CN111575062A - 一种煤炭多相催化气化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭多相催化气化反应器，包括进料系统、气体系统、加热系统、固气反应器、气气反应器。进料系统由气流吹送携带原理把固体反应物或催化剂实时送入固气反应器的相应隔间，可以通过调节气流量和吹送器推进速度来控制进料流量，吹送气体根据试验目的和固体密度选用不同的类别；气体系统包括主气路、次气路和吹送气路，可根据实验目的确定的气体类别从不同气路送入；固气反应器和气气反应器可以根据需要分别以不同的温度加热，加热系统采用二段立管式电加热炉，有足够的加热空间和恒温带用以分别加热固‑气和气‑气反应器，可加热到试验温度并恒温控制。本发明可以用于在线生成固体和气体产物。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭催化、热解、气化、燃烧工程的科学研究技术领域，尤其是涉及煤炭热解气化多联产过程。
背景技术
煤炭是中国能源供应的基础，但由于其在能源利用过程中易产生影响环境的有害气体、固体废渣和废水致使不能高效清洁利用，因此研究其高效清洁转化技术是我国能源的根本研究方向。煤炭的热解、气化和燃烧是其利用的基本形式，而催化过程使这些过程更加清洁高效，为快速、准确和全面地研究掌握煤炭的综合利用规律，需要能够把这些反应过程有机结合的一个反应器，通过这个反应器可以达到在接近工艺条件下研究煤炭转化反应动力学和有害气体排放时间浓度趋势规律，避免了反应产物离线后发生结构等物理化学特性的改变而造成研究结果偏离真实规律，实现在线获取实时研究结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种能完成含碳元素固体燃料与气化用气体之间的固-气和气-气多相反应用于科学研究的反应器，该反应器能够实现在一次试验即可完成催化、热解、气化、燃烧等单一的或者组合的气-固、气-气多相反应，以达到在线实验研究的目的。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种煤炭多相催化气化反应器，其特征是，包括进料系统、气体系统、加热系统、固气反应器和气气反应器，所述固气反应器的底部连接有主气进气管，所述固气反应器的顶部通过连接管与气气反应器的底部连接，所述气气反应器的顶部连接有出气管；所述固气反应器和气气反应器的内部均安装有隔板，所述隔板将固气反应器和气气反应器的内部由下到上分隔成数个隔间，所述固气反应器的侧壁连接有数个进料管，所述气气反应器的侧壁连接有数个次气进气管。
进一步的，所述进料管分别与固气反应器内不同的隔间连通，所述次气进气管分别与气气反应器内不同的隔间连通。
进一步的，所述进料系统包括步进电机、气力输粉套管和固体物料的盛样管，所述气力输粉套管包括内管和外管，所述外管套装在内管的外部，所述外管与动力气进口连通，所述内管与出粉口连通，所述气力输粉套管连通至盛样管的内部。进料系统以气力吹送并携带固体颗粒从进料管进入固气反应器内，其中，气力输粉套管的内管出粉，外管吹入动力气。
进一步的，所述气体系统，使用质量流量计（MFC）控制气体流量，并根据煤粉密度和实验要求选择气体品种。作为进料动力用气，当煤粉密度小于1时选用氮气、空气、氧气、氩气和二氧化碳气体或这些气体任意比例的混合气体，当煤粉密度不小于1时选用氩气和二氧化碳气体的一种气体或任意比例的混合气体；作为气化或燃烧反应气体可采用二氧化碳、水蒸气、空气、氧气或其他气体；作为流化气可采用反应气相同的气体，热解反应时可选择氩气、氮气或其他惰性气体。
进一步的，所述加热系统包括立式结构、分段布置的管式电加热炉，所述电加热炉至少由两个独立段上下紧密排列，每个加热炉体可以侧向开合。具有能够完全容纳反应器的足够的加热空间和恒温带，可以根据反应需要加热到指定温度。
进一步的，所述隔板的孔径满足气流通过，不满足固体物料及其反应产物通过。
进一步的，所述固气反应器和气气反应器采用的材料为石英玻璃和耐高温陶瓷材料。
进一步的，所述固气反应器和气气反应器的结构可以一体化也可以通过连接管连接。
进一步的，本发明可用于煤炭、固体生物质燃料等含碳氢氧氮硫元素的其他固体燃料和固体催化剂。
进一步的，本发明可以有多种不同的组合方式，如全过程热解反应、先热解后气化反应、全过程气化反应，并可分段控制反应器内为不同的反应温度，以及不同的气化介质，如氧气、二氧化碳、水蒸气及其组合气体。当需要考察催化效果时，可预先在各隔板放置催化剂，或者实时加料进入隔间，可以考察在有催化剂的条件下，是否存在促进或阻碍煤炭转化产物进一步转化为有害气体的催化效果。
进一步的，在固气反应器中使用惰性气体时，能原位在线制备煤焦和热解出挥发物质，并通过控制温度下的燃烧反应首先将挥发分连续转化为各类氧化物，得到使得硫转化为SOx、氮转化为NOx的转化率；热解完成之后，再将固气反应器中惰性气体改为氧气，即可检测煤焦固体中残留的硫元素和氮元素，并使其在控制温度下转化为SOx和NOx并加以检测其释放速率和转化率。通气量可以根据化学计量并适当过量来控制，以保证转化效率。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明可以用于在线生成固体和气体产物，并可以在线完成新鲜生成产物之间的固-气多相反应，也可以与其他气体在线完成固-气和气-气多相反应。避免固体或气体产物取样离线后产生结构变异等反应使得理化特性发生改变而无法获取原态下的变化规律，保证物理化学反应原态原位性。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中进料系统的结构示意图。
图3是本发明实施例中加热系统的结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图中：固气反应器1、气气反应器2、主气进气管1-1、进料管1-2、隔板1-3、底层隔间1-4、上层隔间1-5、次气进气管2-1、出气管2-2、连接管2-3、
步进电机21、动力气进口22、出粉口23、内管24、外管25、盛样管26、
上段加热炉31、下段加热炉32、炉腔33、铰链34。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1。
参见图1，本实施例中，一种煤炭多相催化气化反应器，包括进料系统、气体系统、加热系统、固气反应器1和气气反应器2，固气反应器1的底部连接有主气进气管1-1，固气反应器1的顶部通过连接管2-3与气气反应器2的底部连接，气气反应器2的顶部连接有出气管2-2；固气反应器1和气气反应器2的内部均安装有隔板1-3，隔板1-3将固气反应器1和气气反应器2的内部由下到上分隔成数个隔间，固气反应器1的侧壁连接有数个进料管1-2，气气反应器2的侧壁连接有数个次气进气管2-1。
进料管1-2分别与固气反应器1内不同的隔间连通，次气进气管2-1分别与气气反应器2内不同的隔间连通。
参见图2，进料系统包括步进电机21、气力输粉套管和固体物料的盛样管26，气力输粉套管包括内管24和外管25，外管25套装在内管24的外部，外管25与动力气进口22连通，内管24与出粉口23连通，气力输粉套管连通至盛样管26的内部。进料系统以气力吹送并携带固体颗粒从进料管进入固气反应器内，其中，气力输粉套管的内管24出粉，外管25吹入动力气。
气体系统，使用质量流量计（MFC）控制气体流量，并根据煤粉密度和实验要求选择气体品种。作为进料动力用气，当煤粉密度小于1时选用氮气、空气、氧气、氩气和二氧化碳气体或这些气体任意比例的混合气体，当煤粉密度不小于1时选用氩气和二氧化碳气体的一种气体或任意比例的混合气体；作为气化或燃烧反应气体可采用二氧化碳、水蒸气、空气、氧气或其他气体；作为流化气可采用反应气相同的气体，热解反应时可选择氩气、氮气或其他惰性气体。
参见图3、图4，加热系统包括立式结构、分段布置的管式电加热炉，电加热炉由上段加热炉31和下段加热炉32上下紧密排列，中间为炉腔33，每个加热炉体通过铰链34可以实现侧向开合（图4上部分为闭合状态、下部分为开启状态）。具有能够完全容纳反应器的足够的加热空间和恒温带，可以根据反应需要加热到指定温度。
固气反应器1，图1下部，为空间上下结构布置，可以分至少2层及以上个隔间，且最底层隔间（h5位置）既可作为固定床也可作为流化床，最顶层隔间（h4位置）的出口与气气反应器2密封连接（h3位置）。各隔间与进料管1-2连接，既可预先放入物料，也可根据需要设定时间在线进料。
气气反应器2，图1上部，为空间上下结构布置，可以分至少2层及以上个隔间，且最底层隔间（h2位置）与固气反应器1的出口相接，每个隔间的底部位置都连接有次气进气管2-1，用以加入所需反应气。最顶层为出气管2-2。
固气反应器1和气气反应器2采用的材料为石英玻璃和耐高温陶瓷材料。
实施例2。
实验目标：流化床热解时，烟煤挥发分中硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
上层隔间1-5：h4=20mm，无填料；
进料：0.2mm烟煤，进料量10g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氩气，流量0.1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，升温并控制温度为900℃。气气反应器2通入氧气，出口接入烟气成分仪。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束。观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。
实施例3。
实验目标：流化床热解时，烟煤挥发分与煤焦相互作用对硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
上层隔间1-5：h4=20mm，0.2mm颗粒度烟煤10g；
进料：烟煤，进料量10g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氩气，流量0.1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将烟煤样10g置入固气反应器1的上层隔间1-5，将床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为900℃，保持10min。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束。观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。
实施例4。
实验目标：流化床燃烧时，烟煤中硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
进料：烟煤，进料量10g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氧气，流量0.1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为900℃。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束。观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。
实施例5。
实验目标：流化床燃烧时，分别考察挥发分和煤焦在燃烧时的硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
进料：烟煤，进料量20g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氩气，流量0.1L/min，后续改氧气，0.9L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为900℃。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪开始检测并自动记录。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束，保持10min后直至无有害气体被检测时；转换流化气为氧气，观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。流化气转换前后的排放特性即为挥发分和煤焦在燃烧时的硫和氮元素的释放规律。
实施例6。
实验目标：流化床热解时，烟煤挥发分与氧化铁催化作用下对硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
上层隔间1-5：0.2mm氧化铁粉20g；
进料：烟煤，进料量10g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氩气，流量0.1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将氧化铁粉样20g置入固气反应器1的上层隔间1-5，将床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为900℃，保持10min。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束。观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。同样条件下，不装入氧化铁粉时也检测其释放规律，两者差异即为催化剂的作用效果。
实施例7。
实验目标：流化床热解时，烟煤在氧化铁催化热解条件下对硫和氮元素的释放规律；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：900℃；
上层隔间1-5：无填料；
底层隔间1-4：0.2mm氧化铁粉，10g；
进料：烟煤，进料量10g，进料流量：100mg/min；
流化气：氩气，流量0.9L/min；
进样吹气：氩气，流量0.1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.6L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将氧化铁粉样10g和床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，打开冷取水系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为900℃，保持10min。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪。开始进料，控制进料流量并在100s内全部进料结束。观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束。同样条件下，不装入氧化铁粉时也检测其释放规律，两者差异即为催化剂的作用效果。
实施例8。
实验目标：甲烷气对煤焦中Na元素保留能力及其释放SOx和NOx的规律研究；
固气反应器1：
形式：流化床；底层床料：二氧化锆（锆英砂）；
尺寸：内径Φr =40mm，高度h5=180mm；
反应温度：600℃；
上层隔间1-5：0.2mm烟煤20g；
进料：无；
流化气：氩气，1 L/min；
反应气：甲烷+氩气（V+V=10+90）混合气，流量1L/min；
气气反应器2：
形式：气流床；无床料；尺寸：内径同上，高度h1+h2=200mm；反应温度：900℃；
进气：氧气；0.4L/min；
隔间：无填料；
检测系统：
使用烟气成分测定仪检测气气反应器2出口的SOx和NOx的浓度随时间变化趋势，研究有害气体释放规律。
操作步骤：将烟煤样20g预先置入固气反应器1的上层隔间1-5，床料置入固气反应器1的底层隔间1-4，常温下置入加热系统，通入流化气，以50K/min升温并控制温度为600℃，保持10min。打开气气反应器2氧气入口通入氧气，出口接入烟气成分仪。流化气切换为反应气通入固气反应器1，观察烟气成分仪直到无有害气体检测到时，试验结束，冷却煤焦后检测其中Na含量。同样条件下，不使用反应气检测其Na元素保留能力和有害气体释放规律，两者差异即为甲烷的催化作用效果。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种煤炭多相催化气化反应器，其特征是，包括固气反应器（1）和气气反应器（2），所述固气反应器（1）的底部连接有主气进气管（1-1），所述固气反应器（1）的顶部通过连接管（2-3）与气气反应器（2）的底部连接，所述气气反应器（2）的顶部连接有出气管（2-2）；所述固气反应器（1）和气气反应器（2）的内部均安装有隔板（1-3），所述隔板（1-3）将固气反应器（1）和气气反应器（2）的内部由下到上分隔成数个隔间，所述固气反应器（1）的侧壁连接有数个进料管（1-2），所述气气反应器（2）的侧壁连接有数个次气进气管（2-1）。
2.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，所述进料管（1-2）分别与固气反应器（1）内不同的隔间连通，所述次气进气管（2-1）分别与气气反应器（2）内不同的隔间连通。
3.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，还包括进料系统，所述进料系统包括步进电机（21）、气力输粉套管和固体物料的盛样管（26），所述气力输粉套管包括内管（24）和外管（25），所述外管（25）套装在内管（24）的外部，所述外管（25）与动力气进口（22）连通，所述内管（24）与出粉口（23）连通，所述气力输粉套管连通至盛样管（26）的内部。
4.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，还包括气体系统，使用质量流量计控制气体流量，并根据煤粉密度和实验要求选择气体品种；作为进料动力用气，当煤粉密度小于1时选用氮气、空气、氧气、氩气和二氧化碳气体或这些气体任意比例的混合气体，当煤粉密度不小于1时选用氩气和二氧化碳气体的一种气体或任意比例的混合气体；作为气化或燃烧反应气体采用二氧化碳、水蒸气、空气或氧气；作为流化气采用反应气相同的气体，热解反应时选择惰性气体。
5.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，还包括加热系统，所述加热系统包括立式结构、分段布置的管式电加热炉，所述电加热炉至少由两个独立段上下紧密排列，每个加热炉体可以侧向开合。
6.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，所述隔板（1-3）的孔径满足气流通过，不满足固体物料及其反应产物通过。
7.根据权利要求1所述的煤炭多相催化气化反应器，其特征是，所述固气反应器（1）和气气反应器（2）采用的材料为石英玻璃和耐高温陶瓷材料。
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| CN105907430A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-08-31 | 东南大学 | 一种生物质气化制取合成气的装置及其方法 |
-
2020
- 2020-04-10 CN CN202010280668.1A patent/CN111575062B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN102465043A (zh) * | 2010-11-01 | 2012-05-23 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种固体燃料的多段分级热解气化装置及方法 |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 窦金平等: "《通用机械设备 第2版》", 31 July 2019, 北京理工大学出版社 * |
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|---|---|
| CN111575062B (zh) | 2021-06-29 |
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