一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置的制作方法

1.本实用新型涉及能源化工设备技术领域，具体涉及一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置。

背景技术：

2.二氧化碳和甲烷重整是可预期大规模应用二氧化碳的技术之一。甲烷和二氧化碳重整反应方程式：ch4+co2＝2h2+2co(
△
h＝247kj
·
mol-1)，该反应是一个强吸热反应，并且温度高达600℃以上才有显著的合成气生产。
3.专利cn201510641840.0公开一种天然气-二氧化碳干重整制合成气工艺，其采用列管式反应器进行天然气-二氧化碳重整，而列管式反应器外部燃烧供热会继续释放大量低浓度、难回收的二氧化碳。专利cn201320023796.3公开一种二氧化碳-甲烷自热重整反应器，采用自热式二氧化碳-甲烷重整，采用ni-ca-zr催化剂，运行温度1000℃以下，无需外部供热因此无二氧化碳燃烧排放，该专利的重整反应器通过气体分布器来使原料气经过气体分布器分布后再与烧嘴喷射的高速氧气在细长的混合器中混合反应。
4.本实用新型旨在进一步加强合成气与氧气的混合程度且构造紧凑的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，以实现温室气体二氧化碳的净转化，并通过增加氧气和原料气的接触面积，减少反应需要的停留时间，降低燃烧区的燃烧高度，使整个装置更紧凑。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型实施例提供一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，包括炉体和连通炉体腔室内外的烧嘴，所述炉体腔室自上而下依次设有燃烧室、催化室和集气室；
7.所述烧嘴设有中间流道和设于所述中间流道外部的外侧流道，所述中间流道用于输送第一股混合气，所述外侧流道用于输送氧气；
8.所述炉体还设有用于输入第二股混合气混合气入口和用于输出合成气的合成气出口。
9.在一可行的实施方式中，所述烧嘴贯穿所述炉体顶部设置，所述烧嘴的出口端设于所述燃烧室；
10.和/或，所述混合气入口设于所述炉体侧壁，且所述混合气入口的位置不低于所述烧嘴出口端。
11.在一可行的实施方式中，所述中间流道横截面为圆形，所述外侧流道横截面为环形。
12.在一可行的实施方式中，所述外侧流道的内径不小于所述中间流道的外径。
13.在一可行的实施方式中，所述外侧流道的内壁与所述中间流道的外壁重合；
14.和/或，所述外侧流道的外径与所述中间流道的内径比为(11～51):(10～50)。
15.在一可行的实施方式中，所述燃烧室包括狭长部和扩散部。
16.在一可行的实施方式中，所述狭长部为圆柱形，所述扩散部为锥形；
17.和/或，所述炉体的内径(具体是指扩散部的内径)、所述外侧流道的外径和所述中间流道的内径比为(80～120):(11～51):(10～50)；
18.在一可行的实施方式中，所述烧嘴还设有与所述外侧流道连通的水蒸气入口；
19.和/或，所述烧嘴下侧设有耐火材料。
20.在一可行的实施方式中，所述催化室底部设有弓形氧化铝支撑层；
21.和/或，所述催化室设有催化剂更换口；和/或，所述催化室和所述合成气出口设有热电偶。
22.在一可行的实施方式中，所述炉体腔室外侧设有耐火衬里；和/或，所述炉体外侧设有冷媒夹套。
23.上述技术方案具有如下技术效果：
24.1)首先，本实用新型的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置用于二氧化碳和甲烷重整制备氢气和一氧化碳为主的合成气，实现温室气体二氧化碳的净转化，是一种碳减排装置。
25.2)其次，本实用新型的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置通过输入流道的设置，分别向炉体内输入两股混合气和氧气，增加混合器与氧气的接触面积。特别的，通过在烧嘴结构中设置中间流道和设于中间流道外部的外侧流道，氧气通过外侧流道通入炉体，第一股混合气通过中间流道通入炉体，氧气和第一股混合气在流出烧嘴时，氧气包绕第一股混合气。此种结构设计增加了氧气与二氧化碳甲烷混合气的接触面积，一方面降低反应激烈程度，降低实际反应温度，降低对烧嘴材料的要求或增加烧嘴的使用寿命，另外一方面增加了燃烧反应的有效面积，降低反应需要的停留时间，可以降低燃烧室的高度，从而提高装置使用年限和提高装置的紧凑性。
附图说明
26.图1为本实用新型所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置示意图；
27.图2为本实用新型所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置的烧嘴示意图；
28.图3为本实用新型所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置的各组分流道示意图。
29.附图标记
[0030]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
炉体
[0031]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧室
[0032]
111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧室狭长部
[0033]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
催化室
[0034]
121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
弓形氧化铝支撑层
[0035]
122
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
催化剂更换口
[0036]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集气室
[0037]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
混合气入口
[0038]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
合成气出口
[0039]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
烧嘴
[0040]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中间流道
[0041]
211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一股混合气入
[0042]
212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一股混合气出
[0043]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外侧流道
[0044]
221
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氧气入
[0045]
222
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氧气出
[0046]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水蒸气入口
[0047]
231
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
水蒸气入
[0048]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
耐火材料层
[0049]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热电偶
[0050]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
耐火衬里
[0051]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷媒夹套
[0052]
d1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中间流道内径
[0053]
d2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外侧流道外径
[0054]
d3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
炉体的内径
具体实施方式
[0055]
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0056]
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“下侧”、“外侧”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0057]
如图1-3所示，本实用新型提供一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，包括炉体1和连通炉体腔室内外的烧嘴2，炉体腔室自上而下依次设有燃烧室11、催化室12和集气室13。烧嘴2设有中间流道21和设于中间流道21外部的外侧流道22，中间流道21用于输送第一股混合气，外侧流道22用于输送氧气。炉体1还设有用于输入第二股混合气的混合气入口 14和用于输出合成气的合成气出口15。氧气进入二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，通过外侧通道进入时，与传统方法相比，极大增加氧气与二氧化碳甲烷混合气的接触面积，一方面降低反应激烈程度，降低实际反应温度，降低对烧嘴材料的要求且提高烧嘴的使用寿命，另外一方面增加了燃烧反应的有效面积，降低反应需要的停留时间，提高整个装置的紧凑性。
[0058]
其中，第一股混合气和第二股混合气均为含有甲烷和二氧化碳的混合气体，具体来源根据组成需求或工业需求进行选择，例如单独选自焦炉气、油田气、炼厂气或甲醇合成
气或上述组合。第一股混合气与氧气通过装置顶端、第二股混合气通过侧面进入装置燃烧室11发生燃烧及非催化反应，在燃烧室11反应后的高温组份在催化室12内耐高温催化剂作用下发生二氧化碳甲烷重整为主的反应，反应后富含氢气和一氧化碳的组份通过集气室13出装置。
[0059]
在一具体实施例中，烧嘴2贯穿炉体1顶部设置，烧嘴2的出口端设于燃烧室11，混合气入口14设于炉体1侧壁，且混合气入口14的位置不低于烧嘴2的出口端。如图1所示，混合气入口14设置于炉体的侧壁，其设置位置靠近烧嘴2的下侧但不能低于烧嘴2的出口端，以保证第二股混合气能充分分散在从烧嘴2出口端输出的氧气和第一股混合气周围，不仅可保证较大的混合气和氧气接触面积，还可以避免混合后气体浓度处于甲烷与氧气的爆炸极限内。
[0060]
在一具体实施例中，中间流道21横截面为圆形，外侧流道22横截面为环形。其中，外侧流道22的内径不小于中间流道21的外径。环形外侧流道外径与内径之差即为外流流道横截面直径，外侧流道22的内径不小于中间流道21的外径可以理解为外侧流道22套设在中间流道21外。其中，外侧流道22的内径大于中间流道21的外径时，即外侧流道22与中间流道21壁面之间可有空隙，烧嘴2形成的外侧流道22和中间流道21可通过可拆卸连接形成。当然，烧嘴2形成的外侧流道22和中间流道21可一体加工成型，即外侧流道22的内壁与中间流道21的外壁重合。
[0061]
在一优选实施例中，外侧流道22的外径与中间流道21的内径比为(11～51):(10～50)，合理的流道容量设计配合气体流速保证氧气入口速度70m/s～120m/s。采用适宜的氧气流速，保证氧气不会回流且在烧嘴2在燃烧室内形成脱火燃烧。
[0062]
在一优选实施例中，燃烧室11包括狭长部和扩散部。具体的，如图1所示，狭长部为圆柱形，扩散部为锥形。其中，如图3所示，炉体1的内径(d3)、外侧流道外径(d2)和中间流道内径(d1)比为(80～120):(11～51):(10～50)，合理的流道容量设计配合气体流速保证氧气、第一股混合气、第二股混合气入口流速比例为(70～120)：(40～60)：(3～30)。
[0063]
在一优选实施例中，如图2所示，烧嘴2还设有与外侧流道22连通的水蒸气入口23，可以根据需要通入0％～5％(摩尔比)的水蒸气，适量蒸汽可以控制燃烧程度，降低烧嘴温度，从而保护烧嘴喷头，延迟烧嘴寿命。另外，还在烧嘴2下侧设有耐火材料，耐火材料为化工领域用常规耐火材料。
[0064]
氧气、第一股混合气和水蒸气在烧嘴2中的流动图如图2所示，第一股混合气从中间流道21的入口进入(第一股混合气入211)，从中间流道21的出口流出(第一股混合气出212)；氧气从位于中间流道21外侧的外侧流道22的进口进入(氧气入221)，从外侧流道22的出口流出(氧气出222)，根据需要水蒸气选择从水蒸气入口23进入(水蒸气入231)汇聚到外侧流道22。
[0065]
在一优选实施例中，催化室12底部设有弓形氧化铝支撑层121，具体的为氧化铝砖围城的弓形支撑层，目的在于支撑催化剂床层。另外在弓形氧化铝支撑层12的两侧还设置了氧化铝球堆，目的在于均匀气体分布，同时防止催化剂掉落集气室13。另外，催化室12设有催化剂更换口122，催化室12和合成气出口15设有热电偶3。
[0066]
在一具体实施例中，炉体腔室外侧设有耐火衬里4，耐火衬里4的装配方式和使用材料均为化工领域常规。炉体1外侧设有冷媒夹套5，具体为水夹套。
[0067]
本实用新型提供的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，通过结构设计并配合耐高温催化剂，可适用于超高温(1000～1300℃)二氧化碳甲烷催化重整，耐高温催化剂采用自研催化剂 (镍质量含量5％～15％、氧化铝质量含量50～75％、其他0％～35％，催化剂运行温度为 1000～1300℃)，催化剂甲烷体积空速为1000～5000h-1
。
[0068]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

技术特征：

1.一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，包括炉体(1)和连通炉体腔室内外的烧嘴(2)，所述炉体腔室自上而下依次设有燃烧室(11)、催化室(12)和集气室(13)；所述烧嘴(2)设有中间流道(21)和设于所述中间流道(21)外部的外侧流道(22)，所述中间流道(21)用于输送第一股混合气，所述外侧流道(22)用于输送氧气；所述炉体(1)还设有用于输入第二股混合气的混合气入口(14)和用于输出合成气的合成气出口(15)。2.根据权利要求1所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述烧嘴(2)贯穿所述炉体(1)顶部设置，所述烧嘴(2)的出口端设于所述燃烧室(11)；和/或，所述混合气入口(14)设于所述炉体(1)侧壁，且所述混合气入口(14)的位置不低于所述烧嘴(2)的出口端；和/或，所述集气室(13)内装填耐高温催化剂。3.根据权利要求1所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述中间流道(21)横截面为圆形，所述外侧流道(22)横截面为环形。4.根据权利要求3所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述外侧流道(22)的内径不小于所述中间流道(21)的外径。5.根据权利要求3所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述外侧流道(22)的内壁与所述中间流道(21)的外壁重合；和/或，所述外侧流道(22)的外径与所述中间流道(21)的内径比为(11～51):(10～50)。6.根据权利要求5所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述燃烧室(11)包括狭长部和扩散部。7.根据权利要求6所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述狭长部为圆柱形，所述扩散部为锥形；和/或，所述炉体(1)的内径、所述外侧流道(22)的外径和所述中间流道(21)的内径比为(80～120):(11～51):(10～50)。8.根据权利要求1所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述烧嘴(2)还设有与所述外侧流道(22)连通的水蒸气入口(23)；和/或，所述烧嘴(2)下侧设有耐火材料层(24)。9.根据权利要求1所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述催化室(12)底部设有弓形氧化铝支撑层(121)；和/或，所述催化室(12)设有催化剂更换口(122)；和/或，所述催化室(12)和所述合成气出口(15)设有热电偶(3)。10.根据权利要求1-9任一项所述的二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，其特征在于，所述炉体腔室外侧设有耐火衬里(4)；和/或，所述炉体(1)外侧设有冷媒夹套(5)。

技术总结

本实用新型提供一种二氧化碳甲烷催化重整自热式装置，属于能源化工装置技术领域，其包括炉体和连通炉体腔室内外的烧嘴，所述炉体腔室自上而下依次设燃烧室、催化室和集气室；所述烧嘴设有中间流道和设于所述中间流道外部的外侧流道，所述中间流道用于输送第一股混合气，所述外侧流道用于输送氧气；所述炉体还设有用于输入第二股混合气的混合气入口和用于输出合成气的合成气出口。本实用新型通过在烧嘴结构中设置中间流道和外侧流道，氧气和第一股混合气在流出烧嘴时，氧气包绕第一股混合气，增加了氧气与二氧化碳甲烷混合气的接触面积，降低反应激烈程度，降低反应需要的停留时间，从而提高装置的使用寿命和提高装置紧凑性。性。性。