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技术

本发明专利技术公开了一种以气态烃为原料进行蓄热式自热转化制合成气的反应器装置与方法。所述反应器主要由燃烧室、混合室、两个重整段和两个蓄热段所组成。该反应器的进料原料气被分为两路：一部分与氧气从中间烧嘴进入燃烧室发生放热反应；另一部分与水蒸汽混合后从旁路经一端进气口进入反应器，经蓄热段预热后在重整段发生预重整反应，反应后的气体与燃烧室出口高温气体混合，再进入另一重整段发生重整反应，产物经另一蓄热段冷却后排出。本发明专利技术反应器配备有流向切换阀周期性地改变反应器中的气体流向，可在一个反应器中实现进料预热、反应、产物冷却的目的。本发明专利技术的反应器可减少过程氧耗，提高合成气收率和品质，提高全过程的热效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
本专利技术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°C ，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(A和HW)下降。同时，自热重整反应器出口产物的温度高达100(TC，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V0(;燃烧(US5823770， CN2779256Y) 、 S02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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供了一种新型的烃类原料自热转化生产合成气的反应器装置与生产方法，通过将蓄热式换热技术与自热重整工艺有机结合，达到提高过程热效率与合成气收率，降低过程氧耗，减少换热设备投资等目的。 本专利技术提供了用于将气态烃原料转化制成合成气的蓄热式自热转化反应器，所述的反应器是一种新型的非定态反应器，该反应器包括燃烧室、混合室、两个催化重整段、两个蓄热段、两个旁路进气/排气端口以及流向变换系统；所述的燃烧室顶部设有烧嘴，底部设有收縮口作为排气口 ；所述的混合室与燃烧室和对称的两个重整段相连；所述的两个重整段分别与两个蓄热段相连。 本专利技术的反应器中，所述的流向变换系统包括两个流向切换阀，每隔一定时间周期，通过所述流向切换阀阀位的转换强制改变两个旁路进气/排气端口的进气或排气的方向，实现除燃烧室之外反应器中其它各段的气体流动方向逆转，即气体流动方向在混合室、两个重整段和两个蓄热段中逆转。 如上所述，本专利技术的反应器是一种新型的非定态反应器，其中所谓的非定态是指由于反应器中气体流向的周期性变化，反应器中各点的温度压力组成等参数在每个瞬间都在不断变化，但从较长的时间间隔来看，这些参数的变化呈现一定的周期性，规律明显。因此，这种非定态不同于传统的非稳态(参数变化无规律)，它可以预测，易于控制，常被用于提高反应器热效率，使放热反应靠近反应平衡温度线。当本专利技术的反应器开车之后，经过短暂的波动，即可自行调整进入这种非定态，此时可以认为反应器达到了周期性稳态。 具体的，本专利技术所述的反应器包括两个催化重整段，也称为重整段，其中处于混合室上游的重整段为预重整段，处于混合室下游的为完全重整段；所述的重整段床层装有水蒸汽重整或二氧化碳重整催化剂，与混合室相连的部分装有耐火填料层，使从混合室进入重整段的气体均匀进入，例如其中所述的耐火填料层可以是耐火小球。所述的两个蓄热段分别与两个重整段相连，其中装有惰性填料，优选高热容惰性填料；与所述预重整段相连的蓄热段起到预热旁路进气的作用，与所述完全重整段相连的蓄热段起到产物流股冷却的作用。 本专利技术所述的两个蓄热段中装填的惰性填料是本领域常用的同类惰性填料，优选高热容惰性填料，例如瓷拉西环等。 本专利技术反应器所使用的气态烃进气原料和所生产的合成气是本领域常规的原料和产品，根据本领域的常识，所述原料气和产品合成气的组成可在很大范围内变化。本专利技术反应器可用于处理本领域已知的各种原料气，并可根据原料气的不同组成通过选择设备尺寸、所使用的催化剂和装填量和/或调整优化各种工艺条件，例如对重整段的反应温度、蓄热段填料的性能和装填量、旁路进气的进料比、水蒸汽的添加量等进行优化和调整，生产各种不同组成的合成气，用于不同的后续合成工艺。以上所述的各种选择和调整是本专业技术人员通过一定的试验，无须经过创造性的劳动即可实现的。 上述两个重整段床层所装填的水蒸汽重整或二氧化碳重整催化剂是本领域常用的同类催化剂。根据反应器进料和对产品要求的不同，本专利技术所述的重整段可选用不同的催化剂，其中所进行的反应也略有差异，但均可达到本专利技术的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蓄热式自热转化生产合成气的反应器，所述的反应器包括燃烧室、混合室、两个催化重整段、两个蓄热段、两个旁路进气／排气端口以及流向变换系统；所述的燃烧室顶部设有烧嘴，底部设有收缩口作为排气口；所述的混合室与燃烧室和两个对称的重整段相连；所述的两个重整段分别与两个蓄热段相连；该反应器用于将气态烃原料经蓄热式自热转化制备合成气。

【技术特征摘要】
一种蓄热式自热转化生产合成气的反应器，所述的反应器包括燃烧室、混合室、两个催化重整段、两个蓄热段、两个旁路进气/排气端口以及流向变换系统；所述的燃烧室顶部设有烧嘴，底部设有收缩口作为排气口；所述的混合室与燃烧室和两个对称的重整段相连；所述的两个重整段分别与两个蓄热段相连；该反应器用于将气态烃原料经蓄热式自热转化制备合成气。2. 如权利要求1所述的反应器，其中所述的流向变换系统包括两个流向切换阀，每隔一定时间，通过所述的流向切换阀强制改变两个旁路进气/排气端口的进气或排气的方向，实现除燃烧室之外反应器中其它各段的气体流动方向的逆转。3. 如权利要求2所述的反应器，其中所述的两个重整段中处于混合室上游的重整段为预重整段，处于混合室下游的为完全重整段；所述的两个蓄热段分别与两个重整段相连，其中与所述预重整段相连的蓄热段起到预热旁路进气的作用，与所述完全重整段相连的蓄热段起到产物流股冷却的作用；其中所述重整段的床层装有水蒸汽重整或二氧化碳重整催化剂，与混合室相连的部分装有耐火填料层；所述的两个蓄热段内装高热容惰性填料；在上述反应器中所进行的反应过程是气态烃原料进料时分为两股， 一股与氧气流股混合经由烧嘴进入所述燃烧室发生非催化部分氧化反应；另一股与水蒸汽流股混合后从旁路进气端口进入，通过一蓄热段换热后进入预重整段发生预重整反应；经燃烧室发生反应后的气体与经由预重整段发生反应后的气体在所述混合室内混合后，进入完全重整段进一步发生重整反应，生成的合成气产物经由与所述完全重整段对应的另一蓄热段换热冷却后排出反应器。4. 如权利要求l-3任意一项所述的反应器，其中所述反应器包括位于该反应器上部的燃烧室(l)，位于该燃烧室顶部的烧嘴(ll)，位于该燃烧室下部的混合室(2)，位于混合室(2)下部、与之相连通的两个左右对称的重整段(3a)和(3b)，分别与所述两个重整段相连接的两个蓄热段(4a)和(4b)，位于该装置下端的两个旁路进气/排气端口 (6a)和(6b);以及作为流向变换系统的两个流向切换阀(Va)和(Vb)。5. 如权利要求4所述的反应器，其特征在于所述的混合室(2)与燃烧室交接处室壁的弧线的切线为水平线；所述燃烧室(1)的底部有收縮口作为排气口，所述燃烧室的高度超过火焰最大喷射高度；所述两个重整段(3a)和(3b)的顶部分别装有耐高温填料层(31a)和(31b)，其中的重整床层填充有水蒸汽重整或二氧化碳重整催化剂；所述的蓄热段(4a)和(4b)的底部分别有支撑板(41a)和(41b)，板上有小孔，所述的支撑板被固定连接于反应器壳体上；在所述的支撑板上填充高热容惰性填料；以及所述的旁路进口端(6a)和(6b)分别设有气体分布器(5a)和(5b)。6. 如权利要求l-3任意一项所述的反应器，其特征在于所述燃烧室(1)设于该装置的下部，所述烧嘴(11)位于燃烧室(1)顶部，所述的混合室(2)位于燃烧室(1)下部，与燃烧室(1)和两个重整段(3a)和(3b)相连通，所述的两个重整段位于混合室的上部，分为左右两个，所述两...

【专利技术属性】
技术研发人员：高军虎，董根全，曹立仁，郝栩，李永旺，
申请(专利权)人：中科合成油技术有限公司，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]