專利名稱：氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備合成氣的裝置與方法，具體地說涉及一種以氣態(tài)烴為原料通過非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的裝置與方法。
所謂蒸汽轉(zhuǎn)化法是氣態(tài)烴按一定比例與水蒸汽混合，在一定溫度、壓力下進行催化轉(zhuǎn)化反應，過程是在管式反應器中進行的，管外是高溫熱源，熱量傳至管內(nèi)為化學反應提供熱量。以甲烷轉(zhuǎn)化為例，其化學反應為式中R為水碳比，a、b由反應進程決定。國際上著名的化學工業(yè)公司擁有這類技術，例如美國的Kellogg公司，英國的ICI公司，丹麥的Topsoe公司，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法優(yōu)點是不用空分裝置，缺點是需耗用大量高級合金鋼，工藝較為復雜。
所說的非催化部分氧化法是氣態(tài)烴與氧通過噴嘴實現(xiàn)混合與部分氧化，在一個空腔內(nèi)完成化學反應制得合成氣，反應溫度取決于烴氧比，為獲得良好的反應結果一般溫度都維持在1150～1600℃，因無催化劑參與故得名非催化部分氧化法。以甲烷為例，其部分氧化的表達式為式中R為碳氧比，a、b由反應進程決定。在非催化部分氧化領域中美國Texaco公司擁有技術。
所說的催化部分氧化法與非催化部分氧化法的差別是反應空間中是否充填催化劑，或者說化學反應是否在催化劑的作用下進行的，正因為有催化劑的作用所以反應溫度較低，比氧消耗省，但增加了催化劑的費用，是一種風格，但并不被看好。丹麥Topsoe公司擁有該技術。
在非催化部分氧化法領域中，中國專利ZL94193847.6公開了一種用來發(fā)電的部分氧化法。原料涉及液態(tài)烴與氣態(tài)烴，實踐表明設備不變原料互換是不成立的，例如采用該技術的某廠原以渣油為原料，當改用天然氣為原料時，爐頂殼體超過400℃，無法長期處于高報警狀態(tài)下操作，只能進行改造。此外，其不足是流程過于復雜，投資太高；能量利用不合理，不能回收合成氣余熱副產(chǎn)高壓蒸汽。
本發(fā)明的裝置包括氣化爐，所述氣化爐包括圓筒狀殼體、三通道外混式噴嘴、氣化室、洗滌冷卻室和鼓泡床；所說的三通道外混式噴嘴設置在殼體頂部；
所說的氣化室設置在殼體的上端，其外壁設有冷卻夾套，內(nèi)設耐火襯里，氣化室的上部為反應區(qū)，下部設有水管鍋爐；所說的洗滌冷卻室設置在殼體的下端，與氣化室相銜接；所說的鼓泡床設置在殼體的底端，與洗滌冷卻室相銜接。
采用上述裝置以氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的方法包括如下步驟氣態(tài)烴和氧通過噴嘴進入氣化爐，在反應區(qū)中進行非催化部分氧化反應，生成合成氣，通過水管鍋爐回收高溫位反應熱，然后進入洗滌冷卻室，與洗滌水接觸進行冷卻洗滌，再進入鼓泡床，進一步完成冷卻洗滌過程，自出口送往后續(xù)工序。
由上述公開的技術方案可見，本技術的優(yōu)點是十分顯著的本發(fā)明在一個設備中同時完成合成氣制備、熱回收與初步凈化過程，設備緊湊、投資省、副產(chǎn)高壓蒸汽、效率高。
圖2為噴嘴結構圖。
所說的氣化室31設置在殼體3的上端，其外壁設有冷卻夾套2，內(nèi)設耐火襯里，氣化室31的上部為反應區(qū)303，下部設有水管鍋爐305；水夾套2包括進水口203和出水口204，水夾套2垂直段高度最好等于殼體3的直徑，反應區(qū)303與水管鍋爐305之間設置環(huán)形托磚架308，托磚架308之上向火面砌筑高鋁磚301，上拱頂32呈錐形，錐角為70～400°，托磚架308之下殼體3內(nèi)襯耐火澆注料302，水管鍋爐305為一常規(guī)盤管換熱器，飽和水由入口306進，蒸汽或汽水混合物由出口307出。
所說的洗滌冷卻室4設置在殼體3的下端，與氣化室31相銜接，該洗滌冷卻室4包括洗滌冷卻水均環(huán)402、洗滌冷卻管403和破泡板404，有關洗滌冷卻管、洗滌冷卻水分布環(huán)、破泡器可優(yōu)選采用發(fā)明人的專利(申請?zhí)?2266704.0、申請?zhí)?1112880.1)所公開的技術；所說的鼓泡床5設置在殼體3的底端，與洗滌冷卻室4相銜接。
采用上述裝置以氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的方法包括如下步驟氣態(tài)烴經(jīng)過凈化脫除對后序設備(例如壓縮機、噴嘴等)有害的組分，例如固體顆粒、焦油、酚、萘、硫(也可放在部分氧化后再進行脫除)等，經(jīng)壓縮機壓縮至期望壓力，通過噴嘴1的第一通道101與第三通道103，來自空分裝置的氧通過噴嘴1的第二通道102，三股物流以80～200m/s的速度噴出，交匯半角呈8～20°，其中，第一通道101與第三通道103的噴出速度為80～300m/s，優(yōu)選速度為100～200m/s，第二通道102噴出速度為60～250m/s，優(yōu)選速度為80～180m/s，反應區(qū)303的溫度為1150～1600℃，壓力為2.0～10.0Mp，優(yōu)選的溫度為1200～1400℃，優(yōu)選的壓力為4.0～6.5Mp。由于受限射流的卷吸使部分產(chǎn)物回流進入射流流股，也由于火焰、耐火襯里的熱輻射，上述因素都使射流流股迅速升溫，在反應區(qū)303內(nèi)進行部分氧化反應，放出熱量，使反應介質(zhì)進一步升溫，在數(shù)秒內(nèi)出口反應物趨近化學平衡。為了防止更多的產(chǎn)物回流進入射流流股，故氣化室31的拱頂錐角以70～100°為宜，水夾套2可防止殼體3上端超溫(≯250℃)，1150～1600℃高溫反應物進入水管鍋爐305，主要以輻射傳熱的方式向水管鍋爐305傳熱，從而獲得高壓蒸汽。鍋爐給水自進口306進入水管鍋爐305，蒸汽自出口307進汽包，出水管鍋爐305的反應產(chǎn)物溫度為800～1100℃，具體溫度應由下游變換工序所需的蒸汽量決定，如合成氣用于生產(chǎn)甲醇、低碳混合醇、液體燃料，變換工序蒸汽量需求較少，出水管鍋爐305的溫度可以低些，或者說可以副產(chǎn)更多的高壓蒸汽；如合成氣用于生產(chǎn)合成氨，變換工序?qū)⑿韪嗾羝?，出水管鍋爐305的溫度則應高些。合成氣進洗滌冷卻室4以洗滌其中的碳黑，使之溫度降低，并為蒸汽飽和。合成氣進入洗滌冷卻管403，在入口處與洗滌冷卻水均布環(huán)402噴出的水直接接觸，使洗滌冷卻水氣化，合成氣降溫，這一過程延續(xù)到出洗滌冷卻管403，合成氣進入鼓泡床5，由于在鼓泡床5中設置了若干塊破泡板404，所以合成氣在鼓泡床5中向上運動時，不斷進行表面更新，進一步完成洗滌冷卻過程并達到飽和，最終由出氣口406送往后工序，此時合成氣中碳黑含量可降為1～3ppm。
洗滌冷卻水是這樣運行的洗滌水由洗滌水入口407加入，由洗滌水出口408排出，碳黑由碳黑出口405排出。
實施例1以焦爐氣為原料采用非催化部分氧化法生產(chǎn)甲醇裝置，甲醇產(chǎn)量為10萬噸/年，焦爐氣成分(V％)H2＝54～59％，CH4＝23～28％，N2＝3～5％，O2＝0.3～0.7％，CO＝5.5～7％，CO2＝1.2～2.5％，C2+＝1.5～3％，氣化爐壓力為6.5Mp。按年工作日為300天計，甲醇產(chǎn)量為13.89噸/h，焦爐氣用量為27640Nm3/h，耗氧(O2含量＝99.6％)9038Nm3/h。氣化爐殼體內(nèi)直徑為1820mm，向火面內(nèi)直徑1200mm，反應區(qū)直筒段高度6400mm，合成氣出反應區(qū)的溫度為1216℃，干氣成分(V％)H2＝64.60％，CO＝26.08％，CO2＝4.38％，CH4＝0.38％，N2＝3.83％，Ar＝0.47％，NH3＝0.18％，HCN＝0.08％，干氣量為35200Nm3/h。合成氣進入高溫熱回收區(qū)，水管鍋爐采用盤管形，直徑50mm，管心距為100mm，盤管總高為4200mm，出高溫熱回收區(qū)合成氣溫度為1006℃，副產(chǎn)12MPa蒸汽7.4t/h。
合成氣進入洗滌冷卻室，循環(huán)水87t/h進洗滌冷卻水均布環(huán)溫度為230℃，出洗滌冷卻室合成氣溫度為278℃，水蒸汽與干氣比為1.2，進變換工序，每小時補充脫離子水26噸。
權利要求
1.一種氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的裝置，包括氣化爐，其特征在于，所述氣化爐包括圓筒狀殼體(3)、三通道外混式噴嘴(1)、氣化室(31)、洗滌冷卻室(4)和鼓泡床(5)；所說的三通道外混式噴嘴(1)設置在殼體頂部；所說的氣化室(31)設置在殼體(3)的上端，其外壁設有冷卻夾套(202)，氣化室(31)的上部為反應區(qū)(303)，下部設有水管鍋爐(305)；所說的洗滌冷卻室(4)設置在殼體(3)的下端，與氣化室(31)相銜接；所說的鼓泡床(408)設置在殼體(3)的底端，與洗滌冷卻室(4)相銜接。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，三通道外混式噴嘴(1)的第一通道(101)的中心線與氣化爐(3)的中心線重合，第二通道(102)下端部與第三通(103)道下端部內(nèi)側(cè)的邊界線與氣化爐(3)中心線的夾角α為8～20°。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，水夾套(202)垂直段高度等于殼體(3)的直徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，反應區(qū)(303)與水管鍋爐(305)之間設置環(huán)形托磚架(308)，托磚架(308)之上向火面砌筑高鋁磚(301)，上拱頂(32)呈錐形，錐角為70～100°，托磚架(308)之下殼體(3)內(nèi)襯耐火澆注料(302)。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，洗滌冷卻室(4)包括洗滌冷卻水均環(huán)(402)、洗滌冷卻管(403)和破泡板(404)。
6.采用權利要求1～5任一項裝置以氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的方法包括如下步驟氣態(tài)烴和氧通過噴嘴進入氣化爐，在反應區(qū)(303)中進行反應，生成合成氣，通過水管鍋爐(305)回收高溫位反應熱，然后進入洗滌冷卻室(4)，與洗滌水接觸進行冷卻洗滌，再進入鼓泡床(5)，自出口(406)送往后續(xù)工序。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，氣態(tài)烴通過噴嘴(1)的第一通道(101)與第三通道(103)，氧通過噴嘴(1)的第二通道(102)，三股物流以80～200m/s的速度噴出。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，第一通道(101)與第三通道(103)的噴出速度為80～300m/s，第二通道(102)噴出速度為60～250m/s。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，第一通道(101)與第三通道(103)的噴出速度為100～200m/s，第二通道(102)噴出速度為80～180m/s。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，反應區(qū)(303)的溫度為1150～1600℃，壓力為2.0～10.0Mp。
全文摘要
一種氣態(tài)烴為原料非催化部分氧化法生產(chǎn)合成氣的裝置與方法。氣態(tài)烴與氧按一定比例經(jīng)噴嘴進入氣化爐，并在其中進行非催化部分氧化反應制備合成氣。所述裝置包括氣化爐，由氣化室和洗滌冷卻室組成，氣化室由反應區(qū)和高溫熱回收區(qū)組成；洗滌冷卻室由洗滌冷卻水均布環(huán)、洗滌冷卻管和鼓泡床組成。本技術的優(yōu)點是在一個設備中同時完成合成氣制備、熱回收與初步凈化過程，設備緊湊、投資省、副產(chǎn)高壓蒸汽、效率高。
文檔編號C01B3/00GK1446747SQ03115819
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月14日 優(yōu)先權日2003年3月14日
發(fā)明者于遵宏, 王輔臣, 劉海峰, 于廣鎖, 代正華, 周志杰, 王亦飛, 龔欣 申請人:華東理工大學