一种甲烷裂解炉制造技术

本发明专利技术提供了一种甲烷裂解炉，包括炉体及烟道，烟道与炉体上端连通，炉体内设有隔墙，隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内。本发明专利技术所述的甲烷裂解炉以天然气为原料，通过分离裂解产物炭黑及氢气的方法，可以实现以低成本、低碳排放或零碳排放大规模工业化生产氢气的目标。规模工业化生产氢气的目标。规模工业化生产氢气的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种甲烷裂解炉


[0001]本专利技术属于天然气制氢领域，尤其是涉及一种甲烷裂解炉。

技术介绍

[0002]根据美国环境保护署的数据，CH4的温室效应是等量物质的CO2的28
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36倍。地壳浅层特别是北极冻土层是天然甲烷储藏库，全球变暖及地壳运动都会导致甲烷释放，甲烷释放又会加速全球变暖。制止甲烷向大气中排放的最好办法就是以大规模生产的方式把甲烷用掉，而又不向大气中排放二氧化碳。
[0003]氢气不仅是一种"洁净"的能源，也是一种十分重要的工业原料，它广泛应用于石油、化工、电子、冶金、油脂、航天、轻工业等领域。天然气的主要成分是甲烷，在工业上一个重要的应用是制氢。但目前主流的以天然气为原料大规模制取氢气的工艺，存在着氢气生产成本高、二氧化碳排放量大的问题。另外，现有的天然气制氢工艺通常采用固体催化剂，还存在催化剂失活及效率不高的问题，影响产能的进一步扩大。
[0004]因而，开发一种低成本、低碳排放或零碳排放且可以大规模产业化的制氢工艺就成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种甲烷裂解炉，以实现低成本、高效、低碳排放或零碳排放的制氢目标。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种甲烷裂解炉，包括炉体及烟道，所述烟道与炉体连通，炉体内设有隔墙，所述隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，所述炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层的液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内。烟道通常设置于炉体的上端，但也可设置在炉体侧壁的一侧。隔墙的上端应高于熔体层的液面，以保证熔体不会倒灌进入炭黑仓。加料装置用于向熔池内添加熔体或渣料或裂解催化剂。浸入式烧嘴用于将燃气和氧气通入熔池内，使燃气和氧气充分燃烧放热，为甲烷裂解提供高温熔体环境，通过控制注入熔池内的燃气和氧气的量可以控制熔体层的温度。天然气喷枪用于向熔体内喷入天然气，使天然气中的烷烃(主要是甲烷)在熔体催化作用下发生裂解，反应生成的氢气从烟道排出，而产生的炭黑浮在熔体层上形成炭黑层，当累积的炭黑层的高度超过隔墙顶端时，超出的部分炭黑越过隔墙落入炭黑仓内。炭黑仓底部的排料口用于排出炭黑。浸入式烧嘴的出口应设于熔体内，使燃气和氧气燃烧产生的热量可以高效的加热熔体；天然气喷枪的出口也须设置在熔体内，以保证天然气中的甲烷可以被熔体的高温环境快速加热、催化并迅速发生裂解反应；另外，浸入式烧嘴和天然气喷枪位于炉体内的枪体部分并不要求都浸入熔体，只须保证其出口位于熔体内适当的位置即可。
[0008]进一步地，所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将熔池分隔为加热室及裂解室，挡墙与
炉体内壁固接且挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道顶部低于熔体层的液面，所述加料装置及浸入式烧嘴与加热室连通，所述天然气喷枪与裂解室连通。连通加热室及裂解室的通道只位于熔体层内，可以有若干个，也即熔体可以在加热室和裂解室之间自由流动，而加热室及裂解室位于熔体层液面以上的空间被挡墙完全隔绝，互不连通。
[0009]进一步地，所述烟道包括氢气烟道及燃气烟道，所述氢气烟道与裂解室连通，所述燃气烟道与加热室连通。浸入式烧嘴喷入加热室熔体内的氧气和燃气燃烧后生成的烟气进入燃气烟道，天然气喷枪喷入裂解室的烷烃(主要是甲烷)裂解后产生的氢气进入氢气烟道。氢气烟道及燃气烟道两个烟道互相隔离，可以大幅度的提高从氢气烟道中排出的氢气的纯度，降低后续烟气处理的难度。
[0010]进一步地，所述挡墙的导热系数大于100W/(m
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k)，挡墙的材质采用导热性能好、熔点高、耐磨、耐腐蚀的材料制成，例如是氧化铍、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化镁中的一种或多种的组合。
[0011]进一步地，所述炭黑仓侧壁设有冷却机构；优选地，所述冷却机构为水冷机构或风冷机构，通过冷却机构将落入炭黑仓中的炭黑温度降低至300℃以下，便于直接在空气中将炭黑排出。
[0012]进一步地，所述炭黑仓环绕所述熔池设置，炭黑仓的截面呈环形。这种环绕式的设置方式一方面可以减少熔池中的热量散失，另一方面也便于熔池顶部的炭黑排入炭黑仓中。
[0013]进一步地，所述炭黑仓底部的排料口高度比熔池底部高度低0.2m以上；优选地，所述炭黑仓底部的排料口比熔池的底部低2
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20米。炭黑仓底部伸出炉体的设置便于炭黑仓中的炭黑充分地冷却降温。
[0014]进一步地，所述隔墙的导热系数小于0.2W/(m
·
k)；优选地，隔墙的材质为陶瓷纤维、氧化铝纤维或其复合材料中的一种或多种的组合。隔墙的材质选为绝热材料的原因是尽量减少从熔池传递至炭黑仓的热量，一方面便于炭黑仓中的炭黑快速降温，另一方面减少熔池内热量的损耗，降低综合能耗。此外，隔墙也可以不用隔热材料，而采用水冷壁挂渣的方式构建，即与炭黑仓的外壁采用同样的结构。
[0015]进一步地，所述天然气喷枪的出口位置高于浸入式烧嘴的出口位置。浸入式烧嘴有若干个，烧嘴出口(喷头)设置在熔体偏底部的位置，以便产生的热量通过自然对流的方式传递至熔体的中上部。天然气喷枪也有若干个，天然气喷枪的出口(喷头)设置在熔体内，高于浸入式烧嘴的出口位置，以使甲烷的裂解反应能吸收到足够的热量。
[0016]需要说明的是：浸入式烧嘴可以是独立式的，也可由氧气喷枪及燃气喷枪组合而成。独立式的浸入式烧嘴为单枪多通道结构，其中的一个通道为氧气进入通道，一个通道为燃气进入通道，还有一个通道为冷却介质(冷空气或冷水)循环通道，用于给浸入式烧嘴降温。燃气可以是天然气、氢气或碳氢化合物类气体，优选氢气，可以实现零碳排放。在实际应用中，控制喷入的燃氧比，使燃气稍过量，可以使喷入的氧气燃烧殆尽，避免过剩的氧气与甲烷裂解的石墨反应，从而降低碳排放。
[0017]进一步地，所述熔体层中的有效成分为镍铁合金；优选地，所述镍铁合金为红土镍矿冶炼得到的，导热性能好，且对甲烷裂解有良好的催化效果。
[0018]本专利技术创造所述的甲烷裂解炉的工作原理如下：
[0019]天然气中的烷烃(主要是甲烷)裂解会吸收大量的热量，炉壁也会向外界辐射热量，为向熔池内补充热量，通过浸入式烧嘴向熔体内喷入燃气与氧气燃烧放热。熔体的温度一般约为1000
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1600℃，由喷入的燃气及氧气的量来控制。通过天然气喷枪向熔体内喷入天然气，天然气进入高温的熔体环境后，快速升温，天然气中的烷烃(主要是CH4)在催化剂及高温的作用下，迅速裂解为炭黑和氢气。
[0020]甲烷在熔体中发生如下化学反应：
[0021]CH4→
C+2H2[0022]裂解产生的氢气上浮进入烟气，最终经烟道排出炉外，进入后续处理流程。
[0023]而固态小颗粒的炭黑上浮至熔体表面，形成炭黑层；当炭黑层的高度不断累积，超越隔墙顶端后，在侧向挤压力及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲烷裂解炉，其特征在于：包括炉体及烟道，所述烟道与炉体连通，炉体内设有隔墙，所述隔墙的上端与炉体上端之间留有间隙，所述炉体内腔被隔墙分隔为熔池及炭黑仓，所述熔池内设有熔体层，熔体层液面低于隔墙上端，熔池侧壁或底部连通有加料装置、浸入式烧嘴、天然气喷枪及排渣口，浸入式烧嘴的出口及天然气喷枪的出口均设于熔体层内。2.根据权利要求1所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述炉体内设有挡墙，所述挡墙将熔池分隔为加热室及裂解室，挡墙与炉体内壁固接且挡墙上设有连通加热室及裂解室的通道，所述通道顶部低于熔体层的液面，所述加料装置及浸入式烧嘴与加热室连通，所述天然气喷枪与裂解室连通。3.根据权利要求2所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述烟道包括氢气烟道及燃气烟道，所述氢气烟道与裂解室连通，所述燃气烟道与加热室连通。4.根据权利要求2所述的甲烷裂解炉，其特征在于：所述挡墙的导热系数大于100W/(m
·
k)；优选地...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小兵，夏明，邱江波，施小芳，
申请(专利权)人：天津闪速炼铁技术有限公司，
类型：发明
国别省市：