CN204569848U - 一种可控的高温高压下落床气化装置 - Google Patents
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Abstract
一种可控的高温高压下落床气化装置，它包括进料系统、下落床炉体(2)，所述进料系统包括固体物料加压输送装置(1)、进气系统和进水系统，所述的下落床炉体(2)为一筒体结构。本实用新型具有可控制的进行1400-1600℃、0.1-3.0MPa的高温高压试验的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于一种可控的高温高压下落床气化装置。
背景技术
下落床是研究煤等含碳固体燃料反应过程的重要动力学实验装置，开发高温高压下落床进行高温、高压、高升温速率气化动力学研究，已成为必不可少的研究环节。
下落床(Drop Tube Furnace, DTF)中的固体反应物依靠气流夹带进入反应器。下落床装置具有升温快速、气化温度接近工业条件、样品分散程度好等优点。国内浙江大学、清华大学目前国内的滴管炉装置均为常压设计，最高操作温度在1400℃左右。但高温高压下落床已成为发展的方向，国外于上世纪90年代以后所研制的滴管炉基本都是高温高压下落床，典型的是日本京都大学。目前，给料器作为DTF 的重要组成部分，准确、实时、适量地向滴管炉内输送煤粉的问题仍未能得到很好的解决。
专利CN102564129A（一种可控制调节滴管炉装置及使用方法）公开了一种可控制调节燃料和助燃剂变化量的滴流床装置及使用方法，其在下落床内插入两个或多个可以在炉内上下移动的进料通道，分别为燃料进料通道和助燃剂进料通道，通道的出口设计为喷头结构，通过进料通道在炉内的上下自由移动和调节通道内的物质的量，控制调节炉内产物的生成量及浓度变化。专利CN101954263A（制备间苯二甲胺的滴流床设备）公开了一种制备间苯二甲胺的滴流床设备，其滴流床设计了原料进料口，进料口与将气、液原料混合后送入进料口的气液混合器连接，使气体和液体在进入分布器前就可以充分混合，改善了滴流床内部的气液分布状况，提高间苯二甲胺的摩尔收率。这两个专利公开了有关滴流床（下落床）应用于燃烧和产品制备方面的研究，但均未涉及加压条件下的滴流床设计，对加压下的给料器精准定量给料未做研究。下落床应用于气化，又与应用于燃烧和产品制备研究有较大的差异，气化研究涉及水蒸气、二氧化碳等特殊的反应气氛的进料，并对高温高压的反应条件有着更严格的要求，这两方面决定了气化研究对下落床的结构设计有特殊的要求，目前未见有涉及下落床在煤气化高温高压下的应用的报道。
发明内容
针对以上问题，本实用新型目的在于提供一种可控制调节高温高压下落床装置。
本实用新型的下落床装置，它包括进料系统、下落床炉体，其特征在于所述进料系统包括固体物料加压输送装置、进气系统和进水系统，固体物料加压输送装置包括料仓，垂直搅拌螺旋，无轴水平输送螺旋，金属振动杆，出料仓，电机，支架，吹送气入口，料仓内有垂直搅拌螺旋，料仓底端是下料口，下料口与下面无轴水平输送螺旋连接，料仓顶端为进料口，垂直搅拌螺旋由电机驱动，无轴水平输送螺旋的一端连接电机，另一端是出料仓，无轴水平输送螺旋底部固定有支架，出料仓的上部有吹送气入口，底部有出料管，出料管从炉体进料口进入内刚玉管内；进气系统包括质量流量计、双柱塞蠕动泵、混合器、预热器，进气系统的气体线路分为三路，一路经混合器混合后与固体物料加压输送装置中吹送气入口连接；另一路经混合器混合，再进入预热器预热后与下落床炉体中是反应气入口连接；第三路平衡氮气与下落床炉体中的平衡氮气入口相连；进水系统是水经双柱塞蠕动泵进入预热器预热后与下落床炉体的反应气入口连接；
所述的下落床炉体为一筒体结构，带水冷夹套的金属炉壳内壁有耐火隔热材料，带水冷夹套的金属炉壳中央有外刚玉管和内刚玉管，冷却水进口和冷却水出口分别位于带水冷夹套的金属炉壳的上下两侧，外刚玉管和内刚玉管的顶端高出带水冷夹套的金属炉壳的顶端，外层刚玉管的底端位于带水冷夹套的金属炉壳的底端，内层刚玉管的底端高于带水冷夹套的金属炉壳的底端，在外层刚玉管与耐火隔热材料之间有硅钼棒，在位于外层刚玉管与耐火隔热材料之间的带水冷夹套的金属炉壳底端有平衡N2入口，外刚玉管和内刚玉管的上部有反应气体入口，外刚玉管和内刚玉管的顶端是进料口，上取样管从带水冷夹套的金属炉壳底端的固体取样口进入内刚玉管内，固体取样盒位于上取样管和下取样管之间。
如上所述的上取样管的顶端是一圆锥形。
如上所述的无轴水平输送螺旋是无轴水平输送螺旋，其无中心轴干扰，对于输送带状、易缠绕物料有特殊的优越性。在无轴螺旋中空部分有一根金属振动杆，金属振动杆一端与无轴螺旋顶部的推力轴承连接，另一端为自由端。
如上所述的固体取样盒中间装有过滤元件，用以收集下落床反应后得物料。下取样管与分析仪器GC-MS 连接，反应尾气与固体物料采样系统共用同一管路，固体物料在固体取样盒内过滤收集后，经过滤的气体送至GC-MS分析。
所述的下落床炉体设计遵循“高温部分不承压，高压部分不承温”的原则。金属炉壳采用高强度的耐压壳体钢板制成。
所述的无轴水平输送螺旋的给料速率达到0.1-5g/min。
所述的加热元件硅钼棒采用“井”子排列多层错排在外层刚玉管周围，并对耐火保温材料进行嵌套处理，设计了高温高压下落床的炉体结构，可进行0.1-4.0MPa的高温高压试验。
本实用新型装置可用于含碳物料的气化，含碳物料包括煤焦、生物质焦、石油焦等，气体物料包括水蒸气、二氧化碳、氮气、氧气等。
本实用新型的优点是：
（1）采用无轴螺旋优化了高温高压进料器，并在无轴螺旋中心的空心处插入一根金属振动杆，防止物料团聚堆积，给料速率达到0.1-5g/min，解决高温高压下精准给料的难题。
（2）通过在刚玉管内外侧顶部管道贯通实现反应管内外压力平衡，对加热元件硅钼棒采用“井”子排列多层错排在刚玉管周遭，并对耐火保温材料进行嵌套处理，设计了高温高压下落床的炉体结构，可进行1400-1600℃、0.1-3.0MPa的高温高压试验，解决同时满足高温高压气化的难题。
（3）在下落床设计了特殊的进料通道，物料进料通道通过出料管进入，进料通道在炉内的上下自由移动，进料通道周围都设有冷却通道，冷却通道内通入冷却水作为冷却介质。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是给料装置结构示意图。
图3是下落床炉体结构示意图。
如图所示，1是给料装置，2是下落床炉体，3是质量流量计，4是柱塞蠕动泵，5是混合器，6是预热器，7是分析仪器(GC-MS)，101是料仓，102是搅拌螺旋，103是无轴水平输送螺旋，104是金属振动杆，105是出料口，106、107是电机，108是支架，109是吹送气入口，201是密封法兰，202是带水冷夹套的金属炉壳，203是隔热耐火材料，204是硅钼棒，205是刚玉外管，206是刚玉内管，207是平衡N2入口，208是冷却水入口，209是冷却水出口，210是反应气入口，211是热电偶，212是上取样管，213是固体取样盒，214是下取样管，215是炉顶进料口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实用新型的下落床装置，它包括进料系统、下落床炉体2，其特征在于所述进料系统包括固体物料加压输送装置1、进气系统和进水系统，固体物料加压输送装置1包括料仓101，垂直搅拌螺旋102，无轴水平输送螺旋103，出料仓105，电机106、107，支架108，吹送气入口109，料仓101内有垂直搅拌螺旋102，料仓101底端是出料口，出料口与下面无轴水平输送螺旋103连接，料仓101顶端为进料口，垂直搅拌螺旋102由电机107驱动，无轴水平输送螺旋103的一端连接电机106，另一端是出料仓105，无轴水平输送螺旋103底部固定有支架108，出料仓105的上部有吹送气入口109，出料仓105底部的出料管从进料口215进入内刚玉管206内；进气系统包括质量流量计3、双柱塞蠕动泵4、混合器5、预热器6，进气系统的气体线路分为三路，一路经混合器5混合后与固体物料加压输送装置1中吹送气入口109连接；另一路经混合器5混合，再进入预热器6预热后与下落床炉体2中是反应气入口210连接；第三路平衡氮气与炉体2中的平衡氮气入口207相连。进水系统是水经双柱塞蠕动泵4进入预热器6预热后与下落床炉体2中是反应气入口210连接。
所述的下落床炉体2为一筒体结构，带水冷夹套的金属炉壳202内壁有耐火隔热材料203，带水冷夹套的金属炉壳201中央有外刚玉管205和内刚玉管206，外刚玉管205和内刚玉管206的顶端高出带水冷夹套的金属炉壳202的顶端，外层刚玉管205的底端位于带水冷夹套的金属炉壳202的底端，内层刚玉管206的底端高于带水冷夹套的金属炉壳202的底端，在外层刚玉管205与耐火隔热材料203之间有硅钼棒204，在位于内层刚玉管206内的带水冷夹套的金属炉壳202底端有测温热电偶入口，在位于外层刚玉管205与耐火隔热材料203之间的带水冷夹套的金属炉壳202底端有平衡N2入口207，外刚玉管205和内刚玉管206的上部有反应气体入口210，外刚玉管205和内刚玉管206的顶端是进料口215，上取样管212从带水冷夹套的金属炉壳202底端的固体取样口进入内刚玉管206内，固体取样盒213位于上取样管212和下取样管214之间。
如上所述的上取样管212的顶端是一圆锥形。
如上所述的固体取样盒213中间装有过滤元件，用以收集下落床反应后得物料。下取样管214与分析仪器GC-MS 7连接，反应尾气与固体物料采样系统共用同一管路，固体物料在固体取样盒213内过滤收集后，经过滤的气体送至GC-MS7分析。
所述带水冷夹套的金属炉壳202采用高强度的耐压壳体钢板制成。
所述的无轴水平输送螺旋103的给料速率达到0.1-5g/min。
所述的加热元件硅钼棒204采用“井”子排列多层错排在外层刚玉管205周围，并对耐火保温材料进行嵌套处理，设计了高温高压下落床的炉体结构，可进行0.1-4.0MPa的高温高压试验。
反应气（N2、CO2、O2）经质量流量计3精准计量后进入混合器5，在混合器内经过充分混合后，进入预热器6，预热至400~500℃，一部分作为一次风从吹送气入口109进入出料仓105，另一部分作为二次风从反应气体入口210进入内刚玉管206。水经过双柱塞蠕动泵4计量并精准控制，进入预热器6，产生水蒸气作为反应气进入内刚玉管206。预先经过筛选至合理粒径（200-300目）的含碳物料（煤、生物质、石油焦）等通过固体物料加压输送装置1，在一次风夹带下进入内刚玉管206。内刚玉管206内插有一根铂铑热电偶，通过温控仪控制反应管温度达到1400-1600℃，通入反应物料。固体取样盒213用以收集反应后的固体物料，固体取样盒213中设置过滤装置，实现尾气的气固相分离，从而获得物料在气化不同阶段的反应情况。反应后的气体物料通入在线气质连用GC-MS进行分析，可以测得气化产气中的CO、H2、CH4、CO2、O2的含量，进而确定反应进程。
水平无轴螺旋103中空部分有一根金属振动杆104，金属振动杆104一端与无轴螺旋顶部的推力轴承连接，另一端为自由端，由电机106驱动无轴螺旋使物料输送至出料仓105。
Claims (8)
1.一种可控的高温高压下落床气化装置，它包括进料系统、下落床炉体(2)，其特征在于所述进料系统包括固体物料加压输送装置(1)、进气系统和进水系统，固体物料加压输送装置(1)包括料仓(101)，垂直搅拌螺旋(102)，无轴水平输送螺旋(103)，出料仓(105)，电机(106、107)，支架(108)，吹送气入口(109)，料仓(101)内有垂直搅拌螺旋(102)，料仓(101)底端是出料口，出料口与下面无轴水平输送螺旋(103)连接，料仓(101)顶端为进料口，垂直搅拌螺旋(102)由电机(107)驱动，无轴水平输送螺旋(103)的一端连接电机(106)，另一端是出料仓(105)，无轴水平输送螺旋(103)底部固定有支架(108)，出料仓(105)的上部有吹送气入口(109)，底部有出料管，出料管从进料口(215)进入内刚玉管(206)内；进气系统包括质量流量计(3)、双柱塞蠕动泵(4)、混合器(5)、预热器(6)，进气系统的气体线路分为三路，一路经混合器(5)混合后与固体物料加压输送装置(1)中吹送气入口(109)连接；另一路经混合器(5)混合，再进入预热器(6)预热后与下落床炉体(2)中是反应气入口(210)连接；第三路平衡氮气与下落床炉体(2)中的平衡氮气入口(207)相连；
进水系统是水经双柱塞蠕动泵(4)进入预热器(6)预热后与下落床炉体(2)中是反应气入口(210)连接；
所述的下落床炉体(2)为一筒体结构，带水冷夹套的金属炉壳(202)内壁有耐火隔热材料(203)，带水冷夹套的金属炉壳(201)中央有外刚玉管(205)和内刚玉管(206)，外刚玉管(205)和内刚玉管(206)的顶端高出带水冷夹套的金属炉壳(202)的顶端，外层刚玉管(205)的底端位于带水冷夹套的金属炉壳(202)的底端，内层刚玉管(206)的底端高于带水冷夹套的金属炉壳(202)的底端，在外层刚玉管(205)与耐火隔热材料(203)之间有硅钼棒(204)，在位于内层刚玉管(206)内的带水冷夹套的金属炉壳(202)底端有测温热电偶入口，在位于外层刚玉管(205)与耐火隔热材料(203)之间的带水冷夹套的金属炉壳(202)底端有平衡N2入口(207)，外刚玉管(205)和内刚玉管(206)的上部有反应气体入口(210)，外刚玉管(205)和内刚玉管(206)的顶端是进料口(215)，上取样管(212)从带水冷夹套的金属炉壳(202)底端的固体取样口进入内刚玉管(206)内，固体取样盒(213)位于上取样管(212)和下取样管(214)之间。
2.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述的上取样管(212)的顶端是一圆锥形。
3.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述的固体取样盒(213)中间装有过滤元件。
4.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述无轴水平输送螺旋(103)中空部分有一根金属振动杆(104)，金属振动杆(104)一端与无轴水平输送螺旋(103)顶部的推力轴承连接，另一端为自由端。
5.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述的硅钼棒(204)采用“井”子排列多层错排在外层刚玉管(205)周围。
6.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述带水冷夹套的金属炉壳(202)采用高强度的耐压壳体钢板制成。
7.如权利要求1所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于所述所述的无轴水平输送螺旋(103)的给料速率达到0.1-5g/min。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种可控的高温高压下落床气化装置，其特征在于可控的高温高压下落床气化装置进行0.1-4.0MPa，1400-1600℃的高温高压试验。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN105255520A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-01-20 | 中国矿业大学(北京) | 高温气流床气化/热解综合试验装置及系统 |
| CN108267472A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-07-10 | 哈尔滨工业大学 | 沉降炉试验装置 |
| CN115463613A (zh) * | 2022-10-20 | 2022-12-13 | 浙江大学 | 一种高温高压下快速可控反应的立式多功能固定床装置 |
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