CN114259962A - 一种微波作用下二氧化碳转化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波作用下二氧化碳转化装置和方法。属于二氧化碳气化法制备一氧化碳的技术领域，包括：二氧化碳转化室，由上至下设置为转化室上腔体和转化室下腔体，转化室上腔体设置物料进口，转化室下腔体具有高度，转化室下腔体的底部设置布气结构，布气结构与二氧化碳进气源相接，转化室上腔体的顶部设置一氧化碳出气口；微波加热装置，设在二氧化碳转化室的外侧，与二氧化碳转化室相接。提高了二氧化碳的转化率，同时提升了一氧化碳气体的产气率，降低了运行成本。

Description

一种微波作用下二氧化碳转化装置和方法

技术领域

本发明属于二氧化碳气化法制备一氧化碳的技术领域，具体涉及一种微波作用下二氧化碳转化装置和方法。

背景技术

在中国这样一个高度依赖煤炭、石油等化石能源的超大经济体，要较短的时间内实现“碳达峰”“碳中和”目标，除了进行节能减排、发展低碳和高效能源等手段外，碳基能源的循环利用也是实现“双碳”目标的必由之路，即企业产生的二氧化碳通过绿色高效能源转化成企业所需的碳基原料（比如一氧化碳），既能降低企业自身的碳排放压力，又能获得企业经营所需的一氧化碳气体原料。

一氧化碳在常温下是一种无色、无味、无刺激性的窒息性气体，亦为易燃、易爆、有毒危险性气体。一氧化碳是基本有机化工的重要原料，主要应用在化学工业和冶金工业领域，在化学工业中主要作为合成气和各类煤气的主要组分，是合成一系列基本有机化工产品和中间体的重要原料；在冶金工业中，一氧化碳常被用作还原剂。生产一氧化碳的主要设备是一氧化碳气体发生炉，现有的一氧化碳气体发生炉存在单台生产能力低、产气效率低以及运行成本高等问题。

现阶段，焦炭纯氧气化法和焦炭混合气气化法是目前生产一氧化碳的主要方法，焦炭纯氧气化法是由焦炭与纯氧在一氧化碳气体发生炉中高温气化制得，该方法一氧化碳纯度较低，且该工艺过程为强放热反应，需要大量的冷却水，造成能源的严重浪费；焦炭混合气气化法是由焦炭与纯氧和二氧化碳的混合气体为原料在一氧化碳气体发生炉中高温气化制得，该方法得到的合成气体中二氧化碳含量高，影响了一氧化碳的纯度，且生产过程难以精准控制；二氧化碳气化法，即在绝氧、高温的条件下，在二氧化碳转化装置中将二氧化碳转化为一氧化碳，目前该方法在国内少有报道，并且提高二氧化碳转化率以及降低能耗是该方法的关键所在。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种微波作用下二氧化碳转化装置和方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种微波作用下二氧化碳转化装置，包括：

二氧化碳转化室，由上至下设置为转化室上腔体和转化室下腔体，转化室上腔体设置物料进口，转化室下腔体具有高度，转化室下腔体的底部设置布气结构，布气结构与二氧化碳进气源相接，转化室上腔体的顶部设置一氧化碳出气口；

微波加热装置，与二氧化碳转化室相接。

本发明中二氧化碳转化室的转化室下腔体具有一定的高度，转化室下腔体的底部设置二氧化碳进气的布气结构，所以二氧化碳向上与固体物料进行混合接触，在混合接触的过程中，二氧化碳转化为一氧化碳。

转化室下腔体具有高度，在这个高度内，二氧化碳能够充分的与固体物料反应，达到二氧化碳全部转化为一氧化碳的目的。

固体物料向下落，气体向上走，最后出气在转化室上腔体的顶部，所以在转化室下腔体内保持着负压的状态，所以能够使二氧化碳源源不断的向上运动，提高气流的流动动力，提高二氧化碳由下向上运动并发生转化。

微波加热装置向二氧化碳转化室内输送微波，使固体物料吸收微波，提供反应的温度，促进二氧化碳转化为一氧化碳。

在本发明的一些实施方式中，转化室下腔体的高度与直径之比为4:1～10:1。转化室下腔体的高度与直径的比例，影响物料在横向上的分布度和气体的纵向走向长度，进而影响气体的扩散和与物料的接触混合均匀度，所以做出最优的结构设计，更适合二氧化碳气体与固体物料的充分反应，提高二氧化碳的转化率，并制得高纯度的一氧化碳气体。

在本发明的一些实施方式中，转化室上腔体与转化室下腔体直径之比为1.5:1～4:1，所述转化室上腔体与转化室下腔体高度之比为0.3:1～0.5:1。转化室上腔体的直径大于相对于转化室下腔体的直径，这里设计可以方便生成的一氧化碳能够充分的逸出，并且能够保持转化室下腔体的负压环境。

在本发明的一些实施方式中，转化室上腔体顶部的一氧化碳出气口直径与所述转化室上腔体直径之比为0.15:1～0.4:1。转化室上腔体的顶部开口的直径影响气流的流出速度，会影响转化室上腔体的气压环境，间接影响转化室下腔体的负压环境，避免二氧化碳提前进入到转化室下腔体，促进制备得到高纯度的一氧化碳气体。

在本发明的一些实施方式中，布气结构包括布气母管和布气分管，布气分管与布气母管相连通，布气分管上设置布气孔。进一步，还包括防尘网，防尘网覆盖在布气分管的外侧壁的布气孔上。设置防尘网能够避免布气孔堵塞，使装置运行平稳可靠。

在本发明的一些实施方式中，还包括二氧化碳进气管，二氧化碳进气管位于转化室下腔体的外侧，与布气母管连接。进一步，布气母管13与二氧化碳进气管23的直径之比为1.5:1～2:1。旨在将气体动压转化为静压，使得每个布气孔的出气更均匀。

在本发明的一些实施方式中，还包括气体换热装置，一氧化碳出气口与气体换热装置通过一氧化碳出气管连接。进一步，气体换热装置设置二氧化碳进气口和二氧化碳出气口。进一步，气体换热装置的二氧化碳出气口与布气结构通过二氧化碳进气管连接。通过气体换热装置，能够使出来的一氧化碳气体与二氧化碳进气进行换热，提高进入的二氧化碳的进气的温度。

在本发明的一些实施方式中，还包括密封传输腔体，密封传输腔体的物料进口与转化室下腔体的底部物料出口相通，密封传输腔体的物料出口与转化室上腔体的顶部进料口连接相通。进一步，密封传输腔体内设置提升装置，提升装置可以为斗式提升机。进一步，密封传输腔体的物料进口端设置螺旋绞龙输送结构。进一步，密封传输腔体的底部设置排渣口；更进一步，排渣口上部设置振动筛。

在本发明的一些实施方式中，还包括排渣装置，排渣装置与排渣口连接，排渣装置包括渣锁斗，渣锁斗的内部，顶部进料口的位置设置上阀门，底部出料口的位置设置下阀门。进一步，渣锁斗的顶部设置保护气进气口和保护气出气口。以供二氧化碳气体充放，避免排渣过程中进入空气杂质。渣锁斗的上阀门和下阀门能够控制排渣的过程。

在本发明的一些实施方式中，还包括加料装置，加料装置包括料斗和加料仓，料斗位于加料仓的上方，料斗与加料仓通过输料管道连接，加料仓与转化室上腔体通过下料管连接。进一步，输料管道上设置密封阀门，下料管上设置密封阀门。更进一步，密封阀门与控制杠杆连接。

第二方面，利用上述转化装置进行微波作用下二氧化碳转化的方法，具体步骤为：

炭材料通过转化室上腔体进入到转化室下腔体，二氧化碳气体从转化室下腔体的底部进入到转化室下腔体，二氧化碳与炭材料混合接触；

微波加热向转化室下腔体内输入微波能；

二氧化碳与炭材料反应得到一氧化碳气体。

在本发明的一些实施方式中，转化室下腔体内温度为1050℃～1200℃。

在本发明的一些实施方式中，转化室下腔体的负压条件为0～-2kpa。转化室下腔体内的负压值，与转化室下腔的结构设计，包括直径和高度具有一定的关系，设置在负压范围能够促使二氧化碳能够向上移动和扩散，增强反应效果，提高转化率。

在本发明的一些实施方式中，炭材料粒径为2～10mm，炭材料中碳含量≥70%（质量百分数），所述固体物料为冶金焦、石油焦、焦炭、活性炭、煤粒中的一种或多种。炭材料满足一定的炭含量，能够促使提高二氧化碳的转化率。

在本发明的一些实施方式中，密封传输腔体内的物料的移动速度为3m/h～15m/h。密封传输腔体内的物料的移动速度，在保证部分物料与二氧化碳充分的反应时间后，能够将剩余未反应完全的物料返回至转化室上腔体循环利用，保证物料始终处于过量状态，从而保证二氧化碳的高转化率，提高一氧化碳的浓度。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

本发明采用了“微波作用下二氧化碳转化”关键技术，从而提供了“一种微波作用下二氧化碳转化装置及方法”新技术。

本发明充分利用了含碳固体物料作为强吸波材料，因此采用了微波加热，使得二氧化碳转化装置及方法改变了传统采用固体、液体及气体燃料的加热方式，提供了以微波加热的新型能源及微波能体积加热和余热加热，使微波能得到了充分利用，具有节能降耗的突出有益效果。

本发明采用了固体物料二氧化碳气化法，突破了传统的固体物料纯氧气化法和固体物料混合气化法，同时结合微波加热的方式，提高了二氧化碳的转化率，同时提升了一氧化碳气体的产气率，降低了运行成本。

本发明在微波的作用下，以固体物料为还原剂，将二氧化碳转化，实现了碳基能源的循环利用，大大增加了二氧化碳的利用率，有效的降低了企业自身的碳排放压力，同时为实现“双碳”目标提供了一种全新的技术路径。

本发明设置了物料循环装置，装置运行过程中保证了二氧化碳转化室下腔体内固体物料过量，从而使得二氧化碳气体被全部转化，提高了二氧化碳的转化率，同时能够使二氧化碳转化室内未完全反应的固体物料循环利用直到完全反应，提高了固体物料原料的利用率。

本发明设置了均匀布气装置，将气体动压转化为静压，使得每个布气孔的出气更均匀；同时在布气管外部设置了防尘网，避免布气孔堵塞，使装置运行平稳可靠。

本发明设置了预热装置，改变了传统的水冷冷却方式，降低了一氧化碳气体温度，同时使二氧化碳原料气得到有效预热，实现了装置的余热回收利用，节能降耗。

本发明提供的一种微波作用下二氧化碳转化装置，在加料装置上设置多个密封阀门，使其在不同的时间开启和关闭，使二氧化碳转化室腔体始终与外界隔绝，从而实现了不停炉连续加料，提高了生产效率。

本发明二氧化碳转化室采用了内层保温和外层保温的双保温结构，克服了传统水夹套的外层保温及冷却方式，使整体装置更简单、更节能。

本发明的排渣装置设有保护气进出口，保护气是二氧化碳气体，在排渣时通入保护气防止二氧化碳转化室内一氧化碳气体的外溢，装置运行安全可靠，有利于环境保护和操作人员的健康安全。

本发明的设计巧妙，结构简单，操作方便，便于实施、成本低、连续运行、稳定可靠，可广泛的推广应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种微波作用下二氧化碳转化装置结构示意图；

图2为本发明均匀布气装置结构示意图；

图3为本发明一种微波作用下二氧化碳转化方法的流程图。

图中：1、备料斗，2、加料仓，3、密封阀门，4、控制杠杆，5、下料管，6、转化室上腔体，7、下腔体，8、微波馈能口，9、绞龙螺旋输送结构，10、振动筛、11、斗式提升机，12、顶部进料口，13、布气母管，14、布气管，15、布气孔，16、防尘网，17、一氧化碳进气管，18、一氧化碳进气口，19、二氧化碳进气口，20、气体换热管，21、一氧化碳出口，22、二氧化碳出气口，23、二氧化碳进气管，24、渣锁斗，25、排渣口，26、上阀门，27、下阀门，28、保护气进气口，29、保护气出气口,30、测温点，31、探料口，32、气体过滤网，33、测压点，34、转化室外保温层，35、转化室内保温层，36、管道保温层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

如图1所示，一种微波作用下二氧化碳转化装置，包括：二氧化碳转化室，由上至下设置为转化室上腔体6和转化室下腔体7，转化室上腔体6设置物料进口，转化室下腔体7具有高度，转化室下腔体7的底部设置布气结构，布气结构与二氧化碳进气源相接，转化室上腔体6的顶部设置一氧化碳出气口；微波加热装置，设在二氧化碳转化室的外侧，与二氧化碳转化室相接。

加料装置包括备料斗1和加料仓2，加料仓2上游设置了备料斗1，加料装置上设置有多个密封阀门3，本实施例优选密封阀门3设置为两个，备料斗1和加料斗2之间通过密封阀门3连接，加料斗2和固体物料下料管5之间通过密封阀门3连接。

通过备料斗1和加料仓2之间的密封阀门3向加料仓2中加入固体物料原料，然后关闭备料斗1和加料仓2之间的密封阀门3，使加入的固体物料原料位于加料仓2中的密闭空间中，再用氮气置换备料斗1和加料仓2之间的密封阀门3开启时进入的空气，然后再开启加料仓2与固体物料下料管5之间的密封阀门3，使固体物料原料通过固体物料下料管5进入到二氧化碳转化室下腔体将二氧化碳转化成一氧化碳。如此重复操作从而实现连续加料。

备料斗1和加料仓2上均设置有分别控制不同密封阀门3启闭的控制杠杆4，且控制杠杆4驱动方式为气压、液压或手动，本实施例中，为了实现自动化操作，提高生产效率，控制杠杆4采用气动或液压的驱动方式。

二氧化碳转化室下腔体7的圆周上分别设置有微波馈能口8，微波馈能口8设置数量最低不少于2个，最多可根据二氧化碳转化室下腔体的高度和直径增加而增加；二氧化碳转化室采用耐高温的铸钢材质，二氧化碳转化室下腔体内衬圆柱筒体采用耐高温氧化铝陶瓷材料，微波能可直接穿过耐高温氧化铝陶瓷材料作用在固体物料上，使固体物料升温快且受热均匀，并且二氧化碳转化室下腔体7上设置有测温点30，实时监测二氧化碳转化室下腔体内的温度。

转化室下腔体7与耐高温氧化铝陶瓷筒体之间内衬耐火保温材料，一般用硅酸铝保温材料，作为内层保温，转化室外层也设置保温材料，一般采用岩棉保温材料，作为外层保温。

密封传输腔体的物料进口与转化室下腔体7的底部物料出口相通，密封传输腔体的物料出口与转化室上腔体的顶部进料口12连接相通。密封传输腔体内设置斗式提升机11，密封传输腔体的物料进口端设置螺旋绞龙输送结构，密封传输腔体的底部设置排渣口25，排渣口25设置振动筛10，排渣装置与排渣口25连接。

绞龙螺旋输送结构9、振动筛10以及斗式提升机11依次排列设置，经二氧化碳转化室下腔体一次反应后的固体物料及灰渣在绞龙螺旋输送结构9的输送下进入振动筛10进行筛分排渣，筛分下来的灰渣经排渣装置排出，未反应完全的固体物料进入斗式提升机11，通过循环物料下料管12进入到转化室下腔体内循环利用。

排渣装置包括渣锁斗24，振动筛10下方设置渣锁斗24，振动筛10工作过程中将灰渣筛出至渣锁斗24中，渣锁斗24内置有两个排渣阀门，分别为渣锁斗上阀门26和渣锁斗下阀门27，渣锁斗上阀门26位于振动筛10与渣锁斗24之间，渣锁斗下阀门27位于渣锁斗24和排渣口25之间，渣锁斗上阀门26和渣锁斗下阀门27与液压控制***连接；渣锁斗24上设置有保护气进气口28和保护气出气口29，以供二氧化碳气体充放，避免排渣过程中进入空气杂质。

还包括气体换热装置，可以为气体换热管20，气体换热管20包括二氧化碳出气口22和二氧化碳进气口19、一氧化碳进气口18、一氧化碳出气口21。气体换热管上部的一氧化碳进气口18连接上部连接一氧化碳出气管17，所述预热装置下部的二氧化碳出气口22连接二氧化碳进气管23。一氧化碳出气管17和二氧化碳进气管23设置管道保温层36。

本实施例中，二氧化碳转化室下腔体的高度与直径之比为4:1～10:1；二氧化碳转化室上腔体与二氧化碳转化室下腔体直径之比为1.5:1～4:1，所述二氧化碳转化室上腔体与二氧化碳转化室下腔体高度之比为0.3:1～0.5:1，二氧化碳转化室上腔体顶部开口直径与所述二氧化碳转化室上腔体直径之比为0.15:1～0.4:1。

如图2所示，布气结构包括布气母管13、布气管14、布气孔15和防尘网16，布气母管13与二氧化碳进气管23的直径之比为1.5:1～2:1。

转化室上腔体的顶部设置探料口31。转化室上腔体的一氧化碳出气口的下方设置气体过滤网32，起到过滤固体物料的作用。二氧化碳转化室设置测温点30，用于测量室内的温度；转化室上腔体设置测压点33，用于测试转化室上腔体内的气压。二氧化碳转化室的侧壁由内至外设置转化室内保温层34和转化室外保温层35。

实施例2

如图3所示，为本发明一种微波作用下二氧化碳转化方法的流程图，适用于上述所述一种微波作用下二氧化碳转化装置，其包括以下步骤：

1）将固体物料通过所述加料装置加入到所述二氧化碳转化室下腔体中；

2）将微波能送入所述微波馈能口，对所述二氧化碳转化室下腔体内物料进行加热；

3）控制所述二氧化碳转化室下腔体内的温度保持在1050℃～1200℃；

4）将二氧化碳气体经所述预热装置预热后送入到所述布气母管中，经布气管均匀布气后通过所述布气孔持续进入到所述二氧化碳转化室下腔体，二氧化碳气体与固体物料反应生成一氧化碳气体，完成二氧化碳转化；

5）打开所述物料循环装置，控制物料移动速度在3m/h～15m/h。

本实施例提供的一种微波作用下二氧化碳转化方法，并采用上述所述一种微波作用下二氧化碳转化装置进行二氧化碳转化，通过调节微波馈能口的输出功率，使二氧化碳转化室下腔体的温度控制在1050℃～1200℃，保证二氧化碳与固体物料反应充分，使得二氧化碳气体完全转化成一氧化碳气体，同时结合微波新型加热方式、固体物料循环利用以及一氧化碳气体余热回收的巧妙设计，使得整体装置更节能，二氧化碳的转化率更高。

优选的，上述一种微波作用下二氧化碳转化方法中，所述二氧化碳转化室内压力保持在负压状态，在0～-2kpa；所述固体物料粒径为2～10mm，所述固体物料中碳含量≥70%（质量百分数），所述固体物料为冶金焦、石油焦、焦炭、活性炭、煤粒中的一种或多种。

二氧化碳转化为一氧化碳的转化率为≥98%。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：包括：

二氧化碳转化室，由上至下设置为转化室上腔体和转化室下腔体，转化室上腔体设置物料进口，转化室下腔体具有高度，转化室下腔体的底部设置布气结构，布气结构与二氧化碳进气源相接，转化室上腔体的顶部设置一氧化碳出气口；

微波加热装置，与二氧化碳转化室相接；

转化室下腔体的高度与直径之比为4:1～10:1；

转化室上腔体与转化室下腔体直径之比为1.5:1～4:1，所述转化室上腔体与转化室下腔体高度之比为0.3:1～0.5:1。

2.如权利要求1所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：转化室上腔体顶部的一氧化碳出气口直径与所述转化室上腔体直径之比为0.15:1～0.4:1。

3.如权利要求1所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：布气结构包括布气母管和布气分管，布气分管与布气母管相连通，布气分管上设置布气孔。

4.如权利要求3所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：还包括二氧化碳进气管，二氧化碳进气管位于转化室下腔体的外侧，与布气母管连接。

5.如权利要求1所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：还包括气体换热装置，一氧化碳出气口与气体换热装置通过一氧化碳出气管连接。

6.如权利要求1所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：还包括密封传输腔体，密封传输腔体的物料进口与转化室下腔体的底部物料出口相通，密封传输腔体的物料出口与转化室上腔体的顶部进料口连接相通，密封传输腔体的底部设置排渣口。

7.如权利要求6所述的微波作用下二氧化碳转化装置，其特征在于：还包括排渣装置，排渣装置与排渣口连接，排渣装置包括渣锁斗，渣锁斗的内部，顶部进料口的位置设置上阀门，底部出料口的位置设置下阀门。

8.利用权利要求1-7任一所述的转化装置进行微波作用下二氧化碳转化的方法，其特征在于：具体步骤为：

炭材料通过转化室上腔体进入到转化室下腔体，二氧化碳气体从转化室下腔体的底部进入到转化室下腔体，二氧化碳与炭材料混合接触；

微波加热向转化室下腔体内输入微波能；

二氧化碳与炭材料反应得到一氧化碳气体。

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