蓄热功能,可帮助反应器维持反应温度,减轻外加热设备的热负荷,有利于反应的稳定进行。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种甲烷化学链重整制合成反应装置,包括反应器筒体,其特征在于:所述反应器筒体内设置有蜂窝状氧载体和若干个贯穿所述反应器筒体的蜂窝状氧载体孔道,所述反应器筒体一端设置有气体存储区,所述气体存储区设置有反应器气体入口,另一端设置有气体收集区,所述气体收集区设置有尾气出口。
2.根据权利要求1的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述气体存储区还设置有气体辐射式预分布器,所述气体辐射式预分布器与所述反应器气体入口连接。
3.根据权利要求1所述的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述反应器筒体与所述气体存储区可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:反应器筒体与所述气体存储区通过法兰连接。
5.根据权利要求1的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述反应器筒体与所述气体收集区可拆卸连接。
6.根据权利要求5的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述反应器筒体与所述气体收集区通过法兰连接。
7.根据权利要求1的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述反应器筒体外设置有加热装置。
8.根据权利要求1的甲烷化学链重整制合成反应装置,其特征在于:所述蜂窝状氧载体选自La0.7Sr0.3MnO3、La0.7Sr0.3NiO3和LaFeO3中的一种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108855109A (zh) * 2018-07-02 2018-11-23 西北大学 一种化学链部分氧化甲烷制合成气氧载体及其制备方法和应用
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