CN102888235A

CN102888235A - 固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置及方法

Info

Publication number: CN102888235A
Application number: CN2012103534779A
Authority: CN
Inventors: 李松庚; 宋文立; 郝丽芳; 林伟刚
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: CN102888235B

Abstract

本发明涉及一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置，该装置包括热解反应器、逆流移动床反应器、冷凝分离器、气体净化器和液体净化器。以及一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法，在惰性气体或富氢还原性气体作用下使固体燃料在热解反应器中发生热解，得到热解油、热解气和半焦产品；热解油、热解气进入逆流移动床反应器，并与反应器中铁矿石逆流接触，使热解油中重质组分在铁矿石作用下继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁；生成的热解气和轻质焦油经冷凝分离、净化后得到热解气和轻质焦油产品。本发明的特点在于利用天然铁矿石裂解焦油中重质组分，获得轻质焦油，提高了焦油品质；同时铁矿石被还原为单质铁，提高了矿石品位。

Description

固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置及方法

技术领域

本发明涉及燃料化工、铁矿还原领域，具体地，涉及一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置及方法。

背景技术

固体燃料属于燃料的一大类，具体为能产生热能或动力的固态可燃物质，大都含有碳或碳氢化合物。天然的有木材、煤炭、油页岩等，其中，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，而且我国又是一个富煤、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。

目前，我国仍是以煤的直接燃烧为主要利用方式，用于直接燃烧的煤约占总煤量的80%，而直接燃烧煤的一半左右用于中小型燃煤设备，其问题之一是热效率低，问题之二是带来的环境污染问题较严重。由于煤的结构单元主要包括结构稳定、反应性低的缩合芳香环和反应活性高、易于转化的烷基侧链、官能团及非化学键力结合的低分子化合物，对于年轻煤种，其单元结构中的低分子化合物、侧链及官能团含量尤为丰富。利用直接燃烧的转化方式，浪费了年轻煤中潜在的具有高附加值的油、气和化学品，如果在利用年轻煤前，首先将煤炭经过简单且条件温和的工艺进行处理获得液体和气体产品，剩余的固体残留物半焦再送去燃烧，则可在大大提高年轻煤综合利用率的同时，得到社会急需的液体和气体产品。在我国煤炭资源中，挥发分较高的年轻煤所占比例较大，干燥基挥发分含量在28%以上的年轻煤约占全国煤炭储量的3/4左右，干燥基挥发分含量在35%以上的年轻煤约占全国煤炭储量的50%，在这种情况下，若能充分考虑煤炭分子结构组成的不均一性以及不同组分转化特性的差异，进而实施分级转化，对于提高我国煤炭综合利用效率具有重大意义。

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。该技术是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）。

国内外众多研究机构针对固体燃料热解制取液体产物、煤气和半焦工艺已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，而且在热解技术方面已拥有了较深的研究基础，并已掌握了一些关键技术，积累了大量相关工艺运行与控制方面的经验。但是，以上国内外开发的热解工艺基本都处于中试或工业示范阶段，至今未能实现大规模的工业应用。存在的核心问题是，热解过程的气液产品收率与品质控制未能实现技术突破。许多中试及工业性试验结果表明，目前大部分热解工艺所产生的热解油中沥青含量高达50%以上。其技术缺陷的关键在于缺乏对煤热解反应的有效控制，热解反应过程的定向反应性能差。在固体燃料的初级热解焦油中含有40%以上的沸点大于360℃的重质组分，主要为脂肪烃和稠环芳烃。这些重质组分不仅会堵塞管道，腐蚀设备；而且其中含有许多致癌物质，排放到环境中造成严重的环境污染。热解油中的重质组分不仅降低了煤基油品的品位和价值，而且高粘度的焦油难于与系统中夹带的粉尘实现有效分离，造成了一系列的运行问题，阻碍了热解技术的工业化应用。因此，热解技术的大规模产业化急待解决热解反应调控与油气质量控制问题，抑制重质组分形成，尽可能得到轻质的油气产品，以实现定向热解转化的目的。

炼铁行业是钢铁工业中最基本和最重要的组成部分。我国又是钢铁生产和消费大国，进入21世纪以来，粗钢产量年平均增长21.1%。炼铁工艺包括高炉炼铁和非高炉炼铁。而传统的高炉炼铁由于受到焦煤资源限制、以及炼焦工业带来的环境污染问题而面临严峻挑战。

因此，将热解技术和炼铁行业相结合，实现资源的清洁高效利用和节能减排，是能源战略发展的需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置，该装置能提高焦油的品质和铁矿石的品位。

本发明的另一个目的在于，提供一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置，所述装置包括：

热解反应器1，用于将固体燃料热解，产生热解气、热解油和热解半焦；

逆流移动床反应器2，用于热解油中重质组分在铁矿石的作用下进一步裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁；

冷凝分离器3，用于将经铁矿石作用裂解产生的轻质焦油和热解气冷凝、分离；

气体净化器（4），用于经冷凝分离器（3）分离后热解气的净化；

液体净化器（5），用于经冷凝分离器（3）分离后轻质焦油的净化；

所述热解反应器1上部设置固体燃料进料管6和热解油气输出管9，底部设置载流气进气管7和热解半焦出料管8；所述逆流移动床反应器2顶部设置铁矿石进料管10，上部设置轻质焦油和热解气的混合料输出管12，底部设置单质铁出料管11；所述热解油气输出管9通过管道与逆流移动床反应器2下部相连；所述轻质焦油和热解气的混合料输出管12通过管道与冷凝分离器3相连，所述冷凝分离器3分别与气体净化器4和液体净化器5相连。

所述热解反应器为流化床反应器、移动床反应器或者固定床反应器。

本发明还提供了一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法，该方法包括以下步骤：

1）固体燃料从固体燃料进料管6加入热解反应器1中，在由载流气进气管7通入的载流气的作用下发生热解，得到热解油、热解气和热解半焦，热解半焦由热解半焦出料管8排出；

2）热解油、热解气从热解反应器1上部的热解油气输出管9排出，并从逆流移动床反应器2下部进入，与由铁矿石进料管10送入的铁矿石逆流接触，使热解油中重质组分在铁矿石作用下继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁，单质铁从逆流移动床反应器2底部的单质铁出料管11排出；

3）由逆流移动床反应器2裂解产生的轻质焦油和热解气经冷凝分离器3分离后，经气体净化器4得到热解气产品，经液体净化器5得到轻质焦油产品。

其中，所述载流气为富氢还原性气体或者惰性气体，惰性气体可以为氮气、氦气等，富氢还原性气体也可以为氢气。

优选地，载流气为富氢还原性气体，在富氢还原性气氛下进行热解反应，可进一步促进焦油品质的提高，同时也更利于将铁矿石还原为单质铁，提高矿石品位。

所述热解反应器的反应压力为0.1～10Mpa。

根据本发明的固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法，所述的热解反应器和逆流移动床反应器分别控制不同的反应温度，其中，热解反应器的反应温度为500～800℃，逆流移动床反应器的反应温度为500～1000℃。

本发明通过热解从固体燃料中提取液体燃料、气体燃料和固体半焦。所述固体燃料包括煤、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。

本发明利用廉价的天然铁矿石对热解产物油中的重质组分继续裂解生成轻质焦油，相对于现有技术，其优点在于：

1、本发明中由逆流移动床反应器下部进入的热解油、热解气产物，在反应器中与铁矿石逆流接触，为油气产物与固体铁矿石提供了充分的接触时间，并增强了接触程度，可以保证热解油中重质组分与铁矿石的充分反应，增加热解产物中焦油的H/C比，从而增加热解油中芳香烃类、酚类、苯及其衍生物、以及萘及其衍生物的含量，同时，逆流移动床也有利于脱除热解气中夹带的部分粉尘，以降低焦油中粉尘含量；

2、本发明利用天然铁矿石为原料，对热解产物油中重质组分作用进行裂解，降低了原料的成本；

3、本发明中热解焦油中重质组分经天然铁矿石作用，裂解为轻质焦油，提高了焦油品质，同时铁矿石被还原为单质铁，提高了矿石品位与利用率。

附图说明

图1为本发明的固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置的示意图；

其中，1、热解反应器，2、逆流移动床反应器，3、冷凝分离器，4、气体净化器，5、液体净化器，6、固体燃料进料管，7、载流气进气管，8、热解半焦出料管，9、热解油气输出管，10、铁矿石进料管，11、单质铁出料管，12、轻质焦油和热解气的混合料输出管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1，本发明固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置涉及到的装置有：

热解反应器1，用于固体燃料的热解，产生热解气、热解油和热解半焦；该反应器可以为流化床、移动床或固定床等反应器；

逆流移动床反应器2，用于将热解油中重质组分在铁矿石作用下继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁；

气体净化器4、液体净化器5，分别用于热解气和轻质焦油的净化。

如图1，固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法，其实施步骤如下：

1）固体燃料从固体燃料进料管6加入热解反应器1，在由载流气进气管7通入的惰性气体或富氢还原性气体的作用下，压力为0.1～10Mpa、温度为500～800℃的条件下发生热解，得到热解油、热解气和热解半焦，热解半焦由反应器底部的热解半焦出料管8排出；

2）热解油、热解气从热解反应器1上部的热解油气输出管9排出，并从逆流移动床反应器2下部进入，与由铁矿石进料管10送入的铁矿石逆流接触，使热解油中重质组分在铁矿石作用下，于温度为500～1000℃继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁，从逆流移动床反应器2底部的单质铁出料管11排出；

3）由逆流移动床反应器2裂解产生的轻质焦油与热解气经冷凝分离器3分离后，再分别经气体净化器4和液体净化器5得到热解气和轻质焦油产品。

实施例1

褐煤原料从固体燃料进料管加入流化床热解反应器，在由载流气进气管通入的载流气氮气的作用下，于压力为0.1Mpa、温度为650℃的条件下发生热解，得到热解油、热解气和热解半焦，热解半焦由热解半焦出料管排出，得到半焦产品；由排出的热解油、热解气，从逆流移动床反应器下部进入，并与由铁矿石进料管送入的铁矿石逆流接触，在950℃使热解油中重质组分在铁矿石作用下继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁，并从反应器底部的单质铁出料管排出；裂解产生的轻质焦油和热解气通入冷凝分离器，经冷凝分离器分离，并分别经气体、液体净化器净化后，得到热解气和轻质焦油产品。

实施例2

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于热解反应器采用固定床反应器；压力为6MPa，载流气为富氢还原性气体；固定床反应器中发生热解反应的温度为600℃，逆流移动床反应器温度为800℃。

实施例3

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于热解反应器为移动床反应器；固体燃料为吉林桦甸油页岩；载流气为氢气；移动床反应器中发生热解反应的温度为500℃、压力为1MPa；逆流移动床反应器温度为750℃。

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生物质秸秆；流化床反应器中发生热解反应的温度为550℃，逆流移动床反应器温度为700℃。

实施例5

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于热解反应器采用固定床反应器；压力为10MPa，载流气为富氢还原性气体；固定床反应器中发生热解反应的温度为800℃，逆流移动床反应器温度为1000℃。

实施例6

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法，差别在于热解反应器为移动床反应器；固体燃料为吉林桦甸油页岩；载流气为氢气；移动床反应器中发生热解反应的温度为500℃、压力为4MPa；逆流移动床反应器温度为500℃。

Claims

1.一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的装置，其特征在于，所述装置包括：

热解反应器（1），用于将固体燃料热解，产生热解气、热解油和热解半焦；

逆流移动床反应器（2），用于热解油中重质组分在铁矿石的作用下进一步裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁；

冷凝分离器（3），用于将经铁矿石作用裂解产生的轻质焦油和热解气冷凝、分离；

所述热解反应器（1）上部设置固体燃料进料管（6）和热解油气输出管（9），底部设置载流气进气管（7）和热解半焦出料管（8）；所述逆流移动床反应器（2）顶部设置铁矿石进料管（10），上部设置轻质焦油和热解气的混合料输出管（12），底部设置单质铁出料管（11）；所述热解油气输出管（9）通过管道与逆流移动床反应器（2）下部相连；所述轻质焦油和热解气的混合料输出管（12）通过管道与冷凝分离器（3）相连，所述冷凝分离器（3）分别连接气体净化器（4）和液体净化器（5）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热解反应器（1）为流化床反应器、移动床反应器或者固定床反应器。

3.一种固体燃料热解与铁矿石还原耦合的方法，所述方法包括以下步骤：

1）固体燃料从固体燃料进料管（6）加入热解反应器（1）中，在由载流气进气管（7）通入的载流气的作用下发生热解，得到热解油、热解气和热解半焦，热解半焦由热解半焦出料管（8）排出；

2）热解油、热解气从热解反应器（1）上部的热解油气输出管（9）排出，并从逆流移动床反应器（2）下部进入，与由铁矿石进料管（10）送入的铁矿石逆流接触，使热解油中重质组分在铁矿石作用下继续裂解，生成轻质焦油，同时铁矿石被还原为单质铁，单质铁从逆流移动床反应器（2）底部的单质铁出料管（11）排出；

3）轻质焦油和热解气通入冷凝分离器（3），经冷凝分离器（3）分离后，再分别经气体净化器（4）、液体净化器（5）得到热解气和轻质焦油产品。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述载流气为富氢还原性气体或者惰性气体。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热解反应器的反应压力为0.1～10Mpa。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热解反应器的反应温度为500～800℃。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述逆流移动床反应器的反应温度为500～1000℃。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的固体燃料为煤、油页岩、稻壳、秸秆、木屑或油砂。