专利名称：一种射流管及带有该射流管的流化床反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤催化气化技术领域，尤其涉及一种射流管及带有该射流管的流化床反应器。本实用新型不仅适用于煤催化气化工艺，同样适用于低灰熔点、易结渣煤的通氧气化工艺及煤和生物质共气化工艺。
背景技术：
随着经济的迅速发展以及环保规定的日益严格，在未来十几年，我国对天然气这一清洁能源的需求量将呈爆炸式增长，而天然气产量虽有增加但却远低于需求，供需矛盾日益突出，供应缺口逐年加大。鉴于我国能源资源状况“富煤、少油、缺气”的特点，长期维持以煤为主的能源消费结构短期内不会改变，根据洁净煤技术的发展走向和世界低碳经济的发展趋势，把煤转化成化石能源中最优质的燃料一天然气，是适合我国国情、化解能源危机并保证能源安全的一条捷径。通常的煤气化技术，即煤在高温下与氧气(或空气)和/或水蒸汽(H2O)组成的气化剂进行气化反应，生成含有少量甲烷(CH4)的合成气(主要是氢气、一氧化碳和二氧化碳)，之后进行水气变换及甲烷化工序，采用两步法制备甲烷。该煤气化技术具有气化反应所需的温度高、能耗大、对设备要求高，且需三个反应装置、工艺较复杂等缺点。煤催化气化技术是煤洁净高效利用的一种重要方式。采用煤催化气化技术，煤在相对较低的温度下与水蒸汽(H20)、氢气(H2)、一氧化碳(CO)组成的气化剂在催化剂的催化作用下进行气化反应，生成高浓度的甲烷(CH4)。煤催化气化技术与其他煤气化技术相比，具有甲烷含量高、气化反应所需的温度低等优点。现有催化气化工艺均采用外供热方式，美国EXXON、GPE公司公开了该催化气化技术，见专利US4318712、US2009246120A1、US2009165376A1，均需要用大量过热蒸汽及循环部分产品气一氧化碳、氢气进入气化炉发生甲烷化反应放热来提供系统所需热量，采用深冷分离、产品气部分氧化或增设燃氧气化炉来提供过热蒸汽及CO、H2，工艺的能耗均较大，设备投资高，工艺流程复杂，蒸汽过热系统及热交换系统负荷较高，综上致使工艺整体经济性不佳，总效率较低。小规模研发阶段采用外供热来满足气化所需热的方式尚可，而产业化采用外供热来满足气化所需热的方式投资巨大，且工程上难以实现，需要采用燃煤自供热方式为催化气化反应提供所需热量，维持炉温在一定的反应温度，无需追加其他设备，工艺流程简单，技术经济性较佳。催化剂的加入可催化燃烧反应，提高碳质材料燃烧放热量，同时添加的碱金属催化剂在一定的工艺条件、反应气氛下可能同煤中矿物质形成低温共融物，降低煤的灰熔点；且催化气化工艺要求较长的气固接触时间，床层相对较高，全床区域均匀快速传热相对困难，床内局部温度过高可导致煤灰颗粒相互粘结结渣，造成流化状态不好，严重时排渣困难、甚至失流化等，致使反应器难以连续稳定运行。流化床反应器因为其气固混合充分和传递效率高等优势而广泛应用于煤气化领域。目前已工业化的U -gas气化炉、KRW及灰融聚气化炉均采用单一射流喷口，即单射流流化床，气固接触效率低，易形成局部高温区导致结渣。CN 1974733A公开了一种煤和生物质多射流复合式流化床气化装置。虽然其相对于单射流流化床能提供更高的气固接触效率，但是对于床层较高的射流流化床，因固体颗粒返混湍动程度较缓，多个射流喷口分布在同一水平面上形成的局部高温难以快速传递至全床，也较容易结渣。目前已有的单射流流化床及多射流流化床气化装置，均存在气固接触效率低，易形成局部高温区导致结渣的问题，尤其对于床层较高的射流流化床，因固体颗粒返混湍动程度较缓，多个射流喷口分布在同一水平面上形成的局部高温难以快速传递至全床，也较容易结渣。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有射流流化床应用于煤气化领域的不足，提出一种射流管及带有该射流管的流化床反应器。本实用新型采用分散给氧提供反应所需热量，氧气通过床层多个射流管进入反应器，保证氧气均匀分布，通过调节水蒸气、氧气配比控制氧浓度在一定范围，避免出现床层局部高温区，减小结渣机率。为达此目的，本实用新型采用以下技术方案:本实用新型 的目的之一在于提供一种射流管，所述射流管为套管式，包括中心管和环绕中心管的外管；所述中心管和外管之间形成环隙。本实用新型所述的射流管由中心管和外管套装而成，应用时，在中心管内通入氧气和过热蒸汽的混合气，所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热反应，为流化床反应器内的气化反应提供热量，实现燃煤自供热；由于高热量容易造成碳质材料颗粒熔融结渣，因此向环隙中通入过热蒸汽，强化了射流管的中心管区域的湍动程度，从而强化了中心管区域高温介质的换热程度，同时环隙中的过热蒸汽与来自中心管的混合气进行热量交换，及时将射流管的中心管出口区域发生催化燃烧放热反应所产生的热量及时换走疏散，降低射流区结渣风险；同时，环隙中的过热蒸汽经换热提高温度后可以加速C和H2O的吸热反应的速率，进一步将热量导走，更加降低射流区结渣风险。所述射流管由水平段和竖直段连接而成；优选地，所述外管的出口端为射流喷嘴形状。将外管的出口端设计为射流喷嘴形状，能够更有效地强化环隙内介质同射流区高温气体的换热，加强碳质材料颗粒内循环，避免局部高温区的出现，更好地解决结渣问题。本实用新型的目的之二在于提供一种多射流流化床反应器，所述反应器采用至少一个如上所述的射流管作为床层布气装置。将上述射流管作为床层布气装置，不仅可以实现流化床反应器内燃煤自供热，而且能够避免结渣问题。本实用新型所述床层布气装置由多个射流管构成。所述多个射流管在流化床内的分布形式并无特殊方式，本领域技术人员可以根据实际情况进行等间距或非等间距分布。同一水平面气体通入口个数可为一个或径向多个，也可在床层中设置轴向布气装置，保证整体床层氧气分散均匀即可。例如可采用如下两种形式对射流管进行布置:(I)所述反应器内同一水平面上对称分布两个或多个射流管，同时沿轴向设置多层对称排布的射流管；即所述床层布气装置由多层沿轴向对称分布的多个射流管组成。[0019](2)多个射流管以非对称的形式沿轴向分布在反应器内，即所述床层布气装置由沿轴向非对称分布的多个射流管组成。本实用新型所述反应器的具体结构如下:所述反应器包括:反应器主体，其内部形成腔室；锥形分布板，位于所述反应器主体底部，与反应器主体底部器壁间形成气室；进料管线，贯穿设置于反应器主体上部，与所述腔室流体连通，以供原料碳质材料进入所述腔室内；气化剂管线，贯穿设置于反应器主体底部，开口于气室，以供气化剂通过锥形分布板进入所述腔室内；床层布气装置，贯穿设置于反应器主体的侧壁，与所述腔室流体连通；出料管线，贯穿设置于反应器主体顶部，与所述腔室流体连通，以供气体产物排出反应器。本实用新型所述反应器主体具有承压能力，能够耐受并维持相应内部空间的温度和压力，由耐压材料制成。所述进料管线和气化剂管线用于将所述物质在一定压力下引入反应器内部腔室，混合后进行气化反应。所述出料管线用于气化反应后的气体产物排出反应器。本领域技术人员根据实际生产情况，能够确定上述相应管线所需的个数，以更好的实现各自的功能，实现本实用新型的目的。
在本实用新型中，气化剂管线设置于反应器主体的底部，气固两相在反应器腔室内充分接触，利于达到流化状态。另外，气化剂同时作为流化介质，反应器内气化温度均匀。气化剂从气化剂管线进入后，由气室经锥形分布板均匀分布，再进入反应器腔室内与碳质材料进行气化反应，可以使反应在整个腔室内同时进行，对原料进行充分利用。本实用新型所述反应器还包括排渣管线，贯穿所述反应器主体和锥形分布板，开口于所述腔室，以供气化后的残余半焦排出反应器。在本实用新型中，碳质材料和气化剂在反应器腔室内进行反应后，气体产物从出料管线排出反应器，气化后产生的半焦产物从排渣管线排出反应器。一种利用如上所述的流化床反应器进行煤催化气化的方法: 使碳质材料和气化剂进入反应器腔室内，气化剂与碳质材料发生气化反应；使碳质材料和气化剂进入反应器腔室内，气化剂与碳质材料发生气化反应；向作为床层布气装置的射流管的中心管中通入氧气与过热蒸汽的混合气；所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热反应，为气化反应提供热量；向环隙中通入过热蒸汽；以将催化燃烧放热反应所产生的热量疏散；将气化反应生成的气体产物从出料管线排出反应器；将残余半焦经排渣管线排出反应器。本实用新型所述的煤催化气化方法具体如下:浸溃催化剂的碳质材料经进料管线进入反应器腔室，气化剂经气化剂管线由气室经锥形分布板布气后进入反应器腔室，气化剂与原料碳质材料在催化剂的作用下发生气化反应;作为床层布气装置的射流管的中心管通入氧气及过热蒸汽的混合气，环隙中通入过热蒸汽；所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热，为气化反应提供热量；环隙中的过热蒸汽强化射流管湍动换热，同时与中心管区域的高温气体进行热量交换，避免局部高温区的出现；气化反应后生成的气体产物从出料管线排出反应器，残余半焦经排渣管线排出反应器。本实用新型所述气化剂为过热蒸汽，或02、CO或H2中的一种或至少两种与过热蒸汽的混合气体。典型但非限制性的例子包括过热蒸汽，过热蒸汽与O2的组合，过热蒸汽与CO的组合,过热蒸汽与H2的组合,过热蒸汽、CO与H2的组合,过热蒸汽、02、CO与H2的组合等，皆可用于实施本实用新型。优选地，所述气化剂中的氧气浓度为O 20mol%，例如0.2 18.9mol%，3 16mol%, 5.5 14.6mol%, 7 12mol%, 9mol% 等,进一步优选为 O 10mol%。优选地，所述过热蒸汽由锅炉产生的蒸汽与气体产物进行热量交换得到，换热后温度为300 500°C ;优选地，所述气化剂与碳质材料的水碳摩尔比为0.5 3:1，例如
0.52 2.95:1，0.7 2.45:1，1.1 2.06:1，1.5 2:1，1.8:1 等，优选 I 2:1。所述中心管通入的混合气中，氧气浓度通过调节过热蒸汽的量控制。氧气浓度^ 30mol%,例如 0.1 29.6mol%, 0.75 26mol%, 1.2 24.3mol%, 4 21.7mol%, 8.6 18mol%，10 16mol%，13.4mol%等，进一步优选为5 20mol%。在本实用新型中，只需控制蒸汽与氧气比例调节氧气浓度，至于需要通多少氧气和水蒸气由流化床亏热情况决定，亏热多需要燃烧较多氧气才能补充热量，则需要通入较多氧气，设置多些射流管，但总体通入的水蒸气量相对于气化 剂管线通入的气化剂的水蒸气很少。优选地，所述环隙中通入的过热蒸汽温度为300 500°C，例如300.2 486°C，316 47(TC，330 453°C，356 435°C，370 413 ，386 等。优选地，气化反应的操作温度为600 800 V，例如600.3 789.6 V，625 770°C,645 748°C，680 720°C，695 703°C等，进一步优选750°C。操作压力为O 5MPa,例如 0.1 4.99MPa, 0.2 4.5MPa, 0.5 3.5MPa 等，进一步优选 0.3 4MPa。所述气体产物的成分为CH4、CO、H2, CO2、少量的H2S和NH3及部分夹带细粉。排洛管线中通入气化剂，通过控制气量大小来控制排渣量。在一定的温度、压力条件下，碳质材料在催化剂的作用下同气化剂发生气化、变换、甲烷化等反应，生成CH4、CO、H2等有效气体成分及CO2、少量的H2S和NH3等及部分夹带细粉从反应器上部出口经出料管线排出。流化床反应器内主要反应如下:2C+2H20 — 2H2+2C0 (I)C0+H20 — C02+H2 (2)3H2+C0 — CH4+H20 (3)C+2H2 —CH4 (4)2C+02 —2C0 (5)C+02 —CO2 (6)气化后的残余半焦经排渣管线排出反应器，向排渣管线中通入过热蒸汽、一氧化碳、氢气等气化剂，并且通过控制气化剂的量来控制排渣量。与已有技术方案相比，本实用新型具有以下有益效果:本实用新型采用床层分散的多个射流管进氧，射流管结构为套管式，中心管通氧气及过热蒸汽的混合气，环隙中通过热蒸汽，调节氧气与过热蒸汽配比控制氧浓度在一定范围；所述氧气与碳质材料在射流区中主要发生燃烧强放热反应，释放的热量为反应器内的气化反应提供热量；环隙中通入的过热蒸汽，可以强化碳质材料颗粒的内循环，并且与中心管区域的高温气体进行热量交换，同时为环隙中气化吸热反应提供热量，经快速换热及气化吸热反应避免局部高温区的出现，降低射流管区域结渣的发生机率。本实用新型采用的燃煤自供热方式为催化气化反应提供所需热量，无需追加其他设备，工艺流程简单，技术经济性较佳，单炉实现热量物料耦合，总效率较高；且本实用新型提供的工艺在工程上容易实现，产业化放大简单易行，前景巨大。
图1是本实用新型所述多射流流化床反应器的一种结构示意图；图2是本实用新型所述多射流流化床反应器的另一种结构示意图；图3是本实用新型所述射流管的一种结构示意图；图4是本实用新型所述射流管的另一种结构示意图。其中，图1与图2的区别在于多个射流管的排布形式不同；图3和图4的区别在于射流管的外管出口端形状不同。图中:1-中心管；2-外管；3-环隙；41_床层布气装置；42_锥形分布板；43_进料管线；44_气室；45_排渣管线；46_气化剂管线；47_出料管线。下面对本实用新型进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，本实用新型的典型但非限制性的实施例如下:实施例1如图1和图2所示，一种多射流流化床反应器，所述反应器包括:反应器主体，其内部形成腔室；锥形分布板42，位于所述反应器主体底部，与反应器主体底部器壁间形成气室44 ；进料管线43，贯穿设置于反应器主体上部，与所述腔室流体连通，以供原料碳质材料进入所述腔室内；气化剂管线46，贯穿设置于反应器主体底部，开口于气室44，以供气化剂通过锥形分布板42进入所述腔室内；床层布气装置41，贯穿设置于反应器主体的侧壁，与所述腔室流体连通；出料管线47，贯穿设置于反应器主体顶部，与所述腔室流体连通，以供气体产物排出反应器；排渣管线45，贯穿所述反应器主体和锥形分布板42，开口于所述腔室，以供气化后的残余半焦排出反应器。[0075]所述床层布气装置41由多个射流管构成；所述多个射流管在反应器内等间距或不等间距分布。图1中，所述反应器内同一水平面上对称分布两个或多个射流管，同时沿轴向设置多层对称排布的多个射流管，图2中，多个射流管以非对称的形式沿轴向分布在反应器内。如图3和图4所示，所述射流管为套管式，包括中心管I和环绕中心管I的外管2 ；所述中心管I和外管2之间形成环隙3。所述射流管由水平段和竖直段连接而成。图3中，所述外管2的出口端为直管形状。图4中 ，所述外管2的出口端为射流喷嘴形状。实施例2—种利用多射流流化床反应器进行煤催化气化的方法，将浸溃催化剂的碳质材料经进料管线43进入反应器腔室，气化剂经气化剂管线46由气室44经锥形分布板42均匀布气后进入反应器腔室，气化剂与碳质材料在催化剂的作用下发生气化反应；所述气化剂为过热蒸汽和O2的混合气体,其中的氧气浓度为5mol%,气化剂与碳质材料的水碳摩尔比为3。作为床层布气装置41的射流管的中心管I通入氧气及过热蒸汽的混合气，环隙3中通入过热蒸汽；所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热，为气化反应提供热量；环隙3中的过热蒸汽强化射流管湍动换热，同时与中心管I区域的高温气体进行热量交换，避免局部高温区的出现。所述反应器内同一水平面上对称分布两个射流管，同时沿轴向设置三层对称排布的射流管，氧气可以从床层多个部位通过床层布气装置41进入反应器，保证整体床层氧气分散均匀。氧气浓度通过调节蒸汽量控制，氧气浓度为25mol%，氧气总流量根据气化设备温度要求调节，为催化气化提供所需的热量，控制操作温度在750°C，操作压力在2.5MPa。碳质材料在催化剂的作用下同气化剂发生气化、变换、甲烷化等反应，生成CH4、C0、H2等有效气体成分及CO2、少量的H2S和NH3等及部分夹带细粉从反应器上部出口经出料管线47排出。气化后的残余半焦经排渣管线45排出反应器，排渣管线45可通入气化剂，通过控制气量大小来控制排渣量。锅炉产生的蒸汽与出料管线排出的气体产物在换热设备中进行热量交换后作为本实施例中的过热蒸汽使用，换热后温度为400°C。实施例3一种利用多射流流化床反应器进行煤催化气化的方法，将浸溃催化剂的碳质材料经进料管线43进入反应器腔室，气化剂经气化剂管线46由气室44经锥形分布板42布气后进入反应器腔室，气化剂与碳质材料在催化剂的作用下发生气化反应；所述气化剂为过热蒸汽；作为床层布气装置41的射流管的中心管I通入氧气及过热蒸汽的混合气，环隙3中通入过热蒸汽；所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热，为气化反应提供热量；环隙3中的过热蒸汽强化射流管湍动换热，同时与中心管I区域的高温气体进行热量交换，避免局部高温区的出现；所述反应器内三个射流管以非对称的形式沿轴向分布在反应器内，氧气可以从床层多个部位通过床层布气装置41进入反应器，保证整体床层氧气分散均匀。氧气浓度通过调节蒸汽量控制，氧气浓度为20mol%，氧气总流量根据气化设备温度要求调节，为催化气化提供所需的热量，控制操作温度在700°C，操作压力在3.5MPa。碳质材料在催化剂的作用下同气化剂发生气化、变换、甲烷化等反应，生成CH4、C0、H2等有效气体成分及CO2、少量的H2S和NH3等及部分夹带细粉从反应器上部出口经出料管线47排出。气化后的残余半焦经排渣管线45排出反应器，排渣管线45可通气化剂，通过控制气量大小来控制排渣量。锅炉产生的蒸汽与出料管线排出的气体产物在换热设备中进行热量交换后作为本实施例的过热蒸汽使用，换热后温度为450°C，控制水碳摩尔比为2.5。实施例4一种利用多射流流化床反应器进行煤催化气化的方法，将浸溃催化剂的碳质材料经进料管线43进入反应器腔室，气化剂经气化剂管线46由气室44经锥形分布板42布气后进入反应器腔室，气化剂与碳质材料在催化剂的作用下发生气化反应；所述气化剂为过热蒸汽、CO、H2的混合气体，其中的CO、H2摩尔比为1:3，两者占气化剂总量的30mol% ；作为床层布气装置41的射流管的中心管I通入氧气及过热蒸汽的混合气，环隙3中通入过热蒸汽；所述氧气与碳质材料发生催化燃烧放热，为气化反应提供热量；环隙3中的过热蒸汽强化射流管湍动换热，同时与中心管I中的高温气体进行热量交换，避免局部高温区的出现；所述反应器内同一水平面上对称分布两个射流管，同时沿轴向设置三层对称排布的射流管，氧气可以从床层多个部位通过床层布气装置41进入反应器，保证整体床层氧气分散均匀。氧气浓度通过调节蒸汽量控制，氧气浓度为15mol%，氧气总流量根据气化设备温度要求调节，为催化气化提供所需的热量，控制操作温度在700°C，操作压力在3.5MPa。碳质材料在催化剂的作用下同气化剂发生气化、变换、甲烷化等反应，生成CH4、CO、H2等有效气体成分及CO2、少量的H2S和NH3等及部分夹带细粉从反应器上部出口经出料管线47排出。气化后的残余半焦经排渣管线45排出反应器，排渣管线可通气化剂，通过控制气量大小来控制排渣量。锅炉产生的蒸汽与出料管线排出的气体产物在换热设备中进行热量交换后作为本实施例的过热蒸汽使用，换热后温度为500°C，控制水碳摩尔比为2。申请人:声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细结构特征以及催化气化方法，但本实用新型并不局限于上述详细结构特征以及催化气化方法，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细结构特征以及催化气化方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。本实用新型采用的试验原料为不连沟烟煤(粒径为20 80目)，其工业分析及元素分析见表I所示:表I不连沟烟煤 的工业分析及元素分析
权利要求1.一种射流管，其特征在于，所述射流管为套管式，包括中心管(I)和环绕中心管(I)的外管(2 );所述中心管(I)和外管(2 )之间形成环隙(3 )。
2.如权利要求1所述的射流管，其特征在于，所述射流管由水平段和竖直段连接而成。
3.如权利要求2所述的射流管，所述外管(2)的出口端为射流喷嘴形状。
4.一种带有如权利要求1-3之一所述射流管的多射流流化床反应器，其特征在于，所述反应器采用至少一个射流管作为床层布气装置(41)。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述床层布气装置(41)由多个射流管构成；所述多个射流管在反应器内呈等间距或非等间距分布。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述床层布气装置(41)由多层沿轴向对称分布的多个射流管组成； 或，所述床层布气装置(41)由沿轴向非对称分布的多个射流管组成。
7.如 权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括: 反应器主体,其内部形成腔室； 锥形分布板(42)，位于所述反应器主体底部，与反应器主体底部器壁间形成气室(44)； 进料管线(43)，贯穿设置于反应器主体上部，与所述腔室流体连通，以供原料进入所述腔室内； 气化剂管线(46)，贯穿设置于反应器主体底部，开口于气室(44)，以供气化剂通过锥形分布板(42)进入所述腔室内； 床层布气装置(41 )，贯穿设置于反应器主体的侧壁，与所述腔室流体连通； 出料管线(47)，贯穿设置于反应器主体顶部，与所述腔室流体连通，以供气体产物排出反应器。
8.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括排渣管线(45)，贯穿所述反应器主体和锥形分布板(42 )，开口于所述腔室，以供气化后的残余半焦排出反应器。
专利摘要本实用新型涉及一种射流管及带有该射流管的流化床反应器。本实用新型采用床层分散的多个射流管进氧，射流管结构为套管式，中心管通氧气及过热蒸汽的混合气，环隙中通过热蒸汽，调节氧气与过热蒸汽配比控制氧气浓度在一定范围；所述氧气与碳质材料在射流区中主要发生燃烧强放热反应，释放的热量为反应器内的气化反应提供热量；环隙中通入的过热蒸汽，可以强化碳质材料颗粒的内循环，并且与中心管区域的高温气体进行热量交换，同时为环隙中气化吸热反应提供热量，经快速换热及气化吸热反应避免局部高温区的出现，降低射流管区域结渣的发生机率。
文档编号C10J3/56GK203144353SQ20132004596
公开日2013年8月21日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者毕继诚, 毛燕东, 李克忠, 康守国, 祖静茹 申请人:新奥科技发展有限公司