CN115948183A - 一种含碳物质转化重整反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种含碳物质转化重整反应器，包括：反应器本体，其内部限定出炉腔，所述炉腔顶部设有含碳物质进口及产品气出口、底部设有调温气流入口及熔渣出口；所述反应器本体从下至上依次包括氧化段、混合扩散段和重整转化段；氧化剂分布器，设于所述氧化段，用于向所述炉腔内输入氧化剂；重整剂分布器，设于所述氧化段，并位于所述氧化剂分布器的上方，用于向所述炉腔内输入重整剂。本发明提供的含碳物质转化重整反应器，于氧化段上部加入重整剂，使其与氧化反应产生的氧化气混合，调节反应物的浓度，实现二次转化重整，产品气组分可调可控；同时，充分利用反应器内的热量，提高反应器上部区域热解反应效率，增加热解产物。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工的技术领域，尤其是煤制天然气领域，具体涉及一种含碳物质转化重整反应器。
背景技术
我国是“富煤、贫油、少气”的国家，这一特点决定了煤炭在一次性能源生产和消费中占据主导地位且长期不会改变；同时，我国“东贫西富”的煤炭分布特点则要求将煤炭转化为气态燃料，使其更具运输经济性和利用效能。
目前，将煤炭等含碳物质转化为气态燃料的技术中具有代表性的有固定床干排灰气化技术和固定床熔渣气化技术。固定床干排灰气化技术的气化温度必须低于原料煤的软化温度，需使用大量蒸汽降低氧化温度，存在蒸汽消耗量大、废水多以及所排灰渣含碳量高、碳转化效率低、运行成本高等问题。固定床熔渣气化技术相较于干排灰气化技术实现了液态排渣，改善了干排灰气化技术的不足，提高了转化温度和碳转化效率，减少了蒸汽消耗量；但其转化区域温度较高，炉内热量往往不能得到充分合理的利用，含碳物质特别是低阶含碳物质分级利用效率不高，无法保证产品气中甲烷的含量。
现有固定床气化不论是干排灰气化技术还是固定床熔渣气化技术，作为原料的含碳物质的性质对转化后产品气体组分起着决定作用，转化气体组分受限于含碳物质的性质，产品气体组分不可调。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中产品气组分不可调缺陷，从而提供一种含碳物质转化重整反应器。
为此，本发明提供了以下技术方案：
一种含碳物质转化重整反应器，包括：反应器本体，其内部限定出炉腔，所述炉腔顶部设有含碳物质进口及产品气出口、底部设有调温气流入口及熔渣出口；所述反应器本体从下至上依次包括氧化段、混合扩散段和重整转化段；氧化剂分布器，设于所述氧化段，用于向所述炉腔内输入氧化剂；重整剂分布器，设于所述氧化段，并位于所述氧化剂分布器的上方，用于向所述炉腔内输入重整剂。
所述氧化段的内径小于所述重整转化段的内径，所述混合扩散段处的炉腔的横截面积从所述氧化段向所述重整转化段的方向逐渐增大。
所述混合扩散段处的炉腔呈锥台状，所述混合扩散段的内径从所述氧化段向所述重整转化段的方向逐渐增大。
所述重整剂分布器包括：管状本体，设置在所述氧化段上；进料组件，与所述管状本体连通，并位于所述反应器本体的外部；至少两个出料口，沿所述管状本体的轴向分布，并与所述管状本体连通，每个所述出料口均延伸至所述炉腔内。
还包括连接部，所述重整剂分布器至少设有两个，至少两个所述重整剂分布器的所述管状本体通过所述连接部依次连接成环状结构。
所述重整剂包括H2、H2O(g)、CO2、O2中的一种或多种。
所述氧化段底部的炉腔由三个共轴设置的锥台腔自上而下依次连接形成，且每个所述锥台腔的横截面积自上而下逐渐减小；所述熔渣出口及调温气流入口设于下方的锥台腔的底部。
所述氧化剂分布器设置在所述氧化段的底部，并位于所述锥台腔的上方，所述氧化剂分布器的输出端的输出方向朝所述锥台腔倾斜。
所述重整转化段的顶部设有含碳物质进料筒，所述进料筒内设有废液分布器；所述废液分布器的输出端呈管状，并沿进料筒的内壁环绕设置。
所述重整转化段的顶部还设有气体导流器，所述气体导流器包括环形管及出气管；环形管套设在进料筒的外部，且外壁设有若干通气孔；出气管一端与环形管连通，另一端延伸至反应器本体的外部。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的含碳物质转化重整反应器，包括反应器本体，含碳物质在氧化段与自氧化剂分布器加入的氧化剂发生氧化反应，重整剂于氧化段上部加入，可与氧化反应产生的氧化气混合，调节该区域反应物的浓度，实现二次转化重整，从而改变反应产物，实现产品气组分可调可控，并提高时空产率；同时，重整剂作为外加制剂与氧化气混合，能够与上部的热解协同耦合，提高反应器上部区域热解反应效率，增加热解产物，尤其是产品气中高热值产物如CH4、C2H4、C2H6等烃类物质含量，提高产品气氢碳比。
2.本发明提供的含碳物质转化重整反应器中反应器本体包括大直径的重整转化段、小直径的氧化段以及连接于两者之间的混合扩散段，混合扩散段采用变径设计，其炉腔的横截面积从氧化段向重整转化段的方向逐渐增大，其结构能够使重整剂与氧化气组成的混合气体在上行过程中充分混合，速度能转变为压力能，进而使该区域的反应符合热力学特性，更接近平衡反应，强化二次重整效果，进一步保证了产品气组成的稳定性。
3.本发明含碳物质转化重整反应器中氧化剂由氧化剂分布器进入氧化段，与含碳物质接触，实现膨胀并与含碳物质产生剧烈氧化反应，反应产物无机残渣流入氧化段底部；氧化段底部呈阶梯状且倾斜，该结构根据本申请液态排渣特征设计，既使无机熔渣能够排出炉腔，还能与调温气流配合起到分级扰流的作用，使液化无机残渣进一步扰动，氧化反应得到强化，残碳进一步被氧化，提高时空转化率，并避免了无机残渣中的金属氧化物被还原。
4.本发明含碳物质转化重整反应器的含碳物质进料筒中设置有废液分布器，该废液分布器可将工业废液喷射被反应器本体的含碳物质吸附，并与上升气体进行热量交换，水分蒸发进入产品气对其增湿，废液中其他物质随含碳物质下移，逐步进入高温区，有机物参与重整转化反应，生成产品气，无机物进入氧化区经高温熔融后封存于无机残渣中，实现工业废液的无害化协同处理。
5.与产品气进行热量交换，水分产生的水蒸汽对产品气增湿，废液中的夹杂的杂质随含碳物质下移进入高温区，参与重整转化反应，产出产品气，无机物进入氧化区经高温熔融后封存了无机盐分，也实现了工业废液的无害化协同处理。
6.本发明含碳物质转化重整反应器的顶部设有气体导流器，该导流器能够均衡的将产品气自出气管排出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的一种实施方式中提供的含碳物质转化重整反应器的截面图；
图2为图1所示的含碳物质转化重整反应器的氧化段的俯视图；
图3为图1所示的含碳物质转化重整反应器的氧化段的截面图；
附图标记说明：
1－反应器本体；11－炉腔；12－氧化段；121－第一锥台腔；122－第二锥台腔；123－第三锥台腔；13－混合扩散段；14－重整转化段；15－进料筒；151－推流器；16－废液分布器；17－气体导流器；171－环形管；172－出气管；181－容器壁；182－耐火材料层；183－耐火砖层；184－膜式炉膛热回收器；185－气膜剂分布器；186－气膜隔热装置；2－氧化剂分布器；3－重整剂分布器；31－管状本体；32－进料组件；33－出料口；34－连接部；4－无机残渣温控及卸料系统；41－渣温调节器；42－无机残渣卸料器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种含碳物质转化重整反应器，包括：反应器本体1，其内部限定出炉腔11，所述炉腔11顶部设有含碳物质进口及产品气出口、底部设有调温气流入口及熔渣出口；所述反应器本体1从下至上依次包括氧化段12、混合扩散段13和重整转化段14；氧化剂分布器2，设于所述氧化段12，用于向所述炉腔11内输入氧化剂；重整剂分布器3，设于所述氧化段12，并位于所述氧化剂分布器2的上方，用于向所述炉腔11内输入重整剂。
上述含碳物质转化重整反应器中，含碳物质自反应器本体1的顶部进入炉腔11内，下行至氧化段12与自氧化剂分布器2加入的氧化剂发生氧化反应，形成膨胀床氧化区，反应产生氧化气和无机残渣，无机残渣自炉腔11底部排出，氧化气上行。重整剂分布器3于氧化剂分布器2的上方向炉腔11内通入重整剂，重整剂的作用为根据生产要求重新调整氧化气中相关组分的含量。不同种类的重整剂作用原理不同，可以直接与上行的氧化气混合，并流经混合扩散段13充分混合上行至重整转化段14依次发生重整反应、干馏反应，生成富含H2、CO、甲烷等组分的产品气，产品气最终自炉腔11顶部的产品气出口排出。
本实施例提供的含碳物质转换重整反应器，通过于氧化段12的上部向炉腔11内添加重整剂，对进入固定床反应区的混合气中的组分进行二次整合，从而能够根据生产需要调控产品气的组成，实现产品气组分可调可控，并提高装置的时空产率。同时，重整剂作为外加制剂与氧化气混合，提高反应器上部区域热解反应效率，增加热解产物，尤其是产品气中高热值产物如CH4、C2H4、C2H6等烃类物质含量，提高产品气氢碳比。
具体地，含碳物质可以为任意含碳物质，包括但不限于焦丁(石油焦、化工焦、兰炭)、无烟煤、烟煤、褐煤中的一种或多种。
本实施例中，所述混合扩散段13连接在所述氧化段12和所述重整转化段14之间，所述氧化段12的内径小于所述重整转化段14的内径，所述混合扩散段13处的炉腔11的横截面积从所述氧化段12向所述重整转化段14的方向逐渐增大。具体地，所述混合扩散段13处的炉腔11呈锥台状，所述混合扩散段13的内径从所述氧化段12向所述重整转化段14的方向逐渐增大。
上述含碳物质转化重整反应器中反应器本体1于混合扩散段13采用变径设计，该处炉腔11的横截面积从氧化段12向重整转化段14的方向逐渐增大，此结构能够使重整剂与氧化气组成的混合气体在上行过程中充分混合或反应，在上行过程中速度能转变为压力能，进而使该区域的反应更符合热力学特性，接近平衡反应，强化二次重整的效果，保证了产品气组成的稳定性。
具体的，重整转化段14的顶部可采用等径或缩径设计。在满足重整转化段14上部空间使用要求的同时，采用缩径设计，可有效降低该处封头制造难度及成本。
如图1和图2所示，本实施例中所述重整剂分布器3包括：管状本体31，设置在所述氧化段12上；进料组件32，与所述管状本体31连通，并位于所述反应器本体1的外部；至少两个出料口33，沿所述管状本体31的轴向分布，并与所述管状本体31连通，每个所述出料口33均延伸至所述炉腔11内。本实施例中进料组件32为进料接管，出料口33为出料喷嘴的输出端。
具体的，还包括连接部34，所述重整剂分布器3至少设有两个，本实施例中设有六个，六个所述重整剂分布器3的所述管状本体31通过所述连接部34依次连接成环状结构。
本实施例中，所述重整剂包括H2、H2O(g)、CO2、O2中的一种或多种。
反应器本体1为高温炉体，其炉腔11内温度自上而下逐渐增高，于氧化段12温度达到最高，大于1400℃。重整剂作为外加制剂，温度通常控制在25－475℃之间，与上行的氧化气混合后，能够降低混合气的温度，对炉腔11内壁进行保护，延长反应器内部构件的使用寿命；同时，混合气温度的降低还能够提高重整转化段14的热解反应效率，增加热解产物，尤其是产品气中高热值产物如CH4、C2H4、C2H6等烃类物质含量，提高产品气氢碳比。尤其是重整剂选用H2O(g)、CO2时，两者还可与下行的含碳物质发生吸热反应，与炉腔11中上部的热解协同耦合，吸收热解反应产生的热量，实现反应器本体1内热量的充分利用，增加热解产物；并且H2O(g)、CO2与含碳物质反应的产物也对烃类物质的产生起到正向促进作用。
如图1和图3所示，本实施例中所述氧化段12底部的炉腔11由三个共轴设置的锥台腔自上而下依次连接形成，且每个所述锥台腔的横截面积自上而下逐渐减小；所述熔渣出口及调温气流入口设于下方的锥台腔的底部。具体的，所述氧化剂分布器2设置在所述氧化段12的底部，并位于所述锥台腔的上方，所述氧化剂分布器2的输出端的输出方向朝所述锥台腔倾斜。具体的，所述氧化剂分布器2至少设有两个，并沿所述氧化段12的周向均匀分布；本实施例反应器中，氧化剂分布器2设有六个。
上述氧化段12底部炉腔11内壁整体呈阶梯状倒锥形结构，该结构根据本实施例反应器的液态排渣特征设计，氧化剂由氧化剂分布器2在压力能作用下高速进入该区域，与由上往下移动、处于软化态或液化态或液固混合态的含碳物质接触，氧化剂在行进过程中实现膨胀，并与含碳物质产生剧烈氧化反应，反应产物无机残渣被高温液化，并在自身重力作用下向熔渣出口处流动。无机残渣向下移动及排出的过程中，易夹杂残碳并还原出高粘度金属单质，造成热能损失及熔渣出口堵塞。调温气流入口用于向炉腔11内输送高温气流，防止无机残渣冷却，同时配合氧化段12底部的炉腔11设计，分级扰动该区域内的液化无机残渣，残碳进一步被氧化，并避免了金属氧化物还原。
具体的，所述氧化段12底部的锥台腔自上而下依次为第一锥台腔121、第二锥台腔122、第三锥台腔123；其中，第一锥台腔121的侧壁与反应器本体1中心轴线之间的夹角可为0－45°中任一角度，第二锥台腔122的侧壁与反应器本体1中心轴线之间的夹角可为40－90°中任一角度，第三锥台腔123的侧壁与反应器本体1中心轴线之间的夹角可为30－60°中任一角度。具体的，第一锥台腔121的侧壁的倾斜角度与氧化器分布器2的输出端的倾斜角度相同。
如图1所示，本实施例中所述重整转化段14的顶部设有含碳物质进料筒15，所述进料筒15的输出端连接有推流器151；所述进料筒15内设有废液分布器16；所述废液分布器16的输出端呈管状，并沿进料筒15的内壁环绕设置。
上述进料筒15及推流器151用于向炉腔11内输送含碳物质。废液分布器16可通入浓盐水、电池废液、医药废液、印染废液、含重金属污染物的液体、垃圾渗滤液、经膜处理后的浓液等不易处理的工业废液，利用含碳物质吸附工业废液并与上升气体进行热量交换，水分蒸发进入产品气对其增湿，废液中其他物质随含碳物质下移，逐步进入高温区，有机物参与重整转化反应，生成产品气，无机物进入氧化区经高温熔融后封存于无机残渣中，实现工业废液的无害化协同处理。
如图1所示，本实施例中所述重整转化段14的顶部还设有气体导流器17，所述气体导流器17包括环形管171及出气管172；环形管171套设在进料筒15的外部，且外壁设有若干通气孔；出气管172一端与环形管171连通，另一端延伸至反应器本体1的外部。具体的，出气管172设有两个，两个出气管172对称设于环形管171的两侧。
具体的，所述通气孔为条形孔，各条形孔的长轴线与反应器本体1的轴线垂直。导流器的作用为引导反应器本体1内气流按设定工况分布，对产品气进行降尘分离处理，保证产品气品质。
作为可变换的实施方式，也可以设一个出气管172，环形管171上的条形孔根据与出气管172的距离由远到近按3：2：1设置。
如图1所示，本实施例中还包括无机残渣温控及卸料系统4，无机残渣温控及卸料系统4位于反应器本体1底部，包括渣温调节器41和无机残渣卸料器42，渣温调节器41用于向调温气流入口输送高温的调温气流，对含碳物质转化重整产生的无机残渣进行保温，维持无机残渣流动性，间歇将无机残渣排出反应器本体1。
如图1所示，本实施例中反应器本体1的炉壁采用多层复合衬里，由外至里依次是容器壁181、耐火材料层182、耐火砖层183；其中，耐火砖材料层182设有两层，两层之间设有膜式炉膛热回收器184。具体的，所述混合扩散段13与氧化段12外设有气膜剂分布器185，所述混合扩散段13与氧化段12的炉腔内壁处铺设有气膜隔热装置186，所述气膜隔热装置186与气膜剂分布器185连通，形成径向压力梯度，使沿壁方向形成气膜热阻，保护耐火材料，延长反应器内部构件使用寿命，解决现有技术内部构件烧损频繁的问题。
需要补充的是，本实施例重整反应器的实际尺寸控制在以下范围内：反应器本体1的高径(外径)比为2－6.5；氧化段12的外径为1.7－5.9米，氧化段12的段高为2－9米；混合扩散段13的高度为2－4.6米，高径(外径)比为0.3－2.3；混合扩散段13的变径比(大内径/小内径)为1.05－3.75；重整转化段14的段高为3.5－6.5米，外径为4.0－6.5米。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，包括：
反应器本体(1)，其内部限定出炉腔(11)，所述炉腔(11)顶部设有含碳物质进口及产品气出口、底部设有调温气流入口及熔渣出口；所述反应器本体(1)从下至上依次包括氧化段(12)、混合扩散段(13)和重整转化段(14)；
氧化剂分布器(2)，设于所述氧化段(12)，用于向所述炉腔(11)内输入氧化剂；
重整剂分布器(3)，设于所述氧化段(12)，并位于所述氧化剂分布器(2)的上方，用于向所述炉腔(11)内输入重整剂。
2.根据权利要求1所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述混合扩散段(13)连接在所述氧化段(12)和所述重整转化段(14)之间，所述氧化段(12)的内径小于所述重整转化段(14)的内径，所述混合扩散段(13)处的炉腔(11)的横截面积从所述氧化段(12)向所述重整转化段(13)的方向逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述混合扩散段(13)处的炉腔(11)呈锥台状，所述混合扩散段(13)的内径从所述氧化段(12)向所述重整转化段(14)的方向逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述重整剂分布器(3)包括：
管状本体(31)，设置在所述氧化段(12)上；
进料组件(32)，与所述管状本体(31)连通，并位于所述反应器本体(1)的外部；
至少两个出料口(33)，沿所述管状本体(31)的轴向分布，并与所述管状本体(31)连通，每个所述出料口(33)均延伸至所述炉腔(11)内。
5.根据权利要求4所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，还包括连接部(34)，所述重整剂分布器(3)至少设有两个，至少两个所述重整剂分布器(3)的所述管状本体(31)通过所述连接部(34)依次连接成环状结构。
6.根据权利要求1－5中任一项所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述重整剂包括H2、H2O(g)、CO2、O2中的一种或多种。
7.根据权利要求1－5中任一项所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述氧化段(12)底部的炉腔(11)由三个共轴设置的锥台腔自上而下依次连接形成，且每个所述锥台腔的横截面积自上而下逐渐减小；所述熔渣出口及调温气流入口设于下方的锥台腔的底部。
8.根据权利要求7所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述氧化剂分布器(2)设置在所述氧化段(12)的底部，并位于所述锥台腔的上方，所述氧化剂分布器(2)的输出端的输出方向朝所述锥台腔倾斜。
9.根据权利要求1－5、8中任一项所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述重整转化段(14)的顶部设有含碳物质进料筒(15)，所述进料筒(15)内设有废液分布器(161)；所述废液分布器(161)的输出端呈管状，并沿进料筒(15)的内壁环绕设置。
10.根据权利要求9所述的一种含碳物质转化重整反应器，其特征在于，所述重整转化段(14)的顶部还设有气体导流器(17)，所述气体导流器(17)包括环形管(171)及出气管(172)；环形管(171)套设在进料筒(15)的外部，且外壁设有若干通气孔；出气管(172)一端与环形管(171)连通，另一端延伸至反应器本体(1)的外部。
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