[发明专利]外换热管式多段气流床气化反应器

权利要求书

1.生物质和生物质半焦在气化中存在着水煤气反应，水煤气变换反应，甲烷化反应和焦油分解反应，这些反应对反应温度和反应时间等的要求存在较大差距，在单一类型反应器中难以同时保障，气化产出气组分难以调整，焦油清除难度大；

针对这些问题，本发明提供一种采用外换热方式，由一级管式反应器和两级塔式反应器构成的生物质和生物质半焦的水煤气-甲烷化组合反应装置；

本装置以生物质半焦粉或生物质粉为气化原料，以水蒸汽或热解液蒸汽作为为主要气化剂和辅助原料，以热解气作为辅助原料和辅助气化剂，混合后形成具有一定压力的气固混合气自进口端进入第一级气化反应器；

采用小直径大长径比耐高温金属管的外加热管式反应器作为第一级气化反应器，第一级气化反应器的基本功能是混合原料气体在气化反应管内完成大部分水煤气反应，水煤气变换反应和焦油分解反应；

第一级反应器以高温烟气作为加热介质，加热气化反应管内混合原料气体，快速达到水煤气反应和水煤气变换反应需要的工作温度，其后，混合气体自第一级管式气化反应器出口端进入第二级塔式反应器的进口端；

第二级塔式反应器采用较大长径比，塔的工作横截面大于一级反应器全部气化管截面之和，第二级塔式反应器的基本功能是完成水煤气反应，水煤气变换反应和焦油分解反应，塔内设置多层折流板以增加反应时间和传热面积，第二级反应器塔体外部加装换热管路将混合气体的显热移出反应器，降低混合气体温度达到第三级甲烷化反应的要求，其后，混合气体自第二级塔式气化反应器出口端进入第三级塔式反应器的进口端；

第三级塔式反应器的工作横截面大于第二级塔式反应器的截面，第三级塔式反应器的基本功能是利用混合气中的氢，剩余半焦中的碳钾、镁、钠等具有催化作用的碱金属氧化物进行自催化的甲烷化反应，第三级塔式反应器填充微球，小球或其他三维几何体形成复杂的流道，延长混合气体的通过时间和剩余半焦的反应时间，并增强混合气体与反应器壁的换热能力，第三级反应器塔体外部加装换热管路，将甲烷化反应放出的热量移出反应器，通过调整高温加热烟气温度可以调整混合原料气体的水煤气反应、水煤气变换反应和焦油分解反应强度与速率，并调整热解气中甲烷的分解速率；

通过调整第二级塔式反应器外置换热器换热介质的温度和流量可以调整塔内混合气体的降温速率，改变剩余半焦中碳的比重，并调整催化剂的分布，通过调整第三级塔式反应器外置换热器换热介质的温度和流量可以调整塔内甲烷化反应的温度和速率，并调整残碳率和空隙分布，通过外置的换热器换热器和气流通道的内部结构，调整三级反应器各自的工作状况，在较大范围内调整气化产物的氢，甲烷和一氧化碳比例，可适应于不同类型的物料和不同气化产出气结构目标，并可高效回收产出气的显热资源；

本装置特别适应于与生物质热解装置耦合进行热解-气化联合反应。

2.如权利要求1所述，其特征在于采用多级反应器串联工作模式，第一级为外加热管式气流床反应器，第二级和第三级反应器采用外换热塔式气流床反应器，根据物料特征和气化反应的工作目标，可在第一级管式气流床反应器与第二级塔式气流床反应器之间增加中间反应器，可在第三级出口端增加后续反应器，也可在第三级出口端增加换热器以回收产出气显热。

3.如权利要求1所述，其特征在于小直径大长径比耐高温金属管作为第一级气化反应器的气化反应管，气化反应管的内径可在2-100毫米，长径比可在100-10000之间，气化反应管可采用到U型的对称或不对称结构，也可采用螺旋盘管结构，气化反应管可采用单管或管束。

4.如权利要求1所述，其特征在于第一级气化反应器采用高温烟气作为加热介质，加热气化反应管内混合原料气体，快速达到水煤气反应和水煤气变换反应需要的工作温度，也可采用其他高温加热介质，或采用电发热器加热，高温烟气的加热烟道与气化反应管或气化反应管束的结构相匹配。

5.如权利要求1所述，其特征在于可以取消第二级和第三级塔式反应器，增加第一级气化反应器的气化反应管长度，调整长径比，提高加热烟气温度，调整水蒸汽量，气化装置转变为完全合成气反应装置，此时，气化产出气仅为一氧化碳和氢气。