气态烃为原料非催化部分氧化法生产合成气的装置与方法

摘要

一种气态烃为原料非催化部分氧化法生产合成气的装置与方法。气态烃与氧按一定比例经喷嘴进入气化炉，并在其中进行非催化部分氧化反应制备合成气。所述装置包括气化炉，由气化室和洗涤冷却室组成，气化室由反应区和高温热回收区组成；洗涤冷却室由洗涤冷却水均布环、洗涤冷却管和鼓泡床组成。本技术的优点是在一个设备中同时完成合成气制备、热回收与初步净化过程，设备紧凑、投资省、副产高压蒸汽、效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备合成气的装置与方法，具体地说涉及一种以气态烃为原料通过非催化部分氧化法生产合成气的装置与方法。

背景技术

所说的气态烃主要指天然气、油田气、煤层气、焦炉气、炼厂气等气体。气态烃一般通过蒸汽转化法、非催化部分氧化法、催化部分氧化法等工艺制备合成气，用于生产氨、甲醇、液体燃料油等大宗化学品。

所谓蒸汽转化法是气态烃按一定比例与水蒸汽混合，在一定温度、压力下进行催化转化反应，过程是在管式反应器中进行的，管外是高温热源，热量传至管内为化学反应提供热量。以甲烷转化为例，其化学反应为：

式中R为水碳比，a、b由反应进程决定。国际上著名的化学工业公司拥有这类技术，例如美国的Kellogg公司，英国的ICI公司，丹麦的Topsoe公司，烃类蒸汽转化法优点是不用空分装置，缺点是需耗用大量高级合金钢，工艺较为复杂。

所说的非催化部分氧化法是气态烃与氧通过喷嘴实现混合与部分氧化，在一个空腔内完成化学反应制得合成气，反应温度取决于烃氧比，为获得良好的反应结果一般温度都维持在1150～1600℃，因无催化剂参与故得名非催化部分氧化法。以甲烷为例，其部分氧化的表达式为：

式中R为碳氧比，a、b由反应进程决定。在非催化部分氧化领域中美国Texaco公司拥有技术。

所说的催化部分氧化法与非催化部分氧化法的差别是反应空间中是否充填催化剂，或者说化学反应是否在催化剂的作用下进行的，正因为有催化剂的作用所以反应温度较低，比氧消耗省，但增加了催化剂的费用，是一种风格，但并不被看好。丹麦Topsoe公司拥有该技术。

在非催化部分氧化法领域中，中国专利ZL94193847.6公开了一种用来发电的部分氧化法。原料涉及液态烃与气态烃，实践表明设备不变原料互换是不成立的，例如采用该技术的某厂原以渣油为原料，当改用天然气为原料时，炉顶壳体超过400℃，无法长期处于高报警状态下操作，只能进行改造。此外，其不足是流程过于复杂，投资太高；能量利用不合理，不能回收合成气余热副产高压蒸汽。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种以气态烃位原料非催化部分氧化法生产合成气的装置与方法，以克服现有技术存在的上述诸多缺陷，满足有关产业部门的需要。

本发明的装置包括气化炉，所述气化炉包括圆筒状壳体、三通道外混式喷嘴、气化室、洗涤冷却室和鼓泡床；

所说的三通道外混式喷嘴设置在壳体顶部；

所说的气化室设置在壳体的上端，其外壁设有冷却夹套，内设耐火衬里，气化室的上部为反应区，下部设有水管锅炉；

所说的洗涤冷却室设置在壳体的下端，与气化室相衔接；

所说的鼓泡床设置在壳体的底端，与洗涤冷却室相衔接。

采用上述装置以气态烃为原料非催化部分氧化法生产合成气的方法包括如下步骤：

气态烃和氧通过喷嘴进入气化炉，在反应区中进行非催化部分氧化反应，生成合成气，通过水管锅炉回收高温位反应热，然后进入洗涤冷却室，与洗涤水接触进行冷却洗涤，再进入鼓泡床，进一步完成冷却洗涤过程，自出口送往后续工序。

由上述公开的技术方案可见，本技术的优点是十分显著的：本发明在一个设备中同时完成合成气制备、热回收与初步净化过程，设备紧凑、投资省、副产高压蒸汽、效率高。

附图说明

图1为本发明的装置图。

图2为喷嘴结构图。

具体实施方式

由图1可见，本发明的装置包括气化炉，所述气化炉包括圆筒状壳体3、三通道外混式喷嘴1、气化室31、洗涤冷却室4和鼓泡床5；

所说的三通道外混式喷嘴1设置在壳体顶部，由图2可见，该三通道外混式喷嘴1为一外混式喷嘴，包括三个气流通道，第一通道101中心线与气化炉3的中心线重合，第二通道102下端部与第三通103道下端部内侧的边界线与气化炉3中心线的夹角α为8～20°。

所说的气化室31设置在壳体3的上端，其外壁设有冷却夹套2，内设耐火衬里，气化室31的上部为反应区303，下部设有水管锅炉305；水夹套2包括进水口203和出水口204，水夹套2垂直段高度最好等于壳体3的直径，反应区303与水管锅炉305之间设置环形托砖架308，托砖架308之上向火面砌筑高铝砖301，上拱顶32呈锥形，锥角为70～400°，托砖架308之下壳体3内衬耐火浇注料302，水管锅炉305为一常规盘管换热器，饱和水由入口306进，蒸汽或汽水混合物由出口307出。

所说的洗涤冷却室4设置在壳体3的下端，与气化室31相衔接，该洗涤冷却室4包括洗涤冷却水均环402、洗涤冷却管403和破泡板404，有关洗涤冷却管、洗涤冷却水分布环、破泡器可优选采用发明人的专利(申请号02266704.0、申请号01112880.1)所公开的技术；

所说的鼓泡床5设置在壳体3的底端，与洗涤冷却室4相衔接。

采用上述装置以气态烃为原料非催化部分氧化法生产合成气的方法包括如下步骤：

气态烃经过净化脱除对后序设备(例如压缩机、喷嘴等)有害的组分，例如固体颗粒、焦油、酚、萘、硫(也可放在部分氧化后再进行脱除)等，经压缩机压缩至期望压力，通过喷嘴1的第一通道101与第三通道103，来自空分装置的氧通过喷嘴1的第二通道102，三股物流以80～200m/s的速度喷出，交汇半角呈8～20°，其中，第一通道101与第三通道103的喷出速度为80～300m/s，优选速度为100～200m/s，第二通道102喷出速度为60～250m/s，优选速度为80～180m/s，反应区303的温度为1150～1600℃，压力为2.0～10.0Mp，优选的温度为1200～1400℃，优选的压力为4.0～6.5Mp。由于受限射流的卷吸使部分产物回流进入射流流股，也由于火焰、耐火衬里的热辐射，上述因素都使射流流股迅速升温，在反应区303内进行部分氧化反应，放出热量，使反应介质进一步升温，在数秒内出口反应物趋近化学平衡。为了防止更多的产物回流进入射流流股，故气化室31的拱顶锥角以70～100°为宜，水夹套2可防止壳体3上端超温(≯250℃)，1150～1600℃高温反应物进入水管锅炉305，主要以辐射传热的方式向水管锅炉305传热，从而获得高压蒸汽。锅炉给水自进口306进入水管锅炉305，蒸汽自出口307进汽包，出水管锅炉305的反应产物温度为800～1100℃，具体温度应由下游变换工序所需的蒸汽量决定，如合成气用于生产甲醇、低碳混合醇、液体燃料，变换工序蒸汽量需求较少，出水管锅炉305的温度可以低些，或者说可以副产更多的高压蒸汽；如合成气用于生产合成氨，变换工序将需更多蒸汽，出水管锅炉305的温度则应高些。合成气进洗涤冷却室4以洗涤其中的碳黑，使之温度降低，并为蒸汽饱和。合成气进入洗涤冷却管403，在入口处与洗涤冷却水均布环402喷出的水直接接触，使洗涤冷却水气化，合成气降温，这一过程延续到出洗涤冷却管403，合成气进入鼓泡床5，由于在鼓泡床5中设置了若干块破泡板404，所以合成气在鼓泡床5中向上运动时，不断进行表面更新，进一步完成洗涤冷却过程并达到饱和，最终由出气口406送往后工序，此时合成气中碳黑含量可降为1～3ppm。

洗涤冷却水是这样运行的：洗涤水由洗涤水入口407加入，由洗涤水出口408排出，碳黑由碳黑出口405排出。

                        实施例1

以焦炉气为原料采用非催化部分氧化法生产甲醇装置，甲醇产量为10万吨/年，焦炉气成分(V％)：H₂＝54～59％，CH₄＝23～28％，N₂＝3～5％，O₂＝0.3～0.7％，CO＝5.5～7％，CO₂＝1.2～2.5％，C₂⁺＝1.5～3％，气化炉压力为6.5Mp。按年工作日为300天计，甲醇产量为13.89吨/h，焦炉气用量为27640Nm³/h，耗氧(O₂含量＝99.6％)9038Nm³/h。气化炉壳体内直径为1820mm，向火面内直径1200mm，反应区直筒段高度6400mm，合成气出反应区的温度为1216℃，干气成分(V％)：H₂＝64.60％，CO＝26.08％，CO₂＝4.38％，CH₄＝0.38％，N₂＝3.83％，Ar＝0.47％，NH₃＝0.18％，HCN＝0.08％，干气量为35200Nm³/h。合成气进入高温热回收区，水管锅炉采用盘管形，直径50mm，管心距为100mm，盘管总高为4200mm，出高温热回收区合成气温度为1006℃，副产12MPa蒸汽7.4t/h。

合成气进入洗涤冷却室，循环水87t/h进洗涤冷却水均布环温度为230℃，出洗涤冷却室合成气温度为278℃，水蒸汽与干气比为1.2，进变换工序，每小时补充脱离子水26吨。