專利名稱:一種同步制取合成氣和金屬鋅的方法
技術領域:
本發(fā)明涉屬于能源與冶金技術領域,具體涉及一種在一個反應過程中同步 制取合成氣和金屬鋅的方法。
背景技術:
當今世界能源的三大支柱為石油、煤、天然氣,石油目前的儲量估計只能供人類使用不到50年,因此尋找石油的替代品是當今世界最為緊迫的問題。甲 烷(CH4)是天然氣、煤層氣和甲烷水合物(可燃冰)的主要成分,隨著石油 資源的日益枯竭,儲量豐富的甲烷資源將成為最具希望的替代能源之一。專家 預測,到本世紀20年代,在世界的能源結構中,甲烷將從現(xiàn)在的25%增長到 40%,從而替代石油成為全球最主要的能源,同時也將替代石油成為最主要的 化工原料??碧奖砻?,我國煤層氣的儲量約35萬億m3,天然氣遠景儲量達到 43萬億m3。另據(jù)估計,世界上以甲烷水合物形式存在的碳總量約是現(xiàn)已知地 球上所有化石燃料的2倍。因此,對甲烷的轉化技術進行研究具有重大的戰(zhàn)略 意義。合成氣是甲烷轉化利用的重要化工中間產品,傳統(tǒng)的制備工藝有水蒸汽重 整、二氧化碳重整和部分氧化三種方法。水蒸氣重整反應是一個強的吸熱過程, 能耗很高,設備龐大復雜,操作費用昂貴,其中合成氣生成約占整個天然氣化 工總投資和生產成本的60% 70%,尚需改進和完善。二氧化碳重整工藝現(xiàn)在 也在研究之中,但該工藝以天然氣和二氧化碳為原料,重整后僅得到氫氣(H2) 和一氧化碳(CO)比為1 : 1的混合氣,不利于后續(xù)再加工,并且以兩種碳含量 較高的物種為原料進行反應,必將存在嚴重的積碳問題。積碳問題會使催化劑 的活性快速下降而失效,從而增加操作成本。甲烷部分氧化制合成氣與重整相 比,具有投資少、效率高、能耗低等優(yōu)勢。但目前研究較多的部分氧化技術需 要制備純氧,而制氧裝置的投資和搡作費用比較昂貴,如果開發(fā)出一種不需要 預先制備純氧的天然氣部分氧化制合成氣工藝,將會顯著降低合成氣的成本。另一方面,金屬鋅的冶煉方法主要是火法冶煉和濕法冶煉,我國火法煉鋅 現(xiàn)約占整個行業(yè)的30%,火法冶煉會向大氣排放大量的二氧化碳(C02)和粉塵,環(huán)境污染嚴重;而濕法煉鋅需消耗大量電能和排放大量廢水,兩者能量利用效率都較低。國外已有研究者利用甲烷(CH4)和氧化鋅(ZnO)反應制取 合成氣和金屬鋅,但反應體系是甲烷(CH4)和氧化鋅(ZnO)直接接觸反應, 反應效率較差,熱利用率低,主要是利用氧化鋅(ZnO)反應甲烷(CH4),達
到減少溫室氣體甲烷(CH4)排放的目的。如果能將合成氣的制取與鋅冶煉相結合,發(fā)明一種在清潔冶煉金屬鋅的同 時生產出極有應用價值的合成氣,這將是鋅冶煉行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一條有效途 徑。發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種同步制取合成氣和金屬鋅的方法, 它可同步生成合成氣(氫氣與一氧化碳的混合氣體)和金屬鋅,工藝流程短,操作 簡單,反應易進行,成本低,操作安全,節(jié)能降耗對環(huán)保有利。解決發(fā)明的技術問題所釆用的方案是在熔融鹽反應器中,以碳酸鹽熔融 鹽作為反應介質,通入甲烷和氧化鋅粉進行氧化還原反應,同步生成氫氣與一 氧化碳的混合合成氣和金屬鋅。本發(fā)明的還包括以下技術方案氧化鋅粉質量占熔融鹽質量的比例為5%-40%,反應時熔融鹽溫度控制在 1073K 1373K,時間為0.5小時~ 10小時。在熔融鹽反應器中反應時,氧化鋅粉末從熔融鹽反應器頂部噴入,甲烷從 底部鼓入,反應后生成的合成氣通過頂部導氣管進入產品氣回收系統(tǒng),底部的熔 融鹽和液態(tài)鋅的混合液導入鋅分離器分離得到金屬鋅。熔融鹽體系采用碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸鋰其中的一種或多種,熔融鹽和金 屬鋅分離完成后的熔融鹽需進行凈化,再通過循環(huán)系統(tǒng)加熱后循環(huán)使用。本發(fā)明的有益效果是① 反應利用氧化鋅(ZnO)提供的晶格氧來使甲烷(CH4)部分氧化,從 而避免了傳統(tǒng)部分氧化甲烷所必須的純氧和昂貴的催化劑,使成本降低,同時 避免甲烷與分子氧直接接觸產生爆炸的危險;② 反應在熔融鹽體系中進行,通過熔融鹽優(yōu)越的熱傳導性能使反應溫度場 更加均勻,避免熱點問題的產生,使反應更易進行;③ 利用熔融鹽的儲熱功能,使反應過后的余熱大部分儲存于熔融鹽中,熔 融鹽循環(huán)使用,同時提高制合成氣及金屬鋅的系統(tǒng)熱利用率,達到節(jié)能降耗的目的;④ 將甲烷(CH4)用于金屬鋅的制備,與傳統(tǒng)的金屬鋅制備方法相比不會 向大氣排放二氧化碳(C02)、氮氧化物(NOx)等污染物,是環(huán)境友好的金屬鋅制備方法;⑤ 整個工藝流程短,搡作簡單,可以實現(xiàn)合成氣和金屬鋅的同步生產。
圖l為本發(fā)明工藝流程示意圖。
具體實施方式
實施例1① 實施條件以氧化鋅作為氧載體,質量比為1:1的碳酸鈉(Na2C03)和碳酸鉀(K2C03) 作為熔融鹽體系,工業(yè)甲烷為反應原料氣,反應器是一個長550mm、內徑為 28mm的不銹鋼反應器,其中一端封口。將氧化鋅粉末和混合碳酸鹽預先研磨 均勻后放入反應器內,氧化鋅粉質量占熔融鹽質量的比例為35%,反應器置于 管式電爐中,將溫度升到1173K加熱2h;把進出氣管及相連的密封蓋置于反應 器,進氣管深入反應器底部,旋緊密封蓋,出氣管先通入一個冷井,再通入一 個裝有水的容器,檢查氣密性,然后通入氮氣(N2)約2h以排空里面的空氣, 再切換至甲烷(CH4),反應即開始。用熱電偶及控溫器控制反應器內溫度,溫 度浮動范圍在土1K,用質量流量計控制氣體流量為100Ncm3.min",本實例為間 歇性操作。② 實施結果通過對產物氣的組分分析發(fā)現(xiàn),絕大部分甲烷已經被部分氧化為氬氣(H2) 和一氧化碳(CO)摩爾比約為2:1的合成氣,二者在產物氣中的體積百分含量 達到了 97%;同時在熔融鹽反應器底部順利的分離出了金屬鋅。實施例2① 實施條件以氧化鋅作為氧載體,選用的熔融鹽體系為質量比1:1:1的碳酸鈉 (Na2C03)、碳酸鉀(K2C03)和碳酸鋰(Li2C03),工業(yè)甲烷為反應原料氣, 反應在長550mm、內徑為28mm的不銹鋼反應器進行,其中一端封口。將氧化 鋅粉末和混合碳酸鹽預先研磨均勻后放入反應器內,氧化鋅粉質量占熔融鹽質 量的比例為20%,反應溫度1223K,溫度浮動范圍在士1K,氣體流量為150Ncm3 min",反應時間為l小時,反應為間歇性操作。② 實施結果通過對產物氣的組分分析發(fā)現(xiàn),氣體組成主要為氫氣(H2)和一氧化碳 (CO),兩者的摩爾比也非常接近2:1, 二者在產物氣中的體積百分含量達到 95%,其余氣體則為未反應完全的甲烷;同時在熔融鹽反應器底部也順利地分 離出了金屬鋅。實施例3①實施條件以氧化鋅作為氧載體,選用的熔融鹽體系為質量比1:1的碳酸鉀(K2C03) 和碳酸鋰(Li2C03),工業(yè)甲烷為反應原料氣,反應在長550mm、內徑為28mm 的不銹鋼反應器進行,其中一端封口。將氧化鋅粉末和混合碳酸鹽預先研磨均句后放入反應器內,氧化鋅粉質量占熔融鹽質量的比例為6%,反應溫度1273K, 溫度浮動范圍在士1K,氣體流量為200Ncm3.min",反應時間為7小時,反應為 間歇性操作。 ②實施結果通過對產物氣的組分分析發(fā)現(xiàn),氣體組成主要為氫氣(H2)和一氧化碳 (CO),兩者的摩爾比接近2:1, 二者在產物氣中的體積百分含量達到92%,其 余氣體則為未反應完全的甲烷,在熔融鹽反應器底部順利地分離出了金屬鋅。
權利要求
1、一種同步制取合成氣和金屬鋅的方法,其特征是在熔融鹽反應器中,以碳酸鹽熔融鹽作為反應介質,通過甲烷和氧化鋅粉進行氧化還原反應,同步生成氫氣與一氧化碳的混合合成氣和金屬鋅。
2、 按權利要求l所述的同步制取合成氣和金屬鋅的方法,其特征是氧化 鋅粉質量占熔融鹽質量的比例為5% 40%,反應時熔融鹽溫度控制在1073K 1373K,時間為0.5小時 10小時。
3、 根據(jù)權利要求2所述的同步制取合成氣和金屬鋅的方法,其特征是在 熔融鹽反應器中反應時,氧化鋅粉末從熔融鹽反應器頂部噴入,甲烷從底部鼓 入,反應后生成的合成氣通過頂部導氣管進入產品氣回收系統(tǒng),底部的熔融鹽 和液態(tài)鋅的混合液導入鋅分離器分離得到金屬鋅。
4、 按權利要求3所述的同步制取合成氣和金屬鋅的方法,其特征是熔融鹽 體系釆用碳酸鈉、碳酸鉀和碳酸鋰其中的一種或多種,熔融鹽和金屬鋅分離完 成后的熔融鹽需進行凈化,再通過循環(huán)系統(tǒng)加熱后循環(huán)使用。
全文摘要
一種同步制取合成氣和金屬鋅的方法。本發(fā)明涉屬于能源與冶金技術領域,具體涉及一種在一個反應過程中同步制取合成氣和金屬鋅的方法。本方法是在熔融鹽反應器中,以碳酸鹽熔融鹽作為反應介質,通過甲烷和氧化鋅粉進行氧化還原反應,同步生成氫氣與一氧化碳的混合合合成氣和金屬鋅。本發(fā)明既可達到節(jié)能降耗的目的,又能避免反應過程熱點和三廢的產生。該系統(tǒng)在簡化金屬鋅生產工藝、降低生產成本的同時獲得了極有應用價值的新能源——合成氣。
文檔編號C01B3/36GK101157443SQ200710066178
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權日2007年9月11日
發(fā)明者方 何, 敖先權, 華 王, 胡建杭, 魏永剛 申請人:昆明理工大學