CN101307259B - 煤气生产装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤气生产装置和方法。该装置至少包括顺次相连的混合区和反应区，该混合区和反应区内保持无氧环境；在该混合区远离该反应区的一端设有用于通入碳原料的原料进口和用于通入二氧化碳的进气口；该反应区侧壁外侧设有微波源，用于在无氧环境下通过加热吸波结构来加热碳原料和二氧化碳反应以生成一氧化碳从反应区壁面上的出气口导出。该方法包括：通入碳原料和二氧化碳进行混合；在无氧环境下，以微波源加热混合后的碳原料和二氧化碳反应以生成一氧化碳。本发明采用微波源在无氧环境下将碳原料和二氧化碳气体加热到高温状态使其反应的技术手段，提高了反应效率和生产率，且能够消耗温室气体保护环境。

Description

煤气生产装置和方法 
技术领域
本发明涉及一种煤气生产装置和方法，尤其涉及一种以碳原料制备包含一氧化碳的混合气的生产装置和方法。 
背景技术
相比于煤的燃烧，煤气的燃烧更为清洁、高效，因此煤气作为一种清洁能源正受到越来越广泛的关注。现有技术中，主要是利用粉煤来生产煤气，其气化原理是煤和气化剂的反应，本质上是碳、氧和水蒸汽的反应。在通常的煤气发生炉中，将粉煤通入煤气发生炉中进行燃烧，产生热量和二氧化碳，并将水蒸汽、空气等通入煤气发生炉中，与二氧化碳共同组成气化剂，而后粉煤和气化剂发生反应，主要的反应式包括二氧化碳和水蒸汽被碳还原为一氧化碳和氢气的反应，主要反应式如下式(1)、(2)和(3)所示： 
CO2+C→2CO-Q         (1) 
H2O+C→H2+CO-Q       (2) 
2H2O+C→CO2+2H2-Q    (3) 
其中，“-Q”代表吸收热量。 
采用上述技术实现煤气生产所普遍存在的问题是：煤气转化效率不高；排出的混合气中包含的未反应二氧化碳、水蒸气、煤粉微粒等杂质多，后续分离步骤繁琐；以煤粉自身加热获取热量，一般会形成过量的二氧化碳，则排出过多的温室气体对环境不利；并且煤粉自身加热得到的温度不易控制，即无法对上述还原反应式(1)～(3)的反应进行精确控制。 
发明内容
本发明的目的是提供一种煤气生产装置和方法，以实现碳转化为煤气过程中转化效率的提高，并且减小的环境的污染。 
为实现上述目的，本发明提供了一种煤气生产装置，至少包括顺次相连的混合区和反应区，该混合区和反应区内保持无氧环境；在该混合区远离该反应区的一端设有用于通入碳原料的原料进口和用于通入二氧化碳的进气口；该反应区侧壁外侧设有微波源，用于在无氧环境下通过加热吸波结构来加热碳原料和二氧化碳反应，以生成一氧化碳从反应区壁面上的出气口导出。 
为实现上述目的，本发明还提供了一种煤气生产方法，包括如下步骤： 
步骤1、通入碳原料和二氧化碳进行混合； 
步骤2、在无氧环境下，以微波源加热吸波结构，从而加热混合后的碳原料和二氧化碳反应以生成一氧化碳。 
由以上技术方案可知，本发明采用微波源在无氧环境下将碳原料和二氧化碳气体加热到高温状态使其反应的技术手段，实现了碳作为还原物质能够直接与二氧化碳充分接触反应，从而提高了生成一氧化碳的反应效率，即能够提高煤气产量。同时，本发明的技术方案利用二氧化碳作为原料，能够消耗利用温室气体，且能够循环利用一次反应后多余的二氧化碳，所以能够有效改善环境。 
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 
附图说明
图1为本发明煤气生产装置具体实施例一的结构示意图； 
图2为本发明煤气生产装置具体实施例二的结构示意图； 
图3为本发明煤气生产方法具体实施例的流程图。 
图中： 
100-混合区            110-原料进口        120-进气口 
130-进气道      200-反应区    210-微波源 
250-多孔隔板    220-出气口    300-防护区 
具体实施方式
煤气生产装置实施例一 
如图1所示为本发明煤气生产装置具体实施例一的结构示意图。该煤气生产装置具体为一圆柱形炉体，包括顺次水平设置且贯通相连的混合区100和反应区200。该混合区100和反应区200内应保持无氧或者氧气稀薄的环境。在混合区100远离反应区200的一端设有原料进口110，用于通入碳原料，且还设有进气口120，用于通入二氧化碳，通入的碳原料通常为粉煤，粉煤和二氧化碳在混合区100内进行混合，而后到达反应区200。在该反应区200侧壁的外侧设有数个微波源210，较佳的是设置一排或多排微波源210周向围绕在圆柱形反应区200的外侧，用于在反应区200的无氧环境下通过加热设置在反应区内部或壁面上的吸波结构来加热混合后的碳原料和二氧化碳反应，以生成一氧化碳从反应区200壁面上的出气口220导出。 
在本实施例中，微波源210的个数较佳的是2～20个，设置在反应区200侧壁的外侧，反应区200内安装的吸波结构，较佳的是采用由重结晶碳化硅材料制成的形状如蜂窝煤状的多孔隔板250。该吸波结构也可以由其它能吸收微波的材料制成，例如陶瓷、蜂窝氧化硅或蜂窝氧化铝等。并且吸波结构的形状还可以为其他多种形式，其位置可以是填充在反应区200之内，或者附着在反应区200的壁面内侧，能够吸收微波对反应区200内通过的气体进行加热即可。本实施例中，通过微波源210将蜂窝状的多孔隔板250加热到一定温度，例如加热到1200℃或以上的高温状态，从而使反应区200内部处于高温状态，以利于碳原料和二氧化碳在通过多孔隔板250时，在高温环境下完成还原反应，通常由蜂窝状多孔隔板250加热可达到的高温环境达1000℃或以上。为承受反应区200的高温，防止微波泄漏，反应区200侧壁的材 料通常选用耐高温且防泄漏的材质，例如不锈钢，通常不锈钢可选用的型号有很多，例如“304”、“306”、“310s”、“316”或“321”等。 
在本实施例中，如图1所示，为了使二氧化碳和碳原料能够充分混合，可以将原料进口110设置在混合区100的侧壁上，较佳的是一原料漏斗的形式设置在混合区100侧壁的上方，使碳原料，通常是粉煤的形式，在自身重力的作用下下落到混合区100中。并且，将进气口120设置在混合区100的端壁上，且在进气口120处设置喷嘴。该喷嘴用于在进气口120处形成以设定速率喷入的二氧化碳气流。二氧化碳气流带动粉煤颗粒运动，将通入的粉煤吹向反应区200，并在运动过程中实现混合。为保证粉煤和二氧化碳气体的充分混合，大致需要0.5～6秒的时间，在本实施例中，可以进一步设置混合区100两端部之间的长度等于二氧化碳气流以设定速率喷入时，能够行进0.5～6秒的距离，从而使得到达反应区200时粉煤和二氧化碳能够充分混合。采用上述方式实现二氧化碳和粉煤的混合，不仅能够实现充分混合，而且高速通入的二氧化碳气流使得原料进口110的压强较低，通常能够相对于外界形成负压，则能够自动的将粉煤从外界通过原料进口110吸入混合区100内。因此，原料进口110并不限于设置在侧壁的上方，还可以设置在侧壁的其他方向上，依靠这种吸力将粉煤吸入，该技术同时有效的避免了因主动加料方式可能导致的加料过多堵塞混合区100的问题。 
本实施例因为反应区的温度较高，所以混合区的温度可以维持在550～950℃的范围内，且从远离反应区的端部向临近反应区的端部递增。通入的二氧化碳和碳原料的温度可以是在较低的常温状态下通入，而后在混合区内一方面混合，一方面预热，到达反应区后开始反应生成一氧化碳，而后可以定期或连续的将反应区内的混合气体导出，该混合气中包含着一氧化碳和未完全反应的二氧化碳及粉煤颗粒，经分离后，即可获取以一氧化碳成份为主的煤气。 
本实施例的煤气生产装置采用微波源在无氧环境下加热反应区内的碳原料和二氧化碳混合物，一方面，能够使反应区维持在较高的温度，且通过对微波功率的控制能够实现对反应区温度的精确控制；另一方面，能够使碳原料与二氧化碳直接进行生成一氧化碳的还原反应，反应效率高，产量大。本实施例的生产原料为二氧化碳，则能够有效消耗温度气体，保护环境。从出气口排出的混合气，可以将分离出的二氧化碳再循环回混合区作为原料。或者，可以直接采用用户燃烧煤气后生成的烟气通入混合区，利用烟气中的二氧化碳作为原料。不需要投入分离二氧化碳所需的成本，且能够有效消耗废气。
在具体应用中，如图1所示，可以在设置有微波源210的反应区200的一端进一步连接一段防护区300，以防止微波源210的微波泄露。 
煤气生产装置实施例二 
如图2所示为本发明煤气生产装置具体实施例二的结构示意图。本实施例以实施例一为基础，进一步改进了进气口120处的设计。本实施例中的二氧化碳进气口120具体设计为一进气道130，该进气道130的轴线形状为螺旋形。产生该进气道130，以设定速率喷入的二氧化碳是沿进气道130被螺旋喷入的，在混合区100内形成了涡流，更加有利于粉煤和二氧化碳的充分混合。 
本实施例进气道的横截面形状可以具体为圆形、椭圆形、矩形等，进气道的轴线形状不限于螺旋形，还可以为折线形或抛物线形等，能够使通入的二氧化碳形成有利于混合的涡流即可。可以进一步设置混合区的形状配合二氧化碳与粉煤的混合，例如在混合区的内壁上设置螺旋线形的肋板，导引二氧化碳和粉煤气流的流动方向。 
本实施例对进气口的改进，能够有效的改善碳原料和二氧化碳的混合效果，使其充分混合，则反应可以更加充分、迅速。 
混合区和反应区的连接方式为上下连接，或左右连接，或下上连接。本发明的煤气生产装置并不限于水平设置混合区和反应区，还可以竖直连接混合区和反应区，反应区可以在上或在下。当反应区在上时，因为粉煤颗粒实际上体积较小，其重力作用微乎其微，在二氧化碳气流的作用下，极易向上运动至反应区。类似的，当反应区在下时，粉煤同样可以在二氧化碳气流的作用下沉降到反应区进行反应。 
煤气生产方法实施例 
如图3所示为本发明煤气生产方法具体实施例的流程图。该方法较佳的是采用本发明的煤气生产装置来实现，其具体包括如下步骤： 
步骤1、在混合区的原料进口通入碳原料，并在进气口通入二氧化碳，在混合区内进行混合； 
步骤2、在反应区的无氧环境下，以微波源加热吸波结构，吸波结构具体可以为重结晶碳化硅等材料制成的蜂窝状多孔隔板，使混合的碳原料和二氧化碳在通过多孔隔板时，被迅速加热至1000℃或更高的温度，使二氧化碳和碳原料反应，被还原成一氧化碳，而后将一氧化碳从反应区的出气口导出。 
在本实施例中，可以从混合区一端的侧壁上通入碳原料，从混合区一端的端壁上通入二氧化碳，即碳原料的通入方向与二氧化碳的通入方向呈一夹角，较佳的是呈90度，且二氧化碳以设定速率被喷嘴喷入，吹动碳原料运动，在运动中进行混合。具体可以采用螺旋形、折线形或抛物线形的进气道通入二氧化碳，使二氧化碳气流形成涡流，能够更好的实现混合效果。 
可以设置混合时间为0.5～6秒，即二氧化碳带动碳原料运动0.5～6秒后完成混合，进入反应区被加热。 
在本实施例的步骤2中，可以较佳的通过控制微波源的功率将混合后的二氧化碳和碳原料加热到1000℃甚至更高，以利用加速吸热的还原反应的进行。 
在上述步骤1的混合过程中，还可以进一步实现预热，利用反应区温度的传导或者另行设置热源加热，使得通入的碳原料和二氧化碳在550～950℃的温度环境下进行混合，且混合的碳原料和二氧化碳的温度递增，直至到达反应区继续进行加热。经过预热的碳原料和二氧化碳更易迅速进行反应，且设置预热段能够保持反应区内的高温。 
在本实施例中，为保证反应充分进行，且避免导出的气体中出现过多的未反应物，较佳的是设置通入的碳原料与二氧化碳的体积比范围为1∶2至1∶ 50碳原料。 
本实施例中所需的二氧化碳原料可以有多种获得途径，较佳的是直接采用用户燃烧煤气或其他碳物质所产生的烟气，在烟气中通常包含大量的二氧化碳可以作为本实施例的原料。从出气口导出的混合气中的二氧化碳也可以在分离后循环回进气口继续参与反应。上述方案有效的消耗了温度气体，对保护环境有极大的贡献。 
本实施例的煤气生产方法能够有效提高碳原料与二氧化碳的反应效率，从而提高作为煤气主要成份的一氧化碳的产量。并且在导出的混合气中，杂质的成份较为单一，易于分离，能提高煤气中一氧化碳的比例。同时该技术方案还能消耗温度气体，保护环境。 
本发明的煤气生产方法可以但不限于采用本发明的煤气生产装置，则二氧化碳以设定速率通入时，可以是吹动碳原料，通常是粉煤的形式，沿竖直向上，或竖直向下，或水平的方向运动，甚至可以沿一定倾斜角度吹动碳原料达到反应区，只要实现碳原料与二氧化碳的充分混合，且到达反应区在无氧高温环境下反应即可。 
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (20)

1.一种煤气生产装置，其特征在于：至少包括顺次相连的混合区和反应区，所述混合区和反应区内保持无氧环境；在所述混合区远离所述反应区的一端设有用于通入碳原料的原料进口和用于通入二氧化碳的进气口；所述反应区侧壁外侧设有微波源，用于在无氧环境下通过加热吸波结构来加热所述碳原料和所述二氧化碳反应，以生成一氧化碳从所述反应区壁面上的出气口导出。 
2.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述微波源的个数为2～20个，且周向围绕在所述反应区侧壁的外侧。 
3.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述反应区侧壁的材质为不锈钢。 
4.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述吸波结构为蜂窝状多孔隔板，设置在所述反应区内。 
5.根据权利要求1或4所述的煤气生产装置，其特征在于：所述吸波结构的材料为重结晶碳化硅、陶瓷、蜂窝氧化硅或蜂窝氧化铝。 
6.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述原料进口设置在所述混合区的侧壁上，所述进气口设置在所述混合区的端壁上，且所述进气口处还设置有喷嘴，用于形成以设定速率喷入的二氧化碳气流，将通入的所述碳原料吹向所述反应区。 
7.根据权利要求6所述的煤气生产装置，其特征在于：所述进气口具体为一进气道，所述进气道的轴线形状为螺旋形，或折线形，或抛物线形。 
8.根据权利要求6所述的煤气生产装置，其特征在于：所述混合区的长度为所述设定速率喷入的二氧化碳气流行进0.5秒至6秒的距离。 
9.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述微波源的温度设定为用于将所述反应区内的温度加热到1000℃。 
10.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述混合区内 的温度在550～950℃范围内，且从远离所述反应区的端部向临近所述反应区的端部递增。 
11.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：在所述反应区背离所述混合区的一侧还连接有防护区，用于防止所述微波源的微波泄露。
12.根据权利要求1所述的煤气生产装置，其特征在于：所述混合区和所述反应区的连接方式为上下连接，或左右连接，或下上连接。
13.一种煤气生产方法，其特征在于，包括：
步骤1、通入碳原料和二氧化碳进行混合；
步骤2、在无氧环境下，以微波源加热吸波结构，从而加热混合后的所述碳原料和所述二氧化碳反应以生成一氧化碳。
14.根据权利要求13所述的煤气生产方法，其特征在于，通入所述二氧化碳具体为：通入包含有二氧化碳的烟气。
15.根据权利要求13所述的煤气生产方法，其特征在于：通入的所述碳原料与所述二氧化碳的体积比范围为1∶2至1∶50。
16.根据权利要求13所述的煤气生产方法，其特征在于，通入碳原料和二氧化碳进行混合具体为：所述碳原料的通入方向与所述二氧化碳的通入方向呈一夹角，且所述二氧化碳以设定速率通入，吹动所述碳原料运动，在运动中进行混合。
17.根据权利要求16所述的煤气生产方法，其特征在于，所述二氧化碳以设定速率通入，吹动所述碳原料运动具体为：所述二氧化碳以设定速率通入，吹动所述碳原料运动的时间为0.5至6秒，从而完成混合，执行步骤2。
18.根据权利要求16所述的煤气生产，其特征在于，所述二氧化碳以设定速率通入，吹动所述碳原料运动具体为：所述二氧化碳以设定速率通入，吹动所述碳原料竖直向上或竖直向下或水平运动。
19.根据权利要求13所述的煤气生产方法，其特征在于，以微波源加热混合后的所述碳原料和所述二氧化碳具体为：以所述微波源将混合后的所述碳原料和所述二氧化碳加热到1000℃。 
20.根据权利要求13或19所述的煤气生产方法，其特征在于，通入碳原料和二氧化碳进行混合具体为：通入碳原料和二氧化碳，在550～950℃的温度环境下进行混合，且混合的碳原料和二氧化碳的温度递增。 
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Co-applicant after: Ma'anshan New Power Jieneng Co., Ltd.

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Applicant before: Guangdong Keda Electromechanical Co., Ltd.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant