CN109735370A - 热解与气化分区制备富氢合成气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热解与气化分区制备富氢合成气的装置及方法，该装置包括：分区式燃料反应器、空气反应器、固体进料器送料绞龙以及流动密封阀。还提供了利用该装置制备富氢合成气的方法，该方法如下：高挥发燃料在进入分区式燃料反应器后，在热解区反应室脱除挥发分，并将铁氧化合物深度还原，析出的挥发分、热解后的焦炭以及被还原的铁氧化合物共同进入气化区反应室，分别发生重整反应、水汽反应以及铁水制氢反应，一步制备富氢合成气，剩余未反应的焦炭与被部分氧化的铁氧化合物进入空气反应器，被完全氧化，实现一次循环。利用该装置和方法可实现自热式的气化反应。
Description
技术领域
本发明属于固体燃料的热解、气化与燃烧，具体来说，涉及热解与气化分区制备富氢合成气的装置及方法。
背景技术
高挥发分含碳燃料主要分为三大类：低阶煤、生物质燃料和垃圾衍生燃料。它们所具有的共同特点在于挥发分含量高，易于热解与气化。在我国的能源分布中，这些高挥发分的含碳燃料占据较大的比例，尤其是在煤炭储备中，挥发分含量高的煤种所占比例最高。但同时，较高的挥发分意味着燃料的热值相对较低，使得能量密度较低，不利于运输和储藏。
气化技术是针对这些高挥发含碳燃料，将其转化为易运输、高热值、多用途合成气的先进技术。然而，在传统的流化床气化技术中，将燃料送入反应器后，燃料随即发生热解脱除挥发分、气体重整、部分氧化燃烧等一系列的化学反应步骤，这些反应步骤并没有与流化床反应器的设计进行有效的匹配，导致了燃料常常不能完全转化，使得制备的合成气含有焦油，品质较低，无法满足进一步制备气体燃料或化学品的工业需求。在此背景下，开发专门匹配高挥发分含碳燃料，并高效制备优质合成气的技术至关重要。
铁氧化合物作为炼钢的原料，具有廉价、无污染、并容易得到等优点，由于它机械强度好，耐磨性强，是流化床反应器的理想床料。此外，研究表明，低价态的铁氧化合物或金属铁(如FeO、Fe等)能在高温下与水蒸汽发生化学反应生成氢气(H2)，并且该反应的温度区间与气化反应的温度区间相当，如果能将这些优点与气化技术结合，就能克服现有气化技术的缺点，制备富氢的合成气。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：将廉价的铁氧化合物作为床料，与流化床反应器分区相结合，提供一种适用于高挥发含碳燃料的简单、高效气化装置及方法，利用该装置可连续制备富氢的合成气，实现自热式的气化反应。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下的技术方案：
本发明的一种热解与气化分区制备富氢合成气的装置置包括：固体进料器送料绞龙、分区式燃料反应器以及空气反应器，所述的固体进料器送料绞龙与分区式燃料反应器下部的热解区反应室第一入口连接；分区式燃料反应器上部的气化区反应室的出口接旋风分离器的入口，旋风分离器的出口通过返料管，与空气反应器的内部连通，空气反应器下部出口通过流动密封阀与分区式燃料反应器下部热解区反应室的第二入口连接。
其中：
所述的固体进料器送料绞龙与料仓下部连接，固体进料器送料绞龙通过调控进料速率，将燃料送入分区式燃料反应器下部热解区反应室的第一入口。
所述的分区式燃料反应器，在所述的热解区反应室下部设置第一气体布风板，在气化区反应室下部设置第二气体布风板。
所述的分区式燃料反应器竖直设置，所述的热解区反应室与气化区反应室采用渐缩段喷管式竖直连接，气化区反应室的顶端通过横向设置的管道与旋风分离器连接。
所述的空气反应器为鼓泡流化床反应器。
所述的流动密封阀为通过风量大小控制循环量的双通式阀，流动密封阀的入口与空气反应器下部出口连通，流动密封阀的出口与分区式燃料反应器下部热解区反应室的第二入口连接。
本发明提供一种所述装置的热解与气化分区制备富氢合成气的方法，包括以下步骤：
步骤1)燃料的热解与铁氧化合物的还原：将高挥发分含碳燃料通过固体进料器送料绞龙送入分区式燃料反应器的热解区反应室，使得燃料在较高温度的作用下发生快速热解，脱除挥发分，这些挥发分主要是小分子还原气体以及碳氢化合物，在热解过程中，铁氧化合物为挥发分提供晶格氧，并发生还原反应，热解后产生的气体，脱除挥发分的燃料，以及被还原的铁氧化合物随流化风吹起，在压差的作用下进入气化区反应室中；其中挥发分的燃料主要是焦炭；
步骤2)挥发分的重整、焦炭的气化及铁氧化合物的制氢：向气化区反应室通入水蒸汽，水蒸汽与进入气化区反应室的挥发分发生重整反应，与脱除挥发分的燃料发生水-汽反应产生合成气，并与被还原的铁氧化合物发生铁-水制氢反应产生氢气，重新氧化铁氧化合物，通过调控风量，使得产生合成气的反应与产生氢气的反应相互结合，产生富氢的合成气；其中挥发分的燃料主要是焦炭；
步骤3)铁氧化合物氧化放热及剩余焦炭的燃烧：被水蒸汽部分氧化的铁氧化合物，以及剩余未反应完全的焦炭，随气流送入空气反应器中，重新被氧化，将铁氧化合物彻底氧化为初始状态并释放热量，铁氧化合物作为热载体，随气体通过流动密封阀通入分区式燃料反应器下部热解区反应室的第二入口，并为热解区反应室提供相应的热量补偿。
其中，
所述分区式燃料反应器下部热解区反应室采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.3-0.5m/s，所述气化区反应室采用湍动流化床反应器方式运行，气速控制在1.2-1.5m/s，所述分区式燃料反应器反应温度控制在800-950℃.
所述空气反应器采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.1-0.3m/s，温度控制在900-950℃。
所述流动密封阀中的颗粒循环量采用气体流量的压差控制，气速控制在0.05-0.15m/s；所述的分区式燃料反应器和空气反应器采用的铁氧化合物为富含α-Fe2O3状态的天然铁矿石，粒径范围在0.15-0.25mm之间。
有益效果：本发明的方法和装置具有以下特色及优点：
1.气体制备品质高。本发明实施例的装置根据高挥发含碳燃料的固有特性，将热解过程与气化过程在燃料反应器中分区，使得燃料转化更充分，并利用铁-水制氢反应增加合成气中的氢气比例，提升合成气的制备品质。
2.装置能耗低。本发明实施例的装置结构紧凑，每个区域功能性强，特别针对多样的高挥发含碳燃料，依据化学反应的理论顺应燃料转化规律，连续制备富氢合成气，降低了整个反应系统的能耗。
3.床料可循环利用。本装置中所用的床料为循环使用的铁氧化合物，是一种廉价易得的材料，铁氧化合物在分区式燃料反应器的热解区反应室先被还原，而后再在气化区反应室被部分氧化，最后在空气反应器中被完全氧化，完成循环后又随流动密封阀回到分区式燃料反应器，实现循环利用。
4.能实现自热平衡。本装置中所用的床料不仅是氧载体，还是热载体。由于热解反应与气化反应均是吸收热量的化学反应，当床料循环至空气反应器时，燃烧放出大量的热，负载至床料中，床料又随流动密封阀循环至分区式燃料反应器，补偿热解与气化所需的热量，保证热平衡。
5.化学反应质量高。考虑到气化反应主要是气-固扩散反应，反应速度较慢，使得燃料转化不完全，所以本方法先将挥发分脱除，再让挥发分与水蒸汽发生重整反应，这样就将很大一部分的气-固异相反应转变为气-气同相反应，极大地增加了反应速度，保证了高挥发含碳燃料的反应质量，提高了系统的转换效率。
6.环保性能佳。本发明实施例利用富含α-Fe2O3状态的天然铁矿石，由于铁氧化合物本身对气化产生的焦油有热裂解作用，促进焦油转化为小分子气体(CO、CO2、CH4等)，因此在无需外加设备的情况下即可实现焦油的原位脱除，有效地解决了成本与环境问题。
附图说明
图1是本发明实施例装置的结构示意图。
图中有：分区式燃料反应器第一布风板1、固体进料器送料绞龙2、固体进料器料仓3、分区式燃料反应器4、第一入口41、第二入口42、热解区反应室43、分区式燃料反应器第二布风板5、气化区反应室6、旋风分离器7、分区式燃料反应器出气口8、空气反应器出气口9、返料管10、空气反应器11、空气反应器布风板12、流动密封阀13、流动密封阀布风板14。
具体实施方式
下面将参照附图，对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，包括：固体进料器送料绞龙2、分区式燃料反应器4以及空气反应器11，所述的固体进料器送料绞龙2与分区式燃料反应器4下部的热解区反应室第一入口41连接；分区式燃料反应器4上部的气化区反应室6的出口接旋风分离器7的入口，旋风分离器7的出口通过返料管10，与空气反应器11的内部连通，空气反应器11下部出口通过流动密封阀13与分区式燃料反应器4下部热解区反应室43的第二入口42连接。
上述装置中，固体进料器用于输送高挥发含碳燃料进入分区式燃料反应器中。热解区反应室43用于高挥发燃料的热解反应，以及铁氧化合物的还原反应。气化区反应室6用于挥发分的重整反应、焦炭的水汽反应以及被还原的铁氧化物制氢反应。空气反应器11用于剩余焦炭的燃烧反应以及铁氧化物的完全氧化反应。流动密封阀13用于将铁氧化合物输送回热解区反应室43。
作为上述实施例的优选方案，所述的固体进料器包括料仓3与固体进料器送料绞龙2；料仓3下部连接固体进料器送料绞龙2，固体进料器送料绞龙2通过调控进料速率，将燃料从出料口送入分区式燃料反应器第一入口41。
作为上述实施例的优选方案，所述的分区式燃料反应器4包括热解区反应室43、气化区反应室6和旋风分离器7，所述的热解区反应室43下部设置第一布风板1，在气化区反应室6下部设置第二布风板5。
作为上述实施例的优选方案，所述的分区式燃料反应器4竖直设置，所述的热解区反应室43与气化区反应室6采用渐缩段喷管式竖直连接，气化区反应室6的顶端通过横向设置的管道与旋风分离器7连接。
作为上述实施例的优选方案，所述的空气反应器11为鼓泡流化床反应器。
作为上述实施例的优选方案，所述的流动密封阀13为通过风量大小控制循环量的双通式阀，双通式阀的入口与空气反应器11下部出口连通，双通式阀的出口与热解区反应室43的下部第二入口42连通。
利用上述实施例的装置，使用高挥发分燃料制备富氢合成气的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)燃料的热解与铁氧化合物的还原：将高挥发分含碳燃料通过固体进料器送入分区式燃料反应器的热解区反应室43，使得燃料在较高温度的作用下发生快速热解，脱除挥发分，这些挥发分主要是小分子还原气体以及碳氢化合物，在热解过程中，铁氧化合物为挥发分提供晶格氧，并发生还原反应，热解后产生的气体，脱除挥发分的燃料(主要是焦炭)，以及被还原的铁氧化合物随流化风吹起，在压差的作用下进入气化区反应室6中。
步骤2)挥发分的重整、焦炭的气化及铁氧化合物的制氢：向气化区反应室6通入水蒸汽，水蒸汽与进入气化区反应室6的挥发分发生重整反应，与脱除挥发分的燃料(主要是焦炭)发生水-汽反应产生合成气，并与被还原的铁氧化合物发生铁-水制氢反应产生氢气，重新氧化铁氧化合物，通过调控风量，使得产生合成气的反应与产生氢气的反应相互结合，产生富氢的合成气。
步骤3)铁氧化合物氧化放热及剩余焦炭的燃烧：被水蒸汽部分氧化的铁氧化合物，以及剩余未反应完全的焦炭，随气流送入空气反应器11中，重新被氧化，并释放热量，铁氧化合物作为热载体，随气体通过流动密封阀通入热解区反应室43中，并为热解区反应室43提供相应的热量补偿。
作为优选方案，所述的步骤3)中，向空气反应器11中通入空气，将铁氧化合物彻底氧化为初始状态。
作为优选方案，所述分区式燃料反应器的热解区反应室43采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.3-0.5m/s，所述气化区反应室6采用湍动流化床反应器方式运行，气速控制在1.2-1.5m/s，所述分区式燃料反应器反应温度控制在800-950℃；所述空气反应器11采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.1-0.3m/s，温度控制在900-950℃；所述流动密封阀13中的颗粒循环量采用气体流量的压差控制，气速控制在0.05-0.15m/s；所述的分区式燃料反应器4和空气反应器11采用的铁氧化合物为富含α-Fe2O3状态的天然铁矿石，粒径范围在0.15-0.25mm之间。
在上述制备方法中，高挥发分含碳燃料随固体进料器绞龙进入热解区反应室43，析出挥发分(主要是碳氢化合物与小分子气体)，燃料逐渐转变为焦炭，焦炭与挥发分随气流输送至气化区反应室6，挥发分与通入的水蒸汽发生重整反应，转变为合成气，焦炭与通入水蒸汽发生水汽反应，制备合成气，合成气经分区式燃料反应器出口8排出，剩余未反应完全的焦炭随旋风分离器7分离进入空气反应器11中燃烧，使得燃料完全反应。
在上述制备方法中，铁氧化合物初始状态为α型三氧化二铁(Fe2O3)，在热解区反应室43中失去晶格氧，转变为氧化亚铁(FeO)或金属铁(Fe)，输送上升至气化区反应室6中，与通入的水蒸汽发生铁-水制氢反应，此时，铁或氧化亚铁转变为四氧化三铁(Fe3O4)，继续随气流输送至旋风分离器，并被分离至空气反应器11中。在空气反应器11中，铁氧化合物被空气继续氧化得到晶格氧回到初始状态，即三氧化二铁(Fe2O3)，从而完成一次循环。
在上述制备方法中，空气反应器11中的铁氧化合物的完全氧化反应以及焦炭的燃烧反应均放出大量的热量，这些热量由铁氧化合物自身作为热载体携带，经由流动密封阀13的气流控制，进入分区式燃料反应器4，由于分区式燃料反应器4内的热解反应及气化反应均为吸热反应，由铁氧化合物携带的热量在分区式燃料反应器4中释放供给，从而完成一次热平衡。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于该装置包括：固体进料器送料绞龙(2)、分区式燃料反应器(4)以及空气反应器(11)，所述的固体进料器送料绞龙(2)与分区式燃料反应器(4)下部的热解区反应室第一入口(41)连接；分区式燃料反应器(4)上部的气化区反应室(6)的出口接旋风分离器(7)的入口，旋风分离器(7)的出口通过返料管(10)，与空气反应器(11)的内部连通，空气反应器(11)下部出口通过流动密封阀(13)与分区式燃料反应器(4)下部热解区反应室(43)的第二入口(42)连接。
2.根据权利要求1所述的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于，所述的固体进料器送料绞龙(2)与料仓(3)下部连接，固体进料器送料绞龙(2)通过调控进料速率，将燃料送入分区式燃料反应器(4)下部热解区反应室(43)的第一入口(41)。
3.根据权利要求1或2所述的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于，所述的分区式燃料反应器(4)，在所述的热解区反应室(43)下部设置第一气体布风板(1)，在气化区反应室(6)下部设置第二气体布风板(5)。
4.根据权利要求3所述的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于，所述的分区式燃料反应器(4)竖直设置，所述的热解区反应室(43)与气化区反应室(6)采用渐缩段喷管式竖直连接，气化区反应室(6)的顶端通过横向设置的管道与旋风分离器(7)连接。
5.根据权利要求1所述的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于，所述的空气反应器(11)为鼓泡流化床反应器。
6.根据权利要求1所述的热解与气化分区制备富氢合成气的装置，其特征在于，所述的流动密封阀(13)为通过风量大小控制循环量的双通式阀，流动密封阀(13)的入口与空气反应器(11)下部出口连通，流动密封阀(13)的出口与分区式燃料反应器(4)下部热解区反应室(43)的第二入口(42)连接。
7.一种根据权利要求1所述装置的热解与气化分区制备富氢合成气的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1)燃料的热解与铁氧化合物的还原：将高挥发分含碳燃料通过固体进料器送料绞龙(2)送入分区式燃料反应器(4)的热解区反应室(43)，使得燃料在较高温度的作用下发生快速热解，脱除挥发分，这些挥发分主要是小分子还原气体以及碳氢化合物，在热解过程中，铁氧化合物为挥发分提供晶格氧，并发生还原反应，热解后产生的气体，脱除挥发分的燃料，以及被还原的铁氧化合物随流化风吹起，在压差的作用下进入气化区反应室(6)中；其中挥发分的燃料主要是焦炭；
步骤2)挥发分的重整、焦炭的气化及铁氧化合物的制氢：向气化区反应室(6)通入水蒸汽，水蒸汽与进入气化区反应室(6)的挥发分发生重整反应，与脱除挥发分的燃料发生水-汽反应产生合成气，并与被还原的铁氧化合物发生铁-水制氢反应产生氢气，重新氧化铁氧化合物，通过调控风量，使得产生合成气的反应与产生氢气的反应相互结合，产生富氢的合成气；其中挥发分的燃料主要是焦炭；
步骤3)铁氧化合物氧化放热及剩余焦炭的燃烧：被水蒸汽部分氧化的铁氧化合物，以及剩余未反应完全的焦炭，随气流送入空气反应器(11)中，重新被氧化，将铁氧化合物彻底氧化为初始状态并释放热量，铁氧化合物作为热载体，随气体通过流动密封阀(13)通入分区式燃料反应器(4)下部热解区反应室(43)的第二入口(42)，并为热解区反应室(43)提供相应的热量补偿。
8.根据权利要求7所述的热解与气化分区制备富氢合成气的方法，其特征在于，所述分区式燃料反应器(4)下部热解区反应室(43)采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.3-0.5m/s，所述气化区反应室(6)采用湍动流化床反应器方式运行，气速控制在1.2-1.5m/s，所述分区式燃料反应器(4)反应温度控制在800-950℃。
9.根据权利要求7所述的热解与气化分区制备富氢合成气的方法，其特征在于，所述空气反应器(11)采用鼓泡流化床反应器方式运行，气速控制在0.1-0.3m/s，温度控制在900-950℃。
10.根据权利要求7所述的热解与气化分区制备富氢合成气的方法，其特征在于，所述流动密封阀(13)中的颗粒循环量采用气体流量的压差控制，气速控制在0.05-0.15m/s；所述的分区式燃料反应器和空气反应器11采用的铁氧化合物为富含α-Fe2O3状态的天然铁矿石，粒径范围在0.15-0.25mm之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190510 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |