一种氧气进料装置及相应的甲烷三重整反应装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及甲烷三重整技术领域，特别涉及一种氧气进料装置及相应的甲烷三重整制备合成气体的装置和方法。
技术背景
[0002]随着天然气工业的不断发展，天然气的用量逐年增加。用天然气重整生产合成气的研宄也逐步深入。目前天然气重整制合成气的技术主要包括水蒸气重整甲烷，二氧化碳重整甲烷，二氧化碳、水蒸气重整甲烷。
[0003]焦炉煤气中含有CH4、CO、H#P C02。利用二氧化碳重整甲烷技术能够将其中的CH4和CO2进一步转化为合成气CO和h2。从而进一步提高合成气中的有效成分，降低合成气中014和CO2的含量，进而降低脱碳工艺装置的负荷。减少了 CH4分离装置，并且降低后续过程中CH4的携热消耗，进一步降低了后续工艺过程的能量消耗。
[0004]焦炉煤气中甲烷的重整技术可以利用二氧化碳甲烷重整，在固定床上完成，但是由于用二氧化碳重整甲烷过程中，催化剂非常容易积碳失活，无法保证催化剂长期稳定运行。若采用水蒸气重整甲烷，水蒸气的用量会非常大，增加了装置的能耗。
[0005]中国专利201210330110.5公开了一种焦炉煤气与二氧化碳制一氧化碳的方法。该方法将净化后的焦炉煤气与二氧化碳作为原料气混合后，送入反应器，在一定温度和压力下，焦炉煤气中的氢气，甲烷与二氧化碳发生均相与非均相转化反应，通过三段反应将所得转化气分离制得一氧化碳，剩余气体返回反应器中循环反应。
[0006]该方法需要在反应器中填装两种类型的催化剂，一种为二氧化碳重整甲烷催化剂，另一种为逆变换催化剂。这种装填方式增加了工业装置长期稳定运转的难度，增加了操作难度，提高了操作运转成本。这种类型的工艺制备的合成气中主要成分为CO，H2的比例很小，不适于作为氢气竖炉还原炼铁的原料气。
[0007]中国专利200910227973.8公开了一种连续炭催化CH4+CO2重整反应器是一种倒“T”型反应器。催化剂采用连续加入方式，催化剂依靠重力由上向下连续运动，实现连续操作；底部两侧连通有相对应的左横侧臂和右横侧臂，并在两侧臂的端头部设有02进口和焦炉煤气进口 ；底端设有碳催化后的卸料机构和水封装置，防止污染；在倒“T”型反应器中设有催化床；上侧面设有产品气出口。
[0008]该“T”型装置设有的上层催化剂进料口与产品气出口距离很近容易造成产品气泄露的危险，对进料口的密封性能要求严格。该“T”型装置左横侧臂和右横侧臂的端头均设有O2和焦炉煤气的进气口，这种双进料口形式增加了设备的建设投资，增加了装置稳定运行的安全隐患点。
[0009]该“T”型装置的催化剂处于流动状态，与原料气逆向接触虽然能够增加传质，但是这样无疑对催化剂的强度要求很高，另外增加了催化剂在装置中的磨耗，有可能造成催化剂粉化进入产品气中或进入下层料斗，增大了催化剂的用量。
【发明内容】
[0010]解决的技术问题
[0011]本发明旨在克服现有甲烷三重整技术中，催化剂床层升温过快并且催化剂的用量较大，以及制备的合成气中主要成分中0)，4的比例小的缺陷，提供了一种氧气进料装置及相应的甲烷三重整制备合成气体的装置和方法。
[0012]技术方案
[0013]本发明公开了一种用于甲烷三重整反应装置的氧气进料装置，包括一个带半球形底部的锥形核和一个外管，所述外管的两端为两个直径不一的直管，所述外管的中部为连接两端直管的锥形管，所述锥形核固定在所述外管中，所述锥形核包括圆锥体的半球形底部和圆锥体本体，所述圆锥体本体至少部分位于所述锥形管中并且所述圆锥体本体与所述锥形管的缩进方向一致；所述氧气进料装置3沿着外管由宽变窄的方向依次分为压缩区6、加速区7和工作区8，压缩区6包括由管内径最大的直管和圆锥体的半球形底部，加速区7包括所述锥形管和圆锥体本体，工作区8包括内径最小的直管。
[0014]进一步地，半球形底部直径与压缩区6的直管内径比例为0.8-0.9:1，圆锥体的顶角角度范围为:30°-75°，所述锥形管与直管的夹角为:120°-160°。
[0015]进一步地，工作区8的直管内径与压缩区6的直管内径比为:1:2-4，工作区8长度与工作区8直管内径比例为:5-10:1。
[0016]本发明公开了一种利用亚音速氧的甲烷三重整制备合成气体的装置，包括固定床壳体1，氧气进料装置3、催化剂床层4、混合气入口 2和合成气出口 5，其中，所述混合气入口 2设置在固定床壳体I的一侧，所述合成气出口 5设置在固定床壳体I的另一侧，所述催化剂床层4设置在固定床壳体I的中间位置，所述氧气进料装置3设置在固定床壳体I上靠近所述催化剂床层4的位置；所述氧气进料装置3包括一个带半球形底部的锥形核和一个外管，所述外管的两端为两个直径不一的直管，所述外管的中部为连接两端直管的锥形管，所述锥形核固定在所述外管中，所述锥形核包括圆锥体的半球形底部和圆锥体本体，所述圆锥体本体至少部分位于所述锥形管中。
[0017]进一步地，所述氧气进料装置3沿着外管由宽变窄的方向依次分为压缩区6、加速区7和工作区8 ;其中，压缩区6是由管内径最大的直管和圆锥体的半球形底部构成，半球形底部直径与压缩区6的直管内径比例为0.8-0.9:1，其中，氧气原料气压力比固定床壳体I压力高20% -50%;加速区7由所述锥形管和圆锥体本体构成，圆锥体的顶角角度范围为:30°-75°，所述锥形管与直管的夹角为:120°-160°;工作区8由内径最小的直管构成，工作区8的直管内径与压缩区6的直管内径比为:1:2-4，工作区8长度与工作区8直管内径比例为:5-10:lo
[0018]进一步地，氧气进料装置3的工作区8的氧气出口端与所述催化剂床层的距离为:30mm-500mm,以及所述氧气出口端与所述催化剂床层的夹角为30°_60°。
[0019]进一步地，氧气原料气压力比固定床壳体I的压力高30% -40%。
[0020]本发明还公开了一种对应于上述装置的制备合成气体的方法，焦炉煤气，0)2补充气和水蒸气的混合气体，从混合气入口 2进入所述固定床壳体I中；氧气从氧气进料装置3以连续或者间歇方式进入所述固定床壳体1，氧气气源压力与氧气出口端压力比为1.3-1.5:1，所述工作区8中氧气的流速大于200m/s，并小于340m/s，所述工作区8中氧气的温度小于-20°C。
[0021]进一步地，所述焦炉煤气，0)2补充气和水蒸气的混合气体中CH4:C02:H20体积比为2:0.6-1:2-3，氧气进料量与所述焦炉煤气中CH4的体积比为0.05-0.1:2。
[0022]进一步地，所述混合气体的进气温度为25-50°C，其压力为0.1-1.0Mpa ;所述氧气为常温进气。
[0023]进一步地，所述固定床壳体I的压力为0.l_5Mpa，所述固定床壳体I的反应温度为500-1000°C ;所述催化剂床层4的温度为600-1000°C，所述催化剂床层4的温差为0_50°C。
[0024]进一步地，所述固定床壳体I的反应温度为600-800°C。
[0025]进一步地，所述催化剂床层4中的催化剂为负载金属镍及相关助剂的γ_Α1203。
[0026]有益技术效果
[0027]本发明中所述的甲烷三重整反应装置的基础是固定床壳体，催化剂不会流动，对催化剂的强度要求不高，并且催化剂不易粉碎；采用一种新型的氧气进料器，实现低温高速进料，改变了传统的氧气进料方式，让氧气能够迅速与催化剂表面上的积碳进行反应，消除积碳，并且避免了与合成气中的CO和H2进行反应。本发明还能够解决甲烷三重整催化剂的迅速温升问题，由于氧气进入床层时温度较低，能够有效地降低催化剂的温升，其次由于氧气的加入量很少，不会引起装置爆炸，并且不影响合成气的质