一種雙提升管沼氣自熱重整制備合成氣的方法及設(shè)備的制造方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及能源領(lǐng)域，尤其涉及一種雙提升管沼氣自熱重整制備合成氣的方法及設(shè)備。
[0002]【背景技術(shù)】隨著社會發(fā)展對能源需求的日益增長和化石能源的日益枯竭，發(fā)展可再生能源替代化石能源成為世界范圍內(nèi)的熱點話題。生物質(zhì)能源作為唯一可用于大規(guī)模制取液體燃料的含碳可再生資源成為當(dāng)前研究的熱點。
[0003]中國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，擁有豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源，據(jù)統(tǒng)計，每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸桿7億多噸，廢棄林木1.6億噸，畜禽糞便18億噸，總計農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源超過30億噸。沼氣被認(rèn)為是“當(dāng)前生物質(zhì)能行業(yè)最具產(chǎn)業(yè)化可行性的技術(shù)”，受到國家和各級地方政府的高度重視。2007年農(nóng)業(yè)部頒發(fā)《全國農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃(2006-2010)》，國家發(fā)改委發(fā)布《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，2014年農(nóng)業(yè)部產(chǎn)業(yè)政策與法規(guī)司制訂《國家深化農(nóng)村改革、支持糧食生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)民增收政策措施》，其中都將沼氣作為發(fā)展的重點。一系列相關(guān)鼓勵政策的出臺，使我國農(nóng)村沼氣建設(shè)項目得到了快速發(fā)展，2010年我國沼氣年產(chǎn)量已達(dá)130多億立方米，預(yù)計到2020年沼氣年利用量將達(dá)440億立方米。
[0004]2014年，農(nóng)業(yè)部產(chǎn)業(yè)政策與法規(guī)司制訂的《國家深化農(nóng)村改革、支持糧食生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)民增收政策措施》指出創(chuàng)新大中型沼氣工程建設(shè)機制，建立產(chǎn)業(yè)化發(fā)展平臺，引導(dǎo)社會力量參與沼氣建設(shè)和運營，拓寬沼氣使用出口。”因此，可以預(yù)見未來的幾年內(nèi)，浙江乃至全國的沼氣工程及沼氣利用技術(shù)都會迎來巨大的發(fā)展。
[0005]目前，沼氣的利用途徑主要有:①沼氣傳統(tǒng)利用和綜合利用技術(shù)，將沼氣用于農(nóng)村家庭的炊事、照明和取暖等，后來發(fā)展到實現(xiàn)物質(zhì)多層次利用、能量合理流動的綜合利用模式?’②沼氣發(fā)電技術(shù)，將沼氣用于發(fā)動機上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能；③沼氣燃料電池技術(shù)，把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能；④沼氣重整制取合成氣技術(shù)，沼氣經(jīng)過重整變成合成氣，再經(jīng)過分離、預(yù)處理和合成可以得到其它液體燃料。
[0006]對比各項技術(shù)發(fā)現(xiàn)，前三種沼氣利用方法都只利用了沼氣中的CH4資源，沼氣中含有大約30%的C02無法得到有效利用，只能排放到大氣中，造成了 C資源的嚴(yán)重浪費，加重了溫室效應(yīng)；而沼氣重整技術(shù)理論上能夠?qū)⒄託庵械腃H0P 0)2資源共同轉(zhuǎn)化成合成氣，最大限度地實現(xiàn)C資源的合理利用，大大減少了溫室效應(yīng)?？梢娬託庵卣a(chǎn)合成氣技術(shù)可能是沼氣利用的最佳方式，也是當(dāng)前研究的熱點之一。
[0007]沼氣的主要成分是CHjP C02，因而沼氣重整的實質(zhì)是CH4-C02重整。目前沼氣重整工藝主要有沼氣蒸汽重整、沼氣干重整、沼氣混合重整以及等離子體重整等。近年來，很多國家都對沼氣重整技術(shù)的研究給予了大量的科研和工程投資，但除沼氣蒸汽重整外，再無其它成熟的工業(yè)化生產(chǎn)案例。沼氣蒸汽重整已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，但是由于水蒸氣的參與導(dǎo)致產(chǎn)物中H2/C0的體積比接近3，不利于下游產(chǎn)品的合成；沼氣干重整的研究重點集中在基于固定床工藝提高催化劑的穩(wěn)定性以及催化劑失活機理方面，由于該反應(yīng)是一個強吸熱反應(yīng)，反應(yīng)系統(tǒng)的供熱問題必將成為未來該技術(shù)放大過程中的瓶頸；為了解決系統(tǒng)的供熱問題，研究者開始致力于開發(fā)混合重整工藝，在反應(yīng)體系中通入氧氣，利用可燃組分的燃燒為重整反應(yīng)提供熱量，但是氧氣的通入容易與產(chǎn)物中的&和C0反應(yīng)，影響合成氣組成，另夕卜，重整與燃燒反應(yīng)在一個反應(yīng)器中進(jìn)行，有爆炸的危險。近年來，等離子體被應(yīng)用于沼氣重整制合成氣的工作，其中，熱等離子體具有高焓、高溫、高能粒子密度大等特點，相對冷等離子體更適宜工業(yè)上放大生產(chǎn)，但是該技術(shù)仍處于實驗室研究起步階段，如何提高熱等離子體發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)化效率并合理設(shè)計適用于沼氣重整的等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)等離子體重整技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0008]通過分析在研的各項技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，沼氣重整技術(shù)未能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要技術(shù)原因是催化劑易積炭導(dǎo)致活性下降以及工藝過程能耗過高的問題。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】
為了有效解決上述問題，本發(fā)明提供一種雙提升管沼氣自熱重整制備合成氣的方法及設(shè)備，通過雙提升管構(gòu)成的反應(yīng)一再生系統(tǒng)實現(xiàn)催化劑反應(yīng)和失活催化劑再生的循環(huán)，結(jié)焦催化劑在再生系統(tǒng)燃燒再生，解決了結(jié)焦帶來的失活問題；同時，燃燒放出的熱量可以加熱催化劑為重整反應(yīng)提供部分熱量，維持重整反應(yīng)所缺熱量，從而解決工藝過程能耗的問題。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種雙提升管沼氣自熱重整制備合成氣的方法，其包括步驟:
步驟100:沼氣先進(jìn)行脫硫處理，再與提升管再生器出口輸送的氣體進(jìn)行混合形成混合氣體進(jìn)入提升管重整反應(yīng)器中；
步驟200:所述混合氣體在提升管重整反應(yīng)器中經(jīng)催化劑作用進(jìn)行重整反應(yīng)生成合成氣;
步驟300:反應(yīng)后的失活催化劑和合成氣經(jīng)提升管重整反應(yīng)器出口的第一旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，分別得到失活催化劑和合成氣；合成氣作為產(chǎn)品輸出；
步驟400:分離后的失活催化劑依次經(jīng)第一催化劑儲罐、第一控制閥和第一返料器進(jìn)入提升管再生器，與提升管再生器內(nèi)的氧氣反應(yīng)進(jìn)行再生；
步驟500:再生后的催化劑與提升管再生器內(nèi)的氣體經(jīng)提升管再生器出口的第二旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，分離后的氣體被輸送至提升管重整反應(yīng)器，分離后的再生催化劑依次經(jīng)第二催化劑儲罐、第二控制閥和第二返料器被輸送至提升管重整反應(yīng)器。
[0011]本發(fā)明采用上述的技術(shù)方案，提升管重整反應(yīng)器和提升管再生器構(gòu)成反應(yīng)一再生系統(tǒng)。在提升管重整反應(yīng)器內(nèi)起催化作用的催化劑，在反應(yīng)結(jié)束后失活并進(jìn)入提升管再生器，失活的結(jié)焦催化劑在提升管再生器內(nèi)燃燒再生，實現(xiàn)催化劑反應(yīng)和失活催化劑再生的循環(huán)，解決了結(jié)焦帶來的失活問題；同時，氧氣在提升管再生器內(nèi)燃燒放出的熱量可以加熱催化劑，加熱后的催化劑為重整反應(yīng)提供部分熱量，維持重整反應(yīng)所缺熱量，從而解決工藝過程能耗的問題。
[0012]進(jìn)一步，將沼氣的重整合成反應(yīng)和催化劑的再生反應(yīng)分別在兩個提升管中進(jìn)行，避免催化劑再生過程中通入的氧氣與沼氣中的4和co反應(yīng)，影響合成氣的組成，另外還可提高沼氣重整反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。
[0013]同時，由于沼氣的重整反應(yīng)和催化劑的燃燒均是在高溫下進(jìn)行，將沼氣的重整反應(yīng)和催化劑的燃燒分開在兩個提升管中進(jìn)行，可大大降低反應(yīng)發(fā)生爆炸的危險。
[0014]進(jìn)一步，所述步驟100具體為:沼氣先經(jīng)脫硫處理，再被輸送入至提升管重整反應(yīng)器，提升管再生器出口的氣體也被輸送至提升管重整反應(yīng)器中，兩種氣體在進(jìn)入提升管重整反應(yīng)器前的管路中進(jìn)行混合形成混合氣體，混合氣體再進(jìn)入提升管重整反應(yīng)器。提升管再生器出口的氣體主要為0)2和C0的混合氣體，若直接排入空氣中，造成了 C資源的嚴(yán)重浪費，加重了溫室效應(yīng)。而本發(fā)明中，將提升管再生器出口的氣體直接通入提升管重整反應(yīng)器中，與沼氣混合作為反應(yīng)原料，不僅可避免對大氣的污染，還可提高沼氣重整反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。
[0015]所述步驟100或步驟500中:所述提升管再生器出口輸送的氣體為0)2和C0的混合氣體。
[0016]進(jìn)一步，所述步驟100中，沼氣的脫硫處理方法包括以下中的一種或任意兩種以上的混合:干法脫硫、濕法脫硫或生物脫硫。經(jīng)脫硫處理后，沼氣中的含硫量大大降低，后續(xù)重整反應(yīng)合成得到的合成氣可直接應(yīng)用；還可防止后續(xù)反應(yīng)過程中催化劑中毒。
[0017]進(jìn)一步，所述脫硫后的沼氣含硫量低于50ppm。
[0018]進(jìn)一步，所述步驟200中，所述混合氣在提升管重整反應(yīng)器中的重整反應(yīng)溫度為700-900°C。在該高溫下，沼氣與提升管再生器出口的氣體充分混合，重整合成得到合成氣。在該反應(yīng)溫