CN101724467B

CN101724467B - 一种制取可燃气体的方法及其专用气固反应装置

Info

Publication number: CN101724467B
Application number: CN 200910254368
Authority: CN
Inventors: 谢继东; 姜英; 徐振刚
Original assignee: China Coal Research Institute CCRI
Current assignee: China Coal Research Institute CCRI
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: CN101724467A

Abstract

本发明公开了一种制取可燃气体的方法及其专用气固装置，该气固反应装置，包括外壳以及所述外壳内侧的加热带，还包括设置在所述加热带内侧的立式反应管，立式反应管的上下两端均设有成对的密封法兰；设置在所述立式反应管内的装料管，装料管的上端套接在所述立式反应管上端的法兰中；设置在所述立式反应管上端的两个进气管；以及设置在所述立式反应管下端的出气管，出气管穿过所述立式反应管下端的法兰。本发明的装置其结构简单、价格便宜、安全、便于操作、能实现多种气氛切换，可用于许多科研项目和工业反应过程的研究。本发明的方法，可有效地得到可燃气体。

Description

一种制取可燃气体的方法及其专用气固反应装置

技术领域

本发明涉及一种制取气体的方法及其装置，特别涉及一种制取可燃气体的方法及其专用气固装置。

背景技术

模拟工业高温高压条件下的实验室小型气固反应装置，是许多科研项目和工业反应过程研究中的关键技术和重要环节。气固反应是化工生产中常见的两类介质反应，工业生产条件下，生产过程的影响因素研究不安全也不经济，小型气固反应装置的开发将会使这些研究变的安全、方便、经济，也会促进新工艺的研究和开发。

目前，实验室用小型气固反应装置可以说多种多样，但在高温高压条件下的小型气固反应装置就很少，而且结构复杂，价格昂贵，因此开发一种小型的、结构相对简单、价格便宜、安全、便于操作、能实现多种气氛切换、可在高温高压条件下操作的实验室用小型气固反应装置具有特别重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气固反应装置。

本发明的气固反应装置，包括外壳以及所述外壳内侧的加热带，外壳里可设置有保温材料，如岩棉、玻璃棉、硅酸铝纤维等。本发明装置还包括：

设置在所述加热带内侧的立式反应管，立式反应管的上下两端均设有成对的密封法兰；该立式反应管采用立式设计，可以使气化剂在管内分布均匀，反应时物料与气化剂的接触更加充分；

设置在所述立式反应管内的装料管，所述装料管的长度短于所述立式反应管的长度；装料管的上端套接在所述立式反应管上端的法兰中，装料管下端设有透气孔，该透气孔的孔径以物料不至于掉出装料管为准。装料管内可放置反应的固体物质，且下端的透气孔，可将通入用于驱除空气的氮气和气化剂以及气体产物排出；

设置在所述立式反应管上端的两个进气管，所述两个进气管均穿过所述立式反应管上端的法兰与装料管相通，可分别通入气化剂和氮气，通入的气化剂可直接流经装料管反应；在一进气管的尾端可安装气化剂发生装置，可用于通入气固反应装置的气化剂的制备，在另一进气管的尾端可安装至少一气体储罐，该气体储罐内可储存氮气或气化剂；

以及设置在所述立式反应管下端的出气管，出气管穿过立式反应管下端的法兰。反应得到的气体产物可通过立式反应管下端的出气管排出，并进行收集；在出气管尾部可安装气体分离装置或产物气水冷循环泵，用于各产物气体的分离，也可再安装流量计和气相色谱分析系统，用于在线检测可燃气体产物在制取过程以及制取结束时的产量和组成成分。

为了达到好的密封效果，同时又便于拆装，上述成对的密封法兰是由两个通过螺栓连接的法兰组成。

上述装料管的内部设置有测温装置，所述测温装置穿出立式反应管上端的法兰，该测温装置可以直接、精确地测出气固反应装置内的反应温度，并可在该测温装置上端连接安装一显示器，该显示器上可装设用于显示温度的显示仪表和各显示仪表的电源开关。

上述立式反应管可用耐高温高压的合金材料制成。

上述测温装置包括下端封闭的金属管和所述金属管内部的热电偶，可以使测温装置检测的温度更准确。

本发明的另一目的是提供一种由固体物质制取可燃气体的方法。

本发明的由固体物质制取可燃气体的方法，是将固体物质与气化剂在上述的装置中反应，得到可燃气体。

上述固体物质是煤；该煤的粒度是0.5-2.0mm，优选是0.5-1.0mm。

上述的气化剂是水蒸气或CO₂。上述可燃气体是H₂、CH₄或CO。

上述反应之前向气固反应装置中通入用于驱除空气的氮气。

上述反应的温度是800℃-1000℃，反应的压强为0.5MPa-3MPa；温度优选是1000℃，所述压强优选是0.5MPa。

本发明的气固反应装置其结构相对简单、价格便宜、安全、便于操作、能实现多种气氛切换，可进行多种条件下的气固反应，可用于许多科研项目和工业反应过程的研究。本发明气固反应装置的优点具体有：

1)反应管采用立式，这样使气化剂在反应管内分布均匀，反应时物料与气化剂的接触更充分。

2)装样量比类似的装置大大提高，并且使气化剂在反应炉内可以全部通过反应料。

3)气化剂入口可随意切换，既可以进行单一气化剂气固反应实验，也可以进行多种气化剂与物料的气固反应实验。

4)采用耐高温高压的材料，可在高温高压条件下使用。

5)本发明装置与气相色谱分析系统连接后，可实现了气固反应气体产物的在线检测。气体检测可采用气相色谱，色谱配有自动六通阀，可以对经过净化处理的气体产物进行分析检测，通过数据分析工作站，便可以对数据进行记录和再分析等。

本发明制取可燃气体的方法，可有效地得到可燃气体。本发明提供的气固反应装置体积小型、结构相对简单、价格便宜、安全、便于操作。

附图说明

图1为本发明实施例1的气固反应装置的结构示意图；

图号说明：1密封法兰，2进气管，3外壳，4加热带，5立式反应管，6密封法兰，7密封法兰，8出气管，9装料管，10金属管，11密封法兰，12热电偶。

图2为生产可燃气体的装置示意图；

图号说明：13压力保护器，14水蒸气发生器，15流量泵，16管式炉，17进水管，18输水管，19氮气气体储罐，20二氧化碳气体储罐，21阀门，22气水冷循环泵，23气相色谱分析系统，24测温装置，25显示器，26显示仪表，27电源开关。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。

本发明对气体产量分析均是在常温(25℃)常压(0.1MPa)下进行。

本发明所用煤种(大雁褐煤和交城无烟煤)的参数如下：

表A煤的工业分析结果(％，质量百分比)

表A中，空气干燥基水份(Mad)：指煤炭在空气干燥状态下所含的水分。也可以认为是内在水份，老的国家标准上有称之为“分析基水分”。

干燥基灰分(Ad)：以假想无水状态的煤为基准，测量煤样灰分的含量，其中灰分是指：是将一定重量的煤在815±10℃的温度下将煤中的可燃物完全燃烧，然后对留下的灰分称重，经计算得出煤的灰分含量。

干燥无灰基挥发份(Vdaf)：以假想无水、无灰状态的煤为基准(daf)进行测量煤样中的挥发份，其中挥发份是指：煤样在隔绝空气的条件下加热到一定温度，并在该温度下停留一定时间，煤中的有机质则受热分解析出一部分气态和蒸气产物，它占煤重量的百分比，就是挥发分。

干燥基全硫(St.d)：以假想无水状态的煤为基准，测量煤样全硫的含量。

表B煤的元素分析结果(％，质量百分比)

表B中，元素C、H、N、O均是以假想无水、无灰状态的煤为基准(daf)进行测量的。

实施例1、气固反应装置

如图1所示，本实施例的气固反应装置，包括外壳3以及所述外壳内侧的加热带4。外壳3里设置有保温材料，该保温材料为硅酸铝纤维，加热带4镶嵌在这个保温材料里，加热带4上可设置有电压控制器，通过电压控制器可程序控制电压大小，从而控制加热带4的加热速率。

本发明的气固反应装置还包括设置在所述加热带内侧的立式反应管5，立式反应管5采用耐高温高压的合金材料制成，本实施例采用CH40合金材料，立式反应管5的上端设有成对的密封法兰1和11，立式反应管5的下端设有成对的密封法兰6和7，为了达到好的密封效果，同时又便于拆装，上述每对密封法兰如法兰1和11之间或者法兰6和7之间均是通过螺栓连接。该立式反应管5采用立式设计，可以使气化剂在管内分布均匀，反应时物料与气化剂的接触更加充分。

本发明的气固反应装置还包括设置在立式反应管5内的装料管9，装料管9的长度短于所述立式反应管的长度，装料管9的上端套接在所述立式反应管5上端的法兰11中，装料管9下端设有透气孔，透气孔的孔径以物料不至于掉出装料管9为准；装料管9内可放置待反应的固体物质，且下端的透气孔可将通入用于驱除空气的氮气、多余的气化剂以及相关气体产物排出。

本发明的气固反应装置还包括设置在所述立式反应管上端穿过法兰的两个进气管2；两进气管2与装料管9联通，可分别通入气化剂、氮气或一氧化碳等气体，通入的气体可直接流经装料管9进行反应。

本发明的气固反应装置还包括设置在所述立式反应管5下端的出气管8，所述出气管8穿过所述立式反应管5下端的法兰6和7。反应得到的气体产物可通过立式反应管5下端的出气管8排出，并进行收集.

在本发明中，装料管9的内部还设置有测温装置，所述测温装置穿过所述立式反应管5上端的法兰1和11，该测温装置可以直接、精确地测出气固反应装置内的反应温度；测温装置包括下端封闭的金属管10和所述金属管10内部的热电偶12，这样可以使测温装置检测的温度更准确。

本发明气固反应装置在使用时，可在该装置上安装连接各种辅助设备，也可与其他相关设备联用，如图2所示：

在立式反应管的上端还可设有穿过法兰并与立式反应管相连通的压力保护器13，该压力保护器可有效地控制立式反应管内的压强，以保证反应的安全。在一进气管的尾端安装气化剂发生装置，可用于通入气固反应装置的气化剂的制备。实施例2-4的气化剂发生装置为水蒸气发生器14，可产生作为气化剂的水蒸气，该水蒸气发生器包括流量泵15和管式炉16，在流量泵上设有进水管17，流量泵15和管式炉16通过输水管18连接，流量泵15可准确地计量进水量，经过流量泵计量的水通过输水管18被输送到管式炉16中加热制备水蒸气。在另一进气管的尾端安装两气体储罐19和20，分别装有氮气或二氧化碳等；在各进气管和出气管上均安装有阀门21。

在出气管尾部安装有产物气水冷循环泵22和流量计及气相色谱分析系统23，产物气水冷循环泵22用于对气体产物进行冷却，流量计用于计量气体量，气相色谱分析系统23用于在线检测可燃气体产物在生产过程以及生产结束时的产量和组成成分。在该测温装置24上端连接安装有一显示器25，该显示器25上装设用于显示温度的显示仪表26和各显示仪表的电源开关27。

本发明装置在使用时，气化剂(水蒸气)由水蒸气发生器14制备，制备好的气化剂通过进气管2进入立式反应管5中与装在装料管9中的固体物质发生反应，为了使反应不受原有空气影响，可在通入气化剂之前先从另一进气管中通入氮气，将立式反应管5内的空气驱除；反应得到的气体从立式反应管5的下端通过出气管8排出收集或进入气相色谱分析系统23进行分析。

实施例2、可燃气体的制备及检测分析

本实施例采用实施例1制备的气固反应装置进行可燃气体的制备，本实施例中气化剂为水蒸气，该水蒸气由水蒸气发生装置制备，固体物质为大雁褐煤，煤样粒径为0.5-1mm。

一、可燃气体的制备

先将气固反应装置的温度依次设定为实验温度800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，压强设定为0.1MPa，接通电源进行加热。同时设定好气相色谱分析系统的各项参数，接通电源开启系统，让其运行，以使气相色谱开始分析时，参数稳定，基线平稳。加热开始一小时后，启动水蒸气发生装置的流量泵，同时启动水蒸气发生装置的加热器(即管式炉)。称取1g大雁褐煤样，加入料斗待用。打开安装有氮气气体储罐的进气管阀门和氮气气体储罐阀门，使氮气通入气固反应装置，吹扫装置内的空气，吹扫后，关闭出气管的阀门，使气固反应装置与外界空气隔绝。装置内温度达到设定温度后，保持十分钟。打开装料管上端的上法兰，放入装有煤样的加料斗，迅速将其拧紧，便已将煤样放入装料管中。开始计时，三分钟后，开启水蒸气进气管的阀门，通入水蒸气，启动与气固反应装置相连接的产物气水冷循环泵。打开出气管阀门，将产物气经过处理后，通入运行平稳的气相色谱分析系统进行分析检测。反应进行一定时间后，当没有产物气产生，说明反应结束。关闭气固反应装置的加热电源，同时关闭出气阀、水蒸气进气阀，然后关闭流量泵、水蒸气发生装置管式炉的电源。待炉温降到500℃后，将料斗取出，冷却后，称量残渣量为0.1442g、0.1301g、0.1245g、0.1201g、0.1156g。

二、检测分析

表1.各反应温度下的气体产量(升)

	H₂	CH₄	CO	CO₂
					800℃	0.91	0.11	0.21	0.67
850℃	1.23	0.09	0.53	0.35

900℃	1.43	0.09	0.44	0.35
					950℃	1.70	0.07	0.31	0.31
1000℃	2.16	0.05	0.08	0.31

对产物气体进行测试，结果如表1所示，产物气中H₂的体积含量随着气化温度的提高，逐渐增加，1000℃时达83％，这说明气化温度的提高有利于H₂的生成。CO₂的体积含量随着气化温度的提高逐渐降低，800℃时，CO₂含量最高，这主要是此时温度较低，CO₂主要来自煤的热解，气化反应还不明显，随着温度的提高，到850℃时，气化反应成为主导，使产物气中CO₂的含量降低，但气化反应成为主要反应后，虽然CO₂的含量降低，但随着温度提高变化的幅度不是很大，CH₄体积含量变化随着温度的升高，逐渐降低，但变化很小。CO含量变化是800℃-850℃增加，从850℃以后逐渐减小，这主要和反应过程有关，800℃时气化反应不明显，主要发生煤的热解，此时CO主要来自煤的热解气，850℃后主要以气化反应为主，此时CO主要来自煤水蒸气的气化反应，所以其变化有一定规律性，随着温度的升高，含量逐渐降低。

实施例3、可燃气体的制备及检测分析

本实施例采用实施例1制备的气固反应装置进行可燃气体的制备，本实施例中气化剂为水蒸气，该水蒸气由水蒸汽发生装置制备，固体物质为交城无烟煤，煤样粒径为0.5-1mm。

一、可燃气体的制备

先将气固反应装置的压力依次设定为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa，实验温度1000℃，进行气化反应实验，接通电源进行加热。同时设定好气相色谱分析系统的各项参数，接通电源开启系统，让其运行，以使气相色谱开始分析时，参数稳定，基线平稳。加热开始一小时后，启动流量泵，同时启动水蒸气发生装置加热器。称取1g山西交城煤样，加入料斗待用。打开打开安装有氮气气体储罐的进气管阀门和氮气气体储罐阀门，使氮气通入气固反应装置，吹扫装置内的空气，吹扫后，关闭出气管的阀门，使气固反应装置与外界空气隔绝。装置内温度达到设定温度后，保持十分钟。打开装料管上端的上法兰，放入装有煤样的加料斗，迅速将其拧紧，开始计时，三分钟后，开启水蒸气进气管的阀门，通入水蒸气，启动产物气水冷循环泵。打开出气管阀门，将产物气经过处理后，通入运行平稳的气相色谱分析系统进行分析检测。反应进行一定时间后，已经没有产物气产生，说明反应结束。关闭气固反应装置的加热电源，同时关闭出气管的阀门、水蒸气进气阀，然后关闭流量泵、水蒸气发生装置的加热电源。待炉温降到500℃后，将料斗取出，冷却后，称量残渣量为0.2145g、0.2105g、0.2042g、0.1856g、0.1642g、0.1520g。

二、检测分析

表2.各反应压强下的气体产量

	H₂	CH₄	CO	CO₂
					0.5MPa	1.12	0.04	0.51	0.23
1MPa	1.01	0.05	0.40	0.34
					1.5MPa	0.88	0.06	0.27	0.38
2MPa	0.64	0.05	0.21	0.40
					2.5Mpa	0.59	0.06	0.16	0.39
3.0MPa	0.50	0.06	0.11	0.44

对产物气体进行测试，结果如表2所示，随着压力的提高，产物气中氢气的含量逐渐降低；二氧化碳含量随着压力的提高逐渐升高；一氧化碳含量随着压力提高逐渐降低；甲烷含量随着压力的提高逐渐升高，但增加的幅度很小。

实施例4、可燃气体的制备及检测分析

本实施例采用实施例1制备的气固反应装置进行可燃气体的制备，本实施例中气化剂为水蒸气，该水蒸气由水蒸汽发生装置制备，固体物质为大雁褐煤。

一、可燃气体的制备

先将气固反应装置的压力设定为0.1MPa，实验温度850℃，进行气化反应实验，接通电源进行加热。同时设定好气相色谱分析系统的各项参数，接通电源开启系统，让其运行，以使气相色谱开始分析时，参数稳定，基线平稳。加热开始一小时后，启动流量泵，同时启动水蒸气发生装置的加热器(即管式炉)。称取1g大雁褐煤，粒度分别为0.5-1.0mm，1.0-1.5mm，1.5-2.0mm，加入料斗待用。打开安装有氮气气体储罐的进气管阀门和氮气气体储罐阀门，使氮气通入气固反应装置，吹扫气固反应装置内的空气，吹扫后，关闭出气管的阀门，使气固反应装置与外界空气隔绝。装置内温度达到设定温度后，保持十分钟。打开装料管上端的上法兰，放入装有煤样的加料斗，迅速将其拧紧，开始计时，三分钟后，开启水蒸气进气管的阀门，通入水蒸气，启动产物气水冷循环泵。打开出气管的阀门，将产物气经过处理后，通入运行平稳的气相色谱分析系统进行分析检测。反应进行一定时间后，已经没有产物气产生，说明反应结束。关闭气固反应装置的加热电源，同时关闭出气管阀门、水蒸气进气阀，然后关闭流量泵、水蒸气发生装置的加热电源。待炉温降到500℃后，将料斗取出，冷却后，称量残渣量为0.1012g、0.1248g、0.1608g。

二、检测分析

表3.各粒度下的气体产量

	H₂	CH₄	CO	CO₂
					0.5-1.0mm	1.36	0.06	0.28	0.30
1.0-1.5mm，	1.27	0.08	0.24	0.33
					1.5-2.0mm	0.83	0.05	0.13	0.30

对产物气体进行测试，结果如表3所示，产物气氢气含量随着粒度的增大而增加；二氧化碳和甲烷的含量随着粒度的增大也增加，但增加的幅度不是很大，说明粒度的变化对二者含量影响很小；一氧化碳含量随着粒度的增加也增加。粒度增加，将会使气化剂在煤颗粒孔隙中传质阻力增大，由于扩散阻力增大，往往会减小反应速率，这就导致产物气组成变化。

实施例5、可燃气体的制备及检测分析

本实施例采用实施例1制备的气固反应装置进行可燃气体的制备，本实施例中气化剂为二氧化碳，二氧化碳由二氧化碳气体储罐提供，固体物质为大雁褐煤。

一、可燃气体的制备

先将气固反应装置的压强设定为0.1MPa，实验温度分别为850℃、900℃、950℃、1000℃，进行气化反应实验，接通电源进行加热。同时设定好气相色谱分析系统的各项参数，接通电源开启系统，让其运行，以使气相色谱开始分析时，参数稳定，基线平稳。称取1g内蒙大雁煤样，粒度为0.5-1.0mm，加入料斗待用。打开安装有氮气气体储罐的进气管阀门和氮气气体储罐阀门，使氮气通入气固反应装置，吹扫装置内的空气，吹扫后，关闭出气管阀门，使气固反应装置与外界空气隔绝。炉温度达到设定温度后，保持十分钟。打开装料管上端的上法兰，放入装有煤样的加料斗，迅速将其拧紧，开始计时，三分钟后，开启安装有二氧化碳气体储罐的进气管阀门和二氧化碳气体储罐阀门，通入二氧化碳，启动产物气水冷循环泵。打开出气管阀门，将产物气经过处理后，通入运行平稳的气相色谱分析系统进行分析检测。反应进行一定时间后，已经没有产物气产生，说明反应结束。关闭气固反应装置的加热电源，同时关闭出气管阀门、二氧化碳进气管阀门。待炉温降到500℃后，将料斗取出，冷却后，称量残渣量为0.3820g、0.3612g、0.3305g、0.3155g。

二、检测分析

表4.各反应温度下的气体产量

	H₂	CH₄	CO
				850℃	0.10	0.04	0.77
900℃	0.13	0.03	0.84
				950℃	0.18	0.04	0.98
1000℃	0.22	0.11	1.06

对产物气体进行测试，结果如表4所示，不同温度条件下以CO₂为气化剂所得气体产物主要组分的组成变化较大，氢气含量在H₂、CH₄、CO构成的产物气中含量最高，随着温度的升高氢气含量逐渐降低，CH₄、CO含量随着温度的升高含量逐渐升高。温度低时，氢气的主要来源是热解气，虽然此时含量高，但碳转化率很低，说明反应不完全。

Claims

1.一种由固体物质生产可燃气体的方法，是将固体物质与气化剂在气固反应装置中反应，得到可燃气体；

所述气固反应装置包括外壳以及所述外壳内侧的加热带，还包括：设置在所述加热带内侧的立式反应管，所述立式反应管的上下两端均设有成对的密封法兰；

设置在所述立式反应管内的装料管，所述装料管的上端套接在所述立式反应管上端的法兰中，所述装料管下端设有透气孔，所述透气孔的孔径以物料不至于掉出装料管为准；所述装料管的长度短于所述立式反应管的长度；

设置在所述立式反应管上端的两个进气管，所述两个进气管均穿过所述立式反应管上端的法兰与装料管相通；其中一个所述进气管用于通入所述气化剂，另一个所述进气管用于通入氮气；

以及设置在所述立式反应管下端的出气管，所述出气管穿过所述立式反应管下端的法兰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述成对的密封法兰是由两个通过螺栓连接的法兰组成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述装料管的内部设置有测温装置，所述测温装置穿出所述立式反应管上端的法兰。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述测温装置包括下端封闭的金属管和所述金属管内部的热电偶。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述固体物质是煤；所述煤的粒度是0.5-2.0mm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述煤的粒度是0.5-1.0mm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述气化剂是水蒸气或CO₂。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述可燃气体是H₂、CH₄或CO。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述反应的温度是800℃-1000℃，所述反应的压强为0.5MPa-3MPa。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述反应的温度是1000℃，所述反应的压强为0.5MPa。