一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，由活化区、除矸区和制气区组成，依次连接成U型结构，其中除矸区水平向放置，活化区和制气区纵向设置在除矸区的两端，且内部连通。本实用新型专利技术基于高灰煤气化活性低、气化热效率低、冷渣困难的现状和氧化反应与气化反应之间协同作用等最新科研成果而提出。在活化区利用氧化作用改变高灰煤的表面孔隙结构，且促使碳氧键的断裂和高活性基团生成，提高高灰煤活性。在除矸区采用流化筛选和磁铁筛选相结合的形式，对灰含量较高的煤炭进行初步分离，避免其进入制气区白白吸收热量后高温排出，大大提高气化热效率，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。

A U-shaped Reactor for High Efficiency Hydrogen Production from High Ash Coal

【技术实现步骤摘要】
一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器
本技术涉及高灰煤制氢设备领域，具体为一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器。
技术介绍
随着对煤炭资源的大规模开采和利用，优质煤炭资源越来越少，大量的劣质煤资源，尤其是高灰煤在剩余资源中比例增大。据不完全统计，仅河南义马煤田原煤灰分可能达到40%以上的高灰煤约1.1亿吨，山西省2800多亿吨煤炭储量中高灰煤（多伴随高硫、高灰熔点）约占1/3。开发高灰煤清洁利用技术，不但可以缓解我国的能源危机和环境危机，对我国的能源战略也具有显著的积极意义。国家大力提倡劣质煤的清洁转化，先后出台了《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》（国务院办公厅）、《煤炭清洁高效利用行动计划（2015-2020年）》（国家能源局）等政策，“鼓励低热值煤和劣质煤就地清洁转化利用”，“加大劣质煤、煤泥、煤矿瓦斯、矿井水等资源化利用的力度”。这些高灰劣质煤大多煤质年轻黏结性差或无粘结性，不适宜作炼焦用煤或炼焦配煤；作为直接液化用煤，其灰含量远远超标，碳氢比也不合适，碳含量太低；做发电用煤，其热值较低，只能少量掺烧；固定床气化原料需要6-50mm块煤，这些劣质煤中块煤所占比例太少，大量细粒煤无法充分利用；利用水煤浆气化，这些煤炭内水含量、灰分含量的影响，难以制得高浓度、性能良好的水煤浆[8]；用于气流床壳牌气化则因原料煤灰分高、热值低而无法使用。利用高灰煤气化制取氢气是高效利用高灰煤的有效手段，目前，常见的高灰煤制气装置为流化床气化炉。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。在加压条件下，采用螺旋冷渣机冷却灰渣还存在转动部分密封困难、煤气容易泄露等问题。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、高热效率的反应器已经是一个值得研究的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中的不足，本技术提供了一种可以提高高灰煤的反应活性，增大气化速率，提高气化热效率的利用高灰煤高效制氢的U型反应器。本技术的目的是这样实现的：一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，由活化区A、除矸区B和制气区C组成，所述的活化区A、除矸区B和制气区C均为圆筒形容器，依次连接成U型结构，其中除矸区B水平向放置，活化区A和制气区C纵向设置在除矸区B的两端，且内部连通；所述的活化区A和制气区C与除矸区B的两端焊接固定或者采用一体铸材结构；所述的活化区A、除矸区B和制气区C的组成均包括气体分布器、气体均匀分布室和进气管；所述的活化区A包括设置在活化区筒体上方的高灰煤进口1，以及设置在活化区筒体内的第一气体分布器2；所述的第一气体分布器2的外本体上缠绕有电热丝（5），第一气体分布器2与活化区筒体之间为第一气体均匀分布室3；活化区筒体上设置有外界与第一气体均匀分布室3连通的第一进气管4；所述的第一气体均匀分布室3与第一气体分布器2之间均采用焊接连接；所述的高灰煤进口1上设置有第一单向阀a；所述的除矸区B包括第二气体分布器6，与第二气体分布器6连通的灰渣出口9；所述的第二气体分布器6与活化区筒体之间形成有第二气体均匀分布室7，同时活化区筒体上设置有与第二气体均匀分布室7连通的第二进气管8；所述的第二气体均匀分布室7与第二气体分布器2之间均采用焊接连接；所述的活化区C包括与除矸区B一端连通固定的第三气体分布器10，所述的第三气体分布器10的下端与除矸区B一端连通，上端连通设置有安全阀e的出气管13；所述的第三气体分布器10与除矸区B的筒体之间为第三气体均匀分布室11；所述的除矸区B的筒体上设置有与第三气体均匀分布室11连通的第三进气管12；所述的第三气体均匀分布室11与第三气体分布器10之间均采用焊接连接；所述的气体分布器包括第一气体分布器2、第二气体分布器6和第三气体分布器10；所述的第一气体分布器2和第三气体分布器10均为圆筒形容器，第三气体分布器6为锥形容器，组成第三气体分布器6的分布板锥角在50-135度之间；第一气体分布器2、第二气体分布器6和第三气体分布器10上的开孔形式采用正方形、正三角形或菱形的均匀形式，采用耐磨耐高温材质制作，其中第三气体分布器6采用具有磁性的耐磨耐高温材质制作；所述的除矸区B中除除矸区的筒体部分外的外表面均附有保温材料层14；所述的制气区C的直径不大于活化区A的1/3，除矸区B的直径不大于活化区A的1.5倍；制气区C的直径同时满足制气区C中表观气体流速不低于上升速度的5倍；所述的进气管包括第一进气管4、第二进气管8和第三进气管12；所述的第一进气管4和第三进气管12上分别设置有第二单向阀b和第三单向阀d；所述的高灰煤进口1的直径为煤颗粒直径的8到30倍，不大于第一气体分布器2的直径的1/3，高灰煤进口1与第一气体分布器2采用锥形容器连接；所述的灰渣出口9的直径为煤颗粒直径的10到20倍，同时灰渣出口9中通入向上的水蒸气，水蒸气表观速度为灰渣颗粒最小流化速度的1.2-2.5倍；所述的第三进气管12为氧气和水蒸气混合物的进口，进口氧气和水蒸气的比例由制气温度确定，根据制气区C的热量平衡计算求得，制气区C的温度不低于1000℃；所述的出气管13的直径不大于第三气体分布器10的直径的1/4，出气管13与第三气体分布器10采用锥形容器连接；所述的除矸区B上设置有吹送气口；所述的吹送气口包括设置在活化区A与除矸区B交汇的左侧面上的第一吹送气口15，设置在除矸区B底部上的第二吹送气口16，和设置在制气区C与除矸区B连接的制气区C下方除矸区B底部上的第三吹送气口17。积极有益效果：本专利技术利用最新的研发成果——氧化反应与气化反应的协同作用，同时考虑高灰煤气化活性低、气化热效率低、大灰量冷渣冷却困难的现状，将高灰煤的制氢过程分为活化区，除矸区和制气区，提高高灰煤活性，降低灰含量，以便增大气化速率，同时减少进入高温区的灰分，进而减少灰分带出的热量，提高热效率，减少高温灰量，解决冷渣难题。（1）通过在活化区的活化作用，大大提高高灰煤的反应活性，进而提高高灰煤在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，由活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）组成，其特征在于：所述的活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）均为圆筒形容器，依次连接成U型结构，其中除矸区（B）水平向放置，活化区（A）和制气区（C）纵向设置在除矸区（B）的两端，且内部连通；所述的活化区（A）和制气区（C）与除矸区（B）的两端焊接固定或者采用一体铸材结构；所述的活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）的组成均包括气体分布器、气体均匀分布室和进气管。

【技术特征摘要】
1.一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，由活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）组成，其特征在于：所述的活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）均为圆筒形容器，依次连接成U型结构，其中除矸区（B）水平向放置，活化区（A）和制气区（C）纵向设置在除矸区（B）的两端，且内部连通；所述的活化区（A）和制气区（C）与除矸区（B）的两端焊接固定或者采用一体铸材结构；所述的活化区（A）、除矸区（B）和制气区（C）的组成均包括气体分布器、气体均匀分布室和进气管。2.根据权利要求1所述的一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，其特征在于：所述的活化区（A）包括设置在活化区筒体上方的高灰煤进口（1），以及设置在活化区筒体内的第一气体分布器（2）；所述的第一气体分布器（2）的外本体上缠绕有电热丝（5），第一气体分布器（2）与活化区筒体之间为第一气体均匀分布室（3）；活化区筒体上设置有外界与第一气体均匀分布室（3）连通的第一进气管（4）；所述的第一气体均匀分布室（3）与第一气体分布器（2）之间均采用焊接连接；所述的高灰煤进口（1）上设置有第一单向阀（a）。3.根据权利要求1所述的一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，其特征在于：所述的除矸区（B）包括第二气体分布器（6），与第二气体分布器（6）连通的灰渣出口（9）；所述的第二气体分布器（6）与活化区筒体之间形成有第二气体均匀分布室（7），同时活化区筒体上设置有与第二气体均匀分布室（7）连通的第二进气管（8）；所述的第二气体均匀分布室（7）与第二气体分布器（6）之间均采用焊接连接；所述的灰渣出口（9）的直径为煤颗粒直径的10到20倍，同时灰渣出口（9）中通入向上的水蒸气，水蒸气表观速度为灰渣颗粒最小流化速度的1.2-2.5倍。4.根据权利要求1所述的一种利用高灰煤高效制氢的U型反应器，其特征在于：所述的活化区（C）包括与除矸区（B）一端连通固定的第三气体分布器（10），所述的第三气体分布器（10）的下端与除矸区（B）一端连通，上端连通设置有安全阀（e）的出气管（13）；所述的第三气体分布器（10）与除矸区（B）的筒体之间为第三气体均匀分布室（11）；所述的除矸区（B）的筒体上设置有与第三气体均匀分布室（11）连通的第三进气管（12）；所述的第三气体均匀分布室（11）与第三气体分布器（10）之间均采用焊接连接。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晋菊，程相龙，程子恩，张延兵，宋成建，王要令，刘丽华，
申请(专利权)人：河南城建学院，
类型：新型
国别省市：河南,41