專利名稱：固態(tài)含碳物質采用三通道噴嘴部分氧化制備合成氣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)含碳物質部分氧化制備合成氣的方法，尤其涉及一種采用三通道噴嘴部分氧化制備合成氣的方法。
背景技術：
部分氧化制備合成氣的氣流床氣化方法，是在氣流床中，將固態(tài)含碳物質與氣化劑在高溫高壓下進行化學反應，制得以一氧化碳和氫氣為主要組成的合成氣。這種氣化方法溫度、壓力高，設備生產強度大，碳轉化率高，對固態(tài)含碳物質的適應性強，制得的合成氣可用于發(fā)電、生產化學品與化肥、合成油品、作氣體燃料等，用途十分廣泛。
噴嘴是氣流床氣化的關鍵部件之一。通過它將固態(tài)含碳物質及其載氣和氣化劑導入氣流床并使之混合與反應。由于反應溫度高達～1500℃，噴嘴結構設計不當，將會燒蝕其端部，燒蝕反應器內壁，產生嚴重后果，或引起固態(tài)含碳物質對噴嘴的磨蝕，影響其使用壽命。已有的專利技術如美國專利4,523,529、4,736,693、4,858,538和歐洲專利0 328 794均采用內噴頭為直管式結構噴嘴，共同的缺陷是物流在進反應器之前缺少加速過程，離開噴嘴的速度偏低，易于燒蝕噴嘴。美國專利4,523,529通過氣體再分配器，在中心固態(tài)含碳物質通道外周設置了多個圓形氧氣通道，結構十分復雜，不便加工維護。美國專利4,736,693也設了三個通道，為防止燒蝕噴嘴端部，在燒嘴端部和后部冷卻導管之間設置封閉的熱管來冷卻燒嘴端部，結構復雜，加工維護困難。另外，其中固體物料通道為收進內混合式結構，噴嘴頭部極易被磨蝕。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題是公開一種固態(tài)含碳物質采用三通道噴嘴部分氧化制備合成氣的方法，以克服現(xiàn)有技術的不足。
本發(fā)明的方法包括如下步驟將攜載有固態(tài)含碳物質的載氣、氣化劑和保護氣通過三通道噴嘴進入氣流床氣化，獲得合成氣；所說的合成氣的組分和重量百分比如下CO為55～65％，H2為25～34％；所說的三通道噴嘴包括同軸的外環(huán)噴頭、中環(huán)噴頭、內噴頭、噴嘴中心導管、噴嘴中環(huán)導管和噴嘴外環(huán)導管；所說的內噴頭、中環(huán)噴頭和外環(huán)噴頭分別為一個截頭的錐管，中環(huán)噴頭套在內噴頭外，外環(huán)噴頭又套在中環(huán)噴頭外；外環(huán)噴頭的大端與噴嘴外環(huán)導管相連接，中環(huán)噴頭的大端與噴嘴中環(huán)導管相連接，內噴頭的大端與噴嘴中心導管相連接；內噴頭和噴嘴中心導管構成噴嘴中心通道，內噴頭與中環(huán)噴頭之間空隙構成噴嘴中環(huán)通道，中環(huán)噴頭與外環(huán)噴頭之間空隙構成噴嘴外環(huán)通道。
在外環(huán)噴頭端部設置冷卻水夾套，通過與之相連的盤管構成噴嘴冷卻水通道。
攜載有固態(tài)含碳物質的載氣從噴嘴中心通道或中環(huán)通道中的一個通道噴射進入氣流床，氣化劑則從噴嘴中心通道或中環(huán)通道中的另一個通道噴射進入氣流床，保護氣通過噴嘴外環(huán)通道噴射進入氣流床。
所說的固態(tài)含碳物質選自粉煤、石油焦、生物質、固態(tài)廢棄物等固態(tài)含碳物質；所說的載氣選自氮氣、CO2、水蒸汽或合成氣中的一種或其混合物；所說的保護氣選自氮氣、CO2或水蒸汽中的一種或其混合物，但不應含有氧氣以及一氧化碳、氫氣等可燃氣；所說的氣化劑選自氧氣、水蒸汽或CO2中的一種或其混合物；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣中，固態(tài)含碳物質和載氣的重量比為固態(tài)含碳物質∶載氣＝0.5～20；固態(tài)含碳物質與氣化劑的重量比為固態(tài)含碳物質∶氣化劑＝1∶0.5～1.5；固態(tài)含碳物質與保護氣的重量比為固態(tài)含碳物質∶保護氣＝1∶0.005～1.0；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣噴出噴嘴的線速度為5～60米/秒；氣化劑噴出噴嘴的線速度為40～140米/秒；保護氣噴出噴嘴的線速度為0.5～40米/秒。
所說的氣流床在許多專利和文獻中已經(jīng)有公開的報道，本發(fā)明不再贅述。
氣流床氣化溫度為1000～1600℃，壓力為常壓～6.0Mpa。
本發(fā)明的方法，噴嘴結構簡單，制作與維護方便。通過設置噴嘴外環(huán)通道，引入用于保護燒嘴的保護氣，一方面可顯著提高燒嘴使用壽命，另一方面，可促進固體顆粒與氣化劑的充分接觸，獲得優(yōu)良的混合效果。本發(fā)明的噴嘴能夠將固態(tài)含碳物質及其輸送載氣、氣化劑導入反應器中進行部分氧化反應，制備合成氣，其碳轉化率達99％?？捎糜诠虘B(tài)含碳物質如粉煤、石油焦、生物質、固態(tài)廢棄物等固態(tài)含碳物質的部分氧化制備合成氣工藝，用途廣泛。


圖1為本噴嘴的結構示意圖。
具體實施例方式
圖1為噴嘴結構示意圖，所說的噴嘴包括同軸的外環(huán)噴頭(1)、中環(huán)噴頭(2)、內噴頭(3)、噴嘴中心導管(4)、噴嘴中環(huán)導管(5)和噴嘴外環(huán)導管(6)。所說的內噴頭(3)、中環(huán)噴頭(2)和外環(huán)噴頭(1)分別為一個截頭的錐管，外環(huán)噴頭(1)套在中環(huán)噴頭(2)外，中環(huán)噴頭(2)套在內噴頭(3)外。外環(huán)噴頭(1)的大端與噴嘴外環(huán)導管(6)相連接，中環(huán)噴頭(2)的大端與噴嘴中環(huán)導管(5)相連接，內噴頭(3)的大端與噴嘴中心導管(4)相連接。中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)之間設有間隙，構成噴嘴外環(huán)通道(7)；內噴頭(3)和中環(huán)噴頭(2)之間設有間隙，構成噴嘴中環(huán)通道(8)，內噴頭(3)和噴嘴中心導管(4)構成噴嘴中心通道(9)。
由圖1可見，為了保護噴嘴，在外環(huán)噴頭(1)外側設有冷卻室(10)和與冷卻室(10)相連通的冷卻盤管(11)，冷卻液由冷卻盤管(11)的入口流入冷卻室(10)，由冷卻盤管(11)的出口管排出。
所說的內噴頭(3)的內收縮半角α為1°～60°，其外側傾角β為20°～90°；中環(huán)噴頭(2)的內收縮半角ε為0°～70°，其外側傾角γ為20°～90°；外環(huán)噴頭(1)的內收縮半角為0°～70°。
所說的內噴頭(3)的噴口口徑d與噴口直段高度h的比例即h∶d＝0.1～10。
所說的內噴頭(3)與中環(huán)噴頭(2)的噴口端面的距離s為0～50mm。
所說的中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)的噴口端面的距離t為0～40mm。
實施例1將攜載有固態(tài)含碳物質的載氣、氣化劑和保護氣通過圖1所示的三通道噴嘴進入氣流床氣化，獲得合成氣；所說的氣流床采用98110616.1專利報道的技術。
所說的內噴頭(3)的內收縮半角α為1°，其外側傾角β為70°；中環(huán)噴頭(2)的內收縮半角ε為20°，其外側傾角γ為70°；外環(huán)噴頭(1)的內收縮半角為30°。
所說的內噴頭(3)的噴口口徑d與噴口直段高度h的比例即h∶d為1。
所說的內噴頭(3)與中環(huán)噴頭(2)的噴口端面的距離s為0mm。
所說的中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)的噴口端面的距離t為0mm。
所說的固態(tài)含碳物質選自粉煤；所說的載氣選自N2；所說的保護氣選自水蒸汽；所說的氣化劑選自氧氣；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣中，固態(tài)含碳物質的含量為450公斤/立方米；氣化劑與固態(tài)含碳物質的重量比例為0.82保護氣與固態(tài)含碳物質的重量比例為0.15；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣噴出噴嘴的線速度為10米/秒；氣化劑噴出噴嘴的線速度為90米/秒；保護氣噴出噴嘴的線速度為20米/秒；氣流床氣化溫度為1400℃，壓力為4.0Mpa。
采用上述的方法以粉煤為原料制備合成氣，其碳轉化率達99％。所說的合成氣的組分和重量百分比如下CO為58～62％，H2為29～32％。
實施例2將攜載有固態(tài)含碳物質的載氣、氣化劑和保護氣通過圖1所示的三通道噴嘴進入氣流床氣化，獲得合成氣；所說的氣流床采用申請?zhí)枮?00410089404.9專利所公開報道的技術。
所說的內噴頭(3)的內收縮半角α為30°，其外側傾角β為60°；中環(huán)噴頭(2)的內收縮半角ε為30°，其外側傾角γ為50°；外環(huán)噴頭(1)的內收縮半角為50°。
所說的內噴頭(3)的噴口口徑d與噴口直段高度h的比例即h∶d為10。
所說的內噴頭(3)與中環(huán)噴頭(2)的噴口端面的距離s為15mm。
所說的中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)的噴口端面的距離t為5mm。
所說的固態(tài)含碳物質選自石油焦；所說的載氣選自CO2；所說的保護氣選自水蒸汽和CO2的混和氣(體積比1∶1)；所說的氣化劑選自氧氣和水蒸汽的混和氣(體積比20∶1)；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣中，固態(tài)含碳物質的含量為450公斤/立方米；氣化劑與固態(tài)含碳物質的重量比例為0.9；保護氣與固態(tài)含碳物質的重量比例為0.1；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣噴出噴嘴的線速度為30米/秒；氣化劑噴出噴嘴的線速度為60米/秒；保護氣噴出噴嘴的線速度為10米/秒；氣流床氣化溫度為1300℃，反應壓力為常壓3.0MPa采用上述的方法以石油焦為原料制備合成氣，其碳轉化率達98.5％。
所說的合成氣的組分和重量百分比如下CO為60～63％，H2為30～32％。
權利要求
1.一種固態(tài)含碳物質采用三通道噴嘴部分氧化制備合成氣的方法，其特征在于，包括如下步驟將攜載有固態(tài)含碳物質的載氣、氣化劑和保護氣通過三通道噴嘴進入氣流床氣化，獲得合成氣；所說的三通道噴嘴包括同軸的外環(huán)噴頭(1)、中環(huán)噴頭(2)、內噴頭(3)、噴嘴中心導管(4)、噴嘴中環(huán)導管(5)和噴嘴外環(huán)導管(6)。所說的內噴頭(3)、中環(huán)噴頭(2)和外環(huán)噴頭(1)分別為一個截頭的錐管，外環(huán)噴頭(1)套在中環(huán)噴頭(2)外，中環(huán)噴頭(2)套在內噴頭(3)外。外環(huán)噴頭(1)的大端與噴嘴外環(huán)導管(6)相連接，中環(huán)噴頭(2)的大端與噴嘴中環(huán)導管(5)相連接，內噴頭(3)的大端與噴嘴中心導管(4)相連接，中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)之間設有間隙，構成噴嘴外環(huán)通道(7)；內噴頭(3)和中環(huán)噴頭(2)之間設有間隙，構成噴嘴中環(huán)通道(8)，內噴頭(3)和噴嘴中心導管(4)構成噴嘴中心通道(9)；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣從噴嘴中心通道(9)或中環(huán)通道中(8)的一個通道噴射進入氣流床，氣化劑則從噴嘴中心通道(9)或中環(huán)通道(8)中的另一個通道噴射進入氣流床，保護氣通過噴嘴外環(huán)通道(7)噴射進入氣流床。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在外環(huán)噴頭(1)外側設有冷卻室(10)和與冷卻室(10)相連通的冷卻盤管(11)。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的內噴頭(3)的內收縮半角α為1°～60°，其外側傾角β為20°～90°。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，中環(huán)噴頭(2)的內收縮半角ε為0°～70°，其外側傾角γ為20°～90°。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，外環(huán)噴頭(1)的內收縮半角為0°～70°。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的內噴頭(3)的噴口口徑d與噴口直段高度h的比例即h∶d＝0.1～10。所說的內噴頭(3)與中環(huán)噴頭(2)的噴口端面的距離s為0～50mm。所說的中環(huán)噴頭(2)與外環(huán)噴頭(1)的噴口端面的距離t為0～40mm。
7.根據(jù)權利要求1～6任一項所述的方法，其特征在于，所說的固態(tài)含碳物質選自粉煤、石油焦、生物質或固態(tài)廢棄物。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所說的載氣選自氮氣、CO2、水蒸汽或合成氣中的一種或其混合物，所說的保護氣選自氮氣、CO2或水蒸汽中的一種或其混合物，所說的氣化劑選自氧氣、水蒸汽或CO2中的一種或其混合物；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣中，固態(tài)含碳物質和載氣的重量比為固態(tài)含碳物質∶載氣＝0.5～20；固態(tài)含碳物質與氣化劑的重量比為固態(tài)含碳物質∶氣化劑＝1∶0.5～1.5；固態(tài)含碳物質與保護氣的重量比為固態(tài)含碳物質∶保護氣＝1∶0.005～1.0；攜載有固態(tài)含碳物質的載氣噴出噴嘴的線速度為5～60米/秒；氣化劑噴出噴嘴的線速度為40～140米/秒；保護氣噴出噴嘴的線速度為0.5～40米/秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固態(tài)含碳物質采用三通道噴嘴部分氧化制備合成氣的方法。包括如下步驟將攜載有固態(tài)含碳物質的載氣、氣化劑和保護氣通過三通道噴嘴進入氣流床氣化，獲得合成氣；本發(fā)明的噴嘴結構簡單，制作與維護方便。通過設置噴嘴外環(huán)通道，引入用于保護燒嘴的保護氣，一方面可顯著提高噴嘴使用壽命，另一方面，可促進固體顆粒與氣化劑的充分接觸，獲得優(yōu)良的混合效果。本發(fā)明的噴嘴能夠將固態(tài)含碳物質及其輸送載氣、氣化劑導入反應器中進行部分氧化反應，制備合成氣，其碳轉化率達99％?？捎糜诠虘B(tài)含碳物質如粉煤、石油焦、生物質、固態(tài)廢棄物等固態(tài)含碳物質的部分氧化制備合成氣工藝，用途廣泛。
文檔編號C10J3/54GK1804003SQ20051011230
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權日2005年12月29日
發(fā)明者劉海峰, 龔欣, 于遵宏, 代正華, 郭曉鐳, 王輔臣, 于廣鎖, 王亦飛, 周志杰, 陳雪莉, 李偉鋒, 梁欽鋒, 王興軍, 鄭麗嬌 申請人:華東理工大學