CN116478732A - 一种太阳能驱动煤气化的反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能驱动煤气化的反应装置，反应装置在上吸式管式固定床反应器的给碳管的外侧套装防反流管，防反流管的出口低于给碳管的出口和抽吸管的入口，防反流管的入口连接氮气源，氮气通过防反流管通入反应器的内部，并且使得给碳管的出口附近的气压大于防反流管的出口附近的气压。生产合成气时，向防反流管的入口输入氮气以使得给碳管的出口附近的气压高于防反流管内部的其他位置，气体只能通过防反流管的入口流向防反流管的出口，从而避免合成气反流到给碳管的内部，同时，防反流管的出口低于抽吸管的入口，还能避免合成气将碳粉夹带出反应器。
Description
技术领域
本发明涉及低阶煤气化领域，具体涉及一种太阳能驱动煤气化的反应装置。
背景技术
太阳能驱动煤气化反应器是一种将太阳能转换为热能的设备，利用太阳能作为能量来源，低阶煤或者生物质等作为碳质原料，通过太阳能热化学转化过程生产清洁的化学燃料，可以将来自太阳能的集中辐射转化为热能，进而转化为化学能源。
现有技术中的上吸式管式固定床反应器能够提供良好的热效率，煤粉颗粒从反应器顶部通入，水蒸气从反应器底部通入，可以利用高温合成气对煤粉颗粒进行预热，提高热解温度和速度，以促进后续的气化反应，同时，合成气和煤粉颗粒的对流运动增加反应器内的气流扰动，延长了颗粒在热解和气化过程中的停留时间。
上吸式管式固定床反应器的缺陷是给煤器从反应器顶部通入煤粉，合成气从反应器顶部抽出，导致煤粉容易被合成气夹带出反应器。为了解决这个问题，现有技术将给煤器的出口设置在低于合成气的出口的位置，但是这又造成了合成气容易反流到给煤器内部的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能驱动煤气化的反应装置，以解决上吸式管式固定床反应器的给煤器的出口与合成气的出口距离太近，导致煤粉容易被合成气夹带出反应器，或者合成气容易反流到给煤器内部的问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种太阳能驱动煤气化的反应装置，包括：反应器、氮气源、水蒸气源、给碳器和气泵；所述反应器的顶部连接给碳管、抽吸管和防反流管；所述给碳管竖直设置并且贯通所述反应器的顶部，所述给碳器的输出端连接所述给碳管并且通过所述给碳管向所述反应器的内部输出碳粉；所述防反流管套装在所述给碳管的外侧，所述防反流管的出口低于所述给碳管的出口和所述抽吸管的入口，所述防反流管的入口连接所述氮气源，氮气通过所述防反流管通入所述反应器的内部，并且使得所述给碳管的出口附近的气压大于所述防反流管的出口附近的气压；所述抽吸管连接所述气泵，所述气泵用于在所述防反流管的外壁和所述反应器的内壁之间形成负压以使得合成气通过所述抽吸管排出；所述反应器的底部连接所述氮气源和所述水蒸气源，氮气和水蒸气混合后在所述反应器的内部上升；所述反应器的中部接收太阳能的加热以形成气化区，下落的碳粉和上升的水蒸气在所述气化区通过煤气化反应生成合成气。
进一步地，所述反应器的内部安装有多孔件，所述多孔件设置在所述气化区以形成固定床。
进一步地，所述多孔件是碳化硅网状多孔陶瓷。
进一步地，所述防反流管包括第一管身、连接部和第二管身；所述第一管身同轴套装在所述给碳管的外侧，所述连接部连接所述第一管身和所述第二管身，所述第一管身和所述第二管身之间具有夹角以使得所述第二管身朝向远离所述给碳管的方向延伸，所述第二管身连接所述氮气源，所述连接部与所述给碳管之间形成环形的射流腔室，所述射流腔室连通所述第一管身与所述给碳管之间的缝隙。
进一步地，所述给碳管的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝外延伸的扩张部，所述扩张部的出口的边缘与所述防反流管的内壁之间形成狭缝。
进一步地，所述扩张部的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝内延伸的收缩部，所述扩张部的外壁和所述收缩部的外壁圆滑过渡。
进一步地，所述防反流管与所述反应器之间安装有螺旋叶片，所述螺旋叶片将所述防反流管的外壁与所述反应器的内壁之间的圆筒形状的空腔分隔成螺旋形状的旋流腔室。
进一步地，所述反应器上安装有吹扫管，所述吹扫管的一端贯穿所述反应器并且沿着所述旋流腔室的切向方向连接至所述旋流腔室的内部，所述吹扫管的另一端通过阀连接所述氮气源，所述氮气源用于通过间歇性开启的阀在所述旋流腔室的内部形成流向所述反应器内部的气流。
进一步地，所述吹扫管的横截面是矩形的，所述吹扫管的内壁包括顶壁、底壁、第一侧壁和第二侧壁，在所述吹扫管的出口处，所述顶壁、所述底壁和所述第一侧壁均与所述旋流腔室的内壁相切，所述第二侧壁位于所述旋流腔室的中间。
进一步地，所述反应器是竖直设置的镍基合金反应管，所述反应器的外侧包裹有保温层，所述保温层的侧面设置有锥形入光孔；所述氮气源包括氮气瓶和质量流量控制器，所述氮气瓶通过两个所述质量流量控制器分别连接所述防反流管的入口和所述反应器的底部；所述水蒸气源包括顺序连接的水箱、水泵和水蒸气发生器；所述气泵和所述抽吸管之间通过风冷机连接。
本申请与现有技术相比较具有如下有益效果：
提供一种太阳能驱动煤气化的反应装置，生产合成气时，向防反流管的入口输入氮气以使得给碳管的出口附近的气压高于防反流管内部的其他位置，气体只能通过防反流管的入口流向防反流管的出口，从而避免合成气反流到给碳管的内部，同时，防反流管的出口低于抽吸管的入口，还能避免合成气将碳粉夹带出反应器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例1的系统结构简图；
图2为本发明实施例2的反应器的一个视角的视图，及其局部结构的放大图；
图3为图2的A-A方向的剖视图；
图4为图3的C处的局部放大图；
图5为图2的B-B方向的立体剖视图，及其局部结构的放大图；
图中的标号分别表示如下：
1-反应器；11-给碳管；111-扩张部；112-收缩部；12-抽吸管；13-气化区；14-多孔件；15-保温层；151-锥形入光孔；2-防反流管；21-第一管身；22-连接部；221-射流腔室；23-第二管身；24-狭缝；25-螺旋叶片；26-旋流腔室；3-吹扫管；31-顶壁；32-底壁；33-第一侧壁；34-第二侧壁；42-氮气瓶；43-质量流量控制器；44-水箱；45-水泵；46-水蒸气发生器；47-气泵；48-风冷机；49-太阳能模拟器。
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。
请参照图1所示的实施例1。
一种太阳能驱动煤气化的反应装置，包括：反应器1、氮气源、水蒸气源、给碳器和气泵47；
反应器1的顶部连接给碳管11、抽吸管12和防反流管2；
给碳管11竖直设置并且贯通反应器1的顶部，给碳器的输出端连接给碳管11并且通过给碳管11向反应器1的内部输出碳粉；
防反流管2套装在给碳管11的外侧，防反流管2的出口低于给碳管11的出口和抽吸管12的入口，防反流管2的入口连接氮气源，氮气通过防反流管2通入反应器1的内部，并且使得给碳管11的出口附近的气压大于防反流管2的出口附近的气压；
抽吸管12连接气泵47，气泵47用于在防反流管2的外壁和反应器1的内壁之间形成负压以使得合成气通过抽吸管12排出；
反应器1的底部连接氮气源和水蒸气源，氮气和水蒸气混合后在反应器1的内部上升；
反应器1的中部接收太阳能的加热以形成气化区13，下落的碳粉和上升的水蒸气在气化区13通过煤气化反应生成合成气。
图1未出示，通常采用螺旋送料机，螺旋送料机通过循环水冷装置冷却，以避免反应管的高度损坏。
太阳能通过太阳能模拟器49发出，太阳能模拟器49采用12个7kW独立控制的短弧氙灯。
反应器1采用镍基合金反应管，反应器1的外侧包裹有保温层15，保温层15的侧面设置有锥形入光孔151。
氮气源包括氮气瓶42和质量流量控制器43，氮气瓶42通过两个质量流量控制器43分别连接防反流管2的入口和反应器1的底部。
水蒸气源包括顺序连接的水箱44、水泵45和水蒸气发生器46。
通入到反应器1底部的氮气作为保护气体，起到稀释合成气的作用，并且作为示踪气体，可用于计算合成气的流量。
合成气通常包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氢气，由于相关技术还在研发阶段，尚未投产，因此合成气经过风冷机48的冷却和冷凝之后通入气体分析仪进行分析，然后直接排放、无需分类收集。
实施例1的试验流程是：
步骤一：
在反应器1内部形成气体保护氛围：氮气源向反应器1的底部通入氮气，检查装置气密性；
预热反应器1：打开气泵47，通过抽吸管12从反应管的顶部排出反应器1内部的气体，反应器1内部的空气排除干净之后，打开太阳能模拟器49，等待反应器1内部升温；
在反应器1内部形成煤气化反应氛围：水蒸气源向反应器1的底部通入水蒸气，从而在多孔件14的内部和上方形成气化区13；
在给碳管11的出口形成正压区：氮气源以2L/min的流量向防反流管2的入口通入氮气，氮气聚集在防反流管2的上方，以使得防反流管2上方的气体压力大于防反流管2的下方，气流难以反流到给碳管11的内部；
步骤二：
稳态加热阶段：在气化区13温度稳定的情况下，以预设的质量速率通入煤粉，煤粉颗粒到达气化区13，观察气化区13的温度，当气化区13的温度明显下降时调节太阳能模拟器49的功率，使气化区13温度稳定在目标温度；
合成气产出阶段：气泵47以预设的流速抽出反应器1内部的合成气，合成气经过风冷机48的冷凝和冷却之后排出或者收集。
使用气体分析仪对合成气进行分析之前，先将气体输送到气体净化装置进行预处理，该装置由起泡器，活性炭以及筒式焦油过滤器组成，进行合成气的除灰、干燥和除焦油，保证结果的准确性以及避免损坏在线气体分析仪，剩余的气体排出或者收集。
气化区13安装有多孔件14，多孔件14采用碳化硅网状多孔陶瓷。
多孔件14放置在气化区13，多孔件14采用刚玉管支架支撑以形成固定床，固定床用于减缓煤粉颗粒的下落速度，增加煤粉的停留时间，增强反应区的径向换热。
进一步地，防反流管2需要尽可能地以少量的氮气阻止气流反流到给碳管11中，还需要避免在给碳管11的底部产生强烈的紊流，以避免从给碳管11的出口落下的碳粉附着在防反流管2的内壁。
防反流管2包括第一管身21、连接部22和第二管身23；
第一管身21同轴套装在给碳管11的外侧，连接部22连接第一管身21和第二管身23，第一管身21和第二管身23之间具有夹角以使得第二管身23朝向远离给碳管11的方向延伸，第二管身23连接氮气源，连接部22与给碳管11之间形成环形的射流腔室221，射流腔室221连通第一管身21与给碳管11之间的缝隙。
第一管身21与反应器1通过法兰连接，连接部22与给碳管11焊接，给碳管11与的输出端通过螺纹连接，氮气通过第二管身23通入到射流腔室221的内部，然后沿着第一管身21与给碳管11之间的圆筒形状空隙输出，以使得氮气沿着第一管身21的内壁流动，并且逐渐地扩散到第一管身21的中心，碳粉被氮气包围在其中，从而避免碳粉附着在第一管身21的内壁。
进一步地，通过防反流管2通入反应器1的氮气的流量较少，难以形成吹扫防反流管2内部的风刀，为了解决这个问题。
给碳管11的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝外延伸的扩张部111，扩张部111的出口的边缘与防反流管2的内壁之间形成狭缝24。
氮气通过狭缝24时的流速加快，以更好地清理防反流管2的内壁上附着的碳粉。
进一步地，扩张部111的出口的边缘较为尖锐，些许的形变和不规则的凹凸会使得氮气在此处产生紊流，进而导致用于阻止合成气反流到给碳管11内部的氮气自身反流到给碳管11的内部，为了解决这个问题。
扩张部111的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝内延伸的收缩部112，扩张部111的外壁和收缩部112的外壁圆滑过渡。
收缩部112用于在扩张部111的出口的边缘形成圆滑的环形弧面，以减少氮气直接通过狭缝24时产生的紊流。
另一方面，由于反应管和给碳管11的直径都是标准化的、难以修改，而增加的防反流管2进一步地压缩了反应管的内部空间，导致防反流管2的外壁和反应管的内壁之间也形成了能够加快合成气流速的狭窄缝隙，从而导致碳粉更容易地被合成气夹带到抽吸管12的内部。
为了解决上述技术问题，请参照图2-4所示的实施例2：
防反流管2与反应器1之间安装有螺旋叶片25，螺旋叶片25将防反流管2的外壁与反应器1的内壁之间的圆筒形状的空腔分隔成螺旋形状的旋流腔室26。
合成气夹带着碳粉进入螺旋形状的空腔中执行螺旋运动，在此过程中，碳粉和合成气摩擦反应器1的内壁，合成气通过螺旋形状的空腔继续流动并且最终通过抽吸管12排出，碳粉则附着在反应器1的内壁停止移动。
具体的，螺旋叶片25与防反流管2是一体件。
进一步地，通过旋风分离器的原理阻止碳粉移动至抽吸管12中，在短期的试验中是可行的，但是在长期生产合成气的过程中，碳粉最终会堵塞螺旋形状的空腔。
为了解决上述技术问题。
反应器1上安装有吹扫管3，吹扫管3的一端贯穿反应器1并且沿着旋流腔室26的切向方向连接至旋流腔室26的内部，吹扫管3的另一端通过阀连接氮气源，氮气源用于通过间歇性开启的阀在旋流腔室26的内部形成流向反应器1内部的气流。
图中未出示阀，阀是常闭的并且间歇性地开启，以使得氮气源在旋流腔室26的内部形成间歇性的吹扫气流，吹扫气流沿着合成气的旋流方向的反方向吹扫至反应器1的内部，从而将旋流腔室26的内壁上附着的碳粉吹扫至反应器1的内部。
优选地：
吹扫管3的横截面是矩形的，吹扫管3的内壁包括顶壁31、底壁32、第一侧壁33和第二侧壁34，在吹扫管3的出口处，顶壁31、底壁32和第一侧壁33均与旋流腔室26的内壁相切，第二侧壁34位于旋流腔室26的中间。
通过吹扫管3吹出的气流沿着旋流腔室26的外侧流动，以吹扫附着在反应器1的内壁的碳粉，此时合成气依然可以沿着旋流腔室26的内侧流动。
实施例2的试验流程与实施例1的试验流程的区别在于：在步骤二中增加吹扫步骤。
吹扫阶段：每隔一段时间，开启阀，通过氮气源向旋流腔室26的内部输出吹扫气流，以清理旋流腔室26的内壁上附着的碳粉，通入防反流管2和吹扫管3的氮气的总流量为2L/min。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为本发明实施例的落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
包括：反应器(1)、氮气源、水蒸气源、给碳器和气泵(47)；
所述反应器(1)的顶部连接给碳管(11)、抽吸管(12)和防反流管(2)；
所述给碳管(11)竖直设置并且贯通所述反应器(1)的顶部，所述给碳器(41)的输出端连接所述给碳管(11)并且通过所述给碳管(11)向所述反应器(1)的内部输出碳粉；
所述防反流管(2)套装在所述给碳管(11)的外侧，所述防反流管(2)的出口低于所述给碳管(11)的出口和所述抽吸管(12)的入口，所述防反流管(2)的入口连接所述氮气源，氮气通过所述防反流管(2)通入所述反应器(1)的内部，并且使得所述给碳管(11)的出口附近的气压大于所述防反流管(2)的出口附近的气压；
所述抽吸管(12)连接所述气泵(47)，所述气泵(47)用于在所述防反流管(2)的外壁和所述反应器(1)的内壁之间形成负压以使得合成气通过所述抽吸管(12)排出；
所述反应器(1)的底部连接所述氮气源和所述水蒸气源，氮气和水蒸气混合后在所述反应器(1)的内部上升；
所述反应器(1)的中部接收太阳能的加热以形成气化区(13)，下落的碳粉和上升的水蒸气在所述气化区(13)通过煤气化反应生成合成气。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述反应器(1)的内部安装有多孔件(14)，所述多孔件(14)设置在所述气化区(13)以形成固定床。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述多孔件(14)是碳化硅网状多孔陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述防反流管(2)包括第一管身(21)、连接部(22)和第二管身(23)；
所述第一管身(21)同轴套装在所述给碳管(11)的外侧，所述连接部(22)连接所述第一管身(21)和所述第二管身(23)，所述第一管身(21)和所述第二管身(23)之间具有夹角以使得所述第二管身(23)朝向远离所述给碳管(11)的方向延伸，所述第二管身(23)连接所述氮气源，所述连接部(22)与所述给碳管(11)之间形成环形的射流腔室(221)，所述射流腔室(221)连通所述第一管身(21)与所述给碳管(11)之间的缝隙。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述给碳管(11)的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝外延伸的扩张部(111)，所述扩张部(111)的出口的边缘与所述防反流管(2)的内壁之间形成狭缝(24)。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述扩张部(111)的出口形成有轴向向外延伸并且径向朝内延伸的收缩部(112)，所述扩张部(111)的外壁和所述收缩部(112)的外壁圆滑过渡。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述防反流管(2)与所述反应器(1)之间安装有螺旋叶片(25)，所述螺旋叶片(25)将所述防反流管(2)的外壁与所述反应器(1)的内壁之间的圆筒形状的空腔分隔成螺旋形状的旋流腔室(26)。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述反应器(1)上安装有吹扫管(3)，所述吹扫管(3)的一端贯穿所述反应器(1)并且沿着所述旋流腔室(26)的切向方向连接至所述旋流腔室(26)的内部，所述吹扫管(3)的另一端通过阀连接所述氮气源，所述氮气源用于通过间歇性开启的阀在所述旋流腔室(26)的内部形成流向所述反应器(1)内部的气流。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述吹扫管(3)的横截面是矩形的，所述吹扫管(3)的内壁包括顶壁(31)、底壁(32)、第一侧壁(33)和第二侧壁(34)，在所述吹扫管(3)的出口处，所述顶壁(31)、所述底壁(32)和所述第一侧壁(33)均与所述旋流腔室(26)的内壁相切，所述第二侧壁(34)位于所述旋流腔室(26)的中间。
10.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动煤气化的反应装置，其特征在于，
所述反应器(1)是竖直设置的镍基合金反应管，所述反应器(1)的外侧包裹有保温层(15)，所述保温层(15)的侧面设置有锥形入光孔(151)；
所述氮气源包括氮气瓶(42)和质量流量控制器(43)，所述氮气瓶(42)通过两个所述质量流量控制器(43)分别连接所述防反流管(2)的入口和所述反应器(1)的底部；
所述水蒸气源包括顺序连接的水箱(44)、水泵(45)和水蒸气发生器(46)；
所述气泵(47)和所述抽吸管(12)之间通过风冷机(48)连接。
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