专利名称：固态含碳物质采用三通道喷嘴部分氧化制备合成气的方法
技术领域：
本发明涉及一种固态含碳物质部分氧化制备合成气的方法，尤其涉及一种采用三通道喷嘴部分氧化制备合成气的方法。
背景技术：
部分氧化制备合成气的气流床气化方法，是在气流床中，将固态含碳物质与气化剂在高温高压下进行化学反应，制得以一氧化碳和氢气为主要组成的合成气。这种气化方法温度、压力高，设备生产强度大，碳转化率高，对固态含碳物质的适应性强，制得的合成气可用于发电、生产化学品与化肥、合成油品、作气体燃料等，用途十分广泛。
喷嘴是气流床气化的关键部件之一。通过它将固态含碳物质及其载气和气化剂导入气流床并使之混合与反应。由于反应温度高达～1500℃，喷嘴结构设计不当，将会烧蚀其端部，烧蚀反应器内壁，产生严重后果，或引起固态含碳物质对喷嘴的磨蚀，影响其使用寿命。已有的专利技术如美国专利4,523,529、4,736,693、4,858,538和欧洲专利0 328 794均采用内喷头为直管式结构喷嘴，共同的缺陷是物流在进反应器之前缺少加速过程，离开喷嘴的速度偏低，易于烧蚀喷嘴。美国专利4,523,529通过气体再分配器，在中心固态含碳物质通道外周设置了多个圆形氧气通道，结构十分复杂，不便加工维护。美国专利4,736,693也设了三个通道，为防止烧蚀喷嘴端部，在烧嘴端部和后部冷却导管之间设置封闭的热管来冷却烧嘴端部，结构复杂，加工维护困难。另外，其中固体物料通道为收进内混合式结构，喷嘴头部极易被磨蚀。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种固态含碳物质采用三通道喷嘴部分氧化制备合成气的方法，以克服现有技术的不足。
本发明的方法包括如下步骤将携载有固态含碳物质的载气、气化剂和保护气通过三通道喷嘴进入气流床气化，获得合成气；所说的合成气的组分和重量百分比如下CO为55～65％，H2为25～34％；所说的三通道喷嘴包括同轴的外环喷头、中环喷头、内喷头、喷嘴中心导管、喷嘴中环导管和喷嘴外环导管；所说的内喷头、中环喷头和外环喷头分别为一个截头的锥管，中环喷头套在内喷头外，外环喷头又套在中环喷头外；外环喷头的大端与喷嘴外环导管相连接，中环喷头的大端与喷嘴中环导管相连接，内喷头的大端与喷嘴中心导管相连接；内喷头和喷嘴中心导管构成喷嘴中心通道，内喷头与中环喷头之间空隙构成喷嘴中环通道，中环喷头与外环喷头之间空隙构成喷嘴外环通道。
在外环喷头端部设置冷却水夹套，通过与之相连的盘管构成喷嘴冷却水通道。
携载有固态含碳物质的载气从喷嘴中心通道或中环通道中的一个通道喷射进入气流床，气化剂则从喷嘴中心通道或中环通道中的另一个通道喷射进入气流床，保护气通过喷嘴外环通道喷射进入气流床。
所说的固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质、固态废弃物等固态含碳物质；所说的载气选自氮气、CO2、水蒸汽或合成气中的一种或其混合物；所说的保护气选自氮气、CO2或水蒸汽中的一种或其混合物，但不应含有氧气以及一氧化碳、氢气等可燃气；所说的气化剂选自氧气、水蒸汽或CO2中的一种或其混合物；携载有固态含碳物质的载气中，固态含碳物质和载气的重量比为固态含碳物质∶载气＝0.5～20；固态含碳物质与气化剂的重量比为固态含碳物质∶气化剂＝1∶0.5～1.5；固态含碳物质与保护气的重量比为固态含碳物质∶保护气＝1∶0.005～1.0；携载有固态含碳物质的载气喷出喷嘴的线速度为5～60米/秒；气化剂喷出喷嘴的线速度为40～140米/秒；保护气喷出喷嘴的线速度为0.5～40米/秒。
所说的气流床在许多专利和文献中已经有公开的报道，本发明不再赘述。
气流床气化温度为1000～1600℃，压力为常压～6.0Mpa。
本发明的方法，喷嘴结构简单，制作与维护方便。通过设置喷嘴外环通道，引入用于保护烧嘴的保护气，一方面可显著提高烧嘴使用寿命，另一方面，可促进固体颗粒与气化剂的充分接触，获得优良的混合效果。本发明的喷嘴能够将固态含碳物质及其输送载气、气化剂导入反应器中进行部分氧化反应，制备合成气，其碳转化率达99％。可用于固态含碳物质如粉煤、石油焦、生物质、固态废弃物等固态含碳物质的部分氧化制备合成气工艺，用途广泛。
图1为本喷嘴的结构示意图。
具体实施例方式
图1为喷嘴结构示意图，所说的喷嘴包括同轴的外环喷头(1)、中环喷头(2)、内喷头(3)、喷嘴中心导管(4)、喷嘴中环导管(5)和喷嘴外环导管(6)。所说的内喷头(3)、中环喷头(2)和外环喷头(1)分别为一个截头的锥管，外环喷头(1)套在中环喷头(2)外，中环喷头(2)套在内喷头(3)外。外环喷头(1)的大端与喷嘴外环导管(6)相连接，中环喷头(2)的大端与喷嘴中环导管(5)相连接，内喷头(3)的大端与喷嘴中心导管(4)相连接。中环喷头(2)与外环喷头(1)之间设有间隙，构成喷嘴外环通道(7)；内喷头(3)和中环喷头(2)之间设有间隙，构成喷嘴中环通道(8)，内喷头(3)和喷嘴中心导管(4)构成喷嘴中心通道(9)。
由图1可见，为了保护喷嘴，在外环喷头(1)外侧设有冷却室(10)和与冷却室(10)相连通的冷却盘管(11)，冷却液由冷却盘管(11)的入口流入冷却室(10)，由冷却盘管(11)的出口管排出。
所说的内喷头(3)的内收缩半角α为1°～60°，其外侧倾角β为20°～90°；中环喷头(2)的内收缩半角ε为0°～70°，其外侧倾角γ为20°～90°；外环喷头(1)的内收缩半角为0°～70°。
所说的内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段高度h的比例即h∶d＝0.1～10。
所说的内喷头(3)与中环喷头(2)的喷口端面的距离s为0～50mm。
所说的中环喷头(2)与外环喷头(1)的喷口端面的距离t为0～40mm。
实施例1将携载有固态含碳物质的载气、气化剂和保护气通过图1所示的三通道喷嘴进入气流床气化，获得合成气；所说的气流床采用98110616.1专利报道的技术。
所说的内喷头(3)的内收缩半角α为1°，其外侧倾角β为70°；中环喷头(2)的内收缩半角ε为20°，其外侧倾角γ为70°；外环喷头(1)的内收缩半角为30°。
所说的内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段高度h的比例即h∶d为1。
所说的内喷头(3)与中环喷头(2)的喷口端面的距离s为0mm。
所说的中环喷头(2)与外环喷头(1)的喷口端面的距离t为0mm。
所说的固态含碳物质选自粉煤；所说的载气选自N2；所说的保护气选自水蒸汽；所说的气化剂选自氧气；携载有固态含碳物质的载气中，固态含碳物质的含量为450公斤/立方米；气化剂与固态含碳物质的重量比例为0.82保护气与固态含碳物质的重量比例为0.15；携载有固态含碳物质的载气喷出喷嘴的线速度为10米/秒；气化剂喷出喷嘴的线速度为90米/秒；保护气喷出喷嘴的线速度为20米/秒；气流床气化温度为1400℃，压力为4.0Mpa。
采用上述的方法以粉煤为原料制备合成气，其碳转化率达99％。所说的合成气的组分和重量百分比如下CO为58～62％，H2为29～32％。
实施例2将携载有固态含碳物质的载气、气化剂和保护气通过图1所示的三通道喷嘴进入气流床气化，获得合成气；所说的气流床采用申请号为200410089404.9专利所公开报道的技术。
所说的内喷头(3)的内收缩半角α为30°，其外侧倾角β为60°；中环喷头(2)的内收缩半角ε为30°，其外侧倾角γ为50°；外环喷头(1)的内收缩半角为50°。
所说的内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段高度h的比例即h∶d为10。
所说的内喷头(3)与中环喷头(2)的喷口端面的距离s为15mm。
所说的中环喷头(2)与外环喷头(1)的喷口端面的距离t为5mm。
所说的固态含碳物质选自石油焦；所说的载气选自CO2；所说的保护气选自水蒸汽和CO2的混和气(体积比1∶1)；所说的气化剂选自氧气和水蒸汽的混和气(体积比20∶1)；携载有固态含碳物质的载气中，固态含碳物质的含量为450公斤/立方米；气化剂与固态含碳物质的重量比例为0.9；保护气与固态含碳物质的重量比例为0.1；携载有固态含碳物质的载气喷出喷嘴的线速度为30米/秒；气化剂喷出喷嘴的线速度为60米/秒；保护气喷出喷嘴的线速度为10米/秒；气流床气化温度为1300℃，反应压力为常压3.0MPa采用上述的方法以石油焦为原料制备合成气，其碳转化率达98.5％。
所说的合成气的组分和重量百分比如下CO为60～63％，H2为30～32％。
权利要求
1.一种固态含碳物质采用三通道喷嘴部分氧化制备合成气的方法，其特征在于，包括如下步骤将携载有固态含碳物质的载气、气化剂和保护气通过三通道喷嘴进入气流床气化，获得合成气；所说的三通道喷嘴包括同轴的外环喷头(1)、中环喷头(2)、内喷头(3)、喷嘴中心导管(4)、喷嘴中环导管(5)和喷嘴外环导管(6)。所说的内喷头(3)、中环喷头(2)和外环喷头(1)分别为一个截头的锥管，外环喷头(1)套在中环喷头(2)外，中环喷头(2)套在内喷头(3)外。外环喷头(1)的大端与喷嘴外环导管(6)相连接，中环喷头(2)的大端与喷嘴中环导管(5)相连接，内喷头(3)的大端与喷嘴中心导管(4)相连接，中环喷头(2)与外环喷头(1)之间设有间隙，构成喷嘴外环通道(7)；内喷头(3)和中环喷头(2)之间设有间隙，构成喷嘴中环通道(8)，内喷头(3)和喷嘴中心导管(4)构成喷嘴中心通道(9)；携载有固态含碳物质的载气从喷嘴中心通道(9)或中环通道中(8)的一个通道喷射进入气流床，气化剂则从喷嘴中心通道(9)或中环通道(8)中的另一个通道喷射进入气流床，保护气通过喷嘴外环通道(7)喷射进入气流床。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在外环喷头(1)外侧设有冷却室(10)和与冷却室(10)相连通的冷却盘管(11)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的内喷头(3)的内收缩半角α为1°～60°，其外侧倾角β为20°～90°。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，中环喷头(2)的内收缩半角ε为0°～70°，其外侧倾角γ为20°～90°。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，外环喷头(1)的内收缩半角为0°～70°。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段高度h的比例即h∶d＝0.1～10。所说的内喷头(3)与中环喷头(2)的喷口端面的距离s为0～50mm。所说的中环喷头(2)与外环喷头(1)的喷口端面的距离t为0～40mm。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所说的固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质或固态废弃物。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所说的载气选自氮气、CO2、水蒸汽或合成气中的一种或其混合物，所说的保护气选自氮气、CO2或水蒸汽中的一种或其混合物，所说的气化剂选自氧气、水蒸汽或CO2中的一种或其混合物；携载有固态含碳物质的载气中，固态含碳物质和载气的重量比为固态含碳物质∶载气＝0.5～20；固态含碳物质与气化剂的重量比为固态含碳物质∶气化剂＝1∶0.5～1.5；固态含碳物质与保护气的重量比为固态含碳物质∶保护气＝1∶0.005～1.0；携载有固态含碳物质的载气喷出喷嘴的线速度为5～60米/秒；气化剂喷出喷嘴的线速度为40～140米/秒；保护气喷出喷嘴的线速度为0.5～40米/秒。
全文摘要
本发明公开了一种固态含碳物质采用三通道喷嘴部分氧化制备合成气的方法。包括如下步骤将携载有固态含碳物质的载气、气化剂和保护气通过三通道喷嘴进入气流床气化，获得合成气；本发明的喷嘴结构简单，制作与维护方便。通过设置喷嘴外环通道，引入用于保护烧嘴的保护气，一方面可显著提高喷嘴使用寿命，另一方面，可促进固体颗粒与气化剂的充分接触，获得优良的混合效果。本发明的喷嘴能够将固态含碳物质及其输送载气、气化剂导入反应器中进行部分氧化反应，制备合成气，其碳转化率达99％。可用于固态含碳物质如粉煤、石油焦、生物质、固态废弃物等固态含碳物质的部分氧化制备合成气工艺，用途广泛。
文档编号C10J3/54GK1804003SQ20051011230
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者刘海峰, 龚欣, 于遵宏, 代正华, 郭晓镭, 王辅臣, 于广锁, 王亦飞, 周志杰, 陈雪莉, 李伟锋, 梁钦锋, 王兴军, 郑丽娇 申请人:华东理工大学