一種生物質燃料生產電石的方法及系統的製作方法
2023-05-19 08:33:01 4
一種生物質燃料生產電石的方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種生物質燃料生產電石的方法及系統，該方法採用長條狀的生物質燃料和粉末狀含鈣原料，通過含碳原料焦化後產生的揮發分與含氧氣體燃燒為含鈣原料供熱，再由焦化生成的焦炭和含鈣原料在1700～2100℃生產電石。所涉及的生產系統包括原料預熱單元、固體混合單元和反應單元。反應單元中的反應器為循環流化床反應器，將未反應的固體原料重新收集，送入反應器中再次反應，提高了原料的利用率。與傳統電石生產相比，本發明使用的生物質燃料，原料來源廣、可再生、無汙染、焦化溫度低、生產能力大。本系統採用等離子點火溫控裝置，使反應器溫度保持穩定，確保了反應的平穩進行。
【專利說明】一種生物質燃料生產電石的方法及系統
【技術領域】:
[0001]本發明屬於電石生產領域。具體地說，涉及通過帶有等離子點火溫控裝置的預熱器將長條狀生物質燃料焦化，產生的揮發分和電石生產的副產物CO作為預熱燃料，與輔助燃料含氧氣體燃燒用於預熱粉末狀含鈣原料，再將生物質燃料焦化後的固態碳和粉末狀含鈣原料混合，在帶有等離子點火溫控裝置的循環流化床中反應生產電石的方法和系統。
【背景技術】:
[0002]碳化鈣俗稱電石(CaC2),有「有機合成之母」之稱。目前主要用於生產氯乙烯基、醋酸乙烯基和丙烯酸基等系列產品。近年來由於石油價格高速上漲更加刺激了電石工業的發展，我國電石產量從2002年的425萬噸增加到了 2011年的1737.67萬噸。
[0003]現代工業生產一般多採用電熱法生產電石。電爐熔煉法是將焦炭與氧化鈣(分子式CaO)置於2200°C左 右的電爐中熔煉，生成碳化鈣(分子式CaC2)。生石灰和含碳原料(焦炭、無煙煤或石油焦)在電石爐內，依靠電弧高溫熔化反應而生成電石。通過電爐上端的入口或管道將混合料加入電爐內，在開放或密閉的電爐中加熱至2000°C左右，根據下式反應生成電石:Ca0+3C — CaC2+C0。熔化了的碳化鈣從爐底取出後，經冷卻、破碎後作為成品包裝。但該生產方法的致命弱點是能耗非常高，而且汙染嚴重。為了節約能源、降低成本並減輕對環境的汙染，利用廢物來降低原料成本是提高電熱法電石生產效率的重要手段之一。2000年，中國專利(CN1313243A)提出採用褐煤、長焰煤和原煤來代替貨源緊缺、價格昂貴的冶金焦炭為原料。
[0004]後來興起的氧熱法是集高爐富氧氧熱法熔煉CaC2 (電石)、石灰石中提取炭、高溫低壓煤氣發生爐於一體。此一爐三用工藝技術，使CaC2生產綜合利用了煤氣化過程中的餘熱和煤灰，煤灰加配料熔融後生成CaC2和提純CaC2時得到矽鐵；「高溫低壓」煤氣發生爐，使煤氣產(發)生CaC2，從石灰石中提取純炭168kg左右，產生煤氣(CO在55%?95%) 6000?2600m3，可生產4.5噸左右的甲醇。富氧既提高爐溫又提高了煤氣的CO含量，氧氣尤為一舉兩用，煤熱能利用後的煤氣，用於煤化工或清潔發電。此工藝為低能源消和低汙染型的CaC2與煤氣生產工藝。近年來，隨著世界經濟的快速發展，石油資源日益稀缺，電石乙炔法路線再次表現出價格優勢。但是生產電石所用的含碳原料主要是煤之類的礦石，現今也出現了匱乏。故尋找一種替代煤的低能耗、可再生資源已經迫在眉睫。
[0005]此外，傳統的生產電石的反應器為固定床，只能用於塊狀原料的反應，傳熱效果差，存在熱點，熱點處反應效率較低。並且傳統固定床生產電石時能耗較大，原料利用率低。同時，電爐構造比較複雜，耗電量比較大，成本較高。傳統大型工業鍋爐採用的等離子點火裝置只在裝置啟動時使用，當鍋爐內溫度降低時，點火裝置不能二次點火使鍋爐內溫度恢復到正常。
[0006]電石的生產技術在世界範圍內發展也是不平衡的。美國是最早工業化生產電石的國家.德國是世界上電石生產技術較為發達的國家。擁有世界上容量最大的電石爐；而對於大多數發展中國家來講，電石生產技術還相當落後，就我國而言，雖然近年來有了很大的改善，但是電石產業依然表現出「高能耗、高投入、高汙染、低綜合產出」的狀況。電石產業要健康發展必需進行技術革新，達到節能、降耗、減排的目標，實現資源的循環、高效、環保利用。
【發明內容】
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[0007]本發明旨在解決電石生產「高投入、高能耗、高汙染」的問題，發明人將生物質燃料作為含碳原料生產電石，並將循環流化床反應器和等離子點火溫控裝置引入生產系統中，研製出了一種工藝簡單、能耗小、原料來源廣泛、成本低的電石生產方法及系統。
[0008]根據本發明的一方面，所述生物質燃料生產電石的方法就是將長條狀生物質燃料焦化，產生的揮發分和電石生產的副產物CO作為預熱燃料，與輔助燃料含氧氣體燃燒用於預熱粉末狀含鈣原料，再將生物質燃料焦化後的固態碳和粉末狀含鈣原料混合生產電石。
[0009]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，所使用的生物質燃料長度為2?10mm，粉末狀含鈣原料的粒度小於1mm。
[0010]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，步驟包括:(I)將長度為2?IOmm的生物質燃料和粒度在1_以下的含鈣原料1:(0.9?1.1)的質量比分別置於兩進料器中。長條狀生物質燃料在280?500°C下進行焦化，焦化所得的揮發分和電石生產的副產物CO燃燒給含鈣原料的預熱供熱。所述生物質燃料生產電石方法，長條狀生物質燃料焦化後揮發分和電石生產副產物CO的燃燒可以使反應溫度達到1750?1950°C，從而給含鈣原料的預熱供熱；(2)將焦化所得的固態碳和含鈣原料混合。混合後，通微量氧氣或富氧氣體使混合物溫度達到1700?2100°C，反應0.1?10分鐘，生成電石。
[0011]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，生物質燃料為秸杆、稻殼、花生殼、玉米芯、油茶殼、棉籽殼及「三剩物」經過加工產生的生物質燃料，含鈣原料為碳酸鈣、氧化鈣、氫氧化鈣或電石渣或幾種的混合。
`[0012]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，，生物質燃料與含鈣原料的質量比為1:(0.9?1.1)，最佳質量比I:0.92。
[0013]所述生物質燃料生產電石的方法，含氧氣體為氧氣、富氧空氣或空氣。
[0014]所述的生物質燃料生產電石的方法，焦化後固態碳和粉末狀含鈣原料混合後，預熱至 500 ?1500°C。
[0015]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，，預熱中所用預熱燃料為生物質燃料焦化的揮發分和電石生產的副產物CO以及輔助燃料的燃燒，預熱中所用的氧化劑為氧氣或空氣。
[0016]本發明一種生物質燃料生產電石的方法，，預熱燃料與空氣的體積比例為1: (4?5)。預熱不僅可以減少後續反應中生物質燃料的消耗，提高產物中的電石純度，還可以降低反應的氧耗。預熱中所用預熱燃料包括生物質燃料焦化的揮發分和電石生產的副產物CO，輔助燃料包括氣體燃料。生物質燃料的焦化產生的揮發性氣體中含有部分可燃性物質，直接排空造成了能源的浪費。CO作為電石生產的副產物，其排空會導致空氣汙染，其化工利用設計深度脫硫和輸送問題的成本高。本發明將這兩部分氣體作為預熱燃料，既防止了空氣的汙染，又有效利用了能量，一舉兩得。
[0017]採用本發明一種生物質燃料生產電石的方法的系統，該系統包括原料預熱單元、固體混合單元和反應單元，其中原料預熱單元包含帶有等離子點火溫控裝置的預熱器，反應單元包含帶有等離子點火溫控系統的循環流化床反應器。
[0018]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，原料預熱單元包括兩大部分:碳酸鈣預熱單元及生物質預熱單元，其中碳酸鈣預熱單元包括:進料器一、帶有等離子點火溫控裝置的碳酸鈣預熱器、換熱器一和氣體壓縮裝置一；生物質燃料預熱單元包括:進料器二、帶有等離子點火溫控裝置的生物質燃料預熱器和換熱器二；碳酸鈣預熱器設有固體物料入口一、固體物料出口一、氣體入口一和氣體出口一，進料器一的出口通過固體物料入口一與碳酸鈣預熱器相通，進料器六的出口通過固體物料入口六與碳酸鈣預熱器相通，換熱器一通過氣體出口一與碳酸鈣預熱器相通，氣體壓縮裝置一通過氣體入口一與碳酸鈣預熱器相通；生物質燃料預熱器包括固體物料入口二、氣體出口二和固體物料出口二，進料器二通過固體物料入口二與生物質燃料預熱器相通，換熱器二通過氣體出口二與生物質預熱器相通。固體混合單元包括進料器三、進料器四和固體物料混合器；固體物料混合器上設有固體物料入口三、固體物料入口四和固體物料出口三；進料器三的入口通過固體物料出口一與碳酸鈣預熱器相通，進料器四的入口通過固體物料出口二與生物質燃料預熱器相通，固體物料入口三與進料器三的出口相通，固體物料入口四與進料器四的出口相通。
[0019]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，反應單元包括進料器五、反應器、換熱器三和氣體壓縮裝置二 ；反應器上設有固體物料入口五、氣體入口三、氣體出口三和固體物料出口四；進料器五的入口與固體物料出口三相通，進料器五的出口通過固體物料入口五與反應器的相通，換熱器三通過氣體出口三與反應器相通，氣體壓縮裝置二通過氣體入口三與反應器相通；換熱器一和換熱器三的氣體出口連接預熱單元的氣體壓縮裝置二。所述生物質燃料生產電石的系統，反應單元中的反應器為循環流化床反應器。
[0020]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，循環流化床反應器和預熱器均用等離子點火溫控裝置作為點火裝置；當循環流化床反應器或預熱器的溫度降低時，點火裝置會自動二次點火，使循 環流化床反應器和預熱器溫度恢復正常。
[0021]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，預熱單元中的氣體壓縮裝置一和反應單元中的氣體壓縮裝置二上裝有含氧氣體入口。
[0022]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，進料器為螺旋推料器、星型給料器、電磁振動進料器、內置生物質螺旋進料器、U型氣動閥給料器或耐高溫進料器。
[0023]本發明一種生物質燃料生產電石的系統，換熱器為管式換熱器、板式換熱器或換熱鍋爐。
[0024]本發明一種生物質燃料生產電石的方法及系統，具有的優點:1、與傳統電石生產方法相比，本發明的含碳原料選擇了新型環保可再生能源——生物質燃料，原料來源廣、無汙染、利用率高、反應速率快、焦化溫度低、生產能力大；生物質燃料不含硫磷，不腐蝕鍋爐，可延長鍋爐的使用壽命，企業將受益匪淺。由於生物質燃料不含硫磷，燃燒時不產生二氧化硫和五氧化二磷，因而不會導致酸雨產生，不汙染大氣，不汙染環境。另外，生物質燃料清潔衛生，投料方便，減少工人的勞動強度，極大地改善了勞動環境，企業將減少用於勞動力方面的成本；2、生物質燃料焦化的揮發分和電石生產副產物CO燃燒供熱，使得反應能耗降低，並提高了原料的利用率；3、本系統採用循環流化床反應器，可以將未反應的被氣體帶出反應器的固體原料重新收集，送入反應器中再次反應，提高了原料的利用率；4、本系統採用等離子點火溫控裝置代替傳統點火方式，點火裝置中附帶溫控裝置，當反應器溫度降低時，點火裝置會自動二次點火，再次加熱反應器，使反應器溫度保持穩定，確保了反應的平穩進行。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0025]圖1是本發明一種生物質燃料生產電石的方法的示意圖。
[0026]圖2是本發明一種生物質燃料生產電石的系統的示意圖——碳酸鈣預熱器與生物質燃料預熱器並聯連接。
[0027]圖3是本發明一種生物質燃料生產電石的系統的示意圖——碳酸鈣預熱器與生物質燃料預熱器串聯連接。
[0028]圖中:11_進料器一，12-碳酸鈣預熱器，13-換熱器一，14-氣體壓縮裝置一，15-固體物料入口一，16-固體物料出口一，17-氣體入口一，18-氣體出口一，19-進料器六，10-固體物料入口六，21-進料器二，22-生物質燃料預熱器，23-換熱器二，24-固體物料入口二，25-氣體出口二，26-固體物料出口二，27-固體物料出口三，31 -進料器三，32-進料器四，33-固體物料混合器，34-固體物料入口三，35-固體物料入口四，36-固體物料出口四，41-進料器五，42-反應器，43-換熱器三，44-氣體壓縮裝置二，45-固體物料入口五，46-氣體入口三，47-氣體出口三，48-固體物料出口五。·【具體實施方式】:
[0029]下文參考附圖對本發明進行詳細描述，全部附圖中相同或類似的部件用相同的附圖標記表示。
[0030]圖1為本發明方法的步驟框圖。將長度為2?IOmm的生物質燃料和粒度在Imm以下的含鈣原料1: (0.9?1.1)的質量比分別置於兩進料器中。長條狀生物質燃料在280?500°C下進行焦化，焦化所得的揮發分和電石生產的副產物CO燃燒給含鈣原料的預熱供熱。將長度為2?IOmm的生物質燃料A和粒度在Imm以下的含鈣原料B，以1: (0.9?
1.0的質量比分別置於預熱器I和預熱器2中。長條狀生物質燃料在預熱器I中進行焦化，含鈣原料在預熱器2中進行預熱。然後將焦化所得的固態碳和含鈣原料在反應器3中混合反應，生成電石。
[0031]圖2和圖3為本發明一種生物質燃料生產電石的系統的步驟框圖。
[0032]如圖2所示，預計算出合適粒度下含鈣原料和含碳原料的合適重量比，並以最佳質量比分別將其置於兩進料器中。粉狀碳酸鈣通過進料器一 11經固體物料入口一 15送入碳酸鈣預熱器12，生物質燃料通過進料器二 21經固體物料入口二 24送入生物質燃料預熱器22 ;含氧氣體、預熱單元中生物質燃料預熱器22排出的氣體和反應單元中循環流化床反應器42排出的氣體由氣體壓縮裝置一 14送至預熱單元中碳酸鈣預熱器12底部的氣體入口 ；將碳酸鈣加熱至500-150(TC，使粉狀碳酸鈣熱解為氧化鈣；將生物質燃料加熱至280?5000C，使生物質燃料熱解為焦粉。生物質燃料預熱後產生的高溫氣體從氣體出口二 25排出，通過換熱器二 23後通過體壓縮裝置一 14送入碳酸鈣預熱器12底部的氣體入口一，生物質和碳酸鈣預熱後形成的高溫固體分別從固體物料出口二 26和固體物料出口一 16排出，經進料器三31，進料器四32送入固體物料混合器33，通過固體物料混合器33混合，經固體物料出口四36排出，並通過進料器五41經固體物料入口五45送至循環流化床反應器42，氣體壓縮裝置二 44將含氧氣體通過氣體入口三46通入循環流化床反應器42，部分焦粉和含氧氣體在反應器42中混合燃燒，將物料加熱至1700?2100°C形成電石。電石由反應器42底部的固體物料出口五48排出，氣體產物由反應器42的氣體出口三47排出進入換熱器三43，換熱後部分氣體通過碳酸鈣預熱單元的氣體壓縮裝置一 14送至碳酸鈣預熱器12的底部，作為碳酸鈣預熱器12的燃料。
[0033]如圖3所示，與圖2所示的系統相比，將一小部分焦炭用於含鈣原料的預熱，可以減少燃料費用。預計算出合適粒度下含鈣原料和含碳原料的合適重量比，並以最佳質量比分別將其置於兩進料器中。
[0034]通過進料器二 21將生物質燃料通過固體物料入口二 24送入生物質燃料預熱器22中，將生物質燃料加熱至280?500°C，使其分解為焦炭；一部分焦炭從固體物料出口二26排出，通過進料器一 11經固體物料入口一 15送至碳酸鈣預熱器12中，另外一部分焦炭從固體物料出口三27排出，通過進料器四32送至固體物料混合器33中，生物質燃料預熱器22產生的氣體從氣體出口二 25排出，通過換熱器二 23後，和含氧氣體一起通過氣體壓縮裝置一 14送至碳酸鈣預熱器12底部的氣體入口一 17 ;石灰石通過進料器六19經固體物料入口六10送至碳酸鈣 預熱器12中，焦粉在碳酸鈣預熱器12中燃燒，將石灰石加熱至500?1500°C，使石灰石分解為氧化鈣；氧化鈣從固體物料出口一 16排出，通過進料器三31送至固體物料混合器33中，與焦炭充分混合後，通過進料器五41經固體物料入口五45送入循環流化床反應器42中；少量氧氣通過氣體壓縮裝置二 44經氣體入口三46送入循環流化床反應器42 ;部分焦炭燃燒將物料加熱至1700?2100°C，生成的電石通過固體物料出口五48排出；產生的氣體從氣體出口三47排出，通過換熱器三43後，通過氣體壓縮裝置一14送至碳酸鈣預熱器12的底部，作為碳酸鈣預熱器12的燃料。
【權利要求】
1.一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:將長條狀生物質燃料焦化，產生的揮發分和電石生產的副產物CO作為預熱燃料，與輔助燃料含氧氣體燃燒用於預熱粉末狀含鈣原料，再將生物質燃料焦化後的固態碳和粉末狀含鈣原料混合生產電石。
2.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:將長度在2?IOmm的生物質燃料和粒度在Imm以下的含鈣原料，以1: (0.9?1.1)的質量比分別置於兩進料器中；長條狀生物質燃料在280?500°C下進行焦化，焦化所得的揮發分和電石生產的副產物CO燃燒可以使反應溫度達到1750?1950°C，從而給含鈣原料的預熱供熱；然後，將焦化所得的固態碳和含鈣原料混合；混合後，通微量氧氣或富氧氣體使混合物溫度達到1700?2100°C，反應0.1?10分鐘，生成電石。
3.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:所述的生物質燃料為秸杆、稻殼、花生殼、玉米芯、油茶殼、棉籽殼及「三剩物」經過加工產生的生物質燃料，所述的粉末狀含鈣原料為碳酸鈣、氧化鈣、氫氧化鈣或電石渣或幾種的混合。
4.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:所述輔助燃料含氧氣體為氧氣、富氧空氣或空氣。
5.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:所述焦化後固態碳和粉末含鈣原料混合後，預熱至500-1500°C。
6.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:所述的預熱燃料為生物質燃料焦化的揮發分和電石生產的副產物CO以及輔助燃料，預熱中所用的氧化劑為氧氣或空氣。
7.根據權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法，其特徵在於:所述的預熱燃料與空氣的體積比例為1: (4?5)。`
8.採用權利要求1所述的一種生物質燃料生產電石的方法的系統，其特徵在於:包括原料預熱單元、固體混合單元和反應單元，其中原料預熱單元包含帶有等離子點火溫控裝置的預熱器，反應單元包含帶有等離子點火溫控系統的循環流化床反應器；原料預熱單元包括兩大部分:碳酸鈣預熱單元及生物質預熱單元，其中碳酸鈣預熱單元包括:進料器一、帶有等離子點火溫控裝置的碳酸鈣預熱器、換熱器一和氣體壓縮裝置一；生物質燃料預熱單元包括:進料器二、帶有等離子點火溫控裝置的生物質燃料預熱器和換熱器二 ；碳酸鈣預熱器設有固體物料入口一、固體物料出口一、氣體入口一和氣體出口一，進料器一的出口通過固體物料入口一與碳酸鈣預熱器相通，進料器六的出口通過固體物料入口六與碳酸鈣預熱器相通，換熱器一通過氣體出口一與碳酸鈣預熱器相通，氣體壓縮裝置一通過氣體入口一與碳酸鈣預熱器相通；生物質燃料預熱器包括固體物料入口二、氣體出口二和固體物料出口二，進料器二通過固體物料入口二與生物質燃料預熱器相通，換熱器二通過氣體出口二與生物質預熱器相通；固體混合單元包括進料器三、進料器四和固體物料混合器；固體物料混合器上設有固體物料入口三、固體物料入口四和固體物料出口三；進料器三的入口通過固體物料出口一與碳酸鈣預熱器相通，進料器四的入口通過固體物料出口二與生物質燃料預熱器相通，固體物料入口三與進料器三的出口相通，固體物料入口四與進料器四的出口相通；反應單元包括:進料器五、反應器、換熱器三和氣體壓縮裝置二 ；反應器上設有固體物料入口五、氣體入口三、氣體出口三和固體物料出口四；進料器五的入口與固體物料出口三相通，進料器五的出口通過固體物料入口五與反應器的相通，換熱器三通過氣體出口三與反應器相通，氣體壓縮裝置二通過氣體入口三與反應器相通；換熱器一和換熱器三的氣體出口連接預熱單元的氣體壓縮裝置二。
9.根據權利要求8所述的生物質燃料生產電石的系統，其特徵在於:所述的反應單元中的反應器為循環流化床反應器。
10.根據權利要求8所述的生物質燃料生產電石的系統，其特徵在於:所述的循環流化床反應器和預熱器均用等離子點火溫控裝置作為點火裝置，當循環流化床反應器或預熱器的溫度降低時，點火裝置會 自動二次點火。
【文檔編號】C01B31/32GK103435041SQ201310377604
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】楊衛民, 張震, 焦志偉, 閻華 , 丁玉梅, 陳實, 鬱文霞, 張栩 申請人:北京化工大學