一种甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法、一体化装置和应用与流程

本发明涉及能源化工设备，具体涉及一种甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法、一体化装置和应用。

背景技术：

1、温室效应对气候环境的严重影响促使各国政府、科学家等日益关注温室气体二氧化碳排放问题，国内外通过碳排放交易与碳税两种市场调控机制，降低二氧化碳排放、实现二氧化碳资源化利用。全球储量巨大的天然气以及天然气化工的发展，采用天然气代替煤、石油成为重要的化学化工原料，是能源多元化和能源安全的必然趋势。二氧化碳与天然气的主要成份甲烷进行重整反应，可以获得合成气(co和h2为主)，而合成气是碳一化工中最重要的原料，具有广泛的应用前景。二氧化碳与重整甲烷，产品合成气h2/co低，适用于ft合成长链烃、生产制备化学品如丁辛醇等，是传统高能耗、高h2/co的甲烷与水蒸气重整技术的补充与替代。二氧化碳与甲烷重整有重要的环境意义，可实现变废为宝、碳资源循环利用，具有可预期的巨大的经济效益和显著地社会效应。

2、热力学上甲烷和二氧化碳重整是可行的，但由于二者的化学稳定性都很高，需要较高的活化能才能促进反应的进行。根据《气化和气体合成反应的热力学》([苏联]拉夫洛夫等著，吴越译)书中的热力计算可知，温度高达600℃以上才有显著的合成气生产。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，该过程消耗较多高品位能量，因此，强吸热反应的高品位热量有效供给将是一个巨大的挑战。

3、专利cn101450790a公开一种天然气-二氧化碳重整制备合成气的方法和装置，将天热气在加氢脱硫反应器中降低天然气中的硫含量，再与二氧化碳混合预热后，在装有重整镍系催化剂的重整反应器中得到合成气的方法，其采用电加热方式为天然气-二氧化碳重整反应进行供热，能耗高，电加热的热效率低。

4、专利cn103979492a公开一种二氧化碳-甲烷自热重整制备合成气的工艺方法，该方法将甲烷、二氧化碳和氧气送入装填有重整催化剂的二氧化碳-甲烷自热重整反应器内进行混合，使甲烷和氧气发生氧化反应，然后以该氧化反应释放的热量为热源，使甲烷和二氧化碳发生重整反应，制备合成气。该方法利用甲烷的氧化反应释放的热量为二氧化碳-甲烷重整反应提供热量，可以实现了高温重整反应器内的热量自供给，高纯度氧气内部燃烧供热，转化炉出口约950℃以上高温合成气，用于下游产饱和温度约300℃的中低压蒸汽，未考虑热量的梯级利用，热量品质降低明显。当然还有部分文献报道，将甲烷二氧化碳重整转化炉高温合成气进入废热锅炉实现热量的回收。

5、综上，甲烷二氧化碳重整制合成气，目前近1000℃高温合成气，主要用于产生中低压副产蒸汽或预热原料气等。从能源的高效利用来说，未能充分实现能量的梯级利用，无法实现合成气作为高品位热源的合理利用，同时无法满足装置结构紧凑。因此，有必要从能效梯级利用的角度探索更合理、优化的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法、一体化装置和应用。其中新的工艺方法来实现二氧化碳净转化与资源化利用，同时甲烷二氧化碳重整过程热量自供给，无需外部供热导致排放难回收、低浓度的二氧化碳，进一步降低甲烷二氧化碳重整合成气出口温度，实现高温合成气热量的梯级利用，提高甲烷二氧化碳重整的能源效率和经济效率。另外提供可适用于上述工艺方法的一体化装置，装置结构紧凑，造价合理。综上，本申请的本质目的在于提高甲烷二氧化碳重整的能源效率和经济效率。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，按工艺流程，所述工艺方法包括如下步骤：

3、a)第一股原料气和氧气进行甲烷燃烧和/或非催化部分氧化反应形成第一温度气体；

4、b)第一温度气体与第一催化剂接触进行第一催化反应形成第一股合成气，第一温度气体的热能提供第一催化反应的能量需求；

5、c)第二股原料气与第二催化剂接触进行第二催化反应形成第二股合成气，第一股合成气的热能提供第二催化反应的能量需求；

6、d)所述第一股合成气和第二股合成气分别作为产品气或混合后作为产品气进入下游工艺；

7、其中，所述第一股原料气和所述第二股原料气均包括甲烷和二氧化碳。

8、本发明第二方面提供一种甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置，包括装置本体和连通装置本体腔室内外的烧嘴，所述装置本体的腔室自上而下依次设有燃烧室、催化室和集气室；

9、所述催化室中设有多个反应管，各所述反应管内装载第二催化剂；

10、各反应管之间和各反应管与装置本体内壁之间形成第一催化剂装载区，用于装载第一催化剂；

11、所述装置本体上侧设有与所述燃烧室连通的第一股原料气入口，所述装置本体中侧设有与所述反应管连通的第二股原料气入口，所述装置本体的下侧设有合成气出口。

12、本发明第三方面提供一种甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置在甲烷二氧化碳重整制备合成气中的应用。

13、本发明具有如下有益效果中的至少一项：

14、1)在本领域中，常有采用甲烷气体作为燃料气供热，从而会导致产生难回收的低浓度二氧化碳。而采用本申请的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法可以实现甲烷二氧化碳重整热量自供给，减少外部供热。

15、2)本申请的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法可以合理利用高品位热源，采用能量梯级利用，降低出口合成气的温度，实现了一千多摄氏度的高品位能源的高效利用。

16、3)本申请的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法以及装置中，有两股原料气，可独立进行重整，例如可串联或并联操作，从而使得产物氢碳比等性质灵活调节。

17、4)本申请的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法以及装置中，通过采用不同的催化剂，充分利用反应器，减少反应器体积，降低反应器的高度。即申请装置结构简单，布局紧凑，占地面积小，投资成本低，易于工业化。

技术特征：

1.一种甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，其特征在于，步骤a)中，包括如下技术特征中的至少一项：

3.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，其特征在于，步骤b)中，包括如下技术特征中的至少一项：

4.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，其特征在于，步骤c)中，包括如下技术特征中的至少一项：

5.根据权利要求1所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法，其特征在于，还包括如下技术特征钟的至少一项：

6.一种甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置，包括装置本体(1)和连通装置本体腔室内外的烧嘴(101)，其特征在于，所述装置本体(1)的腔室自上而下依次设有燃烧室(11)、催化室(12)和集气室(13)；

7.根据权利要求6所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置，其特征在于，包括如下技术特征中的至少一项：

8.根据权利要求7所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置，其特征在于，还包括如下技术特征中的任一项：

9.根据权利要求6～8任一项所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置，其特征在于，所述一体化装置的高度为10～30m；

10.如权利要求6～9任一项所述的甲烷二氧化碳重整碳减排的一体化装置在甲烷二氧化碳重整制备合成气中的应用。

技术总结
本发明提供甲烷二氧化碳重整碳减排的工艺方法和装置。工艺方法包括：富含甲烷和二氧化碳的第一股原料气和氧气进行甲烷燃烧和/或非催化部分氧化反应形成的第一温度气体与第一催化剂接触进行反应形成第一股合成气，第一温度气体的热能提供其反应的能量需求；富含甲烷和二氧化碳的第二股原料气与第二催化剂接触进行反应形成第二股合成气，第一温度气体的热能还提供其反应的能量需求；所述第一股合成气和第二股合成气分别作为产品气或混合后作为产品气进入下游工艺。所述一体化装置为能实现上述工艺方法的紧凑型一体化装置。本申请可以实现甲烷二氧化碳重整过程热量自供给，实现高温合成气热量的梯级利用，提高甲烷二氧化碳重整的能源和经济效率。

技术研发人员：祝贺,张军,袁昌坤,潘秉荣,付彧,孔文波,李树青
受保护的技术使用者：高潞空气化工产品（上海）能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12