[实用新型]一种热量耦合型天然气制合成气的固定床装置

说明书

技术领域

本实用新型提供了一种热量耦合型固定床装置，其为用于天然气(甲烷)制合成气的反应装置，具体而言是属于天然气催化部分氧化制合成气自热反应装置。

背景技术

目前，世界上90％的天然气化工利用是通过天然气制合成气过程实现的。因此，天然气化工的技术关键在于合成气的制备。从催化技术、反应工艺和工程多方面对天然气制合成气的主要反应(包括蒸汽重整、二氧化碳重整、催化和非催化的完全氧化与部分氧化)进行不同的组合，通过能量的耦合和综合利用，已发展出多种形式的联合重整工艺，其核心目标就是实现天然气制合成气过程能量的优化利用，从而降低过程的生产费用。具有代表性的工艺有：Kellogg的热交换/重整工艺(KRES)、Uhde的联合自热重整工艺(CAR)、ICI的气体加热重整工艺(GHR)、Topsoe的自热重整工艺(ATR)、ExxonMobil的催化部分氧化(CPO)等。

上述各种联合重整工艺技术的共同之处在于，对传统的蒸汽重整或蒸汽重整一自热重整两段联合重整工艺进行改革和革新，使吸热的重整反应和放热的氧化反应的物流、能流得以充分的耦合，从而降低过程的物耗和能耗。这些过程的发展表明，天然气制合成气过程正逐渐从以水为主要原料之一的蒸汽重整向以氧气为主要原料之一的燃烧-重整和部分氧化转变，其核心技术特征是将温和放热的CPO过程与强吸热的蒸汽重整过程耦合。因此，耦合方法的成功开发事实上也就成为高效节能型合成气制备过程开发的关键。

为了适应大多数下游较高的操作压力以及从全过程的经济性考虑，制合成气过程需要在高压(＞2MPa)下进行。然而在高压下，受热力学平衡的限制，要想得到较为理想的甲烷转化率和合成气选择性，目标反应(重整反应)温度必须超过1000℃。目前传统的重整过程反应温度比较低，一般在900℃左右，不能满足需求。显然，为了实现高温、高压下获得较高的合成气收率，工程上必须解决下述问题：

(1)高温反应原料的混合问题。考虑到过程外部供热的困难，只有通过提高原料进口温度来保证后续重整反应温度达到1000℃以上，热力学计算表明，反应原料的预热温度需达到600℃以上。在如此高的预热温度下，若天然气与氧气预先混合后再进入反应器，由于混合物存在爆炸极限，势必会影响过程操作的安全性。因此，原料只能分别预热后才能进入反应器进行接触反应。

(2)快速放热反应与吸热反应的耦合。若原料进入反应器后再混合，则在反应器物料入口处，氧气将与天然气先发生完全氧化反应，生成二氧化碳和水，并放出大量的热量，未反应的天然气再与二氧化碳和水发生吸热的重整反应，生成合成气。由于甲烷完全氧化反应的反应速率远远高于重整反应的速率，因此，在反应器中必然会出现两个区：即反应器前部的强放热反应区和反应器后部的强吸热重整反应区。在放热区，如大量的反应热不能及时转移，必将出现高温热点，导致未反应的甲烷发生裂解，造成催化剂的严重积碳；在强吸热区，如果不能及时补充反应所需的热量，反应温度将快速降低，难以得到理想的甲烷转化率和合成气选择性。

从上述分析可以看出，为获得理想的甲烷转化率和合成气选择性，氧化区要尽量多的发生温和放热的部分氧化反应，并使物料温度降到后续重整催化剂容许的反应温度；重整区应该维持在尽可能高的温度下进行反应。如何调控这两个反应区，就成为抑制高温热点的形成和提高合成气产率的关键。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于天然气制合成气的新型固定床装置，尤其是一种适用于自热的反应装置，该装置有效耦合了强放热的氧化反应和强吸热的重整反应，同时，耦合了原料气预热与合成气降温两部分，大大降低了床层热点温度，缓解了积碳的生成，并且能充分利用氧化反应放出的热量，使重整反应出口温度达1000℃以上，提高了物质和能量利用率。

本实用新型的目的在于提供一种用于天然气制合成气的热量耦合型固定床装置，借助于该装置，使天然气和氧气经过换热区后由喷嘴喷入到氧化区发生氧化反应，产物连同未反应的天然气一同进入重整区发生重整反应生成合成气，最后，合成气经换热区快速换热后排出，氧化反应与重整反应的耦合保证了反应的自热进行，换热区的设置保证了反应产物的快速降温，避免了合成气在离开催化剂床层后生成甲烷的逆反应的发生，喷嘴的应用保证了原料气的混合效果。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现。