新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的制作方法

本实用新型涉及高灰煤气化领域，具体涉及一种新型高效的高灰煤气化螺旋反应器。

背景技术：

利用高灰煤气化制取氢气是高效利用高灰煤的有效手段，高灰煤是指以空气干燥基为基准灰分大于40％，水分不高于20％的高灰煤，尤其是烟煤和无烟煤。目前，从世界范围看，高灰煤流化床煤气化技术尚未实现大规模推广与应用，我国的流化床煤气化技术走在世界前列，流化床气化技术正处于“试运行”阶段，国内先后建立了0.6mpa和1.0mpa的加压气化示范装置，其中1.0mpa装置是目前全球压力最高流化床气化炉。从运行情况来看，常压/加压流化床气化炉可以“消化”灰含量30-40％的高灰煤，产出富含co和h2的煤气。

但是存在下列问题：(1)气化炉单位时间的煤炭处理量(气化强度)明显偏低，仅为设计值的60-80％；(2)在设计的停留时间下，炭转化率较低，约为75-86％。(3)大量的灰分在炉内被加热到1000℃以上，然后排出气化炉，不但气化炉热效率低，且浪费大量的煤炭(燃烧热)，气化效率低。(4)高灰煤气化灰渣具有温度高、灰量大的特点，在常压条件下，多采用螺旋冷渣机或空气逐级冷却，存在设备庞大，装置占地面积大，冷却效果非常不理想，能耗高。其中问题(1)和问题(2)都说明流化床中高灰煤活性低，气化速率低，需要较长的炉内停留时间。问题(3)说明了高灰煤灰分白白带走大量热量，气化热效率较低。问题(4)说明了大量高温灰的难以实现高效冷却。这些问题严重制约了高灰煤流化床气化技术的大规模推广和安全稳定运行，更谈不上满负荷运行和经济运行。

因此，针对高灰煤气化活性低，气化热效率低及高温大灰量难冷却的问题，开发一种高气化速率、高热效率、容易冷渣的反应装置是一个值得研究的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种新型高效的高灰煤气化螺旋反应器，以解决现有技术中存在的高灰煤气化活性低，气化热效率低及高温大灰量难冷却的问题。

为实现上述目的，本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器采用如下技术方案：一种新型高效的高灰煤气化螺旋反应器，包括灰渣收集器，灰渣收集器上部设置有与灰渣收集器连通的进料管，进料管上设置有高灰煤进口和供提高高灰煤活性的活性物质进口，进料管上还设置有高温高压水进口；灰渣收集器中设置有螺旋反应槽，螺旋反应槽的上端与进料管的出料口对接，螺旋反应槽的下端伸出灰渣收集器或与灰渣收集器上的出口连通，螺旋反应槽为横截面为弧形的且槽口水平开设的螺旋滑道结构；灰渣收集器下端具有排渣口。

所述活性物质进口包括改性剂进口和高温高压氧气进口中的至少一种。

所述活性物质进口包括改性剂进口和高温高压氧气进口，且改性剂进口和高温高压氧气进口上下依次设置，改性剂进口方向与竖直方向夹角为60°，高温高压氧气进口方向与竖直方向夹角为45°，高压氧气进口的直径不大于改性剂进口的直径。

所述进料管为l型管，进料管包括竖向段和水平段，改性剂进口和高温高压氧气进口设置于竖向段上，水平段的端部伸入灰渣收集器中并与螺旋反应槽上端对接，高温高压水进口设置于竖向段上并与水平段相对设置，高温高压水进口直径不大于改性剂进口和高温高压氧气进口直径和的1/5。

所述高温高压水的流速不低于6cm/s。

所述进料管外侧设置有电加热丝或电加热带，进料管上于改性剂进口和高温高压氧气进口之间设置有温度传感器。

所述灰渣收集器下端设置有与灰渣收集器连通的进气管，灰渣收集器下内壁上于进气管上方设置有锥形分布板，分布板与下方的灰渣收集器内壁形成气室，分布板上设置有多个气孔。

本实用新型的有益效果：高灰煤进入进料管中，由活性物质进行改性提高高灰煤的活性，形成高活性半焦，提高气化速率，高活性半焦被高温高压水带入螺旋反应槽中进行气化反应，灰分含量较高的半焦通过离心力被甩出进入到灰渣收集器中并下落，由排渣口排出，避免了大量灰分被加热，减少了高温灰渣量，不但提高了热效率，而且降低了灰渣冷却设备的负荷，更加容易冷却。由于高灰分的半焦及时排出，螺旋反应槽的有效体积被充分利用，半焦的气化时间大大延长，气化较为充分，最后气化后的混合气中灰含量较小，即粉尘量较小，有利于混合气后续的净化处理。

附图说明

图1是本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例一的结构示意图；

图2是图1中进料管的水平段与灰渣收集器的安装结构示意图；

图3是图1中进料管的结构示意图；

图4是本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例二中进料管的结构示意图；

图5是本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例三中灰渣收集器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例，如图1-图3所示，包括灰渣收集器1，灰渣收集器1上部设置有与灰渣收集器1连通的进料管3，进料管3上设置有高灰煤进口6和供提高高灰煤活性的活性物质进口。活性物质进口包括改性剂进口7和高温高压氧气进口8，且改性剂进口和高温高压氧气进口上下依次设置。改性剂进口7和高温高压氧气进口8均采用圆管结构。改性剂进口方向与竖直方向夹角为60°，高温高压氧气进口方向与竖直方向夹角为45°，高压氧气进口的直径不大于改性剂进口的直径。改性剂采用1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯、k2s2o8、乙醚的混合物，其中1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的质量分数在1-19％，k2s2o8的质量分数在20-47％，剩余为乙醚。高温高压氧气采用低浓度氧气，氧气的体积分数不高于12％，用氮气或二氧化碳作为平衡气。

进料管3上还设置有高温高压水进口9。灰渣收集器1中设置有螺旋反应槽2，螺旋反应槽2的上端与进料管的出料口对接，螺旋反应槽的下端伸出灰渣收集器。螺旋反应槽2为横截面为弧形的且槽口水平开设的螺旋滑道结构。槽口水平开设即槽口水平径向向外正对灰渣收集器的内壁。螺旋反应槽的坡度(各层与水平面的夹角)不大于50°。本实施例中螺旋反应槽为横截面为半圆形结构。灰渣收集器下端具有排渣口10。进料管3为l型管，进料管3包括竖向段4和水平段5，改性剂进口7和高温高压氧气进口8设置于竖向段4上，水平段的端部伸入灰渣收集器中并与螺旋反应槽上端对接。高温高压水进口9设置于竖向段上并与水平段相对设置，高温高压水进口直径不大于改性剂进口和高温高压氧气进口直径和的1/5。高温高压水的流速不低于6cm/s。

进料管的水平段，具有如下特征，水平段的中心线距离灰渣收集器上端面的距离h1为20到50cm。进料管的水平段相对于灰渣收集器偏心设置，水平段中心线与灰渣收集器两个与水平段平行的切面之间的距离中较短的距离h2不大于灰渣收集器的直径的1/4，水平段端部与灰渣收集器两个垂直于水平段的切面中较长的距离h3不大于灰渣收集器的直径的3/4。

进料管3外侧设置有电加热丝11或电加热带，进料管上于改性剂进口和高温高压氧气进口之间设置有温度传感器。进料管中的温度根据高灰煤的co2反应活性确定,co2反应活性大于80％时，温度不高于500℃，否则，温度应大于500℃。根据温度传感器测得的温度大小，可采用电加热丝或电加热带补充热量。高温高压水的温度不低于500℃，压力不低于相应的水的饱和蒸气压。

本实用新型的高灰煤气化螺旋反应器的工艺流程为：高灰煤通过高灰煤进口进入l型进料管中，在进料管竖向段与改性剂和高温高压氧气发生反应，生成特殊形态的半焦。当反应需要的温度较高时，可以依靠电热丝提供反应需要的热量，维持反应温度。通过改性和氧化反应，促使半角表面形成大量的微孔，形成更加丰富的孔隙结构，更多的碳表面活性位暴露出来；也促进了半焦表面高活性基团生成，因此，生成的半焦气化反应性大大提高，具有很高的活性。

然后生成的半焦依次进入进料管的水平段和螺旋反应槽中，与来自高温高压水进口的高温水换热并反应，主要发生如下反应，生成富含氢气的混合气。由于在进料管中高灰煤被活化，活性较高，为气化反应((1)-(4))的进行提供良好条件，充分利用了氧化反应和气化反应的显著协同效应。

co2还原反应c+co2＝2co+162.4kj/mol(1)

水蒸气分解反应c+h2o＝co+h2+131.5kj/mol(2)

水蒸气分解反应c+2h2o＝co2+2h2+90.0kj/mol(3)

co变换反应co+h2o＝co2+h2-41.5kj/mol(4)

半焦在螺旋反应槽中发生气化反应的同时，灰分相对较高的半焦通过离心力作用被甩出气化反应器，飞向灰渣收集器的壁面，最后沿壁面下落到灰渣收集器的底部，通过排渣口排出。由于高灰分半焦的及时排出，螺旋反应槽的有效体积被充分利用，半焦的气化时间大大延长，气化较为充分，最后气化后的混合气中灰含量较小，即粉尘量较小，有利于混合气后续的净化处理。

本实用新型的有益效果是：本实用新型考虑高灰煤气化活性低，气化热效率低及高温大灰量难冷却的现状，将高灰煤在进料过程中被活化，改变其表面孔隙结构和化学结构，使其活性大大增加，为制氢提供利好条件。同时采用螺旋反应槽，在气化过程中自动筛选、去除灰分相对较高的煤炭(半焦)，大大提高了反应器的有效空间，缩小了反应器的体积，同时增大了灰分相对较低的煤炭(半焦)的气化时间，使其气化更加完全。

(1)通过在进料管中改性剂的改性和氧气的氧化作用，大大提高高灰煤的反应活性，进而提高高灰煤气化速率。这主要是由于改性剂的改性和氧化反应改变了半焦的表面物理和化学结构，并且与水蒸气气化反应具有显著的协同效应。改性剂的改性和氧化反应使碳颗粒的表面结构更加丰富，形成大量的微孔，更多的碳表面活性位暴露出来；氧化反应也促进了半焦中高活性基团的生成。因此，高灰煤的气化反应性大大提高。

(2)在螺旋反应槽中可以自动将灰分相对较高的煤炭(半焦)通过离心力作用甩出气化反应器，避免其在反应器中空转，占据反应器的有效体积，同时增大了灰分相对较低的煤炭(半焦)的气化时间，使其气化更加完全。同时，灰分越高就越早被甩出气化反应器，大大提高气化热效率。

(3)该装置减少了高温灰渣量，不但提高了热效率，同时大大减少了高温灰量，降低了灰渣冷却设备的负荷，避免了大灰量的高温冷却难题。目前现有技术中大灰量的高温冷却问题仍是高灰煤气化亟待解决的难题之一。高灰煤气化灰渣具有温度高、灰量大的特点，目前现有技术中多采用螺旋冷渣机或空气逐级冷却，存在设备庞大，装置占地面积大，冷却效果差，能耗高。

(4)该装置避免了灰分相对较高的煤炭(半焦)的返混，接近平推流，同时灰分相对较高的煤炭(半焦)在反应过程中就排出螺旋反应槽，因此反应器的有效空间利用非常充分，较小体积的反应器便具有较高的处理量。

(5)该装置热效率高，节省了大量燃烧的煤炭，设备小，投资省，经济效益好。同时高温灰渣量小，易于冷却，减少了冷却过程的飞灰粉尘污染，节能环保。

(6)该装置为实现高灰煤的高效清洁制氢提供了可行的途径，为解决大量闲置高灰煤的堆积、闲置、污染等问题提供了一条有效途径，变废为宝，同时实现了节能环保，一举两得。

本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例二，如图4所示，与实施例一的区别仅在于，进料管上只设置改性剂进口，不设置高温高压氧气进口，并且在进料管的竖向段和水平段上均设置电加热丝12。

本实用新型的新型高效的高灰煤气化螺旋反应器的实施例三，如图5所示，与实施例一的区别仅在于，灰渣收集器下端设置有与灰渣收集器连通的进气13管，灰渣收集器下内壁上于进气管上方设置有锥形分布板14，分布板与下方的灰渣收集器内壁形成气室15，分布板14上设置有多个气孔16。采用分布板和气室相结合的形式，便于用气体松动灰渣。分布板采用锥形分布板，其采用耐磨耐高温耐高压材质制作，分布板锥角在40-150℃之间。

在本实用新型的其他实施例中，进料管上也可以只设置高温高压氧气进口，而不设置改性剂进口；在满足使用需求时，进料管上也可以不设置电加热丝或电加热带。