CN102653682A - 一种下行床-移动床耦合热解反应装置 - Google Patents

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宋文立
林伟刚
李松庚
都林
王泽�
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Abstract

本发明涉及一种下行床-移动床耦合热解反应装置。本发明的热解反应装置包括下行床反应器(1)，该装置还包括移动床反应器(3)，所述的下行床反应器(1)底部分离出的固体热载体和固体燃料的混合物进一步进入移动床反应器(3)，使固体燃料和固体热载体充分混合传热后热解，热解产生的热解汽经移动床反应器(3)上端的热解气出口(7)进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。本发明的优点在于采用本发明的装置，气相的停留时间可以控制在1秒以内，而固体燃料颗粒的停留时间可延长数十分钟，液体产物的收率最高可以提高20％左右而且整个工艺更加简单可靠，热效率更高。

Description

一种下行床-移动床耦合热解反应装置
技术领域
本发明涉及固体燃料热解领域，具体地，本发明涉及一种下行床-移动床耦合热解反应装置。
背景技术
以煤为代表的固体燃料，通常由有机物和无机物组成，加热过程中其中的有机物会发生热分解反应，生成有机产物和气体，同时残留半焦和灰分。采用快速热解技术，在不到1秒的时间内固体燃料被加热到400～750℃，固体燃料中大量复杂的有机物快速分解成活泼的有机中间体，这些产物通过急冷保持原来的非平衡态，从而尽可能多的获取有价值的液体产物、煤气和半焦。
国内外众多研究机构针对固体燃料热解制取液体产物、煤气和半焦工艺开发了各种类型的快速热解反应器，主要包括流化床热解反应器，移动床热解反应器，转炉反应器和下行床反应器。
国内浙江大学申请的发明专利(CN101691501)公布了循环流化床煤分级转化煤气焦油半焦多联产装置，该装置将循环流化床气化炉和流化床干馏炉相结合，干馏炉为常压流化床，用再循环煤气作流化介质。李定凯等人1991年申请了名为“循环床煤气-蒸汽联产工艺及装置”的发明专利(1056117)采用流化床煤热解炉与流化床锅炉耦合，用高温热灰作热载体提供粉煤热解所需热量，煤粉在700～750℃条件下进行热解，产生煤气。美国安辛集团股份有限公司公布了一种快速热解含碳物质的新方法和装置(发明专利CN1225851)，它使用上流式夹带输送热解反应器，输送气体为循环的煤气。采用流化床热解反应器的缺点为需要循环煤气作为流化气，增加了整个工艺的复杂性。
上世纪60年代德国的Lurgi-Ruhr Gas褐煤热解工艺将煤与热载体半焦在螺旋混合器中混合，然后在移动床中热解。国内的大连理工大学新法干馏技术与此相似，也是采用螺旋混合器及移动床干馏槽进行煤的热解。
煤炭科学研究总院北京煤化学研究所的专利(CN1066459)公布了一种多级回转窑的煤热解反应器，通过串联多级回转窑对煤粉分段进行内热式干燥，外热式热解，内热式增碳热加工，得到粒状焦、焦油产品及中热值煤气。
中国科学院过程工程研究所的发明专利(CN1377938)公布了一种循环流态化碳氢固体燃料的四联产装置，该装置采用下行床热解反应器。下行床热解反应器可以实现小颗粒固体燃料的快速热解，热解气体停留时间短，但对于大粒径的固体燃料则停留时间过短，不利于大颗粒的充分热解。
发明内容
为了克服现有的热解反应器存在的需要流化气，热解气体停留时间长，固体燃料停留时间短等问题，本发明提供了一种下行床-移动床耦合热解反应装置。
为了克服上述问题本发明提供的的下行床-移动床耦合热解反应装置包括下行床反应器1和移动床反应器3，所述的下行床反应器1底部分离出的固体热载体和固体燃料的混合物进一步进入移动床反应器3，使固体燃料和固体热载体充分混合传热后热解，热解产生的热解汽经移动床反应器3上端的热解气出口7进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。
作为上述方案的一种改进，所述的下行床反应器1和移动床反应器3之间设置气-固快速分离器2。
作为上述方案的又一种改进，所述的气-固快速分离器2包括折流板6或卧式旋风分离器
作为上述方案的再一种改进，所述的下行床反应器1内部设置固-固混合器，该固-固混合器为：重力式混合器、机械式混合器或气流式混合器。
作为上述方案的再一种改进，所述的移动床反应器3的底部设有立管4，实现了固体料封。
作为上述方案的再一种改进，所述的立管4的底部设有固体物料流量控制器5，用于固体热载体和半焦流量的调节控制。
作为上述方案的再一种改进，所述的固体物料流量控制器5为机械装置，包括：滑阀、螺旋输送机。
作为上述方案的再一种改进，所述的固体物料流量控制器5为非机械装置，包括：U阀、L阀。
作为上述方案的再一种改进，所述的热解气出口7设置在移动床反应器3上端，用于热解汽的排出。
固体热载体和固体燃料从下行床反应器1的顶部一同加入，在下行床反应器1内并流顺重力流动。下行床内设置固-固混合器，固-固混合器可以是重力式混合器、机械式混合器或者气流式混合器，固-固混合器延长了固体热载体和固体燃料的混合时间，强化了固-固的混合传热，保证固体燃料热解反应的充分进行。固体热载体、固体燃料以及热解产生的热解汽一同从下行床反应器1的底部离开下行床反应器，进入气-固快速分离器2，在快分分离器2内，热解汽与固体热载体和燃料的混合物分离，热解汽进入后续的急冷装置；固体热载体与固体燃料的混合物从快速分离器的底部离开进入移动床反应器3，在移动床反应器3内，固体燃料大颗粒充分热解，热解产生的热解汽通过移动床上部的出口离开移动床反应器，与快速分离器2分离的热解汽一同进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。移动床反应器3的底部连接有立管4，立管4实现了固体料封的作用，防止热解气或外部气体的反窜，立管4的底部连接有固体物料流量控制器5，用于固体热载体和半焦流量的调节控制。固体物料流量控制器5可以采用机械装置，也可以采用非机械装置。机械式固体流量控制器可以是滑阀，螺旋输送机等，非机械式固体流量控制器可以是U阀，L阀等。从固体物料流量控制器排出的固体热载体和固体半焦混合物离开进入后续的燃烧反应器燃烧，或者部分混合物通过分离得到固体半焦产物。
本发明可应用于通过热解反应从固体燃料中提取液体产物、煤气或半焦等，所涉及的固体燃料包括煤炭、油页岩和生物质(如稻壳、秸秆、木屑)等含碳类固体燃料，采用的热载体可以是热砂，锅炉热灰，半焦等。
本发明的优点在于：
1、在移动床反应器3内，固体燃料大颗粒充分热解，热解产生的热解汽通过移动床上部的出口离开移动床反应器，与快速分离器2分离的热解汽一同进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。移动床反应器3的底部连接有立管4，立管4实现了固体料封的作用，防止热解气或外部气体的反窜。立管4的底部连接有固体物料流量控制器5，用于固体热载体和半焦流量的调节控制。通过下行床-移动床的耦合，使固体热载体和固体燃料在反应装置中停留时间更长，发生热交换更加充分，特别是大颗粒固体燃料热解更加彻底。
2、与单独采用下行床热解反应器或单独采用移动床热解反应器相比，采用下行床-移动床耦合快速热解反应装置后气相的停留时间可以控制在1秒以内，而固体燃料颗粒的停留时间可以延长至数分钟甚至数十分钟，液体产物的收率最高可以提高20％左右。
3、与采用流化床热解反应器相比，下行床-移动床耦合快速热解反应装置不使用载气，避开了流化床热解工艺中复杂的煤气净化、再循环系统，整个工艺更加简单可靠，热效率更高。
附图说明
图1为本发明的下行床-移动床耦合快速热解反应装置结构原理图；
图2为本发明的下行床-移动床耦合快速热解反应装置示意图。
附图标识
1、下行床反应器  2、气-固快速分离器   3、移动床反应器
4、立管          5、固体流量控制器    6、折流板
7、热解气出口    8、挡板
具体实施方式
下面结合附图对本发明的装置进行进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的下行床-移动床耦合快速热解反应装置包括下行床反应器1和与该下行床反应器1底部相连的移动床反应器3，固体热载体和固体燃料从下行床反应器1的顶部一同加入，在下行床反应器1内并流顺重力流动。下行床内设置固-固混合器，固-固混合器可以是重力式混合器，如挡板8，机械式混合器或者气流式混合器。固-固混合器延长了固体热载体和固体燃料的混合时间，强化了固-固的混合传热，保证固体燃料热解反应的充分进行。固体热载体、固体燃料以及热解产生的热解汽一同从下行床反应器1的底部离开下行床反应器，进入气-固快速分离器2。在快分分离器2内，热解汽与固体热载体和燃料的混合物分离，热解汽通过移动床反应器3上端的热解气出口7进入后续的急冷装置。固体热载体与固体燃料的混合物从快速分离器的底部离开进入移动床反应器3。在移动床反应器3内，固体燃料大颗粒充分热解，热解产生的热解汽通过移动床上部的出口离开移动床反应器，与快速分离器2分离的热解汽一同进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。移动床反应器3的底部连接有立管4，立管4实现了固体料封的作用，防止热解气或外部气体的反窜。立管4的底部连接有固体物料流量控制器5，用于固体热载体和半焦流量的调节控制。固体物料流量控制器5可以采用机械装置，也可以采用非机械装置。机械式固体流量控制器可以是滑阀，螺旋输送机等，非机械式固体流量控制器可以是U阀，L阀等。从固体物料流量控制器排出的固体热载体和固体半焦混合物离开进入后续的燃烧反应器燃烧，或者部分混合物通过分离得到固体半焦产物。
实例1下行床-移动床耦合快速热解反应装置中煤炭的热解
如图2所示，来自循环流化床锅炉旋风分离器分离下来的850℃热灰与粒径1mm以下的煤炭进入下行床反应器1，下行床反应器1中设置有挡板式重力固-固混合器8，热灰与煤炭实现了充分的混合传热，并发生热解反应。下行床反应器1的出口设置折流板6，依靠气固惯性的差别，热解汽与固体混合物实现了快速分离，热解汽从移动床的热解气出口7离开热解反应器，进入后续的急冷装置，在移动床反应器3内，固体混合物的温度降到650℃，未充分热解的固体燃料大颗粒继续热解，热灰与半焦的混合物经立管4、固体流量控制器(螺旋输送器)5控制，进入燃烧炉燃烧，热灰被再次加热至850℃并循环进入下行床反应器1。
实例2下行床-移动床耦合快速热解反应装置中油页岩的热解
如图2所示，来自循环流化床锅炉旋风分离器分离下来的850℃热砂与粒径1mm以下的油页岩在下行床反应器1中混合传热，到达移动床后固体混合物的温度降到550℃，热解汽经急冷后得到页岩油和煤气，热灰与半焦的混合物进入燃烧炉燃烧，热灰被再次加热循环。
实例3下行床-移动床耦合快速热解反应装置中生物质的热解
如图2所示，来自循环流化床燃烧炉旋风分离器分离下来的850℃热砂与粒径1mm以下的生物质在下行床反应器1中混合传热，到达移动床后固体混合物的温度降到500℃，生物质热解汽经急冷后得到生物质热解油和煤气，热砂与生物质半焦的混合物进入燃烧炉燃烧，热砂被再次加热循环。
本实施例1～3中采用本发明的下行床-移动床耦合快速热解反应装置对固体燃料进行热解时，与单独采用下行床热解反应器或单独采用移动床热解反应器相比，气相的停留时间可以控制在1秒以内，而固体燃料颗粒的停留时间可以延长至数分钟甚至数十分钟，液体产物的收率最高可以提高20％左右，同时与采用流化床热解反应器相比，下行床-移动床耦合快速热解反应装置不使用载气，避开了流化床热解工艺中复杂的煤气净化、再循环系统，整个工艺更加简单可靠，热效率更高。

Claims (8)

1.一种下行床-移动床耦合热解反应装置，所述的热解反应装置包括下行床反应器(1)，其特征在于，该装置还包括移动床反应器(3)，所述的下行床反应器(1)底部分离出的固体热载体和固体燃料的混合物进一步进入移动床反应器(3)，使固体燃料和固体热载体充分混合传热后热解，热解产生的热解汽经移动床反应器(3)上端的热解气出口(7)进入后续的急冷装置，经冷凝后得到产物-液体燃料和煤气。
2.根据权利要求1所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的下行床反应器(1)和移动床反应器(3)之间设置气-固快速分离器(2)。
3.根据权利要求2所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的气-固快速分离器(2)包括折流板(6)和卧式旋风分离器。
4.根据权利要求1所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的下行床反应器(1)内部设置固-固混合器，该固-固混合器为：重力式混合器、机械式混合器或气流式混合器。
5.根据权利要求1所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的移动床反应器(3)的底部设有立管(4)，实现了固体料封。
6.根据权利要求5所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的立管(4)的底部设有固体物料流量控制器(5)，用于固体热载体和半焦流量的调节控制。
7.根据权利要求5所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的固体物料流量控制器(5)为机械装置，包括：滑阀、螺旋输送机。
8.根据权利要求5所述的下行床-移动床耦合热解反应装置，其特征在于，所述的固体物料流量控制器5为非机械装置，包括：U阀、L阀。
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