一種氧氣進(jìn)料裝置及相應(yīng)的甲烷三重整反應(yīng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及甲烷三重整技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氧氣進(jìn)料裝置及相應(yīng)的甲烷三重整制備合成氣體的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣的用量逐年增加。用天然氣重整生產(chǎn)合成氣的研宄也逐步深入。目前天然氣重整制合成氣的技術(shù)主要包括水蒸氣重整甲烷，二氧化碳重整甲烷，二氧化碳、水蒸氣重整甲烷。
[0003]焦?fàn)t煤氣中含有CH4、CO、H#P C02。利用二氧化碳重整甲烷技術(shù)能夠?qū)⑵渲械腃H4和CO2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為合成氣CO和h2。從而進(jìn)一步提高合成氣中的有效成分，降低合成氣中014和CO2的含量，進(jìn)而降低脫碳工藝裝置的負(fù)荷。減少了 CH4分離裝置，并且降低后續(xù)過程中CH4的攜熱消耗，進(jìn)一步降低了后續(xù)工藝過程的能量消耗。
[0004]焦?fàn)t煤氣中甲烷的重整技術(shù)可以利用二氧化碳甲烷重整，在固定床上完成，但是由于用二氧化碳重整甲烷過程中，催化劑非常容易積碳失活，無法保證催化劑長期穩(wěn)定運(yùn)行。若采用水蒸氣重整甲烷，水蒸氣的用量會(huì)非常大，增加了裝置的能耗。
[0005]中國專利201210330110.5公開了一種焦?fàn)t煤氣與二氧化碳制一氧化碳的方法。該方法將凈化后的焦?fàn)t煤氣與二氧化碳作為原料氣混合后，送入反應(yīng)器，在一定溫度和壓力下，焦?fàn)t煤氣中的氫氣，甲烷與二氧化碳發(fā)生均相與非均相轉(zhuǎn)化反應(yīng)，通過三段反應(yīng)將所得轉(zhuǎn)化氣分離制得一氧化碳，剩余氣體返回反應(yīng)器中循環(huán)反應(yīng)。
[0006]該方法需要在反應(yīng)器中填裝兩種類型的催化劑，一種為二氧化碳重整甲烷催化劑，另一種為逆變換催化劑。這種裝填方式增加了工業(yè)裝置長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的難度，增加了操作難度，提高了操作運(yùn)轉(zhuǎn)成本。這種類型的工藝制備的合成氣中主要成分為CO，H2的比例很小，不適于作為氫氣豎爐還原煉鐵的原料氣。
[0007]中國專利200910227973.8公開了一種連續(xù)炭催化CH4+CO2重整反應(yīng)器是一種倒“T”型反應(yīng)器。催化劑采用連續(xù)加入方式，催化劑依靠重力由上向下連續(xù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作；底部兩側(cè)連通有相對(duì)應(yīng)的左橫側(cè)臂和右橫側(cè)臂，并在兩側(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)有碳催化后的卸料機(jī)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。
[0008]該“T”型裝置設(shè)有的上層催化劑進(jìn)料口與產(chǎn)品氣出口距離很近容易造成產(chǎn)品氣泄露的危險(xiǎn)，對(duì)進(jìn)料口的密封性能要求嚴(yán)格。該“T”型裝置左橫側(cè)臂和右橫側(cè)臂的端頭均設(shè)有O2和焦?fàn)t煤氣的進(jìn)氣口，這種雙進(jìn)料口形式增加了設(shè)備的建設(shè)投資，增加了裝置穩(wěn)定運(yùn)行的安全隱患點(diǎn)。
[0009]該“T”型裝置的催化劑處于流動(dòng)狀態(tài)，與原料氣逆向接觸雖然能夠增加傳質(zhì)，但是這樣無疑對(duì)催化劑的強(qiáng)度要求很高，另外增加了催化劑在裝置中的磨耗，有可能造成催化劑粉化進(jìn)入產(chǎn)品氣中或進(jìn)入下層料斗，增大了催化劑的用量?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0010](一)解決的技術(shù)問題
[0011]本實(shí)用新型旨在克服現(xiàn)有甲烷三重整技術(shù)中，催化劑床層升溫過快并且催化劑的用量較大，以及制備的合成氣中主要成分中0)，4的比例小的缺陷，提供了一種氧氣進(jìn)料裝置及相應(yīng)的甲烷三重整制備合成氣體的裝置和方法。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]本實(shí)用新型公開了一種用于甲烷三重整反應(yīng)裝置的氧氣進(jìn)料裝置，包括一個(gè)帶半球形底部的錐形核和一個(gè)外管，所述外管的兩端為兩個(gè)直徑不一的直管，所述外管的中部為連接兩端直管的錐形管，所述錐形核固定在所述外管中，所述錐形核包括圓錐體的半球形底部和圓錐體本體，所述圓錐體本體至少部分位于所述錐形管中并且所述圓錐體本體與所述錐形管的縮進(jìn)方向一致；所述氧氣進(jìn)料裝置3沿著外管由寬變窄的方向依次分為壓縮區(qū)6、加速區(qū)7和工作區(qū)8，壓縮區(qū)6包括由管內(nèi)徑最大的直管和圓錐體的半球形底部，加速區(qū)7包括所述錐形管和圓錐體本體，工作區(qū)8包括內(nèi)徑最小的直管。
[0014]進(jìn)一步地，半球形底部直徑與壓縮區(qū)6的直管內(nèi)徑比例為0.8-0.9:1，圓錐體的頂角角度范圍為:30° -75。，所述錐形管與直管的夾角為:120° -160°。
[0015]進(jìn)一步地，工作區(qū)8的直管內(nèi)徑與壓縮區(qū)6的直管內(nèi)徑比為:1:2-4，工作區(qū)8長度與工作區(qū)8直管內(nèi)徑比例為:5-10:1。
[0016]本實(shí)用新型公開了一種利用亞音速氧的甲烷三重整制備合成氣體的裝置，包括固定床殼體I，氧氣進(jìn)料裝置3、催化劑床層4、混合氣入口 2和合成氣出口 5，其中，所述混合氣入口 2設(shè)置在固定床殼體I的一側(cè)，所述合成氣出口 5設(shè)置在固定床殼體I的另一側(cè)，所述催化劑床層4設(shè)置在固定床殼體I的中間位置，所述氧氣進(jìn)料裝置3設(shè)置在固定床殼體I上靠近所述催化劑床層4的位置；所述氧氣進(jìn)料裝置3包括一個(gè)帶半球形底部的錐形核和一個(gè)外管，所述外管的兩端為兩個(gè)直徑不一的直管，所述外管的中部為連接兩端直管的錐形管，所述錐形核固定在所述外管中，所述錐形核包括圓錐體的半球形底部和圓錐體本體，所述圓錐體本體至少部分位于所述錐形管中。
[0017]進(jìn)一步地，所述氧氣進(jìn)料裝置3沿著外管由寬變窄的方向依次分為壓縮區(qū)6、加速區(qū)7和工作區(qū)8 ;其中，壓縮區(qū)6是由管內(nèi)徑最大的直管和圓錐體的半球形底部構(gòu)成，半球形底部直徑與壓縮區(qū)6的直管內(nèi)徑比例為0.8-0.9:1，其中，氧氣原料氣壓力比固定床殼體I壓力高20% -50%;加速區(qū)7由所述錐形管和圓錐體本體構(gòu)成，圓錐體的頂角角度范圍為:30° -75。，所述錐形管與直管的夾角為:120° -160° ;工作區(qū)8由內(nèi)徑最小的直管構(gòu)成，工作區(qū)8的直管內(nèi)徑與壓縮區(qū)6的直管內(nèi)徑比為:1:2-4，工作區(qū)8長度與工作區(qū)8直管內(nèi)徑比例為:5-10:1。
[0018]進(jìn)一步地，氧氣進(jìn)料裝置3的工作區(qū)8的氧氣出口端與所述催化劑床層的距離為:30mm-500mm，以及所述氧氣出口端與所述催化劑床層的夾角為30° -60°。
[0019](三)有益技術(shù)效果
[0020]本實(shí)用新型中所述的甲烷三重整反應(yīng)裝置的基礎(chǔ)是固定床殼體，催化劑不會(huì)流動(dòng)，對(duì)催化劑的強(qiáng)度要求不高，并且催化劑不易粉碎；采用一種新型的氧氣進(jìn)料器，實(shí)現(xiàn)低溫高速進(jìn)料，改變了傳統(tǒng)的氧氣進(jìn)料方式，讓氧氣能夠迅速與催化劑表面上的積碳進(jìn)行反應(yīng)，消除積碳，并且避免了與合成氣中的CO和H2進(jìn)行反應(yīng)。本實(shí)用新型還能夠解決甲烷三重整催化劑的迅速溫升問題，由于氧氣進(jìn)入床層時(shí)溫度較低，能夠有效地降低催化劑的溫升，其次由于氧氣的加入量很少，不會(huì)引起裝置爆炸，并且不影響合成氣的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0021]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的甲烷三重整反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為圖1中氧氣進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]其中:1:固定床殼體；2:混合氣入口 ；3:氧氣進(jìn)料裝置；4:催化劑床層；5:合成氣出口 ；6:壓縮區(qū)；7:加速區(qū)；8:工作區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本實(shí)用新型可采用經(jīng)過脫硫之后的焦?fàn)t煤氣直接進(jìn)料，在固定床殼體I中再向系統(tǒng)中補(bǔ)充CO2、水蒸氣和02。焦?fàn)t煤氣中的014和CO2、水蒸氣在催化劑床層上發(fā)生重整反應(yīng)。氧氣的加入能夠與催化劑表面上的積碳發(fā)生反應(yīng)，消除催化劑表面上積碳，恢復(fù)催化劑的催化活性。
[0025]反應(yīng)方程式如下:
[0026]CH4+C02= 2C0+2H2(I)
[0027]CH4+H20 = C0+3H2(2)
[0028]在重整過程中還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):
[0029]CH4+C02= 2C+2H20(3)
[0030]C+H20 = CO+H2(4)
[0031]積碳消除反應(yīng):
[0032]2C+02= 2CO(5)
[0033]C+02= CO2(6)
[0034]本實(shí)用新型主要針對(duì)焦?fàn)t煤氣還原煉鐵，利用甲烷三重整技術(shù)提供氣基豎爐還原煉鐵所需的合格還原氣。通過該技術(shù)能將焦?fàn)t煤氣中的014和CO 2轉(zhuǎn)化為CO和H 2作為還原煉鐵的還原氣，同時(shí)能降低還原氣中014和CO 2的熱量攜帶，降低還原煉鐵系統(tǒng)的能耗。同時(shí)經(jīng)過處理之后能增加入爐還原氣中有效成分CO和H2的含量，增大同等焦?fàn)t氣產(chǎn)量下的還原煉鐵規(guī)模。同時(shí)，將0)2重整成為CO，能夠降低溫室氣體的排放，對(duì)煉鐵企業(yè)環(huán)境友好起到積極的作用。
[0035]優(yōu)選實(shí)施例一
[0036]根據(jù)本實(shí)用新型的一種利用亞音速氧的甲烷三重整制備合成氣體的裝置包括固定床殼體1，氧氣進(jìn)料裝置3、催化劑床層4、混合氣入口 2和合成氣出口 5，其中，所述混合氣入口 2設(shè)置在固定床殼體I的一側(cè)，所述合成氣出口 5設(shè)置在固定床殼體I的另一側(cè)，所述催化劑床層4設(shè)置在固定床殼體I的中間位置，所述氧氣進(jìn)料裝置3設(shè)置在固定床殼體I上靠近所述催化劑床層4的位置。
[0037]優(yōu)選地，所述氧氣進(jìn)料裝置3采用特殊的結(jié)構(gòu)，整個(gè)氧氣進(jìn)料裝置包括一個(gè)帶半球形底部的錐形核和一個(gè)外管，所述外管的兩端為兩個(gè)直徑不一的管，所述外管的中部為連接兩端管的錐形管，該錐形核固定在該外管中，包括圓錐體的半球形底部和圓錐體本體，所述圓錐體本體至少部分位于所述錐形管中，并且所述圓錐形本體與所述錐形管的縮進(jìn)方向一致，即所述圓錐形本體由寬變窄的方向與所述錐形管由寬變窄的方向一致。
[0038]所述氧氣進(jìn)料裝置3沿著外管整體由寬變窄的方向依次可分為壓縮區(qū)6、加速區(qū)7和工作區(qū)8。
[0039]其中，壓縮區(qū)6是由管徑最大的管和圓錐體的半球形底部構(gòu)成，半球形底部的作用是減小氧氣進(jìn)料時(shí)的阻力，降低氧氣進(jìn)料能量損失；半球形底部直徑與管內(nèi)徑比例為
0.8-0.9:1。氧氣由體積大的區(qū)域通過一個(gè)體積較窄的區(qū)域產(chǎn)生壓縮。該推動(dòng)力來自于氧氣進(jìn)料源頭和固定床殼體I的壓力差。氧氣原料氣壓力高于固定床殼體I壓力20% -50%,其中又以30% -40%為最佳。
[0040]其中，加速區(qū)7由所述錐形管和圓錐體本體構(gòu)成，圓錐體的頂角角度范圍為:30° -75。。所述錐形管與直行管道夾角為:120° -160°，加速區(qū)使得氧氣的體積和速度增大并且溫度降低。
[0041]其中，工作區(qū)8主要是由一端的直行管構(gòu)成，工作區(qū)一端的管道內(nèi)徑與壓縮區(qū)另一端的管道內(nèi)徑比為:1:2-4，工作區(qū)長度與工作區(qū)內(nèi)徑比例為:5-10:1。
[0042]優(yōu)選地，氧氣進(jìn)料裝置的壓縮區(qū)和加速區(qū)位于固定床殼體外，工作段伸入固定床殼