气化反应装置的制作方法

本实用新型涉及煤气化技术领域，具体而言，涉及一种气化反应装置。

背景技术：

煤加氢气化反应是指在过量氢气和高温中压环境下，煤发生一系列化学反应，生成甲烷、一氧化碳等气体、高附加值油品以及半焦的过程。该反应过程可分为一次加氢热分解反应和二次反应，具体地，二次反应包括气相产物加氢裂解、聚合、固体半焦加氢等反应。其中，一次加氢热分解反应和二次反应中的气相反应速度相对较快，而二次反应中的固体半焦加氢的反应为慢反应，需要较长的反应时间才能获得较高的转化率。

然而，现有的煤加氢气化反应器多为气流床反应器，属平推流反应器，一次加氢热分解反应中的半焦和气体产物在反应区停留时间相同，只能保证气体产物的充分反应，但对于半焦而言，由于反应时间短，未充分反应就被带出反应区，造成半焦转化率低，影响系统整体经济性。

技术实现要素：

鉴于此，本实用新型提出了一种气化反应装置，旨在解决现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题。

本实用新型提出了一种气化反应装置，该装置包括：内筒、外筒、气化喷嘴、排料管和反应机构；其中，内筒设置于外筒内，气化喷嘴依次穿设外筒的顶壁和内筒的顶壁且置于内筒内，用于向内筒内输送煤粉、第一氢气和氧气，以进行一次加氢热分解反应；反应机构设置于内筒内，用于使一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应；排料管依次穿设外筒的底壁和内筒的底壁且部分置于内筒内。

进一步地，上述气化反应装置中，内筒内由顶部至底部依次设置有相互连通的第一反应区和第二反应区；反应机构设置于第二反应区，用于向第二反应区内输送具有预设压力和预设温度的环流气，环流气带动半焦在第二反应区的边侧与中心之间循环运动形成环流流场。

进一步地，上述气化反应装置中，环流气包括：第三氢气，第三氢气带动半焦运动以形成环流流场，并且，第三氢气与半焦进行二次反应半焦加氢反应。

进一步地，上述气化反应装置中，反应机构包括：溢流管和多个喷嘴；其中，内筒对应于第一反应区的直径小于对应于第二反应区的直径；各喷嘴均设置于内筒的底部，用于向内筒内输入环流气；溢流管设置于内筒内，溢流管的第一端与排料管相连通，溢流管的第二端为自由端且与第二反应区的顶部具有预设距离。

进一步地，上述气化反应装置中，溢流管的高度与内筒对应于第二反应区的高度之比大于2：3，并且，内筒对应于第一反应区的直径与溢流管的直径之比大于2：1。

进一步地，上述气化反应装置中，内筒对应于第二反应区的直径与对应于第一反应区的直径之比大于2：1。

进一步地，上述气化反应装置中，内筒对应于第二反应区包括：相互连通的变径段和主体段，变径段与第一反应区相连通，内筒对应于变径段的内壁与内筒对应于主体段的内壁之间具有预设夹角。

进一步地，上述气化反应装置中，内筒的底部呈锥形，内筒的锥顶端朝向外筒的底部，各喷嘴均靠近内筒的锥底端设置。

进一步地，上述气化反应装置中，反应机构还包括：壳体和输气管；其中，壳体置于内筒与外筒之间且罩设于内筒的底部，壳体与内筒的外壁围设成腔体，各喷嘴均置于腔体内；壳体开设有气体入口，输气管穿设于外筒且与气体入口相连接，输气管用于向腔体内输送环流气；腔体用于使环流气均匀分布后输送给各喷嘴。

进一步地，上述气化反应装置中，内筒对应于第一反应区的高度与直径之比大于3：1。

进一步地，上述气化反应装置还包括：盘管；其中，盘管绕设于内筒的外壁且对应于第二反应区，盘管的第一端穿设于外筒且置于外筒的外部，用于接收第四氢气，以使第四氢气与第二反应区处的内筒进行换热；盘管的第二端穿设于外筒且与气化喷嘴相连通，用于将换热后的第四氢气输送至气化喷嘴。

本实用新型中，通过在内筒内设置反应机构，使得一次加氢热分解反应产生的半焦继续与第二氢气进行半焦加氢反应，延长了半焦在内筒内的停留时间，保证了半焦与第二氢气的充分反应，提高了半焦的转化率和甲烷气体的产率，解决了现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题，进而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

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反应装置的结构示意图；

图2为图1中a-a处的剖面结构示意图。

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。

参见图1，图1为本实用新型实施例提供的气化反应装置的结构示意图。如图所示，气化反应装置用于进行煤加氢气化反应，气化反应装置包括：内筒1、外筒2、气化喷嘴3、排料管和反应机构。其中，内筒1设置于外筒2的内部，并且，内筒1的竖向轴线与外筒2的竖向轴线相重合。气化喷嘴3依次穿设外筒2的顶壁和内筒1的顶壁且置于内筒1内，气化喷嘴3用于向内筒1内输送煤粉、第一氢气和氧气，煤粉、第一氢气和氧气在内筒1内进行一次加氢热分解反应，生成气体、油品和半焦。具体地，气化喷嘴3的一端置于外筒2的外部，另一端置于内筒1的内部。

反应机构设置于内筒1内，反应机构用于使一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应。其中，第二氢气可以为气化喷嘴3输送的过量的第一氢气，也可以是，第二氢气包括：过量的第一氢气和一次加氢热分解反应中产生的氢气。半焦与第二氢气进行半焦加氢反应，可生成甲烷气体等。

排料管依次穿设外筒2的底壁和内筒1的底壁且部分置于内筒1内，具体地，排料管的一端置于内筒1的内部，另一端置于外筒2的外部，排料管用于接收一次加氢热分解反应和半焦加氢反应产生的反应产物，并将反应产物排出。其中，反应产物包括：气体、油品、半焦和甲烷气体。

可以看出，本实施例中，通过在内筒1内设置反应机构，使得一次加氢热分解反应产生的半焦继续与第二氢气进行半焦加氢反应，延长了半焦在内筒1内的停留时间，保证了半焦与第二氢气的充分反应，提高了半焦的转化率和甲烷气体的产率，解决了现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题，进而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

继续参见图1，上述实施例中，内筒1的内部由顶部至底部(图1所示由上至下)依次设置有第一反应区4和第二反应区5，第一反应区4与第二反应区5相互连通。第一反应区4位于内筒1的上部，第二反应区5位于内筒1的下部。

反应机构设置于第二反应区5，则一次加氢热分解反应是在第一反应区4进行，半焦与第二氢气的半焦加氢反应是在第二反应区5进行。反应机构用于向第二反应区5内输送具有预设压力和预设温度的环流气，环流气带动半焦在第二反应区5的边侧与中心之间循环运动从而形成环流流场。具体地，预设压力的环流气输送至内筒1内，环流气在压差的作用下进行运动，带动了半焦一起运动，其运动轨迹为由第二反应区的边侧向第二反应区的中心处运动，再由第二反应区的中心向第二反应区的边侧处运动，从而形成了循环运动的环流流场。因此，第一反应区4为平推流反应区，第二反应区5为环流反应区。

由于第一反应区4中产物的温度较高，所以环流气再与第一反应区4中的产物进行混合后，环流气的预设温度应能够对第二反应区5的温度进行调节以保证半焦加氢反应的反应温度，进而避免第一反应区4中一次加氢热分解反应产生的油品发生深层裂解。具体实施时，预设压力和预设温度均可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。

具体实施时，第一反应区4的反应温度为900-1000℃，第二反应区5的反应温度为700-900℃。

优选的，环流气包括：第三氢气。第三氢气带动半焦运动以形成环流流场，并且，第三氢气与半焦进行半焦加氢反应。这样，能够使得半焦与第二氢气和第三氢气进行充分反应，保证了半焦的充分反应，大大提高了半焦的转化率。

可以看出，本实施例中，反应机构是通过环流气的流动带动半焦运动形成环流流场，使得半焦在第二反应区5内循环，大大延长了半焦在内筒1内的停留时间，保证了半焦与第二氢气的充分反应，提高了半焦的转化率，并且，环流气的预设温度能够保证半焦加氢反应的反应温度，进而有效地减少一次加氢热分解反应产生的油品产物的二次裂解，环流气的预设压力能够使得环流气带动半焦运动形成环流流场。

参见图1和图2，上述实施例中，反应机构可以包括：溢流管7和多个喷嘴6。其中，内筒1对应于第一反应区4的直径d1小于内筒1对应于第二反应区5的直径d3，以便于环流气带动半焦在第二反应区5内形成环流流场。优选的，内筒1对应于第二反应区5的直径d3与内筒1对应于第一反应区4的直径d1之比大于2：1，能够使得环流气在第二反应区5内更好地改变流向，进而形成环流流场。

更为优选的，内筒1对应于第二反应区5包括：变径段12和主体段13。变径段12和主体段13相互连通，并且，变径段12与第一反应区4相连通。由于内筒1对应于第一反应区4的直径小于内筒1对应于第二反应区5的直径，所以变径段12使得内筒1的内壁由第一反应区4平滑过渡至第二反应区5，内筒1对应于主体段13的直径即为内筒1对应于第二反应区5的直径d3。内筒1对应于变径段12的内壁与内筒1对应于主体段13的内壁之间具有预设夹角。优选的，该夹角为120℃-150℃。

更为优选的，内筒1对应于变径段12处为弧形段，以使内筒1整体平滑流场，便于环流流场中环流气和半焦的循环流动。

各喷嘴6均设置于内筒1的底部，各喷嘴6均用于向内筒1内输入环流气，以使环流气带动半焦沿第二反应区5的边侧第二反应区5的顶部运动再由第二反应区5的中心向第二反应区5的底部运动从而形成环流流场。具体地，各喷嘴6均对应于第二反应区5的底部，即各喷嘴6设置于第二反应区5的主体段13的底部，各喷嘴6输入的环流气是由第二反应区5的底部输送至第二反应区5。内筒1的底壁开设有多个开孔，各喷嘴6与各开孔一一对应，各喷嘴6一一对应地穿设于各开孔，并且，各喷嘴6的出口端均置于内筒1内，更为具体地，各喷嘴6在内筒1内贴设于内筒1的内壁。每个喷嘴6的进口端均连接有一个连接管，每个连接管均穿设于外筒2且置于外筒2的外部，每个连接管均用于接收环流气，并将环流气输送给对应的喷嘴6，各喷嘴6将环流气输送至内筒1内。

优选的，各喷嘴6沿内筒1的底壁呈圆周状均匀分布，能够使得各喷嘴6输送的环流气均匀地进入内筒1内，便于形成环流流场。

由于环流气具有预设压力，所以，各喷嘴6喷射出的环流气具有一定的速度，以便于形成环流流场。具体实施时，各喷嘴6喷射环流气的速度为大于15m/s。

溢流管7设置于内筒1内，溢流管7的第一端(图1所示的下端)与排料管相连通，溢流管7的第二端(图1所示的上端)为自由端，并且，溢流管7的第二端与第二反应区5的顶部具有预设距离。溢流管7用于将第一反应区4输送至第二反应区5的部分反应产物和第二反应区5中半焦加氢反应产生的反应产物输送至排料管。具体地，溢流管7悬设于内筒1内，溢流管7置于第二反应区5内，并且，溢流管7的第一端对应于第二反应区5的底部，溢流管7的第二端向第二反应区5的顶部延伸。具体实施时，预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。优选的，溢流管7和排料管均与内筒1同轴设置。更为优选的，溢流管7与排料管为一体成型，形成一根管，便于加工制作。

具体实施时，环流气带动半焦的运动的轨迹为：环流气从第二反应区5的底部输入，环流气带动半焦沿第二反应区5的边侧向第二反应区5的顶部运动，然后在第二反应区5的顶部改变流向，从第二反应区5的边侧到达第二反应区5的中心处，即到达溢流管7处，然后，再沿第二反应区5的中心处的顶部向第二反应区5的底部运动，即沿着溢流管7管壁由第二反应区5的顶部向第二反应区5的底部运动。半焦按照上述运动轨迹进行循环运动，从而形成环流流场。

可以看出，本实施例中，通过控制内筒1对应第一反应区4的直径和对应于第二反应区5的直径，使得环流气由内筒1的底部向上运动被第一反应区4和第二反应区5之间的变径段所阻挡，改变了环流气的流动方向，沿溢流管向下运动，从而形成环流流场，并且，环流气通过各喷嘴6高速喷出，使得环流气在内筒1内流动带动半焦的运动，同时，溢流管7的设置能够将环流流场中的反应产物和第一反应区4中一次加氢热分解反应的产物排出，结构简单，便于实施。

继续参见图1和图2，上述实施例中，为了控制环流流场的循环倍率，则溢流管7的高度l与内筒1对应于第二反应区5的高度之比大于2：3，并且，内筒1对应于第一反应区4的直径d1与溢流管7的直径d2之比大于2：1。具体地，溢流管7的第一端对应于内筒1的底壁处，则排料管置于内筒1的底壁与外筒2的底壁之间且部分置于外筒2的外部。当溢流管7与排料管为一体成型时，溢流管7的高度l仅仅指的是置于内筒1内的高度。这样，能够有效地控制环流流场的形成和循环量，延长了半焦在内筒1内的停留时间，使得半焦与氢气进行充分的半焦加氢反应，提高了半焦的转化率。

继续参见图1和图2，上述各实施例中，内筒1的底部呈锥形，内筒1的锥顶端(图1所示的下端)朝向外筒2的底部，各喷嘴6均靠近内筒1的锥底端(图1所示的上端)设置。具体地，内筒1对应于第二反应区5还包括：与主体段13相连通的锥形段14，锥形段14对应于第二反应区5的底部，锥形段14的锥顶端朝向外筒2的底部，锥形段14的锥底端与主体段13相连通，各喷嘴6设置于锥形段14且靠近主体段13。

继续参见图1和图2，上述各实施例中，反应机构还可以包括：壳体8和输气管9。其中，壳体8置于内筒1与外筒2之间，并且，壳体8罩设于内筒1的底部，壳体8与内筒1的外壁围设成一个腔体11。具体地，壳体8设置于内筒1底部的外部且置于外筒2的内部，壳体8对应于第二反应区5的底部。壳体8为封闭的结构，则壳体8与内筒1的外壁围设成一个环形的腔体11。更为具体地，壳体8对应于内筒1的主体段13和锥形段14的连接处，并且，壳体置于主体段13的底部和部分锥形段14。

各喷嘴6均置于腔体11内，也就是说，各喷嘴6在内筒1底部的设置位置置于腔体11内。

壳体8开设有气体入口，输气管9穿设于外筒2且与气体入口相连接，输气管9用于向腔体11内输送环流气。腔体11用于使环流气均匀分布后输送给各喷嘴6。具体地，输气管9的第一端置于外筒2的外部，输气管9的第二端置于外筒2的内部且与壳体8的气体入口相连接。

可以看出，本实施例中，预设压力的环流气利用压差在壳体8与内筒1的外壁围设的腔体11内均匀分布，再将均匀分布的环流气通过各喷嘴6输送至内筒1内，能够有效地带动半焦运动，便于环流流场的形成。

参见图1，上述各实施例中，内筒1对应于第一反应区4的高度与直径之比大于3：1。这样，能够保证半焦在第一反应区4以平推流形式输出，并能够保证半焦以预设速度由第一反应区4输送至第二反应区5，进而在环流气的带动下形成环流流场。

继续参见图1，上述各实施例中，气化反应装置还可以包括：盘管10。其中，盘管10置于外筒2和内筒1之间，盘管10绕设于内筒1的外壁，并且，盘管10对应于第二反应区5。盘管10的第一端穿设于外筒2，并且，盘管10的第一端置于外筒2的外部，盘管10的第一端用于接收第四氢气，以使第四氢气与第二反应区5处的内筒1进行换热。盘管10的第二端穿设于外筒2，并且，盘管10的第二端置于外筒2的外部且与气化喷嘴3相连通，盘管10的第二端用于将换热后的第四氢气输送至气化喷嘴3。

具体实施时，盘管10的第一端靠近第二反应区5的底部，盘管10的第二端靠近第二反应区5的顶部。

可以看出，本实施例中，通过盘管10将第四氢气与第二反应区5处的内筒1进行换热，不仅保证了半焦加氢反应的反应温度，确保了半焦加氢反应的进行，并避免了第一反应区4中产生的油品深层裂解，而且，能够对第四氢气进行加热，将加热后的第四氢气通过气化喷嘴3输送至第一反应区4，保证了第一反应区4中一次加氢热分解反应的反应温度，提高了能源利用率。

结合图1和图2对气化反应装置的具体工作过程进行介绍：第一氢气加热至一定温度后输送至气化喷嘴3，氧气与第一氢气发生贫氧燃烧，将第一氢气的温度提高至1100℃以上，再与煤粉在气化喷嘴3的出口处进行混合，将煤粉快速加热升温。通过控制氧气量将第一反应区4的反应温度控制在900-1000℃。在第一反应区4，煤粉与第一氢气发生一次加氢热分解反应，产生气体、油品和半焦。由于第一反应区4的温度较高，高温会造成反应产物的过度裂解，特别是油品的裂解，降低高附加值油品的收率，因此，反应产物在第一反应区4的停留时间较短，为3-10秒。然后，一次加氢热分解反应产生的气体、油品和半焦进入第二反应区5。

在第二反应区5，通过输气管9向腔体11内输送具有预设压力和预设温度的环流气，环流气在腔体11内分布均匀后由各喷嘴6高速喷入至内筒1内。在第二反应区5，由于环流气的通入，所以将第二反应区5的温度控制在700-900℃，这样，一次加氢热分解反应产生的油品在第二反应区5继续进行部分裂解，由于反应温度低，油品不会发生深层裂解，反应可生成轻质芳烃油品。同时，环流气依靠各喷嘴6喷出的速度在内筒1内流动，进而带动了气体、油品和半焦的一起运动，形成了环流流场。在环流循环过程中，半焦与第二氢气进行半焦加氢反应，当环流气包括第三氢气时，半焦不仅与第二氢气进行半焦加氢反应，也与第三氢气进行半焦加氢反应，保证了半焦的充分反应，该半焦加氢反应生成甲烷气体和其他的产物。

在第一反应区4中的反应产物输送第二反应区5的过程中，由于内筒1对应于第一反应区4的直径与溢流管7的直径之间存在直径差，所以，一次加氢热分解反应产生的反应产物大部分被环流气携带进入环流流场中进行循环，另一部分则进入溢流管7。在第二反应区5，随着半焦加氢反应的进行，半焦的跟随性增强，半焦被气体夹带至溢流管7内，并且，环流流场中半焦加氢反应的其他产物也进入溢流管7，即溢流管7将一次加氢热分解反应和半焦加氢反应中产生的反应产物输送至排料管，再通过排料管输送出去。

第四氢气输送至盘管10内，第四氢气在盘管10内与对应于第二反应区5处的内筒1进行换热，使得第四氢气的温度升高，升高后的第四氢气可以作为第一氢气输送至气化喷嘴3，进而输送至内筒1内。

综上所述，本实施例中，通过在内筒1内设置反应机构，使得一次加氢热分解反应产生的半焦继续与第二氢气进行半焦加氢反应，延长了半焦在内筒1内的停留时间，保证了半焦与第二氢气的充分反应，提高了半焦的转化率和甲烷气体的产率，进而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

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。