本实用新型涉及煤气化技术领域，具体而言，涉及一种气化炉。
背景技术：
煤加氢气化是在一定温度和压力下煤粉与过量氢气发生气化反应生成富甲烷的合成气、油品和半焦的过程。大量半焦的生成，导致加氢气化的碳转化率仅为50％左右。为了提高整个工艺的碳转化率，现有技术中，通常会将落入气化炉排焦区的温度在800-1000℃的高温半焦，经过炉内或炉外换热冷却后，再送入半焦气化工段，通过半焦的水蒸气气化等反应，获得含氢气的粗煤气，将粗煤气经净化后再回用到煤加氢气化过程中。可以看出，半焦气化获取氢气的过程与煤加氢气化获取富甲烷合成气的过程属于两个不同的工艺过程，并且，半焦经冷却后再升温气化，需要消耗大量能量、且该工艺过程复杂。
技术实现要素：
鉴于此，本实用新型提出了一种气化炉，旨在解决现有煤气化过程中碳转化率较低的问题。
一个方面，本实用新型提出了一种气化炉，包括：炉体；其中，所述炉体内形成用以使煤粉加氢气化的气化区和连通于所述气化区下方，用以将所述气化区中煤加氢气化反应产生的半焦配制成水焦浆，并对所述水焦浆进行电解制取氢气的电解区。
进一步地，上述气化炉中，所述炉体内还设置有扩散区，其连通于所述气化区与所述电解区之间；所述扩散区用以使所述气化区产生的半焦分散后均匀落入所述电解区。
进一步地，上述气化炉中，所述扩散区中设置有用以使所述气化区产生的半焦均匀落入所述电解区的导流板。
进一步地，上述气化炉中，所述导流板设置在所述气化区中激冷层下方第二预设距离处。
进一步地，上述气化炉中，所述扩散区中还设置有用以将所述电解槽阳极处电解产生的阳极气体和所述电解槽阴极处电解产生的阴极气体隔离开的气体分隔板，所述导流板的一端连接于所述气体分隔板。
进一步地，上述气化炉中，所述气体分隔板下端插入所述电解液液面以下的第一预设距离处。进一步地，上述气化炉中，所述导流板为锥状体，所述锥状体的锥顶端与所述气体分隔板相连接。
进一步地，上述气化炉中，所述导流板与所述气体分隔板之间呈第一夹角设置。
进一步地，上述气化炉中，所述第一夹角为10～30°。
进一步地，上述气化炉中，电解槽中设置有用以将所述电解槽中的电解质溶液、催化剂及所述导流板导入的半焦混合均匀的搅拌机构。
进一步地，上述气化炉中，所述搅拌机构为搅拌桨，所述搅拌桨的上端与电解液液面之间具有第三预设间距。
进一步地，上述气化炉中，所述搅拌桨为多个，各所述搅拌桨间隔设置；并且，每个所述搅拌桨与所述电解槽阳极及所述电解槽阴极之间具有间距。
进一步地，上述气化炉中，所述电解区底部设置有排渣口，所述排渣口周向的壁面为用以使所述电解区中电解反应后剩余的灰渣排出所述排渣口的倾斜面。
进一步地，上述气化炉中，所述电解区与所述气化区的直径之比为(2-3)： 1。
与现有技术相比，本实用新型提供的气化炉，通过在气化炉上部设置气化区，用以进行煤加氢气化反应；在气化炉下部设置电解区，将煤加氢气化反应产生的高温半焦直接配制成水焦浆以电解制取氢气，充分利用了高温半焦的热量，提高了水焦浆温度，有利于半焦扩散成浆以及电解过程的离子扩散，提高了半焦制备氢气的氢气产率，解决了一定量煤加氢气化过程所需要的原料含氢气体的来源，并提高了碳转化率；此外，在同一装置内实现了煤加氢气化和半焦制氢，与现有技术中将半焦从气化炉排出后再气化产氢的工艺相比，简化了工艺。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本实用新型实施例提供的气化炉的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
参阅图1，本实用新型实施例的气化炉包括：炉体；其中，炉体1内设置有用以使煤粉加氢气化的气化区a和连通于气化区下方，用以将气化区a中煤加氢气化反应产生的半焦配制成水焦浆，并对水焦浆进行电解制取氢气的电解区b。
具体而言，炉体1的形状可以为筒状，其直径大小可以根据实际情况进行选择。
炉体1顶部设置有用以向气化区a输送煤粉的煤粉喷嘴15，煤粉喷嘴15 的两侧设置有用以提供煤加氢气化所需氢气的含氢气体环氧喷嘴16，该含氢气体环氧喷嘴16中含有氢气输送管道和氧气输送管道，氢气输送管道位于氧气输送管道内部，氧气气流环绕在氢气输送管道外部四周的环隙内，氢气和氧气由各自的输送管道喷出后混合燃烧。煤粉颗粒通过煤粉喷嘴15，由炉体1的顶部喷入气化区a中，与通过两侧的含氢气体环氧喷嘴16喷入的氢气和氧气碰撞混合，氢气和氧气燃烧后提供反应热值，促使进入气化区a内的煤粉发生气化反应，反应后生成富甲烷的合成气和高温半焦，其中合成气主要是甲烷、过量氢气和气相芳烃油品的混合气。
炉体1底部设置有用以对煤加氢气化产生的合成气进行冷却的激冷层l，激冷层l可以是激冷水循环管道r环绕形成的区域，本实施例对激冷层l的结构不做限定。在激冷层l的下方设置有合成气出口管道q，煤气化反应产生的富甲烷的合成气经激冷层l冷却降温到600-700℃后输出至后续系统进行净化处理。具体实施时，可以通过调控激冷水循环管道r中的激冷水量来控制煤加氢气化的合成气出口的温度，优选的，可以将合成气出口管道q中合成气的温度控制在500～600℃。炉体1的内、外壁之间设置还可以有保温层18，能够减少气化区a中煤加氢气化反应中的热量损失及电解区b中电解反应中的热量损失。
气化区a中煤加氢气化过程所产生的大部分高温(800-1000℃)半焦在自身重力作用下进入电解区b内，经配制成水焦浆后进行电解反应以制取氢气。
请结合图1所示，本实施例提供的气化炉的工作过程为：90％以上粒度小于75μm的煤粉颗粒由炉体1顶部进入气化炉内，与通过含氢气体环氧喷嘴16 喷入的氢气和氧气碰撞混合，后在温度为800-1000℃，反应压力5-10Mpa的条件下发生气化反应，生成合成气和高温半焦。其中，合成气经过激冷层l中的激冷水冷却降温到600-700℃后，通过合成气出口管道进入后系统净化处理。高温(800-1000℃)半焦在自身重力作用下进入电解区b内，经配制成水焦浆后进行电解反应以制取氢气，该氢气可以作为煤加氢气化中的含氢气体来源。
上述显然可以得出，本实施例中提供气化炉，通过在气化炉上部设置气化区a，用以进行煤加氢气化反应；在气化炉下部设置电解区b，将煤加氢气化反应产生的高温半焦直接配制成水焦浆以电解制取氢气，充分利用了高温半焦的热量，提高了水焦浆温度，有利于半焦扩散成浆以及电解过程的离子扩散，提高了半焦制备氢气的氢气产率，解决了一定量煤加氢气化过程所需要的原料含氢气体的来源，并提高了碳转化率；此外，在同一装置内实现了煤加氢气化和半焦制氢，与现有技术中将半焦从气化炉排出后再气化产氢以回收利用的工艺相比，简化了工艺。
上述实施例中，炉体1内还设置有扩散区c，其连通于气化区a与电解区 b之间；扩散区c用以使气化区a产生的半焦分散后均匀落入电解区b。
具体而言，扩散区c位于激冷层l下方，作为直径较小的气化区a向直径较大的电解区b过渡的区域，优选的，电解区b与气化区a的直径之比可以为 (2-3)：1。这样的结构设置，一方面使得煤气化反应产生的半焦能够连续进入电解区b中；另一方面，也能够使得电解区b中水焦浆的浓度能够满足电解反应所需要的浓度条件。
电解区b底部设置有排渣口p，为了避免气化炉中水焦浆电解后剩余的灰渣在自身重力下沿着气化炉底部内壁向下排出炉体1时发生堵塞现象，排渣口 p周向的壁面为用以使所述电解区b中电解反应后剩余的灰渣排出所述排渣口 p的倾斜面。例如，电解区b底壁可以为向下凹设的曲面，该曲面任意一点处的切线与水平面之间可以呈第二夹角β设置。优选的，第二夹角β为30～60°。
上述各实施例中，电解区b包括：电解槽3、电解槽阳极4和电解槽阴极 5；其中，电解槽3中放置有电解液d；电解槽阳极4一端与外部直流电源e 的正极相连接，另一端置于电解液d中；电解槽阴极5与电解槽阳极4并列设置，并且，电解槽阴极5的一端与外部直流电源e的负极相连接，另一端置于电解液d中。
具体而言，电解槽3中的电解液d包括了电解反应所需要的高温半焦、电解质溶液和催化剂，电解槽3中设置有用以监测电解液d液位的液位计11，当随着电解反应的进行，电解液d消耗导致液位低于预设值时，就需要向电解槽3内添加一定浓度的电解质溶液。电解槽阳极4材质可以选用耐腐蚀和导电性能好的钛板或碳纤维板，并可以在钛板或碳纤维板表面涂覆铂铱(Pt-Ir)、铂铁(Pt-Fe)、铂镍(Pt-Ni)合金等强化各自的耐腐性和导电性。电解槽阴极5 的材质可以采用铂板或者Ni、Co改性后的TiO2/Pt电极，以防止氢腐蚀。外部直流电源e电解电压可以为0.21～0.80V。
具体实施时，电解区b的外壁上开设有外部直流电源e的正、负极连接线的连接口，电解槽阳极4与电解槽阴极5分别与外部直流电源e的负极、正极连接后，两者平行插入电解液d中并保持适当距离，从而在电解槽阳极4和电解槽阴极5之间形成一个回路。
为了保证电解区b中电解反应的进行，扩散区c的外壁上开设有第一进口 f、第二进口g、第一出口h和第二出口i。其中，
第一进口f可以连接有用以向电解槽3中输送电解质溶液的电解质溶液输送管道6。电解质溶液可以为盐酸、硫酸等酸性电解质；也可以为氢氧化钠等碱性电解质。优选的，本实施例中的电解质溶液为盐酸。电解质溶液的浓度可以根据实际情况进行选择，例如可以为0.5～1.0mol/L。
第二进口g可以连接有用以向电解槽3中输送催化剂的催化剂输送管道7。催化剂可以为铁离子，例如硝酸铁(Fe(NO3)3)、氯化铁(FeCl3)等，优选的，催化剂可以选用六氰合铁酸钾(K3Fe(CN)6)，其添加量可以根据实际情况进行选择，当煤加氢气化的煤粉中灰分含量较高，并且灰分组成中含有一定的铁含量可以冲抵铁离子催化剂的需求量时，可以不用额外添加催化剂。本实施例中铁离子的添加量可以为10～60mmol/L，在铁离子催化剂的作用下，电解效率可以达到98％以上。具体反应如下：
电解液中：4Fe3++C+2H2O→4Fe2++CO2+4H+
电解槽阳极：Fe2+→Fe3++e
电解槽阴极：2H++2e→H2
为了将气化区a产生的高温半焦与从电解质溶液输送管道6和催化剂输送管道7添加的一定浓度的电解质溶液及催化剂混合搅拌均匀，形成一定温度和浓度的水焦浆电解液d，电解槽3中设置有用以将电解质溶液输送管道6输入的电解质溶液、导流板17导入的半焦与催化剂管道7输入的催化剂混合均匀的搅拌机构。
具体而言，搅拌机构为搅拌桨10，搅拌桨10可以设置在电解槽3底部的任意位置，不触碰到电解槽阳极4和电解槽阴极5即可，例如可以设置在电解槽3底部中心位置。搅拌桨10的上端与电解液d液面之间具有第三预设间距。优选的，第三预设间距可以为15～20cm。具体实施时，可以通过气化炉外的电机2驱动搅拌桨10对电解液d进行搅拌，促进电解反应的进行，搅拌桨10的搅拌频率可以为300～500转/分钟。搅拌桨10上可以有多个叶片，例如可以有 3～7个叶片。
为了提高搅动的效果，搅拌桨10可以为多个，例如可以为3-5个；各搅拌桨10间隔设置以避免各自之间产生碰撞影响对电解液d的搅拌。每个搅拌桨10与电解槽阳极4及电解槽阴极5之间具有间距，对于该间距不做具体限定，不碰触到两个电极即可。
电解反应进行时，电解液d的温度对高温半焦扩散成浆以及电解过程的离子扩散有重要影响，因此需要通过温度检测仪表将电解液d的温度控制在合适范围内，例如200～300℃，以利于高温半焦扩散成浆以及电解过程的离子扩散。由于电解液d内设置搅拌浆10并且电解质有一定腐蚀性，不适宜将温度检测仪表放置在电解液d内，因此，电解液d的温度判断可以通过电解槽阴极5电解产生的氢气的出口温度来判定。
第一出口h设置在扩散区c外壁上靠近电解槽阳极4的一侧，且连接有阳极气体输出管道8，用以将电解槽阳极4处电解产生的阳极气体输送至二氧化碳收集罐中。本实施例中，阳极气体是含有少量一氧化碳、有机气体等杂质的二氧化碳气体。
第二出口i设置在扩散区c外壁上靠近电解槽阴极5的一侧，且连接有阴极气体输出管道9，用以将电解槽阴极5处电解产生的阴极气体输送至煤加氢气化原料含氢气体的缓冲罐中。本实施例中的阴极气体是指氢气，氢气进入缓冲罐中可以作为煤加氢气化的原料气。
本实施例中，扩散区c的外壁还开设有第三进口j和第四进口k。其中，第三进口j连接有用以向电解区b中输送煤加氢气化合成气中分离出的半焦及粉尘的后系统返料输送管道12。
具体而言，气化区a产生的煤加氢气化合成气中，会携带有少量半焦或粉尘，通过后续系统中旋风分离器和高温过滤器对其进行除尘净化，分离出的半焦及粉尘再经过后系统返料管道12添加到气化炉电解液d中成浆后参与电解反应，减少了半焦损失，提高了半焦的利用率，进而提高了碳转化率，同时也减少了粉尘的排放。
第四进口k连接有用以向电解区b中输送煤加氢气化用煤粉的配煤管道 13。
具体而言，水焦浆电解时，电解液d的浓度对于电解效率会有较大影响，例如当电解液d的浓度为30～60wt.％时，可以保持较高电解效率。由于不同煤粉所产生的半焦性质会存在一定差异，当所产半焦疏水性偏大，水焦浆成浆浓度较低时，可以添加煤粉配煤成浆，促进水焦浆的成浆浓度，提高电解效率。本实施例中可以通过配煤管道13添加一定的煤加氢气化用煤粉，提高成浆浓度，进而提高了水焦浆电解制氢效率。
本实施例中，第一进口f、第二进口g、第三进口j和第四进口k的可以设置在扩散区c外壁的任意位置，例如，可以均设置在同侧，也可以沿扩散区c 外壁的周向分布，便于装配检修即可，本实施例对其不做任何限定。
上述实施例中，为了防止电解槽阳极4和电解槽阴极5产生的气体发生混合而降低气体纯度，扩散区c中还设置有用以将电解槽阳极4处电解产生的阳极气体和电解槽阴极5处电解产生的阴极气体隔离开的气体分隔板14。
具体而言，气体分隔板14的材质可以为耐高温的不锈钢，厚度可以为2-3cm，其下端插入电解液d中，其插入深度可以根据实际情况进行选择。气体分隔板14的两端可以通过焊接、铆接等方式固定在扩散区c的内壁上，从而将电解液d上面的空间分隔成两个区域，以有效防止电解槽阴极5和电解槽阳极4产生的气体相互混合。
上述各实施例中，扩散区c中设置有用以使气化区a产生的半焦均匀落入电解区b的导流板17。
具体而言，导流板17可以设置在扩散区c中中激冷层l下方第二预设距离处。优选的，第二预设距离可以为1-3cm；导流板17的一端连接于气体分隔板 14。
导流板17的材质可以为耐高温的不锈钢，长度可以为10-20cm，厚度可以为1-2cm，以便能长时间承受半焦的冲刷而不变形。导流板17可以为锥状体，锥状体的锥顶端与气体分隔板14相连接。
为了避免半焦长期滞留在导流板17上，造成局部高温，影响导流板17的材质寿命。导流板17与气体分隔板14之间呈第一夹角α设置，优选的，第一夹角α为10～30°。
此外，本实施例中，导流板17和气体分隔板14可以均沿炉体1的中心轴线设置，一方面，使得气体分隔板14可以更好的将电解槽阳极4和电解槽阴极5产生的气体隔离开来；另一方面，也使得导流板17能将煤气化产生的高温半焦更充分的导入电解区b中的电解槽阳极4和电解槽阴极5附近的电解液 d中以参与电解反应。
可以看出，导流板17的设置，能够防止半焦在直线下落过程中全部集中堆积在电解槽3的中心区域，从而使得半焦在电解区b中的电解槽3内均匀分布，同时，也能有效避免半焦黏附搅拌桨10，影响搅拌桨10的搅拌效果。
上述实施例中，为了更稳固的支撑导流板17，气体分隔板14下端插入电解液d液面以下的第一预设距离处。优选的，第一预设距离可以为5～10cm。
综上，本实用新型实施例中提供的气化炉，通过在气化炉上部设置气化区，用以进行煤加氢气化反应；在气化炉下部设置电解区，将煤加氢气化反应产生的高温半焦直接配制成水焦浆以电解制取氢气，充分利用了高温半焦的热量，提高了水焦浆温度，有利于半焦扩散成浆以及电解过程的离子扩散，提高了半焦制备氢气的氢气产率，解决了一定量煤加氢气化过程所需要的原料含氢气体的来源，并提高了碳转化率；此外，在同一装置内实现了煤加氢气化和半焦制氢，与现有技术中将半焦从气化炉排出后再气化产氢以回收利用的工艺相比，节省了气化设备的投资，降低了成本。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。