CN102839001B - 一种生产轻质焦油的热解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产轻质焦油的热解装置及方法。本发明的装置主要包括逆流下行床热解反应器、流化床反应器、移动床过滤装置、换热装置。本发明的特征在于，固体燃料由下行床热解反应器上端送入，由上而下与其底部进入的流化气逆流接触发生热解反应；流化床反应器中热解半焦与底部通入的空气或氧气发生部分氧化，产生的热量供下行床热解反应器热解；移动床过滤装置中粗颗粒固体燃料将热解油气分离，热解气和轻质焦油排出，重质组分随固体燃料返回下行床热解反应器中再次裂解。本发明的特点在于焦油中重质组分经移动床过滤装置返回热解器中反复裂解以脱除产物中的沥青成分；有利于提高轻质焦油产率、系统热效率，并可脱除产物油气中灰分。

Description

一种生产轻质焦油的热解装置及方法

技术领域

本发明涉及固体燃料热解领域，尤其是可作为基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统的热解装置。具体地，本发明涉及一种生产轻质焦油的热解装置及方法。

背景技术

煤既是能源，又是宝贵的C、H资源和多种高价值化学品的重要来源。我国是一个富煤、少气、贫油的国家，煤炭是我国经济发展的重要支柱，因此开发煤炭的清洁综合利用方法是我国能源结构和产业发展的必然要求。

以煤为代表的固体燃料，通常由有机物和无机物组成，其中的有机物在加热过程中会发生热分解反应，生成有机产物和气体，同时残留半焦和灰分。而且，固体燃料低温热解技术是获得清洁固体燃料并联产焦油及热解气的有效方法。该技术以固体燃料为原料通过低温热解获得三种重要的能源产品：热解气、焦油和半焦；热解气和焦油既可直接作为气体或液体燃料，用于燃气、蒸汽轮机燃烧发电；还可用作化工原料，生产化工产品；所得固体产物即半焦，可用作清洁固体燃料在燃烧设备上应用，有利于减少燃烧产生的污染物（SO₂、NO_X和粉尘等）。由中国科学院过程工程研究所申请的发明专利“基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统及方法”（201110144144.0），提出了一种通过热解，实现煤的气、液产物与固体半焦分离，同时通过集成IGCC和超超临界发电的优点，实现更高的系统发电效率。而且，该系统装置简单，投资和运行成本低；并可用于对现有的中小热电机组的改造以提高发电效率，实现节能减排。因此，设计合适的热解装置及工艺是实现该发电系统的关键。本发明为上述技术提供了一种合理的热解方法。

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、固定床热解反应器、转炉反应器和下行床反应器等。

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（CN1056117A）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。张绪炜，程荫桐95年提出了“重力循环床煤气-蒸汽联产锅炉”发明专利（CN1144260A），主要特征是锅炉炉膛下部由燃烧床、传热床和气化床三个并列的流化床组成，强化了炉内飞灰的重力循环，提高煤气产率。1996年又提出用半焦作为热载体产生煤气，提高煤气产率（CN1155573A）。吕清刚于04年提出了“双循环流化床煤气-蒸汽联产方法及装置”（CN1754945），其特征是燃烧炉和气化炉都为循环流化床。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。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，利用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。

上述采用热灰、循环砂为固体热载体的下行床或流化床热解工艺中，所得固体产物半焦与固体热载体颗粒呈固-固混合状态，分离难度较大，难以得到纯半焦产品；而且，所得热解产物中焦油产率较低，重质焦油组分含量较高。为此，本发明提出了一种生产轻质焦油的热解装置，该装置以流化气作为热载体，在下行床反应器中与固体燃料逆流接触，使得固体燃料在反应器内有充分的受热时间进行热解，产生的热解油气经粗颗粒固体燃料的冷凝过滤作用，将其中的重质焦油组分冷凝分离并随同固体颗粒返回下行床热解反应器中再次裂解为轻质的油气组分，既获得了轻质的焦油产品和清洁的煤气，又提高了整个系统的热效率；同时可脱除油气产物中携带的灰分，简化了工艺；而且，由于利用气体作为热载体，可以获得清洁的纯半焦产品，作为工业锅炉和发电系统的燃料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种生产轻质焦油的热解装置及方法，其特征在于，固体燃料1从下行床热解反应器上端送入，由上而下与其底部进入的流化气逆流接触，发生热解反应；流化床反应器中热解半焦与其底部通入的氧气或空气发生部分氧化，产生热量，该热量被流化气携带进入下行床热解反应器供热解所需；生成的热解油气经移动床过滤装置中粗颗粒固体燃料2的冷凝过滤作用后，热解气和轻质焦油排出，焦油中重质组分则随固体燃料2一起返回下行床热解反应器中汇同固体燃料1一起再次热裂解。本发明的特点在于下行床热解反应器中固体燃料与流化气逆流接触，使得燃料充分受热；而且，焦油中重质组分经移动床过滤装置中粗颗粒固体燃料的冷凝分离作用返回下行床热解反应器中反复裂解，最终得到轻质的焦油产品；以及利用该移动床过滤装置可脱除油气产物中的灰分。本发明有利于提高轻质焦油产率，具有半焦纯度高，热效率高，以及工艺简化等优点。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种生产轻质焦油的热解装置及方法，其特征在于，该热解装置包括：

下行床热解反应器1，用于固体燃料的热解，生成热解气、焦油和热解半焦；

流化床反应器2，用于热解半焦与氧气或空气部分氧化以提供下行床热解反应器1中固体燃料热解所需热量；

移动床过滤装置3，用于热解产物焦油中重质组分在粗颗粒固体燃料的作用下冷凝循环返回下行床热解反应器1中再次热裂解；以及用于过滤脱除热解油气产物中携带的灰分；

换热装置4，用于热解半焦的冷却，得到半焦产品。

作为上述方案的一种改进，所述的一种生产轻质焦油的热解装置，还包括冷凝分离装置5、气体净化装置6、液体净化装置7，分别用于热解气液产物的分离、脱硫净化；干燥装置8，用于脱除固体燃料原料中的水分；以及筛分装置9，用于固体燃料的破碎筛分，细颗粒直接进入下行床反应器1，粗颗粒进入移动床过滤装置3中，如图2所示。

本发明可应用于通过热解反应从固体燃料中提取液体燃料、气体燃料和半焦。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）及油砂等含碳类固体燃料；固体燃料热解所需热量主要来自热解半焦在流化床反应器中的部分氧化。

所述的生产轻质焦油的热解装置及方法中固体燃料的热解过程是指：固体燃料1从下行床热解反应器上端进入，并自上而下与其底部进入的流化气逆流接触，使固体燃料充分受热以热解；固体燃料热解产生的热解油气，由下行床热解反应器上部出口排出进入移动床过滤装置，所得热解半焦由下行床热解反应器底部进入流化床反应器的过程；该热解过程还包括粗颗粒的固体燃料2经移动床过滤装置将热解产物中的重质焦油组分冷凝返回下行床热解反应器，并随固体燃料一起再次热裂解的过程。

所述的生产轻质焦油的热解装置及方法中热解油气在移动床过滤装置中冷凝分离，得到粗热解气、轻质焦油以及焦油重质组分；粗热解气和轻质焦油再次经冷凝分离、净化后收集；重质焦油则随固体颗粒返回下行床热解反应器中再次裂解为轻质的油气组分。

所述的生产轻质焦油的热解装置及方法中流化床反应器的温度为500-900℃。

所述的生产轻质焦油的热解装置及方法中移动床过滤装置的出口温度为80-500℃。

本发明的优点在于：

1、本发明的下行床热解反应器中上升的流化气一方面可以起到增强对流传热、提高燃料升温速率的作用，另一方面可以延长固体燃料在逆流下行床热解反应器内的停留时间，使得固体燃料有更充分的受热过程，有利于缩短下行床热解反应器的高度。

2、本发明的热解油气产物经移动床过滤装置的冷凝过滤作用，使得焦油中的重质组分返回下行床热解反应器中，与固体燃料一起与上升的流化气逆流接触，再次进行热裂解反应得到轻质焦油。采用移动床过滤装置可以提高系统的热效率；产品液体中脱除了重质的沥青组分，可以提高液体油产品的品质；而且脱除了油气产物中携带的灰分，简化了后续净化工艺。

3、与传统的固体热载体加热方式相比，本发明采用流化气对流换热方式，避免了固体热载体与固体燃料的混合，以及固体产物的分离，可以获得纯净的半焦产品，降低了工艺的操作复杂性。

附图说明

图1为本发明的一种生产轻质焦油的热解装置的示意图。

图2为本发明的一种生产轻质焦油的热解装置及方法的实施例的示意图。

附图标识

1、下行床热解反应器  2、流化床反应器     3、移动床过滤装置

4、换热装置          5、冷凝分离装置     6、气体净化装置

7、液体净化装置      8、干燥装置     9、筛分装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置作进一步说明。

如图1所示，本发明涉及到的装置主要有：用于实现固体燃料热解的下行床热解反应器1、用于提供热解所需热量的流化床反应器2、用于焦油中重质组分分离返回热解器以及脱除油气产物中灰分的移动床过滤装置3、用于冷却热解半焦的换热装置4。

另外，本发明的装置还包括：用于热解气和轻质焦油分离的冷凝分离装置5、用于脱硫的气体净化装置6和液体净化装置7、用于固体燃料干燥的干燥装置8、以及用于固体燃料破碎筛分的筛分装置9，如图2所示。

如图1所示，一种生产轻质焦油的热解装置及方法，其实施步骤如下：

1）固体燃料1从下行床热解反应器（1）上端送入，由上而下与其反应器底部进入的流化气热载体逆流接触，发生热解反应，生成热解油气产物和热解半焦；

2）热解半焦进入流化床反应器（2）中，与底部通入的氧气或空气发生部分氧化，产生的热量被流化气携带进入下行床热解反应器（1）中供热解所需；

3）热解生成的油气产物进入移动床过滤装置（3），经粗颗粒固体燃料2冷却分离、过滤脱灰后，热解气和轻质焦油排出，并经再次冷凝分离、分别净化后收集气体、液体产物；重质组分则随同固体燃料2一起进入下行床热解反应器（1）中再次裂解；

4）流化床反应器（2）中的热解半焦经换热装置冷却后排出，得到半焦产品。

实施例1

褐煤原料经干燥后，进入筛分装置，筛分为粒度小于1mm的细颗粒和6-10mm的粗颗粒；细颗粒煤粉由逆流下行床热解反应器上端送入，在流化床反应器中与其底部通入的氧气在650℃发生氧化反应，产生的热量随流化气由下而上进入下行床热解反应器，与自上而下通过下行床热解反应器的煤粉逆流接触，发生热解反应析出可挥发分，产生热解油气和半焦；热解油气由下行床热解反应器上部排出进入出口温度为250℃的移动床过滤装置，经粗颗粒煤的冷凝过滤作用，分离为热解气、轻质焦油和焦油重质组分；轻质焦油和热解气经再次冷凝分离后，分别经脱硫净化装置后收集气体、液体产品；焦油重质组分则随粗颗粒煤一起返回下行床反应器，并汇同细颗粒煤粉继续发生热裂解反应，得到轻质焦油；产生的热解半焦，一小部分与氧气燃烧产生热量供热解用，大部分半焦排出后通过换热装置冷却，得到半焦产品。

实施例2

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于固体燃料为吉林桦甸油页岩；流化床反应器中发生氧化反应的温度为580℃；移动床过滤装置的出口温度为200℃。

实施例3

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于固体燃料为生物质秸秆；由流化床反应器底部通入的为空气；且流化床反应器中发生氧化反应的温度为550℃；移动床过滤装置的出口温度为200℃。

实施例4

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于固体燃料为油砂；利用筛分装置分出的细颗粒为1.5mm以下，粗颗粒为10-15mm；由流化床反应器底部通入的为空气；且流化床反应器中发生氧化反应的温度为520℃；移动床过滤装置的出口温度为150℃。

Claims (5)

1.一种生产轻质焦油的热解装置，其特征在于，该热解装置包括：

下行床热解反应器（1），用于固体燃料的热解，产生热解气、焦油和热解半焦；

流化床反应器（2），用于热解半焦与氧气或空气发生部分氧化以提供下行床热解反应器（1）中固体燃料热解所需热量；

移动床过滤装置（3），用于热解产物焦油中重质组分在固体燃料2的冷凝作用下，随固体燃料2一起返回下行床热解反应器（1）中；以及用于过滤脱除热解油气产物中携带的灰分；

换热装置（4），用于热解半焦冷却，得到半焦产品；

该装置利用下行床热解反应器中固体燃料与流化气逆流接触，使燃料充分受热；焦油中重质组分经移动床过滤装置中粗颗粒固体燃料的冷凝分离作用返回下行床热解反应器中反复裂解，最终得到轻质焦油产品。

2.根据权利要求1所述的装置生产轻质焦油的方法，其特征在于，固体燃料1由下行床热解反应器上端送入，自上而下与其反应器底部进入的流化气逆流接触，发生热解反应，生成热解气、焦油和热解半焦；流化床反应器中热解半焦与其底部通入的氧气或空气发生部分氧化产生热量，该热量被流化气携带进入下行床反应器供热解所需；生成的热解油气经移动床过滤装置中固体燃料2的冷凝过滤作用，热解气和轻质焦油排出，重质组分则随固体燃料2一起进入下行床热解反应器再次热裂解；热解半焦通过换热装置冷却后得到半焦产品。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的固体燃料1和固体燃料2是煤炭、生物质、油砂或油页岩。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的流化床反应器的温度为500-900℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的移动床过滤装置的出口温度为80-500℃。

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