專利名稱：煤的氣化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤的氣化裝置，它是使水蒸汽作用于煤的顆粒上，從而生成氫和一氧化碳的，更具體地說(shuō)，是能夠在低溫下、并且能高效率地通過(guò)煤的氣化來(lái)制造氫氣的帶有通風(fēng)管的噴流層式的煤的氣化裝置。
現(xiàn)今，隨著能量消費(fèi)日益增大，正在注意開(kāi)發(fā)作為清潔能源的氫氣。另一方面，為了制造氫氣，就把煤的氣化作為最合理而且最現(xiàn)實(shí)的技術(shù)而積極開(kāi)發(fā)研制起來(lái)。
以前的用氣化方式制造氫氣的工藝有NEDO(新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))正在開(kāi)發(fā)的煤粉氣流輸送一室二段回轉(zhuǎn)流方式的HYCOL工藝。但是，由于這個(gè)工藝是在1500～1800℃高溫下、10～30大氣壓的高壓下操作的，因而當(dāng)考慮經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全性時(shí)，有許多問(wèn)題要解決，極難預(yù)測(cè)它的實(shí)用性。
因此，本發(fā)明人以能夠在比較低的溫度(750～800℃)、和常壓下、進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期的穩(wěn)定作業(yè)，能得到100％的碳變換率(即，出口氣體主要是由氫氣和一氧化碳構(gòu)成、其中只含少量的水和二氧化碳的反應(yīng)生成氣體)為目的；又以達(dá)到出口氣體只由氫氣和一氧化碳構(gòu)成的反應(yīng)生成氣體為目的，進(jìn)行了精心的研制，結(jié)果開(kāi)發(fā)出一種把煤熱分解、將焦油等分離掉的碳作為氣化原料，并把蓄熱性的陶瓷顆粒用作供熱介質(zhì)的帶通風(fēng)管的噴流層式氣化裝置，提出了在先的專利申請(qǐng)(日本專利公報(bào)特開(kāi)平2-286788號(hào))。
但是，由于這種氣化裝置中必需把煤中的焦油加以分離用的碳化室，因此有使裝置體積增大、成本增高的問(wèn)題，還有為了碳化而必需花費(fèi)較多的熱量，以及處理和利用所生成的焦油的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的是要解決上述的問(wèn)題，提供一種能安全、長(zhǎng)時(shí)期地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、能保持100％的碳變換率的、實(shí)用價(jià)值高的煤的氣化裝置。
為了達(dá)到上述目的而作出的本發(fā)明煤的氣化裝置具有氣化爐和通風(fēng)管，氣化爐是分別在上部設(shè)有煤的供給口、在底部設(shè)有燃料氣體供給口、設(shè)置著能使從上部的煤供給口投入的煤顆粒朝上述的燃料氣體供給口落下、堆積到底部上地傾斜的傾斜面；上述的通風(fēng)管是下端開(kāi)口部位于氣化爐內(nèi)的上述燃料氣體供給口的上方、在氣化爐內(nèi)朝上方延伸設(shè)置的；而且分別在上述氣化爐的下部設(shè)置把蒸汽供給那些堆積在氣化爐內(nèi)的底部上的煤顆粒的蒸汽供給口；在側(cè)部設(shè)置著把由氣化反應(yīng)生成的氣體加以排出的生成氣體排出口；在上部設(shè)置著把經(jīng)過(guò)通風(fēng)管送來(lái)的廢氣加以排出的廢氣排出口。
又在堆積煤顆粒的上述傾斜面上設(shè)置蒸汽通過(guò)孔、在這傾斜面的下方設(shè)置蒸汽供給口。在氣化爐是圓筒形的場(chǎng)合下、把傾斜面做成倒圓錐狀的曲面形的傾斜板；在氣化爐的斷面是四方形的筒狀的場(chǎng)合下、把傾斜面做成平板狀的傾斜板。
在上述氣化爐內(nèi)裝著作為供熱介質(zhì)的蓄熱性固體顆粒，這蓄熱性固體顆粒在爐內(nèi)底部處于與煤顆?；旌蠣顟B(tài)、與燃料氣體一起在通風(fēng)管內(nèi)被吹上，而且又被送回地循環(huán)使用。
只要是能夠蓄積熱量、在氣化爐內(nèi)的溫度下能穩(wěn)定的顆粒、任何一種都能用作上述蓄熱性固體顆粒，例如鐵等金屬顆?；蜓趸喌忍沾深w粒。
上述的煤顆粒是以承載著催化劑的狀態(tài)或與催化劑粉末一起供到氣化爐內(nèi)的。
由于本發(fā)明在氣化爐內(nèi)的底部形成能使煤顆粒朝上述燃料氣體供給口落下和堆積的傾斜面，因而堆積在這傾斜面上的煤顆粒堆積層中的煤顆粒接受由燃料氣體供給口供給的燃料氣體(由空氣或氧氣和LNG、LPG或生成氣體的一部分構(gòu)成)加熱了的蓄熱性固體顆粒的熱量，由蒸汽供給口供來(lái)的蒸汽氣化。通過(guò)改變通風(fēng)管下端部和燃料氣體供給口之間的距離、調(diào)整蓄熱性固體顆粒和煤的堆積量就能將煤完全氣化。
生成氣體(氫氣、一氧化碳等)從氣化爐側(cè)部的生成氣供給口排出。另一方面，使燃料氣體在通風(fēng)管內(nèi)上升，成為廢氣、從廢氣排出口排出。
這樣，在本發(fā)明中就不用象以前那樣地分成熱分解和碳的氣化二個(gè)階段，通過(guò)使煤顆粒直接氣化，能全然不發(fā)生焦油地，以碳變換率為100％地得到以氫氣和一氧化碳為主要成分的生成氣體。
又由于由燃料氣體向煤顆粒的供熱是通過(guò)在通風(fēng)管和氣化爐內(nèi)進(jìn)行循環(huán)的蓄熱性固體顆粒來(lái)進(jìn)行的。即，當(dāng)把蓄熱性固體顆粒在通風(fēng)管內(nèi)被吹上時(shí)，則被燃料氣體加熱，接著從通風(fēng)管送回到氣化爐內(nèi)、與堆積層內(nèi)煤顆?；旌蠒r(shí)，向煤顆粒放熱。因此能高效率地進(jìn)行氣化。
此外，在使煤顆粒承載著催化劑后供到氣化爐內(nèi)時(shí)，能在較低的溫度(約750～800℃左右)下進(jìn)行反應(yīng)。


圖1是表示本發(fā)明的煤的氣化裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2是表示用圖1所示的氣化裝置進(jìn)行試驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)間與各部分溫度的關(guān)系的曲線圖；圖3是表示用圖1所示的氣化裝置進(jìn)行試驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)間與生成氣體速度間的關(guān)系的曲線圖；圖4是表示用圖1所示的氣化裝置進(jìn)行試驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)間與氣體組成比例的關(guān)系的曲線圖；圖5是表示用圖1所示的氣化裝置進(jìn)行試驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)間與碳的轉(zhuǎn)化率間的關(guān)系的曲線圖；圖6是根據(jù)圖3的氣化反應(yīng)的流程圖；圖7是表示本發(fā)明的煤的氣化裝置另一個(gè)實(shí)施例的示意圖下面，參照著附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是表示本發(fā)明的煤的氣化裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在圖1中，1是圓筒狀的氣化爐，在它的中心部位裝著通風(fēng)管2。
在氣化爐1的上部設(shè)置著煤供給口3。這個(gè)煤供給口3是用電動(dòng)馬達(dá)5控制供給口上部的料斗4的出口部的回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)數(shù)，把規(guī)定量的煤顆粒6供到氣化爐1內(nèi)。
在氣化爐1的底部設(shè)置著燃料氣體供給口7，供給LPG和空氣的混合氣體。也可用LNG或一部分生成氣體來(lái)替代LPG，或者用氧氣來(lái)替代空氣。
當(dāng)氣化爐1的下部周面上附設(shè)著用來(lái)保溫的夾套加熱器8。在氣化爐1的底部和側(cè)部還分別設(shè)置著蒸汽供給口9和排出氣化生成氣體的生成氣體排出口10。
氣化爐1的內(nèi)底部設(shè)置著能使煤顆粒6朝燃料氣體供給口7落下、堆積的傾斜面11，在這傾斜面上形成堆積層12。在這傾斜面11上成同心圓狀并排設(shè)置多個(gè)蒸汽通過(guò)孔，做成使從氣化爐1底部的蒸汽供給口9供給的蒸汽能均勻地與堆積層12內(nèi)的煤顆粒6起反應(yīng)。此外，這傾斜面11也可以用網(wǎng)狀構(gòu)件構(gòu)成。
傾斜面11是通過(guò)把倒圓錐形、上面成曲面的傾斜板設(shè)置在圓筒形的氣化爐1的內(nèi)底部而構(gòu)成。但是，在氣化爐1的斷面是四方形的場(chǎng)合下，則使用上面是平坦的傾斜板。
在氣化爐1內(nèi)裝著作為供熱介質(zhì)的蓄熱性固體顆粒13，這種蓄熱性固體顆粒13在爐內(nèi)底部的堆積層12上、處在與煤顆粒6混合的狀態(tài)。這種蓄熱性固體顆料13與燃料氣體一起在通風(fēng)管2內(nèi)被吹上，在這過(guò)程中、從燃料氣體接受熱量并加以蓄熱，在被送回到氣化爐1內(nèi)的時(shí)候，與通風(fēng)管2一起使煤顆粒6加熱、使其氣化反應(yīng)地被循環(huán)使用。可作這種蓄熱性固體顆粒13用的有例如鐵等金屬顆粒或氧化鋯等陶瓷顆粒，平均粒徑約是100～200μm、最好是500μm左右，密度是1～10g/cm3、最好是1.9g/cm3左右。在使用陶瓷等顆粒的場(chǎng)合下，能有促進(jìn)氣化反應(yīng)的催化劑的作用。在使用這個(gè)陶瓷顆粒時(shí)，可原封不動(dòng)地加以使用，但由于陶瓷顆粒會(huì)被中毒，有阻礙氣化反應(yīng)的問(wèn)題，因而最好用碳酸鋰等催化劑包覆陶瓷顆粒的表面。
把氣化爐1內(nèi)的通風(fēng)管2的下端開(kāi)口部2a位于燃料氣體供給口7的上方地將其延伸設(shè)置在氣化爐1內(nèi)。通風(fēng)管2的上端通過(guò)氣化爐1的上部并與第1旋風(fēng)分離器14相連接。由這旋風(fēng)分離器14把廢氣和蓄熱性固體顆粒13分離開(kāi)。被分離的蓄熱性固體顆粒13經(jīng)送回管15被送回到氣化爐1內(nèi)，被循環(huán)地使用。另一方面，廢氣則從第1旋風(fēng)分離器14被送到第2旋風(fēng)分離器16，在那里回收灰分(煤灰)。從廢氣排出口17把廢氣排出。
由于通風(fēng)管2的內(nèi)部向上流過(guò)高溫、高速的氣固混合相物體，因而用鎳合金等耐蝕性的堿金屬材料制成，使其能較好地長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
在本實(shí)施例中，通過(guò)把通風(fēng)管2的下端部和燃料氣體供給7之間的間隙做成能調(diào)整的，由此對(duì)蓄熱性固體顆粒13的循環(huán)速度進(jìn)行控制。
下面，對(duì)使用圖1所示的煤的氣化裝置的煤的氣化方法進(jìn)行說(shuō)明。作為原料的煤可使用如次煙煤，但并不局限于這種煤，從低揮發(fā)成分煤到高揮發(fā)成分煤的各種煤都可使用。另外，煤顆粒6的平均粒徑大約是100μm～10mm，最好是約1～2mm，另外，即使在這種煤顆粒里混入細(xì)微煤粉也沒(méi)關(guān)系。
最好使煤顆粒6事先承載著催化劑。催化劑可用公知的任意一種，例如堿金屬的氫氧化物、碳酸鹽或氯化物、堿土類金屬的碳酸鹽或氯化物、以及過(guò)渡性金屬的氯化物等，特別是最好使用碳酸鉀。催化劑的承載可用下列一些方法進(jìn)行。即把煤顆粒浸在催化劑水溶液中后使其干燥的方法或者把煤顆粒與催化劑顆?；旌系姆椒?。催化劑承載量(混合比例)最好是1kg左右煤顆粒用0.1～2.0克分子。
先把煤顆粒6供到氣化爐1內(nèi)，把燃料氣體和蒸汽分別從燃料氣體供給口7和蒸汽供給口9供到氣化爐1內(nèi)。燃料氣體和蒸汽通常是用700～1000℃的、最好是用800～900℃的。把燃料氣體的供給速度調(diào)整成能把蓄熱固體顆粒13通過(guò)通風(fēng)管2吹到第1旋風(fēng)分離器14；把蒸汽的供給速度調(diào)整成能充分進(jìn)行氣化反應(yīng)。
被供到氣化爐1內(nèi)的煤顆粒6和蓄熱性固體顆粒13一起被堆積在氣化爐1內(nèi)的底部，使其與蒸汽接觸，進(jìn)行氣化，產(chǎn)生以氫氣、一氧化碳為主體的生成氣體。使生成氣體從生成氣體排出口10排出。反應(yīng)過(guò)程中，氣化爐1內(nèi)的溫度被保持在700～850℃范圍內(nèi)。
使灰分50在通風(fēng)管2內(nèi)上升，被送到第1旋風(fēng)分離器14中。
由燃料氣體把與灰分50一起吹上的蓄熱性固體顆粒13在第1旋風(fēng)分離器14中與廢氣分離、并經(jīng)過(guò)回送管15送回到氣化爐1內(nèi)。
用第1旋風(fēng)分離器14分離的灰分由第2旋風(fēng)分離器16與廢氣分離并被回收。這灰分(煤灰)可用作鉀肥。
下面，對(duì)用圖1所示的煤的氣化裝置進(jìn)行煤的氣化反應(yīng)的試驗(yàn)例進(jìn)行說(shuō)明。
試驗(yàn)例1(1)煤顆粒使用粒徑為1～2mm(混入細(xì)微煤粉的)的次煙煤(美國(guó)、阿拉斯加產(chǎn)的)、用碳酸鉀水溶液(作催化劑)浸泡后，由旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器干燥過(guò)的。催化劑的承載量以鉀原子換算、約1kg煤顆粒帶0.14g。
(2)蓄熱性固體顆粒使用平均粒徑為500μm的球顆粒(密度是4.9g/cm3)的陶瓷顆粒。
(3)操作煤的供給速度1kg/小時(shí)，蓄熱性固體顆粒在氣化爐內(nèi)的填充量6kg，蓄熱性固體顆粒的循環(huán)速度5g/秒，燃料氣體LPG和空氣的混合物氣化溫度約800℃運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間60分鐘
(4)試驗(yàn)結(jié)果從開(kāi)始供給煤的顆粒到結(jié)束(約60分鐘)及此后的裝置各部分的溫度變化、生成氣體的組成、生成氣體速度和碳轉(zhuǎn)化率分別由圖2、圖3、圖4和圖5表示。生成氣體速度是用0℃、1氣壓的換算值。在操作過(guò)程中全然沒(méi)產(chǎn)生焦油。根據(jù)圖3的流程(以1kg煤為基準(zhǔn))由圖6表示。
下面，參照著圖7來(lái)說(shuō)明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例。這個(gè)煤的氣化裝置在氣化爐21內(nèi)設(shè)置傾斜板40、并且分成使煤顆粒6與蓄熱性固體顆粒13混合的區(qū)域A和進(jìn)行氣化反應(yīng)的區(qū)域B。從傾斜板40的底面開(kāi)口40a落到區(qū)域B里的煤顆粒6與蓄熱性固體顆粒13落到傾斜面41上、并堆積起來(lái)形成堆積層32。傾斜面41具有蒸汽通氣孔、以便把從蒸汽供給口29輸來(lái)的蒸汽送到堆積層32，這一點(diǎn)是和上述實(shí)施例相同的。
下端開(kāi)口位于燃料氣體供給口27的上方的通風(fēng)管22，它的上端位于區(qū)域A內(nèi)，在通風(fēng)管32內(nèi)被吹上的蓄熱性固體顆粒13落入到氣化爐21內(nèi)被循環(huán)使用。而灰分等則與廢氣一起、經(jīng)過(guò)設(shè)置在氣化爐21的上部的廢氣排出口42、由旋風(fēng)分離器43分離而回收。
其余結(jié)構(gòu)都與上述實(shí)施例相同。這個(gè)實(shí)施例的煤的氣化裝置是特別適于制造大量氫氣的。
雖然在本發(fā)明中把煤的顆粒用作氣化原料，但即使用炭也能使其進(jìn)行同樣的氣化反應(yīng)。
由于本發(fā)明能不象以前那樣地分成熱分解和碳的氣化兩個(gè)階段、而是把煤的顆粒直接氣化，因而就全然不會(huì)發(fā)生焦油，能得到100％的碳變換率、能生成以氫和一氧化碳為主的生成氣體。
當(dāng)從燃料氣體向煤的顆粒的供熱是通過(guò)通風(fēng)管和氣化爐內(nèi)循環(huán)的蓄熱性固體顆粒來(lái)進(jìn)行時(shí)，能高效率地進(jìn)行氣化。
在使煤的顆粒承載著催化劑后供到氣化爐內(nèi)時(shí)，則在較低的溫度(約750～850℃左右)下就能進(jìn)行反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種煤的氣化裝置，其特征是它設(shè)有氣化爐和通風(fēng)管，氣化爐是分別在上部設(shè)有煤的供給口、在底部設(shè)有燃料氣體供給口、設(shè)置著能使從上部的煤供給口投入的煤顆粒朝燃料氣體供給口落下、堆積到底部上的傾斜的傾斜面；上述的通風(fēng)管是下端開(kāi)口部位于氣化爐內(nèi)的上述燃料氣體供給口的上方，在氣化爐內(nèi)朝上方延伸設(shè)置的；而且分別在上述氣化爐的下部設(shè)置把蒸汽供給那些堆積在氣化爐內(nèi)的底部上的煤顆粒的蒸汽供給口，在側(cè)部設(shè)置著把由氣化反應(yīng)生成的氣體加以排出的生成氣體排出口，在上部設(shè)置著把經(jīng)過(guò)通風(fēng)管送來(lái)的廢氣加以排出的廢氣排出口。
2.如權(quán)利要求1所述的煤的氣化裝置，其特征是在上述傾斜面上設(shè)置蒸汽通過(guò)孔，在這傾斜面的下方設(shè)置上述的蒸汽供給口。
3.如權(quán)利要求1所述的煤的氣化裝置，其特征是在上述氣化爐內(nèi)裝著作為供熱介質(zhì)的蓄熱性固體顆粒，這蓄熱性固體顆粒在爐內(nèi)底部處在與煤顆?；旌蠣顟B(tài)，與燃料氣體一起在通風(fēng)管內(nèi)被吹上，而且被送回到氣化爐內(nèi)地循環(huán)使用。
4.如權(quán)利要求3所述的煤的氣化裝置，其特征是上述的蓄熱性固體顆粒是陶瓷顆粒。
5.如權(quán)利要求1所述的煤的氣化裝置，其特征是上述的煤顆粒是在承載著催化劑的狀態(tài)下被供給到氣化爐內(nèi)的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能安全、長(zhǎng)時(shí)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、能保持100％碳變換率、實(shí)用價(jià)值高的煤的氣化裝置。它是在氣化爐的上部和底部分別設(shè)有煤供給口和燃?xì)夤┙o口，并設(shè)有使投入的煤顆粒落下、堆積到底部上的傾斜面，以及開(kāi)口端在燃?xì)夤┙o口的上方、在爐內(nèi)朝上延伸的通風(fēng)管；還在氣化爐的下部和側(cè)部分別設(shè)置蒸汽供給口和生成氣體排出口，并在上部設(shè)置廢氣排出口。
文檔編號(hào)C10B49/10GK1140746SQ9510812
公開(kāi)日1997年1月22日 申請(qǐng)日期1995年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)明者三田順啟 申請(qǐng)人:三田工業(yè)株式會(huì)社