[发明专利]一种用于合成气生产的非定态反应器及生产合成气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产合成气的装置与方法；进一步地，所述的合成气生 产装置包括一种非定态反应器及其配套设施；所述的合成气生产方法是以气 态烃为原料，在非定态条件下通过蓄热式自热转化生产合成气。

背景技术

本发明涉及的气态烃原料是指主要成分为气态烷烃或烯烃的气体混合 物，如天然气、焦炉气、炼厂气、费托合成尾气、煤层气等。通常，这类气 态烃原料可通过催化水蒸汽重整、非催化部分氧化、自热重整等工艺转化为 合成气(氢气和一氧化碳的混合物)，进而生产液体燃料或化学品、合成甲 醇、合成氨、制纯氢等。

水蒸汽重整工艺是一个强吸热过程，原料气与水蒸汽混合后在管式反应 器中发生催化的吸热重整反应，所需反应热通过在管外燃烧一定量的燃料气 提供。该工艺设备复杂成本高、占地面积大、热效率较低。

非催化部分氧化工艺是指原料气与氧气从反应器的顶部烧嘴进料，在砌 有耐火材料的反应器中发生非催化部分氧化反应。该过程虽省去了催化剂， 但反应温度常达到1500℃，过程氧耗较高，炭黑清除和余热回收后处理系 统较复杂。

自热重整工艺将传统的非催化部分氧化和催化水蒸汽重整工艺相结合， 具有不需要外界供热、设备紧凑简单、规模效应明显、生成的合成气氢碳比 (氢气与一氧化碳之比)调节容易等优势。然而，由于自热重整采取内热式 供热(吸热反应需要的热量由放热反应提供)，进料预热温度是影响过程氧 耗和合成气收率的关键。若进料预热不足，就需要燃烧一定比例的原料和氧 气达到进料预热的目的，使过程氧耗增加，合成气收率(生成更多的副产物 CO₂和H₂O)下降。同时，自热重整反应器出口产物的温度高达1000℃，产 物的热回收也是影响过程热效率的关键。因此对传统的自热重整工艺进行热 耦合显得非常重要。

若对自热重整工艺采用传统的换热方式进行热耦合固然可行，如采用换 热器或加热炉对进料进行预热，采用余热锅炉回收产物显热，但这种方案不 但会增加设备投资和过程复杂性，而且能预热的温度有限，过程热效率不高。

Blanks等人在非专利文献(Chem.Eng.Sci.，45(8)，1990，p2407-2413)及 专利文献(US5080872、US4778826)中提出了一种双向绝热合成气生成器， 用于天然气与空气催化部分氧化制合成气。这种反应器是在传统固定床催化 反应器的催化床层两端增加了两个装填惰性填料的蓄热段，通过周期性改变 反应器中气体的流向，达到在一个反应器中同时实现进料预热、绝热反应、 产物冷却的目的。该反应器采取蓄热式换热的方案，使转化过程达到了较好 的热耦合效果，甲烷转化率与合成气收率均明显提高。然而，该反应器存在 难以克服的问题：反应器催化床层出现高温热区、进料预热温度较高时有自 燃爆炸危险、反应器容易熄火、床层温度控制困难等，因此很难实现工业化。

Blanks等人所采用的蓄热式热耦合反应器通常被称为流向变换反应器， 它是一种高效的非定态热耦合反应器，已被Matros、李成岳、肖文德等人成 功应用于挥发性有机物VOC_s燃烧(US5823770，CN2779256Y)、SO₂氧化 (CN1022400C)等方面，该反应器原理在合成气生产方面的应用除了Blanks 等人提出的双向反应器外鲜有报道。

为实现合成气生产过程的高效热耦合，Blanks等人采取将催化部分氧化 与蓄热式换热相结合的方案。由于镍基催化剂上发生的甲烷催化部分氧化反 应分为快速氧化和慢速重整两步，因此反应器床层出现高温热区难以避免， 同时为了避免在蓄热段发生进料自燃产生爆炸危险(催化部分氧化通常采取 原料气与氧化剂混合进料)，进料在蓄热段不能预热到很高的温度，这不但 使反应器床层温度控制困难，而且影响过程的热效率与合成气收率。

针对以上问题，本发明采取将两段反应的自热重整工艺与蓄热式换热技 术相结合的方案，提出了一种新型的非定态反应器。该反应器保留了自热重 整反应器烧嘴进料的特点，将进料分为两股，一股从烧嘴进，一股从旁路通 过蓄热式换热后直接进入重整室，产物经蓄热式冷却后排出，通过周期性改 变旁路进料和产物排出端口，达到改变反应器中气体流向，实现反应器热耦 合的目的。

发明内容