一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置及其方法与流程

本发明涉及甲烷催化燃烧、甲烷重整及吸热放热耦合反应等技术领域，具体涉及一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置及其方法。

背景技术：

能源在我们的社会中起着重要的作用，是经济及工业发展的重要影响因素。然而近些年来由于能源的使用所导致的环境问题日益严重，引起世界各国的重视，而温室效应问题更是重中之重。在传统的化石能源煤、石油、天然气中，天然气的主要成分为ch4，其热值高，相同发热量下其碳排放量少，有利于减缓温室效应。此外，得益于中国南海可燃冰的大量开采以及美国的“页岩气革命”，目前已探明的天然气的储量巨大且正在不断增加，根据《bp世界能源统计年鉴》显示，截至2018年底，已探明的天然气储量约有196.9万亿立方米。根据英国石油公司预测，未来20年里，全球天然气的消费量将增长50％，且据美国eia预测，2035年左右，天然气的消费量将超过煤的消费量，成为第二大化石能源。因此在未来几十年里，天然气由于其储量大、热值高、价格低廉且环境友好等优点，拥有十分光明的应用前景。

目前天然气主要用途是作为燃料，为生产生活提供热能或通过能量转换提供动能及电能。随着科技的发展和工业的需要，天然气的另一种用途就是通过其主要成分——ch4的蒸汽重整(δh＝+206kj/mol)以及干重整方式(δh＝+247.3kj/mol)来制取具有较高工业价值的h2与co合成气。但由于ch4结构稳定，其化学链断裂需要较大的活化能，因此以上两种重整反应均为强吸热反应，需要从外界提供大量的热。

而ch4催化燃烧(δh＝-809.4kj/mol)所放出的热量足以满足ch4重整反应所需的热量，利用ch4催化燃烧来直接提供ch4重整所需要的热量不但避免了能量转换所带来的能量损失，达到了能源高效利用的目的，还满足了ch4重整过程吸热的需求。此外，整体反应的主要原材料是ch4，这也契合了未来能源发展趋势。因此，为了更加清洁、高效的利用天然气同时得到满足不同工业用途的co与h2合成气，发明一种散热损失小、热梯度小、热效率高且进气参数可调的吸热、放热耦合装置是目前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决如何利用甲烷催化燃烧持续、高效、稳定的为甲烷重整过程提供热量的问题，实现设备高效化、安全化、环保化、稳定化，进而提供了一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置及其方法。

一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，包括耦合反应器、燃烧气体混合室、重整气体混合室、预热器和蒸汽发生器；

所述耦合反应器包括燃烧气进口、燃烧气体入口侧封头、耦合反应器主体、重整气体入口侧封头和重整气进口；所述耦合反应器主体包括由隔热板围成的方形耦合反应室和在方形耦合反应室内从上向下依次设置的导热板，所述水平导热板将方形耦合反应室分隔成交错排布的燃烧反应室和重整反应室，所述燃烧反应室内含有用于催化燃烧的甲烷燃烧催化剂，所述重整反应室内含有用于催化重整的甲烷重整催化剂；所述燃烧气体入口侧封头内设置有燃烧气体通道和合成气出口，所述燃烧气进口与燃烧气体入口侧封头的一侧连接，所述燃烧气体入口侧封头的另一侧与耦合反应器主体的一侧连接，所述燃烧气进口通过燃烧气体通道与燃烧反应室的进气端连通，所述合成气出口与重整反应室的出气端连通，所述重整气体入口侧封头内设置重整气体通道和尾气出口，所述重整气进口与重整气体入口侧封头的一侧连接，所述重整气体入口侧封头的另一侧与耦合反应器主体的另一侧连接，所述重整气进口通过重整气体通道与重整反应室的进气端连通，所述尾气出口与燃烧反应室的出气端连通；

所述燃烧气体混合室通过气体管道与预热器的第一进气口连通，所述预热器的第一出气口通过气体管道与耦合反应器的燃烧气进口连通；所述重整气体混合室通过气体管道与预热器的第二进气口连通，所述预热器的第二出气口通过气体管道与耦合反应器的重整气进口连通；所述尾气出口通过气体管道与预热器的换热进气口连通，所述预热器的换热出气口通过气体管道与蒸汽发生器的进气口连通，所述蒸汽发生器的蒸汽出口通过气体管道与重整气体混合室的进气口连通。

进一步，所述耦合反应器包括四个燃烧反应室和三个重整反应室，所述燃烧反应室和重整反应室交错排布，每个重整反应室位于两个燃烧反应室之间，每个腔室高宽比为1:5。

进一步，所述的燃烧反应室和重整反应室由设置在方形耦合反应室内的六个导热板分隔而成，每个导热板位于燃烧反应室的一面上布置甲烷燃烧催化剂，每个导热板位于重整反应室的一面上布置甲烷重整催化剂。

进一步，所述导热板位于燃烧反应室的一面上的甲烷燃烧催化剂为钙钛矿催化剂，采用分段布置方式；所述导热板位于重整反应室的一面上的甲烷重整催化剂为ni基催化剂，采用连续布置方式。

进一步，所述燃烧气进口上有十二个燃烧气体进气口，所述耦合反应器的四个燃烧反应室与十二个燃烧气体进气口对应；所述重整气进口上有九个重整气体进气口，所述耦合反应器的三个重整反应室与九个重整气体进气口对应。

进一步，所述燃烧气体混合室与预热器之间连接的气体管道上设置有燃烧气体泵，所述重整气体混合室与预热器之间连接的气体管道上设置有重整气体泵；水泵的出水口通过水管道与蒸汽发生器的进水口连通。

一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合方法，该方法采用了上述的直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，该方法包括如下步骤：

1)燃烧气体ch4与空气通过两条带有调节阀的气体管道通入燃烧气混合室中充分混合，混合后在燃烧气体泵的作用下流入预热器，在预热器中利用燃烧烟气及外部热源进行预热，预热后通过与燃烧反应室相对应的燃烧气进口通入耦合反应器的燃烧反应室内，燃烧反应室的底部和顶部均装填有分段布置的钙钛矿催化剂；通过调节阀控制燃烧气体与空气的进气量，从而使燃烧反应室内的温度维持在900℃左右，利用燃烧放出的热为重整反应室提供甲烷重整所需的热量；燃烧反应室内产生的尾气经过烟气排口先后通入气体预热器以及蒸汽发生器中，经过充分换热后排出；

2)重整所需的水蒸汽由蒸汽发生器提供：外部水在水泵的作用下进入蒸汽发生器中，吸收燃烧反应室产生的尾气及外部热源的热量汽化，通入重整气体混合室中与ch4、co2混合，在重整气体泵的作用下通入预热器，在预热器中利用燃烧烟气以及外部热源进行预热，预热后通过与重整反应室相对应的重整气进口通入耦合反应器的重整反应室中，重整反应室的底部和顶部均装填有连续布置的ni基催化剂；燃烧气体和重整气体分别从耦合反应器两端通入，使燃烧反应室和重整反应室内的气体逆流流动以强化换热。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)装置内部燃烧反应室和重整反应室交错布置，采取两端进气，燃烧反应室和重整反应室内气体逆流流动，换热效率高，热量损耗少。

2)燃烧侧和重整侧采取不同的催化剂布置方式，燃烧侧钙钛矿催化剂分段布置，重整侧ni基催化剂连续布置，避免吸热、放热不平衡产生的局部热点对装置造成损害。

3)采用多条带有调节阀的进气管道，调整燃烧反应室甲烷及空气的进气比例以调节燃烧温度；调整重整反应室甲烷、二氧化碳及水蒸气的进气比例，使得合成气co、h2可以在1:1～1:3范围内任意调节。同时还可以根据换热效果调整燃烧进气和重整进气比例，达到热量平衡。

4)预热器与蒸汽发生器充分利用了燃烧尾气的热量，实现能源高效利用。

附图说明

图1为直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置的流程图；

图2为耦合反应器的结构示意图；

图3为耦合反应器的主视图；

图4为耦合反应器的左视图；

图5为耦合反应器的立体图；

图6为耦合反应器的爆炸图；

图7为耦合反应器中催化剂布置结构图一；

图8为耦合反应器中催化剂布置结构图二。

附图中，1—重整气体混合室；2—调节阀；3—燃烧气体泵；4—预热器；5—耦合反应器；6—水泵；7—蒸汽发生器；8—重整气体泵；9—燃烧气体混合室；10—合成气出口；11—燃烧气进口；12—燃烧气体入口侧封头；13—耦合反应器主体；14—甲烷燃烧催化剂；15—燃烧反应室；16—甲烷重整催化剂；17—重整反应室；18—重整气体入口侧封头；19—重整气进口；20—尾气出口；21—导热板。

具体实施方式

如图1所示，一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，包括耦合反应器5、燃烧气体混合室9、重整气体混合室1、预热器4、蒸汽发生器7、燃烧气体泵3、重整气体泵8和水泵6，如图1所示。

耦合反应器的结构如图2～图6所示，耦合反应器5包括燃烧气进口11、燃烧气体入口侧封头12、耦合反应器主体13、重整气体入口侧封头18和重整气进口19。耦合反应器主体13包括由隔热板围成的方形耦合反应室和在方形耦合反应室内从上向下依次设置的导热板21和隔热板焊接而成，导热板21采用导热系数较大的铜材质(导热系数401w/mk)，隔热板采用钢材质(导热系数36-54w/mk)并外敷绝热材料。导热板21将方形耦合反应室分隔成交错排布的燃烧反应室15和重整反应室17，燃烧反应室15内含有用于催化燃烧的甲烷燃烧催化剂14，重整反应室17内含有用于催化重整的甲烷重整催化剂16，如图7和图8所示。燃烧气体入口侧封头12内设置有燃烧气体通道和合成气出口10，燃烧气进口11与燃烧气体入口侧封头12的一侧连接，燃烧气体入口侧封头12的另一侧与耦合反应器主体13的一侧连接，燃烧气进口11通过燃烧气体通道与燃烧反应室15的进气端连通，合成气出口10与重整反应室17的出气端连通，重整气体入口侧封头18内设置重整气体通道和尾气出口20，重整气进口19与重整气体入口侧封头18的一侧连接，重整气体入口侧封头18的另一侧与耦合反应器主体13的另一侧连接，重整气进口19通过重整气体通道与重整反应室17的进气端连通，尾气出口20与燃烧反应室15的出气端连通。

燃烧气体混合室9通过气体管道与预热器4的第一进气口连通，预热器4的第一出气口通过气体管道与耦合反应器5的燃烧气进口11连通。重整气体混合室1通过气体管道与预热器4的第二进气口连通，预热器4的第二出气口通过气体管道与耦合反应器5的重整气进口19连通。反应气体在预热器4内通过燃烧尾气及外部热源的热量进行预热后通入耦合反应器5。尾气出口20通过气体管道与预热器4的换热进气口连通，预热器4的换热出气口通过气体管道与蒸汽发生器7的进气口连通，蒸汽发生器7的蒸汽出口通过气体管道与重整气体混合室1的进气口连通。水泵6的出水口通过水管道与蒸汽发生器7的进水口连通，燃烧气体混合室9与预热器4之间连接的气体管道上设置有燃烧气体泵3，重整气体混合室1与预热器4之间连接的气体管道上设置有重整气体泵8，蒸汽发生器7置于水泵6与重整气体混合室之间，利用燃烧尾气及外部热源的热量使水汽化得到水蒸气。由调节阀2控制流量的反应气体在重整气体混合室9及燃烧气体混合室1中充分混合，在燃烧气体泵3和重整气体泵8的作用下通入预热器4，利用燃烧尾气及外部热源的热量对反应气体充分预热后分别从耦合反应器5的两端通入燃烧气体和重整气体，对重整反应室17内反应得到的合成气体进行收集，将燃烧反应室15内反应产生的尾气通过烟气管道先后通入预热器4及蒸汽发生器7中，充分换热后排出。

本实施例中，燃烧反应室15和重整反应室17由设置在方形耦合反应室内的六个导热板21分隔而成，包括四个燃烧反应室15和三个重整反应室17，燃烧反应室15和重整反应室17交错排布，每个重整反应室17位于两个燃烧反应室15之间，如图6所示，每个腔室高宽比为1:5。每个导热板21位于燃烧反应室15的一面上布置甲烷燃烧催化剂，每个导热板21位于重整反应室17的一面上布置甲烷重整催化剂。甲烷燃烧催化剂为钙钛矿催化剂，采用分段布置方式；甲烷重整催化剂为ni基催化剂，采用连续布置方式，如图7和图8所示。燃烧气进口11上有十二个燃烧气体进气口，耦合反应器5的四个燃烧反应室15与十二个燃烧气体进气口对应；重整气进口19上有九个重整气体进气口，耦合反应器5的三个重整反应室17与九个重整气体进气口对应，如图4、图5和图6所示。

一种直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合方法，该方法采用了上述的直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置，该方法包括如下步骤：

1)燃烧气体ch4与空气通过两条带有调节阀2的气体管道通入燃烧气混合室9中充分混合，混合后在燃烧气体泵3的作用下流入预热器4，在预热器4中利用燃烧烟气及外部热源进行预热，预热后通过与燃烧反应室15相对应的燃烧气进口11通入耦合反应器5的燃烧反应室15内，燃烧反应室15的底部和顶部均装填有分段布置的钙钛矿球形催化剂；通过调节阀2控制燃烧气体与空气的进气量，从而使燃烧反应室15内的温度维持在900℃左右，利用燃烧放出的热为重整反应室17提供甲烷重整所需的热量；使燃烧放热尽可能多的传递到重整反应室17，避免热量的损耗。燃烧反应室15内产生的尾气经过烟气排口先后通入气体预热器4以及蒸汽发生器7中，经过充分换热后排出。

2)重整所需的水蒸汽由蒸汽发生器7提供：外部水在水泵6的作用下进入蒸汽发生器7中，吸收燃烧反应室15产生的尾气及外部热源的热量汽化，通入重整气体混合室1中与ch4、co2混合，在重整气体泵8的作用下通入预热器4，在预热器4中利用燃烧烟气以及外部热源进行预热，预热后通过与重整反应室17相对应的重整气进口19通入耦合反应器5的重整反应室17中，重整反应室的底部和顶部均装填有连续布置的ni基催化剂；燃烧气体和重整气体分别从耦合反应器两端通入，使燃烧反应室15和重整反应室17内的气体逆流流动以强化换热。

反应气体入口管道共有五条，每条管道上均带有调节阀以控制反应气体进气量从而控制燃烧反应室15温度及重整反应室17生成的合成气比例。反应气体出口管道共有两条，分别为合成气管道与烟气管道，经重整反应产生的合成气通过合成气管道排出并进行收集，经燃烧反应产生的尾气通过烟气管道先后通入预热器4及蒸汽发生器7中，充分换热后排出。

实施例：

燃烧气体ch4与空气通过两条带有调节阀2的气体管道通入燃烧气混合室9中充分混合后在燃烧气体泵3的作用下流入预热器4，在预热器4中利用燃烧烟气及外部热源进行预热，达到一定温度后通过与四个燃烧反应室15相对应的十二个燃烧气体进气口通入耦合反应器5的燃烧反应室15内，从而使气体更加均匀地进入各个燃烧反应室15中。各燃烧反应室15底部和顶部均装填有球形的钙钛矿催化剂14用于甲烷催化燃烧，燃烧反应室15内的催化剂采用图7和图8所示的分段布置方式。通过进气管道上的调节阀2控制ch4与空气的进气量从而使燃烧反应室15内温度维持在900℃左右(如890℃～910℃)，利用甲烷燃烧放出的热(809.4kj/mol)为重整反应室17提供甲烷重整所需的热量。燃烧反应室内产生的尾气经过烟气排口先后通入气体预热器4以及蒸汽发生器7中，经过充分换热后排出。

重整所需的水蒸汽由蒸汽发生器7提供：外部水在水泵6的作用下进入蒸汽发生器7中，吸收燃烧反应室15产生的尾气及外部热源的热量汽化，通入重整气体混合室1中与ch4、co2混合，在重整气体泵8的作用下通入预热器4，在预热器4中利用燃烧烟气以及外部热源进行预热，达到一定温度后在耦合反应器5的另一侧通过与三个重整反应室17相对应的九个重整气体进气口均匀的通入重整反应室17中，使燃烧反应室15和重整反应室17内的气体逆流流动以强化换热；重整反应室17底部和顶部装填的球形的ni基催化剂用于甲烷催化重整，催化剂采用连续布置方式，与燃烧反应室内钙钛矿的分段布置方式相配合，从而避免出现局部热不平衡的问题。重整反应室发生的甲烷蒸汽重整需吸收的热量为206kj/mol，甲烷干重整需吸收的热量为247.3kj/mol，在ni基催化剂的作用下，重整反应温度控制在750℃左右；由燃烧反应室及重整反应室的结构及材质(高宽比为1:5；导热板为导热系数为401w/mk的铜材质，隔热板为导热系数为50w/mk的钢材质)求得，耦合反应器内损失的热量占总放热量的13％左右，同时，经过换热后排放的烟气损失占总放热量的12％左右，可用于重整反应的热量为总放热量的75％即607kj/mol。根据甲烷蒸汽重整所需吸收的热量247.3kj/mol可以近似求得，理想状态下，燃烧反应室内每通入1mol的ch4完全燃烧，对应的重整反应室内可以通入2.4mol的ch4和2.4mol的h2o进行重整反应得到2.4mol的co和7.2mol的h2，使合成气中co与h2比例达到1:3；根据甲烷干重整所需吸收的热量206kj/mol可以近似求得，理想状态下，燃烧室内1mol的ch4完全燃烧时，可向重整反应室内通入ch4与co2各2.9mol从而得到co和h2各5.8mol，使合成气中co与h2比例达到1:1。这样，介于以上两种工况之间，理论上可以通过反应气体进气管上的调节阀调节进气比例，得到1:1～1:3范围内任意比例的co、h2合成气。

故整体而言，本发明的直接换热式甲烷催化燃烧-重整耦合装置具有散热损失小，稳定性高，换热效率高且合成气体比例可调等优点，符合节能环保的理念，具有广阔的应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。