CN102009949B - 一种用水产生合成气的方法 - Google Patents

Abstract

一种用水产生气化剂的方法，涉及煤气化和垃圾、生物质气化装置中的气化剂。其特征是把水通过等离子体喷枪加热后再作为汽化剂送入气化炉内，水在等离子体喷枪内的过程为：先使水作为等离子体喷枪的阴极、阳极的冷却剂，然后汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极和阳极的热量，避免或减缓阴极和阳极的烧蚀，再把水蒸汽作为工作气利用或作为被加热对象，经过电场电离、分解和活化成为活性化学物，由等离子体喷枪喷入气化炉内与炭进行化学反应生成合成气。用本方法作为煤气化或生活垃圾的气化措施，可以降低煤炭资源消耗、提高合成气品质和减排温室气体。本方法使得等离子体喷枪的效率接近100％，更能延长阴极和阳极的使用寿命。

Description

一种用水产生合成气的方法

技术领域

  本发明涉及煤气化技术和垃圾、生物质气化技术，特别是涉及到一种气化装置中的气化剂。

背景技术

当前，常规煤气化装置、生物质气化装置中使用的气化剂为水蒸汽+空气或水蒸汽+氧气，其中的水蒸汽由锅炉生产提供，在气化炉工作时，直接把水蒸汽+空气或水蒸汽+氧气送入气化炉，使水蒸汽与炭发生造气反应生成合成气，其反应为吸热反应，需要由空气或氧气与炭发生氧化反应为其提供热量，这种气化方式的气化率仅为70%左右，这将增加煤炭资源消耗，同时，合成气中产生大量的二氧化碳废气，不仅影响到合成气的品质，而且使后级生产中排放大量的温室气体。

生活垃圾由于热值低，化学成分中的固定炭含量少，如用常规的水蒸汽、空气或氧气作气化剂来气化生活垃圾，所得到的合成气中有用成分相当低，几乎是废气，所以，至今还没有用常规的水蒸汽、空气或氧气作气化剂来气化生活垃圾生产合成气的案例。

已有研究把水蒸汽通过等离子体喷枪加热到4000℃以上，水分子分解为氢、氧活性化学物后再喷入垃圾气化炉与垃圾炭发生化学反应生成合成气，可以获得高品质的合成气。但常规的等离子体喷枪为了防止电极被烧蚀，采用循环水冷却电极的方式来保护电极，其中，循环冷却水将带走至少30%的热能，使得等离子体喷枪的效率只在70%左右。

发明内容

本发明的目的是要克服常规煤气化装置或生物质气化装置中直接使用水蒸汽作为气化剂所存在的气化率低、煤炭资源消耗量大、排放的温室气体多及生产的合成气品质不高的缺点，提出一种把水通过等离子体喷枪加热分解后作为气化剂送入气化炉内，与炭进行化学反应，其反应为放热反应，不需再向气化炉送入空气或氧气与炭发生氧化反应的过程，可以降低煤炭资源消耗、提高合成气品质和减排温室气体。

本发明的一种用水产生合成气的方法，包括等离子体加热技术，其特征是把水通过等离子体喷枪加热后再作为气化剂送入气化炉内，水在等离子体喷枪内的过程为：先使水作为等离子体喷枪的阴极、阳极的冷却剂，然后汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极和阳极的热量，避免或减缓阴极和阳极的烧蚀，再把水蒸汽作为工作气利用或作为被加热对象，经过电场电离、分解和活化成为活性化学物，由等离子体喷枪喷入气化炉内与炭进行化学反应生成合成气。等离子体喷枪工作时，在等离子体喷枪枪体内的一部分水蒸汽作为枪体与等离子体电弧之间的隔离剂或冷却剂，保护枪体不被烧蚀。

上述的方法运行时，先用水蒸汽或其它气体作为等离子体喷枪启动时的工作气，拉出电弧正常工作后，再用水替代水蒸汽或其它气体分二路进入等离子体喷枪，其中一路进入阳极的体内，吸收阳极体的热量后，再汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阳极体的热量，然后由喷口喷出作为气化剂进入汽化炉内；另一路进入阴极的体内，吸收阴极体的热量后，再汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极的热量，然后，水蒸汽作为等离子体喷枪的工作气体，进入放电区，被电离为正离子和负离子，成为等离子体电弧，由等离子体喷枪喷入气化炉内。具体实施时，等离子体喷枪启动时的工作气的供气(汽)压力为0.5～1Mpa，等离子体喷枪正常工作时的供水压力为0.2～0.5Mpa，等离子体喷枪内的压力由水汽化产生；水的输入流量按等离子体喷枪的电输入功率正比例确定，当把水蒸汽加热到4200℃时，按1kg（水）/2.9kw·h的比例来同步调节水流量和电输入功率，当电输入功率一定时，增加水的流量可使水蒸汽的加热温度呈反比例下降，反之，减少水的流量可使水蒸汽的加热温度呈反比例上升。

上述的方法中：水蒸汽在等离子体喷枪内被加热到4000℃以上，使水分子分解为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）和氢氧原子团（HO）的活性化学物，再喷入气化炉作气化剂利用；由等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂包括水分子分解的氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物和未分解的高温水蒸汽；等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂还兼作载热元件，携带等离子体喷枪产生的热量进入气化炉，为气化炉提供热量，在1000～1600℃的气化炉内，4000℃以上的活性化学物与炭进行化学反应的反应式如下：

4H^*+C(s) =CH₄+87.7kj

O^*+C(s)=CO+251.7kj

2O^*+C(s)=CO₂+503.4kj

O₂ ^*+C(s) =CO₂+503.4kj

2H₂ ^*+C(s) =CH₄+87.7kj

上述的反应式几乎全是放热反应。同时，气化炉内还有CO₂+C(s)=2CO-172.2kj的还原反应、C（s）+H₂O（g）= CO+H₂-131.2kj的造气反应及原料烘干和热解，这些都是吸热过程，上述放热反应所产生的热量提供给气化炉内的还原反应、造气反应、原料烘干和热解所需，不需向气化炉内输入空气或氧气就能使炉内的气化连续进行，减少煤炭资源的消耗，气化炉内产生的废气量少，因此，合成气的品质高，当应用热值低的生活垃圾作气化原料时，也能生产出高品质的以氢气、一氧化碳为主要成分的富氢合成气，所产的富氢合成气可用于生产氢气、甲醇或二甲醚的原料气，所以，本方法中所述的炭包括煤炭、生物质炭和垃圾炭。

上述的方法中，从水进入等离子体喷枪至作为气化剂喷入气化炉的过程中，水先后起到冷却剂作用、工作气体作用、被加热分解成为活性化学物、载热元件和气化剂作用，用水产生的气化剂把等离子体喷枪的由电能转化的热能全部携入气化炉，不会有能量损失，使得等离子体喷枪的效率接近100%。

上述的方法中，作为冷却剂的水在阳极和阴极就地汽化为水蒸汽，使阳极和阴极得到更快的冷却且电极的温度降得更低，水的汽化潜热为2257kj/kg，本发明的冷却方式中每公斤水对电极的冷却吸热作用比采用循环水冷却电极的方式多吸收2257kj的热量，因此，本发明的方法可以使工作中的电极温度比常规冷却方式的低539℃的质量比热水平，可以更有效的保护阳极和阴极不易被烧蚀，更能延长阴极和阳极的使用寿命。

上述的方法中，水的温度为常温，所述的水的包括普通淡水、去离子水、纯净水、蒸馏水、冷却水、经净化处理的污水中水和经淡化处理的海水中水。

上述的方法所述的气化炉是指包括煤气化装置、工业高分子废弃物气化装置、废橡胶炼油的残炭气化装置、生活垃圾气化装置和生物质气化装置范围的气化炉，所述的生物质包括农业废弃物、林业废弃物、木材加工废弃物和能源植物。

本发明的有益效果是：把水通过等离子体喷枪加热分解后作为气化剂送入气化炉，与煤炭或生物质炭或垃圾炭进行化学反应，其反应为放热反应，不需再向气化炉送入空气或氧气的氧化反应过程，与常规气化方法相比，可以降低煤炭资源消耗、提高合成气品质和减排温室气体；作为生活垃圾的气化措施，把生活垃圾转化为高品质的合成气，符合生产甲醇或二甲醚的原料气要求，为实现生活垃圾零排放、无污染、资源化处置提供技术支持；本发明使等离子体喷枪由电能转化的热能全部进入气化炉，不会有能量损失，使得等离子体喷枪的效率接近100%，比常规技术的效率提高30%以上，因此，比常规技术的电能消耗少；与常规等离子体喷枪的冷却方式相比，本发明的方法可以使工作中电极的温度处于更低的水平，可以更有效的保护阳极和阴极不易被烧蚀，更能延长阴极和阳极的使用寿命。

具体实施方式

实施例1，把水通过等离子体喷枪加热后再作为气化剂送入气化炉内，水在等离子体喷枪内的过程为：先使水作为等离子体喷枪的阴极、阳极的冷却剂，然后汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极和阳极的热量，避免或减缓阴极和阳极的烧蚀，再把水蒸汽作为工作气利用或作为被加热对象，经过电场电离、分解和活化成为活性化学物，由等离子体喷枪喷入气化炉内与炭进行化学反应生成合成气。等离子体喷枪工作时，在等离子体喷枪枪体内的一部分水蒸汽作为枪体与等离子体电弧之间的隔离剂或冷却剂，以保护枪体不被烧蚀。本实施例的等离子体喷枪由枪体、阳极和阴极组成，阴极在枪体之内，阴极的头部与阳极之间的空间为放电区，阳极的中心圆孔为喷口，阳极的体内有冷却腔，阳极冷却腔至喷口的壁体上有多孔的汽化孔，阴极的体内有冷却腔，阴极的头部为多孔设计，多孔具有汽化功能，阴极冷却腔的空间通过阴极头部的多孔连通到放电区。本实施例的等离子体喷枪的供电和控制电源利用现有的等离子电源设备。本实施例的具体操作流程为：先用水蒸汽或其它气体作为等离子体喷枪启动时的工作气，待拉出电弧正常工作后，再用水替代水蒸汽或其它气体分二路进入等离子体喷枪，其中一路进入阳极体内的冷却腔，吸收阳极体的热量后，在阳极的汽化孔汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阳极体的热量，然后由喷口喷出作为气化剂进入汽化炉内；另一路进入阴极体内的冷却腔，吸收阴极体的热量后，在阴极头部的多孔汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极的热量，然后，水蒸汽作为等离子体喷枪的工作气体，进入放电区，被电离为正离子和负离子，成为等离子体电弧，由喷口喷出进入气化炉。本实施例中：等离子体喷枪启动时的工作气的供气(汽)压力为0.5～1Mpa，等离子体喷枪正常工作时的供水压力为0.2～0.5Mpa，等离子体喷枪内的压力由水汽化产生；按1kg（水）/2.9kw·h的比例来同步调节水流量和等离子体喷枪的电输入功率，把水汽化产生的水蒸汽加热到4200℃，使水分子分解为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）和氢氧原子团（HO）的活性化学物，再喷入气化炉作气化剂利用，与炉内的炭进行化学反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气；由等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂包括水分子分解的氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物和未分解的高温水蒸汽；等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂还兼作载热元件，携带等离子体喷枪产生的热量进入气化炉，为气化炉提供热量，同时，气化剂与炉内的炭进行放热反应，在生成合成气的同时，产生的反应热为炉内的原料烘干、热解、还原反应、和造气反应提供热量，以维持气化反应持续进行。

实施例2，在等离子体煤气化流化床装置上的应用本发明时：等离子体煤气化装置设计为三段式流化床气化炉，炉内有悬浮预热段、湍流热解段和鼓泡气化段，等离子体喷枪设置在鼓泡气化段的炉墙上，等离子体喷枪工作在转移电弧方式。等离子体喷枪的阳极冷却腔和阴极冷却腔上分别有进水接口，阳极和阴极分别有电源接口，阳极冷却腔和阴极冷却腔上的进水接口分别通过一段50cm长度的石英管绝缘隔离管连接到供水系统，阴极电源接口连接到等离子体控制器电源的负极端口，等离子体喷枪上的阳极电源接口分别连接到等离子体控制器电源的引弧电源端口和主电源正极端口。气化炉运行时，用煤粉作为气化原料，同时，把煤粉重量60～85%的水送入等离子体喷枪内加热到4000℃以上，产生的水蒸汽经过电场电离、分解和活化后，成为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物，再将这些活性化学物和未分解的高温水蒸汽，由等离子体喷枪喷入气化炉内与焦炭进行化学反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气。当选用Ⅲ类无烟煤为气化原料时，煤的参数为：V^y=7.85%，C^y=65.65%，H^y=2.64%， O^y=3.19%，N^y=0.99%，S^y=0.51%， A^y=19.02%，W^y=8%，Q^y _dw=24426kj/kg；每吨煤气化后的出炉合成气中：CO=50535mol，H₂=66469mol，CO₂=3189mol，CH₄=984mol，N₂=354 mol。出炉的合成气再通过降温、除尘、脱硫净化和变换处理后，用作生产甲醇的原料气，每吨煤可生产1100kg甲醇产品，当废气中的二氧化碳不作回收利用时，排放的二氧化碳为633kg左右，生产每吨甲醇比常规技术减少煤耗40%左右、减排二氧化碳45%左右。

实施例3，在等离子体煤气化固定床装置上的应用本发明时：等离子体煤气化装置设计为二段式固定床气化炉，炉内有热解段和气化段，等离子体喷枪设置在气化段的炉墙上，等离子体喷枪工作在非转移电弧方式，利用炉内气化段的焦炭作为主阳极，等离子体喷枪上的阳极为辅助阳极。等离子体喷枪的阳极冷却腔和阴极冷却腔上分别有进水接口，阳极和阴极分别有电源接口，阳极冷却腔和阴极冷却腔上的进水接口分别通过一段50cm长度的石英管绝缘隔离管连接到供水系统，阴极电源接口连接到等离子体控制器电源的负极端口，等离子体喷枪的辅助阳极的电源接口连接到等离子体控制器电源的引弧电源端口，等离子体控制器电源的主电源正极连接到气化炉主电源端口，气化炉的主电源端口通过电气接触件与炉内的焦炭进行接触。气化炉运行时，煤块从等离子体气化炉的顶部送入炉内，在炉内的热解段进行烘干和热解，逸出挥发物成为焦炭进入气化段，同时，把煤块重量60～85%的水送入等离子体喷枪内加热到4000℃以上，产生的水蒸汽经过电场电离、分解和活化后，成为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物，再将这些活性化学物和未分解的高温水蒸汽，由等离子体喷枪喷入气化炉内与焦炭进行化学反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气。本实施例的气化效果与实施例2相同。

实施例4，在工业高分子废弃物气化装置或废橡胶炼油的残炭气化装置上的应用本发明时：等离子体喷枪设置在气化装置的下部，等离子体喷枪工作在转移电弧方式。等离子体喷枪的阳极冷却腔和阴极冷却腔上分别有进水接口，阳极和阴极分别有电源接口，阳极冷却腔和阴极冷却腔上的进水接口分别通过一段50cm长度的石英管绝缘隔离管连接到供水系统，阴极电源接口连接到等离子体控制器电源的负极端口，等离子体喷枪上的阳极电源接口分别连接到等离子体控制器电源的引弧电源端口和主电源正极端口。气化炉运行时，用工业高分子废弃物或废橡胶炼油的残炭作为气化原料，同时，把原料重量50～70%的水送入等离子体喷枪内加热到4000℃以上，产生的水蒸汽经过电场电离、分解和活化后，成为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物，再将这些活性化学物和未分解的高温水蒸汽，由等离子体喷枪喷入气化炉内与焦炭进行化学反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气。

实施例5，在生活垃圾气化装置上应用本发明时：用于生活垃圾气化的等离子体气化炉设计为固定床气化炉，炉内自上而下依次有烘干段、热解段和气化段，等离子体喷枪设置在气化段的炉墙上，等离子体喷枪工作在非转移电弧方式，利用炉内的垃圾炭作为主阳极，等离子体喷枪上的阳极为辅助阳极。等离子体喷枪的阳极冷却腔和阴极冷却腔上分别有进水接口，阳极和阴极分别有电源接口，阳极冷却腔和阴极冷却腔上的进水接口分别通过一段50cm长度的石英管绝缘隔离管连接到供水系统，阴极电源接口连接到等离子体控制器电源的负极端口，等离子体喷枪的辅助阳极的电源接口连接到等离子体控制器电源的引弧电源端口，等离子体控制器电源的主电源正极连接到气化炉主电源端口，气化炉的主电源端口通过电气接触件与炉内的垃圾炭进行接触。气化炉运行时，垃圾物料从等离子体气化炉的顶部送入炉内，在炉内依次通过烘干段、热解段进行烘干、热解后，变成垃圾炭进入气化段，同时，把每吨干基生活垃圾重量的50～60%的水送入等离子体喷枪内加热到4000℃以上，产生的水蒸汽经过电场电离、分解和活化后，成为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物，再将这些活性化学物和未分解的高温水蒸汽，由等离子体喷枪喷入气化炉内与垃圾炭进行化学反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的富氢合成气。当在干基生活垃圾中加入12%重量的煤添加剂作为气化原料时，每吨干基生活垃圾产生的富氢合成气通过后级工序可生产精甲醇700kg左右，在整个生活垃圾处置和甲醇合成过程不排放废弃物，实现真正意义上的零排放、无污染、资源化处置生活垃圾。

实施例6，在生物质气化装置上应用本发明时，气化炉的设计、等离子体喷枪的安装位置、工作方式及连接方式、气化炉的运行均与实施例5相同，其中，生物质包括农业废弃物、林业废弃物、木材加工废弃物和能源植物。

Claims (5)

1.一种用水产生合成气的方法，包括等离子体加热技术，其特征是把水通过等离子体喷枪加热后再作为气化剂送入气化炉内，水在等离子体喷枪内的过程为：先使水作为等离子体喷枪的阴极、阳极的冷却剂，然后汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极和阳极的热量，避免或减缓阴极和阳极的烧蚀，再把水蒸汽作为工作气利用或作为被加热对象，经过电场电离、分解和活化成为活性化学物，由等离子体喷枪喷入气化炉内与炭进行化学反应生成合成气；其中：

水蒸汽在等离子体喷枪内被加热到4000℃以上，使水分子分解为氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）和氢氧原子团（HO）的活性化学物，再喷入气化炉作气化剂利用；

等离子体喷枪由枪体、阳极和阴极组成，阴极在枪体之内，阴极的头部与阳极之间的空间为放电区，阳极的中心圆孔为喷口，阳极的体内有冷却腔，阳极冷却腔至喷口的壁体上有多孔的汽化孔，阴极的体内有冷却腔，阴极的头部为多孔设计，多孔具有汽化功能，阴极冷却腔的空间通过阴极头部的多孔连通到放电区；

具体操作流程为：先用水蒸汽或其它气体作为等离子体喷枪启动时的工作气，待拉出电弧正常工作后，再用水替代水蒸汽或其它气体分二路进入等离子体喷枪，其中一路进入阳极体内的冷却腔，吸收阳极体的热量后，在阳极的汽化孔汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阳极体的热量，然后由喷口喷出作为气化剂进入气化炉内；另一路进入阴极体内的冷却腔，吸收阴极体的热量后，在阴极头部的多孔汽化为水蒸汽，利用水的汽化潜热吸收阴极的热量，然后，水蒸汽作为等离子体喷枪的工作气体，进入放电区，被电离为正离子和负离子，成为等离子体电弧，由喷口喷出进入气化炉。

2.根据权利要求1所述的一种用水产生合成气的方法，其特征是在等离子体喷枪枪体内的一部分水蒸汽作为枪体与等离子体电弧之间的隔离剂或冷却剂，保护枪体不被烧蚀。

3.根据权利要求1所述的一种用水产生合成气的方法，其特征是由等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂包括水分子分解的氢气（H₂）、氢（H）、氧气（O₂）、氧（O）、氢氧原子团（HO）的活性化学物和未分解的高温水蒸汽。

4.根据权利要求1所述的一种用水产生合成气的方法，其特征是由等离子体喷枪喷入气化炉的气化剂还兼作载热元件，携带等离子体喷枪产生的热量进入气化炉，为气化炉提供热量。

5.根据权利要求1所述的一种用水产生合成气的方法，其特征是气化炉是指包括煤气化装置、工业高分子废弃物气化装置、废橡胶炼油的残炭气化装置、生活垃圾气化装置和生物质气化装置范围的气化炉。