含碳物料反应系统、方法技术方案

本发明专利技术公开了一种含碳物料反应系统、方法，该反应方法包括：使用中温气体对固态含碳物料进行中温热解；收集该中温热解过程中的气体；对中温热解后的固体产物进行高温裂解气化；将高温裂解气化产生的高温气体产物冷却为中温气体，并使用该中温气体对固态含碳物料进行中温热解。所述反应系统实现该反应方法。这样，含碳物料的中温热解和高温裂解气化过程可以形成一个循环，其中中温热解后含碳量较高的固体产物可以作为高温裂解气化的原料，而高温裂解气化产生的高温气体产物又能够在冷却后作为中温热解的热源，因此在含碳物料充分热解的同时，充分利用系统的热能，系统的能耗较低，又因为排放物较少，环保性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含碳物料的反应领域，具体地，涉及一种含碳物料反应系统、方法，该含碳物料反应系统、方法特别用于制氢。
技术介绍
含碳物料可以用于制备各种产品气，例如氢气、一氧化碳以及乙炔等。其中，氢能源具有众多优点可以应用在众多领域中，但是氢能源是一种二次能源，需要通过一定的方法制取。生产氢分子的原理是利用化学反应将氢分子从含氢的化合物中分离出来，这一化学反应过程需要从外界输入能量。在理想状态下，根据能量守恒定律生产氢气所需要的能量应该与生产出来的氢气完全燃烧所放出的能量相等。但是在实际生产却存在着大量的能量损失，所以氢气生产往往需要耗费大量的能源。目前工业上制备氢气的主要方法有六种，分别是：(1)采用矿物燃料进行蒸汽转化生产氢气；(2)电解水生产氢气；(3)生物质气化反应生产氢气；(4)光电化学反应生产氢气；(5)光生物反应生产氢气；(6)热分解生产氢气。氢气的生产必然涉及到两方面的因素，一个是制氢原料，一个是制氢途径。不同的国家或地区的制氢原料存在着很大的区别，这就决定了不同情况必须采用不同的制氢工艺。目前世界氢气来源有90％是由矿物燃料生产。在我国，大部分电力依靠燃煤电厂发电产生，水电、风力发电规模比较小，电价受煤、气资源影响波动较大，水电解制氢虽然在原料资源上具有绝对优势，但需耗费大量电能，氢的生产成本太高，只有利用水电、太阳能发电或从可再生能源获得的电能时，水电解制氢才有可能在经济上具有真正的竞争能力。此外，我国天然气储量较低，人均占有量严重低下，天然气-蒸汽重整制氢技术只有在天然气比较富足且不易输出的地区，例如川渝地区或者天然气作为一种工艺副产气，如石油炼制工业干气时采用此法比较可行，大规模利用该法制氢是不符合我国具体国情的。目前，绝大多数甲醇其本身是由氢气和一氧化碳合成的，利用由氢气合成的甲醇去制造氢气的做法很显然在经济上是不划算的，同时也浪费大量资源。此外，其他产品气的制备也相类似，含碳物料的反应过程对能源的耗费较高，因此提供一种低污染、低排放的清洁含碳物料的反应工艺具有积极意义。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种含碳物料反应系统，该系统在实现含碳物料的高效热解的同时能耗低、环保性好。本专利技术的另一个目的是提供一种含碳物料反应方法，该方法在实现含碳物料的高效热解的同时能耗低、环保性好。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供一种含碳物料反应系统，该反应系统包括中温热解反应器和高温裂解气化反应器，所述中温热解反应器具有第一原料入口、气体出口、固体出口和中温气体入口，所述高温裂解气化反应器具有第二原料入口、高温气体产物出口和排渣口，其中，所述固体出口与所述第二原料入口连通，以使得固态含碳物料在所述中温热解反应器中由中温气体热解后的固体产物进入所述高温裂解气化反应器中，并且所述高温气体产物出口与所述中温反应气体入口通过冷却装置连通，以使得所述等离子体反应器产生的高温气体产物在冷却为中温气体后进入所述中温热解反应器中。根据本专利技术的另一方面，提供一种含碳物料反应方法，该反应方法包括：使用中温气体对固态含碳物料进行中温热解；收集该中温热解过程中的气体；对中温热解后的固体产物进行高温裂解气化；将高温裂解气化产生的高温气体产物冷却为中温气体，并使用该中温气体对固态含碳物料进行中温热解。通过上述技术方案，含碳物料的中温热解和高温裂解气化过程可以形成一个循环，其中中温热解后含碳量较高的固体产物可以作为高温裂解气化的原料，而高温裂解气化产生的高温气体产物又能够在冷却后作为中温热解的热源，因此在含碳物料充分热解的同时，充分利用系统的热能，系统的能耗较低，又因为排放物较少，环保性好。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图2是本专利技术第一实施方式提供的制氢装置的剖视结构示意图；图3是本专利技术第二实施方式提供的制氢装置的剖视结构示意图。附图标记说明1反应器本体2等离子体发生器3第一通道4第二通道5第三通道6第四通道7第五通道11第二原料入口12等离子体入口13高温气体产物出口21阴极22阳极23绝缘座61第一进水道62第一出水道63冷却水腔71第二进水道72第二出水道73冷却水道14淬冷液喷口81除尘收油反应器82中温热解反应器83固液原料混合器85冷却装置84高温裂解气化反应器91第一原料入口92气体出口93固体出口94中温气体入口95冷却水入口96水蒸气入口97液体含碳物料入口98产品气出口具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”具体地可参考图2和图3的图面方向，“远、近”是指相应部件轮廓的内和外。另外，本专利技术中涉及的“中温”的温度范围为600℃-900℃，“高温”的温度范围则为大于900℃的温度范围。例如，在本实施方式中，对含碳物料进行中温热解的中温气体的温度为600℃-900℃，经过高温裂解气化而生成的高温气体产物的温度为1300℃-1600℃。在该温度条件下，本实施方式中提供的含碳物料反应系统和方法较适宜用于制氢，即最终的产品气中的氢气含量较高。此外，在本专利技术构思下，本专利技术其他实施方式提供的含碳物料反应系统和方法还可以用于制备乙炔、一氧化碳等产品气。其中，为实现本专利技术目的，本专利技术示例性实施方法提供的碳物料反应方法包括：使用中温气体对固态含碳物料进行中温热解；收集该中温热解过程中的气体；对中温热解后的固体产物进行高温裂解气化；将高温裂解气化产生的高温气体产物冷却为中温气体，并使用该中温气体对固态含碳物料进行中温热解。这样，含碳物料的中温热解和高温裂解气化过程可以形成一个循环，其中，含碳物料例如煤液化残渣在中温热解时能够脱出氢气等小分子其他和其他挥发份，此时在得到氢气等气体的同时能够得到高含碳的固体产物，这样该固体产物能够直接作为高温裂解气化的原料，从而实现含碳物料的充分热解。并且同时，高温裂解气化产生的高温气体产物又能够在冷却后作为中温热解的热源，而对不断进入的含碳物料进行中温热解，通过对中温热解过程中的气体进行收集从而得到含碳物料中温热解和高温裂解气化后产生的气体产物。因此通过这样的循环式热解方式，能够在含碳物料充分热解的同时，充分利用系统的热能，系统的能耗较低，又因为排放物较少，环保性好。为了实现这一反应方法，如图1所示，本专利技术实施方式提供的反应系统包括中温热解反应器82和高温裂解气化反应器84，中温热解反应器82具有供固态含碳物料进入的第一原料入口91、供中温热解中收集的气体排出的气体出口92、供中温热解的高含碳固体产物排出的固体出口93和供中温气体入口进入的中温气体入口94，高温裂解气化反应器84具有第二原料入口11、高温气体产物出口13和排渣口15，其中，固体出口93与第二原料入口11连通，以使得固态含碳物料在中温热解反应器82中由中温气体热解后的固体产物进入高温裂解气化反应器84中，并且高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含碳物料反应系统，其特征在于，该反应系统包括中温热解反应器(82)和高温裂解气化反应器(84)，所述中温热解反应器(82)具有第一原料入口(91)、气体出口(92)、固体出口(93)和中温气体入口(94)，所述高温裂解气化反应器(84)具有第二原料入口(11)、高温气体产物出口(13)和排渣口(15)，其中，所述固体出口(93)与所述第二原料入口(11)连通，以使得固态含碳物料在所述中温热解反应器(82)中由中温气体热解后的固体产物进入所述高温裂解气化反应器(84)中，并且所述高温气体产物出口(13)与所述中温反应气体入口(94)通过冷却装置(85)连通，以使得所述等离子体反应器(84)产生的高温气体产物在冷却为中温气体后进入所述中温热解反应器(82)中。

【技术特征摘要】
1.一种含碳物料反应系统，其特征在于，该反应系统包括中温热解反应器(82)和高温裂解气化反应器(84)，所述中温热解反应器(82)具有第一原料入口(91)、气体出口(92)、固体出口(93)和中温气体入口(94)，所述高温裂解气化反应器(84)具有第二原料入口(11)、高温气体产物出口(13)和排渣口(15)，其中，所述固体出口(93)与所述第二原料入口(11)连通，以使得固态含碳物料在所述中温热解反应器(82)中由中温气体热解后的固体产物进入所述高温裂解气化反应器(84)中，并且所述高温气体产物出口(13)与所述中温反应气体入口(94)通过冷却装置(85)连通，以使得所述等离子体反应器(84)产生的高温气体产物在冷却为中温气体后进入所述中温热解反应器(82)中。2.根据权利要求1所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述高温裂解气化反应器(84)为等离子体反应器，该等离子体反应器具有等离子体入口(12)。3.根据权利要求2所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述冷却装置(85)为气化冷却装置，该气化冷却装置具有冷却水入口(95)和水蒸气出口(96)，所述水蒸气出口(96)与所述等离子体反应器(84)连通，以向所述等离子体反应器(84)的等离子体工作气体中加入所述气化冷却装置产生的水蒸气。4.根据权利要求3所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述等离子体反应器(84)包括反应器本体(1)和向该反应器本体(1)内通入高温等离子体的等离子体发生器(2)，所述水蒸气出口(96)与所述等离子体发
\t生器(2)连通。5.根据权利要求4所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述等离子体发生器(2)为多个，所述水蒸气出口(96)为多个并与多个所述等离子体发生器(2)一一对应。6.根据要求要求1所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述固体产物出口(93)与所述第二原料入口(11)之间设置有固液原料混合器(83)，该固液原料混合器(83)具有液态含碳物料入口(97)，以对由所述固体产物出口(93)而来的固体产物与液态含碳物料进行固液混合并将混合后的浆液输送到所述第二原料入口(11)。7.根据权利要求1所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述含碳物料反应系统还包括与所述气体产物出口(92)连通的除尘收油反应器(81)，该除尘收油反应器(81)具有产品气出口(98)。8.根据权利要求1所述的含碳物料反应系统，其特征在于，该含碳物料反应系统用于制氢。9.根据权利要求6所述的含碳物料反应系统，其特征在于，所述固态含碳物料为煤液化残渣或石油焦，所述液态含碳物料为煤焦油或水煤浆。10.根据权利要求1或6所述含碳物料反应系统，其特征在于，所述第二原料入口(11)为多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩，韩建涛，李君，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11