一种煤与氧制造无氮煤燃气的反应装置及其制造工艺

摘要

本发明所述的一种煤与氧制造无氮煤燃气的反应装置及其制造工艺，它利用发电厂低谷电期间大量制造的氧气，与煤、碳氢物在反应装置内：电控加热到煤自燃温度状态时，与百吨重的磨盘相对碾磨，产生一氧化碳、碳氢、氢合成的无氮煤燃气，而这种无氮煤燃气55%用在原火力发电厂锅炉改设燃气涡轮机组取代原有喷、供煤粉燃烧位置，无氮煤燃气直接输入涡轮机组燃烧发电，运转涡轮机中燃气流向热力发电锅炉维持正常发电，节省煤炭近45%。同时多余无氮煤燃气利用低谷电力压缩、蒸馏加工成煤液化气供内燃机使用，或以无氮煤燃气状态进入燃气管路网络大量使用顶替石油产品。本发明实施容易，仅国内节省煤炭十亿吨、石油二亿吨以上。

说明书

技术领域

对煤、石油、天然气等消耗、燃烧使用方式从根本上进行改革，改革后仅国内即可节省近十亿吨煤炭、二亿吨以上石油资源，减少排放二氧化碳65%以上，降低污染重大的技术开发领域。

背景技术

世界能源科学技术的发展至今，引用二项重大技术引证本发明“一种煤炭与氧气制造无氮煤燃气和煤液化气的反应装置”技术项目重大而可行性；第一，为了减碳、提能、降污，国外火力发电厂曾经进行用煤粉喷入涡轮运转发电，经涡轮的燃气热能量、足够满足送入原有火力热能发电系统进行正常运转发电。该技术将煤炭热能效率提高到75%以上，公认该技术实施等于用一个火力发电厂的煤炭用量能带动两个等量火力发电厂作用和功能，节省近一半的煤炭。因为没有攻克煤粉喷射涡轮过程中对涡叶致命的磨损，造成无法正常持续使用。但是从技术上证明：一个火力发电厂的煤炭用量经涡轮效能提高一倍是可以确定的。第二，为了解决内燃机降排、提能，国外在内燃机气路系统增加3%的氢气，使内燃机功率提高30%、排污降低30%，技术很成功。但制氢装置未解决，而正在普遍将液化气用在小型机动车辆的内燃机，效果与汽油、柴油相比：功能、减排、降耗效果倍增。

煤气发生炉；大量的煤气发生炉用空气做气化剂与煤炭反应，生成含50%以上无效能的氮气，20%一氧化碳、10%的氢气，少量的二氧化碳等混杂气体，由于氮气占气体的50%以上。用于推动内燃机动力机器效果不好，只有减少或无氮气的煤气才能有效推动内燃机动力机器，发挥、提高煤炭气化利用价值。

氧气与焦炭反应一氧化碳；用氧气与块度、厚层排放的焦炭发生一氧化碳专利技术，虽然解决了燃气消除氮气问题。但是，焦炭不能在反应装置内变成悬浮焦粉，相对氧气流动，难以增加碳氢物投入；产生碳氢、更多的氢气成分。而直接使用各种煤炭与氧气反应：一是容易在密闭反应装置内实现对各种煤炭高温，重压研碾变成悬浮可流动的煤粉。二是借以增加碳氢物，额外再电加热投入更多的蒸汽，使之产生含氢量达到25%、碳氢10%、一氧化碳50%以上、达到涡轮、内燃机能够使用，合成重量单位计算发热量的效果接近或超过石油。

上述各项技术和使用，减碳、降污、提能关键是将燃料转成气化的无氮燃气，里面还需少量碳氢、氢气，能够推动涡轮、内燃机。

发明内容

本发明一种煤炭与氧气制造无氮煤燃气和煤液化气的反应装置：提出各种煤炭、碳氢物、微量水雾与氧气共同输入密闭旋转罐体装置，测试锁定符合煤炭自燃的控温、十几层重衬铁强压力磨盘式逐级摩擦研磨，使之各种煤炭、碳氢物、微量水与氧气发生临界自燃氧化反应出一氧化碳等气体，即产出“无氮煤燃气”。产出的气体50%以上为一氧化碳、不低于10%碳氢气体、20%氢气的含量，发热量接近石油，这些原料配比在罐中混合，反应成无氮煤燃气气体。而这种无氮煤燃气在火力发电厂锅炉前；增加设置燃气涡轮发电机组取代原有喷供煤粉燃烧位置，由高温煤燃气经保温管路直接输入涡轮燃烧驱动发电，运转涡轮中燃气热能、流向输入火力发电锅炉进行正常发电系统，形成热能利用率双倍提高。关键是：煤炭转化成无氮煤燃气体，解决和替代了煤粉喷射燃烧涡轮遇到致命磨损叶轮难题。而燃气涡轮运转系统已经是成熟的动力设备和技术，实际所产生的热能效率、经济效益、净化环境、附带产出无氮煤燃气体效益成倍提高。

本发明煤炭与氧气制造无氮煤燃气、煤液化气反应系统及用途：目的采用纯氧气配有水雾直接与煤炭添加碳氢物为一体混合加入密闭的转动罐体内；温控300-600℃、十几层转动重衬铁磨盘逐级相对摩擦研磨，产生较纯一氧化碳、碳氢、氢、及水汽和少量的贫氧、二氧化碳。这种混合气体由于一氧化碳达到50%以上、氢气20%、碳氢10%，称为无氮煤燃气。无氮煤燃气可直接输入涡轮发电系统使用，其中的意义就是：实现有效成份一氧化碳含量高、浓度饱和的工业合成气体“无氮煤燃气”能够推动燃气涡轮、内燃机，用于改革煤炭、石油燃烧方式，节省资源50%以上，成倍降低排污、能耗效果。

所有发电厂至今没办法解决输电每日内的高、低谷峰储能问题，低谷期间变成无效电能白白浪费掉，无效电能转储能技术至今未进展。本发明一种煤炭与氧气制造无氮煤燃气和煤液化气的反应装置：需要利用发电厂每天21时-8时输电低谷期间和无效电能大量来转化制造氧气、液化氧、煤燃气液化、生产加工内燃机用煤液化气，可有效利用发电厂低谷电能力30%足够完成整个本发明技术、设施系统24小时不停运转。

氧气制造使用过程；各种煤炭与上千万立方米的氧气反应，规模大、集中，具备在制氧中排出75%高压氮气充分利用再做功；由制氧机、压缩、液化、几万立方米保温罐体储存液氧、然后液氧释放一整套系统，利用低谷电量15%（8-12万KW）即可完成加工1.8-2.2万吨氧气，在制造氧气中；有效的利用排出75%高压氮气中能量，逐级用气动马达做功辅助制氧，实现制氧中60%来自高压氮气再次做功制氧，将氧气制造成本再成倍的降低，达到每吨氧气、液氧成本240-500元，为实现氧气与煤炭制造无氮煤燃气、煤液化气建立切实可行的基础。

无氮煤燃气制造及用途；煤炭再添加碳氢物、水和氧气在反应发生装置内利用煤炭与氧临界自然温度控制在300-600℃，经连续运转摩擦过程氧化（自燃）反应和发热生成一氧化碳气体，伴随着部分碳氢气体和游离状态氢气，同时含有余氧、二氧化碳、水雾合成的“混合气体”。所合成“混合气体”再进入另一反应装置，第二次控温500-800℃，加大碳氢物投入研磨深入氧化进一步减少贫氧、二氧化碳，提高气体中一氧化碳含量达到50%、氢气15%，即：“无氮煤燃气”最低标准。产生“无氮煤燃气”主要输送两个方面使用：一是；高温“煤燃气”直接供输入涡轮发电机组系统。二是；“煤燃气”进行降温液化蒸馏清除贫氧、二氧化碳生成纯度较高的煤液化气。

煤液化气；符合内燃机和能进入燃气管路网络使用条件，煤液化气生成用“无氮煤燃气”蒸馏，而生产制造中利用发电厂低谷期间进行“无氮煤燃气”压缩、冷冻、液化、蒸馏提纯，这一过程目的将“煤燃气”中多余贫氧、二氧化碳蒸馏分出去。生成液体是“煤液化气”：一部分进入各种燃气管路网络使用，主要一部分通过保温高压罐内呈液体恒温存放，而后用车辆输往各个供应、使用点，供机动车辆加注使用，类似于液氧通用技术。

机动车辆使用煤液化气；将车辆油箱改为保温罐体，例如：机动车辆油箱重80kg、油容量200kg，可改成保温罐体重160-200kg，煤液化气容量100-120kg，100-120kg煤液化气相当于汽油200-240kg使用功能和效果。煤液化气碳量制造成本1800-3600元/吨（含保温费用），市场销售价6000-9000元/吨，效益、功能高于汽油双倍，是替汽油、柴油有效途径，减少对石油和产品消耗及依赖，对国家财政是一个极大收入和能源使用战略的安全、即稳定又可靠。

无氮煤燃气制造反应发生装置；无氮煤燃气制造（氧化）反应发生装置确切讲是；使用各种煤炭、碳氢物氧化反应罐体（称反应装置），有二套以上的反应发生装置串联成一组，反应成分子链式生成无氮煤燃气，特殊铸造而耐磨、高强盘形衬铁多个围绕罐体内布置成磨盘式结构，固定在转动罐体磨盘为转动研磨体，固定在中心轴磨盘为不转动研磨体。本发明一种煤炭与氧气制造无氮煤燃气和煤液化气的反应装置：其特征：反应装内所有转动研磨体、不转动研磨体、金属结构都用上千KW电极加温，第一反应装置控温设定300-600℃，第二反应装置控温设定500-800℃。氧气与水雾混合从反应装置底部喷入并始终充满状态的气体流动，煤炭、碳氢物从上部添入反应装置第一层转动磨盘内，转动磨盘与不转动磨盘处在气体流动中进行逐层往下一层传递煤、碳氢物相对摩擦研磨。所研磨的煤炭粉、碳氢物在第一反应装置300-600℃测定好临界自燃温度数据锁定，并稳定控制因水汽与碳反应损耗碳能量平衡，氧气、水汽混合充分与悬浮流动碳摩擦碰撞，在控制温度内进行氧化临界自燃反应；生成一氧化碳、碳氢、氢气气体，富有余量的贫氧气、二氧化碳的混合气体。混合气再输送入第二反应装置二次需增加温度500-800℃内测定好临界自燃温度数据锁定加以控制，再次进行氧化反应增加生成一氧化碳、碳氢气、氢气含量高的无氮煤燃气。控温锁定是通过试验测定出：各种煤质、碳氢物与匹配氧气、水汽在反应装置内临界自燃温度，也就是不利于或抑制产生二氧化碳的温度，严格控制定量比的氧气、水汽、水汽吸热，需要在反应装置内用：电极对磨盘、金属结构同时连续不断加热到维持临界自燃温度，通过自动仪器控制温度一直持续处在煤（碳）自燃范围。

用二套以上反应装置、二次氧化提高一氧化碳、碳氢、氢气才能符合无氮煤燃气生成含量、组成的一套设施。每套设施的无氮煤燃气生产量：10吨/时、30吨/时、60吨/时，特殊铸造磨盘每个反应装置需配上千吨，控制温度内的使用功率1000-5000KW。在上百万KW发电厂布置10-20套设施，同时能制造出煤液化气（碳量）150-300万吨，价值90-180亿元。本发明重大突出创造是在原有发电厂节省45%煤炭转液化气，一是，用各种煤炭直接与氧气制造无氮的煤燃气提高煤炭热效能、降低污染，二是，利用发电厂低谷电生产制造出几百亿价值的煤液化气。

煤燃气原料配比作用；各种煤炭与碳氢物、氧气与水雾化混合生成无氮煤燃气，关键是：含有一氧化碳50%、碳氢气10%、氢气15-20%以上浓度，才能与石油天然气有同样剧烈燃烧功能，用于驱动燃气涡轮机组、内燃机组。碳氢气体、氢气起着爆燃而提高功率、降低燃料消耗、减少排出二氧化碳作用。

碳氢物是指；木、植、秸秆物，主要成份是碳氢结构体，自燃点远远低于二氧化碳燃烧温度。经特殊加工与煤炭在第一反应装置1:9-10比例，第二反应装置1:7-10比例混合投入与氧14:16使用。氧化反应中利用碳氢物自燃点低引发煤朝一氧化碳顺利快速发生，并不具备点燃一氧化碳的同时也抑制二氧化碳发生，因此木、植、秸秆物特殊加工成碳氢物在反应装置内有很大化合作用。

第一反应装置在临界自燃点温度中，煤炭与氧气、水雾混合流动摩擦碰撞反应，由于控制的温度不具备燃烧点产生二氧化碳，只能氧化生成一氧化碳，极少水雾的作用在氧化过程中与热碳碰撞再次起着抑制二氧化碳发生，同时释放少量氢气、碳氢混合气体。进入第二反应装置；由于混合气含大量的未发生反应氧气、水雾水分子，而且含一氧化碳浓度达不到，由第二反应装置进行提高温度，强化促使一氧化碳再次发生、增加含量、达到无氮煤燃气浓度要求。

木、植物燃气；是利用反应装置功能将木、植、秸秆等碳氢物特殊加工后，作为主要投料取代煤炭制造碳氢、碳酸物质，而这种碳氢、氢气、碳酸作为转化特殊乙醇分子结构液体或气体的基本原料，生产的这种原料用途广泛。国内将木、植物、秸秆集中特殊加工2亿吨，产生节省双倍量的煤炭、石油，而这种方式在大自然中取之不尽，用之不竭，在加上太阳能、风能发电的使用，形成通向回归人类与大自然和谐良好途径。    

实施与运行的经济、社会效益：煤、碳氢物与氧气制造无氮煤燃气、煤液化气反应装置及用途；将生产制造中心设在距大型火力发电厂数公里之处，电厂供、喷煤粉、燃烧系统改为无氮煤燃气涡轮发电机组，并与原火力发电厂燃烧锅炉对接。既不用大的基础和场地改造，又直接从管路系统引进无氮煤燃气取代煤粉、供喷煤粉系统，改变火力发电厂煤炭燃烧方式，简化发电厂大的作业环节，使整个火力发电厂生产、作业环境发生重大变化。对于新建电厂发电改用：煤气内燃发动机驱动发电机，简化发电系统和环节，煤气内燃机热能利用率可达到60%与火力发电具备节能40%以上。

用216万KW火力发电厂实施内容分析：216万KW火力发电厂每年需燃烧煤炭600万吨，改用600万吨煤炭供给煤燃气生产制造中心，将55%即330万吨煤炭用于转化无氮煤燃气满足替代原600万吨煤炭燃烧、热能。另外45%即270万吨煤炭用于生产制造无氮煤燃气后转化煤液化气。

火力发电厂通过数百公里引进煤燃气管路目的是：数百公里管路沿线开设分支管路供气顶替设施、用户消耗使用的煤炭、燃气，减少煤炭直接燃烧。大量增加使用无氮煤燃气量，发挥生产、制造中心更大作用。

生产制造，煤燃气中心设置：

反应装置：50吨/时反应装置12-16套，需用电力4.8万KW每天生产无氮煤燃气2万吨，其中0.8万吨用于煤液化气。

氧气制造：每天制氧2-3万吨，液化60%。最大使用动力21-8时：15万KW，其中利用氮气制氧占60%。

煤液化气：无氮煤燃气压缩、蒸馏、液化，最大使用动力21-8时：5万KW。

发电厂使用煤燃气费用与煤炭持平，煤液化气碳量价格6000-9000元/吨，年产270万吨（碳量），价值160-220亿元。

国内火力发电厂装机容量近4亿KW，需消耗煤炭12亿吨，使用本重大发明技术：用12亿吨煤炭的6.6亿吨制造无氮煤燃气替代煤炭燃烧火力发电，5.4亿吨煤炭制造煤燃气后转化煤液化气替代汽油、柴油3亿吨使用量，创造价值1.7-2.3万亿元。总体节省火力发电6亿吨煤炭燃烧和减少二氧化碳的排放，无氮煤燃气本身燃烧又可减少二氧化碳30%，实际减少二氧化碳排放量65%，这是煤炭燃烧方式重大改革后结果。

附图说明

图1是本发明所述的一种制造无氮煤燃气和煤液化气的工艺的系统原理图；图2是反应装置的结构示意图；图3是图2的俯视结构示意图；图4、图5、图6、图7、图8是本发明试验样机结构。图中3-16是自燃腔。

具体实施方式

结合附图叙述如下：附图1设定火力发电厂装机容量216万KW，结合本发明专利技术布置，原火力发电机组喷煤粉锅炉燃烧、改为涡轮机燃气输进替代煤粉燃烧。燃气热力发电机1-1，在原供、喷煤粉位置换上燃气涡轮发电机1-2，所需的无氮煤燃气通过保温管路1-15引进，整个发电厂形成无氮煤燃气涡轮发电机组喷出燃后高温气流、再进热力发电机组发出同等功率双倍的电能效果。

煤燃气由第一反应组1-3、第二反应组1-4串联合成，每年制造转化碳量600万吨的无氮煤燃气生产能力。输入使用电力1-24（4.8万KW）即可带动二组反应装置1-3、1-4所需动力，燃料1-6供反应装置1-3使用，燃料1-7供反应装置1-4使用。两种燃料1-6、1-7不同是煤与碳氢物配比不同，进入第二反应装置1-7的燃料含碳氢物高，目的是进一步引燃催化煤的氧化更好发生一氧化碳。燃料1-6、1-7往反应装置1-3、1-4供料量与氧气有严格的比例，即氧气：燃料（煤）16:14，实际操作中氧气要高于20%，目的是燃料充分氧化，而余氧可再通过脱氧管1-17返回第一反应装置1-3。水变成蒸汽按与氧气的比为100:6-15喷入强化保温反应装置1-3内与热碳反应，用蒸汽产生的氢气、一氧化碳平衡或减少氧与碳反应的损耗能量。

所有发电用无氮煤燃气和需要的氧气，使用通用的大型制氧机制氧1-8，通常制氧时间利用发电厂低谷电21-8时期间的电力进行，利用低谷电力15万KW（1-25）。同时再进行压缩1-9、液化1-10后约2万m3罐存1-11形成库存，低谷电过后罐存1-11的液氧1-10经过释放沿氧气管路1-13正常生产使用。所生产无氮煤燃气330万吨碳量由煤燃气管路1-15引进燃气涡轮发电机1-2、燃气热力发电机1-1替代煤炭燃料供应，比原火力发电节省近45%折270万吨煤炭。

燃煤气保证供应发电厂330万吨（碳量），剩余270万吨碳量的无氮煤燃气进行脱氧1-16除氧，除氧后的无氮煤燃气进行压缩1-18、蒸馏1-19、冷冻液化1-20进入约2万m3冷罐存1-21。这一系统工作也是在每天的低谷电21-8时进行，使用低谷电力5万KW（1-26）、同时加工合成270万吨碳量煤液化气。

脱氧1-16将煤燃气多余氧分离排除，脱氧的氧气1-8沿管路1-17回反应装置1-3继续使用，而脱氧后无氮煤燃气便于长距离管路输送和符合进入燃气管路网1-28要求。

罐存1-21煤液化气分装保温车1-22通过车辆运输1-23形式发送各个加油站、消耗集中的大户。

附图2、图3是本发明专利技术使用各种煤炭、木枝、植物杆茎、秸杆混合作为原料，进行无氮煤燃气反应发生装置结构，转动罐体2-1可在轴体2-3上下移动，转动罐体2-1安置上百吨重转动磨盘2-4，接着在轴体2-3安置上百吨重不转动磨盘2-5，也就是转动磨盘2-4上、下移动、转动重力作用在不动磨盘2-5面上，造成两热磨盘紧紧合着相互摩擦研磨功能，不转动磨盘2-5底部与转动磨盘2-4间隔空间层高100㎜左右，供充分氧化反应区。每个磨盘装有16-24件加热电极2-6，对整个磨盘持续不断加热锁定的控制温度。磨盘组2-4、2-5在每个反应发生装置安设十几套。当煤粉通过压力密封供料机2-11送入动磨盘2-14燃料腔，与不动磨盘2-5紧合的间隙高强重力压研磨成悬浮可流动高温煤粉，高温煤粉呈流动并逐层次的与氧气对流自燃，通过不动盘2-5燃料氧化腔2-15传递到下层一组的转动磨盘2-4面上和燃烧腔2-14重复自燃或燃烧，形成一层一级组的悬浮流动煤炭粉燃烧反应，至到最底层燃烧尽成煤灰，剩余煤灰由压力密封煤灰机2-12排出。氧气2-9与水2-8通过雾化器2-7定量喷入，喷入的定量与压力密封供料机（煤炭）2-11严格控制比例16:14，实际运行中喷入氧气2-9量高于20%，利于煤炭充分氧化反应。罐体的温度是通过各种煤炭煤质，类别实验测试数据锁定，温控仪操纵各个电极2-6持续不断保持恒温。转动罐体有齿圈2-13在多个无极变速动力齿轮驱动围绕轴体2-3旋转并有石棉盘根2-2严格密封。如果反应发生装置设计生产能力50吨/时煤燃气（碳量），也就是供燃料机2-11每小时向反应发生装置连续均匀送入50吨煤炭，同时把氧气2-9按每小时57-68吨匹配量与水2-8经雾化器2-7同步均匀喷入。抽气机2-10保持反应装置内低压或用压力罐体密闭呈高压状态，利于延长密封件寿命。

反应装置使用电极额外补充加热并提高控制温度，目的利用氧与碳反应一氧化碳过程消耗碳能同时释放出热能，借以增加高温蒸汽喷入与碳结合反应产生更多的氢和所需热能，提高无氮煤燃气的氢含量达到20-25%。

附图4是实施本发明试验样机；反应装置不动磨盘3-10、动摩盘3-11、上端封盘3-8与下端封盘3-14组合一体，在上端盘3-8中设6个燃料入口3-7，氧气、高温蒸汽进口3-13设在不动磨盘3-10，整体组装完毕后：反应装置、煤燃气管路全部用20㎝以上厚石棉或耐火材料浇涛强化保温。这样的反应装置产生煤燃气有两种：

一、强化保温反应装置内的>300℃煤燃气经保温管路泵加压后，输入涡轮发电机组发电。而涡轮机喷出的高温热气流进入原火力发电机组锅炉内，替代喷煤粉燃烧加热运转发电。等于一发电厂的用煤能量带动两个发电厂发电功能，其碳能利用率可达到75%。

二、反应装置磨盘电极强化加热，是为了增加蒸汽与碳反应吸收所需稳定热能，实现产生含氢量达到20-25%。将>300℃左右高温无氮煤燃气先输入热能利用交换系统降温。降温后无氮煤燃气进行压缩、液化，（一）是进入保温或压力罐储存，（二）是进入燃气管路网络，煤炭热能利用率可达到55%以上。（三）是在无氮煤燃气压缩过程中可提取10%以上的纯氢。

附图5、图6是反应装置不动磨盘，里有多个各种形状燃烧腔，电加热孔的结构图。图7、图8是反应装置动磨盘，里有多个各种形状燃烧腔的结构图。在反应装置内图5、图6不动磨盘与图7、图8动磨盘合成为一组，这是反应装置关键部件，然后有多组组合构成。整体结构合成后，适应密闭高压、耐温。理想的反应条件是：温度控制在400-600℃，压力≥60㎏/cm²，这样产生更多碳氢和氢气，减少一氧化碳的含有量。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。