一种热化学反应装置以及热化学反应方法

本发明涉及燃料燃烧和气化，具体涉及一种热化学反应装置以及热化学反应方法。

背景技术：

1、高温燃烧和气化是煤炭及碳基原料利用的重要方式，高温下碳反应速率高，燃烧和气化效率较高，但由于高温下煤炭中矿物质会发生熔融并形成液态熔渣，因此高温燃烧和气化一般采用液态排渣炉。

2、液态排渣炉常使用燃烧器或烧嘴组织燃料和氧化剂的反应并构建炉内高温区，由于燃烧器或烧嘴接近高温区域，容易造成损坏，影响烧嘴使用寿命。并且，使用燃烧器或烧嘴组织气流的方式由于其结构形式单一，对气流组织效果欠佳，调节空间有限，常见的燃烧器或烧嘴技术难以适应目前燃烧和气化工艺对组织热燃料和氧化剂的需要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种热化学反应装置，用于组织进行燃烧或气化等热化学反应，以及利用排渣炉进行热化学反应的方法，以至少部分解决上述技术问题。

2、本发明的一方面提供了一种热化学反应装置，包括排渣炉本体、活化气固产物喷管和二次风喷管。

3、其中，排渣炉本体包括反应组织段；

4、活化气固产物喷管设置在反应组织段第一区域壁面上，用于向反应组织段内喷入预定温度的活化气固产物；

5、二次风喷管设置在反应组织段第二区域壁面上，用于向反应组织段内喷入二次风，其中第二区域壁面和第一区域壁面位置相对；

6、其中，活化气固产物喷管和二次风喷管用于组织活化气固产物和二次风呈对向射流的形式喷入反应组织段，并用于组织活化气固产物和二次风在反应组织段的目标区域掺混以进行预定类型的热化学反应。

7、根据本发明的实施例，其中，活化气固产物喷管喷射方向和二次风喷管喷射方向之间的上部夹角范围为：90°～270°。

8、优选的，活化气固产物喷管喷射方向和二次风喷管喷射方向之间的上部夹角范围为：135°～225°，在改变喷口方向时更容易保证活化产物和二次风的掺混和燃烧或气化反应的有效进行。

9、根据本发明的实施例，其中，活化气固产物喷管和二次风喷管的喷射方向可调；活化气固产物喷管和二次风喷管的安装位置可调。

10、根据本发明的实施例，上述热化学反应装置还包括热活化装置，用于燃料和一次风发生活化反应后生成预定温度的活化气固产物，其中，热活化装置包括活化气固产物出口，活化气固产物出口用于排出预定温度的活化气固产物，活化气固产物出口和活化气固产物喷管连通。

11、根据本发明的实施例，其中，排渣炉本体还包括液态排渣段，用于排出活化气固产物和二次风进行热化学反应后生成的液态熔渣。

12、根据本发明的实施例，其中，排渣炉本体还包括反应延续段，其中反应延续段侧壁设有三次风入口，三次风入口用于向反应延续段喷入三次风；其中，反应组织段用于实现第一部分活化气固产物和二次风进行的第一阶段燃烧，反应延续段用于实现第二部分活化气固产物和三次风进行的第二阶段燃烧。

13、根据本发明的实施例，其中，排渣炉本体中还设有气相产物出口，气相产物出口用于排出活化气固产物和二次风进行热化学反应后生成的气相产物；

14、在气相产物出口设置在排渣炉本体中上部的情况下，排渣炉本体中，反应延续段、反应组织段、液态排渣段按照由上至下的顺序依次分布排列；或者

15、在气相产物出口设置在排渣炉本体中下部的情况下，反应组织段、反应延续段、液态排渣段按照由上至下的顺序依次分布排列。

16、其中，反应组织段、反应延续段、液态排渣段的壁面采用耐火材料结构或水冷壁结构。

17、根据本发明的实施例，其中：

18、反应组织段的炉体形状为以下之一：直筒状、球形、椭球形、多面体形状。

19、本发明的另一方面提供了一种热化学反应方法，包括：

20、通过设置在排渣炉本体的反应组织段第一区域壁面中的活化气固产物喷管，向反应组织段内喷入预定温度的活化气固产物；

21、通过设置在反应组织段第二区域壁面中的二次风喷管，向反应组织段内喷入二次风，第二区域壁面和第一区域壁面位置相对；

22、其中，通过活化气固产物喷管和二次风喷管的气流组织作用，使得活化气固产物和二次风呈对向射流的形式喷入反应组织段，并使得活化气固产物和二次风在反应组织段的目标区域掺混以进行预定类型的热化学反应。

23、根据本发明的实施例，其中：

24、活化气固产物喷管喷射方向和二次风喷管喷射方向之间上部的夹角范围为：90°～270°。

25、根据本发明的实施例，上述方法还包括：

26、通过调节活化气固产物喷管的喷射方向和/或安装位置，以及调节二次风喷管的喷射方向和/或安装位置，使得目标区域在反应组织段内的位置发生改变；或者

27、通过调节活化气固产物喷管和二次风喷管的喷射速度，以使得目标区域在反应组织段内的位置发生改变。

28、根据本发明的实施例，其中：

29、活化气固产物的预定温度范围为：800℃～1000℃。

30、根据本发明的实施例，其中：

31、活化气固产物的成分包括以下至少之一：半焦、残炭、一氧化碳、氢气、烃类化合物、二氧化碳、水蒸气、氮气、气态焦油。

32、二次风的成分包括以下至少之一：空气、氧气、水蒸气、二氧化碳。

33、根据本发明的实施例，上述方法还包括：

34、将燃料和一次风通入热活化装置，以便燃料和一次风在热活化装置中发生活化反应后生成预定温度的活化气固产物，其中，热活化装置包括活化气固产物出口，活化气固产物出口用于排出预定温度的活化气固产物，活化气固产物出口和活化气固产物喷管连通；

35、其中，一次风的成分包括以下至少之一：空气、氧气、水蒸气、二氧化碳。

36、根据本发明的实施例，其中，预定温度的活化气固产物和二次风进行预定类型的热化学反应后生成液态熔渣，上述方法还包括：

37、通过设置在排渣炉本体中的液态排渣段排出液态熔渣。

38、根据本发明的实施例，其中：

39、预定类型的热化学反应包括气化反应和/或燃烧反应。

40、根据本发明的实施例，其中，在预定类型的热化学反应包括燃烧反应的情况下，上述方法还包括：

41、向排渣炉本体的反应延续段通入三次风；

42、其中，反应组织段用于实现第一部分活化气固产物和二次风进行的第一阶段燃烧，反应延续段用于实现第二部分活化气固产物和三次风进行的第二阶段燃烧。

43、根据本发明的实施例，其中：

44、预定温度的活化气固产物和二次风进行预定类型的热化学反应后还生成气相产物；

45、在气相产物沿排渣炉本体的中上部排出的情况下，在排渣炉本体中，反应延续段、反应组织段、液态排渣段按照由上至下的顺序依次分布排列；

46、在气相产物沿排渣炉本体的中下部排出的情况下，排渣炉本体中，反应组织段、反应延续段、液态排渣段按照由上至下的顺序依次分布排列。

47、根据本发明的实施例，由于活化气固产物和二次风呈对向射流的形式喷入反应组织段，活化气固产物和二次风在远离避免喷管喷口的目标区域位置掺混，并在远离避免喷口的目标区域位置形成高温区，这与相关技术中燃料和氧化剂采用同向射流喷入的形式(例如烧嘴)存在显著区别，由于高温区远离避免喷管喷口的位置，比较靠近炉膛中心，一方面避免了喷管的烧损，喷嘴的金属材料与反应器的高温区基本不接触，可以高喷嘴使用寿命，节约运行成本。另一方面由于高温区是熔渣形成的集中区域，在靠近炉膛中心的位置形成熔渣，也方便液态熔渣的排出。

48、根据本发明的实施例，由于活化气固产物和二次风呈对向射流的形式喷入反应组织段，相比于相关技术中燃料和氧化剂采用同向射流喷入的形式(例如烧嘴)，燃料和氧化剂的掺混效率更高，使热燃料的温度损失最小化，热化学反应更强烈，解决了燃料与氧化剂经烧嘴同向混合掺混效率低的问题，强化热燃料的燃烧或气化反应，减少气化剂对热煤气的氧化。同时，炉内目标区域可以快速达到液态排渣的高温区间，在强化反应的前提下也更容易实现液态排渣，也解决了热烧嘴尺寸大难以多层布置氧化剂的问题。