CN108504394A - 催化热解-气化一体化反应装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种催化热解‑气化一体化反应装置和方法，解决了现有气化技术存在反应温度高、合成气热值低、综合利用率低的问题。本发明主要由锥形流化床、高效旋风装置、激冷室和带控制单元的快速响应比例阀组成，信号发生器控制快速响应比例阀产生高频脉动气流，使不同粒径的含碳固体燃料在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解，在高效旋风装置中细颗粒继续发生热解反应，在激冷室中进行合成气、焦油和灰渣的分离，获取高热值合成气和高品质焦油的技术方案，可应用于能源化工领域。

Description

催化热解-气化一体化反应装置和方法
技术领域
本发明涉及一种含碳固体燃料催化热解-气化一体化反应装置和方法，属于能源化工领域。
背景技术
我国褐煤等低阶煤储量丰富，且利用程度逐渐加大，由于低阶煤挥发分高、水分高、发热量低，故不宜长距离运输，一般只能在当地消费。此外，生物质和部分含碳固体废料的挥发份也较高。如果用于直接燃烧发电，会造成严重的环境污染和大量温室气体排放，且发电效率低，资源综合利用率较低。通过分级利用将上述含碳固体燃料中的有机质挥发分和固定碳有效分离，进行综合加工利用，获取焦油、合成气和高附加值的化学品，符合我国能源多元化的战略意义，具有很强的竞争力。
当前比较成熟的气化工艺的气化温度一般在1000℃以上，存在着反应温度高、能耗大、对合成气的净化困难、合成气的冷却强度大以及设备要求严格等缺点。如化学工业出版社2010年出版的《煤炭气化技术》26～45页所述的气流床技术(如Texaco、Shell、OMB等)，具有气化能力大、碳转化效率高等优点，是当今先进煤气化技术，近年来发展较快，但反应温度高、能耗大、煤炭综合利用率较低，且在适用高水份、高灰份、高灰熔点等劣质煤时还存在诸多问题。
催化气化能够在不影响反应速率的同时降低反应温度，降低了能耗和设备要求，可实现炉内脱硫、除尘，利于环保。另一方面，由于气化温度降低，从而可以有效调节了出口气体产物的组成分布，对合成气中H2和CH4产物的选择性更好，可同时进行许多合成过程。与比常规热解相比，催化热解获取得到的焦油，产量更高、品质更好。
发明内容
本发明主要解决的技术问题之一是现有气化技术存在反应温度高、合成气热值低、综合利用率较低，本发明提出了一种含碳固体燃料催化热解-气化一体化的反应装置，将热解和气化反应高效耦合在一个反应器内，实现了高效分级利用，降低了反应温度，提高了合成气热值，同时获得了更多和品质更好的焦油和高附加值的化学品。
本发明所要解决的技术问题二是提供一种与解决技术问题之一相对应催化热解-气化一体化反应方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种催化热解-气化一体化反应装置，包括锥形流化床、原料进口管、气体分布器、气化剂入口管、氧化剂入口管、气体分布室、中心排渣管、快速响应比例阀、电磁阀、出口弯管、高效旋风装置、返料阀、激冷室、喷淋器、合成气分布器、除尘器；
所述原料进口管位于锥形流化床中下部，气体分布器和气体分布室位于锥形流化床底部，气化剂入口管与气体分布室相连通，快速响应比例阀I安装在气化剂入口管中，中心排渣管与气体分布器相连通，氧化剂入口管入口管与中心排渣管相连通，快速响应比例阀II安装在氧化剂入口管中，高效旋风装置通过出口弯管与锥形流化床相连通，返料阀连接在高效旋风装置和锥形流化床之间，激冷室顶部装有喷淋器，内部装有合成气分布器，合成气分布器与高效旋风装置相连通，除尘器与激冷室相连通。
所述的锥形流化床上端直径为下端直径的2～8倍，优选范围为4～6倍，由于不同截面上的气体流速不同，可使含碳固体燃料在该锥形流化床内呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，从而优化不同颗粒在该流化床内的停留时间，达到分层催化热解-气化的目的，提高了含碳固体燃料的碳转化率。
所述的气体分布器位于锥形流化床底部，气体分布器的锥形口夹角为30°～150°，优选60°～120°，气体分布器锥面上设有气孔，设有5～40圈，开孔率1～10％，气孔沿圆周均匀布置，每圈气孔直径沿分布器径向递增，靠近中心排渣管的气孔最小，最小气孔为0.5～1mm，最大气孔为2～10mm，采用如此设计有利于不同粗细的颗粒在锥形流化床内分层分布，强化气固混合，也有利于灰渣的排放。
所述的快速响应比例阀I和快速响应比例阀II的响应时间小于5毫秒，从而使比例阀能够根据信号发生器产生的信号快速地改变开度，产生脉动气流。
所述的高效旋风装置设有外筒体和内筒体设有两个筒体，内筒体直径为外筒体直径的0.3～0.8倍，优选0.5～0.7倍；排气管直径为内筒体直径的0.2～0.7倍，优选0.4～0.6倍；采用如此设计可以将粗颗粒和细颗粒分别在内筒外内分别分离出来，具有高效的分离效率。
所述的激冷室顶部装有喷淋器，内部装有合成气分布器，所述的喷淋器采用锥形设计，底部直径为顶部直径的2～8倍，优选4～6倍，底部封头设有小孔，设有5～20圈，开孔率1～10％，气孔沿圆周均匀布置；所述的合成气分布器采用锥形设计，底部直径为顶部直径的2～6倍，优选3～5倍，采用如此设计增大了合成气与冷却水的接触面积，且不会因焦油的存在，使合成气分布器堵住，提高了合成气、焦油和细灰的分离效率。
为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种催化热解-气化一体化反应方法，其特征在于主要步骤为，含碳固体燃料和催化剂混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的含碳固体燃料在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，三级合成气经除尘器从顶部排出。
所述的含碳固体燃料包括：各种类型的煤、石油焦、生物质、含碳固体废料或者其混合物，优选低阶煤、生物质、挥发份高的固体废料或者其混合物。
所述的氧化剂是指空气、氧气、富氧空气；所述气化剂是指水蒸气、二氧化碳或者其与氧气的混合物。
所述的催化剂包括碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物，优选的技术方案为催化剂包括碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氧化钙、硝酸铁或者硝酸钼中的至少一种；
所述的催化剂以浸渍法、干混法或离子交换法的方式负载在含碳固体燃料上；所述的催化剂的负载量占含碳固体燃料质量的0.1～30％。
所述的信号发生器包括：通过示波器、电脑软件控制输出电平信号的设备以及能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。
所述的通过信号发生器控制快速响应比例阀后产生脉动气流，脉动气流的波形可以是任何形式的波，优选方波和正弦波，使控制较为方便。
所述氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II控制产生脉动气流，设定中心排渣管上端喷口平均流速为1～50m/s，优选10-25m/s；在流化阶段，脉动频率为0.5～100Hz，优选5～25Hz，脉动振幅为平均流速的1％～100％，优选10％～50％；在排渣阶段，根据排渣情况进行开闭，优选开闭频率为0.01～0.1Hz。
所述气化剂通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制产生脉动气流，脉动频率为0.5～100Hz，优选5～25Hz，脉动振幅为平均流速的0％～100％，优选10％～50％。
所述锥形流化床底部界面表观速度范围为1～30m/s，优选5～20m/s。
所述锥形流化床底部温度控制为900～1100℃，中部温度控制为700～900℃，上部温度控制为400～700℃，锥形流化床的氧碳比控制范围为0.5～0.7mol/mol，水碳比控制范围为1～2mol/mol，操作压力范围为0.5～3MPa。
所述高效旋风装置温度控制为300～700℃。
所述返料阀温度控制为400～800℃，氧碳比控制范围为0.6～0.8mol/mol。
采用本发明的技术方案通过催化热解-气化一体化反应，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解，在高效旋风装置中细颗粒继续发生热解反应，获得了合成气和焦油。实现了含碳固体燃料的高效分级利用，降低了反应温度，提高了合成气热值以及焦油的产量和品质，具有良好的应用前景。
附图说明
1、图1为催化热解-气化一体化反应装置的流程示意图：
图1中，1为锥形流化床；2为原料进口管；3为气体分布器；4为气化剂入口管；5为氧化剂入口管；6为气体分布室；7为中心排渣管；8(a)为快速响应比例阀I、8(b)为快速响应比例阀II；9(a)、9(b)、9(c)、9(d)、9(e)均为快速响应电磁阀；10为出口弯管；11为高效旋风装置；11(a)为高效旋风装置的外筒体；11(b)为高效旋风装置的内筒体；12为返料阀；13为激冷室；14为合成气分布器；15为喷淋器；16为除尘器。
A为含碳固体燃料；B为催化剂；C为气化剂；D为氧化剂；E为大颗粒灰渣；F为一级合成气和细颗粒混合物；G为氧化剂；H为二级合成气；I为冷却水；J为焦油；K为灰；L为三级合成气。
含碳固体燃料A和催化剂B混合后通过原料进口管(2)进入锥形流化床(1)内，氧化剂D从氧化剂入口管(5)经过快速响应比例阀II(8b)从中心排渣管(7)进入锥形流化床(1)中，气化剂C从气化剂入口管(4)经过快速响应比例阀I(8a)和气体分布室(6)后从气体分布器(3)进入锥形流化床(1)中，通过信号发生器对快速响应比例阀I(8a)进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的含碳固体燃料A在锥形流化床(1)内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床(1)底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解，大颗粒灰渣E从中心排渣管(7)排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物F经过出口弯管(10)进入高效旋风装置(11)，细颗粒在高效旋风装置(11)中继续发生热解反应，然后到达返料阀(12)，在返料阀(12)底部通入氧化剂G，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床(1)的底部，从高效旋风装置(11)顶部出来的二级合成气H通过合成气分布器(14)进入激冷室(13)，冷却水I经喷淋器(15)从激冷室(13)顶部进入，二级合成气H在激冷室(13)中洗涤分离后，灰K在底部排出，焦油J从中部排出，三级合成气L经除尘器(16)从顶部排出。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为1m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.6。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的8.4％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为23％，氢气含量为35.3％，二氧化碳含量为2.8％，甲烷含量为8.9％，CnHm的含量为0.9％，煤气高热值为13.6MJ/m3，总的碳转化率为96％。
【实施例2】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.6。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的12％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为21％，氢气含量为35.3％，二氧化碳含量为3.5％，甲烷含量为12％，CnHm的含量为2.1％，煤气高热值为15.6MJ/m3，总的碳转化率为98％。
【实施例3】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为4m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.6。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的8.2％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为25.2％，氢气含量为41.3％，二氧化碳含量为1.5％，甲烷含量为5.8％，CnHm的含量为0.5％，煤气高热值为11.6MJ/m3，总的碳转化率为99％。
【实施例4】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.3。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的9.2％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为20.8％，氢气含量为38.3％，二氧化碳含量为2.5％，甲烷含量为9.2％，CnHm的含量为1.8％，煤气高热值为12.2MJ/m3，总的碳转化率为95％。
【实施例5】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.5。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的9.6％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为20.2％，氢气含量为37.2％，二氧化碳含量为2.8％，甲烷含量为10.8％，CnHm的含量为1.4％，煤气高热值为14.4MJ/m3，总的碳转化率为98％。
【实施例6】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.7。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的10.8％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为21.8％，氢气含量为33.1％，二氧化碳含量为3.1％，甲烷含量为10.6％，CnHm的含量为1.8％，煤气高热值为13.8MJ/m3，总的碳转化率为97％。
【实施例7】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.8。
0-10mm的褐煤和10％碳酸钾混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的9.2％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为27.8％，氢气含量为33.3％，二氧化碳含量为1.5％，甲烷含量为7.2％，CnHm的含量为0.8％，煤气高热值为11.8MJ/m3，总的碳转化率为94％。
【实施例8】
一种催化热解-气化一体化反应装置，锥形流化床下端内径为0.5m，上端最大内径为2.5m，高度为5m，高效旋风装置内外筒体直径比为0.6。
0-10mm的褐煤和10％氧化钙混合后通过原料进口管进入锥形流化床内，氧化剂从氧化剂入口管经过快速响应比例阀II从中心排渣管进入锥形流化床中，气化剂从气化剂入口管经过快速响应比例阀I和气体分布室后从气体分布器进入锥形流化床中，通过信号发生器对快速响应比例阀I进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的褐煤在锥形流化床内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解反应，控制锥形流化床中部温度约为800℃，锥形流化床压力为1MPa，大颗粒灰渣从中心排渣管排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物经过出口弯管进入高效旋风装置，高效旋风装置温度控制在500℃左右，细颗粒在高效旋风装置中继续发生热解反应，然后到达返料阀，在返料阀底部通入氧化剂，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床的底部，从高效旋风装置顶部出来的二级合成气通过合成气分布器进入激冷室，冷却水经喷淋器从激冷室顶部进入，二级合成气在激冷室中洗涤分离后，灰在底部排出，焦油从中部排出，焦油量约为进煤质量的7.4％，三级合成气经除尘器从顶部排出，三级合成气产物一氧化碳含量为28.1％，氢气含量为39.3％，二氧化碳含量为0.8％，甲烷含量为5.2％，CnHm的含量为0.4％，煤气高热值为10.6MJ/m3，总的碳转化率为98％。
【比较例1】
采用灰融聚流化床煤气化反应装置，选用0-6mm的褐煤为原料，操作压力0.04MPa，平均操作温度1000℃，得到合成气产物一氧化碳含量为21.9％，氢气含量为38.6％，甲烷4.3％，二氧化碳含量为22％，氮气含量为7.11％，气体热值9.4MJ/m3，碳转化率仅为90％。
实施例1-8以及比较例1总结如表1所示。
表1
从表1的工艺指标对比中，可以得出，本发明专利所述的催化热解-气化一体化反应装置，采用实施例2效果最佳，较比较例1的碳转化率提高了近8个百分点，甲烷含量提高了近8个百分点，同时提高了煤气热值，获得较高产量的焦油。

Claims (10)

1.一种催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于，包括锥形流化床(1)、原料进口管(2)、气体分布器(3)、气化剂入口管(4)、氧化剂入口管(5)、气体分布室(6)、中心排渣管(7)、快速响应比例阀、电磁阀、出口弯管(10)、高效旋风装置(11)、返料阀(12)、激冷室(13)、合成气分布器(14)、喷淋器(15)、除尘器(16)；
其特征在于原料进口管(2)位于锥形流化床(1)中下部，气体分布器(3)和气体分布室(6)位于锥形流化床(1)底部，气化剂入口管(4)与气体分布室(6)相连通，快速响应比例阀I(8a)安装在气化剂入口管(4)中，中心排渣管(7)与气体分布器(3)相连通，氧化剂入口管(5)与中心排渣管(7)相连通，快速响应比例阀II(8b)安装在氧化剂入口管(5)中，高效旋风装置(11)通过出口弯管(10)与锥形流化床(1)相连通，返料阀(12)连接在高效旋风装置(11)和锥形流化床(1)之间，激冷室(13)顶部装有喷淋器(15)，内部装有合成气分布器(14)，合成气分布器(14)与高效旋风装置(11)相连通，除尘器(16)与激冷室(13)相连通。
2.根据权利要求1所述的催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于所述的锥形流化床(1)上端直径为下端直径的2～8倍。
3.根据权利要求1所述的催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于所述的气体分布器(3)位于锥形流化床(1)底部，气体分布器(3)的锥形口夹角为30°～150°，气体分布器(3)锥面上设有气孔，设有5～40圈，开孔率1～10％，气孔沿圆周均匀布置，每圈气孔直径沿分布器径向递增，靠近中心排渣管(7)的气孔最小，最小气孔为0.5～1mm，最大气孔为2～10mm。
4.根据权利要求1所述的催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于所述的快速响应比例阀I(8a)、快速响应比例阀II(8b)的响应时间小于5毫秒。
5.根据权利要求1所述的催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于所述的高效旋风装置(11)设有外筒体(11a)和内筒体(11b)，内筒体直径(11b)为外筒体直径(11a)的0.3～0.8倍。
6.根据权利要求1所述的催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于所述的激冷室(13)顶部装有喷淋器(15)，内部装有合成气分布器(14)，所述的喷淋器(15)采用锥形设计，底部直径为顶部直径的2～8倍，底部封头设有小孔，设有5～20圈，开孔率1～10％，气孔沿圆周均匀布置；所述的合成气分布器(14)采用锥形设计，底部直径为顶部直径的2～6倍。
7.一种催化热解-气化一体化反应方法，采用权利要求1～6所述的任一种催化热解-气化一体化反应装置，其特征在于主要步骤为：含碳固体燃料A和催化剂B混合后通过原料进口管(2)进入锥形流化床(1)内，氧化剂D从氧化剂入口管(5)经过快速响应比例阀II(8b)从中心排渣管(7)进入锥形流化床(1)中，气化剂C从气化剂入口管(4)经过快速响应比例阀I(8a)和气体分布室(6)后从气体分布器(3)进入锥形流化床(1)中，通过信号发生器对快速响应比例阀I(8a)进行控制，产生高频脉动气流，使不同粒径的含碳固体燃料A在锥形流化床(1)内快速达到呈底部颗粒粗上部颗粒细的分层分布，在锥形流化床(1)底部进行燃烧，中上部进行催化气化和热解，大颗粒灰渣E从中心排渣管(7)排出；生成的一级合成气和细颗粒混合物F经过出口弯管(10)进入高效旋风装置(11)，细颗粒在高效旋风装置(11)中继续发生热解反应，然后到达返料阀(12)，在返料阀(12)底部通入氧化剂G，进行低温燃烧，最后进入锥形流化床(1)的底部，从高效旋风装置(11)顶部出来的二级合成气H通过合成气分布器(14)进入激冷室(13)，冷却水I经喷淋器(15)从激冷室(13)顶部进入，二级合成气H在激冷室(13)中洗涤分离后，灰K在底部排出，焦油J从中部排出，三级合成气L经除尘器(16)从顶部排出。
8.根据权利要求7所述的催化热解-气化一体化反应方法，其特征在于所述气化剂C通过信号发生器对快速响应比例阀I(8a)进行控制产生脉动气流，脉动频率为0.5～100Hz，脉动振幅为平均流速的0％～100％。
9.根据权利要求7所述的催化热解-气化一体化反应方法，其特征在于所述氧化剂D从氧化剂入口管(5)经过快速响应比例阀II(8b)控制产生脉动气流，在流化阶段，脉动频率为0.5～100Hz，脉动振幅为平均流速的1％～100％；在排渣阶段，根据排渣情况进行开闭。
10.根据权利要求7所述的催化热解-气化一体化反应方法，其特征在于所述锥形流化床(1)底部温度控制为900～1100℃，中部温度控制为700～900℃，上部温度控制为400～700℃，锥形流化床(1)的氧碳比控制范围为0.5～0.7mol/mol，水碳比控制范围为1～2mol/mol，操作压力范围为0.5～3MPa；
所述高效旋风装置(11)温度控制为300～700℃；
所述返料阀(12)温度控制为400～800℃，氧碳比控制范围为0.6～0.8mol/mol。
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