CN103160325B - 一种煤气的微波直接生产工艺方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波法直接生产煤气的方法，采用煤粉和CO2为原料，微波能为能源，通过微波加热碳化硅获得生成煤气的高温热源；碳化硅放在微波腔的保温腔中，该保温腔作为碳化硅与微波腔间的隔热保温层，它是一种透微波氧化铝陶瓷材料；CO2气体和煤粉混合后通过微波加热腔，在微波和碳化硅陶瓷的高温热源作用下，直接变成CO煤气，然后经除尘处理转换为商用煤气；其中的碳化硅形成的煤气反应区域高温环境保持恒定，CO2气体和煤粉混合后浓度和流速保持恒定。本装置包括：煤粉进口、CO2气体入口、混合区、进气管、微波加热腔、微波源、氧化铝陶瓷腔、碳化硅结构件、导气管、风机、旋风除尘器、煤气导管、回引管。本方法能显著提高煤气产气稳定性、效率和质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤气生产工艺及装置，尤其涉及一种微波法直接生产煤气的工艺方法和装置。
煤气作为一种清洁能源燃料，比燃煤更清洁和高效，其生产方法和技术进步正逐步提高，传统煤气生产的主要反应式如下所示：
O2+C→2CO2+Q (1)
CO2+C→2CO-Q (2)
H2O+C→H2+CO-Q (3)
2H2O+C→CO2+2H2-Q (4)
其中：
O2：代表氧气
C：代表碳
CO2：代表二氧化碳
H2O：代表水
-Q：代表吸收热量
+Q：代表放出热量
+Q：代表放出热量
传统方法中，将富含碳的煤粉通入煤气发生炉中产生热量和二氧化碳，然后通入的水蒸气、空气在煤气发生器中与煤粉、二氧化碳发生吸热反应并生产煤气。煤气生产的主要热能来自煤中碳燃烧放出的热量，如上述方程(1)，其余方程(2)、(3)、(4)都是消耗热能的反应，方程(1)的唯一放热反应决定了其后的煤气生成时吸热反应方程的能耗限度；由于反应区热能供应的不稳定、温控难度大，导致煤气生成效率低，生成气体中可燃气体比例低，导致煤气质量不稳定。
专利CN 101307259A(一种煤气生产装置和方法)提供了一种微波煤气生产装置和方法，在反应区侧壁外增设微波源，通过微波加碳化硅热结构来加热碳原料和二氧化碳反应，以生成一氧化碳；如图1所示。其中：混合区100B、原料煤粉进口110B、CO2进气口120B、反应区200B、微波源210B、多孔隔板250B、煤气出口220B、微波防护区300B。该方法生成煤气的热能全部采用微波电源来提供，但碳化硅直接放置在微波加热腔中形成的煤气反应区，碳化硅形成的500-1500℃高温将会直接传导给金属反应器金属壳体，作为微波屏蔽的金属壳体在高温下会与微波发生高温加热反应，使得金属腔体融化、变形、损坏；既损耗大量微波能量，又缩短设备使用寿命，使得煤气生成的成本大幅增加，设备可靠性也大幅降低，使得该设备不适合大规模推广。
本发明的目的就是要解决现有专利提供的微波煤气生产装置和方法的缺陷，可以应用本专利法用微波直接生产煤气的技术方法和装置。
本发明的第一方面，一种煤气的微波直接生产工艺方法：采用煤粉和CO2为原料，微波能为能源，通过微波加热碳化硅获得生成煤气的稳定高温热源；碳化硅放在微波腔的保温腔中，该保温腔作为碳化硅与微波腔间的隔热保温层，它是一种透微波氧化铝陶瓷材料构成；CO2气体和煤粉混合后通过微波加热腔，在微波和碳化硅陶瓷的高温热源作用下，直接变成CO煤气，然后经除尘处理转换为商用煤气；其中的碳化硅形成的煤气反应区域高温环境保持恒定，CO2气体和煤粉混合后浓度和流速保持恒定。本方法能显著提高煤气产气稳定性、效率和质量。
本发明所要解决的技术问题可通过如下技术方案得以实现：
作为本发明的第一方面，一种煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向微波煤气发生器炉体各入口分别加入煤粉和CO2气体；
(2)煤粉和CO2气体在混合区100B混合后，通过风机加压，由进气管路150进入微波煤气加热腔200A内，接受微波加热腔作用；
(3)混合气体先穿过微波煤气加热腔200A的金属外壳，然后穿过氧化铝陶瓷保温腔300壁进入氧化铝陶瓷保温腔中的煤气反应区200B；
(4)在煤气反应区200B，混合气体与碳化硅结构件250B接触，并不断有微波输入，混合气体吸收了碳化硅热能和反应区中微波能，生成CO气体；
反应方程为：CO2+C→2CO-Q′ (5)
(5)生成的初级煤气从出气口220B被引出煤气反应区的氧化铝陶瓷保温腔后，然后穿过微波煤气加热腔壁，进入炉体的导气区230，经过风机400牵引到导气管410，再经管道连接到旋风分离器500；含有煤粉等颗粒的初级煤气在旋风分离器500中进行气体和颗粒分离，分离出的气体经过旋风分离器上部煤气导管510导出，成为所需煤气，将分离出的未充分燃烧和反应的煤粉颗粒，通过旋风分离器下部管道520到炉体混合区100B中，再次进入微波煤气发生器中。
其中步骤(1)中，所述的微波煤气发生器是一种煤气的微波直接生产工艺方法设备，所述的设备如图2所示，有微波煤气发生器、导气区230、风机400、导气管410、旋风分离器200、回引管520、煤气导管510组成。
所述的微波煤气发生器前端是煤粉进口110B和CO2气体入口120B，其后是混合区100B，混合区后部经进气管150通向微波加热腔200A，反应区200B在微波煤气加热腔200A中，加热腔后部是导气区230。所述的微波，其频率是915MHz或2450MHz。
其中的微波加热腔200A，其腔体是钢板结构，其外部是微波电源210C，腔壁上有与微波功率输入波导相连的馈入口；腔体前部(图2中左侧)是混合气体的进气管150口，开成通气孔状，不透微波，与腔内氧化铝陶瓷保温腔300内相通；腔体后部(图2中右侧)是混合气体反应后的出气口220B，开成通气孔状，也不透微波，与腔内氧化铝陶瓷保温腔300内相通；腔内壁紧挨着一个氧化铝陶瓷保温腔300，该氧化铝陶瓷保温腔300左右分别有透气孔与混合气体和反应后气体管路相通，腔内放置有碳化硅结构件250B；
所述的氧化铝材质的陶瓷保温腔300，是一种几乎不吸收微波的陶瓷材料，但具有隔热、保温特性，优选是低密度氧化铝结构，该结构是非封闭结构，应该是组装结构或至少可以打开放或更换碳化硅功能；
所述的碳化硅结构件250B中的碳化硅是一种强吸收微波能，并发热材料，碳化硅可以吸收微波升温到1500℃以上，优选是重结构碳化硅材料，微波定向辐射作用反应区里陶瓷保温腔300中的碳化硅结构250B，使得氧化铝陶瓷保温腔300内温度保持恒定，温度被设定在500-1500℃之间；
进一步的，所述的碳化硅结构件250B呈通气片状、块状或条状，具有多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。
步骤(2)中，所述的混合区100B是煤粉和CO2气体充分混合的区域；所述的风机加压是指含煤粉气体通过风机增压、牵引带动下，导引混合气体；所述的进气路150是指混合后气体通向微波煤气加热腔200A的通道；
进一步的，微波源210C通过波导穿过微波煤气加热腔200A金属壳进入反应区200B内，对反应区200B内氧化铝陶瓷保温腔300辐射微波，微波穿透过氧化铝陶瓷保温腔300，作用于其中的碳化硅结构件250B和其中流动的混合气，使得混合气吸收碳化硅材料放出的热能及微波能后，生成初级煤气；
步骤(3)中，所述的氧化铝陶瓷保温腔300是一个几乎封闭的陶瓷，有左右透气功能；所述的氧化铝陶瓷保温腔300选用几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热、保温陶瓷材料；
进一步的，几乎不消耗微波能的陶瓷保温腔，既利于碳化硅保温、降低微波使用功率、又不会将碳化硅热能扩散到反应区炉体上造成反应区金属壁高温，致使微波加热时与炉壁材料发生反应而损坏设备，有利于微波泄漏保护、提高设备可靠性。
步骤(4)中，所述的碳化硅结构件250B是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。
进一步的，所述的微波对氧化铝陶瓷保温腔300内多层吸收微波的碳化硅(SiC)250B加热，可以采用测温反馈控制微波加热来实现500-1500℃的恒温。
所述的微波煤气发生器中所述的微波工作频率选915MHz或2450MHz；当碳化硅结构尺寸大于100mm时，优选915MHz，功率按实际煤气生成能力来配置。
步骤(5)中，将分离出未充分燃烧和反应煤粉颗粒再次通过煤粉入口进入微波煤气发生器。
作为本发明的第二方面，提供一种煤气的微波直接生产装置。本装置包括：依次相连的微波煤气发生器、导气区230、风机400、导气管410、旋风分离器500，旋风分离器500出气端接煤气导管510，下端接回引管520，回引管520与微波煤气发生器混合区100B相连。
所述煤气发生器包含：前部混合区100B左上方的煤粉进口110B，左侧的CO2气体入口120B，混合区100B后部的进气管150连通到微波煤气加热腔200A左侧，微波煤气加热腔200A右侧连接出气口220B，出气口220B的另一端与导气区230相连，其中微波源(磁控管及波导)210C在微波煤气加热腔200A壁上，微波煤气加热腔200A中有氧化铝陶瓷保温腔300，氧化铝陶瓷保温腔300中有碳化硅结构件250B。
所述的微波源的微波工作频率选915MHz或2450MHz；当碳化硅结构尺寸大于100mm时，优选915MHz，功率按实际煤气生成能力来配置。
所述的氧化铝陶瓷保温腔300是几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热、保温陶瓷材料。
所述的碳化硅结构250B是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。
所述的回引管520将未反应的煤粉颗粒经分离后再次回到煤气发生器中器减少煤气中粉尘，又不造成煤粉浪费。
图1为一种全微波煤气发生装置的工艺流程图，如专CN 101307259A(一种煤气生产装置和方法)。
图2为本发明的一种煤气的微波直接生产工艺方法和装置图。
图中标号：煤粉进口110B、CO2气体入口120B、混合区100B、进气管150、微波煤气加热腔200A、微波源(磁控管及波导)210C、出气口220B、导气区230、氧化铝陶瓷保温腔300、碳化硅结构件250B、风机400、导气管410、旋风除尘器500、煤气导管510、回引管520。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
从煤粉进口110B进来的煤粉、CO2气体入口120B进来CO2气体、两者在混合区100B混合形成混合气体、然后穿过进气管150进入微波煤气加热腔200A，再进入氧化铝陶瓷保温腔300中，在氧化铝陶瓷保温腔300中碳化硅结构件250B吸收微波辐射后升温到500-1500℃，实际温度可以通过测温方法来控制微波功率大小，混合气体中CO2气体和煤粉混合后浓度和流速保持恒定；吸收碳化硅结构件250B放出热能和部分微波能，完成煤气生成反应，混合气体转变成煤气的反应如方程(5)所示；产生初级煤气穿过氧化铝陶瓷保温腔300右侧孔和微波煤气加热腔200A右侧孔，通过出气口220B进入导气区230到旋风分离器200中，经过旋风分离器200分离后将颗粒通过其下部回引管520带到煤气发生器再次燃烧利用，除尘后煤气从旋风分离器200的上部煤气导管510导出，就是所需商用煤气。
本发明的方法与现有技术相比，具有生产工艺完整，技术先进，提高了生产煤气转换率和产品质量，该装置同时具有节能、高效的特点，能显著提高煤气产品质量和稳定性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中仅用于说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明范围。本发明要求保护的范围由附录的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向微波煤气发生器炉体各入口分别加入煤粉和CO2气体；
(2)煤粉和CO2气体在混合区(100B)混合后，通过风机加压，由进气管路(150)进入微波煤气加热腔(200A)内，接受微波腔作用；
(3)混合气体先穿过微波煤气加热腔(200A)的金属外壳，然后穿过氧化铝陶瓷保温腔(300)壁进入氧化铝陶瓷保温腔中的煤气反应区(200B)；
(4)微波源(210C)通过波导穿过金属壳进入煤气反应区(200B)内，对煤气反应区(200B)内的氧化铝陶瓷保温腔(300)辐射微波，微波穿透过氧化铝陶瓷保温腔(300)，作用于其中的碳化硅结构件(250B)，在煤气反应区(200B)中，混合气体与碳化硅结构件(250B)接触，并不断有微波输入，混合气体吸收了碳化硅热能和反应区中微波能，生成含CO气体的初级煤气，反应方程为：CO2+C→2CO-Q′；
(5)生成的初级煤气从出气口(220B)被引出煤气反应区(200B)中的氧化铝陶瓷保温腔(300)后，然后穿过微波煤气加热腔(200A)的壁，进入炉体的导气区(230)，经过风机(400)牵引到导气管(410)，再经管道连接到旋风分离器(500)，含有煤粉等颗粒的初级煤气在旋风分离器(500)中进行气体和颗粒分离，分离出的气体经过旋风分离器(500)上部的煤气导管(510)导出，成为所需煤气，未充分燃烧和反应的煤粉颗粒通过旋风分离器(500)下部的回引管(520)被回引到炉体的混合区(100B)中，再次进入微波煤气发生器中。
2.根据权利要求1所述的煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，其中步骤(1)中，所述的微波煤气发生器是一种煤气的微波直接生产工艺方法设备，由微波煤气发生器、导气区(230)、风机(400)、导气管(410)、旋风分离(500)、回引管(520)、煤气导管(510)组成，
所述的微波煤气发生器前端是煤粉进口(110B)和CO2气体入口(120B)，其后是混合区(100B)，混合区后部经进气管(150)通向微波煤气加热腔(200A)，煤气反应区(200B)在微波煤气加热腔(200A)中，加热腔后部是导气区(230)，
所述的微波的频率是915MHz或2450MHz；当碳化硅结构尺寸大于100mm时，所述微波的频率为915MHz，功率按实际煤气生成能力来配置。
3.根据权利要求2所述的煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，其中的微波煤气加热腔(200A)，其腔体是钢板结构，其外部是微波源(210C)，腔壁上有与微波功率输入波导相连的馈入口；腔体前部是混合气体的进气管(150)口，该开口成通气孔状，不透微波，与腔内氧化铝陶瓷保温腔(300)内相通；腔体后部是混合气体反应后的出气口(220B)，开成通气孔状，也不透微波，与腔内的氧化铝陶瓷保温腔(300)相通；腔内壁紧挨着一个氧化铝陶瓷保温腔(300)，该氧化铝陶瓷保温腔(300)左右分别有透气孔与混合气体和反应后气体管路相通，腔内放置有碳化硅结构件(250B)。
4.根据权利要求3所述的煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，所述的氧化铝陶瓷保温腔(300)由一种几乎不吸收微波的陶瓷材料制成，该陶瓷材料具有隔热、保温特性。
5.根据权利要求4所述的煤气的微波直接生产工艺方法，其特征在于，所述的碳化硅结构件(250B)由一种强吸收微波能，并发热的材料制成，该材料可以吸收微波后升温到1500℃以上，微波定向辐射作用反应区里的氧化铝陶瓷保温腔(300)中的碳化硅结构件(250B)，使得氧化铝陶瓷保温腔(300)内温度保持恒定，温度被设定在500-1500之间；
所述的碳化硅结构件(250B)呈通气片状、块状或条状，具有多孔、透气孔结构，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。
6.一种煤气的微波直接生产装置，其特征在于，包括：依次相连的微波煤气发生器、导气区(230)、风机(400)、导气管(410)、旋风分离器(500)，旋风分离器(500)出气端接煤气导管(510)，下端接回引管(520)，回引管(520)与微波煤气发生器的混合区(100B)相连，
所述的煤气发生器包含：混合区(100B)左上方的煤粉进口(110B)，左侧的CO2气体入口(120B)，混合区(100B)后部的进气管(150)连通到微波煤气加热腔(200A)左侧，微波煤气加热腔(200A)右侧连接出气口(220B)，出气口(220B)的另一端与导气区(230)相连，其中微波源(210C)在微波煤气加热腔(200A)壁上，微波煤气加热腔(200A)中有氧化铝陶瓷保温腔(300)，氧化铝陶瓷保温腔(300)中有碳化硅结构件(250B)。
7.根据权利要求6所述的煤气的微波直接生产装置，其特征在于，所述的微波源的微波工作频率选915MHz或2450MHz；当碳化硅结构尺寸大于100mm时，所述微波源的微波工作频率为915MHz，功率按实际煤气生成能力来配置。
8.根据权利要求6所述的煤气的微波直接生产装置，其特征在于，所述的氧化铝陶瓷保温腔(300)由几乎不吸收微波的透波材料制成。
9.根据权利要求6述的煤气的微波直接生产装置，其特征在于，所述的碳化硅结构件(250B)是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以被加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。
10.根据权利要求6所述的煤气的微波直接生产装置，其特征在于，所述的回引管(520)将未反应的煤粉颗粒经分离后再次回到煤气发生器中器内。
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