本實用新型屬于合成氣制備領域，具體而言，本實用新型涉及非催化部分氧化-重整爐。

背景技術：

以H2、CO為主的合成氣是目前大多化工合成的主要原料，如合成氨、合成甲醇、烯烴和乙二醇等，也可以直接作為還原氣供氣基豎爐直接還原鐵礦石使用。天然氣因其清潔且利用方便成為大多工業(yè)的首選制合成氣的原料。

天然氣的主要成分為甲烷，目前工業(yè)上主要采用水蒸氣催化重整天然氣工藝生產合成氣。該工藝能耗高、投資大等缺點，特別是其合成氣的H2/CO＝3，不適合大多的后續(xù)化工加工工藝。20年代末以來，天然氣自熱部分氧化制合成氣成為人們研究討論的重點，該工藝是讓天然氣在1000℃以上的高溫下與氧氣發(fā)生不完全燃燒反應，生成H2+CO為主的合成氣。但是該方法制備的合成氣的品質不高。

因此，目前生產合成氣技術仍有待進一步改進。

技術實現要素：

本實用新型旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本實用新型的一個目的在于提出一種非催化部分氧化-重整爐，該非催化部分氧化-重整爐結構較簡單，恰好利用了上部空間非催化部分氧化反應產生的過高溫度顯熱以供下部重整反應使用，利用其制備合成氣無需大量昂貴的鎳基催化劑，維護成本低，制得的合成氣品質高。

根據本實用新型的一個方面，本實用新型提出了一種非催化部分氧化-重整爐，包括：

反應腔室，所述反應腔室內自上而下形成非催化部分氧化區(qū)和重整區(qū)；

氧氣入口和第一天然氣入口，所述氧氣入口和第一天然氣入口分別獨立地設置在所述非催化部分氧化區(qū)的頂壁或者側壁上；

第二天然氣入口，所述第二天然氣入口設置在所述非催化部分氧化區(qū)與所述重整區(qū)的 交界處的側壁上；以及

合成氣出口，所述合成氣出口設置在所述重整區(qū)的底壁上。

由此，根據本實用新型的上述實施例的非催化部分氧化-重整爐，反應腔室內的上部為主要發(fā)生氧氣與天然氣的非催化部分氧化反應的非催化部分氧化區(qū)，反應腔室內的下部為主要發(fā)生天然氣與上部生成的粗合成氣的重整反應的重整區(qū)。非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)的主要區(qū)別是其中發(fā)生的主要化學反應不同，而未進行人工強行隔離。僅通過在中部開設了第二天然氣入口，通過第二天然氣入口噴入天然氣后即發(fā)生以重整蓄熱反應而形成重整區(qū)。該非催化部分氧化-重整爐恰好利用上部非催化部分氧化反應為放熱反應產生的高溫氣體顯熱，為下部的重整區(qū)提供熱量，進而使得上部產生的粗合成氣繼續(xù)與再次通入的新鮮天然氣發(fā)生重整反應，進而制得優(yōu)質合成氣。利用該非催化部分氧化-重整爐制備合成氣達到熱量與物質的最佳利用。

另外，根據本實用新型上述實施例的非催化部分氧化-重整爐還可以具有如下附加的技術特征：

在本實用新型中，所述氧氣入口和第一天然氣入口均設置在所述非催化部分氧化區(qū)的頂壁上。

在本實用新型中，上述實施例的非催化部分氧化-重整爐進一步包括：預熱爐，所述預熱爐具有天然氣入口和預熱天然氣出口，所述預熱天然氣出口分別與所述第一天然氣入口和所述第二天然氣入口相連。

附圖說明

圖1是根據本實用新型一個實施例的非催化部分氧化-重整爐的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

根據本實用新型的一個方面，本實用新型提出了一種非催化部分氧化-重整爐。下面參考圖1詳細描述本實用新型具體實施例的非催化部分氧化-重整爐。

根據本實用新型具體實施例的非催化部分氧化-重整爐包括：反應腔室10，氧氣入口30和第一天然氣入口40，第二天然氣入口50，合成氣出口60。其中，反應腔室10內自上而下形成非催化部分氧化區(qū)11和重整區(qū)12；氧氣入口30和第一天然氣入口40分別獨立地設置在非催化部分氧化區(qū)的頂壁或者側壁上；第二天然氣入口50設置在非催化部分氧化區(qū)11與重整區(qū)12的交界處的側壁上；以及合成氣出口60設置在重整區(qū)12的底壁上。

由此，根據本實用新型的上述實施例的非催化部分氧化-重整爐，反應腔室內的上部為主要發(fā)生氧氣與天然氣的非催化部分氧化反應的非催化部分氧化區(qū)，反應腔室內的下部為主要發(fā)生天然氣與上部生成的粗合成氣的重整反應的重整區(qū)。非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)的主要區(qū)別是其中發(fā)生的主要化學反應不同，而未進行人工強行隔離。僅通過在中部開設了第二天然氣入口，通過第二天然氣入口噴入天然氣后即發(fā)生以重整蓄熱反應而形成重整區(qū)。該非催化部分氧化-重整爐恰好利用上部非催化部分氧化反應為放熱反應產生的高溫氣體顯熱，為下部的重整區(qū)提供熱量，進而使得上部產生的粗合成氣繼續(xù)與再次通入的新鮮天然氣發(fā)生重整反應，進而制得優(yōu)質合成氣。利用該非催化部分氧化-重整爐制備合成氣達到熱量與物質的最佳利用。

根據本實用新型的具體實施例，氧氣入口30和第一天然氣入口40均設置在非催化部分氧化區(qū)的頂壁上。由此，使得通入的天然氣與氧氣發(fā)生非催化部分氧化反應，并且可以使得生成的粗合成氣由非催化部分氧化區(qū)進入重整區(qū)。進而利用非催化部分氧化區(qū)內的反應放出的熱量供給至重整區(qū)，進而實現熱量的充分利用。

根據本實用新型的具體實施例，上述實施例的非催化部分氧化-重整爐進一步包括：預熱爐70，所述預熱爐具有天然氣入口71和預熱天然氣出口72，所述預熱天然氣出口72分別與所述第一天然氣入口40和所述第二天然氣入口50相連。由此，將用于制備合成氣的天然氣預先在預熱爐70內進行加熱。由此降低非催化部分氧化-重整爐內制備合成氣的能耗，進而降低在爐內生成的H₂O含量。

根據本實用新型的具體實施例，具體，可以將天然氣加熱至250攝氏度，由此可以將其與溫度為250攝氏度的氧氣同時通入反應腔室內的非催化部分氧化區(qū)，進而使得天然氣與氧氣直接發(fā)生非催化部分氧化反應，生成粗合成氣。由此無需外部供應反應所需熱量，同時降低在爐內生成的H₂O含量。

另外，發(fā)明人發(fā)現，為了減少天然氣在非催化部分氧化-重整爐內的完全燃燒量，故而 生成的H₂O更少。因為將預熱后的約250℃的天然氣加熱到1200多℃，比冷的天然氣加熱到1200多℃消耗的能量更少，反應產生的H₂O也更少。

根據本實用新型的具體實施例，天然氣非催化部分氧氣反應是個強放熱過程，無需像水蒸汽重整法那樣需要額外燃料燃燒以提供重整反應所需大量熱量，因此單位能耗能顯著降低。另外，無需催化劑，因此可以顯著降低該非催化部分氧化-重整爐的造價，也可放寬對原料硫含量的限制，維護成本更低。

本實用新型上述實施例的非催化部分氧化—重整爐，通過天然氣分段通入，使得在同一個反應腔室內同時發(fā)生非催化部分氧化反應和重整反應，上部非催化部分氧化反應生產的約1300℃的粗合成氣，在下部重整區(qū)內與天然氣進行重整吸熱后降至約900℃。既恰好利用了上部空間非催化部分氧化反應產生的過高溫度顯熱以供下部重整反應使用，進而制備得到了高溫的優(yōu)質合成氣。并且該高溫的優(yōu)質合成氣可直接供給至氣基豎爐直接還原裝置使用，由此省去了廢鍋顯熱回收和洗滌除水等工序。因此，本實用新型上述實施例的非催化部分氧化—重整爐實現熱量充分利用、所產合成氣的品質達到最優(yōu)，既未浪費熱量，又無需外部供應反應所需熱量。

根據本實用新型的具體實施例，利用該非催化部分氧化—重整爐制備合成氣，其中甲烷的轉化率高。另外，非催化部分氧化區(qū)產生的粗合成氣中水蒸氣含量高，約10體積％。通過進一步地，在重整區(qū)發(fā)生的重整反應后，制得的優(yōu)質合成氣中水蒸氣含量降低至約1-6％。由此可直接供后續(xù)合成系統(tǒng)或氣基豎爐直接還原系統(tǒng)使用。

為了方便理解本實用新型上述實施例的非催化部分氧化-重整爐，下面對利用利用前面實施例的非催化部分氧化-重整爐制備合成氣的方法進行描述。

根據本實用新型具體實施例的用前面實施例的非催化部分氧化-重整爐制備合成氣的方法包括：通過氧氣入口和第一天然氣入口向非催化部分氧化區(qū)內通入氧氣和第一部分天然氣，使氧氣和第一部分天然氣發(fā)生非催化部分氧化反應，以便得到粗合成氣；通過第二天然氣入口向非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)的交界處通入第二部分天然氣，使第二部分天然氣與粗合成氣發(fā)生重整反應，以便獲得優(yōu)質合成氣；以及將優(yōu)質合成氣從合成氣出口排出；其中，重整區(qū)內發(fā)生的重整反應所需熱量來自非催化部分氧化區(qū)內發(fā)生的非催化部分氧化反應放出的熱量。

由此，根據本實用新型的上述實施例的非催化部分氧化-重整爐，反應腔室內的上部為 主要發(fā)生氧氣與天然氣的非催化部分氧化反應的非催化部分氧化區(qū)，反應腔室內的下部為主要發(fā)生天然氣與上部生成的粗合成氣的重整反應的重整區(qū)。非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)的主要區(qū)別是其中發(fā)生的主要化學反應不同，而未進行人工強行隔離。僅通過在中部開設了第二天然氣入口，通過第二天然氣入口噴入天然氣后即發(fā)生以重整蓄熱反應而形成重整區(qū)。該非催化部分氧化-重整爐恰好利用上部非催化部分氧化反應為放熱反應產生的高溫氣體顯熱，為下部的重整區(qū)提供熱量，進而使得上部產生的粗合成氣繼續(xù)與再次通入的新鮮天然氣發(fā)生重整反應，進而制得優(yōu)質合成氣。利用該非催化部分氧化-重整爐制備合成氣達到熱量與物質的最佳利用。

根據本實用新型的具體實施例，上述實施例的制備合成氣的方法進一步包括：預先將第一天然氣和第二天然氣預熱250攝氏度。根據本實用新型的具體實施例，氧氣的溫度為250攝氏度。由此可以將250攝氏度的第一天然氣和氧氣同時通入反應腔室內的非催化部分氧化區(qū)，進而使得天然氣與氧氣直接發(fā)生非催化部分氧化反應，生成粗合成氣。由此無需外部供應反應所需熱量。

根據本實用新型的具體實施例，天然氣非催化部分氧氣反應是個強放熱過程，無需像水蒸汽重整法那樣需要額外燃料燃燒以提供重整反應所需大量熱量，因此單位能耗能顯著降低。根據本實用新型的具體實施例，發(fā)生非催化部分氧化反應的非催化部分氧化區(qū)內的溫度為1200-1350攝氏度。因此，上部非催化部分氧化反應生產的約1300℃的粗合成氣，在下部重整區(qū)內與天然氣進行重整吸熱后降至約900℃，因此，重整區(qū)內的溫度為850-1000攝氏度。由此，既恰好利用了上部空間非催化部分氧化反應產生的過高溫度顯熱以供下部重整反應使用，進而制備得到了高溫的優(yōu)質合成氣。并且該高溫的優(yōu)質合成氣可直接供給至氣基豎爐直接還原裝置使用，由此省去了廢鍋顯熱回收和洗滌除水等工序。因此，本實用新型上述實施例的非催化部分氧化—重整爐實現熱量充分利用、所產合成氣的品質達到最優(yōu)，既未浪費熱量，又無需外部供應反應所需熱量。

另外，該制備合成氣的方法無需催化劑，因此可以顯著降低該非催化部分氧化-重整爐的造價，也可放寬對原料硫含量的限制，維護成本更低。

根據本實用新型的具體實施例，通過將天然氣分為兩部分在不同階段參與反應制備合成氣，根據本實用新型的具體實施例，第一天然氣與第二天然氣的體積比為(80-95)：(5-20)。發(fā)明人發(fā)現，如果該比例過高，則出非催化部分氧化-重整爐的合成氣中的H₂O 含量達不到<6％的要求；如果該比例過低，則出部分氧化-重整爐的合成氣中的甲烷量會偏高并且合成氣的溫度也會過低。由此，通過控制第一天然氣與第二天然氣的體積比為(80-95)：(5-20)可以進一步提高制備得到的合成氣的產品品質。根據本實用新型的具體實施例，通過上述方法制備得到的合成氣中水蒸氣含量低于6體積％，二氧化碳含量低于2.5體積％，甲烷含量低于2.5體積％。

根據本實用新型的具體實施例，將氧氣與第一天然氣按照(0.6-0.9)：1的體積比通入非催化部分氧化區(qū)。由此可以使得二者充分反應生成粗合成氣。發(fā)明人發(fā)現，如果該比例過高，則反應生成的粗合成氣中H₂O含量過高；如果該比例過低，則反應生成的粗合成氣溫度偏低，進而無法為下面的重整區(qū)內的重整反應提供足夠的熱量。

根據本實用新型的具體實施例，發(fā)明人發(fā)現，氧氣、第一天然氣和第二天然氣的溫度，氧氣和天然氣的配比，以及第一天然氣與第二天然氣加入量配比是影響非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)內的熱量匹配的關鍵因素。為此，發(fā)明人為了使得非催化部分氧化區(qū)與重整區(qū)內的熱量能夠達到匹配，即非催化部分氧化區(qū)內發(fā)生的非催化部分氧化反應放出的熱量恰好能夠滿足重整區(qū)內的重整反應所需熱量?？梢酝ㄟ^同時控制氧氣、第一天然氣和第二天然氣的預熱溫度為250攝氏度，氧氣與第一天然氣按照(0.6-0.9)：1，以及第一天然氣與第二天然氣的體積比為(80-95)：(5-20)。由此可以進一步提高熱量利用率，降低生產成本，同時提高合成氣品質。

根據本實用新型的具體實施例，利用該非催化部分氧化—重整爐制備合成氣，其中甲烷的轉化率高。另外，非催化部分氧化區(qū)產生的粗合成氣中水蒸氣含量高，約10體積％。通過進一步地，在重整區(qū)發(fā)生的重整反應后，制得的優(yōu)質合成氣中水蒸氣含量降低至約1-6％。由此可直接供后續(xù)合成系統(tǒng)或氣基豎爐直接還原系統(tǒng)使用。

根據本實用新型的具體實施例，通過上述實施的制備合成氣的方法制備得到的優(yōu)質合成氣中水蒸氣含量低于6體積％，二氧化碳含量低于2.5體積％，甲烷含量低于2.5體積％。

實施例1

非催化部分氧化—重整爐內的上部為主要發(fā)生氧氣與天然氣的部分氧化反應的部分氧化區(qū)，下部為主要發(fā)生天然氣與非催化部分氧化—重整爐上部生成的粗合成氣的重整反應的重整區(qū)。預熱后約250℃的天然氣分為兩路，第1路約85％天然氣從部分氧化-重整爐頂 部進入，與同樣從頂部通入的約250℃的氧氣(氧氣/第1路天然氣＝0.65)和少量水蒸汽在爐內上部發(fā)生部分氧化反應，部分氧化區(qū)溫度約1330℃，生成以H₂+CO為主的粗合成氣，此粗合成氣中H₂O(g)含量高(約11％)；第2路約15％天然氣從非催化部分氧化-重整爐中部進入，與上部生成粗合成氣發(fā)生重整反應，主要與粗合成氣中的H₂O(g)發(fā)生重整反應，生成約930℃的優(yōu)質合成氣，該合成氣含5.3％的H₂O(g)、1.9％的CO₂、1.1％的CH₄。即上部高溫氣體的約0.6GJ/Nm3氣體的顯熱正好被下部重整吸熱區(qū)利用了。

實施例2

非催化部分氧化—重整爐內的上部為主要發(fā)生氧氣與天然氣的部分氧化反應的部分氧化區(qū)，下部為主要發(fā)生天然氣與非催化部分氧化—重整爐上部生成的粗合成氣的重整反應的重整區(qū)。預熱后約250℃的天然氣分為兩路，第1路約90％天然氣從非催化部分氧化-重整爐頂部進入，與同樣從頂部通入的約250℃的氧氣(氧氣/第1路天然氣＝0.64)和少量水蒸汽在爐內上部發(fā)生部分氧化反應，部分氧化區(qū)溫度約1290℃，生成以H₂+CO為主的粗合成氣，此粗合成氣中H₂O(g)含量高(約10％)；第2路約10％天然氣從部分氧化-重整爐中部進入，與上部生成粗合成氣發(fā)生重整反應，主要與粗合成氣中的H₂O(g)發(fā)生重整反應，生成約950℃的優(yōu)質合成氣，該合成氣含5.6％的H₂O(g)、1.9％的CO₂、1.0％的CH₄。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定” 等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。