一种易于三态产物分离的高升温速率热处理反应器

摘要

本发明公开了一种易于三态产物分离的高升温速率热处理反应器，包括进样枪，用于将燃料由反应气体低温导入中间反应管；中间反应管，其套放于所述进样枪的外部，中间反应管靠近出气口的管壁设有用于截留反应产物中固态产物的环分离筛和用于承接固态产物的底座，反应产物中的挥发分通过出气口进入外部套管；外部套管，其套放于所述中间反应管的外部；U形管，其与外部套管的底部连通，U形管的底部设有收集瓶，挥发分从外部套管进入U形管，挥发分中的液态产物沉积于收集瓶内，挥发分中的气态产物从U形管排出。本发明同时具备沉降炉和固定床反应器的特性，能够进行连续给样的固体燃料热解、燃烧、气化实验，燃料升温速率快、各相产物易于分离并精确定量。

说明书

技术领域

本发明属于固体燃料热工技术领域，具体涉及一种易于三态产物分离 的高升温速率热处理反应器。

背景技术

燃烧、热解、气化是固体燃料利用的常规技术，为了提高能源化系统 的运行效率，减少热利用过程中污染物的排放，研究优化是必不可少的步 骤。目前，在高校及科研单位，单独采用沉降炉或固定床反应器进行固体 燃料(包括煤、生物质、污泥及固体废弃物)的热工实验均为常用方法。

在使用沉降炉时，固、液、气三态产物在取样枪中迅速冷却，液相产 物，如焦油，会部分附着在固相产物及取样枪内壁上，导致三态产物相互 分离困难，且无法精确定量。

在使用固定床时，燃料的升温速率慢，堆积效应显著，且不适于连续 给料，导致实验过程与实际工程应用过程存在较大差异。

发明内容

本发明目的在于克服上述不足，提供一种能够连续进样、燃料升温速 率快、各相产物易于分离并精确定量的热处理反应器。

一种易于三态产物分离的热处理反应器，包括

进样枪，用于将燃料由反应气体低温导入中间反应管；

中间反应管，其套放于所述进样枪的外部，中间反应管与进样枪之间 形成燃料反应段，中间反应管的上部分侧壁设有进气口，中间反应管的底 部设有出气口，中间反应管靠近出气口的管壁设有用于截留反应产物中固 态产物的环形分离筛和用于承接固态产物的底座，反应产物中的挥发分通 过出气口进入外部套管；

外部套管，其套放于所述中间反应管的外部，外部套管与中间反应管 之间形成挥发分通道，外部套管的上部分侧壁设有进气口，外部套管的底 部设有出气口；以及

U形管，其与外部套管的底部出气口连通，U形管的底部设有收集瓶， 挥发分从挥发分通道进入U形管，挥发分中的液态产物沉积于收集瓶内， 挥发分中的气态产物从U形管排出。

所述进样枪包括进样口、进水口、出水口、双层水冷套管、进样段和 溢水孔；双层水冷套管靠近上端的两侧分别设有进水口和出水口，进水口 连通双层水冷套管的内层管，出水口连通双层水冷套管的外层管，内、外 层管之间的管壁靠近下端处加工有溢水孔；双层水冷套管内放置有进样段， 进样段与进样口连通。

所述进样口为宝塔形、圆柱形、倒置圆台形等形状，为减少固体燃料 粘附内壁、并使得进样口易与给粉器连接，优选宝塔形。

所述U形管包括竖直的第一U形管和第二U形管，第一U形管与外部 套管以密封口相连，第一U形管与收集瓶以密封口相连，第一U形管与第 二U形管以密封口相连，第二U形管设排气口。

所述进样枪与中间反应管相接处、中间反应管与外部套管相接处、外 部套管与U形管相接处采用密封口连接。

所述进样枪、中间反应管、外部套管和U形管可由耐高温、保温的材 料制成，如石英、刚玉等。密封口可自由拆卸，如磨口等。分离筛为烧结 板状的耐高温材料，如石英烧结板、刚玉烧结板等。

本发明的技术效果体现在：

(1)水冷进样枪与中间反应管上段组成的系统，具有沉降炉的特性，在 反应管中，连续给入燃料的升温速率可达到1×10³K/s～1×10⁵K/s，接 近于实际煤粉炉及流化床的运行状态；

(2)设在中间反应管底部管壁上的分离筛能截留固态产物，并使挥发分 自由通过，从而实现高温下挥发分与焦或灰的分离；

(3)中间反应管的底座用于承接固态产物，具有固定床的特性，有利于 固相产率的精确定量；

(4)U形管设有收集瓶，能有效防止连续运行过程中焦油冷凝过多而堵 塞气路，导致反应器内部压力过高而造成危险；

(5)各组件之间以密封口相接，能够在保证整个反应器气密性的基础 上，灵活拆卸，便于称量定量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明进样枪的结构示意图；

图3为本发明中间反应管的结构示意图；

图4为本发明外部套管的结构示意图；

图5为本发明U形管的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种易于三态产物分离的高升温速率热处理反应器，图1为整体示意 图，包括进样枪1、中间反应管2、外部套管3和U形管4。图2为进样枪 的结构示意图，进样枪1包括宝塔形进样口11、进水口及出水口12、同轴 的密封口13、双层水冷套管14、进样段15和溢水孔16。图3为中间反应 管的结构示意图，中间反应管2包括与进样枪密封口21，2个对称的进气 口22、与外部套管相连的密封口23、反应段24、分离筛25和底座26。图 4为外部套管的结构示意图，外部套管3包括顶端与中间反应管相连的密封 口31、对称的进气口32、反应段33和变径的出气密封口34。图5为U形 管的结构示意图。U形管包括竖直的1号U形管45、收集瓶46和2号U形 管42，1号U形管45与外部套管3以密封口44相连，1号U形管45与收 集瓶46以密封口47相连，1号U形管45与2号U形管42以密封口43相 连，2号U形管设排气口41。

选用以石英为主材质的耦合反应器进行固体燃料热解。实验前，精确 称量中间反应管2及U形管4的质量。将反应器固定在炉膛中，使进样枪1 的出口至外部套管3的出气口34位于恒温区。U形管4浸入冰水浴、液氮 浴、或干冰浴中。进样枪1的宝塔形进样口11与螺旋给粉器对接，各组件 之间均以磨口相连。水冷进水口及出水口12分别与进水源和排水管相接。 实验时，燃料由惰性气体携带进入给样枪1，同时惰性气体通过进气口22、 32进入反应器。当燃料下落至低于进样枪1，其温度迅速上升，热解反应 在颗粒下落过程中进行。随后，焦被石英烧结板25截留，承接于底座26 上。挥发分通过石英烧结板25进入外部套管3。当经过U形管4时，可凝 性的焦油被冷凝下来，沉积于收集瓶46中，少量附着在2个U形管45、42 内壁上。不可凝的热解气通过排气口41排出，可采用气体测试仪器进行分 析。实验结束后，停止给粉，打开炉门，使反应器在惰性气氛保护下迅速 降至室温。最后，拆开各组件，再次精确称量中间反应管2及U形管4的 质量，从而获得各相产率的准确值。此外，收集的各相产物均可用于进一 步的分析测试。

实施例2

一种易于三态产物分离的高升温速率热处理反应器，选用以刚玉为主 材质的耦合反应器进行固体燃料燃烧。载气中的O₂浓度可按照实验要求选 定，燃料由载气携带进入给样枪1，同时载气通过进气口22、32进入反应 器。实验时，灰被刚玉烧结板25截留，承接于底座26上。通过精确称量 中间反应管2及U形管4的质量，可获得灰和炭黑产率的准确值。收集的 产物还可用于进一步的分析测试。

其他同实施例1。

实施例3

一种耦合的沉降炉固定床反应器，选用以石英为主材质的耦合反应器 进行固体燃料燃烧。选择一定浓度的CO₂或水蒸气作为气化介质，燃料由载 气携带进入给样枪1，同时载气通过进气口22、32进入反应器。实验时， 气化灰被石英烧结板25截留，承接于底座26上。通过精确称量中间反应 管2及U形管4的质量，可获得气化灰和焦油产率的准确量。收集的产物 还可用于进一步的分析测试。

其他同实施例1。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。