CN102041103A - 一种煤的中低温热解系统和利用该系统生产提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤的中低温热解系统和利用该系统生产提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油的方法，所述系统和方法还可对二氧化碳实现有效捕捉。该系统包括一个中低温热解炉和至少一个与所述中低温热解炉相连通的氧转移材料再生器和冷凝器。其中在中低温热解炉中，原煤被中低温热解并产生提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油气体，焦油或液化合成油气体经冷凝变为焦油或液化合成油；而在氧转移材料再生器中，废氧转移材料经氧化而被再生，并重新进入中低温热解炉中，从而实现氧转移材料的再生循环。

Description

一种煤的中低温热解系统和利用该系统生产提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油的方法
技术领域
本发明涉及煤的中低温热解，更具体地说，涉及一种煤的中低温热解系统和利用该系统生产提质煤、高热值热解气和煤焦油或液化合成油的方法。
背景技术
煤的化学组成很复杂，但归纳起来可分为有机质和无机质两大类，以有机质为主体。煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有机硫等五种元素组成，其中，碳、氢、氧占有机质的95％以上。此外，还有极少量的磷和其他元素。煤中的无机质主要是水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值，其中绝大多数是煤中的有害成分。煤与水蒸气在一定的温度和压力下可发生水煤气反应，从而形成水煤气、即煤合成气或煤热解气和煤焦油。通常，煤热解气具有如下组成：CO：45％左右，C02：17％-20％左右，H2：34％-39％左右，CH4：0.1-4％左右。煤焦油为煤热解过程中所得到的一种液体产物，其分为高温热解煤焦油和中低温热解煤焦油。中低温热解煤焦油是人造石油的重要来源之一，经高压加氢可制得包括汽油、柴油等液化油的产品。
由于煤的形成年代和地质构造的不同，使得产地不同的煤在质量、组成、和性能上存在巨大差异，多年来，人们一直在寻找一种既经济、又高效地将低质煤转变为高质煤、或合理利用煤、同时又能够保留或回收煤中有用组分的方法。
US2008/0134666A1公开了一种使用非混合燃料处理器的系统和方法，该方法使用了三个反应器，在第一个反应器中，煤与水蒸汽反应，被初步气化成包括氢气、一氧化碳和二氧化碳等气体的合成气。合成气中的二氧化碳被二氧化碳吸附剂材料吸附后进入第二个反应器中，这样从第一个反应器中排出的气体主要是富含氢气的气体。在第三个反应器中，作为氧转移材料的金属或金属氧化物、例如FeO与被通入的热空气发生强放热的氧化反应。氧转移材料与氧结合后被输送至第二反应器中，在第三反应器中的热空气在耗尽氧后形成富含氮的气体，这样的高温惰性热气体从第三反应器中排出后可用于发电。而进入第二反应器中的废二氧化碳吸附剂材料在结合氧的高温氧转移材料进入第二反应器而带入的大量热量作用下，发生热分解释放出二氧化碳。同时煤中未被完全气化而产生的一些焦炭也从第一反应器中进入第二反应器中，与来自第三反应器的结合氧的氧转移材料反应生成二氧化碳和水蒸汽。而从第三反应器进入第二反应器中的结合氧的氧转移材料此时被还原，释放氧后重新变为未结合氧的氧转移材料，并从第二个反应器中进入第三个反应器中进行再一次氧化反应循环，以便结合氧。这样从第二个反应器中释放出的气体将是富含二氧化碳的气体。通过二氧化碳吸附剂材料以及氧转移材料在第二反应器中的再生和被还原，并各自进入第一反应器和第三反应器，实现了吸附剂材料和氧转移材料的循环和再生利用，同时从第一、第二和第三反应器中各自排出富含氢的气体、富含二氧化碳的气体和富含氮的气体。
上述系统和方法的优点是：空气中氧和氮等其它成分在第三反应器中实现有效分离，并产生了较纯的富氢气体、富二氧化碳气体、以及富氮气体，由于富氮气体温度较高，可用于发电等热利用或与第一反应器中排出的氢气和/或第二反应器中排出的二氧化碳反应形成氨或尿素的工业产品，这样煤中的热量即被有效地用于发电，又保留或回收了煤中有用的组分，形成工业产品氨或尿素，或高热值的氢气。
但上述系统和方法也存在着很大的缺点，首先：需要三个高温反应器，其运行和造价成本很高；第二：三个高温反应器的运行温度均须接近1000℃，第三反应器甚至高达1200℃-1550℃，在如此高温下，氧转移材料颗粒或焦炭在表面张力的作用下会逐渐由小颗粒融聚成大颗粒，在由一个反应器输送到另一个反应器中时会堵塞管道，从而造成运行事故；第三：在该系统中，煤的气化分两步进行，在第一反应器中煤被初步气化，在第二反应器中，形成的部分焦炭被充分气化。这样无形增加了系统的复杂性和系统运行的不安全性。
US6911057和US6669917也公开了与上述US2008/0134666A1中所述的系统和方法相似的设备和方法，由于他们的原理基本相同，所以不可避免地也具有上述无法克服的缺点。
US6667022公开了一种将含有合成气的气体混合物分离成各自富含氢气、二氧化碳气体的方法和装置。其中在第一个流化床反应器中，二氧化碳吸附剂材料、例如氧化钙或白云石吸附合成气中的二氧化碳，同时，合成气中的一氧化碳与水蒸气进一步反应形成二氧化碳和氢气，剩余的一氧化碳又被氧化铁氧化成二氧化碳，同时，氧化铁被还原为氧化亚铁。吸附二氧化碳后变为碳酸盐的废吸附剂材料和氧化亚铁在第二个流化床反应器中与高温携氧水蒸汽接触，废吸附剂材料发生热分解放出二氧化碳而变为新鲜的吸附剂材料，而氧化亚铁被氧气氧化成为氧化铁，随后，再生的吸附剂材料和氧化铁又被循环回第一个流化床反应器中，以便循环利用。
虽然US6667022中所述的方法和装置也涉及对二氧化碳的吸附和氧转移材料的应用，但其主要用于对合成气中各组分的分离，并不涉及煤的热解(包括中低温热解和高温热解)或气化。同时其第二流化床反应器的运行温度也高达1200℃。
上述所提及的专利文献在此全文引入以作参考。
发明内容
本发明的目的旨在克服煤转化和利用过程中的上述缺陷，并提供一种高效、经济地利用煤，并保留和回收煤中有用组分的系统和方法。更具体地说，本发明涉及一种煤的中低温热解系统和利用该系统生产提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油的方法。该方法使得在煤热效率被改善的同时，煤中的有用组分被有效保留或回收。
本发明提供一种煤的中低温热解系统，包括：
煤的中低温热解炉，包括原煤入口、水蒸气入口、提质煤出口、热解气输出管道、和至少一个在中低温热解炉内位于原煤入口和提质煤出口之间的中低温热解区，其中被输入的原煤在所述中低温热解区中与提供氧的氧转移材料发生反应而被中低温热解，并生成包括甲烷，一氧化碳、二氧化碳、和氢气的热解气和煤焦油气体或合成油气体；和
至少一个经废氧转移材料输送管道和再生氧转移材料输送管道而与所述中低温热解炉相连通的氧转移材料再生器，其中进入氧转移材料再生器中的废氧转移材料与被输入所述再生器中的携氧气体发生氧化反应而被再生，而经氧化反应损失氧或被去除氧的废携氧气体从其出口被排出；
经所述热解气输出管道而与所述煤的中低温热解炉相连通的冷凝器，其中所述中低温热解焦油气体或合成油气体经冷凝而变为煤焦油或液化合成油，并与所述热解气相分离。
优选地，所述的中低温热解区包括煤和氧转移材料的流化床，该流化床包括底部多孔挡板和至少一个下导管，所述下导管的底部在所述多孔挡板之下，而所述下导管的顶部在所述多孔挡板之上.
所述下导管的顶部是一个开口，例如喇叭形开口，并被筛所覆盖，其中筛孔尺寸、原煤或提质煤、以及氧转移材料的粒径具有如下关系：
C重量％原煤或提质煤最小粒径＞筛孔尺寸＞A重量％氧转移材料的最大粒径，
其中，C重量％和A重量％各自独立地大于75重量％。
更优选地，C重量％和A重量％各自独立地大于85重量％。
最优选地，所述C重量％和A重量％各自为100重量％。
所述原煤也可是原煤和煤直接液化催化剂的混合物。所述氧转移材料可被加载在耐高温多孔陶瓷材料颗粒的孔隙内，并且前述下导管的顶部可是一个开口，例如喇叭形开口，并被筛网所覆盖，所述筛网的筛孔直径与所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒的最大直径相等，以使所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒通过所述筛网而进入所述下导管中。
同样优选地，所述中低温热解区包括煤和氧转移材料的流化床，该流化床也可包括底部多孔挡板和至少两个垂直挡板，一个垂直挡板具有在多孔挡板附近、有至少一个侧切口的下端，另一个垂直挡板具有在多孔挡板之上、有至少一个侧切口的上端。
所述垂直挡板在多孔挡板之上、有至少一个侧切口的上端被筛所覆盖，其中筛孔尺寸、原煤或提质煤、以及氧转移材料的粒径具有如下关系：
C重量％原煤或提质煤最小粒径＞筛孔尺寸＞A重量％氧转移材料的最大粒径，
其中，C重量％和A重量％各自独立地大于75重量％。
更优选地，所述C重量％和A重量％各自独立地大于85重量％。
最优选地，所述C重量％和A重量％各自为100重量％。
所述氧转移材料可被加载在耐高温多孔陶瓷材料颗粒的孔隙内，其中，所述垂直挡板在多孔挡板之上、有至少一个侧切口的上端被筛网所覆盖，其中，所述筛网的筛孔直径与所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒的最大直径相等，以使所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒通过所述筛网而进入所述垂直挡板与所述中低温热解炉内壁所形成的狭缝或通道中。
上述系统可包括多个所述中低温热解区。
所述氧转移材料可为金属或金属氧化物，例如铁的氧化物，特别是FeO或Fe2O3。
可在中低温热解炉和/或氧转移材料再生器中设置一个或多个热转换器，以便将多余的热量转移出上述系统。
可在中低温热解炉和/或氧转移材料再生器中设置一个或多个旋风机、旋风机级联、过滤器和/或隔膜，以便将其中的气体与固体颗粒分离。
在所述氧转移材料再生器中经氧化反应损失氧或被去除氧的废携氧气体可被用于经热交换器而加热所述的中低温热解炉或其所需要的水蒸气。
优选地，在所述冷凝器中可布置一层或多层吸附二氧化碳的吸附剂，从而捕捉二氧化碳、并提高所述热解气的热值。
原煤在中低温热解区中被脱去水分、中低温挥发分，从而变为热值被提高的提质煤。
原煤中的硫分与氧转移材料在所述中低温热解炉中发生反应形成煤或煤焦油加氢液化反应所需的催化剂。特别是，上述催化剂可是铁的硫化物。
提质煤出口位于所述的多孔挡板的附近，并且多孔挡板向所述提质煤出口一侧倾斜，从而将提质煤排出中低温热解炉。在所述多孔挡板上也可具有提质煤出口，以便将提质煤排放到中低温热解区的下方。
进入中低温热解炉中的原煤粒径为500微米-100毫米。
通常，所述氧转移材料再生器包含将所述废氧转移材料从所述再生器的下部提升至所述再生器上部的提升管。
根据本发明的另外一个方面，提供一种利用上述煤中低温热解系统生产提质煤、高热值热解气和煤焦油或液化合成油的方法：该方法按顺序包括以下步骤：
向所述中低温热解炉中加入原煤或原煤和煤直接加氢液化催化剂的混合物和氧转移材料，同时通入水蒸气，以使中低温热解炉中的中低温热解区达到250℃-750℃的中低温热解温度；
原煤中的中低温热解组分和氧转移材料在中低温热解区中发生反应，形成包括一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷的热解气，以及中低温热解煤焦油气体或合成油气体，同时原煤经中低温热解脱去水分、中低温挥发分而变为高热值的提质煤，其中原煤中的硫分与氧转移材料发生反应而形成煤或中低温热解煤焦油加氢液化反应所需的催化剂；
从提质煤出口排出所形成的提质煤，并从热解气输出管道排出所述中低温热解煤焦油气体或合成油气体和热解气的混合物；
废氧转移材料经所述废氧转移材料输送管道而从中低温热解炉中被输送至氧转移材料再生器中；
所述废氧转移材料在所述再生器中与被通入所述再生器中的携氧气体发生氧化反应而被再生；
再生的氧转移材料经所述再生氧转移材料输送管道从所述再生器中被输送至所述中低温热解器中，以便循环使用所述氧转移材料；
使被排出的所述中低温热解煤焦油气体或合成油气体和热解气的混合物经过冷凝器，所述中低温热解煤焦油气体或合成油气体经冷凝而变为煤焦油或液化合成油，从而与所述热解气相分离。
其中所述携氧气体是空气。
被排出的所述热解气经二氧化碳吸附剂吸附而被去除二氧化碳，从而提高了所述热解气的热值和实现了对二氧化碳的捕捉。
附图说明
图1为本发明中低温热解系统操作原理的示意图。其中有些组件是任选的。
图2A为煤与氧转移材料在中低温热解炉中分离的机构的一种优选结构。
图2B为煤与氧转移材料在中低温热解炉中分离的机构的另一种优选结构。
图3为载有氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的放大图。
图4为本发明中低温热解系统操作原理的又一示意图，其中对从再生器中排出的脏空气进行气固-分离。
具体实施方式
下面参考附图进一步解释和描述本发明，以使本领域普通技术人员清楚理解本发明的实质和内涵。但描述仅仅是示范性的，不意味着对本发明构成任何限制。
图1表示了本发明中低温热解系统的一个概括性和示范性的实施方式。如图1所示，该系统包括一个中低温热解炉(100)和氧转移材料再生器(200)，所述氧转移材料再生器(200)通过废氧转移材料输送管线(103)和再生氧转移材料输送管线(104)与所述热解炉相连通。在所述热解炉的下部，优选为底部具有水蒸气入口(102)，而在所述热解炉上部、优选为顶部具有热解气出口或输出管线(111)。同时在所述热解炉中部或上部具有原煤入口(101)，而在所述热解炉下部或底部具有提质煤出口(109)。在氧转移材料再生器的底部、中部和顶部分别具有热空气入口(201)、提升管(202)和脏空气出口(203)。
一定粒度的原煤从所述热解炉的中部或上部进入所述热解炉中，在水蒸汽和氧转移材料的存在下，发生物理和化学变化，被中低温热解，从而形成焦或提质煤，以及煤热解气，煤热解气中主要含有甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸气、和少量的硫化物气体。焦或提质煤的主要成分是碳。
来自氧转移材料再生器(200)的新鲜或再生氧转移材料从再生氧转移材料输送管线(104)进入中低温热解炉中，发生如下反应：
OTM+O+C
Figure BSA00000327588500081
CO+OTM-O    (1)
CO+OTM+OCO2+OTM-O    (2)
OTM+O+H2
Figure BSA00000327588500083
H2O+OTM-O    (3)
同时，原煤在所述热解炉中发生如下水煤气反应：
CH0.8(煤)+H2O
Figure BSA00000327588500084
CO+1.4H2            (4)
CO+H2O
Figure BSA00000327588500085
CO2+H2                (5)
CO+3H2
Figure BSA00000327588500086
CH4+H2O                    (6)
2CO+2H2
Figure BSA00000327588500087
CH4+CO2                            (7)
煤中含有的硫化物经中低温热解形成主要为H2S的硫化物气体，接着发生如下反应：
H2S+OTM+O
Figure BSA00000327588500088
H2O+SO2+OTM-O    (8)
或H2S+OTM+O
Figure BSA00000327588500089
H2O+OTM-OS    (9)
这样，中低温热解炉中的煤形成焦或提质煤固体以及煤热解气，同时新鲜携氧的氧转移材料在中低温热解炉中被还原为释氧的或无氧的废氧转移材料，并经过废氧转移材料输送管线(103)进入其再生器(200)中发生以下化学反应而再生：
OTM-O+O2
Figure BSA000003275885000810
OTM+O                    (10)
再生后的携氧氧转移材料又通过再生氧转移材料输送管线(104)被循环回上述热解炉(100)中，并在其中被再一次还原。
在上述热解炉中形成的焦或提质煤经位于热解炉(100)下部的提质煤出口(109)而被排除热解炉外，
在热解炉中形成的煤热解气经位于热解炉上部、优选顶部的煤热解气出口或输出管道(111)也被排出热解炉外，而且该煤热解气中含有尚未冷凝分离的煤焦油或合成油气体。
热解炉的工作温度通常为250-750℃，优选为300-700℃，更优选为350-650℃，特别优选为400-600℃，最优选为450-550℃；而热解炉的工作压力通常不大与60Bar，优选为20-60Bar，更优选为25-55Bar，特别优选为30-50Bar，最优选为35-45Bar，例如为40Bar。
水蒸汽、优选为高压水蒸汽通常经高压喷嘴从热解炉的底部被注入到热解炉中以促进其中的水煤气反应。对此处的水蒸汽温度及其用量不做特别的限定，只要其能够使热解炉的温度达到所要求的工作温度和使水煤气反应正常进行就行，例如为200-750℃，其也可与热解炉中的工作温度相同或相似。
氧转移材料再生器中的工作温度通常为550-1000℃，优选为550-900℃，更优选为450-850℃，特别优选为500-800℃，最优选为550-750℃，例如600℃或700℃；而热解炉的工作压力通常不大与60Bar，优选为20-60Bar，更优选为25-55Bar，特别优选为30-50Bar，最优选为35-45Bar，例如为40Bar。
进入再生器(200)底部的释氧或无氧废氧转移材料被从底部吹入的热空气携带经提升管(202)上升至再生器(200)的上部，在向上运动的过程中，与热空气中的氧气发生强放热的氧化反应，并被氧化为携氧的新鲜或再生氧转移材料，经再生氧转移材料输送管线(104)被循环回热解炉(100)中，而损耗或耗尽氧的脏空气则经位于再生器(200)上部或顶部的其出口(203)排除。
这里，不对上述热空气的温度和用量作特别的限定，只要其保证再生器(200)达到所要求的工作温度和使其中的氧化反应顺利进行就行。上述热空气优选经高压喷嘴被喷入到再生器(200)的底部。
上述氧转移材料通常为金属氧化物，优选为Fe的氧化物，而特别优选为FeO，Fe2O3和/或Fe3O4，最优选为FeO。
当上述氧转移材料为FeO时，在热解炉(100)中其将与煤热解气中的H2S发生以下反应：
FeO+H2SH2O+FeS        (9’)
如上所述，中低温热解煤焦油是人造石油的重要来源之一，经高压加氢可制得包括汽油、柴油等液化油的产品
而FeS是煤直接液化以及煤焦油加氢反应的良好催化剂，在FeS的催化作用下，中低温热解形成的煤焦油在热解炉(100)中在20-60Bar高压下将与煤热解气中含有的氢发生以下加氢反应：
CxHy(煤焦油或煤)+H2 CH2(合成油)    (11)
其中y/x约为0.8。
经过上述加氢反应，煤热解气中的焦油被转变为人造合成石油。如果上述反应获得的FeS数量不足以促使上述加氢液化反应连续进行或充分进行，可在加入到中低温热解炉(100)中的原煤中混入一定比例的催化剂，例如FeS，以促使上述加氢液化反应完成。
从中低温热解炉中排出的煤热解气经通常包括冷凝器的焦油收集设备被分离出煤焦油或液化合成油，从而变成纯的煤热解气。上述热解气含有氢气，甲烷，一氧化碳和二氧化碳。将上述热解气通过由二氧化碳吸附剂材料组成的过滤器将得到主要成分为氢气，甲烷和一氧化碳的更纯的煤热解气，上述过滤掉二氧化碳的煤热解气由于不含杂质，因而是热值非常高的优质气态燃料。
原煤在热解炉中经中低温热解失去水分和中低温挥发分后变为焦或提质煤，其热值也大幅度提高。
与煤热解气冷凝分离的焦油或液化合成油是很好的化工原料或液体燃料。
这样，通常的原煤、尤其是劣质煤经本发明的中低温热解系统而被转变为提质煤、高热值热解气和煤焦油或液化合成油，其利用价值和热效率被大大提高。
当上述氧转移材料是Fe的氧化物时，这种氧转移材料可能会存在多种形态，因为通常作为上述氧转移材料的Fe的氧化物在中低温热解炉(100)和再生器(200)中会发生以下反应：
在热解炉(100)的还原气氛下，铁的氧化物会发生以下反应：
CxHy(coal)+FeO
Figure BSA00000327588500111
CO2+H2O+Fe        (12)
或CxHy(coal)+Fe2O3
Figure BSA00000327588500112
CO2+H2O+Fe        (13)
而在再生器(200)中，在氧化气氛下，Fe会发生以下反应：
Fe+O2
Figure BSA00000327588500113
FeO            (14)
FeO+O2
Figure BSA00000327588500114
Fe2O3                (15)
Fe2O3+O2
Figure BSA00000327588500115
Fe3O4                    (16)
上述氧化反应均为强放热反应，其间将会产生大量热量，从而将再生器(200)的工作温度维持在400-1000℃的范围之内。上述反应具有不同的反应温度，在400-1000℃的反应温度下，Fe主要被氧化为FeO。
由于从上述热解炉中排出的煤热解气体通常会含有固体颗粒的粉尘，优选地，使这样的气体通过气-固或气-液分离器，例如图1所示的旋风机114、旋风机级联、隔膜、和/或过滤器，以实现气固分离，分离后的固体粉尘可进行常规的水淬处理。
气-固分离后的煤热解气体温度通常在250-750℃之间。优选地，可用一个或多个热交换器，例如水或空气可流经其间的盘管式或多管式热交换器将其温度降低到适合于冷凝分离煤焦油或加氢液化合成油的温度，上述温度对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并可从相关的现有技术文献或专有设备说明书中得到。
优选地被气固分离和冷却的煤热解气体经典型地含有如图1所示的冷凝器(300)的煤焦油或液化合成油收集设备，而被分离成纯的煤热解气和煤焦油或加氢液化合成油。
更优选地，在上述热交换器(115)中，如图1所示，使用经压缩机(301)增压的压缩空气作为热交换器(115)的热交换介质，被上述热交换器加热的压缩空气可作为上述再生器(200)所需的热空气来源，经高压喷嘴被直接喷到所述再生器(200)的底部。
从上述再生器(200)的顶部排出的耗氧或无氧的脏空气温度可达550-1000℃。同样优选地，该高压高温空气可被送入膨胀机(302)中，并驱动蒸汽锅炉(305)或汽轮机用于发电，所产生的蒸汽也可作为中低温热解炉(100)所需的蒸汽来源经高压喷嘴被直接注入到所述热解炉的底部。
实际上，在中低温热解炉(100)中存在一个中低温热解区(105)，该热解区可为固定床或流化床结构，而优选为流化床结构，煤在该区域发生热解和/或被中低温热解，同样水煤气反应也发生在该区域。在该区域，原煤和氧转移材料被充分混合，高压和高温水蒸汽也从底部被注入到该区域中，从而形成煤、氧转移材料，和水蒸汽的混合物。
提质煤或焦和废氧转移材料的混合物可通过一定的分离机构分离，分离后的提质煤或焦被排出热解炉外，经钝化失活降温变为提质煤固体产品，而分离后的废氧转移材料经废氧转移材料输送管线(103)进入其再生器(200)中被再生。
对上述分离机构并不作特别的限定，但优选的分离机构为图2A和图2B中所示的分离机构。
图2A显示了在图1中的中低温热解区(105)中煤或焦与废氧转移材料相分离的机构的一种优选实施方式，其中中低温热解区(105)包括流化床，例如喷泉床，所述流化床在底部具有穿孔板(106)或类似的装置，例如泡罩塔盘或浮阀塔盘，其具有一个或多个向上呈喇叭形开口的下导管(107)。下导管(107)的喇叭形开口被筛网(108)覆盖。煤或焦和氧转移材料的粒度和筛网108的筛孔尺寸符合以下关系：
C重量％煤或焦的最小粒度＞筛网(108)的筛孔尺寸＞A重量％氧转移材料的最大粒度
C重量％和A重量％的数值独立地为＞60重量％，优选＞75重量％，更优选＞85重量％，特别优选＞95重量％，最优选100重量％。此处的煤或焦和氧转移材料的粒度以及筛网108的筛孔尺寸都是指其直径。
如图2A所示，新鲜/再生氧转移材料通过下导管或中空管向下移动并进入靠近穿孔板(106)的区域，从而进入流化床的下部，随后被流化床向上流化并快速与其中的煤和水蒸气反应。在通过流化向上漂浮移动的过程中，新鲜/再生氧转移材料被还原而完成反应过程，并由于反应完成而变成废氧转移材料。当废氧转移材料到达或靠近下导管(107)的上述喇叭形开口时，由于流化作用，它不得不通过覆盖下导管(107)的上述喇叭形开口的筛网(108)，筛网(108)允许废氧转移材料的小颗粒通过而将煤或焦的大颗粒保留在中低温热解区(105)中。通过筛网(108)的废氧转移材料颗粒向下穿过下导管(107)并进入穿孔板(106)之下的空间内。最后，废氧转移材料通过废氧转移材料输送管线(103)离开中低温热解炉(100)，并被送入氧转移材料再生器(200)中再生。
必须注意到，图2A中的筛网(108)是任选的，可以从本发明的上述系统中省去。在这种情况下，将有一定量煤或焦的颗粒或煤粉尘被夹杂带入废氧转移材料颗粒中，并与废氧转移材料一起进入氧转移材料再生器(200)中，经与通入的热空气一起燃烧而转变为二氧化碳等气体，从而与再生或新鲜的氧转移材料分离。
在中低温热解区(105)，煤被热解并有可能与氧转移材料发生碰撞，因此，在中低温热解区(105)的煤或焦的粒度分布与刚刚进入热解炉(100)中的原煤的粒度分布可能不同，也就是说，在中低温热解区(105)中的煤或焦的粒度分布要比刚刚进入热解炉(100)中的原煤的粒度宽。因此，即使存在上述覆盖下导管(107)的上述喇叭形开口的筛网(108)，也仍会有一小部分煤或焦的细颗粒或粉尘进入上述废氧转移材料中。这部分煤或焦的细颗粒或粉尘随废氧转移材料进入再生器(200)中后，会被燃烧掉。如果废氧转移材料主要是Fe，在进入再生器(200)之前，也可通过磁选的方法将废氧转移材料和上述煤或焦的细颗粒或粉尘相分离。
筛网(108)应能够承受约900℃以下、例如750℃的高温，并在上述高温下具有足够的强度和抗变形能力。可使用多种材料制备上述筛网(108)，例如基于Fe、Co和/或Ni的耐高温合金或基于SiC和/或Si3N4的多孔耐高温陶瓷膜。
在流化床的作用下，煤或焦和氧转移材料颗粒被流化并漂浮在穿孔板(106)上方。但是，由于氧转移材料颗粒的粒度比煤或焦颗粒的粒度小得多，导致废氧转移材料颗粒的重量比煤或焦颗粒的重量也小得多。由此，废氧转移材料颗粒的相对于穿孔板(106)的流化或漂浮高度比煤或焦颗粒高得多，因此，废氧转移材料颗粒能够接近或到达下导管(107)的向上呈喇叭形的开口，并很容易被上述开口捕捉。结果，煤或焦颗粒和废氧转移材料颗粒的分离由此实现。
在中低温热解区(105)中，溢流管(即向上呈喇叭形开口的下导管(107))的顶部开口相对于穿孔板(106)的位置决定了流化床的高度，其用于将氧转移材料颗粒溢流速率控制到所要求的数值，从而控制中低温热解区(105)中氧转移材料的反应饱和状态，由此控制氧转移材料在中低温热解炉(100)中的中低温热解区(105)中的相对数量。
原煤在中低温热解区(105)中被热解和中低温热解后变为半焦或焦，在与废氧转移材料分离后，经本领域普通技术人员所熟知的常规机构、例如多孔挡板(106)中预置的排焦口(未示出)被排放到多孔挡板(106)下方的特定区域，并由该特定区域经中低温热解炉(100)下部或底部的另一排焦口(109)排出热解炉(100)之外。
在用具有如图2A所示的中低温热解区(105)的如图1所示的系统进行煤的中低温热解过程之前，在本发明中低温热解方法实施之前，原煤经原煤入口(101)被装入中低温热解区(105)中。一旦开始操作，高温高压水蒸气通过穿孔板(106)上的孔进入流化床中，并迅速使中低温热解炉(100)达到其工作压力和温度。同时，氧转移材料颗粒进入流化床中并与煤颗粒一起被流化。在煤和氧转移材料颗粒因流化而向上飘浮的过程中，煤被热解而脱去水分和中低温挥发分变为焦或半焦，而氧转移材料被其中的碳、一氧化碳和/或氢气还原并释放出氧离子后变为废氧转移材料。如果煤或焦和废氧转移材料的粒度与筛网(108)的筛孔尺寸之间的关系符合以上所描述的关系，理论上讲，筛网(108)仅允许废氧转移材料颗粒通过而将煤或焦颗粒保留下来。被流化的废氧转移材料颗粒通过溢流穿过筛网(108)进入下导管(107)中，并下落到中低温热解区(105)以下的空间里，并最终通过废氧转移材料输送管线(103)离开中低温热解炉(100)。
在本发明的一个优选实施方式中，氧转移材料颗粒的粒度为1至1000微米，而煤颗粒的粒度为500微米到100毫米或更大。热解炉(100)的温度和压力在适合于煤的中低温热解的范围内，例如200℃-900℃，特别是250℃-750℃；1大气压-100巴，特别是20-60巴。
图2B显示了在图1中所示的中低温热解区(105)中煤和/或焦与氧转移材料分离的机构的的另一优选实施方式。该实施方式与图2A基本相同，不同之处是使用了至少两个各具有一个或多个侧切口末端的垂直挡板(107’)代替向上呈喇叭形开口的垂直下导管(107)(即溢流管)。本领域普通技术人员显然可以认识到，该中低温热解区(105)的操作原理与图2A中的完全相同。
如图2B所示，在中低温热解炉(100)的垂直内壁和至少两个垂直挡板(107’)之间存在缝隙或通道，新鲜/再生氧转移材料通过中低温热解炉(100)的垂直内壁和一个具有至少一个侧切口的下端的垂直挡板(107’)之间的缝隙或通道，并通过所述下端侧切口进入靠近穿孔板(106)的区域，从而进入流化床的下部，随后被流化床向上流化并迅速被其中的碳、一氧化碳、和/或氢气还原而失去氧变为废氧转移材料。在通过流化向上漂浮移动的过程中，新鲜/再生氧转移材料被还原并完成反应过程，而由此变成废氧转移材料。在废氧转移材料靠近或到达另一个垂直挡板(107’)的至少一个侧切口的上端时，由于流化作用，其不得不通过覆盖上述具有至少一个侧切口的上端的筛网(108)，筛网(108)允许废氧转移材料的小颗粒通过而将煤或焦的大颗粒保留在中低温热解区(105)中。通过筛网(108)的废氧转移材料颗粒向下穿过中低温热解炉(100)的垂直内壁和上述具有至少一个侧切口上端的垂直挡板(107’)之间的缝隙或通道，并进入穿孔板(106)之下的空间。最后，废氧转移材料通过废氧转移材料输送管线(103)离开热解炉(100)，并被送入氧转移材料再生器(200)中再生。
在上述情况下，煤和/或焦和氧转移材料的粒度和筛网(108)的筛孔尺寸符合以下关系：
C重量％煤或焦的最小粒度＞筛网(108)筛孔尺寸＞A重量％氧转移材料的最大粒度
C重量％和A重量％的数值独立地为＞60重量％，优选＞75重量％，更优选＞85重量％，特别优选＞95重量％，最优选100重量％。此处的煤和氧转移材料的粒度以及筛网(108)的筛孔尺寸都是指其直径。
必须注意到，图2B中的筛网(108)是任选的，其可从本发明的上述系统中省去。在这种情况下，将有少量煤或焦的颗粒或粉尘被夹杂带入废氧转移材料颗粒中，并与废氧转移材料颗粒一起进入氧转移材料再生器(200)中，经与通入的热空气一起燃烧而转变为二氧化碳等气体，从而与再生或新鲜氧转移材料分离。
在中低温热解区(105)中，煤被热解并有可能与氧转移材料发生碰撞，因此，在中低温热解区(105)中煤或焦的粒度分布与刚刚进入中低温热解炉(100)中的原煤粒度分布可能不同，也就是说，在中低温热解区(105)中煤或焦的粒度分布要比刚刚进入中低温热解炉(100)中的原煤的粒度宽。因此，即使存在上述覆盖垂直挡板(107’)的具有至少一个侧切口的上端的筛网(108)，也仍会有一部分煤或焦的细颗粒或粉尘进入上述废氧转移材料中。这部分煤或焦的细颗粒或粉尘随废氧转移材料颗粒进入再生器(200)中后，会被燃烧掉。如果废氧转移材料主要是Fe，在进入再生器(200)之前，也可通过磁选的方法将废氧转移材料和上述煤或焦的细颗粒或粉尘分离。
筛网(108)应能够承受约900℃以下、例如约750℃的高温，并在上述高温下具有足够的强度和抗变形能力。可使用多种材料制备上述筛网(108)，例如基于Fe、Co和/或Ni的耐高温合金或基于SiC和/或Si3N4的多孔耐高温陶瓷膜。
在流化床的作用下，煤或焦和氧转移材料颗粒被流化并漂浮在穿孔板(106)上方。但是，由于废氧转移材料颗粒的粒度比煤或焦颗粒的粒度小得多，导致废氧转移材料颗粒的重量比煤或焦颗粒的重量也小得多。由此，废氧转移材料颗粒的相对于穿孔板(106)的流化或漂浮高度比煤或焦颗粒高得多，因此，使得废氧转移材料能够接近或到达另一垂直挡板(107’)的具有至少一个侧切口的上端，并很容易被该垂直挡板(107’)的具有至少一个侧切口的上端捕捉。结果，煤或焦颗粒和废氧转移材料颗粒的分离由此实现。
在中低温热解区(105)中，垂直挡板(107’)的顶端相对于穿孔板(106)的位置决定了流化床的高度，其用于将氧转移材料的溢流速率控制到所要求的数值，从而控制中低温热解区(105)中氧转移材料的反应饱和状态，由此控制氧转移材料在中低温热解炉(100)中的中低温热解区(105)中的相对数量。
原煤在中低温热解区(105)中被中低温热解后变为半焦或焦，在与废氧转移材料分离后，经本领域普通技术人员所熟知的常规机构、例如多孔挡板(106)中预置的排焦口(未示出)被排放到多孔挡板(106)下方的特定区域，并由该特定区域经中低温热解炉(100)下部或底部的另一排焦口(109)排出中低温热解炉(100)之外。
在用具有如图2B所示的中低温热解区(105)的如图1所示的系统进行煤的中低温热解过程之前，在本发明中低温热解方法实施之前，原煤经原煤入口(101)被装入中低温热解区(105)中。一旦开始操作，高温高压的水蒸气通过穿孔板(106)上的孔进入流化床中，并迅速使中低温热解炉(100)达到工作温度和工作压力。同时，氧转移材料颗粒进入流化床中并与煤颗粒一起被流化。在煤和氧转移材料因流化而向上飘浮移动的过程中，煤被热解而脱去水分和中低温挥发分变为焦或半焦，而氧转移材料被还原并释放出氧离子变为废氧转移材料。如果煤或焦和废氧转移材料的粒度与筛网(108)的筛孔尺寸之间的关系符合以上所描述的关系，理论上讲，筛网(108)仅允许废氧转移材料颗粒通过而将煤或焦颗粒保留下来。被流化的废氧转移材料颗粒通过溢流穿过筛网(108)进入中低温热解炉(100)垂直内壁与垂直挡板(107’)形成的间隙或通道中，并下落到中低温热解区(105)以下的空间里，最终通过废氧转移材料输送管线(103)离开中低温热解炉(100)。
在本发明的一个优选实施方式中，氧转移材料颗粒的粒度为1至1000微米，而煤或焦颗粒的粒度为500微米到100毫米或更大。中低温热解炉(100)的温度和压力在适合于煤的中低温热解的范围内，例如200℃-900℃，特别是250℃-750℃；1大气压-100巴，特别是20-60巴。
也可选择另外一种方式来实现煤或焦颗粒与废氧转移材料之间的物理分离。即将氧转移材料加载在耐高温的多孔陶瓷材料颗粒的内部空隙之内，并且这些内部孔隙与外部相连通。通过耐高温多孔陶瓷材料颗粒与煤或焦颗粒之间的分离来实现煤或焦颗粒与氧转移材料之间的分离。众所周知，原煤和焦的比重通常在1.0-1.8之间，而作为氧转移材料的金属氧化物则远大于上述数值，例如Fe的各种氧化物和Fe的比重则在3.5-5之间，大多数的耐高温陶瓷，例如碳化硅和氮化硅陶瓷的比重也在3.0之上。因此，内部空隙被上述氧转移材料填充的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的表观比重远远大于煤或焦颗粒的表观比重。当将上述载有氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒作为惰性材料在上述中低温热解区(105)中与煤或焦颗粒一起被流化或混合时，在中低温热解炉(100)的操作条件下，陶瓷材料颗粒内部空隙中的氧转移材料同样会被还原并失去氧，之后载有被还原的废氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒经废氧转移材料输送管线(103)进入再生器(200)中，在上述内部空隙中的废氧转移材料同样被进入再生器(200)中的热空气中的氧气氧化，从而转变为新鲜或再生氧转移材料，由此可知，氧转移材料无论是在中低温热解炉(100)中被还原，还是在再生器(200)中被氧化均是在耐高温多孔陶瓷材料颗粒的内部空隙中进行的。
可加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料可是各种抗还原气氛和氧化气氛的耐高温陶瓷惰性材料，而优选是碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等。图3是上述耐高温多孔陶瓷材料颗粒的放大示意图，其表面和内部具有相互连通的孔隙，以便于加载氧转移材料。图3所示的上述陶瓷颗粒是球形，这是一种优选的形式，但也可以是其它形状，例如椭圆形、立方形、以及不规则的颗粒状等等。
可用任何本领域普通技术人员所熟知的常规方法制备上述加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒，而其中最典型的方法是将上述耐高温多孔陶瓷材料颗粒浸泡在氧转移材料的前驱体溶液中，当浸泡饱和后，经干燥和烧成步骤，从而将上述耐高温的多孔陶瓷材料颗粒内部孔隙中的氧转移材料前驱体转化为氧转移材料。当氧转移材料是Fe的氧化物时，其前驱体可是Fe的各种氯盐溶液。上述的浸泡、干燥和烧成过程可重复进行多次，但最终载有氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒应保持一定的孔隙率，例如15-30体积％孔隙率，以便于孔隙内的氧转移材料的氧化和还原。
如上所述，由于加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的表观密度远远大于煤和焦颗粒的表观密度，因此上述多孔陶瓷材料颗粒重量比具有相同体积的煤或焦的颗粒重量大得多。所以，二者在流化床的相同流化力作用下，上述煤或焦颗粒流化或漂浮高度要比上述加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的流化或漂浮高度高得多，换言之，在上述加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的流化或漂浮高度下，仅可能流化或漂浮有粒径比上述多孔陶瓷材料颗粒大得多的煤或焦颗粒，粒径比上述多孔陶瓷材料颗粒小或相等的煤或焦颗粒在更高的高度处流化或漂浮，如果此时，将图2A和图2B所示的下导管(107)的向上呈喇叭形的开口高度和垂直挡板(107’)的具有至少一个侧切口的上端的高度调整至上述加载氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒的流化或漂浮高度，并将其上的筛网(108)的筛孔直径调整至与上述多孔陶瓷材料颗粒的粒径相等，此时在流化床的作用下，该筛网可使加载废氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒通过，而不允许粒径远远大于上述多孔陶瓷材料颗粒粒径的处于同一流化或漂浮高度的煤或焦颗粒通过，这样，就实现了加载废氧转移材料的耐高温多孔陶瓷材料颗粒与煤或焦颗粒的物理分离，进而实现了废氧转移材料和煤或焦颗粒的物理分离。
需要指出的是在图1所示的中低温热解炉(100)中，可以具有一个或多个中低温热解区(105)，每个热解区的结构可以相同也可以不同，例如结构为图2A和图2B所示的中低温热解区(105)可以交替布置。
由于中低温热解炉(100)中的气氛是还原气氛，而再生器(200)中的气氛是氧化气氛，在中低温热解炉(100)和再生器(200)经管线(103)和(104)相连通的情况下，两个反应器需要气氛隔离。如图1所示，可将水蒸汽作为气氛隔离介质而将二者的气氛相互隔离。
煤在中低温热解炉(100)中停留的时间通常取决于所用煤热解炉或煤中低温热解炉的类型和操作条件。这些工艺参数可从相关设备的使用手册或产品说明书中查到，也可从本领域普通技术人员所熟知的现有技术文献中查阅到。对于流化床类型的煤热解炉或中低温热解炉而言，通常煤在其中停留的时间约为20分钟-2小时，例如约20分钟-1小时，而优选约为30分钟-45分钟。
从氧转移材料再生器(200)上部或顶部排出的耗氧或无氧脏空气会含有一定量的固体粉尘颗粒，这些固体颗粒可能包括氧转移材料细颗粒或粉尘，和被带入再生器(200)中的少量煤或焦的细小颗粒或粉尘和其燃烧产物。优选地，用常规固-气或液-气分离设备，例如图4所示的旋风机(207)、过滤器(209)和/或隔膜，对上述夹带这些固体细颗粒或粉尘的耗氧或无氧脏空气在排放或进行热利用之前进行一级或多级固-气分离处理。，
下面用详细的示范性实施例进一步描述本发明，但这些实施例不构成对本发明的任何限制。
实施例1：
采取如图1和图2所示的系统来实施本发明的生产提质煤、高热值热解气和煤焦油或液化合成油的方法
首先，将以下化学组成的烟煤用常规的破碎设备破碎成具有以下粒径分布的颗粒。
5mm＞95重量％的烟煤颗粒粒径＞1mm；
10mm＞100重量％的烟煤颗粒粒径＞500微米。
煤的化学组成如下：
表1
 C   H   O   N   S   灰分   挥发分
 83-87％   5.5-5.7％   5-10％   1.5-5.5％   1％   18％   21％
上述数值以重量计
通常，对烟煤的水分含量不做限定，但此时烟煤的水分含量为14％。热值是1990焦耳/克。任选地，也可对烟煤原料进行预热和预干燥，使其水分含量为12重量％以下，温度达到120℃左右。
用已知的锁斗系统(未示出)将上述破碎后的烟煤颗粒以1000公斤/小时的流量加入到流化床类型的常规煤热解炉或中低温热解炉中，中低温热解炉(100)的工作温度是大约550℃，工作压力是大约35巴。从上述中低温热解炉(100)的底部经高压喷嘴以1000立方米/小时的流量将大约700℃的水蒸气喷入到中低温热解炉(100)中，并使其穿过多孔挡板(106)的孔进入中低温热解区(105)中，同时迅速使热解炉(100)达到其工作温度和工作压力。中低温热解区(105)的高度为1.2米，其取决于流化介质的速度。经管道(104)和图2所示的下导管或空心导管以160公斤/小时的流量将FeO加入到上述中低温热解区(105)中，并在流化床的作用下，上述烟煤、FeO、和水蒸气被充分混合，并发生前述反应，从而产生中低温煤热解气。煤脱去水分和中低温挥发分变为焦或半焦，同时FeO被还原并释放出氧，从而变为Fe。加入到中低温热解区(105)中的FeO颗粒的粒度为1微米至1mm，其中95％的颗粒小于100微米。煤在热解炉或中低温热解炉(100)中停留的时间约为45分钟。
上述颗粒的粒度用筛分法或比表面积法确定。筛网(108)的筛孔直径为1mm。筛网(108)用基于Ni的耐高温合金制成，并在900℃左右或以下表现出优异的强度和抗变形能力。
经图2所示的分离机构，Fe与焦实现物理分离，分离后的Fe经管线(103)进入再生器(200)中再生，而焦经位于多孔挡板(106)上的排焦口(未示出)和/或中低温热解炉(100)侧部或底部上的另一排焦口(109)排出热解炉或中低温热解炉(100)外。
被排出中低温热解炉(100)外的焦温度大约在550℃左右，用本领域普通技术人员所熟知的钝化或失活冷却器(未示出)对焦进行钝化冷却处理而使之变为提质煤。
提质煤的化学组成如下：
表2
  C   H   O   N   S   灰分   挥发分  H2O
  94-96％   1-4.4％   0.4-0.7％   0.5-0.7％   0.7-1.0％   16％   1.9％  ＜2％
上述数值以重量计
上述提质煤的热值经测量为29500焦耳/克，由此可知，经过上述处理，煤的热值有了大幅度的提高。
从中低温热解炉(100)中排出的热解气体经旋风机(114)滤掉其夹带的固体细颗粒，之后与热交换器(115)进行热交换，从而其温度被降低至70℃-150℃，之后再使其经过冷凝器(300)，冷凝器将上述气体温度进一步降低到22℃-35℃，从而从上述热解气中分离出煤焦油。
上述煤热解气的化学组成如下：
表3
  CO   H2   CO2  CH4   H2O   SO2   trace
  36.6-45.4％   22-25.4％   12-13％  3-5％   16.8-18.8％   0.3-0.8％
上述数值以摩尔计
上述煤热解气脱水后的热值约为18000千焦耳/立方米，由此可知，其为一种热值较高的气体燃料。
上述中低温热解煤焦油的化学组成如下：
表4：
Figure BSA00000327588500231
上述数值以重量计
中低温热解煤焦油的元素组成如下：
表5：
  C％   H％   N％   S％   O％   H/C原子比
  82.46   9.44   0.66   0.17   7.27   1.37
上述数值以重量计
在中低温热解炉(100)中形成的Fe经废氧转移材料输送管线(103)进入氧转移材料再生器(200)的底部，之后，在从底部被注入到再生器(200)中的热空气的夹带作用下，Fe被向上夹带至再生器(200)的上部。在向上运动的过程中，Fe与空气中的氧发生氧化反应，从而形成FeO，其间将会放出大量的热。用高压喷嘴将流量约100立方米/小时的约300℃的热空气注入到再生器(200)的底部，氧转移材料再生器(200)的工作温度为900℃，压力是35巴，在氧转移材料再生器(200)和中低温热解炉(100)之间，用水蒸气进行气氛隔离。在再生器(200)的操作初期，为了保持其工作温度，可将热空气的温度提高至1000℃左右，在其达到工作温度、并且放热反应已开始进行后，可降低热空气的温度至300℃。
上述热空气的来源可来自其中热交换介质与热解气或中低温热解气体进行热交换的热交换器(115)。如图1所示，用压缩机(301)将空气增压后作为热交换介质注入到上述热交换器(115)中，之后被加热到约300℃的热空气从热交换器(115)中排出、并被注入到再生器(200)中。
从再生器(200)的上部或顶部排出的耗氧或无氧的脏空气可经旋风机、旋风机级联、过滤器、和/或隔膜(未示出)进行固-气分离后，送入到膨胀机(302)中以驱动蒸汽锅炉(305)或汽轮机用于发电。
实施例2
将实施例1中破碎的烟煤颗粒与粒径相等或相似的磁黄铁矿(Fe(1-x)S)(式中(1-x)一般为0.8左右)以99∶1的比例混合后，所形成的混合物用与实施例1相同的方法被注入到中低温热解炉(100)中。在上述磁黄铁矿以及煤热解过程中产生的FeS的催化作用下，煤或煤热解所产生的焦油将发生裂解，并与热解气中的氢气发生加氢反应，从而形成低分子量的液化合成油。
最终，煤热解气的化学组成如下：
表6
  CO   H2   CO2  CH4   H2O   SO2   trace
  38.6-47.4％   16-19.4％   14-15％  4-6％   17.8-19.8％   0.3-0.8％
上述数值以摩尔计
上述热解气脱水后的热值约为16000千焦耳/立方米，由此可知，其仍为一种热值较高的气体燃料。
合成油的化学组成如下：
表7：
  C1-C11烃   C12-C17烃   C17+烃   沥青及其它杂质
  29.6％   47.4％   18.5％   4.5％
上述数值以重量计
上述合成油的元素组成如下：
表8：
  C   H   N   S   O   金属
  83％   13％   1.0％   0.7％   1.4％   0.9％
上述数值以重量计
在实施例2中，采用与实施例1相同的工艺条件，其中未提及的原料组成、工艺参数、以及产物组成等等均与实施例1相同，除非另有说明。
上述烟煤、提质煤、热解气、煤焦油或液化合成油的化学组成或元素组成的测定用本领域普通技术人员所熟知的方法进行。例如，用光谱法进行测定。
尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和实质的情况下，可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims (35)

1.一种煤的中低温热解系统，包括：
煤的中低温热解炉，包括原煤入口、水蒸气入口、提质煤出口、热解气输出管道、和至少一个在中低温热解炉内位于原煤入口和提质煤出口之间的中低温热解区，其中被输入的原煤在所述中低温热解区中与提供氧的氧转移材料发生反应而被中低温热解，并生成包括甲烷，一氧化碳、二氧化碳、和氢气的热解气和焦油或合成油气；和
至少一个经废氧转移材料输送管道和再生氧转移材料输送管道而与所述中低温热解炉相连通的氧转移材料再生器，其中进入氧转移材料再生器中的废氧转移材料与被输入所述再生器中的携氧气体发生氧化反应而被再生，再生的氧转移材料经再生氧转移材料输送管线被循环回所述中低温热解炉中，而经氧化反应损失氧或被去除氧的气体从其出口被排出；和
经上述热解气输出管道而与所述煤的中低温热解炉相连通的冷凝器，其中所述焦油气体或合成油气体经冷凝而变为焦油或液化合成油，并与所述热解气相分离。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述的中低温热解区包括煤和氧转移材料颗粒的流化床，该流化床包括底部多孔挡板和至少一个下导管，所述下导管的底部在所述多孔挡板之下，而所述下导管的顶部在所述多孔挡板之上.
3.根据权利要求2的系统，其中，所述下导管的顶部是一个开口，并被筛所覆盖，其中筛孔尺寸、原煤或提质煤、以及所述氧转移材料的粒径具有如下关系：
C重量％原煤或提质煤最小粒径＞筛孔尺寸＞A重量％所述氧转移材料的最大粒径，
其中，C重量％和A重量％各自独立地大于75重量％。
4.根据权利要求3的系统，其中所述C重量％和A重量％各自独立地大于85重量％。
5.根据权利要求4的系统，其中所述C重量％和A重量％各自为100重量％。
6.根据权利要求3的系统，其中所述开口是喇叭形开口。
7.根据权利要求1的系统，其中，所述的原煤是原煤和煤直接液化催化剂的混合物。
8.根据权利要求2的系统，其中，所述氧转移材料被加载在耐高温多孔陶瓷材料颗粒的孔隙内。
9.根据权利要求8的系统，其中，所述下导管的顶部是一个开口，并被筛所覆盖，所述筛的筛孔直径与所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒的最大直径相等，以使所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒通过所述筛而进入所述下导管中。
10.根据权利要求9的系统，其中，所述开口是一个喇叭形开口。
11.根据权利要求1的系统，其中，所述的中低温热解区包括煤和氧转移材料颗粒的流化床，该流化床包括底部多孔挡板和至少两个垂直挡板，一个垂直挡板具有在多孔挡板附近、有至少一个侧切口的下端，另一个垂直挡板具有在多孔挡板之上、有至少一个侧切口的上端。
12.根据权利要求11的系统，其中，所述垂直挡板有至少一个侧切口的上端被筛所覆盖，其中筛孔尺寸、原煤或提质煤、以及所述氧转移材料的粒径具有如下关系：
C重量％原煤或提质煤最小粒径＞筛孔尺寸＞A重量％所述氧转移材料的最大粒径，
其中，C重量％和A重量％各自独立地大于75重量％。
13.根据权利要求12的系统，其中所述C重量％和A重量％各自独立地大于85重量％。
14.根据权利要求13的系统，其中所述C重量％和A重量％各自为100重量％。
15.根据权利要求11的系统，其中，所述氧转移材料被加载在耐高温多孔陶瓷材料颗粒的孔隙内。
16.根据权利要求15的系统，其中，所述垂直挡板有至少一个侧切口的上端被筛所覆盖，其中，所述筛的筛孔直径与所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒的最大直径相等，以使所述耐高温多孔陶瓷材料颗粒通过所述筛而进入所述垂直挡板与所述中低温热解炉内壁所形成的狭缝或通道中。
17.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中所述中低温热解炉包括多个所述中低温热解区。
18.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中所述氧转移材料为铁的氧化物。
19.根据权利要求18的系统，其中所述铁的氧化物为FeO和/或Fe2O3。
20.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中在所述中低温热解炉和/或氧转移材料再生器中设置一个或多个热转换器，以便将多余的热量转移出上述系统。
21.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中在所述中低温热解炉和/或氧转移材料再生器中设置一个或多个旋风机、旋风机级联、过滤器、和/或隔膜，以便将其中的气体与固体颗粒分离。
22.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中在所述氧转移材料再生器中经氧化反应损失氧或被去除氧的所述携氧气体被用于经热交换器而加热所述的中低温热解炉或其所需要的水蒸气。
23.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中在所述冷凝器中布置一层或多层二氧化碳吸附剂，从而捕捉二氧化碳、并提高所述热解气的热值。
24.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中原煤在中低温热解区中被脱去水分、中低温挥发分，从而变为热值被提高的提质煤。
25.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中原煤中的硫分与氧转移材料在所述中低温热解炉中发生反应形成煤或煤焦油加氢液化反应所需的催化剂。
26.根据权利要求25的系统，其中所述的催化剂是铁的硫化物。
27.根据前述权利要求2-16任何之一的系统，其中提质煤出口位于所述多孔挡板的附近.
28.根据权利要求27的系统，其中所述多孔挡板向所述提质煤出口一侧倾斜，从而将提质煤排出中低温热解炉。
29.根据前述权利要求2-16任何之一的系统，其中在所述多孔挡板上具有提质煤出口，以便将提质煤排放到中低温热解区的下方。
30.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中进入中低温热解炉中的原煤粒径为500微米-100毫米。
31.根据前述权利要求1-16任何之一的系统，其中所述氧转移材料再生器包含将所述废氧转移材料从所述再生器的下部提升至所述再生器上部的提升管。
32.一种使用根据前述权利要求1-31任何之一的煤中低温热解系统生产提质煤、高热值热解气和焦油或液化合成油的方法：该方法按顺序包括以下步骤：
向所述中低温热解炉中加入原煤或原煤和煤直接液化催化剂的混合物和氧转移材料，同时通入水蒸气，以使中低温热解炉中的中低温热解区达到250℃-750℃的中低温热解温度；
原煤中的中低温热解组分和氧转移材料在所述中低温热解区中发生反应，形成包括一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷的热解气，以及中低温热解煤焦油气或合成油气，同时原煤经中低温热解脱去水分、中低温挥发分而变为高热值的提质煤；
从提质煤出口排出所形成的提质煤，从热解气输出管道排出所述热解气和中低温热解煤焦油气体或合成油气体的混合物；
废氧转移材料经所述废氧转移材料输送管道而从中低温热解炉中被输送至氧转移材料再生器中；
所述废氧转移材料在所述再生器中与被通入所述再生器中的携氧气体发生氧化反应而被再生；
再生氧转移材料经所述再生氧转移材料输送管道从所述再生器中被输送至所述中低温热解炉中，以便循环使用所述氧转移材料；
使被排出的所述热解气和中低温热解煤焦油气体或合成油气体的混合物经过冷凝器，所述中低温热解煤焦油气体或合成油气体经冷凝而变为煤焦油或液化合成油，从而与所述热解气相分离。
33.根据权利要求32所述的方法，其中携氧气体是空气。
34.根据权利要求32所述的方法，其中被排出的所述热解气经二氧化碳吸附剂吸附而被去除二氧化碳，从而提高了所述热解气的热值和实现了对二氧化碳的捕捉。
35.根据权利要求32所述的方法，其中，原煤中的硫分与氧转移材料发生反应形成煤或煤焦油加氢液化反应所需的催化剂。
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