CN115463613A - 一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，属于固定床技术领域，包括固定床反应器，固定床反应器内部由下自上插设有一根热电偶套管，可实时监测反应区温度变化，固定床反应器从上至下依次安装有进气系统、进料系统、反应系统、压力控制系统和产物收集系统。本发明实现了加压下样品的快速反应与高升温速率热解/燃烧，并且反应时间可控，可防止样品提前反应，实现了高温高压下迅速精准可控地给料，同时恒温区分为上中下三部分加热段，可实现分段不同温度的加热，同时可实现多种气氛下热解和富氧燃烧过程样品温度、产气信息、燃烧系统压力等多参量在线测量，及热解后半焦和液体产物离线分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定床反应器，具体为一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，属于固定床领域。
背景技术
结合我国“多煤、少油、缺气”的能源组成结构的现状，能源行业技术转型需要加快现有燃煤机组改造以及大规模推进碳捕集技术。富氧燃烧技术被认为是最有潜力的CO2捕集技术之一,加压富氧燃烧技术由于具有发电效率高、污染物排放低等优势,被认为是一种更加高效清洁的二代富氧燃烧技术。受限于实现高温高压条件的实验台架搭建困难,目前对于煤颗粒在高升温速率、高氧气浓度、较宽压力范围内的燃烧特性实验研究相对较少。
目前加压固定床装置的进料方式均是如下：反应开始前将样品放置在反应区，之后密封好管路开始升压升温反应，该过程属于慢速气化/热解/ 燃烧过程。而其缺点有以下几点，首先工业中的热解/气化/燃烧反应过程十分迅速，而目前加压固定床装置无法在反应区升高到指定温度之后开始进样，不能实现快速热解；其次不能精准控制反应时间；最后是立式固定床的加热区温度较短，无法完成质量相差较大的实验。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，在加压气化/热解/燃烧固定床实验中，通过磁悬浮模块可实现快速、精准、可控给料，使得加压下物料可进行等温热反应，同时较长的恒温区可实现大量/微量物料的在线分析。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，包括固定床反应器，所述固定床反应器内部由下自上插设有一根热电偶套管，所述固定床反应器从上至下依次安装有进气系统、进料系统、反应系统、压力控制和产物收集系统，所述进气系统包括四路反应气气路、一路吹扫气气路、质量流量控制器、气体混合器、气体预热器和蒸汽发生器，反应器气气路和吹扫气气路、气体混合器与气体预热器依序连通，蒸汽发生器为气体预热器提供热量，所述进料系统包括磁力耦合送料器和水冷夹套，所述磁力耦合送料器固定安装在在固定床反应器顶部，水冷夹套固定套设在磁力耦合送料器外部设，对磁力耦合送料器进行水冷降温，所述反应系统由上、中、下三段炉膛组成，其中恒温区长度为200mm，反应系统设计温度1200℃，最高操作温度1000℃，所述压力控制系统包括尾气过滤装置、背压阀，压力显示与储存单元、机械式卸荷阀，反应器内出来的高温尾气经过一段置于低温槽内的冷却盘管降温后，再经过粉尘过滤装置后，通过背压阀调节压力后进入在线气体分析设备，压力控制系统设计压力6MPa，反应区1000℃时最高操作压力为5MPa，所述产物收集系统包括两套高压吸收瓶，经过串联后放置于低温槽内，所述固定床反应器出口至高压吸收瓶通过软管连接，软管置于低温槽内对高温气体进行降温。
优选的，所述反应气气路由燃料气气路(H2/CO)、CO2气路、O2气路和N2平衡气路组成，所述吹扫气气路为N2吹扫气路，所述反应气气路与吹扫气气路前端均固定安装有气体过滤器和减压阀，N2平衡气路和N2吹扫气路经过减压阀减压后由两台质量流量控制器独立控制反应气和吹扫气流量，反应气气路与吹扫气气路下游均固定安装有单向阀和截止阀。
优选的，所述反应系统材质采用253MA不锈钢，该钢在850℃-1100℃温度范围内具有最适宜的综合性能，极高的抗氧化性，起氧化皮温度高达 1150℃；极高的抗蠕变型变能力和蠕变断裂强度；在大多数气体介质中具有很好的抗高温腐蚀能力和耐腐蚀能力；高温时有较高的屈服强度和抗拉强度，更适用于高压高温的富氧燃烧工况研究。
优选的，所述高压吸收瓶材质采用316L不锈钢，且高压吸收瓶上端固定安装有测温热电偶接头。
优选的，所述压力控制系统采用背压阀耐受温度为200℃，且阀前端安装气体过滤器，阻止灰尘进入阀体，背压阀设计有旁路放空阀，从背压阀流出气体经过分流后部分进入烟气分析仪或色谱进行在线分析，其余气体排空。
优选的，所述压力控制系统采用机械式卸荷阀，当系统压力超过安全设定压力时，卸荷阀起跳，释放系统压力，保证运行安全。
优选的，所述气体混合器型号为MX-1081，用于对反应气体进行在线混合，气体混合器采用静态混合器设计，材质采用316L不锈钢。
优选地，所述气体预热器采用螺旋式设计，材质采用310SS奥氏体不锈钢，由一套独立的电加热炉控制预热温度，气体预热器前端设计气体过滤器，防止粉尘颗粒物窜流进气路系统，且气体预热器前端预留蒸汽发生器接口。
优选地，所述质量流量控制器均设计有旁路，可对系统进行快速吹扫和建立系统压力。
本发明的有益效果是：
1、本装置实现了加压下样品的快速反应，反应炉升到指定温度后，样品通过磁力耦合送料器被快速送到恒温区反应，实现了加压快速热解，并且反应时间可控，反应过程中可随时将样品从反应区提升返回至进样区；
2、本装置反应炉在升温过程中，磁力耦合送料器外部套设有水冷夹套，其内部设有冷却循环水，可防止样品在该区域提前反应，实现了高温高压下迅速精准可控地给料；
3、本装置反应器采用253MA不锈钢，该钢在850℃-1100℃温度范围内具有最适宜的综合性能，极高的抗氧化性，起氧化皮温度高达1150℃；极高的抗蠕变型变能力和蠕变断裂强度；在大多数气体介质中具有很好的抗高温腐蚀能力和耐腐蚀能力，更适用于高压高温下富氧、富水蒸气等特殊气氛下的实验研究。
4、现有的立式固定床的加热段较短，本装置设计的加热恒温段较长，可实现大物料和微量物料的加压快速热解；
5、温度是影响热化学转化过程中最重要的因素，本装置恒温区分为上中下三部分加热段，可实现分段不同温度的加热。
附图说明
图1为本发明提出的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置的系统路径示意图；
图2为本发明提出的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置的结构示意图
图中：1、固定床反应器；2、热电偶套管；3、磁力耦合送料器；4、背压阀；5、水冷夹套；6、高压吸收瓶；7、软管；8、测温热电偶接头。
具体实施方式
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。
请参阅图1-2所示，一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，包括固定床反应器1，固定床反应器1的型号为R-1101，材质采用253MA，尺寸为φ40*5*1400mm，操作温度为常温-1000℃，操作压力为 0.1-6MPa。
固定床反应器1内部由下自上插设有一根热电偶套管2，固定床反应器 1从上至下依次安装有进气系统、进料系统、反应系统、压力控制系统和产物收集系统，进气系统包括四路反应气气路、一路吹扫气气路、质量流量控制器、气体混合器、气体预热器和蒸汽发生器，反应器气气路和吹扫气气路、气体混合器与气体预热器依序连通，蒸汽发生器为气体预热器提供热量。
反应气气路由燃料气气路(H2/CO)、CO2气路、O2气路和N2平衡气路组成，吹扫气气路为N2吹扫气路，反应气气路与吹扫气气路前端均固定安装有气体过滤器和减压阀，N2平衡气路和N2吹扫气路经过减压阀减压后由两台质量流量控制器独立控制反应气和吹扫气流量，反应气气路与吹扫气气路下游均固定安装有单向阀和截止阀。
气体混合器型号为MX-1081，用于对反应气体进行在线混合，气体混合器采用静态混合器设计，材质采用316L不锈钢，气体预热器采用螺旋式设计，材质采用310SS奥氏体不锈钢，由一套独立的电加热炉控制预热温度，预热炉操作温度为常温-900℃可调。气体预热器前端设计气体过滤器，防止粉尘颗粒物窜流进气路系统，且气体预热器前端预留蒸汽发生器接口。质量流量控制器均设计有旁路，可对系统进行快速吹扫和建立系统压力。
进料系统包括磁力耦合送料器3和水冷夹套5，磁力耦合送料器3固定安装在在固定床反应器1顶部，水冷夹套5固定套设在磁力耦合送料器3 外部，对磁力耦合送料器3进行水冷降温，反应系统由上、中、下三段炉膛组成，其中恒温区长度为200mm，反应系统设计温度1200℃，最高操作温度1000℃。
产物收集系统包括两套高压吸收瓶6，经过串联后放置于低温槽内，固定床反应器1出口至高压吸收瓶6通过一段耐高温、耐高压的软管7连接，软管7置于低温槽内对高温气体进行降温。高压吸收瓶6材质采用316L不锈钢，操作压力为0.1-6MPa，操作温度：-10℃-室温，且高压吸收瓶6上端固定安装有测温热电偶接头8。背压阀4耐受温度为200℃，且背压阀4 前端安装有气体过滤器，阻止灰尘进入阀体，背压阀4设计有旁路放空阀，从背压阀4流出气体经过分流后部分进入色谱在线分析，其余气体排空。
压力控制系统包括尾气过滤装置、背压阀，压力显示与储存单元、机械式卸荷阀，反应器内出来的高温尾气经过一段置于低温槽内的冷却盘管降温后，再经过粉尘过滤装置后，通过背压阀调节压力后进入在线气体分析设备，压力控制系统设计压力6MPa，反应区1000℃时最高操作压力为 5MPa，当系统压力超过安全设定压力时，卸荷阀起跳，释放系统压力，保证运行安全。
需要说明的是，上述磁力耦合送料器3、气体混合器、气体预热器、测温热电偶接头8和蒸汽发生器等气体处理原料处理机构均为成熟的现有技术，且受控制于本装置的控制系统，而本装置控制系统采用计算机组态控制系统和AI智能仪表开发方案，装置自动控制系统完全采用工业化设计和制造标准，系统有多级的安全保护设计和配置，也属于成熟的现有技术，在此不多做赘述。
在本发明中，当进行富氧燃烧反应流程时，所需反应气(CO2、O2、N2等)由各自质量流量控制器进行计量，并经过气体混合器MX-1081在线混合，然后进入气体预热器H-1081预热至一定温度后进行反应单元，混合气在反应器R-1101内进一步预热至反应温度；反应区温度和压力达到实验条件并且稳定后，通过磁力耦合送料器3将预先装好的燃料样品快速送入反应区进行燃烧反应，从反应器内R-1101出来的高温烟气经过一段置于低温槽内的软管7降温后，再经过粉尘过滤后，经过背压阀4调节压力后排空或去烟气分析仪进行在线分析。
当进行热解反应流程时，一路N2吹扫气由质量流量控制器进行计量，并从反应器R-1101顶部进入，热解区温度由反应炉加热至热解温度，热解区压力升高到热解压力后，通过磁力耦合送料器3将预先装好的生物质样品快速送入热解区进行热解反应。从反应器R-1101内出来的高温热解产物进入两级高压吸收瓶6后经过背压阀4调节压力后排空或去色谱分析。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，包括固定床反应器(1)，其特征在于：所述固定床反应器(1)内部由下自上插设有一根热电偶套管(2)，可实时监测反应区温度变化，所述固定床反应器(1)从上至下依次安装有进气系统、进料系统、反应系统、压力控制系统和产物收集系统，所述进气系统包括四路反应气气路、一路吹扫气气路、质量流量控制器、气体混合器、气体预热器和蒸汽发生器，反应器气气路和吹扫气气路、气体混合器与气体预热器依序连通，蒸汽发生器为气体预热器提供热量，所述进料系统包括磁力耦合送料器(3)和水冷夹套(5)，所述磁力耦合送料器(3)固定安装在在固定床反应器(1)顶部，水冷夹套(5)固定套设在磁力耦合送料器(3)外部，对磁力耦合送料器(3)进行水冷降温，所述反应系统由上、中、下三段炉膛组成，其中恒温区长度为200mm，反应系统设计温度1200℃，最高操作温度1000℃，所述压力控制系统包括尾气过滤装置、背压阀(4)，压力显示与储存单元和机械式卸荷阀，压力控制系统设计压力5MPa，反应区1000℃时最高操作压力为3MPa，当系统压力超过安全设定压力时，卸荷阀起跳，释放系统压力，保证运行安全，所述产物收集系统包括两套高压吸收瓶(6)，经过串联后放置于低温槽内，所述固定床反应器(1)出口至高压吸收瓶(6)通过软管(7)连接，软管(7)置于低温槽内对高温气体进行降温。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述反应气气路由燃料气气路(H2/CO)、CO2气路、O2气路和N2平衡气路组成，所述吹扫气气路为N2吹扫气路，所述反应气气路与吹扫气气路前端均固定安装有气体过滤器和减压阀，N2平衡气路和N2吹扫气路经过减压阀减压后由两台质量流量控制器独立控制反应气和吹扫气流量，反应气气路与吹扫气气路下游均固定安装有单向阀和截止阀。
3.根据权利要求2所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述高压吸收瓶(6)材质采用316L不锈钢，且高压吸收瓶(6)上端固定安装有测温热电偶接头(8)。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述背压阀(4)耐受温度为200℃，且所述背压阀(4)前端安装有气体过滤器，阻止灰尘进入阀体，背压阀(4)设计有旁路放空阀，从背压阀(4)流出气体经过分流后部分进入色谱在线分析，其余气体排空。
5.根据权利要求4所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述气体混合器型号为MX-1081，用于对反应气体进行在线混合，气体混合器采用静态混合器设计，材质采用316L不锈钢。
6.根据权利要求5所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述气体预热器采用螺旋式设计，材质采用310SS奥氏体不锈钢，由一套独立的电加热炉控制预热温度，气体预热器前端设计气体过滤器，防止粉尘颗粒物窜流进气路系统，且气体预热器前端预留蒸汽发生器接口。
7.根据权利要求6所述的一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置，其特征在于：所述质量流量控制器均设计有旁路，可对系统进行快速吹扫和建立系统压力。
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