CN101294092B - 固体燃料联合热转化方法及转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体燃料的热转化方法和热转化装置，通过解除在传统热转化过程中耦合一体的热解、气化和燃烧三种反应间的耦合，使固体燃料的热转化由相互独立而又联合调控的热解、气化、燃烧三个子过程构成；燃料热解生产热解油，通过气化在热解子过程中产生的半焦生产合成气；而未被气化的半焦和热解子过程所产生的煤气通过空气燃烧为热解子过程提供全部反应热，为气化子过程提供大部分反应热。为实现由燃烧子过程向热解、气化子过程的燃烧热传递，在各子过程间循环一种热载体物质；通过同时向气化子过程供给氧气而引起的气化子过程内部燃烧又可产生热载体物质不足以提供的那部分气化反应热。因此，本发明的热转化方法以解耦、重组和联合调控热解、气化和燃烧三种热化学反应，实现热解油、合成气和热的并产为特点。本发明的热转化装置较传统的单一转化装置结构紧凑、热利用效率高，并可有效降低合成气生产的氧气消耗，实现褐煤、烟煤和生物质等固体燃料的高价值综合转化与利用。所发明的方法可通过流化床反应器组合而实现，建立不同于传统燃烧、气化与热解技术的新型联合热转化技术与热转化装置。

Description

固体燃料联合热转化方法及转化装置

技术领域

本发明属于固体燃料能源技术领域，特别涉及一种通过解除固体燃料热转化过程中所发生的热解、气化和燃烧三种化学反应之间的耦合，使这些反应独立进行而又对它们实施联合调控而实现生产量可控制的热解油、合成气与燃烧热并产，并通过利用空气燃烧所产生的燃烧热提供热解、气化两反应所需要的反应热而大幅降低合成气生产氧气消耗的新型热转化技术方法和实现该方法的热转化装置。该固体燃料联合热转化方法和转化装置特别适合应用于褐煤、烟煤、生物质等高挥发分和热解中高焦油生成的固体燃料。

背景技术

利用煤、生物质等固体燃料的热转换途径包括燃烧、热解和气化。燃烧产生热，气化生成合成气或含碳氢化合物的燃气，而热解产生热解油(焦油)，并同时生成煤气和半焦。另一方面，这三种热转换方法代表三种不同的化学反应，通常同时发生于固体燃料的热转换过程中。如，在燃烧过程中燃料将在着火前发生热解；而气化实质上为不完全燃烧，必定同时伴随燃烧过程；燃烧实际上很难发生于燃料本身，而是通过燃烧热解产生的焦油、煤气与半焦，和气化产生的燃气而实现。同样，气化过程中必定在燃料升温中首先发生热解。气化也要求同时发生的内部燃烧，以为吸热的燃料热解和半焦气化反应提供反应热。

现存的各种燃烧、热解和气化技术通常以发生于同一反应时空为特点。因此，前述各种化学反应耦合一体，使得各种热转化技术仅能得到唯一的产品，如燃烧技术产生热，气化技术生产燃气或合成气。对于气化来说，这种单目标的耦合气化技术还引起燃烧空气对所产燃气或合成气的稀释(使用空气为燃烧提供氧时)，或要求高的氧耗(使用纯氧时)。

为避免燃烧空气对气化产品的稀释，CN1482056A、CN2319410Y、CN2252813Y、CN1074699A等提出了以隔离燃烧与热解/气化、解除这两类反应间耦合为特点的各种形式的双床(或双反应器)气化技术工艺。在这类技术工艺中，通过燃烧未被气化的半焦所产生的热量加热一种热载体颗粒，该热载体颗粒进而通过本身的循环将燃烧热带入发生燃料热解与半焦气化的反应器。因此，燃烧烟气和通过热解与气化反应所产生的产品气体独立排出。即使在燃烧器的燃烧中使用空气，它也并不稀释产品气体。这展示了通过解除燃烧与热解/气化反应间的耦合并综合控制这些反应所带来的技术优点。

另一方面，现在的所有气化技术仍将燃料热解与半焦气化耦合一体，仅能生产合成气(或含碳氢化合物的燃气，该燃气通过进一步改质后变为合成气)。随着石油资源供给的逐渐紧缺，迫切需要的不仅仅是合成气，还要求得到大量焦油(热解油)以生产包括苯、甲苯、二甲苯、苯酚、萘、蒽等在内的各种各样重要化工原料。煤的焦化是已实现工业化的煤热解技术的代表。以此能生产煤焦油以满足市场对焦油的需求，但焦化产业的规模更受炼铁和炼钢用焦量的制约。新型炼铁技术正朝使用更少，甚至不使用焦炭的方向发展。同时，焦化过程仅伴生煤气，不能直接制得合成气。因此，石油资源缺乏的未来社会除了需要大量热以用于各种热设备或发电外，同时需要大量热解油和合成气。通过热解油可生产以芳香化合物为代表的非石油路线大宗化学原料和高价值特殊化合物，而基于合成气又可生产替代石油制品的各种非石油路线液体化学物质，包括汽油、柴油、醇、醚、沥青和以醇为原料通过进一步脱水、氧化所制取的烯烃、醛、酸等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体燃料联合热转换方法，通过解除在普通热转化技术中耦合一体的热解、气化与燃烧三种反应间的耦合，使这些反应独立进行而又对它们实施综合与联合控制实现生产量可控制的热解油、合成气与燃烧热并产，并通过空气燃烧所产生的燃烧热为热解、气化提供反应热，大幅降低合成气生产过程中的氧气消耗和合成气本身的CO₂含量。

本发明的另一目的在于提供实现上述固体燃料联合热转化方法的热转化装置。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的固体燃料联合热转化方法通过解除在现存热转化技术中耦合一体的热解、气化和燃烧三种反应间的耦合，使燃料热转化由相互独立而又联合调控的热解、气化、燃烧三个子过程构成；燃料热解生产热解油，通过气化该热解子过程产生的半焦生产合成气；未被气化的半焦和热解子过程所产生的煤气通过空气燃烧为热解子过程提供全部反应热，为气化子过程提供大部分反应热；

在所述的热解、气化、燃烧子过程之间循环一种能够在各子过程间传输热量的热载体，该热载体可以是惰性的载热物质或能同时作用于热解、气化、燃烧反应的功能性载热物质；

同时，燃烧子过程使用空气提供燃烧反应所需要的氧气，而供入气化子过程的纯氧或空气通过伴随气化反应的内部燃烧为气化子过程提供热载体物质不足以提供的那部分气化反应热。

本发明提供的实现固体燃料联合热转化方法的联合热转化装置，包括：

一流化床热解反应器1，分别位于该热解反应器1下游的一流化床气化器2及一输送床燃烧反应器3和一冷凝洗涤器10；

所述输送床燃烧反应器3通过与其顶端相连通的气固分离器31和所述流化床热解反应器1相连通；

所述流化床气化反应器2之内两侧分别设有第一料封12和第二料封23，所述第一料封12和第二料封23分别为一颗粒通道；所述第一料封12和第二料封23的下端分别通入所述流化床气化反应器2中被流化的颗粒床层之中，而所述第一料封12上端与流化床热解反应器1的上部相连通，所述第二料封12上部与所述输送床燃烧反应器3的下部相连通；

所述冷凝洗涤器10的入口与所述流化床热解反应器1顶端相连通，所述冷凝洗涤器10的气流出口通过管道分别与所述流化床热解反应器1底端的气体入口和所述输送床燃烧反应器3的床体下部相连通；

所述流化床气化反应器2的出口连向气固分离器20，其底端设有水蒸汽进口和氧气/空气进口；

所述流化床热解反应器1的上部一侧设有燃料供给口14；

所述第二料封23通过连通管道233或直接与所述输送床燃烧反应器3相连通；该第二料封23上端与所述输送床燃烧反应器3相连通的位置纵向低于该第二料封23的上端。

所述输送床燃烧反应器3上部燃烧区中设置属于换热器或水蒸发器的拔热装置32。

所述气固分离器31的颗粒出口与一颗粒分流装置310相连接，该颗粒分流装置通过管道分别通入流化床热解反应器1和流化床气化反应器2中的流化颗粒床层中；

所述流化床热解反应器1与所述流化床气化反应器2为由分割挡板120相分隔并通过位于该分割挡板120之下的颗粒连通通道121相连通成一体结构。

本发明所述方法的工作原理示于附图1。图1所示的联合热转化工艺利用三个反应器(流化床和输送床反应器，如后面具体实施例所述)分别完成固体燃料的热解、半焦的气化以及半焦和热解煤气的燃烧反应而将燃烧、热解和气化这三种热化学转化技术进行了时空解耦。同时，又通过在这三个反应器之间循环一种热载体物质实现由燃烧反应器向热解与气化反应器的热传输和三个反应器之间的物质循环，进而将三种热化学转化技术有机地集于一体。其中，热解子过程以产热解油为主要目的，其半焦被输送到气化子过程，在那里被气化生产合成气。燃烧子过程通过通入空气燃烧经由热解产生的煤气或经过气化子过程而未被完全反应的半焦生产热产品，并通过分流器同时为热解和气化两个吸热子过程提供反应热。热解子过程的反应热完全依靠燃烧子过程提供，而向气化子过程供给需要量的O₂(氧气可由通入空气或纯氧提供)可补充燃烧子过程不足以为气化反应提供的反应热。由此，控制分别输送到热解和气化反应器的热量的多少可实现对热解温度的调控，而通过控制总热流量的大小则可以调控需要向气化反应器供给的O₂量和合成气生产的比氧耗。对上述过程所制得的热解油和合成气进行进一步加工(包括化学合成)即可生产燃料油和包括芳香烃、醇、醚、烯烃在内的各种化学品，实现煤的高值化转换。燃烧反应器中设置换热器可以生产以蒸汽为代表的热产品，用为工业蒸汽或发电。热产品还包括随燃烧烟气携带的显热。合成气和煤气也可以作为燃料通过燃气轮机发电，构建IGCC等系统。因此，图1所示的联合热转化工艺不仅实现了热、油、气的并产，而且还可以根据需要控制不同产品之间的比例。

相比于普通的固体燃料热转化技术，本发明提出的联合热转化技术的主要技术特点和关键问题是：(1)解除了普通热转化技术中燃烧、热解与气化反应间的耦合，并实现对这些反应的优化重组和联合调控；(2)利用空气燃烧提供热解和气化反应的绝大部分反应热，通过热解方式生产可代替石油的热解油并以热解产生的热态半焦作为气化反应的原料；(3)固体燃料的热解、半焦的气化以及半焦和热解煤气的燃烧反应均在流化床或输送床反应器中进行。

利用上述技术特点并解决所述几方面的关键问题所能实现的技术效果是：(1)实现了灵活可控的热(以蒸汽等形式)、热解油和合成气并产，真正体现了煤、生物质等的“资源”价值；(2)通过循环由空气燃烧加热的热载体颗粒提供全部热解反应热和大部分气化反应热，可降低气化反应的纯氧使用量50％以上；(3)实现有效的无氧热解而高效率生产热解油，提供高效、低成本生产芳香族化学原料和高值特殊化学品的途径，而合成气则可应用于各种合成过程以及氢气生产，提供现实可行的煤/生物质生产原油替代品的技术；(4)通过燃料热解而析出焦油和碳氢化合物后，在1000℃以下气化半焦所生成的气体中几乎不含焦油和碳氢化合物(特别是CH4)，使得在该中等温度下制取适合化学合成的合成气成为可能；(5)通过使用流化床或输送床反应器而于非熔融状态下排放燃料灰渣大大降低了热转化装备对材料性能和加工难度的要求。

附图说明

附图1本发明的固体燃料联合热转化方法原理示意图；

附图2一种产热率为零的联合热转化装置结构示意图；

附图3一种实现热、油、气并产的联合热转化装置结构示意图；

附图4一种可控制流化床热解反应器温度的联合热转化装置结构示意图；

附图5一种流化床热解反应器与流化床气化反应器并列一体的联合热转化装置结构示意图；

其中

流化床热解反应器1，11；    洗涤冷凝器10；         第一料封12；

分割挡板120；              颗粒连通通道121；      燃料供给口14；

流化床气化反应器2，21；    气固分离器20；         第二料封23；

连通管道233；              输送床燃烧反应器3；    气固分离器31；

颗粒分流装置310；          拔热装置32

具体实施例

附图2为实施本发明联合热转化方法的一种最基本的联合热转化装置结构示意图。它主要由流化床热解反应器1、流化床气化反应器2、输送床燃烧反应器3，以及洗涤冷凝器10构成。置于流化床气化反应器2的流化颗粒床层之内的第一料封12与流化床热解反应器1的上部相连通，并使流化床气化反应器2与流化床热解反应器1成一体状结构。而置于流化床气化反应器2流化颗粒床层之内的第二料封23则通过一连通管道233与输送床燃烧反应器3的下部相连通。流化床气化反应器2的上部出口与旋风分离器20相连，其分散板下部设有水蒸气或空气/氧气进口。输送床燃烧反应器3的分散板下部设有空气进口，床体左侧上部设有固体热载体补充加入口。从输送床燃烧反应器3上部出来的热载体颗粒以及烟气混合物经由旋风分离器31分离后，热载体颗粒被返回到流化床热解反应器1的流化颗粒床层之内。流化床热解反应器1的上部一侧设有燃料供给口14，其上部的反应气体出口则与洗涤冷凝器10相连。从洗涤冷凝器10出来的热解气一部分被从流化床热解反应器1的分散板下部的气体进口输入流化床热解反应器1作为流化气体，另一部分被从输送床燃烧反应器3的分散板的上部输入到输送床燃烧反应器3中被燃烧。

按照前述本发明固体燃料联合热转化方法原理，固体燃料首先被从流化床热解反应器1的燃料加入口14加入到流化床热解反应器1中，并在那里通过吸收由输送床燃烧反应器3提供的高温热载体颗粒的热量而热解。所得到的热解气与热解油的混合物经由洗涤冷凝器10分离后，热解油作为产品输出，而热解气的一部分则被通入流化床热解反应器1中以流化其中的固体燃料以及高温热载体颗粒。由流化床热解反应器1得到的热态半焦连同热载体颗粒通过第一料封12被输送到流化床气化反应器2中与从流化床气化反应器2下部通入的水蒸气进行气化反应。由来自热解反应器1的热载体颗粒通常不足以为流化床气化反应器2中的气化反应提供足够的反应热，维持气化反应器2的温度。因此，通过向流化床气化反应器2通入空气或纯氧以燃烧部分半焦或气体燃料可以补充气化反应所需要的反应热。由流化床气化反应器2得到的合成气经旋风分离器20与气化灰分离后可以作为产品输出。流化床气化反应器2中未被气化的半焦以及由流化床热解反应器1产生的部分热解气被通入输送床燃烧反应器3中燃烧，以加热通过为流化床热解反应器1、流化床气化反应器2提供反应热而被降温的热载体颗粒。被加热热载体颗粒经由旋风分离器31与烟气分离后被循环到流化床热解反应器1，为那里的固体燃料热解反应提供全部的反应热。

在附图2所示的工艺中，输送床燃烧反应器3中未安装拔热装置，因此作为产品的产热率为零。但是，通过控制固体热载体颗粒的循环量、即总热流量的大小则可以调控需要向流化床气化反应器2供给的O₂量和合成气生产的比氧耗。所得热解油和合成气可以进行进一步加工生产燃料油和包括芳香烃、醇、醚、烯烃在内的各种化学品，实现煤的高值化转换。其中的合成气还可以作为燃料通过燃气轮机发电，构建IGCC等系统。因此，图2所示的联合热转化工艺能够很好地实现热解油和合成器气的并产，是本发明的联合热转化的重要运行模式之一。

附图3所示的联合热转化装置与附图2的区别在于在输送床燃烧器3中安装了拔热装置32，从而在同一系统中实现了热、热解油和合成气的并产。拔热装置32通常为热交换器，可以生产热水和蒸汽，蒸汽可进一步通过蒸汽轮机发电。为生产热，在输送床燃烧反应器3中燃烧的燃料量(主要半焦量)应增加，这可通过一系列动力学调控，如降低气化温度、气化反应时间，调节燃料形状，如增大颗粒尺寸、采用低挥发分燃料等，减少在流化床热解反应器1和流化床气化反应器2中所转化的燃料，增加向输送床燃烧反应器3的燃料输入量而实现。同时，相比于附图2所示实施例，附图3所示实施例的料封23以直接开口于输送床燃烧反应器3为特点。

附图4所示的联合热转化装置类似于附图2，但气固分离器31的颗粒出口与一颗粒分流器310相连，该颗粒分流装置将颗粒流分为两部分，分别通入流化床热解反应器1和流化床气化反应器2中被流化的颗粒床层之中。通过分流器310对在输送床燃烧器3中被加热的颗粒分流，可控制通过该高温颗粒流携带入流化床热解反应器1和流化床气化反应器2的热量之间的配比，实现对流化床热解反应器1反应温度的灵活调控，增加联合热转化整体工艺的可控性，从而达到在并产热、油、气的同时，还可以根据需要控制不同产品之间的比例的目的。

附图5所示的联合热转化装置以具有水平相邻的流化床热解反应器11和流化床气化反应器21为特征(无拔热器)，所述流化床热解反应器1与所述流化床气化反应器2为由分割挡板120相分隔并通过位于该分割挡板120之下的颗粒连通通道121相连通成的一体结构。其优点是使热解和气化两反应器的结构以及操作与控制更加简单，有利于降低设备成本，减少热散失。

除上述分别叙述的实施例之外，凡是通过解除热解、气化、燃烧三种热化学反应，进而又通过对它们协调集成而形成的任何固体燃料热化学转化工艺均应在本发明所请求的权利保户范围之内。

Claims (7)

1.一种固体燃料联合热转化方法，其特征在于，通过解除在现存热转化方法中耦合一体的热解、气化和燃烧三种反应间的耦合，使燃料热转化由相互独立而又联合调控的燃料的热解、气化、燃烧三个子过程构成；燃料的热解生产热解油；通过气化所述热解子过程中产生的半焦生产合成气；未被气化子过程气化的半焦和热解子过程所产生的煤气通过空气燃烧生产热，并为热解子过程提供全部反应热，为气化子过程提供大部分反应热；实现此方法的技术手段是：通过在热解、气化、燃烧这三个反应器之间循环一种热载体物质实现由燃烧反应器向热解与气化反应器的热传输和三个反应器之间的物质循环，进而将三种热化学转化技术有机地集于一体；控制分别输送到热解和气化反应器的热量的多少可实现对热解温度的调控，而通过控制总热流量的大小则可以调控需要向气化反应器供给的O₂量和合成气生产的比氧耗。

2.按权利要求1所述的固体燃料联合热转化方法，其特征在于，所述的热载体为惰性的载热物质或能同时作用于热解、气化、燃烧反应的功能性载热物质。

3.按权利要求1或2所述的固体燃料联合热转化方法，其特征在于，所述的燃烧子过程使用空气提供燃烧反应所需要的氧气，同时，供入气化子过程的纯氧或空气引起伴随气化反应的内部燃烧为该气化子过程提供部分气化反应热。

4.一种应用于权利要求1所述的固体燃料联合热转化方法的装置，其特征在于，

包括：

一流化床热解反应器(1)；

分别位于该热解反应器(1)下游的一流化床气化器(2)及一输送床燃烧反应器(3)；和

一冷凝洗涤器(10)；

所述输送床燃烧反应器(3)通过与其顶端相连通的气固分离器(31)和所述流化床热解反应器(1)相连通；

所述流化床气化反应器(2)之内两侧分别设有第一料封(12)和第二料封(23)，所述第一料封(12)和第二料封(23)分别为一颗粒通道；所述第一料封(12)和第二料封(23)的下端分别通入所述流化床气化反应器(2)中被流化的颗粒床层之中，而所述第一料封(12)上端与流化床热解反应器(1)的上部相连通，所述第二料封(23)上部与所述输送床燃烧反应器(3)的下部相连通；

所述冷凝洗涤器(10)的入口与所述流化床热解反应器(1)顶端相连通，所述冷凝洗涤器(10)的气流出口通过管道分别与所述流化床热解反应器(1)底端的气体入口和所述输送床燃烧反应器(3)的床体下部相连通；

所述流化床气化反应器(2)的出口连向气固分离器(20)；

所述流化床热解反应器(1)的上部一侧设有燃料供给口(14)；

所述流化床气化反应器(2)的底端设有水蒸汽进口和氧气/空气进口。

5.按权利要求4所述的固体燃料联合热转化装置，其特征在于，所述第二料封(23)通过连通管道(233)或直接与所述输送床燃烧反应器(3)相连通。

6.按权利要求4所述的固体燃料联合热转化装置，其特征在于，所述输送床燃烧反应器(3)上部燃烧区中设置属于换热器或水蒸发器的拔热装置(32)。

7.按权利要求4或5所述的固体燃料联合热转化装置，其特征在于，气固分离器(31)的颗粒出口与一颗粒分流装置(310)相连接，该颗粒分流装置通过管道分别通入流化床热解反应器(1)和流化床气化反应器(2)中的流化颗粒床层中。

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