碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法和设备技术

本发明专利技术属于制备清洁燃气和化工合成气的技术领域。以熔融碱金属盐作为催化和流化介质，使其充填在反应器内。以碳基化合物（如：煤、秸秆或其它生物质等）作为被加工物料不断地被输送到反应器内。以氧气或空气作为主气化剂；以水蒸汽或ＣＯ↓［２］气作为辅气化剂，将气化剂通入到反应器内。凭借气化剂对碳元素的有控制的氧化反应所释放的热量，使有机高分子解聚。在连续工艺下，得到含有ＣＯ、Ｈ↓［２］、ＣＯ↓［２］和ＣＨ↓［４］等气体成分的产品气。由于采用液态催化剂，使反应条件温和化，反应器内的能量分布均匀化，调控手段简单化。本工艺将脱硫工序整合在气化阶段，以减轻下游净化工序的负荷。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于制备清洁燃气和化工合成气的

技术介绍
：气化技术从1788年Robert Gardner取得煤气化专利算起，已经研发了二百多年，技术和控制越来越复杂，仍然有诸多的缺陷。传统和现代气化炉的设计都是采用“部分氧化燃烧”过程释放的热能，弥补裂解气化所需的吸热过程的能耗。近年来，从国外引进的以纯氧作为气化剂的气流床气化炉，高温高压的反应设计使系统构造和操作复杂化，因此不时地出现故障，企业不得不保持一定的设备冗余以备不时之需。为了缓和反应条件，人们也试图开发各种催化剂，但是液态催化剂的开发鲜见报道。
技术实现思路
：专利技术目的：本专利技术通过采用液态催化剂使反应条件温和化，反应器内的能量分布均匀化，调控手段简单化。本工艺可将脱硫工序整合在气化阶段，防止将硫化物带入到产品气中去，以减轻产品气净化工序的负荷。技术方案：一种碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法，以熔融碱金属盐作为催化和流化介质，使其充填在反应器(1)内，并占据反应器内的大部分体积空间，以碳基化合物作为被加工物料不断地被输送到反应器内，以纯氧气、富氧气、或空气作为主气化剂；以水蒸汽或CO2气作为辅气化剂，将主、辅气化剂通入到反应器内，凭借气化剂对碳元素的有控制的氧化反应所释放的热量，使有机高分子解聚，得到含有CO、H2、CO2和CH4等气体成分的产品气。所述的熔融碱金属盐是钠、钾、锂中的一种或多种，与钠、钾、锂形成的盐中，既包括上述三种碱金属的氢氧化物、甲酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐；也包括上述三种碱金属的熔融盐分解后形成的氧化钠、氧化钾、氧化锂。气化反应器内的温度主要是依靠分别输入主、辅气化剂的量来控制，主气化剂使反应温度升高；辅气化剂使反应温度降低。所述的碳基化合物是指在物质分子组成中含有碳元素的物质，包括碳氢化合物、碳水化合物、单质碳物质和各种碳与氧、硫化合物的混合物。气化反应器内的温度控制在650～1200℃，压力范围在0.1～10MPa。一种如上所述的碱金属熔盐催化气化碳基化合物的设备，气化反应器(1)与一个螺旋进料器(2)相连通，反应器内设有主、辅气化剂的入口(3)，主、辅气化剂的入口与反应器内的气体分布器相连通，反应器的底部设有排渣口-->(4)，在反应器的上部连通有产品气的出口(5)。气化反应器(1)壁是由金属壳体层、热化学稳定的隔热保温层、与碱金属熔盐直接接触的热化学稳定的陶瓷材料层构成的，热化学稳定的陶瓷材料包括三氧化二铝、硅酸铝、氧化镁等陶瓷材料，所有与碱金属熔盐直接接触的、权利要求6所述的构件的表面都被覆这些陶瓷材料。优点及效果：1、熔融碱金属盐是良好的流化介质和传热传质。可以凭借与被加工物料最全面的接触，将热传递给后者。同时，熔盐与固态、气态的流化介质不同的是，液态的流化介质可以“粘住”反应不完全的炭粒，阻止其跟随产品气流过早地离开反应器，影响总的碳转化效率。液态的流化介质还使得整个反应器成为一个相对均匀、热惯性容易保持的“热场”。2、熔融碱金属盐是很好的气化反应催化剂，且廉价易得、容易回收。采用在高温下是液态催化剂的明显好处是，不受固体催化剂的因机械强度不够所致的磨损消耗；与反应物的表面接触性不良造成的活化效果不佳；因表面积炭导致的催化剂失活等因素的制约。3、熔融碱金属盐工艺可以把制气与脱硫、除硅渣整合在一起，产品气杂质少、可直接用于下游生产，简化了净化工序。这一点对高含硫原料，如废旧轮胎和煤炭等的加工有利。4、工艺条件温和、操作复杂度低、可控性好。5、对被加工原料适用面宽，可利用劣质煤炭和各种废弃资源，甚至可应用于治理有机废弃物的排放。附图说明：图1为本专利技术设备的主要结构示意图。具体实施方式：首先举例说明本技术是怎样工作的。以熔融氧化钠(Na2O)作为催化剂和流化床料，把气化反应温度设定在920℃左右，压力大于0.1MPa，升温阶段以加工炭粉为例，达到设定温度后以加工煤或秸秆为例来说明。先从氢氧化钠(NaOH)说起。因为它只是这个反应体系中的过渡化合物，也是熔融氧化钠的前体和优先选择的催化剂投料。NaOH的熔点是318.4℃，比较容易被加热熔化。在其中掺入10～20％(v/v)的炭粉，在微波的辐照下升温至熔融，也可采用其它方法使其熔融。升温的早-->期阶段会有烟出现。烟是焦油在高温时的气溶胶形态，冷却后凝结成焦油。在500℃左右时产生的焦油量最多。但达到设定的温度后，焦油就被裂解了。在低温段，NaOH可以与炭粉气化过程中生成的CO反应，形成甲酸钠(HCOONa，熔点253℃)。熔融甲酸钠很不稳定，随着温度的升高被分解成CO、水蒸汽和氧化钠(Na2O，熔点920℃，升华的温度1275℃)。熔化后的NaOH也逐渐被分解成水蒸汽和Na2O。水蒸汽则直接参与了炭粉的重整气化反应。Na2O还会与炭粉气化过程中生成的CO2反应，形成碳酸钠(Na2CO3，熔点851℃)。Na2CO3比较稳定，超过熔点时才开始少量分解，分解成CO2和Na2O。所以，达到设定的温度后，Na2CO3和Na2O是优势熔体。同理，如果使用碳酸氢钠(NaHCO3)作为最初投料，NaHCO3在270℃分解成Na2CO3、H2O和CO2。H2O和CO2可直接参与碳基化合物的重整气化反应。在高温段，Na2CO3成为与Na2O转化平衡的熔体。上面是以钠盐为例，钾和锂盐的转化同理。达到设定温度的熔融碱金属盐是很好的流化介质和传热传质，可用于“浸泡、蒸煮、熔炼”秸秆或煤等碳基化合物。Na2CO3和Na2O还可以兼作为热解反应的催化剂。它们作为热解催化剂，至今已被人们使用了100多年。此外，熔融碱金属盐还可作为环境有害元素清除剂。比如，碱金属可与原料中的硫元素反应生成硫酸盐熔渣而将其清除掉，使重整气中硫化氢(H2S)的气体成分大大减少。其它气化技术的产品气中都含有H2S气体，用作合成气时需先脱硫净化。再说明本工艺下不参与反应的元素的去路。煤或秸秆原料中不参与反应的主要元素是硅、硫、氮等，钾将参与碱金属的循环回收利用。硅是不参与反应的最大份量的元素。硅在熔盐气化反应体系中会形成硅酸钠。硅酸钠的相对密度为2.614g/cm3。关注相对密度是为了确定它在反应器中的定位和排渣的部位。硫在熔盐气化反应体系中转化成硫酸钠(Na2SO4，相对密度2.68g/cm3，熔点884℃)。氮气的去路主要是在产品气中。加压条件下会有少量NH3生成。Na2O的相对密度2.27g/cm3，Na2CO3的相对密度2.53g/cm3。两者的相对密度都小于硅酸钠和硫酸钠。排渣可以在反应器的下部进行。在整个气化反应体系中如果存在少量的钙元素会优先于硅酸钠、硫酸钠、-->碳酸钠形成相应的钙盐。钙盐的相对密度在2.7～3.2g/cm3之间，在反应器的下部排渣。镁与钙的反应大同小异。铝和铁元素以氧化物沉渣的形式排出。磷是以焦磷酸盐的形式被沉积排出。本工艺中NaOH的消耗量与原料中硅、硫等杂质的含量成正比。熔渣是各种盐的共晶混合物，很难仅凭密度将它们相互分离。对排出的熔渣，进行碱回收的处理过程，类似于烧碱法制纸浆从碱回收炉排出的熔融物的后处理过程。也可采用单阳膜电渗析技术回收碱金属，这是目前氯碱工业成熟的制碱方法。既回收了碱金属，又分离出了硫酸、硅酸(硅胶)等杂质，避免了有害物质的排放。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法，其特征在于：以熔融碱金属盐作为催化和流化介质，使其充填在反应器（１）内，并占据反应器内的大部分体积空间，以碳基化合物作为被加工物料不断地被输送到反应器内，以纯氧气、富氧气、或空气作为主气化剂；以水蒸汽或ＣＯ↓［２］气作为辅气化剂，将主、辅气化剂通入到反应器内，凭借气化剂对碳元素的有控制的氧化反应所释放的热量，使有机高分子解聚，得到含有ＣＯ、Ｈ↓［２］、ＣＯ↓［２］和ＣＨ↓［４］等气体成分的产品气。

【技术特征摘要】
1、一种碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法，其特征在于：以熔融碱金属盐作为催化和流化介质，使其充填在反应器(1)内，并占据反应器内的大部分体积空间，以碳基化合物作为被加工物料不断地被输送到反应器内，以纯氧气、富氧气、或空气作为主气化剂；以水蒸汽或CO2气作为辅气化剂，将主、辅气化剂通入到反应器内，凭借气化剂对碳元素的有控制的氧化反应所释放的热量，使有机高分子解聚，得到含有CO、H2、CO2和CH4等气体成分的产品气。2、根据权利要求1所述的碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法，其特征在于：所述的熔融碱金属盐是钠、钾、锂中的一种或多种，与钠、钾、锂形成的盐中，既包括上述三种碱金属的氢氧化物、甲酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐；也包括上述三种碱金属的熔融盐分解后形成的氧化钠、氧化钾、氧化锂。3、根据权利要求1所述的碱金属熔盐催化气化碳基化合物的方法，其特征在于：气化反应器内的温度主要是依靠分别输入主、辅气化剂的量来控制，主气化剂使反应温度升高；辅气化剂使反应温度降低。4、根据权利要求1所述的碱金属熔盐催...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍涛，
申请(专利权)人：鲍涛，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]