本实用新型涉及一种合成气制取设备，尤其涉及一种甲烷二氧化碳重整制备合成气的设备，属于合成气制备技术领域。
背景技术：
甲烷是一种广泛存在于天然气、沼气、煤矿坑井气之中的气体，被看作为一种潜在的能源。另一方面，能源与环境一直是人类得以生存繁衍的焦点问题，伴随着石油资源的不间断利用，环境污染问题也日益严重，尤其是二氧化碳排放日益增加，由此所引起的一系列的环境问题。因此，将甲烷与二氧化碳重整结合制备合成气的反应受到了广泛的研究。甲烷与二氧化碳重整反应过程中会伴随着甲烷热解导致积碳而引起堵塞问题，而且合成气一氧化碳在温度较高时会发生歧化反应，这些都会使得重整反应的转化效率大大降低。
关于甲烷二氧化碳重整设备已有一些专利文献报道，如名称为“甲烷干重整研究进展”（http://www.doc88.com/p-6307328713058.html）报道了甲烷干重整的现状、催化剂以及反应机理；名称为“纳米复合物催化剂及其制备方法和应用”的中国实用新型专利申请（申请号：201410443980.2）披露了通过优化催化剂的活性组分，增强活性组分和载体的相互作用，并对催化剂载体进行适当的钝化修饰，提高了催化剂在高温、高压下的活性、稳定性、抗烧结和抗积碳能力；名称为“利用零碳或负碳排放系统制备合成气的设备方法”的中国实用新型专利申请（申请号：201310683298.6）公开了甲烷与水蒸气重整后再与氧气和二氧化碳混合进行重整反应的过程；名称为“用于制合成气或者制氢的催化剂及其制法和应用”的中国实用新型专利（申请号201410326396.9）公开了一种包含活性组分和助剂的催化剂。这些专利文献在避免甲烷分解导致积碳和CO歧化反应主要采用催化剂实现，而通过设计可将过热蒸汽和一氧化碳降温的设备来避免积碳和CO歧化反应问题还没有报道。
技术实现要素：
本实用新型克服现有技术存在的不足，提供了一种甲烷二氧化碳重整制备合成气的设备。本实用新型提供的甲烷二氧化碳重整制备合成气设备能够实现能源的充分利用，有效提高反应物的重整效率。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种甲烷二氧化碳重整制备合成气的设备，包括甲烷出口（1）、二氧化碳出口（2）和过热蒸汽出口（3）；所述甲烷出口（1）和二氧化碳出口（2）均与混合器（4）相连，所述混合器（4）出口和过热蒸汽出口（3）分别通过第一管道和第二管道依次与一级预热器（5）、二级预热器（6）和预热炉（7）相连；所述预热炉（7）与重整转化炉（8）相连；所述重整转化炉（8）通过第三管道依次与氧气加热器（9）和氧气出口（10）相连；所述重整转化炉（8）中部和底部分别设置有催化剂床（11）和合成气出口（12）；所述合成气出口（12）通过第四管道与最终冷却器（13）相连。
所述甲烷出口（1）、二氧化碳出口（2）、过热蒸汽出口（3）和氧气出口（10）分别设置有第一流量调节计（14）、第二流量调节计（15）、第三流量调节计（6）和第四流量调节计（17）。
所述合成气出口（12）通过第四管道依次与废热锅炉（18）、二级预热器（6）、一级预热器（5）、锅炉给水预热器（19）和最终冷却器（13）相连。
所述第一管道、第二管道和第三管道在重整转化炉（8）入口处分别设有第一温度计（20）、第二温度计（21）和第三温度计（22）。
所述最终冷却器（13）的出口连接有气液分离器（23）。
所述废热锅炉（18）通过第五管道与重整转化炉（8）相连。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。
1、利用甲烷通过重整转化制备合成气过程可实现二氧化碳和甲烷两种温室气体的同时高效利用，具有一定的环保效益；该过程还将煤化工大量存在的二氧化碳和甲烷转化成为具有高附加值的化学品，具有巨大的经济效益。
2、在合成气制备中增加了骤冷设备（最终冷却器），将重整转化炉中产出的一氧化碳骤冷，能够缩短一氧化碳在后续反应中发生歧化反应的时间，提高了干重整的转化效率，增加了反应的稳定性。
3、将制备的合成气用于原料气的预热以及后续过程中氧气的间接预热，实现了能源的充分利用，有效降低生产的成本。
4、过热蒸汽先切入预热系统中交换能量温度降低后再通入重整转化炉，不仅实现的能量的充分利用，更能够避开甲烷发生裂解反应的温度敏感区域，有效减少反应的积碳，减低堵塞现象。
5、通过锅炉给水对氧气预热，能够有效避免低温氧气进入重整转化炉后带给重整转化炉的热损失，提高二氧化碳和甲烷的转化效率。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。
图1为本实用新型的结构示意图；
图中，1为甲烷出口，2为二氧化碳出口，3为过热蒸汽出口，4为混合器，5为一级预热器，6为二级预热器，7为预热炉，8为重整转化炉，9为氧气加热器，10为氧气出口，11为催化剂床，12为合成气出口，13为最终冷却器，14为第一流量调节计，15为第二流量调节计，16为第三流量调节计，17为第四流量调节计，18为废热锅炉，19为锅炉给水预热器，20为第一温度计，21为第二温度计，22为第三温度计，23为气液分离器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
整个重整反应装置主要包括：甲烷出口1、二氧化碳出口2、过热蒸汽出口3、氧气出口10、混合器4、一级预热器5、二级预热器6、预热炉7、重整转化炉8、废热锅炉18、锅炉给水预热器19、最终冷却器13、气液分离器23、氧气加热器9。进入重整转化炉上部烧嘴的气体由4股独立的流体组成。
流股1：流股1为二氧化碳和甲烷混合后的原料气。甲烷原料气为甲烷转化装置的合成尾气，甲烷的体积分数为43％。调节甲烷原料气的压力为2.2MPa，温度为215℃。二氧化碳原料气为尿素合成装置的二氧化碳压缩机五段出口气。调节二氧化碳原料气的压力为2.2MPa。调整甲烷与二氧化碳的流量至甲烷与二氧化碳的体积比为2：1。将甲烷原料气和二氧化碳原料气经过混合器4混合，混合后温度约为175℃。
将混合后的原料气经过一级预热器5预热，出口温度366℃，再经过二级预热器6预热至455℃，然后送入预热炉7，出口温度达到650℃以上，预热炉7采用粗煤气作为热源，燃料气来自外管网。经过预热炉7的原料气为流股1，流股1进入重整转化炉8上部。
流股2：流股2为预热氧气。从空气中分离得到的高纯度氧气，经过氧气加热器9时用锅炉给水进行预热，预热后温度为100℃。调整氧气的流量至氧气与甲烷的体积比为0.2：1。
流股3：流股3为过热蒸汽通过一级预热器5、二级预热器6、预热炉7降温至300℃后得到的水蒸气。调整水蒸气的流量至水蒸气与甲烷的体积比为0.5：1。
流股4：流股4为锅炉给水气化得到的2.4-2.6MPa的蒸汽。锅炉给水给氧气预热后进入废热锅炉18，过热蒸汽和合成气与废热锅炉18换热的过程中将锅炉给水气化得到少量2.4-2.6MPa的中压蒸汽。流股4用于保护重整转化炉8上部烧嘴。
甲烷二氧化碳重整制备合成气的方法步骤如下：
流股1、流股2、流股3在重整转化炉8上部混合。甲烷和氧气在转化炉上部立即发生氧化反应放出热量，并很快进入催化剂床11。在Ni催化剂的催化作用下，甲烷与二氧化碳和水蒸气发生重整反应。重整转化炉8的压力为4.5MPa，催化剂床11的工作温度为700℃，反应空速为1000h-1。甲烷和氧气、水蒸气、二氧化碳三种反应最终按水煤气变换反应达到平衡，生成合成气，合成气从重整转化炉8底部引出，温度920℃～930℃，压力约2.1MPa，其中甲烷体积分数约1%。
合成气首先与废热锅炉18发生热交换，产生少量2.4-2.6MPa的中压蒸汽，合成气降温至约475℃。降温后的合成气再依次经过二级预热器6、一级预热器5加热原料气，温度降为252℃。合成气再通过锅炉给水预热器19加热与氧气换热后的锅炉给水，进一步回收热量。因本中试项目特殊性合成气的低位热量不能进一步利用，需要通过蒸发式水冷器即最终冷却器13将合成气冷却至40℃，冷却后的合成气经过气液分离器23分离掉冷凝液（废液），使合成气变成合格的合成气送入合成系统。
经气液分离器23分离出的冷凝液（废液）送入冷凝液处理系统。
来自锅炉房的锅炉给水，温度约130-150℃，压力约5.5MPa。经过氧气加热器9预热入转化炉的氧气，降低氧气低温下进入转化炉后带给重整反应系统的热损失。锅炉给水再进入锅炉给水预热器19用合成气回收热量，进入废热锅炉18汽包，生产2.4-2.6MPa的中压蒸汽。
废热锅炉18所生产的中压蒸汽一部分进入转化炉烧嘴，用作保护蒸汽；富余部分蒸汽经预热炉7的对流段加热，以降低预热炉7的排烟温度。加热后的蒸汽进入中压蒸汽管网。
实施例2
整个重整反应装置主要包括：甲烷出口1、二氧化碳出口2、过热蒸汽出口3、氧气出口10、混合器4、一级预热器5、二级预热器6、预热炉7、重整转化炉8、废热锅炉18、锅炉给水预热器19、最终冷却器13、气液分离器23、氧气加热器9。进入重整转化炉上部烧嘴的气体由4股独立的流体组成。
流股1：流股1为二氧化碳和甲烷混合后的原料气。甲烷原料气为甲烷转化装置的合成尾气，甲烷的体积分数为43％。调节甲烷原料气的压力为2.5MPa，温度为230℃。二氧化碳原料气为尿素合成装置的二氧化碳压缩机五段出口气。调节二氧化碳原料气的压力为2.5MPa。调整甲烷与二氧化碳的流量至甲烷与二氧化碳的体积比为3：1。将甲烷原料气和二氧化碳原料气经过混合器4混合，混合后温度约为200℃。
将混合后的原料气经过一级预热器5预热，出口温度366℃，再经过二级预热器6预热至455℃，然后送入预热炉7，出口温度达到650℃以上，预热炉7采用粗煤气作为热源，燃料气来自外管网。经过预热炉7的原料气为流股1，流股1进入重整转化炉8上部。
流股2：流股2为预热氧气。从空气中分离得到的高纯度氧气，经过氧气加热器9时用锅炉给水进行预热，预热后温度为110℃。调整氧气的流量至氧气与甲烷的体积比为0.5：1。
流股3：过热蒸汽通过一级预热器5、二级预热器6、预热炉7降温至290℃得到的水蒸气。调整水蒸气的流量至水蒸气与甲烷的体积比为1：1。
流股4：流股4为锅炉给水气化得到的2.4-2.6MPa的中压蒸汽。锅炉给水给氧气预热后进入废热锅炉18，过热蒸汽和合成气与废热锅炉18换热的过程中将锅炉给水气化得到少量2.4-2.6MPa的中压蒸汽。流股4用于保护重整转化炉8上部烧嘴。
甲烷二氧化碳重整制备合成气的方法步骤如下：
流股1、流股2、流股3在重整转化炉8上部混合。甲烷和氧气在转化炉上部立即发生氧化反应放出热量，并很快进入催化剂床11。在Ni催化剂的催化作用下，甲烷与二氧化碳和水蒸气发生重整反应。重整转化炉8的压力为5.5MPa，催化剂床11的工作温度为1250℃，反应空速为50000h-1。甲烷和氧气、水蒸气、二氧化碳三种反应最终按水煤气变换反应达到平衡，生成合成气，合成气从重整转化炉8底部引出，温度920℃～930℃，压力约2.1MPa，其中甲烷体积分数约1%。
合成气首先与废热锅炉18发生热交换，产生少量2.4-2.6MPa的中压蒸汽，合成气降温至约475℃。降温后的合成气再依次经过二级预热器6、一级预热器5加热原料气，温度降为252℃。合成气再通过锅炉给水预热器19加热与氧气换热后的锅炉给水，进一步回收热量。因本中试项目特殊性合成气的低位热量不能进一步利用，需要通过蒸发式水冷器即最终冷却器13将合成气冷却至40℃，冷却后的合成气经过气液分离器23分离掉冷凝液（废液），使合成气变成合格的合成气送入合成系统。
经气液分离器23分离出的冷凝液（废液）送入冷凝液处理系统。
来自锅炉房的锅炉给水，温度约130-150℃，压力约5.5MPa。经过氧气加热器9预热入转化炉的氧气，降低氧气低温下进入转化炉后带给重整反应系统的热损失。锅炉给水再进入锅炉给水预热器19用合成气回收热量，进入废热锅炉18汽包，生产2.4-2.6MPa的中压蒸汽。
废热锅炉18所生产的中压蒸汽一部分进入转化炉烧嘴，用作保护蒸汽；富余部分蒸汽经预热炉7的对流段加热，以降低预热炉7的排烟温度。加热后的蒸汽进入中压蒸汽管网。
实施例3
整个重整反应装置主要包括：甲烷出口1、二氧化碳出口2、过热蒸汽出口3、氧气出口10、混合器4、一级预热器5、二级预热器6、预热炉7、重整转化炉8、废热锅炉18、锅炉给水预热器19、最终冷却器13、气液分离器23、氧气加热器9。进入重整转化炉上部烧嘴的气体由4股独立的流体组成。
流股1：流股1为二氧化碳和甲烷混合后的原料气。甲烷原料气为甲烷转化装置的合成尾气，甲烷的体积分数为43％。调节甲烷原料气的压力为2MPa，温度为200℃。二氧化碳原料气为尿素合成装置的二氧化碳压缩机五段出口气。调节二氧化碳原料气的压力为2MPa。调整甲烷与二氧化碳的流量至甲烷与二氧化碳的体积比为2.5：1。将甲烷原料气和二氧化碳原料气经过混合器4混合，混合后温度约为160℃。
将混合后的原料气经过一级预热器5预热，出口温度366℃，再经过二级预热器6预热至455℃，然后送入预热炉7，出口温度达到650℃以上，预热炉7采用粗煤气作为热源，燃料气来自外管网。经过预热炉7的原料气为流股1，流股1进入重整转化炉8上部。
流股2：流股2为预热氧气。从空气中分离得到的高纯度氧气，经过氧气加热器9时用锅炉给水进行预热，预热后温度为90℃。调整氧气的流量至氧气与甲烷的体积比为0.3：1。
流股3：过热蒸汽通过一级预热器5、二级预热器6、预热炉7降温至280℃得到的水蒸气。调整水蒸气的流量至水蒸气与甲烷的体积比为0.6：1。
流股4：流股4为锅炉给水气化得到的中压蒸汽。锅炉给水给氧气预热后进入废热锅炉18，过热蒸汽和合成气与废热锅炉18换热的过程中将锅炉给水气化得到少量2.4-2.6MPa的中压蒸气。流股4用于保护重整转化炉8上部烧嘴。
甲烷二氧化碳重整制备合成气的方法步骤如下：
流股1、流股2、流股3在重整转化炉8上部混合。甲烷和氧气在转化炉上部立即发生氧化反应放出热量，并很快进入催化剂床11。在Ni催化剂的催化作用下，甲烷与二氧化碳和水蒸气发生重整反应。重整转化炉8的压力为5MPa，催化剂床11的工作温度为1000℃，反应空速为30000h-1。甲烷和氧气、水蒸气、二氧化碳三种反应最终按水煤气变换反应达到平衡，生成合成气，合成气从重整转化炉8底部引出，温度920℃～930℃，压力约2.1MPa，其中甲烷体积分数约1%。
合成气首先与废热锅炉18发生热交换，产生少量2.4-2.6MPa的中压蒸汽，合成气降温至约475℃。降温后的合成气再依次经过二级预热器6、一级预热器5加热原料气，温度降为252℃。合成气再通过锅炉给水预热器19加热与氧气换热后的锅炉给水，进一步回收热量。因本中试项目特殊性合成气的低位热量不能进一步利用，需要通过蒸发式水冷器即最终冷却器13将合成气冷却至40℃，冷却后的合成气经过气液分离器23分离掉冷凝液（废液），使合成气变成合格的合成气送入合成系统。
经气液分离器23分离出的冷凝液（废液）送入冷凝液处理系统。
来自锅炉房的锅炉给水，温度约130-150℃，压力约5.5MPa。经过氧气加热器9预热入转化炉的氧气，降低氧气低温下进入转化炉后带给重整反应系统的热损失。锅炉给水再进入锅炉给水预热器19用合成气回收热量，进入废热锅炉18汽包，生产2.4-2.6MPa的中压蒸汽。
废热锅炉18所生产的中压蒸汽一部分进入转化炉烧嘴，用作保护蒸汽；富余部分蒸汽经预热炉7的对流段加热，以降低预热炉7的排烟温度。加热后的蒸汽进入中压蒸汽管网。
本实用新型可用其他的不违背本实用新型的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从那一点来看，本实用新型的上述实施方案都只能认为是对本实用新型的说明而不能限制实用新型，权利要求书指出了本实用新型的范围，而上述的说明并未指出本实用新型的范围，因此，在与本实用新型的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。