CN201678646U - 一种用于含炭质材料气化的气化炉 - Google Patents
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Abstract
一种用于含炭质材料气化的气化炉。气化炉沿垂直方向从下至上依次为预流化段(2)、燃烧段(4)、气化段(6)、出口段(7)，所述燃烧段(4)的直径小于气化段(6)的直径，所述出口段(7)的直径小于等于气化段(6)的直径，在预流化段(2)设置进料口(3)，在燃烧段和气化段的结合处(5)设置进料口(8)。采用本实用新型提供的气化炉，能对含炭质材料的燃烧、气化、产物的二次反应进行优化控制，将快速燃烧反应与缓慢气化反应耦合，实现系统的自热平衡，并获得高产率的合成气。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气化炉，更具体地说，属于一种用于含炭质的固体材料气化制合成气或制氢的气化炉。
背景技术
随着世界范围内能源供需剧烈动荡，加之环保意识不断加强，清洁、高效、灵活的新型能源加工工艺日益受到青睐，例如重质油加氢技术不断受到重视。但是重油加氢氢耗大，始终是困扰加氢工艺大规模运行的问题之一，目前甲烷蒸汽裂解制氢、重油制氢、电解水制氢等技术，多存在成本较高的缺点。含炭质材料，包括粉煤、生物质、石油焦、生活垃圾等的气化工艺，具有清洁、高效的优点而成为研究的热点。
含炭质材料的气化炉作为一种典型的气固反应器，可根据炉内气化剂和原料的混合运动方式分为固定床(或称移动床)气化法、流化床气化法和气流床气化法。选择何种反应器气化炉取决于原料的物理性质如粒度、黏度，操作条件，设计的处理能力，碳的转化率和产物气的组成等因素或指标。一般来说，固定床气化法，停留时间长，反应温度较低，生产能力较小，而且对原料的性质，如黏性有要求。气流床气化法，对原料性质基本无限制，反应速度十分迅速，操作温度很高，因此对材质设备的要求也高。流化床气化法采用较低粒度的原料，对原料的适应性较强，反应速度快，生产能力较高，缺点是灰渣和飞灰中含碳量较高，飞灰的回收和循环存在技术问题。上述流化床气化炉和气流床气化炉，都存在气化产物二次反应难以控制的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于含炭质材料气化的气化炉。所要解决的是现有流化床气化炉和气流床气化炉中气化产物二次反应不易控制的技术问题。
本实用新型所提供的用于含炭质材料气化的气化炉，是一种组合型气化炉：气化炉沿垂直方向从下至上依次为预流化段2、燃烧段4、气化段6、出口段7，所述燃烧段4的直径小于气化段6的直径，所述出口段7的直径小于等于气化段6的直径，在预流化段2设置进料口3，在燃烧段和气化段的结合处5设置进料口8。
原料性质和气化剂通过化学反应平衡和化学反应速率相互关联，因此二者是设计气化炉的关键因素。通常采用的气化剂有纯氧、富氧空气、空气、水蒸汽、二氧化碳等。氧气与含炭质材料的反应，过程放热，化学平衡常数、反应速率最大，远大于水蒸汽、二氧化碳与含炭质材料的反应。此外，水蒸汽、二氧化碳为气化剂时，过程吸热，需要外供热能以维持其反应进行。采用氧气或含氧气体为气化剂可以选择较低的温度、较小的停留时间，而选择水蒸汽、二氧化碳等为气化剂，则需要较高的温度、较长的停留时间，最好还要添加催化剂。
含炭质材料和气化剂经预流化段2，进入燃烧段4。在燃烧段4采用湍流床或提升管输送的操作方式，含炭质材料颗粒在气化剂的作用下向上运动并加速。此外，含炭质材料可以在较短的停留时间内进行预干馏和富氧燃烧，使含炭质颗粒脱除挥发份，并快速提升到很高的温度，消耗掉大部分的氧气，产生相当数量的CO2气体，同时加热水蒸汽等稀释剂。燃烧段4的物流上升进入气化段6，由于气化段6内直径的增大，使含炭质材料固体颗粒和气化剂的流速得以降低，在气化段6的运动状态为鼓泡床或散式流化床。由于含炭质材料气化反应的速率远低于含炭质材料富氧燃烧反应，因此，采用直径扩大的气化段，能延长气化反应时间，提高气化产率。
此外，当需要提高气化段6的反应温度时，可以从进料口8注入含氧气体，以维持或提高气化段6反应温度，使得气化段6内水蒸汽、二氧化碳等与含炭质材料的气化反应速率提高、从而促进目的产物CO+H2的生成。当需要降气化段6的反应温度时，可以进料口8注入水蒸汽，以降低气化段6中气化剂的氧气含量。所述气化炉能将含炭质材料的快速燃烧反应与其缓慢气化反应耦合，并且再通过不同氧含量的气化剂分段进料，对含炭质材料的燃烧、气化、产物的二次反应进行优化控制，实现系统的自热平衡，并获得高产率的合成气。
所述气化炉还可用于同种或不同种原料的两段进料：较高碳含量、较多挥发份的含炭质材料从进料口3进入，在燃烧段4发生预干馏和富氧燃烧，在气化段6发生由水蒸汽、CO2参加的气化反应；而较低碳含量、较低挥发份的含炭质材料从进料口8进入，在气化段4发生反应。通过分段进料，起到了控制燃烧段和气化段的不同反应条件的作用，从而最大量地获得目的产物CO+H2。
所述含炭质材料的碳含量为1-100重量％，可以是不同成熟度的煤炭，石油焦，生物质如农业秸秆、制糖残渣，重油溶剂脱油后的沥青，水煤浆，炼厂有机废料，城市生活垃圾的一种或几种，还可以是石油催化裂化、加氢裂化、催化重整等工艺的积炭待生剂。
所述的气化器适用于现有类型的所有气化催化剂，例如碱金属、碱土金属，以及VIII族过渡金属如Fe、Co、Ni的碳酸盐、硫酸盐、氧化物、氯化物中的一种或几种的混合物。还可以是钙钛矿型、尖晶石型等含有碱金属、碱土金属、过渡金属(如Fe、Co、Ni、稀土金属等)的合成材料，以及天然矿石粉，如石灰石、白云石、橄榄石等。
所述的气化剂选自含氧气体、水蒸汽、二氧化碳中的一种或两种的混合气体。
所述的燃烧段4为1～6个中空圆柱形结构，燃烧段4的下方与等数量的中空圆柱形结构的预流化段2连接，燃烧段4的上方与一个中空圆柱形结构的气化段6连接。所述的燃烧段直径是指每个中空圆柱形结构的直径，所述的预流化段直径是指每个中空圆柱形结构的直径。当燃烧段4为2～6个中空圆柱形结构时，这些圆柱形结构是并列的，优选均匀对称分布。
所述的燃烧段4和气化段6结合部位为1～6个圆台形，其纵剖面等腰梯形的顶角α为30-80°。
所述的气化段6与出口段7结合部位为圆台形，其纵剖面等腰梯形的顶角β为45-90°。
所述气化炉的燃烧段与气化段的圆台形结合部位5，设置1-6个进料口8。
所述的预流化段2直径为0.2-5米，预流化段2的高度占气化炉总高度的3％-15％。
所述的燃烧段4直径与预流化段2直径相同，燃烧段4的高度占气化炉总高度的20％-40％。
所述的气化段6与燃烧段4的直径比为1.5-10.0∶1，气化段的高度占气化炉高度的40-70％。
所述的出口段7直径与燃烧段4的直径比为0.8-1.5∶1，其高度占反应器气化炉总高度的1-15％。
本实用新型的优点：
(1)采用本实用新型提供的气化炉，能对含炭质材料的燃烧、气化、产物的二次反应进行优化控制，将快速燃烧反应与缓慢气化反应耦合，实现系统的自热平衡，并获得高产率的合成气。
(2)结构简单，易于设计和建造。
(3)对原料性质要求不高，适应性广。该气化炉可以单独使用，或嵌入已有工艺过程中，例如，用于流化焦化、灵活焦化工艺的焦粉气化供热、造气过程，或者做为催化裂化再生器的一部分，将过剩炭质转化为高附加值化工原料。
附图说明
图1是本实用新型所提供的设有一个燃烧段的气化炉结构示意图。
图2是本实用新型所提供的设有三个燃烧段的气化炉结构示意图。
图3是图2的A-A处剖视图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的详细结构特点，但附图并不限制本实用新型。
如图1所示，气化炉沿垂直方向从下至上依次为预流化段2、燃烧段4、气化段6、出口段7。该气化炉设有一个燃烧段4，即燃烧段4为一个中空圆柱形结构，燃烧段4的下方直接与一个等直径的中空圆柱形结构的预流化段2连接，燃烧段4的上方与一个直径扩大的中空圆柱形结构的气化段6连接，所述的燃烧段4和气化段6结合部位为一个圆台形结构5，其纵剖面等腰梯形的顶角α为30-80°。气化段6的上方与一个直径缩小的中空圆柱形结构的出口段7连接。所述的气化段6与出口段7结合部位为圆台形结构9，其纵剖面等腰梯形的顶角β为45-85°。在预流化段2设置一个进料口3，在燃烧段和气化段的结合处5设置一个进料口8。
含氧量较高的气化剂经管线1从预流化段2的底部进入气化炉，含炭质材料经进料口3进入预流化段2，由气化剂携带向上运动并加速进入燃烧段4，在一定的条件下进行预干馏和富氧燃烧，提高含炭质原料和气化剂的温度，并产生新的气化剂CO2。燃烧段4的反应物流与来自进料口8的含氧量较低的气化剂或另外的含炭质原料混合后进入气化段6，进行气化反应。气化段6的反应产物经出口段7后，由管线10抽出。
如图2和图3所示，气化炉沿垂直方向从下至上依次为预流化段2、燃烧段4、气化段6、出口段7。该气化炉设有三个燃烧段4，即燃烧段4为三个并列等直径的中空圆柱形结构，燃烧段4的下方与三个同样并列等直径的中空圆柱形结构的预流化段2连接，燃烧段4的上方与一个直径扩大的中空圆柱形结构的气化段6连接，所述的燃烧段4和气化段6结合部位为一个圆台形结构5，其纵剖面等腰梯形的顶角α为30-80°。气化段6的上方与一个直径缩小的中空圆柱形结构的出口段7连接。所述的气化段6与出口段7结合部位为圆台形结构9，其纵剖面等腰梯形的顶角β为45-85°。在预流化段2设置三个进料口3，在燃烧段和气化段的结合处5设置三个进料口8。
下面用实施例来进一步说明本实用新型的效果，但是并不因此而限制本实用新型。
实施例
本实施例采用图1所示的气化炉，总体炉高为5.2米，燃烧段4和预流化段2直径为0.6米，预流化段2的高度占气化炉总高度的7％，燃烧段(4)的高度占气化炉总高度的35％。气化段6的直径为1.8米，气化段的高度占气化炉总高度的52％。出口段7直径为0.6米，其高度占反应器气化炉总高度的6％。
取粒径范围为10-200目(0.075-2.00mm)延迟焦化石油焦，在体积百分组成为O2∶H2O＝33∶67的气化剂携带下，经由预流化段2，进入燃烧段4，主要发生燃烧反应，使燃烧段4的上部温度达到870℃。取粒径范围为10-200目(0.075-2.00mm)延迟焦化石油焦，在体积百分组成为O2∶H2O＝7∶93的气化剂携带下，由位于燃烧段与气化段结合部位5的进料口8，进入气化段6，主要发生气化反应，出口段7的温度为780℃。收集产品气体，经色谱分析，目的产物(CO+H2)体积含量为65.3％，CO2体积含量为34.2％，CH4含量为0.5％。
Claims (9)
1.一种用于含炭质材料气化的气化炉，其特征在于，气化炉沿垂直方向从下至上依次为预流化段(2)、燃烧段(4)、气化段(6)、出口段(7)，所述燃烧段(4)的直径小于气化段(6)的直径，所述出口段(7)的直径小于等于气化段(6)的直径，在预流化段(2)设置进料口(3)，在燃烧段和气化段的结合处(5)设置进料口(8)。
2.按照权利要求1的气化炉，其特征在于，所述的燃烧段(4)为1～6个中空圆柱形结构，燃烧段(4)的下方与等数量的中空圆柱形结构的预流化段(2)连接，燃烧段(4)的上方与一个中空圆柱形结构的气化段(6)连接。
3.按照权利要求2的气化炉，其特征在于，所述的燃烧段(4)和气化段(6)结合部位为1～6个圆台形，其纵剖面等腰梯形的顶角α为30-80°。
4.按照权利要求1或2的气化炉，其特征在于，所述的气化段(6)与出口段(7)结合部位为圆台形，其纵剖面等腰梯形的顶角β为45-90°。
5.按照权利要求1或2的气化炉，其特征在于，所述气化炉的燃烧段与气化段的圆台形结合部位(5)，设置1-6个进料口(8)。
6.按照权利要求1的气化炉，其特征在于，所述的预流化段(2)直径为0.2-5米，预流化段(2)的高度占气化炉总高度的3％-15％。
7.按照权利要求1的气化炉，其特征在于，所述的燃烧段(4)直径与预流化段(2)直径相同，燃烧段(4)的高度占气化炉总高度的20％-40％。
8.按照权利要求1的气化炉，其特征在于所述的气化段(6)与燃烧段(4)的直径比为1.5-10.0∶1，气化段的高度占气化炉高度的40％-70％。
9.按照权利要求1的气化炉，其特征在于所述的出口段(7)直径与燃烧段(4)的直径比为0.8-1.5∶1，其高度占反应器气化炉总高度的1％-15％。
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|---|---|---|---|---|
| CN107338074A (zh) * | 2017-01-25 | 2017-11-10 | 广东国能中林实业有限公司 | 一种制备高热值生物质燃气的流化床气化系统及其应用 |
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