一种光催化生产烷烃的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及天然气制取技术领域，尤其是涉及一种光催化生产烷烃的装置。所述光催化生产烷烃的装置，包括回转窑、增氢反应单元、甲烷化反应单元；所述回转窑的筒体内部由进料端至出料端依次设置有热解段、明火段和还原段，所述明火段和还原段设置有光催化内筒，所述回转窑内设置有送氧单元，所述送氧单元的供氧端伸至明火段；所述增氢反应单元包括混合器、汽包、增氢反应器，所述汽包连接于混合器，所述混合器连接于增氢反应器；所述混合器的进料端连接于所述回转窑的出料端；所述增氢反应器的出料端连接于所述甲烷化反应单元的进料端。所述装置高效平稳，制取的天然气成本＜1元/m

【技术实现步骤摘要】
一种光催化生产烷烃的装置
本技术涉及天然气制取
，尤其是涉及一种光催化生产烷烃的装置。
技术介绍
自有人类起至今，人们燃烧垃圾、秸秆、枝丫柴、干化污泥等生物质，必定有烟，从烟囱排空。天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将天然气列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。因而，探索一种利用生物质制取天然气的方法及装置，实现生物质成分的高效充分利用，大幅度提高产气率，实现废弃物的能源化、资源化利用包括烟气烷烃化，并缓解当前的能源和环境危机具有重要意义。有鉴于此，特提出本技术。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种光催化生产烷烃的装置，所述装置高效平稳，采用所述装置制取的天然气成本＜1元/m3，经济效益得到大幅提高。为了实现本技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种光催化生产烷烃的方法，包括如下步骤：(a)可燃物于500-700℃干燥热解得到气体烃，气体烃与气化剂混合明火燃烧生成CO2，并于800-1050℃裂解气体烃得到C和H2；(b)于650-900℃下，CO2与C反应得到CO，C在光催化的作用下与H2作用生成CH4；(c)向步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气中注入水蒸气，CO与H2O反应得到H2，得到增氢的燃气；(d)增氢的燃气经甲烷化催化剂，于240-600℃反应得到天然气。现有技术中无法将C与H直接合成CH4是因为：CH4分子是正四面体结构，其C原子外层4个价电子存在于4条能量级别相同的轨道内，否则，CH4的结构就不会是正四面体。而在形成CH4之前，C原子核外6个电子，分布在第一层即1s轨道2个，第二层(外层)4个价电子。第二层分s亚层和p亚层，s亚层有2条2s轨道，每条轨道内1个s电子，p亚层有3条2p轨道，2px、2py轨道内各1个p电子，2pz轨道是空的，没有电子。而2s轨道与2p轨道的能级不同，2s电子云是球形，2p电子云是哑铃形。所以，C原子与4个H无法生成正四面体结构的CH4。本技术中，通过大量实验得出，C原子的2个2s电子中的1个电子在光催化作用下，接受光子能量处于激发态而跃迁入2pz空轨道，2s电子中剩余的1个电子与p亚层上的3个电子(2px1，2py1，2pz1)杂化，产生4个等量的新的杂化轨道：sp3，每个sp3杂化轨道上有1个电子，与4个H生成CH4。并且，并非所有的C原子都能形成sp3杂化轨道，CO2、CO以及固定碳中的C原子，均不能接受光子能量而发生跃迁，即光催化对其不产生作用。只有通过本技术的气体烃裂解得到的C原子，才能在光催化作用下，接受光子能量跃迁到2pz空轨道，从而形成sp3杂化轨道。同时，C原子与4个H生成CH4的过程还需要在还原性气氛条件下进行，本技术步骤(b)中，CO2和C反应得到CO，提供还原性气氛条件，促使C在光催化的作用下与H2作用生成CH4。本技术中，可燃物在无气化剂的存在下，干燥热解，以便可燃物中的碳氢尽可能转化为气体烃CmHn；气体烃与气化剂混合后，明火燃烧以便升高温度使气体烃裂解为C和H2；在800-1050℃条件下裂解，生成的CH2不稳定，而生成的C原子是稳定的，并且光催化仅对C原子有作用，生成CH4。优选的，所述光催化包括可见光和/或红外线。更优选的，所述光催化包括可见光和红外线。同时在可见光和红外线的光催化作用下，催化合成的CH4量最高。优选的，所述步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气中，CH4的体积分数＞30％，C2+的体积分数＞8％，1个C2+分子的热值≥2个CH4分子的热值，当折合为CH4计算时，混合气中的CH4体积分数相当于≥45％。当所述步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气中，CH4的体积分数＞45％时，能够保证最终得到的天然气中甲烷的体积分数≥95％。具体的，当混合气中CH4＞45％时，还有≤50％的气体需合成CH4，根据反应式，1个CO2分子与4个H2O分子，共5个分子合成1个CH4分子和2个H2O分子，即≤50％的气体将合成≤10％的CH4(不论什么分子，气态时的体积一样大)。若混合气中CH4≤45％时，在步骤(d)中甲烷化还需合成CH4＞10％，对于CO与H2合成甲烷1％，甲烷化反应器内温度升高70℃，对于CO2与H2合成甲烷1％，温度升高60℃。一次合成甲烷超过10％，瞬间温度升高600-700℃，无法控制甲烷化反应器的温度，系统将烧毁。如若不满足＞45％这一前提，CO2、CO与H2合成CH4必然一次＞10％，会造成系统毁坏，或者仅能通过Ⅲ级合成CH4。因而，在所述步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气中，CH4的体积分数＞45％作为前提，才能使制备得到的天然气中甲烷的体积分数≥95％。优选的，所述步骤(b)中，反应压力为500-1500Pa。通过调整步骤(d)的回转窑炉膛产出燃气的流量，在炉膛积累气体，便于形成正压，促进CH4的生成。优选的，所述步骤(b)中，于700-850℃下进行光催化生成CH4。优选的，所述可燃物包括固体生物质和/或煤。所述固体生物质包括生活垃圾、秸秆枝丫柴、有机污泥等固废中的任一种或多种，也可以包括药渣菌渣、医疗废物等危废中的任一种或多种。优选的，所述步骤(a)中，于900-980℃裂解气体烃得到C和H2。优选的，所述步骤(a)中，气化剂包括氧气。更优选的，所述氧气的纯度为60-99.6％。优选的，所述气化剂的用量占理论空气量的体积的10-38％。当可燃物为生活垃圾时，气化剂的用量占理论空气量的体积的20±2％；当可燃物为秸秆时，气化剂的用量占理论空气量的体积的10-12％；当可燃物为煤时，气化剂的用量占理论空气量的体积的26-38％。优选的，所述步骤(c)中，将步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气加热至210±5℃，加压至2±0.02MPa；水蒸气压力调节至2±0.02MPa。更优选的，将混合气与水蒸气混合，使得到的增氢的燃气中，H2与CO的比例为(3-3.2)﹕1，H2按比例略过量一点。优选的，所述步骤(c)中，CO与H2O在CO变换催化剂的作用下，反应得到H2。混合气与水蒸气混合后，进入增氢反应器，增氢反应器内设置多组列管，在列管与增氢反应器壳体之间的管间空腔，装填CO变换催化剂，混合后的气体流经催化剂床层，进行反应CO+H2O＝H2+CO2。这一反应为放热反应，其反应热由列管中的除氧水吸收，用于产生水蒸气，进一步提高能量利用效率，减少能量损失。除氧水在列管内的温度约223℃，列管内压力为2.55MPa，在此压力下饱和蒸汽温度为225℃，低于此温度的水为液态，因此列管内的水90％为液态，能有效将能量移走。除氧水进入汽包用于产生水蒸气，汽包内压力调整为2.1MPa，此压力下饱和蒸汽温度为215℃，调控汽包内温度＞215℃，则汽包内除氧水液面不断生产饱和蒸汽，经汽包上部除沫器过滤，液滴落下，蒸汽排出，送入步骤(b)中得到的含CH4和CO的混合气中。汽包内除氧水下部低于215℃，水为液态，从汽包下部出口排出部分，进入变换炉的列管中以此循环，变换反应热被移至汽包。上述CO变换催化剂的催化剂床层的温度不高于250℃，由热电偶检测传出。从增氢反应器中排出的增氢的燃气的温度约250℃，进入换热器的管间空腔，除氧水进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光催化生产烷烃的装置，其特征在于，包括回转窑、增氢反应单元、甲烷化反应单元；所述回转窑的筒体内部由进料端至出料端依次设置有热解段、明火段和还原段，所述明火段和还原段设置有光催化内筒，所述回转窑内设置有送氧单元，所述送氧单元的供氧端伸至明火段；所述增氢反应单元包括混合器、汽包、增氢反应器，所述汽包连接于混合器，所述混合器连接于增氢反应器；所述混合器的进料端连接于所述回转窑的出料端；所述增氢反应器的出料端连接于所述甲烷化反应单元的进料端。

【技术特征摘要】
1.一种光催化生产烷烃的装置，其特征在于，包括回转窑、增氢反应单元、甲烷化反应单元；所述回转窑的筒体内部由进料端至出料端依次设置有热解段、明火段和还原段，所述明火段和还原段设置有光催化内筒，所述回转窑内设置有送氧单元，所述送氧单元的供氧端伸至明火段；所述增氢反应单元包括混合器、汽包、增氢反应器，所述汽包连接于混合器，所述混合器连接于增氢反应器；所述混合器的进料端连接于所述回转窑的出料端；所述增氢反应器的出料端连接于所述甲烷化反应单元的进料端。2.根据权利要求1所述的光催化生产烷烃的装置，其特征在于，所述光催化内筒的材质为耐热钢。3.根据权利要求1所述的光催化生产烷烃的装置，其特征在于，所述热解段、明火段和还原段分别设置有加热单元。4.根据权利要求1所述的光催化生产烷烃的装置，其特征在于，所述送氧单元包括输氧总管；所述输氧总管包括输氧管、冷却水管和点火部件；所述输氧总管的供氧端从所述回转窑的进料端穿过热解段伸至明火段；所述点火部件包括点火棒、燃气输送管、检测器；所述点火部件设置于输氧总管中，延伸至明火段。5.根据权利要求1所述的光催化生产烷烃的装置，其特征在于，所述装置还包括CO2输送...

【专利技术属性】
技术研发人员：史金麟，
申请(专利权)人：史金麟，殷梅芳，
类型：新型
国别省市：江苏,32