CN103553041B - 一氧化碳气体发生炉及其制备一氧化碳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一氧化碳气体发生炉，包括气体发生室、气体喷嘴和加料装置，其中，加料装置设置有多个密封阀门；气体发生室包括锥台状的顶部腔室和底部腔室，位于顶部腔室和底部腔室之间的圆柱状中间腔室，顶部腔室和底部腔室均沿远离中间腔室的方向收缩，且气体喷嘴设置在底部腔室的底板上。本发明中，因在加料装置上设置多个密封门，使其在不同时间开启和关闭，使气体发生室始终与外界隔绝，从而实现原料焦炭的连续添加。气体发生室整体呈纺锤体状，有利于气体的分布，使得焦炭和混合气体的反应更加充分，减少了杂质气体的含量，进一步提高了制备出的一氧化碳气体的纯度。本发明还提供了一种利用上述一氧化碳气体发生炉制备一氧化碳的方法。

Description

一氧化碳气体发生炉及其制备一氧化碳的方法

技术领域

本发明涉及一氧化碳制备技术领域，更具体地说，涉及一种一氧化碳气体发生炉，本发明还涉及一种利用上述一氧化碳气体发生炉制备一氧化碳的方法。

背景技术

一氧化碳是合成含羰基化合物的重要原料之一。生产一氧化碳气体的主要设备是一氧化碳气体发生炉，虽然我国一氧化碳生产已有几十年的历史，但使用的一氧化碳气体发生炉大多采用二十世纪50年代引进前苏联和70年代引进日本的设备，其普遍采用单次加料并密封反应的生产方式制备一氧化碳，从而导致单台设备产气量低，生产效率低下。近年来国内开发了一些新型一氧化碳气体发生炉，生产能力大大提高，但受气体发生室结构限制，使得制备成的一氧化碳的纯度只能稳定在95%左右。

目前采用一氧化碳气体发生炉制备一氧化碳的工业化生产方法有半水煤气法和焦炭气化法。其中焦炭气化法主要是由焦炭（冶金焦、石油焦或铸造焦）与纯氧或二氧化碳中的一种或二种的混合气体为原料制备，具体有以下几种工艺路线：

1、焦炭纯氧气化法：以焦炭为原料，氧气为气化剂，使其在一氧化碳气体发生炉中反应生成一氧化碳气体。此工艺的缺点是单台生产能力小，一氧化碳纯度比较低，通常在90%以下，并且该工艺过程为强放热过程，需要大量的冷却水，造成能源的浪费。

2、焦炭二氧化碳气化法：以焦炭为原料，二氧化碳为气化剂，使其在一氧化碳气体发生炉中反应生成一氧化碳气体。此工艺为吸热过程，生产过程中需要外界提供大量的热量，无工业化应用案例。

3、焦炭混合气气化法：以焦炭为原料，氧气和二氧化碳为气化剂，使其在一氧化碳气体发生炉中反应生成一氧化碳气体。该工艺目前被认为是比较理想的生产工业一氧化碳气体的方法。但该工艺合成气体中二氧化碳含量较高，从而影响了一氧化碳气体的纯度。

因此，如何提高一氧化碳气体的制备效率和纯度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种一氧化碳气体发生炉，其能够提高一氧化碳气体的制备效率和纯度。本发明还涉及一种利用上述一氧化碳气体发生炉制备一氧化碳的方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一氧化碳气体发生炉，包括气体发生室、气体喷嘴和加料装置，其中，所述加料装置设置有多个密封阀门；所述气体发生室包括锥台状的顶部腔室和底部腔室，位于所述顶部腔室和底部腔室之间的圆柱状中间腔室，所述顶部腔室和底部腔室均沿远离所述中间腔室的方向收缩，且所述气体喷嘴设置在所述底部腔室的底板上。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述加料装置包括料斗和加料仓，所述料斗和所述加料仓、所述加料仓和所述顶部腔室均通过密封阀门连接。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述料斗和所述加料仓上均设置有分别控制不同所述密封阀门启闭的控制杠杆，且所述控制杠杆为气压杠杆、液压杠杆或手动杠杆。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述气体发生室的长度与所述中间腔室的直径之比为3:1～8:1。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述顶部腔室的顶端开口的直径与所述中间腔室的直径之比、所述底部腔室的底端直径与所述中间腔室的直径之比均为0.3:1～0.9:1。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述底部腔室的长度与所述中间腔室的直径之比、所述中间腔室的长度与其直径之比均为0.3:1～3:1；所述顶部腔室的长度与所述中间腔室的直径之比为2:1～6:1。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，所述气体喷嘴为一体式结构，且其材质为铜、不锈钢、碳钢或耐高温特种陶瓷。

优选的，上述一氧化碳气体发生炉中，当所述气体喷嘴为一个时，其位于所述底部腔室的底板的中央部位，当所述气体喷嘴为多个时，其均匀分布在所述底部腔室的底板上。

基于上述提供的一氧化碳气体发生炉，本发明还提供了一种制备一氧化碳的方法，适用于上述任意一项所述一氧化碳气体发生炉，其包括以下步骤：

1）焦炭通过所述加料装置进入到所述气体发生室中；

2）将二氧化碳气体与氧气以质量比为0.3:1～1.5:1的比例进行混合，然后经所述气体喷嘴喷入所述气体发生室中；

3）控制所述气体发生室内还原层的温度保持在1000℃～1200℃，二氧化碳气体和氧气的混合气体与焦炭反应生成一氧化碳气体。

优选的，上述制备一氧化碳的方法中，所述二氧化碳气体和氧气的缓冲罐压力值均为0.2MPa～0.4MPa，且所述二氧化碳气体和氧气的纯度均大于或等于99%（质量百分数）；所述焦炭中含碳量大于或等于85%（质量百分数），含水量小于或等于10%（质量百分数），挥发份含量小于或等于2%（质量百分数）。

本发明提供的一氧化碳气体发生炉中，加料装置上设置有多个密封阀门，当需要向气体发生室中加料时，首先开启位于加料装置最外层的密封阀门，并保证与气体发生室连通的密封阀门处于关闭状态，通过最外层的密封阀门向加料装置中加入原料（即焦炭），然后关闭最外层的密封阀门，使加入的原料与外界隔绝，再开启与气体发生室连通的密封阀门，并将原料加入气体发生室内用于制备一氧化碳，如此重复操作从而实现连续加料。气体发生室分为三个部分，顶部腔室、中间腔室和底部腔室，其中中间腔室为圆柱状，顶部腔室和底部腔室均为锥台状，并且其锥面扩大形成的大口端均与中间腔室连接，即顶部腔室和底部腔室均沿远离中间腔室的方向收缩，气体喷嘴设置在底部腔室的底板上，在进行制备时，首先通过加料装置向气体发生室中添加焦炭，然后通过气体喷嘴向气体发生室中喷入二氧化碳和氧气的混合气体，使混合气体与焦炭发生反应生产一氧化碳。本发明提供的一氧化碳气体发生炉，因在加料装置上设置多个密封门，使其在不同时间开启和关闭，使气体发生室始终与外界隔绝，从而实现原料的连续添加，保证在加料过程中不必停炉操作，提高了生产效率。气体发生室采用两端呈锥台状，中间呈圆柱状的结构，其整体呈纺锤体状，有利于气体在气体发生室中的分布，使得焦炭和混合气体的反应更加充分，减少了生成的一氧化碳中的杂质气体含量，进一步提高了制备出一氧化碳的纯度。

本发明还提供了一种制备一氧化碳的方法，其采用上述一氧化碳气体发生炉进行一氧化碳的制备，通过控制二氧化碳与氧气的配比，结合气体发生室的结构，通过精确调节，使炉内还原层温度控制在1000℃～1200℃，保证了二氧化碳被充分还原，使得制备出的一氧化碳的纯度更高，而且也有利于降低出口气体温度，从而延长炉体、喷嘴的使用寿命，节省冷却水用量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一氧化碳气体发生炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的制备一氧化碳的方法的流程图。

上图1中：

气体喷嘴1、加料装置2、密封阀门3、顶部腔室4、底部腔室5、中间腔室6、料斗7、加料仓8、控制杠杆9；

气体发生室长度L、中间腔室直径D、顶部腔室顶端开口直径D1、底部腔室底端直径D2、底部腔室长度L1、中间腔室长度L2、顶部腔室长度L3。

具体实施方式

本发明提供了一种一氧化碳气体发生炉，其能够提高一氧化碳气体的制备效率和纯度。本发明还涉及一种利用上述一氧化碳气体发生炉制备一氧化碳的方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一氧化碳气体发生炉，包括气体发生室、气体喷嘴1和加料装置2，其中，加料装置2设置有多个密封阀门3；气体发生室包括锥台状的顶部腔室4和底部腔室5，位于顶部腔室4和底部腔室5之间的圆柱状中间腔室6，顶部腔室4和底部腔室5均沿远离中间腔室6的方向收缩，且气体喷嘴1设置在底部腔室5的底板上。其中，顶部腔室4的外侧壁上设置有视镜，以观测气体发生室中的生产情况。

本实施例提供的一氧化碳气体发生炉中，加料装置2上设置有多个密封阀门3，当需要向气体发生室中加料时，首先开启位于加料装置2最外层的密封阀门3，并保证与气体发生室连通的密封阀门3处于关闭状态，通过最外层的密封阀门3向加料装置2中加入原料，然后关闭最外层的密封阀门3，使加入的原料与外界隔绝，再开启与气体发生室连通的密封阀门3，并将原料加入气体发生室内用于制备一氧化碳，如此重复操作从而实现连续加料。气体发生室分为三个部分，顶部腔室4、中间腔室6和底部腔室5，其中顶部腔室4和底部腔室5均为锥台状，并且其锥面扩大形成的大口端均与中间腔室6连接，即顶部腔室4和底部腔室5均沿远离中间腔室6的方向收缩，气体喷嘴1设置在底部腔室5的底板上，在进行制备时，首先通过加料装置2向气体发生室中添加焦炭，然后通过气体喷嘴1向气体发生室中喷入二氧化碳和氧气的混合气体，使混合气体与焦炭发生反应生产一氧化碳。

本实施例提供的一氧化碳气体发生炉，因在加料装置2上设置多个密封门，使其在不同时间开启和关闭，从而实现原料的连续添加，保证在加料过程中不必停炉操作，提高了生产效率。气体发生室采用两端呈锥台状，中间呈圆柱状的结构，其整体呈纺锤体状，有利于气体在气体发生室中的分布，使得焦炭和混合气体的反应更加充分，减少了生成的一氧化碳中的杂质气体，进一步提高了制备出一氧化碳的纯度。

为了进一步优化上述技术方案，本实施例提供的一氧化碳气体发生炉中，加料装置2包括料斗7和加料仓8，料斗7和加料仓8、加料仓8和顶部腔室4均通过密封阀门3连接。本实施例中，为了实现一氧化碳气体发生炉的连续生产而不停炉，需要保证在添加焦炭的过程中，气体发生室始终与外界隔绝，因此，需要在两个相邻的密封阀门3之间设置密封空间，作为焦炭的中转空间，即加料仓8。

为了操作方便，在加料仓8的加料上游设置了料斗7，并且料斗7与加料仓8之间通过密封阀门3连接，本实施例优选密封阀门3为两个，并分别设置在加料仓8与料斗7连通的进料口和与气体发生室连通的出料口上。在加料的过程中，首先开启进料口处的密封阀门3，并保证出料口处的密封阀门3保持密封关闭状态，当焦炭通过料斗7进入到加料仓8中以后，关闭进料口处的密封阀门3，使添加的焦炭位于加料仓8中的密封空间中，再用氮气置换加料仓8在进料口处密封阀门3开启时进入的空气，然后开启位于出料口处的密封阀门3，加料仓8与气体发生室连通，焦炭进入气体发生室中。整个过程由于中转空间的存在，所以无需停炉加料。

具体的，料斗7和加料仓8上均设置有分别控制不同密封阀门3启闭的控制杠杆9，且控制杠杆9驱动方式为气压、液压或手动。本实施例中，为了操作方便，在料斗7和加料仓8上分别设置一个控制杠杆9，使其分别控制设置在进料口处和出料口处的密封阀门3，如图1所示。当需要开启密封阀门3时，下拉控制杠杆9位于料斗7或加料仓8外侧的一端，使其通过杠杆原理将密封阀门3拉起，当需要关闭密封阀门3时，上推控制杠杆9位于料斗7或加料仓8外侧的一端，密封阀门3通过杠杆原理下移关闭。

进一步的，为了提高本实施例提供的一氧化碳气体发生炉的智能化，降低操作人员的工作负担，并提高操作效率，控制杠杆9采用气压或液压驱动，当然其也可以通过其他方式驱动，例如电动、手动驱动等。

为保证二氧化碳和氧气的混合气体与焦炭的充分反应，使反应完成后的二氧化碳和/或氧气等气体的残留量较少，从而最大程度地提高制得的一氧化碳的纯度，本实施例优选使气体发生室整体呈纺锤体状，并且，气体发生室的长度L与中间腔室6的直径D之比为3:1～8:1，顶部腔室4的顶端开口的直径D1与中间腔室6的直径D之比、底部腔室5的底端直径D2与中间腔室6的直径D之比均为0.3:1～0.9:1，底部腔室5的长度L1与中间腔室6的直径D之比、中间腔室6的长度L2与其直径D之比均为0.3:1～3:1，顶部腔室4的长度L3与中间腔室6的直径D之比为2:1～6:1。本实施例中，通过对气体发生室的结构、尺寸做出最优化的设计，使其更适于二氧化碳和氧气的混合气体与焦炭的充分反应，使制得的一氧化碳的纯度更高。

优选的，气体喷嘴1为一体式结构，且其材质为铜、不锈钢、碳钢或耐高温特种陶瓷（如碳化硅），并且，气体喷嘴1的数量可以设置一个或多个，当气体喷嘴1为一个时，其位于底部腔室5的底板的中央部位，当气体喷嘴1为多个时，其均匀分布在底部腔室5的底板上。在本实施例中，为了使得气体喷嘴1能够更好的适应高温环境，以延长气体喷嘴1的使用寿命，优选其材质为铜、不锈钢、碳钢或耐高温特种陶瓷（如碳化硅），同时，为了避免其被高温火焰烧坏，气体喷嘴1为一体式结构，不存在焊点。根据实际生产情况的需要，气体喷嘴1可以设置一个，也可以设置多个，当其为一个时，将其设置在底部腔室5的底板的中央部位，当其为多个时，均匀分布在底部腔室5的底板上，能够使得进入气体发生室内的混合气体更加均匀的分散在整个空间中，有利于反应的充分发生，以进一步提高制得的一氧化碳的纯度。

如图2所示，本实施例还提供了一种制备一氧化碳的方法，适用于上述所述的一氧化碳气体发生炉，其包括以下步骤：

S101、焦炭通过加料装置2进入到气体发生室中；

S102、将二氧化碳气体与氧气以质量比为0.3:1～1.5:1的比例进行混合，然后经气体喷嘴1喷入气体发生室中，其中，二氧化碳气体与氧气的比例变化范围为0.3:1～1.5:1；

S103、控制气体发生室内还原层的温度保持在1000℃～1200℃，二氧化碳气体和氧气的混合气体与焦炭反应生成一氧化碳气体。

本实施例提供的一种制备一氧化碳的方法，其采用上述一氧化碳气体发生炉进行一氧化碳的制备，通过控制二氧化碳与氧气的配比，结合气体发生室的结构，通过精确调节，使炉内还原层温度控制在1000℃～1200℃，保证了二氧化碳被充分还原，使得制备出的一氧化碳的纯度更高，经本实施例提供的装置与工艺的配合，可使制得的一氧化碳气体的纯度达到96%～99.5%，而且也有利于降低出口气体温度，从而延长炉体、喷嘴的使用寿命，节省冷却水用量。

优选的，上述制备一氧化碳的方法中，二氧化碳气体和氧气的缓冲罐压力值均为0.2MPa～0.4MPa，且二氧化碳气体和氧气的纯度均大于或等于99%（质量百分数）；所述焦炭中含碳量大于或等于85%（质量百分数），含水量小于或等于10%（质量百分数），挥发份含量小于或等于2%（质量百分数）；原料焦炭为冶金焦、石油焦或铸造焦中的一种。

上述制备一氧化碳的方法中，具体的工艺参数如下所示：

实施例1

原料焦炭为含碳量98%，含水量1.5%，挥发份0.3%的石油焦，压力为0.2MPa的二氧化碳气体与压力为0.2MPa的氧气经充分混合后，通过气体喷嘴1进入气体发生室内与焦炭发应，生产高纯度一氧化碳气体。

实施例2

原料焦炭为含碳量85%，含水量10.0%，挥发份2.0%的冶金焦，压力为0.3MPa的二氧化碳与压力为0.3MPa的氧气经充分混合后，通过气体喷嘴1进入气体发生室内与焦炭发应，生产高纯度一氧化碳气体。

实施例3

原料焦炭为含碳量90%，含水量4.0%，挥发份1.0%的冶金焦，压力为0.3MPa的二氧化碳与压力为0.2MPa的氧气经充分混合后，通过气体喷嘴1进入气体发生室内与焦炭发应，生产高纯度一氧化碳气体。

实施例4

原料焦炭为含碳量92%，含水量2.0%，挥发份1.5%的石油焦，压力为0.2MPa的二氧化碳与压力为0.3MPa的氧气经充分混合后，通过气体喷嘴1进入气体发生室内与焦炭发应，生产高纯度一氧化碳气体。

实施例5

原料焦炭为含碳量85%，含水量8.0%，挥发份2.0%的石油焦，压力为0.4MPa的二氧化碳与压力为0.4MPa的氧气经充分混合后，通过气体喷嘴1进入气体发生室内与焦炭发应，生产高纯度一氧化碳气体。

由于该制备一氧化碳的方法采用了上述实施例提供的一氧化碳气体发生炉，所以该制备一氧化碳的方法由一氧化碳气体发生炉带来的其他有益效果请参考上述实施例中相应的部分，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种一氧化碳气体发生炉，包括气体发生室、气体喷嘴(1)和加料装置(2)，其特征在于，所述加料装置(2)设置有多个密封阀门(3)；所述气体发生室包括锥台状的顶部腔室(4)和底部腔室(5)，位于所述顶部腔室(4)和底部腔室(5)之间的圆柱状中间腔室(6)，所述顶部腔室(4)和底部腔室(5)均沿远离所述中间腔室(6)的方向收缩，且所述气体喷嘴(1)设置在所述底部腔室(5)的底板上；其中所述气体发生室的长度与所述中间腔室(6)的直径之比为3:1～8:1，所述顶部腔室(4)的顶端开口的直径与所述中间腔室(6)的直径之比、所述底部腔室(5)的底端直径与所述中间腔室(6)的直径之比均为0.3:1～0.9:1，所述底部腔室(5)的长度与所述中间腔室(6)的直径之比、所述中间腔室(6)的长度与其直径之比均为0.3:1～3:1；所述顶部腔室(4)的长度与所述中间腔室(6)的直径之比为2:1～6:1。

2.根据权利要求1所述的一氧化碳气体发生炉，其特征在于，所述加料装置包括料斗(7)和加料仓(8)，所述料斗(7)和所述加料仓(8)、所述加料仓(8)和所述顶部腔室(4)均通过所述密封阀门(3)连接。

3.根据权利要求2所述的一氧化碳气体发生炉，其特征在于，所述料斗(7)和所述加料仓(8)上均设置有分别控制不同所述密封阀门(3)启闭的控制杠杆(9)，且所述控制杠杆(9)可为气压杠杆、液压杠杆或手动杠杆。

4.根据权利要求1所述的一氧化碳气体发生炉，其特征在于，所述气体喷嘴(1)为一体式结构，且其材质为铜、不锈钢、碳钢或耐高温特种陶瓷。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一氧化碳气体发生炉，其特征在于，当所述气体喷嘴(1)为一个时，其位于所述底部腔室(5)的底板的中央部位，当所述气体喷嘴(1)为多个时，其均匀分布在所述底部腔室(5)的底板上。

6.一种制备一氧化碳的方法，其特征在于，适用于上述1-5中任意一项所述一氧化碳气体发生炉，其包括以下步骤：

1)焦炭通过所述加料装置(2)进入到所述气体发生室中；

2)将二氧化碳气体与氧气以质量比为0.3:1～1.5:1的比例进行混合，然后经所述气体喷嘴(1)喷入所述气体发生室中；

3)控制所述气体发生室内还原层的温度保持在1000℃～1200℃，二氧化碳气体和氧气的混合气体与焦炭反应生成一氧化碳气体。

7.根据权利要求6所述的制备一氧化碳的方法，其特征在于，所述二氧化碳气体和氧气的缓冲罐压力值均为0.2MPa～0.4MPa，且所述二氧化碳气体和氧气的质量百分数均大于或等于99％；所述焦炭中碳的质量百分数大于或等于85％，水的质量百分数小于或等于10％，挥发份的质量百分数小于或等于2％。