CN102212378A - 一种含碳物质热解的强化方法及热解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含碳物质热解的强化方法及热解装置。本发明提供的热解装置包括：热解反应器(1)、供料装置(3)、颗粒排出口(4)和气相产物排出口(5)以及热量提供系统，所述的热解反应器(1)中含碳物质充填层中还设置若干传热性能好、耐高温的板式内构件(6)，至少内构件的一端或一侧与热解反应器的高温或加热壁面紧密接触，另一端直接与含碳物质接触，热量由高温反应器的边壁快速传向内构件，从而经内构件快速加热含碳物质，内构件壁面与含碳物质间构成间隙，提供热解气相产物的排出通道。本发明的优点在于热解反应器(1)中加装板式内构件(6)，强化了传热效果，有利于热解气的逸出，提高了生产效率，并提高了焦油产率与品质。

Description

一种含碳物质热解的强化方法及热解装置
技术领域
本发明涉及固料燃料能源化工技术领域，具体地，本发明涉及一种含碳物质热解的强化方法及热解装置。
背景技术
热解煤和生物质生成热解油(焦油)、煤气和半焦是目前加工处理年轻煤和生物质资源，获得高附加值产物的有效途径。在含碳固体物质的热解过程中，传质传热方式和效果对最终产物品质与产率影响巨大，加快传质传热有利于热解反应进行及产物导出，提高油、气产率，而传热传质方式对产品品质同样有显著影响。
目前常见的热解干馏技术按供热方式可分为内热式和外热式。内热式技术是通过高温气体(或固体)热载体直接与物料接触换热进行热解，主要技术有鲁奇三段炉、陕西神木三江化工研究院SJ低温干馏炉、TOSCOAL热解技术、鲁奇-鲁尔(L-R)干馏技术以及基于循环流化床的热解技术等。内热式热解干馏技术虽然具有传热效率高且加热速率快的优点，但目前存在的突出问题是以气体热载体直接加热时，由于夹带、混合等作用使得焦油产品质量低，煤气中惰性组分含量高、热值低，特别是对物料的粒度要求高，处理碎物料时得到的煤气和焦油含尘量过高、半焦灰分增加等；以固体热载体加热时，一般应用于碎粉物料热解，但此时又会导致热解气态产物逸出阻力大、而且夹带灰尘严重，使焦油质量变差。外热式技术是通过加热壁向物料传热、物料层由外向内逐渐升温的过程。目前采用外热式技术的主要有冶金焦炉、伍德(W-D)炭化炉和考伯斯炭化炉技术、直立移动两侧外热干馏炉低温干馏处理细粒弱粘煤技术(CN1865398A)等。外热式热解干馏技术由于不引入其他热载体介质，因而获得的焦油含尘量相对较低、煤气热值较高，而且可用于碎粉物料的热解干馏，这对于目前块煤日益紧缺、碎粉煤和生物质缺乏有效利用的状况有重要实际意义，但由于煤或生物质的导热性能差，目前外热式热解干馏法存在物料升温速率慢、升温过程中由外到内温度极不均匀、特别是用碎粉煤或生物质时热解气因逸出阻力大、停留时间过长而产生二次反应，造成焦油产率低、重质油含量高、品质差、生产效率低等问题。
由此可见，现有热解干馏技术仍存在着所得焦油灰尘量高或重质组份高、品质差、产率低等问题没有很好得到解决。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服外热式间接加热热解反应器存在的传热速率慢以及内热式或外热式反应器热解碎粉物料时存在的热解气逸出阻力大、停留时间长而导致焦油产率低、品质差的问题，提供了一种通过在热解反应器内设置内构件强化热解含碳物质的方法。
本发明的另一个目的在于，提供实现上述热解强化方法的装置。
根据本发明的含碳物质热解的强化方法，通过在热解反应器1中设置内构件强化传质传热、增加热解气体产物通道，进而强化含碳物质热解，具体包括：在热解反应器1中的含碳物质充填层中设置若干传热性能好、耐高温的板式内构件6，至少内构件的一端或一侧与热解反应器的高温或加热壁面紧密接触，另一端直接与含碳物质接触，热量由高温反应器的边壁快速传向内构件，从而经内构件快速加热含碳物质，板式内构件壁面与含碳物质间构成间隙，提供热解气相产物的排出通道。
所述的热解反应器6为固定床、移动床、流化床型反应器，板式内构件6置于反应器中的颗粒层内。
所述的板式内构件6为平板形内构件、波纹板形内构件、具沟槽结构板形或网格形框架内构件及其2个或2个以上的板式内构件组合。
本发明还提供了一种用于实施权利要求1的含碳物质热解的强化方法的热解装置，该装置包括：热解反应器1、供料装置3、颗粒排出口4和气相产物排出口5以及热量提供系统，其特征在于，所述的热解反应器1内还设置有若干由传热性能好的耐高温材料制成的板式内构件6。
所述的热解反应器1的加热方式为利用气体或固体热载体直接加热燃料，或通过加热反应器壁间接加热燃料。
所述热解反应器1采用高温固体热载体直接加热时，固体热载体来自于与热解反应器1耦合集成的气化或燃烧反应器7产生的高温颗粒。
本发明实施上述方法的热解装置中，当采用间接方式加热时，该热解装置由热解反应器1、燃烧加热室2、供料装置3、颗粒排出口4、气相产物排出口5构成，其中热解反应器1内装有板式内构件6并与被热解物料直接接触，所述内构件是平板形、波纹板形、具沟槽结构的金属或其他耐高温材料制成的板状物、或由他们构成的网格型框架，热解反应器的热量由处于两侧的燃烧加热室2通过加热墙间接加热供给；当采用高温固体热载体直接加热时，热解反应器1与气化或燃烧器7集成构成提供热载体颗粒循环，即热解反应器1的颗粒排出口4与气化或燃烧器7的颗粒输送管路8相连，气化或燃烧器7经过旋风分离器9与热解装置的供料装置3相连。
本发明可通过以下步骤实现：
(1)当采用间接加热方式时，热解装置如图1所示，含碳固体燃料经加料装置3加入装有内构件6的热解反应器1，内构件垂直于底面并与加热墙直接接触、同时也与含碳固料直接接触，因此含碳固料一方面通过加热墙加热升温，另一方面通过内构件6进行强化传热传质，在400～900℃温度下发生热解反应，气态产物沿内构件6导出并汇集到热解室顶部由上升管引出，然后进行热解气与热解油的分离处理，固态产物由底部排焦口排出做熄焦处理。
(2)采用高温固体热载体直接加热，在此情况下具内构件热解炭化室1与气化或燃烧反应器7相连并构成固体颗粒供应循环，如图2所示，热解反应器1的颗粒排出口4与气化或燃烧反应器7的颗粒输送管路8相连，气化或燃烧反应器7通过旋风分离器9与热解反应器1顶部的加料装置3相连。由气化或燃烧反应器7产生的高温固体颗粒(半焦或热灰)经旋风分离器9分离后，进入热解反应器的加料装置3中与被热解物质混合，再落入热解反应器1中使待热解含碳固料发生热解反应，热解气沿内构件沟槽空隙向上逸出并由上升管引出做回收处理，生成的半焦可全部或部分由颗粒排出口4输回燃烧反应器7用来气化/燃烧反应，并生成新的高温固体颗粒再次用于加热固体燃料，剩余半焦可由颗粒排出口4排出做熄焦处理。
本发明中，由于热解炭化室中加装了具有良好导热性能的耐高温内构件6插入物料中，强化了传热效果，使得物料升温速率大大提高，加热均匀性也得到了改善，解决了外热式间接加热热解反应器存在的传热速率慢的问题；又由于内构件板面与物料颗粒间易形成缝隙以及内构件表面的沟槽结构等均有利于形成热解气逸出通道，因此可改善传质效果，使热解气能及时逸出，减少二次反应，有利于提高焦油产率与品质，解决了内热式或外热式反应器热解碎粉物料时存在的热解气逸出阻力大、停留时间长的问题。
附图说明
图1为本发明含内构件的热解装置结构示意图；
图2为本发明含内构件的热解装置间接加热含碳物质热解原理示意图；
图3为本发明的固体热载体直接加热含碳物质热解原理示意图；
图4为本发明的平板形内构件示意图；
图5为本发明的具沟槽内构件示意图；
图6为本发明的波纹内构件示意图；
图7为本发明的组合内构件示意图。
附图标识
1、热解反应器          2、燃烧加热室        3、供料装置
4、颗粒排出口          5、气相产物排出口    6、板式内构件
7、气化或燃烧反应器    8、颗粒输送管路      9、旋风分离器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的装置进行进一步的说明。
如图1和2所示，该热解装置由热解反应器1、燃烧加热室2、供料装置3、颗粒排出口4、气相产物排出口5构成，其中热解反应器1内装有板式内构件6并与被热解物料直接接触，所述内构件是平板形、波纹板形、具沟槽结构的金属或其他耐高温材料制成的板状物、或由他们构成的网格型框架，热解反应器的热量由处于两侧的燃烧加热室2通过加热墙间接加热供给；
当采用高温固体热载体直接加热时，如图3所示，热解反应器1与燃烧反应器7集成构成提供热载体颗粒循环，即热解反应器1的颗粒排出口4与燃烧反应器7的颗粒输送管路8相连，气化或燃烧器7经过旋风分离9与热解装置的供料装置3的颗粒供给口相连。
本发明的含碳物质的强化热解方法是通过在上述具内构件热解装置内热解含碳物质实现的，含碳物质在由供料装置3进入热解反应器1后与板式内构件6直接接触，进行快速传热传质，快速升温并热解，生成的热解气通过热解物质与板式内构件6的接触面上形成孔隙、沿内构件上升，经分离后分别得到热解气和焦油，生成的半焦根据热解器加热方式不同做不同处理：
当所述的热解反应器1采用间接加热方式时，反应生成的半焦直接由颗粒排出口4排出并按现有熄焦方法处理；
当热解反应采用固体热载体直接加热时，由气化或燃烧器7产生高温固体颗粒经顶部的旋风分离器9进入加料装置3、再与含碳物质一起进入热解反应器1，热解反应产生的半焦一部份由颗粒排出口4排出做熄焦处理，另一部分经颗粒输送管路8进入气化或燃烧反应器7，反应产生的高温固体再经顶部的旋风分离器9进入供料装置3，实现了直接加热时热载体的循环。
图4～7所示板式内构件6分别是平板形、波纹板形、具沟槽结构的金属或其他耐高温材料制成的板状物、或由他们构成的网格型框架，或者有以上几种进行组合的组合内构件。
其中板式内构件6在热解反应器1中有以下几种方式：
1)板式内构件6分为两组，交错设置，其中一组内构件的一端与热解反应器1的内壁相接触，另一端并不和热解反应器1的内壁相接触；另一组的两端均不与热解反应器1的内壁相接触。
2)板式内构件6分为两组，交错设置，其中一组内构件的一端与热解反应器1的内壁相接触，另一端并不和热解反应器1的内壁相接触；另一组一端与热解反应器1的内壁相接触，而另一端不与热解反应器1的内壁相接触。
3)内构件6对齐排列时，其两端同时与热解反应器1的两内壁相接触；
4)内构件6对齐排列时，其中只有一端与热解反应器1的内壁相接触。
另外内构件6在热解反应器1中的排列方式并非局限于上面所述的四种，可以根据实际的需要，进行设计。
实施例1
本实施例为固定床、间接加热方式的内构件强化含碳物质热解，如图2所示，热解炭化室内装有沟槽状内构件(图5)，包括供料装置3、两侧有燃烧室加热墙2的装有内构件6的热解炭化室1、气态产物排出口5和颗粒排出口4等，内构件6以垂直于炭化室两侧加热壁和炉底的方式置于热解炭化室1中，热解室1两侧的燃烧室中燃气燃烧提供热量并由加热墙及内构件6导入、加热物料层；煤或生物质等含碳固料由顶部供料装置3装入热解炭化室1进行升温至400-900℃发生热解反应，热解气沿内构件6沟槽空隙向上逸出并由气相产物排出口5引出进行热解气和热解油的分离；达到预定反应温度和时间后，进行排焦操作，焦炭由颗粒排出口4排出而内构件不动。关于熄焦及焦油、煤气处理技术可按现有成熟技术方式处理。
通过在热解炭化室加内构件后，热解反应过程中的传质传热效果大大提高，焦油产率和品质也相应得到提高，以碎粉煤为原料时，对于固定床间热式热解，焦油产率是不加内构件时产率的1.3倍以上、含灰尘率在0.5％以下。
实施例2
本实施例为热灰/半焦热载体直接加热、移动床连续运行方式实施内构件强化含碳物质热解，如图3所示，热解反应器与气化或燃烧反应器耦合，固体热载体来自于气化或燃烧反应器7中进行气化或燃烧后产生的、并经旋风分离器9分离下来的高温半焦或热灰。
在该工艺流程中，含碳物质与高温热灰/半焦在混合供料装置3中充分混合并进入具内构件6热解反应器1发生热解反应，热解产生的气态产物向上由气相产物排出口5引入焦油回收、煤气净化系统。热解产生的半焦一部分排出、进行熄焦处理，另一部分由输焦装置8(如螺旋给料机)返回气化或燃烧反应器7进行气化或燃烧，并产生新的高温半焦或热灰，经旋风分离9后进入供料装置3与同时加入的含碳物质混合、进入热解室1热解，如此形成循环操作。
在本实施例以热灰/半焦热载体直接加热、移动床连续运行方式中，通过在热解炭化室加内构件大大提高了传质效果，焦油产率和品质也相应得到提高，以碎粉煤为原料时，焦油产率是不加内构件时产率的1.2倍以上、含灰尘率降低15％以上。
需要指出的是，对于本发明具体实施方法，如内构件的形状、尺寸、安装间距与分布方式、热解炭化室与其他装置的结合形式及操作方式等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

Claims (6)

1.一种含碳物质热解的强化方法，其特征在于，通过在热解反应器(1)中设置内构件强化传质传热、增加热解气体产物通道，进而强化含碳物质热解，具体包括：在热解反应器(1)中的含碳物质充填层中设置若干传热性能好、耐高温的板式内构件(6)，至少内构件的一端或一侧与热解反应器的高温或加热壁面紧密接触，另一端直接与含碳物质接触，热量由高温反应器的边壁快速传向内构件，从而经内构件快速加热含碳物质，板式内构件(6)，壁面与含碳物质间构成间隙，提供热解气相产物的排出通道。
2.根据权利要求1所述的含碳物质热解的强化方法，其特征在于，所述的热解反应器(6)为固定床、移动床、流化床型反应器，板式内构件(6)置于反应器中的颗粒层内。
3.根据权利要求1所述的含碳物质热解的强化方法，其特征在于，所述的板式内构件(6)为平板形内构件、波纹板形内构件、具沟槽结构板形或网格形框架内构件及其2个或2个以上的板式内构件组合。
4.一种用于实施权利要求1的含碳物质热解的强化方法的热解装置，该装置包括：热解反应器(1)、供料装置(3)、颗粒排出口(4)和气相产物排出口(5)以及热量提供系统，其特征在于，所述的热解反应器(1)内还设置有若干由传热性能好的耐高温材料制成的板式内构件(6)。
5.根据权利要求4所述的含碳物质热解的强化方法的热解装置，其特征在于，所述的热解反应器(1)的加热方式为利用气体或固体热载体直接加热燃料，或通过加热反应器壁间接加热燃料。
6.根据权利要求5所述的含碳物质热解的强化方法的热解装置，其特征在于，所述热解反应器(1)采用高温固体热载体直接加热时，固体热载体来自于与热解反应器(1)耦合集成的气化或燃烧反应器(7)产生的高温颗粒。
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