[发明专利]一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置及其方法

权利要求书

1.一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：包括耦合反应器(5)、燃烧气体混合室(9)、重整气体混合室(1)、预热器(4)和蒸汽发生器(7)；

所述耦合反应器(5)包括燃烧气进口(11)、燃烧气体入口侧封头(12)、耦合反应器主体(13)、重整气体入口侧封头(18)和重整气进口(19)；所述耦合反应器主体(13)包括由隔热板围成的方形耦合反应室和在方形耦合反应室内从上向下依次设置的导热板(21)，所述导热板(21)将方形耦合反应室分隔成交错排布的燃烧反应室(15)和重整反应室(17)，所述燃烧反应室(15)内含有用于催化燃烧的甲烷燃烧催化剂，所述重整反应室(17)内含有用于催化重整的甲烷重整催化剂；所述燃烧气体入口侧封头(12)内设置有燃烧气体通道和合成气出口(10)，所述燃烧气进口(11)与燃烧气体入口侧封头(12)的一侧连接，所述燃烧气体入口侧封头(12)的另一侧与耦合反应器主体(13)的一侧连接，所述燃烧气进口(11)通过燃烧气体通道与燃烧反应室(15)的进气端连通，所述合成气出口(10)与重整反应室(17)的出气端连通，所述重整气体入口侧封头(18)内设置重整气体通道和尾气出口(20)，所述重整气进口(19)与重整气体入口侧封头(18)的一侧连接，所述重整气体入口侧封头(18)的另一侧与耦合反应器主体(13)的另一侧连接，所述重整气进口(19)通过重整气体通道与重整反应室(17)的进气端连通，所述尾气出口(20)与燃烧反应室(15)的出气端连通；

所述燃烧气体混合室(9)通过气体管道与预热器(4)的第一进气口连通，所述预热器(4)的第一出气口通过气体管道与耦合反应器(5)的燃烧气进口(11)连通；所述重整气体混合室(1)通过气体管道与预热器(4)的第二进气口连通，所述预热器(4)的第二出气口通过气体管道与耦合反应器(5)的重整气进口(19)连通；所述尾气出口(20)通过气体管道与预热器(4)的进气口连通，所述预热器(4)的出气口通过气体管道与蒸汽发生器(7)的进气口连通，所述蒸汽发生器(7)的蒸汽出口通过气体管道与重整气体混合室(1)的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：所述耦合反应器(5)包括四个燃烧反应室(15)和三个重整反应室(17)，所述燃烧反应室(15)和重整反应室(17)交错排布，每个重整反应室(17)位于两个燃烧反应室(15)之间，每个腔室高宽比为1:5。

3.根据权利要求2所述的一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：所述的燃烧反应室(15)和重整反应室(17)由设置在方形耦合反应室内的六个导热板(21)分隔而成，每个导热板(21)位于燃烧反应室(15)的一面上布置甲烷燃烧催化剂，每个导热板(21)位于重整反应室(17)的一面上布置甲烷重整催化剂。

4.根据权利要求3所述的一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：所述导热板(21)位于燃烧反应室(15)的一面上的甲烷燃烧催化剂为钙钛矿催化剂，采用分段布置方式；所述导热板(21)位于重整反应室(17)的一面上的甲烷重整催化剂为Ni基催化剂，采用连续布置方式。

5.根据权利要求1所述的一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：所述燃烧气进口(11)上有十二个燃烧气体进气口，所述耦合反应器(5)的四个燃烧反应室(15)与十二个燃烧气体进气口对应；所述重整气进口(19)上有九个重整气体进气口，所述耦合反应器(5)的三个重整反应室(17)与九个重整气体进气口对应。

6.根据权利要求1所述的一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，其特征在于：所述燃烧气体混合室(9)与预热器(4)之间连接的气体管道上设置有燃烧气体泵(3)，所述重整气体混合室(1)与预热器(4)之间连接的气体管道上设置有重整气体泵(8)；水泵(6)的出水口通过水管道与蒸汽发生器(7)的进水口连通。

7.一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至6中任一项权利要求所述的直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，该方法包括如下步骤：

1)燃烧气体CH₄与空气通过两条带有调节阀(2)的气体管道通入燃烧气混合室(9)中充分混合，混合后在燃烧气体泵(3)的作用下流入预热器(4)，在预热器(4)中利用燃烧烟气及外部热源进行预热，预热后通过与燃烧反应室(15)相对应的燃烧气进口(11)通入耦合反应器(5)的燃烧反应室(15)内，燃烧反应室(15)的底部和顶部均装填有分段布置的钙钛矿催化剂；通过调节阀(2)控制燃烧气体与空气的进气量，从而使燃烧反应室(15)内的温度维持在900℃左右，利用燃烧放出的热为重整反应室(17)提供甲烷重整所需的热量；燃烧反应室(15)内产生的尾气经过烟气排口先后通入气体预热器(4)以及蒸汽发生器(7)中，经过充分换热后排出；

2)重整所需的水蒸汽由蒸汽发生器(7)提供：外部水在水泵(6)的作用下进入蒸汽发生器(7)中，吸收燃烧反应室(15)产生的尾气及外部热源的热量汽化，通入重整气体混合室(1)中与CH₄、CO₂混合，在重整气体泵(8)的作用下通入预热器(4)，在预热器(4)中利用燃烧烟气以及外部热源进行预热，预热后通过与重整反应室(17)相对应的重整气进口(19)通入耦合反应器(5)的重整反应室中，重整反应室(17)的底部和顶部均装填有连续布置的Ni基催化剂；燃烧气体和重整气体分别从耦合反应器(5)两端通入，使燃烧反应室(15)和重整反应室(17)内的气体逆流流动以强化换热。