一种提高甲烷转化效率的装置及方法
技术领域
本发明属于能源转化技术领域，具体是涉及一种提高甲烷转化效率的装置及方法
背景技术
甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
甲烷是天然气的主要成分，研究开发甲烷的利用技术是当前国际上的热门课题之一。甲烷的化学利用比较成熟的还是间接转化法，即先从甲烷制合成气，再由合成气合成各种化工原料及油品。间接法流程复杂、能耗大、生产成本高，投资也比较大。由于甲烷的直接转化可以一步得到有机化工产品，因此其直接转化利用更有吸引力。然而，由于甲烷堪称结构最稳定的有机分子，它的活化要比其他烃类困难，特别是希望得到的转化产物的化学活性往往比甲烷分子高得多。如何实现甲烷的定向高效转化是一个巨大的挑战
目前较为成熟的技术路线是将甲烷转化为合成气，再合成甲醇或合成氨，进而开发相关的下游产品。但由于间接利用甲烷的技术路线存在投资费用高、工艺流程复杂，生产成本较高等原因，目前在工业上还并未得到大规模化应用。从原理上看甲烷直接转化利用是最直接有效的途径。研究表明,由于甲烷的化学惰性目前的很难在较高的甲烷转化率下获得理想的产物选择性。因此，甲烷直接转化法在工业上应用的较少,大都还处于实验室研究阶段。一旦催化技术有所突破天然气必将成为最理想的石油替代品。所以，本发明设计了一种提高甲烷转化效率的装置及方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种提高甲烷转化效率的装置及方法。
本发明的技术方案是：一种提高甲烷转化效率的装置，主要包括燃烧装置、反应装置、甲烷喷射装置、电离活化装置和合成气收集装置，
所述燃烧装置包括用于氧气和氢气混合燃烧的燃烧室，连接在所述燃烧室侧部用于为燃烧室分别提供纯氢和纯氧的氢气罐和氧气罐，设置在燃烧室内部用于点火的点火装置，与燃烧室内部连通用于监测燃烧室内压力的压力检测器，连接在燃烧室出气口用于燃烧后膨胀气体喷射的喷射管，
所述反应装置包括与所述喷射管一体化连接的反应室，所述反应室为横向中空圆柱，反应室包括用于所述燃烧室燃烧气流喷射的喷射段，与所述甲烷喷射装置一体化连接用于甲烷气流预处理及喷射的甲烷处理喷射段和设置在所述喷射段与甲烷处理喷射段中间的碰撞反应段，
所述碰撞反应段用于相对喷射的燃烧气流与甲烷气流进行喷射碰撞，碰撞后的气流将动能转化为热能，促进甲烷气流进行热解，碰撞反应段的反应室内壁上环绕设有多个催化剂骤冷器，所述催化剂骤冷器为由催化剂涂覆表面的螺旋状冷却环，碰撞后进行热解的甲烷气流在后续气流的喷射动力下呈圆周向冷却环扩散，与冷却环上的催化剂接触，加速甲烷热解反应，并被冷却环内循环的冷却剂快速降温，降温后的合成气体经安装在催化剂骤冷器间隔处的集气嘴收集，
所述甲烷喷射装置连接在所述甲烷处理喷射段的远端，甲烷喷射装置包括提供甲烷气体的甲烷罐和用于将所述甲烷罐内甲烷气体加压喷射向甲烷处理喷射段的气体泵，
所述电离活化装置设置在甲烷处理喷射段远端内，电离活化装置包括横向设置在甲烷处理喷射段的多个电离活化管道，电离活化管道的出气端连接有与所述所述喷射管相对设置在集气管，
所述合成气收集装置包括与所述集气嘴通过负压泵连接用于抽吸合成气体的气体收集罐。
进一步地，所述氢气罐、氧气罐与所述燃烧室连接处分别安装有流量控制阀，可以方便控制氢气与氧气的进气比例，使原料充分被利用，降低转化成本。
进一步地，所述喷射管与燃烧室连接处设有与所述压力检测器连接的压力控制阀，压力控制阀用于根据燃烧室内压力大小控制喷射管的开关，在一定压力下开启压力控制阀，可以避免喷射气流速度过低而造成甲烷转化反应缓慢。
进一步地，所述甲烷处理喷射段内设有用于对甲烷喷射气流进行预热处理的预热环，所述预热环呈螺旋环状设置在甲烷处理喷射段中部，且预热环与所述冷却环连通，甲烷处理喷射段外侧还设有分别与所述预热环、冷却环连接的循环泵，用于将冷却环内吸收碰撞反应段热量后的冷却剂循环至预热环来预热甲烷气流，利用冷却环吸收的热量对甲烷气体进行预热，节省了单独加热甲烷气体的成本，并且可以帮助冷却剂散热，降低循环泵的工作负荷。
进一步地，所述循环泵具有压缩冷却功能，用于将预热甲烷后的冷却剂压缩降温后循环至冷却环内进行反应气体冷却，避免长时间循环造成冷却剂过热无法将吸收碰撞反应段产生的热量吸收。
进一步地，所述电力活化管道之间一体化连接，电离活化管道与电源阳极连接，电源活化管道的中轴线上设置有阴极轴，使甲烷气体只能通过电离活化管道被活化，避免甲烷气体经电离活化管道的缝隙之间逃离。
进一步地，所述阴极轴上等距设有用于放电的针状电晕极，针状电晕极的曲率半径小，易发生放电反应。
上述装置进行甲烷转化的方法，主要包括以下步骤：
S1：混合燃烧
按照3:1的比例向燃烧室内充入氢气和氧气，在燃烧室内压力达到1.1个标准大气压时开启点火装置点燃氢气，氢气与氧气在燃烧室内燃烧，燃烧生成的蒸汽和余量氢气在燃烧室内膨胀，在压力检测器检测到燃烧室内压力到达4个标准大气压时向压力控制阀发送控制信号，压力控制阀开启，燃烧室内混合膨胀气流经喷射管向反应室内的碰撞反应段喷射；
S2：甲烷喷射预处理
利用气体泵将甲烷罐内甲烷气体加压向反应室内喷射，甲烷气流首先经过电力活化装置的电离活化管道，电离活化管道内阴极轴上的电晕极在高电压下释放非均匀电离子，电离子将通过电离活化管道的甲烷表面化学键打开，使甲烷分子处于活跃态，电力活化后的甲烷气流经集气管整合后通过预热环，进一步加热活化后喷向碰撞反应段；
S3：喷射碰撞反应
夹带有氢气的混合膨胀气流与活化后甲烷气流在碰撞反应段碰撞，两股气流的动能均转化为混合气体的热能，对甲烷分子进行热解，热解气体在后续气流的喷射动力下呈圆周向冷却环扩散，与冷却环上的催化剂接触，生成合成气体；
S4：冷却收集
合成气体被冷却环内循环的冷却剂快速降温，降温后的合成气体由负压泵经集气嘴吸出收集至气体收集罐中保存。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种提高甲烷转化效率的装置及方法，尤其适用于甲烷的工业转化使用，通过在燃烧室内燃烧氢气和氧气，形成夹带有氢气的高速喷射气流，与高速喷射的甲烷气流进行对冲碰撞反应，使高速气流的动能转化为转化反应所需的热能，解决了传统将甲烷气流与燃烧气流同向喷射造成的混合气体混合不均匀，要达到反应所需温度需要将混合气流的喷射速度提高至超音速，这对于设备的要求过高，而本发明通过对冲的碰撞解决了上述问题，并且还设置在电离活化装置，利用电离子将通过电离活化管道的甲烷表面化学键打开，使甲烷分子处于活跃态，提高了甲烷的转化效率。总之，发明具有结构新颖、方法先进、甲烷转化效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的碰撞反应段左视图；
图3是本发明的催化剂骤冷器结构示意图；
图4是本发明的甲烷处理喷射段结构示意图；
图5本发明的电离活化管道结构示意图。
其中，1-燃烧装置、11-燃烧室、12-氢气罐、13-氧气罐、14-点火装置、15-压力检测器、16-喷射管、17-压力控制阀、18-流量控制阀、2-反应装置、21-反应室、211-喷射段、212-甲烷处理喷射段、2121-预热环、2122-循环泵、213-碰撞反应段、214-催化剂骤冷器、2141-冷却环、215-集气嘴、3-甲烷喷射装置、31-甲烷罐、32-气体泵、4-电离活化装置、41-电离活化管道、42-阴极轴、43-电晕极、44-集气管、5-合成气收集装置、51-负压泵、52-气体收集罐。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-5和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
实施例：如图1所示，一种提高甲烷转化效率的装置，主要包括燃烧装置1、反应装置2、甲烷喷射装置3、电离活化装置4和合成气收集装置5，
燃烧装置1包括用于氧气和氢气混合燃烧的燃烧室11，连接在燃烧室11侧部用于为燃烧室分别提供纯氢和纯氧的氢气罐12和氧气罐13，设置在燃烧室11内部用于点火的点火装置14，与燃烧室11内部连通用于监测燃烧室11内压力的压力检测器15，连接在燃烧室11出气口用于燃烧后膨胀气体喷射的喷射管16，喷射管16与燃烧室11连接处设有与压力检测器15连接的压力控制阀17，压力控制阀17用于根据燃烧室11内压力大小控制喷射管16的开关，氢气罐12、氧气罐13与燃烧室11连接处分别安装有流量控制阀18，
反应装置2包括与喷射管16一体化连接的反应室21，反应室21为横向中空圆柱，反应室21包括用于燃烧室11燃烧气流喷射的喷射段211，与甲烷喷射装置3一体化连接用于甲烷气流预处理及喷射的甲烷处理喷射段212和设置在喷射段211与甲烷处理喷射段212中间的碰撞反应段213，
如图2所示，碰撞反应段213用于相对喷射的燃烧气流与甲烷气流进行喷射碰撞，碰撞后的气流将动能转化为热能，促进甲烷气流进行热解，碰撞反应段213的反应室21内壁上环绕设有多个催化剂骤冷器214，如图3所示，催化剂骤冷器214为由催化剂涂覆表面的螺旋状冷却环2141，碰撞后进行热解的甲烷气流在后续气流的喷射动力下呈圆周向冷却环2141扩散，与冷却环2141上的催化剂接触，加速甲烷热解反应，并被冷却环2141内循环的冷却剂快速降温，降温后的合成气体经安装在催化剂骤冷器214间隔处的集气嘴215收集，
如图4所示，甲烷处理喷射段212内设有用于对甲烷喷射气流进行预热处理的预热环2121，预热环2121呈螺旋环状设置在甲烷处理喷射段212中部，且预热环2121与冷却环2141连通，甲烷处理喷射段212外侧还设有分别与预热环2121、冷却环2141连接的循环泵2122，用于将冷却环2141内吸收碰撞反应段213热量后的冷却剂循环至预热环2121来预热甲烷气流，循环泵2122具有压缩冷却功能，用于将预热甲烷后的冷却剂压缩降温后循环至冷却环2141内进行反应气体冷却，
甲烷喷射装置3连接在甲烷处理喷射段212的远端，甲烷喷射装置3包括提供甲烷气体的甲烷罐31和用于将甲烷罐31内甲烷气体加压喷射向甲烷处理喷射段212的气体泵32，
电离活化装置4设置在甲烷处理喷射段212远端内，电离活化装置4包括横向设置在甲烷处理喷射段212的多个电离活化管道41，电力活化管道41之间一体化连接，电离活化管道41与电源阳极连接，如图5所示，电源活化管道41的中轴线上设置有阴极轴42，阴极轴42上等距设有用于放电的针状电晕极43，电离活化管道41的出气端连接有与喷射管16相对设置在集气管44，
合成气收集装置5包括与集气嘴215通过负压泵51连接用于抽吸合成气体的气体收集罐52，
上述点火装置14可选用A7TC耐高温绝缘火花塞，压力检测器15可选用YLT-6208耐高压型压力检测器，压力控制阀17可选用LD64W型止回气体压力阀，流量控制阀18可选用MSC-100高精度气体流量控制阀，循环泵2122可选用DLSB-520耐高温压缩循环泵，催化剂可选用Li-ZnO/La2O3，气体泵32可选用STD10气动加压泵，电力活化装置4的正、负极分别与外部电源的正、负极连接，负压泵51可选用LV0100气体负压泵。
上述实施例的工作方法主要包括以下步骤：
S1：混合燃烧
按照3:1的比例向燃烧室11内充入氢气和氧气，在燃烧室11内压力达到1.1个标准大气压时开启点火装置14点燃氢气，氢气与氧气在燃烧室11内燃烧，燃烧生成的蒸汽和余量氢气在燃烧室11内膨胀，在压力检测器15检测到燃烧室11内压力到达4个标准大气压时向压力控制阀17发送控制信号，压力控制阀17开启，燃烧室11内混合膨胀气流经喷射管16向反应室21内的碰撞反应段213喷射；
S2：甲烷喷射预处理
利用气体泵32将甲烷罐31内甲烷气体加压向反应室21内喷射，甲烷气流首先经过电力活化装置4的电离活化管道41，电离活化管道41内阴极轴42上的电晕极43在高电压下释放非均匀电离子，电离子将通过电离活化管道41的甲烷表面化学键打开，使甲烷分子处于活跃态，电力活化后的甲烷气流经集气管44整合后通过预热环2121，进一步加热活化后喷向碰撞反应段213；
S3：喷射碰撞反应
夹带有氢气的混合膨胀气流与活化后甲烷气流在碰撞反应段213碰撞，两股气流的动能均转化为混合气体的热能，对甲烷分子进行热解，热解气体在后续气流的喷射动力下呈圆周向冷却环2141扩散，与冷却环2141上的催化剂接触，生成合成气体；
S4：冷却收集
合成气体被冷却环2141内循环的冷却剂快速降温，降温后的合成气体由负压泵51经集气嘴215吸出收集至气体收集罐52中保存。。
