CN103131476A - 一种煤气的微波生产工艺方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波法生产煤气的方法和装置，该方法采用传统煤气技术与微波技术相结合的办法：向微波煤气发生器加入煤粉、空气、水蒸汽和CO₂气体，在发生器中生成初级煤气，经除尘处理转换为可燃煤气；其中的煤气反应区的高温环境保持恒定，其热能由炉膛燃煤和微波加热陶瓷保温腔内碳化硅获得。本装置包括：依次相连的微波煤气发生器、导气管、旋风除尘器、煤气导管、回引管；其中，微波煤气发生离器炉体包含：炉膛、反应区、导气区、微波加热***，炉壁上有空气入口、煤粉入口、水蒸汽入口、CO₂入口、导气口、回引口，反应区有上下金属隔板、内有氧化铝陶瓷保温腔及其中的碳化硅结构件。本方法能显著提高煤气产气稳定性、效率和质量。

Description

一种煤气的微波生产工艺方法和装置

技术领域

本发明涉及一种煤气生产工艺及装置，尤其涉及一种微波法生产煤气的工艺方法和装置。

技术背景

煤气作为一种清洁能源燃料，比燃煤更清洁和高效，其生产方法和技术进步正逐步提高，其主要反应式如下所示：

O₂+C→2CO₂+Q               (1)

CO₂+C→2CO-Q               (2)

H₂O+C→H₂+CO-Q             (3)

2H₂O+C→CO₂+2H₂-Q          (4)

其中：

O₂：代表氧气

C：代表碳

CO₂：代表二氧化碳

H₂O：代表水

-Q：代表吸收热量

+Q：代表放出热量

一般煤气发生装置如图1所示，在炉体100壁内从下往上的区域依次为炉膛10、反应区20和导气区30，在炉体100侧壁的中下部设有煤粉入口110，炉体100底部有进气口130，所通进气是空气；炉体100壁内偏下部位直接连通煤粉入口110和进气口130区域是炉膛10，是煤粉燃烧的空间，它完成上述反应方程(1)；在炉体100侧壁的中部有进水汽口120，进气主要是水蒸汽，在炉膛10的上方，与水蒸汽进口120直接连通区域为反应区20，提供二氧化碳、水蒸汽和碳在吸热环境下完成上述反应方程(2)、(3)、(4)的反应空间；在反应区20的上方为导气区30(即虚线上方区)，炉体100的上部通过导气口140管道连接到旋风分离器200，将含有煤粉等颗粒的初级煤气输送到旋风分离器200中进行气体和颗粒分离，颗粒通过旋风分离器下部管道到回引口180与炉体100相连回到炉体100中再次燃烧，分离出气体经过旋风分离器上部煤气导管150导出，就是所需煤气。

传统方法中，将富含碳的煤粉通入煤气发生炉中产生热量和二氧化碳，然后通入的水蒸气、空气在煤气发生器中与煤粉、二氧化碳发生吸热反应并生产煤气。煤气生产的主要热能来自煤中碳燃烧放出的热量，如上述方程(1)，其余方程(2)、(3)、(4)都是消耗热能的反应，方程(1)的唯一放热反应决定了其后的煤气生成时吸热反应方程的能耗限度；由于反应区热能供应的不稳定、温控难度大，导致煤气生成效率低，生成气体中可燃气体比例低，导致煤气质量不稳定。

专利CN 101220297A(煤气生产方法及设备)提供了一种向煤气发生炉增加通入CO₂气体，为煤气发生炉提供充足CO₂气体，从而提供煤气生成比例，增加二氧化碳进气口160，见图1所示。但是作为传统煤气发生器装置，仅增加CO₂气体供应，它仍然无法全面解决煤气生成时的热能供给、温度控制技术导致的煤气生成效率和质量问题。

专利CN 101307259A(一种煤气生产装置和方法)提供了一种微波煤气生产装置和方法，在反应区侧壁外增设微波源，用于在无氧环境下通过加热碳化硅吸波结构来加热碳原料和二氧化碳反应，以生成一氧化碳；如图2所示。其中：混合区100B、原料煤粉进口110B、CO₂进气口120B、反应区200B、微波源210B、多孔隔板250B、煤气出口220B、微波防护区300B。该方法生成煤气的热能全部采用微波电源来提供，舍弃了最经济的煤炭加热产生的热源，使得煤气生成的成本大幅增加，不适合大规模推广。

发明内容

本发明的目的就是要解决现有传统生产煤气工艺生产中出气效率低、质量不稳定的缺陷，又不完全采用昂贵微波能源来生成煤气的方法。本发明采用传统煤气生产和微波技术相结合的办法，来解决现有技术的不足。

本发明通过延用传统煤气生产流程，增加煤气发生炉反应区微波能为补充热能，从而改变煤气生成时的热能完全依赖煤炭燃烧热能状况，提供煤气反应区稳定温度场的热能保障；***通过在反应区放置可微波加热的碳化硅陶瓷，保持反应区恒定高温，同时微波直接对反应区混合气辐射微波，考虑用几乎不消耗微波能的陶瓷形成一个碳化硅加热环境的隔离保温腔，既利于碳化硅保温、降低微波使用功率、又不会将碳化硅高温热能扩散到反应区金属炉壁，致使微波加热时与炉壁材料发生反应而损坏设备，有利于微波泄漏保护、提高设备可靠性；微波能的补充能量和煤炭燃烧热能相结合，组成本专利煤气发生器煤气生产能源，外界输入CO₂使得产气效率更高、综合能耗低、操作简便的微波生产煤气方法能够得到推广和使用。

本发明的另一目的，提供一种微波煤气发生器的***装置。

本发明所要解决的技术问题可通过如下技术方案得以实现：

作为本发明的第一方面，一种利用微波法生产煤气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向微波煤气发生器炉体各入口加入煤粉、空气、水蒸汽和CO₂气体；

其中：110是煤粉入口，120是水蒸汽入口，130是空气入口，160是CO₂气体入口。

(2)煤粉通过110入口与通过130入口进入空气在炉体100下部的炉膛10区域燃烧，产生的CO₂气体和放出热能向炉体100上部传递到炉体的反应区20，此反应就是上述反应方程：O₂+C→2CO₂+Q(1)；

(3)反应区20中有一个氧化铝材质的陶瓷保温腔500，该腔中放置多层可以吸收微波的碳化硅反应结构600，微波定向作用反应区20里陶瓷保温腔500中的碳化硅结构600，使得陶瓷保温腔500内温度保持恒定，温度设定在500-1500℃之间。

(4)炉膛10产生的CO₂气体和放出热能、从120入口进来的水蒸汽、从160入口直接进来的CO₂气体，在陶瓷保温腔500中补充微波加热***300提供的微波能和加热碳化硅600产生热能，在高温下，将上述混合气体转变成初级煤气，此反应就是上述的反应方程：

CO₂+C→2CO-Q              (2)

H₂O+C→H₂+CO-Q            (3)

2H₂O+C→CO₂+2H₂-Q         (4)。

(5)初级煤气穿过炉体100上部的导气区30(图3的炉体虚线上方)，经过导气口140，再经管道连接到旋风分离器200；含有煤粉等颗粒的初级煤气在旋风分离器200中进行气体和颗粒分离，分离出气体经过旋风分离器上部煤气导管150导出，就是所需煤气，将分离出未充分燃烧和反应的煤粉颗粒，通过旋风分离器下部管道到炉体100回引口180再次进入微波煤气发生器炉体100。

其中步骤(1)中，所述的微波煤气发生器是一种含微波热源的煤气发生器，所述的微波频率是915MHz和2450MHz。

所述的微波煤气发生器如图4所示；微波煤气发生离器金属炉体100壁内从下往上的区域依次为炉膛10、反应区20、导气区30；炉膛10与反应区20之间有下金属隔板111，反应区20与导气区30之间有上金属隔板112，反应区20壁外是微波加热***300，内有氧化铝陶瓷保温腔500及其中的碳化硅结构件600，借助反应区20的隔板111和112，微波仅在反应区20中存在。

进一步的，炉壁上有空气入口130、煤粉入口110、水蒸汽入口120、二氧化碳入口160、导气口140、回引口180和微波加热***300；反应区有上下金属隔板112和111、内有氧化铝陶瓷保温腔500及其中的碳化硅结构件600。

进一步的，微波***300通过波导穿过炉体100金属壳进入炉体反应区20内，对反应区20内保温腔辐射微波，微波穿透过保温腔，作用于其中的碳化硅结构和其中流动的混合气，使得混合气在吸收炉膛放出热能后，进一步吸收微波能及碳化硅材料放出的热能，生成初级煤气；

所述的微波煤气发生器炉体100的反应区20在炉体100中增加微波隔离保护，其中反应区20下方有透气下金属隔板111，使反应区微波区集中在隔板上方，不向炉体下方炉膛10逃逸，其中反应区20上方有透气上金属隔板112，使反应区微波区集中在隔板下方，网罩121、141分别屏蔽微波向水汽口120和煤气管道口140外泄漏；

进一步的，所述的透气隔板111、112和网罩121、141孔径根据微波频率选择，确保其对应的泄漏符合安全要求；上金属隔板112、下金属隔板111和炉体100的炉壁之间是金属连接，应按微波防泄漏要求连接，分别有下金属隔板111向氧化铝保温陶瓷腔500透气和上金属隔板112向导气区30通气功能孔。

步骤(1)中，所述的CO₂气体是来自煤气发生器外的气体，在反应区的微波和高温环境下，它直接与煤粉中的C反应生成CO气体，增加煤气发生器的CO气体产率。

步骤(2)中，所述的方程(1)中煤粉燃烧放热反应的放热热量不是本煤气生产方法中唯一的煤气生成热源。

步骤(3)中，所述的氧化铝保温腔500是一个几乎封闭的陶瓷，有上下通、透气和侧面进水蒸汽的通道；所述的陶瓷保温腔500选用几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热、保温陶瓷材料；

进一步的，几乎不消耗微波能的陶瓷保温腔，既利于碳化硅保温、降低微波使用功率、又不会将碳化硅热能扩散到反应区炉体上造成反应区金属壁高温，致使微波加热时与炉壁材料发生反应而损坏设备，有利于微波泄漏保护、提高设备可靠性。

所述的保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600，是一种强吸收微波的介质材料，微波加热***300提供的微波功率主要由碳化硅(SiC)600吸收，使得微波加热***300通过波导透过炉体100进入反应区20内，对保温腔500微波加热，将腔内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600升温。

所述的碳化硅600结构是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温。

进一步的，所述的微波对保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600加热，可以采用测温反馈控制微波加热来实现500-1500℃的恒温。

步骤(4)中，CO₂气体和放出热能向炉体100上部传递到炉体的反应区20，是通过透气金属隔板111，并穿过陶瓷保温腔500的底部通气孔实现的；

进一步的，CO气体的生成所需能量来自炉膛10燃煤放热、反应区20保温腔500中碳化硅(SiC)600放热和来自微波***300微波辐射能量，使得煤气生成时的能量得到充分保障，尤其是通过炉体100下方160入口直接通入外界CO气体，可以使得微波煤气发生器的CO煤气产率大幅提高。

所述的微波煤气发生器中所述的微波工作频率选915MHz或2450MHz；当碳化硅结构尺寸大于100mm时，优选915MHz。

步骤(5)中，将分离出未充分燃烧和反应煤粉颗粒再次通过煤粉入口进入微波煤气发生器。

作为本发明的第二方面，一种利用微波法生产煤气的装置，包括一种微波煤气发生器***装置，如图4所示，其中的微波煤气发生器如图3所示，包括：微波煤气发生器100、炉体的导气口140管道、旋风除尘器200、炉体的回引入口180管道、煤气导管150；

所述的旋风除尘器200前端通过管道接炉体的导气口140、后端的煤粉出口端通过管道接炉体的回引入口180，另一端除尘煤气的出口接煤气导管150。

所述的微波煤气发生器包含：炉体100、炉膛10、反应区20、导气区30、微波加热***300，其中的反应区有上金属隔板112、下金属隔板111和炉壁构成微波加热腔，反应区20壁外有微波加热***300、内有氧化铝陶瓷保温腔500及其中的碳化硅结构件600；炉体100壁上有煤粉入口110、水蒸汽入口120、二氧化碳入口160、回引口180，炉底是空气入口130、炉顶是导气口140；

进一步的，微波加热***300在炉体100的反应区20壁外，微波通过波导穿过炉体100的炉壁进入反应区20；

所述的上金属隔板112、下金属隔板111和炉体100的炉壁之间是金属连接，应按微波防泄漏要求连接，分别有下金属隔板111向氧化铝保温陶瓷腔500透气和上金属隔板112向导气区30通气功能孔。

所述的氧化铝保温陶瓷腔500是几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热介质材料；

进一步的，几乎不消耗微波能的陶瓷保温腔，既利于碳化硅保温、降低微波使用功率、又不会将碳化硅热能扩散到反应区炉体上造成反应区金属壁高温，致使微波加热时与炉壁材料发生反应而损坏设备，有利于微波泄漏保护、提高设备可靠性。

所述的碳化硅600作为炉腔内恒温结构件，是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上；所述的微波对保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600加热，可以采用测温反馈控制微波加热来实现500-1500℃的恒温。

所述的CO₂气体入口160是输入来自煤气发生器外的气体口，在反应区的微波和高温环境下，通过此口，它直接将外界CO₂与煤粉中的C反应生成CO气体，增加煤气发生器的CO气体产率。

附图说明

图1为一般煤气发生装置的工艺流程图，如专利CN 101220297A(煤气生产方法及设备)。

图2为一种全微波煤气发生装置的工艺流程图，如专利CN 101307259A(一种煤气生产装置和方法)。

图3为本发明的一种煤气的微波生产工艺方法图。

图4为本发明的一种微波煤气发生器装置图。

图中：

10-炉体燃烧区，20-炉体反应区，30-炉体导气区，100-炉体，110-煤粉入口，111-反应区下隔板，112-反应区上隔板，120-水蒸汽入口，121-微波隔离网罩，130-空气入口，140-导气管，141-微波隔离网罩，150-煤气导管，160-二氧化碳(CO₂)入口，200-旋风分离器，300-微波加热***，500-氧化铝陶瓷保温腔，600-碳化硅陶瓷。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

从入口110进来的煤粉、入口130进来空气、两者在燃烧区生成CO₂气体和放出热量、加上直接从160入口通入CO₂气体，然后穿过反应区20的下隔板111进入氧化铝陶瓷腔500中，与侧壁120入口通入的水蒸汽在氧化铝保温腔500中，吸收炉膛10燃烧煤炭放出热能、部分微波能和微波加热氧化铝保温腔500中碳化硅600产生热能，完成煤气生成反应，如方程(2)、(3)、(4)所示，产生初级煤气穿过上隔离板112，通过炉体导气区30进入导气管口140，经导气管口140管道到旋风分离器200中，经过旋风分离器200分离后将颗粒通过其下部管道带到回引口180进入炉体100再次燃烧利用，除尘后煤气从旋风分离器200的上部煤气导管150导出，就是所需煤气。

本发明的方法与现有技术相比，具有生产工艺完整，技术先进，提高了生产煤气转换率和产品质量，该装置同时具有节能、高效的特点，能显著提高煤气产品质量和稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中仅用于说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明范围。本发明要求保护的范围由附录的权利要求书及其等同物界定。

Claims (15)

1.作为本发明的第一方面，一种煤气的微波生产工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向微波煤气发生器各入口分别加入煤粉、空气、水蒸汽和CO₂气体。

(2)通过110入口煤粉与通过130入口空气在炉体100下部的炉膛10区域燃烧，产生的CO₂气体和放出热能向炉体100上部传递到炉体的反应区20，此反应就是反应方程：

O₂+C→2CO₂+Q                  (1)。

(3)反应区20中有一个氧化铝材质的陶瓷保温腔500，该腔中放置多层可以吸收微波的碳化硅反应结构600，微波定向作用反应区20里陶瓷保温腔500中的碳化硅结构600，使得陶瓷保温腔500内温度保持恒定，温度设定在500-1500℃之间。

(4)炉膛10产生的CO₂气体和放出热能、从120入口进来的水蒸汽、从160入口直接进来的CO₂气体，在陶瓷保温腔500中补充微波加热***300提供的微波能和加热碳化硅600产生热能，在高温下，将上述混合气体转变成初级煤气，此反应就是上述的反应方程：

CO₂+C→2CO-Q                   (2)

H₂O+C→H₂+CO-Q                 (3)

2H₂O+C→CO₂+2H₂-Q              (4)。

(5)初级煤气穿过炉体100上部的导气区30(图3的炉体虚线上方)，经过导气口140，再经管道连接到旋风分离器200；含有煤粉等颗粒的初级煤气在旋风分离器200中进行气体和颗粒分离，分离出气体经过旋风分离器上部煤气导管150导出，就是所需煤气，将分离出未充分燃烧和反应的煤粉颗粒，通过旋风分离器下部管道到炉体100回引口180再次进入微波煤气发生器炉体100。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微波煤气发生器是一种含微波加热***的煤气发生器，所述的微波频率是915MHz和2450MHz。

3.根据权利2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微波煤气发生器金属炉体100壁内从下往上的区域依次为炉膛10、反应区20和导气区30；在炉膛10与反应区20之间有下金属分隔板111，反应区20与导气区30之间有上金属分隔板112，炉体100反应区20壁外是微波加热***300，反应区20内有氧化铝陶瓷保温腔500及其中的碳化硅结构件600，借助反应区20的隔板111和112，微波仅在反应区20中存在。

进一步的，微波***300通过波导穿过炉体100金属壳进入炉体反应区20内，对反应区20内保温腔辐射微波，微波穿透过保温腔，作用于其中的碳化硅结构和其中流动的混合气，使得混合气在吸收炉膛放出热能后，进一步吸收微波能及碳化硅材料放出的热能，生成初级煤气；

4.根据权利3所述的方法，其特征在于，所述的微波煤气发生器炉体100的反应区20在炉体100中增加微波隔离保护，其中反应区20下方有透气下金属隔板111，使反应区微波区集中在隔板上方，不向炉体下方炉膛10逃逸，其中反应区20上方有透气上金属隔板112，使反应区微波区集中在隔板下方，网罩121、141分别屏蔽微波向水汽口120和煤气管道口140外泄漏；

进一步的，所述的透气隔板111、112和网罩121、141孔径根据微波频率选择，确保其对应的泄漏符合安全要求，上金属隔板112、下金属隔板111和炉体100的炉壁之间是金属连接，应按微波防泄漏要求连接，分别有下金属隔板111向氧化铝保温陶瓷腔500透气和上金属隔板112向导气区30通气功能孔。

5.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的CO₂气体是来自煤气发生器外的气体，在反应区的微波和高温环境下，它直接与煤粉中的C反应生成CO气体，增加煤气发生器的CO气体产率。

6.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的方程(1)中煤粉燃烧放热反应的放热热量不是本煤气生产方法中唯一的煤气生成热源。

7.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的氧化铝保温腔500是一个几乎封闭的陶瓷，有上下通、透气和侧面进水蒸汽的通道；所述的陶瓷保温腔500选用几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热、保温陶瓷材料；

进一步的，几乎不消耗微波能的陶瓷保温腔，既利于碳化硅保温、降低微波使用功率、又不会将碳化硅热能扩散到反应区炉体上造成反应区金属壁高温，致使微波加热时与炉壁材料发生反应而损坏设备，有利于微波泄漏保护、提高设备可靠性；

8.根据权利7所述的方法，其特征在于，所述的保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600，是一种强吸收微波的介质材料，微波加热***300提供的微波功率主要由碳化硅(SiC)600吸收，使得微波加热***300通过波导透过炉体100进入反应区20内，对保温腔500微波加热，将腔内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600升温。

所述的碳化硅600结构是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上，通过测温装置，可以控制微波加热的功率和时间，保持其恒温；

进一步的，所述的微波对保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600加热，可以采用测温反馈控制微波加热来实现500-1500℃的恒温。

9.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，CO₂气体和放出热能向炉体100上部传递到炉体的反应区20，是通过透气金属隔板111，并穿过陶瓷保温腔500的底部通气孔实现的；

进一步的，CO气体的生成所需能量来自炉膛10燃煤放热、反应区20保温腔500中碳化硅(SiC)600放热和来自微波***300微波辐射能量。

10.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的微波煤气发生器中所述的微波工作频率优选是915MHz，也可以是2450MHz；当碳化硅结构尺寸小于100mm时优选2450MHz，否则就选用915MHz。

11.作为本发明的第二方面，一种利用微波法生产煤气的装置，包括：微波煤气发生器100、炉体的导气口140管道、旋风除尘器200、炉体的回引入口180管道、煤气导管150；

所述的旋风除尘器200前端通过管道接炉体的导气口140、后端的煤粉出口一端通过管道接炉体的回引入口180，另一端除尘煤气的出口接煤气导管150。

12.根据权利要求11所述装置，其特征在于，所述的微波煤气发生器包含：炉体100、炉膛10、反应区20、导气区30、微波加热***300，其中的反应区有上金属隔板112、下金属隔板111和炉壁构成微波加热腔、壁外有微波加热***300、内有氧化铝陶瓷保温腔500及其中的碳化硅结构件600；炉体100壁上有煤粉入口110、水蒸汽入口120、二氧化碳入口160、回引口180，炉底是空气入口130、炉顶是导气口140；

进一步的，微波加热***300在炉体100的反应区20壁外，微波通过波导穿过炉体100的炉壁进入反应区20；

所述的上金属隔板112、下金属隔板111和炉体100的炉壁之间是金属连接，应按微波防泄漏要求连接，分别有下金属隔板111向氧化铝保温陶瓷腔500透气和上金属隔板112向导气区30通气功能孔。

13.根据权利要求11所述装置，其特征在于，氧化铝保温陶瓷腔500是几乎不吸收微波的透波材料，优选低密度氧化铝陶瓷，也可以选用其它有此特点的材料如石英等微波低损耗、隔热介质材料。

14.根据权利要求11所述装置，其特征在于，碳化硅600作为炉腔内恒温结构件，是板状或条状，呈多孔、透气孔结构，是强吸波材料，它可以加热到1500℃以上；所述的微波对保温腔500内多层吸收微波的碳化硅(SiC)600加热，可以采用测温反馈控制微波加热来实现500-1500℃的恒温。

15.根据权利要求12所述装置，其特征在于，所述的CO₂气体入口160是输入来自煤气发生器外的气体口，在反应区的微波和高温环境下，通过此口，它直接将外界CO₂与煤粉中的C反应生成CO气体，增加煤气发生器的CO气体产率。

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