堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法和設備技術

本發明專利技術屬于制備清潔燃氣和化工合成氣的技術領域。以熔融堿金屬鹽作為催化和流化介質，使其充填在反應器內。以碳基化合物（如：煤、秸稈或其它生物質等）作為被加工物料不斷地被輸送到反應器內。以氧氣或空氣作為主氣化劑；以水蒸汽或ＣＯ↓［２］氣作為輔氣化劑，將氣化劑通入到反應器內。憑借氣化劑對碳元素的有控制的氧化反應所釋放的熱量，使有機高分子解聚。在連續工藝下，得到含有ＣＯ、Ｈ↓［２］、ＣＯ↓［２］和ＣＨ↓［４］等氣體成分的產品氣。由于采用液態催化劑，使反應條件溫和化，反應器內的能量分布均勻化，調控手段簡單化。本工藝將脫硫工序整合在氣化階段，以減輕下游凈化工序的負荷。

【技術實現步驟摘要】

：本專利技術屬于制備清潔燃氣和化工合成氣的

技術介紹
：氣化技術從1788年Robert?Gardner取得煤氣化專利算起，已經研發了二百多年，技術和控制越來越復雜，仍然有諸多的缺陷。傳統和現代氣化爐的設計都是采用“部分氧化燃燒”過程釋放的熱能，彌補裂解氣化所需的吸熱過程的能耗。近年來，從國外引進的以純氧作為氣化劑的氣流床氣化爐，高溫高壓的反應設計使系統構造和操作復雜化，因此不時地出現故障，企業不得不保持一定的設備冗余以備不時之需。為了緩和反應條件，人們也試圖開發各種催化劑，但是液態催化劑的開發鮮見報道。
技術實現思路
：專利技術目的：本專利技術通過采用液態催化劑使反應條件溫和化，反應器內的能量分布均勻化，調控手段簡單化。本工藝可將脫硫工序整合在氣化階段，防止將硫化物帶入到產品氣中去，以減輕產品氣凈化工序的負荷。技術方案：一種堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法，以熔融堿金屬鹽作為催化和流化介質，使其充填在反應器(1)內，并占據反應器內的大部分體積空間，以碳基化合物作為被加工物料不斷地被輸送到反應器內，以純氧氣、富氧氣、或空氣作為主氣化劑；以水蒸汽或CO2氣作為輔氣化劑，將主、輔氣化劑通入到反應器內，憑借氣化劑對碳元素的有控制的氧化反應所釋放的熱量，使有機高分子解聚，得到含有CO、H2、CO2和CH4等氣體成分的產品氣。所述的熔融堿金屬鹽是鈉、鉀、鋰中的一種或多種，與鈉、鉀、鋰形成的鹽中，既包括上述三種堿金屬的氫氧化物、甲酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸鹽；也包括上述三種堿金屬的熔融鹽分解后形成的氧化鈉、氧化鉀、氧化鋰。氣化反應器內的溫度主要是依靠分別輸入主、輔氣化劑的量來控制，主氣化劑使反應溫度升高；輔氣化劑使反應溫度降低。所述的碳基化合物是指在物質分子組成中含有碳元素的物質，包括碳氫化合物、碳水化合物、單質碳物質和各種碳與氧、硫化合物的混合物。氣化反應器內的溫度控制在650～1200℃，壓力范圍在0.1～10MPa。一種如上所述的堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的設備，氣化反應器(1)與一個螺旋進料器(2)相連通，反應器內設有主、輔氣化劑的入口(3)，主、輔氣化劑的入口與反應器內的氣體分布器相連通，反應器的底部設有排渣口-->(4)，在反應器的上部連通有產品氣的出口(5)。氣化反應器(1)壁是由金屬殼體層、熱化學穩定的隔熱保溫層、與堿金屬熔鹽直接接觸的熱化學穩定的陶瓷材料層構成的，熱化學穩定的陶瓷材料包括三氧化二鋁、硅酸鋁、氧化鎂等陶瓷材料，所有與堿金屬熔鹽直接接觸的、權利要求6所述的構件的表面都被覆這些陶瓷材料。優點及效果：1、熔融堿金屬鹽是良好的流化介質和傳熱傳質。可以憑借與被加工物料最全面的接觸，將熱傳遞給后者。同時，熔鹽與固態、氣態的流化介質不同的是，液態的流化介質可以“粘住”反應不完全的炭粒，阻止其跟隨產品氣流過早地離開反應器，影響總的碳轉化效率。液態的流化介質還使得整個反應器成為一個相對均勻、熱慣性容易保持的“熱場”。2、熔融堿金屬鹽是很好的氣化反應催化劑，且廉價易得、容易回收。采用在高溫下是液態催化劑的明顯好處是，不受固體催化劑的因機械強度不夠所致的磨損消耗；與反應物的表面接觸性不良造成的活化效果不佳；因表面積炭導致的催化劑失活等因素的制約。3、熔融堿金屬鹽工藝可以把制氣與脫硫、除硅渣整合在一起，產品氣雜質少、可直接用于下游生產，簡化了凈化工序。這一點對高含硫原料，如廢舊輪胎和煤炭等的加工有利。4、工藝條件溫和、操作復雜度低、可控性好。5、對被加工原料適用面寬，可利用劣質煤炭和各種廢棄資源，甚至可應用于治理有機廢棄物的排放。附圖說明：圖1為本專利技術設備的主要結構示意圖。具體實施方式：首先舉例說明本技術是怎樣工作的。以熔融氧化鈉(Na2O)作為催化劑和流化床料，把氣化反應溫度設定在920℃左右，壓力大于0.1MPa，升溫階段以加工炭粉為例，達到設定溫度后以加工煤或秸稈為例來說明。先從氫氧化鈉(NaOH)說起。因為它只是這個反應體系中的過渡化合物，也是熔融氧化鈉的前體和優先選擇的催化劑投料。NaOH的熔點是318.4℃，比較容易被加熱熔化。在其中摻入10～20％(v/v)的炭粉，在微波的輻照下升溫至熔融，也可采用其它方法使其熔融。升溫的早-->期階段會有煙出現。煙是焦油在高溫時的氣溶膠形態，冷卻后凝結成焦油。在500℃左右時產生的焦油量最多。但達到設定的溫度后，焦油就被裂解了。在低溫段，NaOH可以與炭粉氣化過程中生成的CO反應，形成甲酸鈉(HCOONa，熔點253℃)。熔融甲酸鈉很不穩定，隨著溫度的升高被分解成CO、水蒸汽和氧化鈉(Na2O，熔點920℃，升華的溫度1275℃)。熔化后的NaOH也逐漸被分解成水蒸汽和Na2O。水蒸汽則直接參與了炭粉的重整氣化反應。Na2O還會與炭粉氣化過程中生成的CO2反應，形成碳酸鈉(Na2CO3，熔點851℃)。Na2CO3比較穩定，超過熔點時才開始少量分解，分解成CO2和Na2O。所以，達到設定的溫度后，Na2CO3和Na2O是優勢熔體。同理，如果使用碳酸氫鈉(NaHCO3)作為最初投料，NaHCO3在270℃分解成Na2CO3、H2O和CO2。H2O和CO2可直接參與碳基化合物的重整氣化反應。在高溫段，Na2CO3成為與Na2O轉化平衡的熔體。上面是以鈉鹽為例，鉀和鋰鹽的轉化同理。達到設定溫度的熔融堿金屬鹽是很好的流化介質和傳熱傳質，可用于“浸泡、蒸煮、熔煉”秸稈或煤等碳基化合物。Na2CO3和Na2O還可以兼作為熱解反應的催化劑。它們作為熱解催化劑，至今已被人們使用了100多年。此外，熔融堿金屬鹽還可作為環境有害元素清除劑。比如，堿金屬可與原料中的硫元素反應生成硫酸鹽熔渣而將其清除掉，使重整氣中硫化氫(H2S)的氣體成分大大減少。其它氣化技術的產品氣中都含有H2S氣體，用作合成氣時需先脫硫凈化。再說明本工藝下不參與反應的元素的去路。煤或秸稈原料中不參與反應的主要元素是硅、硫、氮等，鉀將參與堿金屬的循環回收利用。硅是不參與反應的最大份量的元素。硅在熔鹽氣化反應體系中會形成硅酸鈉。硅酸鈉的相對密度為2.614g/cm3。關注相對密度是為了確定它在反應器中的定位和排渣的部位。硫在熔鹽氣化反應體系中轉化成硫酸鈉(Na2SO4，相對密度2.68g/cm3，熔點884℃)。氮氣的去路主要是在產品氣中。加壓條件下會有少量NH3生成。Na2O的相對密度2.27g/cm3，Na2CO3的相對密度2.53g/cm3。兩者的相對密度都小于硅酸鈉和硫酸鈉。排渣可以在反應器的下部進行。在整個氣化反應體系中如果存在少量的鈣元素會優先于硅酸鈉、硫酸鈉、-->碳酸鈉形成相應的鈣鹽。鈣鹽的相對密度在2.7～3.2g/cm3之間，在反應器的下部排渣。鎂與鈣的反應大同小異。鋁和鐵元素以氧化物沉渣的形式排出。磷是以焦磷酸鹽的形式被沉積排出。本工藝中NaOH的消耗量與原料中硅、硫等雜質的含量成正比。熔渣是各種鹽的共晶混合物，很難僅憑密度將它們相互分離。對排出的熔渣，進行堿回收的處理過程，類似于燒堿法制紙漿從堿回收爐排出的熔融物的后處理過程。也可采用單陽膜電滲析技術回收堿金屬，這是目前氯堿工業成熟的制堿方法。既回收了堿金屬，又分離出了硫酸、硅酸(硅膠)等雜質，避免了有害物質的排放。本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法，其特征在于：以熔融堿金屬鹽作為催化和流化介質，使其充填在反應器（１）內，并占據反應器內的大部分體積空間，以碳基化合物作為被加工物料不斷地被輸送到反應器內，以純氧氣、富氧氣、或空氣作為主氣化劑；以水蒸汽或ＣＯ↓［２］氣作為輔氣化劑，將主、輔氣化劑通入到反應器內，憑借氣化劑對碳元素的有控制的氧化反應所釋放的熱量，使有機高分子解聚，得到含有ＣＯ、Ｈ↓［２］、ＣＯ↓［２］和ＣＨ↓［４］等氣體成分的產品氣。

【技術特征摘要】
1、一種堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法，其特征在于：以熔融堿金屬鹽作為催化和流化介質，使其充填在反應器(1)內，并占據反應器內的大部分體積空間，以碳基化合物作為被加工物料不斷地被輸送到反應器內，以純氧氣、富氧氣、或空氣作為主氣化劑；以水蒸汽或CO2氣作為輔氣化劑，將主、輔氣化劑通入到反應器內，憑借氣化劑對碳元素的有控制的氧化反應所釋放的熱量，使有機高分子解聚，得到含有CO、H2、CO2和CH4等氣體成分的產品氣。2、根據權利要求1所述的堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法，其特征在于：所述的熔融堿金屬鹽是鈉、鉀、鋰中的一種或多種，與鈉、鉀、鋰形成的鹽中，既包括上述三種堿金屬的氫氧化物、甲酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸鹽；也包括上述三種堿金屬的熔融鹽分解后形成的氧化鈉、氧化鉀、氧化鋰。3、根據權利要求1所述的堿金屬熔鹽催化氣化碳基化合物的方法，其特征在于：氣化反應器內的溫度主要是依靠分別輸入主、輔氣化劑的量來控制，主氣化劑使反應溫度升高；輔氣化劑使反應溫度降低。4、根據權利要求1所述的堿金屬熔鹽催...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鮑濤，
申請(專利權)人：鮑濤，
類型：發明
國別省市：89[中國|沈陽]