CN102949969A - 具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统以及使用该反应器系统的方法。所述系统包括：碳质材料热解炉；至少一个用于充分混合碳质材料和催化热载体、并将热从催化热载体快速转移至碳质材料中的下行混合器；至少一个固-固分离器或固-液分离器；至少一个催化热载体再热器；和与所述热解炉相连的冷凝器。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种包括快速混合、高热转移率、准确控制短而均匀的停留时间的快速热解碳质材料的新方法和新装置，更具体地说，本发明涉及一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统和使用该反应器系统的方法。
背景技术
产生热、化学产物、或燃料的碳质材料热解可伴随有一系列热化学反应过程。常规热化学反应过程，如热解、气化和液化典型地是平衡反应过程，并产生一系列价值较低的平衡产物，包括数量占大多数的固体，如焦、半焦等；液体，如重质焦油、含水溶液等；和气体，如CO2、CO、CH4等。例如，气化通常产生应用受限的低级燃料气体，而常规热解所形成的有价值液态或气态产物的产率又较低。此外，液态产物经常需要二次提质。
热解的特征在于在相对缺氧，既氧的含量明显少于完全燃烧所需要的量，的条件下热分解材料。一般，热解在习惯上仅是指常规慢热解。然而，许多热解的研究和实验出人意料地表明：对碳质材料进行快速热解或闪解可以生产不良慢热解产物的成本获得高产率的包含有价值化学品、化学中间产物、石化品和燃料的初级、非平衡液体和气体。换句话说，通过快速热解工艺所体现的方法可避免常规慢热解的低价值产物的出现。
快速热解可用涵盖以下各种方法的任何方式定义：即在极短的时间内快速赋予材料相对高的温度，随后在达到化学平衡状态之前迅速将原始产物的温度降低。通过这种方式，碳质材料的复杂结构被分解为有活性的最初通过解聚和脱挥发分反应形成、但存在时间极短的化学分子碎片。因此，如果非平衡产物可被保留下来，将可以生产低价值固体产物和重质有机液体产物的 成本有选择地获得高价值的化学中间体、轻质初级有机液体产物、石化品和/或高品质燃料气体等产物，并使其产率最大化。
快速热解可在各类反应器中进行。这些反应器最显著的共同特征是：极快地加热物料并通过快速冷却将反应限制在较短的时间内以在高价值的中间产物退化为低价值的最终产物之前终止化学反应。因此，快速热解反应器系统的特征在于要求非常快的物料加热速率，提升可控的反应温度，可控但很短的混合、反应和/或停留时间，以及产物的快速激冷等。
事实上，另一方面，一个为了液体产物产率而被优化的真正快速的热解反应器系统，其特征在于：油/焦油产率较高，而焦和气体产物产率较低。
一般来说，在快速热解所属的现有技术中公开了四种基本类型的反应器系统，根据工作方式和结构的不同，他们被分别定义为流化床反应器、输送型反应器、气旋烧蚀反应器和真空热解反应器。有关这四种基本类型的反应器系统的细节可参见美国专利US5,792,340，该专利的公开内容在此全文引入以作参考。
到目前为止，针对快速热解各种碳质材料以获得包括气、液和固产物的高价值化学产物的有效方式，人们已进行了大量的尝试和实验。
例如，US5,792,340公开了一种碳质材料快速热解的新方法及装置，该方法包括在一个固体热载体循环的上流式气流床输送型反应器中快速混合、快速传热、精确控制短而均匀的停留时间，以及快速激冷初级产物等步骤。碳质入料、非氧化性输送气体和无机颗粒状供热材料在反应器底部混合，并随后被向上输送穿过气流床管式反应器。气旋式热固体循环系统从非可冷凝气体和初级产物蒸汽中分离出固体并随后将之送回混合器中。蒸汽产物被迅速激冷以使液体、石化产物、高价值的气体和选择性的有价值化学品的产率最大化。在US5,792,340中所公开的上述方法和装置是通过一个上流式气流床输送反应器发挥功能的，因而对碳质材料和固体热载体的粒径的限制非常严格，结果其大规模应用也因此受到限制。
US7,901,568公开了一种将固态或高粘性碳基载能材料转化成液态和气态反应产物的方法，该方法包括以下步骤：(a)使碳基载能材料与颗粒状催化剂材料接触；(b)在200～450℃间，优选为250～350℃之间的反应温度下，将碳基载能材料转变为气相反应产物。在其一个优选的实施方式中，该方法还包括步骤：(c)在前述蒸汽相反应产物生成后的10秒之内将其与颗粒状催 化剂材料分离；在其又一个优选的实施方式中，在步骤(c)之后有步骤(d)：即将反应产物激冷到200℃以下。US7,901,568所公开的上述方法使用了下行床、流化床或提升管反应器，并且碳基载能材料与颗粒状催化剂材料的混合分两步进行，但该专利并未公开如何快速均匀地混合所述碳基载能材料与颗粒状催化剂材料的具体细节。
US4,404,083和US4,511,434都公开了一种干馏固态含烃材料、例如油页岩、煤和油砂的流化床系统和方法，其中固态含烃材料和热载体材料被给入一混合腔中混合后由提升气沿提升管被快速向上输送到一个含固体的容器中以干馏含烃材料，并使自由烃热裂解达到最小以增加可冷凝烃的回收。干馏后的材料被输送到一个稀释相提升管及燃烧器容器中，干馏后的材料中的残余碳在燃烧器中发生燃烧，留下可被送到混合腔内作为固体热载体材料的热废料。US4,404,083和US4,511,434所公开的流化床系统和方法使用提升气提升和混合固体含烃材料及热载体材料，并且热解后的固体产物在燃烧器容器中被烧掉，留下热废料做热载体。与前面US5,792,340相同，在US4,404,083和US 4,511,434所公开的流化床系统和方法中，对固态含烃材料和固体热载体的粒径的限制也非常严格，并因此导致其大规模应用受限。
综上所述，对于将之有效应用于碳质材料快速热解的带热载体循环机制的热解反应器系统来说，现有技术仍然存在许多需要解决或克服的缺点和问题。例如，需要显著改善至少以下几个方面或特性：
(1)可冷凝气相产物在热解炉和/或混合器内极短、均匀，但可控的停留时间；
(2)入料在混合器中极快但彻底的混合以确保非常高的传热速率；
(3)仅通过颗粒状热载体材料的循环就能将热从热载体颗粒中有效供应给和转移至碳质材料中；
(4)具有便于提供大量热的高热容和有助于有效裂解可冷凝气相产物中重质部分的催化性能的热载体材料；
(5)允许热载体与碳质材料比率足够高的反应器构造；
(6)入料在进料系统中预热解的预防；
(7)有效分离可冷凝气相产物而不损失其产率。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速热解碳质材料的新方法和新装置，其旨在克服上述缺点或解决上述问题的至少一部分甚至全部，更具体地说，本发明提供了一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统和使用该反应器系统的方法。
根据本发明第一个方面，提供一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(500)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离。
通常，对上述下行混合器的结构不作任何限制，因为其有很多相应的等同物或变通，然而，在本发明优选的实施方式中，所述下行混合器是一个柱状混合器，包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
多个被安装在所说中心纵向轴上的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带，其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说中心纵向轴之间的角度大于90度；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带，其中所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带与所说纵向柱状壁之间的角度大于90度；和
其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使彼此相邻的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带和所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面；或
纵向柱状壁；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片，其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片和所说纵向柱状壁内表面之间的角度任选地大于90度；和
其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片在垂直方向上彼此相对地布置，以便使沿垂直方向相邻的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面；或
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
被安装在所说中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说中心纵向轴之间的角度沿垂直方向大于90度；
被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说外倾斜螺旋挡板或叶片与所说纵向柱状壁内表面之间的角度沿垂直方向大于90度；和
其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说外倾斜螺旋挡板或叶片在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使内倾斜螺旋挡板或叶片和所说外倾斜螺旋挡板或叶片相邻部分的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
在上述优选的下行混合器中，进一步优选的是：所述中心纵向轴是固定的或可旋转的；所述纵向柱状壁内部空间含有所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜螺旋挡板或叶片的部分是可旋转的和/或可振动的；彼此相邻的所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、彼此相邻的所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片、或所述内和外倾斜螺旋挡板或叶片彼此相邻的部分沿垂直方向形成60-120度的角度，更优选进一步形成90度的角度；所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片的横截面形成弧面，从而控制所述碳质材料和催化热载体在所述下行混合器中向下移动的方向，所说弧面的弧度小于30度，更优选进一步小于15度。
同样优选的是：所述碳质材料或催化热载体分别从所述下行混合器的顶部落在第一个内或第一个外向心倾斜挡板或叶片、或第一个内或第一个外倾斜环面带、第一个或第二个所述倾斜挡板或叶片、或第一个或第二个向心倾斜挡板或叶片、或所述内或外倾斜螺旋挡板或叶片的顶部上面；所说下行混合器的顶部包括：
中心园水平开口或至少一个靠近中心纵向轴垂直表面的水平环面狭缝，用于将所述碳质材料或催化热载体装入所述下行混合器中，并使其落在所述内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带上面；和
至少一个紧靠所述纵向柱状壁内表面的水平环面狭缝，用于将所述催化热载体或碳质材料装入所述下行混合器中，并使其落在所述外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带上面；或所说下行混合器的顶部包括：
中心园水平开口或至少一个紧靠所述中心纵向轴垂直表面的水平环面狭缝，用于将所述碳质材料或催化热载体装入所述下行混合器中，并使其落在所述内倾斜螺旋挡板或叶片上面；和
至少一个紧靠所述纵向柱状壁内表面的水平环面狭缝，用于将所述催化热载体或碳质材料装入所述下行混合器中，并使其落在所述外倾斜螺旋挡板或叶片上面。
作为示范性的实例，所述纵向柱状壁内部空间的横截面是方形、圆形、多边形或任何规则形状。对上述固-固分离器或固-液分离器不作任何限定，然而优选的是：所说固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)依靠热解的固态或液态产物和废催化热载体之间的粒径差和/或比重差工作或发挥功能。
在对上述热解炉的广义定义中，对所述热解炉的类型和结构不作任何具体的限定，然而优选的是：所说的热解炉(200)进一步包括一个位于所述热解炉(200)下部的旋转炉篦(209)，以便进一步搅拌所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，从而更有效地将热从所述催化热载体中转移至所述碳质材料中；更优选地，所述热解炉进一步包括：至少一个气-固分离器或气-液分离器(206，305，403和/或504)，用于实现热解的气态或蒸汽产物和所述提升气与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；用于实现吹拂气体(302)与被夹杂在其中的热解的固态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；用于实现分离气体(401)与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；和/或用于实现再热催化热载体与无氧或耗氧的燃烧气体之间的分离；特别优选的是：所述的气-固分离器或气-液分离器例如是旋风机、旋风机级联、过滤器和/或过滤膜；而最优选的是：所述热解炉进一步包括：至少一个热交换器，用于分别从来自于所述热解炉(200)、固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)、再热器(500)和/或气-固分离器或气-液分离器(206，305，403和/或504)的废气中回收热量，所述热交换器的示范性实例是高压锅炉进水流经其间、并产生高压水蒸汽的盘管式或多管式热交换器。
事实上，同样优选的是：所述的热解反应器系统，进一步包括：用于提高液化焦油或油产率的、靠近所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物出口的急冷单元(211)，所述的急冷单元(211)的示范性实例可是一个热交换器、水槽、和/或一个或多个高压水喷嘴。
通常，所述再热器(500)是一个提升管式再热器，同时所述催化热载体可选自被用作分子筛的粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物，所述粘土类矿物质示范性实例选自沸石、硅藻土、蒙脱石、凸凹棒粘土或它们的混合物；所述金属氧化物中的金属选自Al，Ti，Zr，Y，Si，La，Sr，Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn和/或Mo；所述金属选自Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn，Pt，Cr，Ca，Mg和/或Mo；所述催化热载体的特定实例是经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷颗粒，或经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷和废流化催化裂解催化剂(FCC)和/或硅和钛的碳化物的混合物；作为一个具体实例，所述催化热载体可含有至少一种裂解催化剂和/或加氢处理催化剂。
在本发明另一个特定的非限制性实施方式中，所述催化热载体可被造粒成为具有特定粒径分布(PSD)的颗粒，其中可向所述催化热载体中加入耐高温胶结剂以便于造粒，而所述耐高温胶结剂的示范性实例选自于氧化铝溶胶糊、硅酸钠溶液、铝酸盐水泥和/或铁铝酸盐水泥。
根据本发明第二个方面，提供一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而 与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
多个被安装在所说中心纵向轴上的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带，其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说中心纵向轴之间的角度大于90度；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带，其中所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带与所说纵向柱状壁之间的角度大于90度；和
其中所说内向心倾斜挡板或叶片与所说外向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与外倾斜环面带在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使彼此相邻的内向心倾斜挡板或叶片与所说外向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与外倾斜环面带的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
根据本发明第三个方面，提供一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
纵向柱状壁；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的倾斜挡板或叶片，或向心倾斜挡板或叶片，其中所说倾斜挡板或叶片，或向心倾斜挡板或叶片和所说纵向柱状壁内表面之间的角度任选地大于90度；和
其中所说倾斜挡板或叶片，或向心倾斜挡板或叶片在垂直方向上彼此相对地布置，以便使沿垂直方向相邻的倾斜挡板或叶片，或向心倾斜挡板或叶片的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
根据本发明第四个方面，提供一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
被安装在所说中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说中心纵向轴之间的角度沿垂直方向大于90度；
被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说外倾斜螺旋挡板或叶片与所说纵向柱状壁内表面之间的角度沿垂直方向大于90度；和
其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说外倾斜螺旋挡板或叶片在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使内倾斜螺旋挡板或叶片和所说外倾斜螺旋挡板或叶片相邻部分的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
在本发明第一至第四方面中，任选或优选的是：所述下行混合器(100)的大部分可位于所述热解炉(200)的外面；所述热解炉(200)的操作温度和压力分别为常压-1.1MPa和250-750℃，更优选分别为常压-0.5PMPa和450-650℃；所述催化热载体离开所述再热器(500)时的温度为600-1200℃；而所说的倾斜挡板或叶片可被圆形、椭圆形、或其它规则形状的挡板或叶片所取代，并在所述挡板或叶片的周边与所述纵向柱状壁内表面之间形成至少一个月偏食形状的狭缝或规则形状的狭缝，以便使所述碳质材料和/或催化热载体顺利通过所述狭缝向下移动；所述碳质材料可选自于煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾矿、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政工业废料、沥青、和它们的混合物。
根据本发明第五个方面，提供一种用所述热解反应器系统快速热解碳质材料的方法：包括：
a)在相对缺氧的条件下，将所述碳质材料和催化热载体引入到所述下行混合器(100)中，以使它们从所述下行混合器的顶部向下移动时，在下行混合器中作紧密接触并被充分混合，从而形成所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物、并迅速将热从所述催化热载体中转移至所述碳质材料中，进而由上述热转移引发所述碳质材料的热解；
b)将上述碳质材料和催化热载体的均匀混合物从所述下行混合器(100)中引入到所述热解炉(200)中，所说的均匀混合物在所述热解炉(200)中被进一步混合或搅拌，同时进一步将热从所述催化热载体中转移到所述碳质材料中，从而经热解使所述碳质材料转变为包括热解的气态或蒸汽产物和热解的固态或液态产物的产物流；
c)上述热解的气态或蒸汽产物被从所述热解炉(200)的下部输入的提升气提升至所述热解炉(200)的顶部，并经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)离开所述热解炉(200)；
d)所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的混合物经所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的出口(204)离开所述热解炉(200)；
e)含有气态焦油或油的上述热解的气态或蒸汽产物进入所述冷凝器(600)中，气态焦油或油在所述冷凝器中经冷凝变为液态焦油或油，并与上述热解的气态产物相分离；
f)所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的混合物进入上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，所述热解的固态或液态产物在其中与所述废催化热载体相分离；
g)分离后的废催化热载体和一部分热解的固态或液态产物或外源燃料进入所述再热器(500)的底部，所述废催化热载体被上述那部分热解的固态或液态产物或外源燃料和从底部输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧再次加热，并在被加热其间被提升至所述再热器(500)的顶部；
h)再热的催化热载体从顶部离开所述再热器(500)，随后与无氧或耗氧的燃烧气体分离，接着随所述碳质材料再次进入所述下行混合器(100)中。
在本发明第五方面中，优选的是：所述碳质材料和/或催化热载体在所述下行混合器(100)中的停留时间小于10秒，更优选小于5秒，特别优选小于3秒；所述含有气态焦油或油的热解的气态或蒸汽产物在其形成后在所述下行混合器(100)和/或所述热解炉(200)中的停留时间小于10秒，更优选小于5秒，特别优选小于3秒；引入到所述下行混合器(100)中的所述碳质材料与催化热载体之间的重量比为10/1-1/100，更优选为5/1-1/50，特别优选为2/1-1/10；所述碳质材料与催化热载体之间的平均粒径比为2500/1-3/1，更优选为250/1-5/1，特别优选为100/1-10/1；所述碳质材料的平均粒径为1-50毫米，而所述催化热载体的平均粒径为20-300微米；所述碳质材料的平均密度为600-1200kg/m3，而所述催化热载体平均密度为1200-2500kg/m3；所述碳质材料在所述下行混合器(100)中的平均加热速度大于1000℃/秒。
在本发明快速热解碳质材料的上述方法中，更优选的是：所述方法进一步包括：将离开所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物急冷至250℃，特 别是200℃以下；所述提升气是氮气和/或水蒸气；所述热解的固态产物被吹拂气体失活和冷却以增加其便于输送和储存的化学稳定性；从所述工艺气体中回收热量，所述工艺气体包括用于使所述热解的固态产物失活的吹拂气体废气，来自再热器(500)的无氧或耗氧燃烧气体，来自所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物、和/或来自固-固分离器或固-液分离器(400)的分离气体废气。
同样，上述方法优选地进一步包括：
将所述热解的气态或蒸汽产物和提升气与被夹杂在其中的所述碳质材料、热解的固态或液态产物和/或催化热载体的细颗粒或粉尘分离；
将用于使所述热解的固态产物失活的吹拂气体废气与被夹杂在其中的热解的固态产物和/或废催化热载体的细颗粒或粉尘分离；
将来自固-固分离器或固-液分离器(400)的分离气体废气与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或废催化热载体的细颗粒或粉尘分离；和/或
将来自所述再热器(500)的无氧或耗氧的燃烧气体与被夹杂在其中的再热催化热载体和燃烧残余物的细颗粒或粉尘分离。
其中，当来自固-固分离器或固-液分离器(400)的所述分离气体是氮气和/或水蒸气时，其废气的至少一部分或全部被用作用于将所述热解的气态或蒸汽产物提升至所述热解炉(200)的顶部的所述提升气的至少一部分或全部。
附图说明
从下述参考附图的描述中可更明显地看出本发明上述和其它特征和优点，其中：
图1是本发明具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统的代表性示意图；
图2A是被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的一个实施方式的示意图；
图2B是图2A所示的下行混合器沿图2A所示的A-A线切开的剖面图；
图2C是沿图2A所示的A-A线切开的另一种下行混合器的剖面图，其中所述倾斜挡板或叶片被一圆形倾斜挡板或叶片所取代，在所述倾斜挡板或叶片的周边与所述纵向柱状壁内表面之间形成一月偏食形或规则形状的狭缝。
图2D是图2B所示的倾斜挡板或叶片或图2C所示的圆形倾斜挡板或叶片沿图2B和图2C所示的B-B线切开的剖面图；
图2E是被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的另一个实施方式中、被安装在所述纵向柱状壁内表面上的向心倾斜挡板或叶片的透视图；
图2F是图2E所示的下行混合器沿图2E所示的A-A线切开的剖面图；
图2G是图2E所示的下行混合器沿图2E所示的B-B线切开的剖面图；
图2H是被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的再一个实施方式中、被安装在所述中心纵向轴上的向心倾斜挡板或叶片的透视图；
图2I是图2E所示的下行混合器沿图2H所示的A-A线切开的剖面图；
图2J是图2E所示的下行混合器沿图2H所示的B-B线切开的剖面图；
图3A是被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的另一个实施方式的示意图；
图3B是图3A所示的下行混合器的俯视图；
图3C是沿图3A所示的A-A线切开的所述下行混合器的剖面图；
图4A是被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的再一个实施方式的示意图；
图4B是图4A所示的下行混合器的俯视图；
图4C是图4A所示的下行混合器中碳质材料和/或催化热载体下行流经内倾斜环面带和外倾斜环面带的流向示意图；
图4D是沿图4A所示的A-A线切开的所述下行混合器的剖面图；
图5A是在被用在图1所示的热解反应器系统中的下行混合器的又一个实施方式中，被安装在所述中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片的透视图；
图5B是安装在所述中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片的竖剖面；
图5C是安装在所述纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片的透视图；
图5D是安装在所述纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片的竖剖图；
图5E是下行混合器中碳质材料和/或催化热载体下行流经图5A和图5B所示的内倾斜螺旋挡板或叶片以及图5C和图5D所示的外倾斜螺旋挡板或叶片的流向示意图；
图5F是图5A-5E所示的下行混合器的正视图。
具体实施方式
在下面的描述中，各图中相对应或等同的部位或部件将采用相同的标记数来表示。
依据本发明的具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统(以下简称为“具有下行混合器和催化热载体再热器的热解反应器系统”)的主要部件用于在最短时间内使碳质材料达到较高温度，并且使所述碳质材料入料在该温度下实现有效快速热解的停留时间较短。优选地，对反应产物进行快速冷却或激冷，以便保留或提高有价值的非平衡产物的产率。
图1表示了引入下行混合器和催化热载体再热器的热解反应器系统的主要部件。所述主要部件有热解炉(200)、至少一个下行混合器(100)、至少一个固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)、至少一个与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，以及一个与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)。
用来驱动热解反应器系统的热主要通过在再热器(500)内进行燃烧而被加热的循环的催化热载体被转移至下行混合器(100)和热解炉(200)中。
典型地，下行混合器(100)和热解炉(200)内优选只存在非常少量的氧气，以便使其中不发生例如燃烧的氧化反应，从而提供直接工艺热。再循环和/或再热催化热载体颗粒在进入下行混合器(100)之前可采用焦或气体的直接或间接燃烧，或者外源燃料的加热对其进行加热。因此，少量的残氧可能存在于下行混合器(100)之内。作为热解固体产物的一部分的焦的直接燃烧可以发生在下行混合器(100)和热解炉(200)之外的再热器(500)的提升管中，所述提升管含有积储的颗粒状催化热载体和从再热器(500)底部注入的含氧气流。
颗粒状催化热载体和碳质材料入料的快速混合以及热向碳质材料入料中的转移在下行混合器(100)中进行。在下行混合器(100)中，热从颗粒状催化热载体中转移到所述碳质材料入料中。充分混合和快速传热典型地在少于入料在下行混合器(100)中的总停留时间的十分之一内发生。因此，混合时间一般要小于1秒，优选为0.1-0.3秒。入料的加热速率应该大于1000 摄氏度/秒，同时碳质材料和/或催化热载体在下行混合器(100)内的平均停留时间应该小于10秒，一般要小于5秒，尤其应小于2或3秒。
与气体或有机热载体、如焦相比，本发明采用颗粒状催化热载体固体，显著改善了传热效果，因为(单位质量)固体的载热能力高，而且固体具有机械烧蚀碳质材料反应表面的能力。此外，碳质材料入料固-固直接接触的传热速度可比间接传热的传热速度高许多。
如图1到图5F所示，在下行混合器(100)内物料的快速混合/传热操作非常不同于通常的反应器系统，在通常的反应器系统中，例如现有技术中任何类型的热解炉中，物料混合、传热和热解都发生在同一个装置中。发生快速混合/传热的下行混合器(100)和发生主要热解的热解炉(200)之间的分离设计使得可对混合时间和总的热解停留时间进行精确控制，因为用于传热/混合的时间是物料在反应器系统中净停留时间的很小一部分。物料在反应器系统中的总停留时间，即在下行混合器(100)和热解炉(200)中停留的总时间可为5-50分钟，通常为15到45分钟。
碳质材料入料从下行混合器(100)的顶部被注入后，其快速热解被在下行混合器(100)中发生的热传递所引发，并在进入热解炉(200)中后继续进行。热解气态产物随提升气一道离开热解炉(200)并进入冷凝器(600)中，在冷凝器(600)中，热解气态产物所含的气态焦油或油经冷凝变为液态焦油或油并从热解气态产物中分离出来，同时，用过的催化热载体颗粒和热解固体产物如焦和半焦、或不可冷凝的液体产物一同被排出热解炉(200)外，并被送入固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)中。在固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)中，大部分的热解固体或不可冷凝的液体产物与用过的废催化热载体颗粒相分离。回收的废催化热载体颗粒随后与少量热解固体或不可冷凝的液体产物一起进入再热器(500)的下端部位中以被再次加热。所述少量热解固体或不可冷凝的液体产物与前述从再热器(500)下端引入的含氧气流发生燃烧，从而再次加热用过的废催化热载体颗粒，并且该含氧气流将用过的废催化热载体颗粒提升至再热器(500)的顶部。这样，颗粒状催化热载体被再次加热并通过其循环管道(102)返回反应器系统的下行混合器(100)中。
必须注意：被提升气提升至位于热解炉(200)的顶部的出口处的含有气态焦油的热解气态产物在其生成后，需在10秒、优选5秒、更优选3秒，例 如1-2秒内离开热解炉(200)，这样做的目的旨在快速降低热解气态产物的温度，以避免其中所含的气态焦油发生二次裂解，从而提高焦油的产率。
更优选地，用至少一个激冷装置，比如热交换器、水槽、和/或一个或多个高压水喷嘴激冷离开热解炉(200)但还没有进入冷凝器(600)的热解气态产物。只要热解气态产物的温度被激冷到250℃以下，焦油的二次裂解和/或热解反应就会立即被终止。
热解固体或非冷凝液体产物和废催化热载体离开热解炉(200)到固-固分离器或固-液分离器系统(300和/或400)的出口(204)处于能够达到所要求的输送最小停留时间、而又不会冲击分离系统/再热器(500)的位置。该位置取决于由压力参数所决定的压力平衡状况、物料流量以及分离器的物理尺寸。热解炉(200)的最佳高度由所要求的停留时间、物理空间受限程度和所选定的分离效率来决定。
通常，一个多孔旋转炉篦(209)(也被称为转盘)被安装在热解炉(200)的下部，以便继续混合或搅拌碳质材料和催化热载体，并继续将热从催化热载体中转移到热解炉(200)中的碳质材料中，从而使碳质材料入料充分完成热解反应。
来自任选分离器(206)的包括可凝和不可凝成分的热解气态产物流立即被主冷凝器(600)、典型为直接接触式冷凝塔中的冷却循环液体、如液态产物或其他合适的液体溶剂激冷和冷凝。用一个任选的泵将冷凝的温暖液体从主冷凝器(600)的底部抽出，并被优选地送往一个任选换热塔(未示出)中，以便进行进一步冷却和热回收。冷却后的液体随后再被喷入主冷凝器(600)的顶部以便用于冷凝。在主冷凝器(600)中未被冷凝的气态产物的残余物可任选地在次冷凝器(未示出)、典型为直接接触式冷凝塔中被进一步冷却。冷却后的冷凝液态产物例如水被从次冷凝塔的底部抽出，并经次换热塔(未示出)循环。从次冷凝塔顶部离开的气流在一个任选的换热器(未图示)中经历最后冷却。
一般来说，本发明对于所述固-固分离器或固-液分离器的工作方式没有具体限制，在现有技术中为本领域普通技术人员所熟知的任何类型的常规固-固分离器或固-液分离器均可用于本发明反应器系统中，但优选的是：固-固分离器或固-液分离器依靠热解固体或不可冷凝液体产物和废催化热载体的 粒径差和/或密度差工作或发挥功能，如图1所示的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)。
依靠热解固体产物和废催化热载体的粒径差工作或发挥功能的固-固分离器(300)优选为一个或多个串联的其孔径大于废催化热载体所有颗粒的粒径、但小于大多数热解固体产物颗粒的粒径的倾斜筛，以便使绝大多数热解固体产物颗粒与废催化热载体和/或量非常少的热解固体产物颗粒实现物理分离。
依靠热解固体或不可冷凝液体产物和废催化热载体的密度差工作或发挥功能的固-固分离器或固-液分离器(400)优选为流化床式的固-固分离器或固-液分离器，其中从底部注入的分离气体使废催化热载体的所有颗粒和量非常少的热解固体产物颗粒或不可冷凝液体实现物理分离。当该分离气体是氮气和/或水蒸气时，其可作为至少部分或全部上述提升气被引入到热解炉(200)的下部或底部中。分离后的废催化热载体通过其循环管道进入再热器(500)的底部，同时少量热解固体或不可冷凝液体产物和/或任何外源燃料也被单独地或与废催化热载体一起被引入到再热器(500)的底部中，以与从再热器(500)底部输入的含氧气流发生燃烧，以便再次加热再热器(500)中的废催化热载体。
作为一个具体例子，在热解炉(200)中生成的热解固体产物、如热半焦和废催化热载体经出口(204)被引入位于热解炉(200)下方的所述倾斜筛式分离器(300)中。热解固体产物和废催化热载体的混合物在重力作用下沿倾斜筛表面(301)往下移动，同时吹拂气体(302)、如氮气和/或水蒸气在倾斜筛表面(301)的底部自下往上吹拂以改善所说混合物的流动性。由此，粒径小的废催化热载体颗粒和热解固体产物的细颗粒和/或粉尘通过筛式分离器(300)实现与粒径大的热解固体产物的绝大多数颗粒相分离。
筛后所得含废催化热载体颗粒、热解固体产物细颗粒和/或粉尘的固体混合物(312)随后被引入另一个固-固分离器或固-液分离器、如图1所示的流化床分离器(400)中，以便从筛后的固体混合物中完全回收废催化热载体颗粒。在倾斜筛表面(301)的末端，温度为100～300℃的吹拂气体(302)与一点点空气混合，以便进一步降低热解固体产物绝大多数颗粒的温度并使之钝化，从而便于运输和储存。
在流化床式固-固分离器或固-液分离器(400)中，借助温度为300～700℃的分离气体(401)自下而上的吹拂力，筛后的固体混合物(312)被流化和分割成位于顶部区域的低密度固体(402)、位于中部区域的中密度固体(405和406)、和位于底部区域的高密度固体(407)。低密度固体(402)被旋风机(403)进一步处理，旋风机(403)主要输出粉尘产物(404)和可任选被送往热解炉(200)中的热废气。中密度固体产物(405)主要包括热解固体产物细颗粒、如焦粉。另一也主要包括热解固体产物细颗粒、如焦粉的中密度固体产物(406)、或任意外源燃料任选地被输送到再热器(500)的提升管底部用于燃烧。高密度固体产物(407)主要包括废催化热载体颗粒。
中密度固体产物(406)、即热解固体产物的细颗粒的一部分如焦粉、或外源燃料、和含氧气流(502)如空气开始在再热器(500)的提升管的底部区域中燃烧，以便产生再次加热废催化热载体颗粒所需的热能，同时高密度固体产物(407)、即被再次加热的废催化热载体颗粒在如空气或惰性气的200～400℃提升气流(501)的向上吹拂力作用下被提升至提升管的顶部区域。来自提升管顶部出口(503)的温度达600～1200℃的热气-固混合物被旋风机(504)分离，该热气-固混合物包含再热的催化热载体颗粒、废提升气、以及无氧或失氧废气流(502)和燃烧残留物，而旋风机(504)输出经其循环管路(102)返回热解炉(200)中的分离的再热催化热载体颗粒、和任选被送往水(507)流经其间、并产生高温水蒸气(508)的换热器(509)中，而冷却后的废气(506)可任择地送往固体入料干燥器(未图示)中作热源用。
用于提升热解气态产物的温度为400～700℃的热提升气(202)被引入到热解炉(200)的下部中，并向上穿过旋转炉篦(209)到达热解炉(200)的顶部。热解气态产物被所述热提升气(202)提升至热解炉(200)顶部的出口(205)处，并随后被旋风机(206)处理，旋风机(206)输出可任选被循环回热解炉(200)中的碳质材料和/或催化热载体的细颗粒(207)、以及热解气态产物(208)。热解气态产物(208)随后在上述主冷凝塔(600)或油回收罐(未图示)中被分离成不可凝性产物(601)和可凝性液体产物(602)。
在上述筛式固-固分离器(300)中，旋风机(305)被用于从废吹拂气流(304)中回收废催化热载体和/或热解固体产物的细颗粒(306)、和/或粉尘，这些细颗粒和/或粉尘随后又被送回筛式固-固分离器(300)中。净化后的废吹拂气流(307)用水(310)流经其间、并生成高温水蒸汽(311)的换热器 (308)进行热回收后被进一步清除。一般而言，整个反应器系统可在0.1～1.1MPa、优选为常压～0.5MPa的压力下操作，热解炉和/或下行混合器也可采用上述压力范围。
总的来说，如前所述，可用现有技术中为本领域普通技术人员所熟知的任意类型的常规热交换器从本发明反应器系统所产生的任何工艺气流中回收热。同样，如前所述，可用现有技术中为本领域普通技术人员所熟知的任意类型的常规气-固分离器或气-液分离器从本发明反应器系统所产生的任何工艺气流中分离其所携带的固体细颗粒和/或粉尘。
催化热载体与碳质材料入料的质量流量比取决于反应器系统的热需求，而热需求又取决于碳质材料入料和催化热载体的属性，以及所要求的热解反应温度。碳质材料与催化热载体的重量比通常为10/1-1/100、优选为5/1-1/50、更优选为2/1-1/10，为了使传热效率达到最大、并增加碳质材料与催化热载体的接触面积。碳质材料与催化热载体的平均粒径比一般为2500/1-3/1，优选为250/1-5/1，更优选为100/1-10/1，例如，碳质材料的平均粒径为1-50mm，而催化热载体的平均粒径为20-300μm。
为了提高依靠热解固体产物和废催化热载体之间的比重差工作或发挥功能的固-固分离器或固-液分离器(400)的效率，碳质材料的平均密度一般为600-1200kg/m3，而催化热载体的平均密度一般为1200-2500kg/m3。
可被安装在固体或气体输送管线上的流动控制装置(未示出)，如挡板阀、截阀、L型阀和/或J型阀被用于控制工艺中固体和/或气体的流量或质量比，例如控制被引入到下行混合器(100)中的碳质材料和/或再热催化热载体的流量或质量比，同时防止所述固体和/或气流回流。
理论上，不打算对本发明反应器系统所用的下行混合器(100)进行任何限制，但为了简化结构并使效率最大化，本发明的反应器系统优选采用下述几种下行混合器(100)。
如图2A所示，下行混合器(100)为一柱状壁或者垂直腔体状混合器，其包括：
纵向柱状壁(110)；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的倾斜挡板或叶片(104)，其中所说倾斜挡板或叶片和所说纵向柱状壁内表面之间的角度任选大于90度；和
其中所说倾斜挡板或叶片在垂直方向上彼此相对地布置，以便使沿垂直方向相邻的倾斜挡板或叶片的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
图2B是下行混合器(100)沿图2A所示的A-A线切开的剖面图；
如图2C所示，前述倾斜挡板或叶片(104)可被一圆形、椭圆形、或其它规则形状的倾斜挡板或叶片所取代，在所述倾斜挡板或叶片的周边与所述纵向柱状壁内表面之间形成一月偏食形或规则形状的狭缝，以便使所述碳质材料和/或催化热载体顺利下行流动通过所述狭缝。
图2D是图2B所示的倾斜挡板或叶片(104)或图2C所示的圆形倾斜挡板或叶片沿图2B和图2C所示的B-B线切开的剖面图。如图2D所示，所述挡板或叶片可弯成弧形，以控制下行混合器(100)中碳质材料和催化热载体的下行流动方向，优选地，所说弧面的弧度小于30度，更优选小于15度，例如10度或者5度。
如图1所示，碳质物料和催化热载体分别由各自的输送管道或循环管道(101，102)被引入到下行混合器(100)的顶部，输送或循环管道(101，102)优选地被设置在它们入口的相对两侧。这样，碳质物料(或催化热载体)首先下滑至第一道挡板或叶片(104)上，而催化热载体(或碳质材料)下滑至第二道挡板或叶片(104)上，所述碳质物料(或催化热载体)随后继续下滑，并从第一道挡板或叶片(104)上降落到第二道挡板或叶片(104)上，并实现与其上的催化热载体(或碳质物料)紧密接触/快速传热和充分混合。在第二道挡板或叶片(104)上形成的碳质物料与催化热载体的混合物不断继续下滑通过被安装在纵向柱状壁内表面上的所有挡板或叶片(104)，同时实现彻底混合和快速、高效的传热，并最终从其出口(103)离开下行混合器(100)进入热解炉(200)中。
如图2E所示，上述多个档板或叶片可位于同一水平面上，并绕纵向柱状壁内表面的中心纵向轴形成一向心结构。在此情况下，所述向心档板或叶片(108)可前后或左右倾斜，只要能使碳质物料和催化热载体通过所述向心档板或叶片(108)向下滑动，并实现彼此间紧密接触/快速传热和充分混合就行。
图2F和2G是在图2E中所示的下行混合器(100)沿图2E所示的A-A线和B-B线切开的剖面图。
当然，如图2H所示，上述向心倾斜档板或叶片(109)也可被安装在一个中心纵向轴(107)上。
图2I和2J是在图2H中所示的下行混合器(100)沿图2H所示的A-A线和B-B线切开的剖面图。
如图3A和4A所示，本发明可采用的另一种下行混合器(100)也是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴(107)；
纵向柱状壁(110)；
多个被安装在所说中心纵向轴上的内向心倾斜挡板或叶片(109)、或内倾斜环面带(109)，其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说中心纵向轴之间的角度大于90度；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外向心倾斜挡板或叶片(108)、或外倾斜环面带(108)，其中所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带与所说纵向柱状壁之间的角度大于90度；和
其中所说内向心倾斜挡板或叶片(109)、或内倾斜环面带(109)与所说外向心倾斜挡板或叶片(108)、或外倾斜环面带(108)在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使彼此相邻的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带和所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁(110)内部空间的横截面。
图3B和图4B分别是图3A和4A所示下行混合器(100)的俯视图。如图3B和图4B所示，所述下行混合器的顶部(100)包括：至少一个紧靠所述中心纵向轴(107)垂直表面的水平环面狭缝(106)，其用于将所述碳质材料(或催化热载体)装入所述下行混合器(100)中，并使其首先落在第一道所述内向心倾斜挡板或叶片(109)、或内倾斜环面带(109)上面；和至少一个紧靠所述纵向柱状壁(110)内表面的水平环面狭缝(105)，其用于将所述催化热载体(或碳质材料)装入所述下行混合器中，并使其首先落在第一道所述外向心倾斜挡板或叶片(108)、或外倾斜环面带(108)上面；或
所述下行混合器(100)的顶部也可以包括：一个中心圆水平开口(106’)，其用于将所述碳质材料(或催化热载体)装入所述下行混合器(100)中，并使其首先落在第一道所述内向心倾斜挡板或叶片(109)、或内倾斜环面带(109)上面；和至少一个紧靠所述纵向柱状壁(110)内表面的水平环面狭 缝(105)，其用于将所述催化热载体(或碳质材料)装入所述下行混合器中，并使其首先落在第一道所述外向心倾斜挡板或叶片(108)、或外倾斜环面带(108)上面。
图3C和图4D分别是沿图3A和图4A所示的A-A线切开的所述下行混合器(100)的剖面图。
图4C示意了碳质材料和/或催化热载体通过图4A所示的内倾斜环面带(109)和外倾斜环面带(108)而向下流动的方向。
如图3A、4A和4C所示，所述碳质材料和催化热载体分别从其各自的入口(105，和106或106’)被引入到所述下行混合器(100)的顶部。这样，碳质材料(或催化热载体)首先下滑并降落到第一道内向心倾斜挡板或叶片(109)、或第一道内倾斜环面带(109)上，同时催化热载体(或碳质材料入料)下滑并降落到第一道外倾斜挡板或叶片(108)，或第一道外倾斜环面带(108)上；所述碳质材料(或催化热载体)随后继续下滑，并从第一道内向心倾斜挡板或叶片(109)、或第一道内倾斜环面带(109)上降落到第一道外向心倾斜挡板或叶片(108)或第一道外倾斜环面带(108)上，从而实现与其上的催化热载体(或碳质材料入料)紧密接触/快速传热和充分混合。在第一道外向心倾斜挡板或叶片(108)或第一道外倾斜环面带(108)上形成的碳质物料入料和催化热载体的混合物料不断继续下滑，并通过被安装在中心纵向轴上和纵向柱状壁内表面上的所有内、外向心倾斜挡板或叶片(108，109)或内、外倾斜环面带(108，109)，同时实现彻底混合和快速、高效的传热，并最终离开所述下行混合器(100)进入热解炉(200)中。
如图5A-5F所示，本发明可采用的又一种下行混合器(100)仍然是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴(107)；
纵向柱状壁(110)；
被安装在所说中心纵向轴(107)上的内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)，其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)与所说中心纵向轴(107)之间的角度沿垂直方向大于90度；
被安装在所说纵向柱状壁(110)内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)，其中所说外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)与所说纵向柱状壁(110)内表面之间的角度沿垂直方向大于90度；和
其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)与所说外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)和所说外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)彼此相邻部分的水平投影表面沿垂直方向彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁(110)内部空间的横截面。
与图3B和图4B所示相似，图5A-5F所示的下行混合器(100)的顶部也可以包括：一个中心圆水平开口或至少一个紧靠所述中心纵向轴(107)垂直表面的水平环面狭缝，其用于将所述碳质材料(或催化热载体)装入所述下行混合器(100)中，并使其落在所述内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)上面；和至少一个紧靠所述纵向柱状壁(110)内表面的水平环面狭缝，其用于将所述催化热载体(或碳质材料)装入所述下行混合器(100)中，并使其落在所述外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)上面。
图5A和图5B分别是安装在所述中心纵向轴(107)上的内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)的透视图和竖剖图；而图5C和图5D分别是安装在所述纵向柱状壁(110)内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)的透视图和竖剖图。
图5E示意了碳质材料和/或催化热载体通过图5A和图5B所示的内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)和图5C和图5D所示的外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)而向下流动的方向；同时图5F是图5A-5E所示的下行混合器(100)的正视图。
如图5A-5F所示，碳质材料和催化热载体分别由各自的中心圆水平开口和/或至少一个水平环面狭缝被引入到下行混合器(100)的顶部。这样，碳质材料(或催化热载体)首先下滑并降落到内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)的上部，而催化热载体(或碳质材料入料)首先下滑并降落到外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)的上部；所述碳质材料(或催化热载体)随后继续下滑，并从内倾斜螺旋挡板或叶片(109’)的上部降落到外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)的上部，从而实现与其上的催化热载体(或碳质材料入料)紧密接触/快速传热和充分混合。在外倾斜螺旋挡板或叶片(108’)的上部形成的碳质物料入料和催化热载体的混合物料不断继续下滑，并通过安装在中心纵向轴(107)上和纵向柱状壁(110)内表面上的内、外倾斜螺旋挡板或叶片(108’，109’)的所有其他部位，同时实现彻底混合和快速、高效的传热，并最终离开下行混合器(100)进入热解炉(200)中。
应该清楚的是，应用于本发明的下行混合器是可旋转或可震动的，特别是，在优选用于本发明的前述下行混合器中，所述中心纵向轴可以是固定或 旋转的，或纵向柱状壁内部空间含有所述倾斜挡板或叶片、内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、所述向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜螺旋挡板或叶片的部分，包括下行混合器本身，都是可旋转和/或可振动的。这样的做法或设计有利于防止下行混合器被高粘度碳质材料、例如减压渣油或油砂所堵塞。
在碳质物料入料和/或催化热载体向下流经下行混合器的过程中，碳质物料入料和催化热载体之间最好能够发生一定程度的碰撞，以便有助于使二者实现更充分的混合和更紧密的接触/更快速的传热。为此，有时候要求或需要彼此相邻的所述倾斜挡板或叶片、内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、所述向心倾斜挡板或叶片；或所述内和外倾斜螺旋挡板或叶片彼此相邻的部分沿垂直方向形成60-120度、优选90度的夹角。
事实上，本发明无意对所应用的催化热载体做特殊限制，只要是具有载热功能和/或催化功能的无机材料即可。一般而言，本发明优选使用的催化热载体可选自被用作分子筛的粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物，其中所述粘土类矿物质可选自沸石、硅藻土、蒙脱石、凸凹棒粘土或它们的混合物；所述金属氧化物中的金属可以选自Al，Ti，Zr，Y，Si，La，Sr，Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn和/或Mo；所述金属可以选自Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn，Pt，Cr，Ca，Mg和/或Mo。所述催化热载体也可以是经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷颗粒；或者所述催化热载体可以是经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷和废流化催化裂解催化剂(FCC)和/或硅和钛的碳化物的混合物。
更优选地，所述催化热载体含有至少一种催化剂，例如裂解催化剂和/或加氢处理催化剂。任选地，所述催化热载体可以被造粒成为具有特定粒径分布(PSD)的颗粒，其中向所述催化热载体中加入耐高温胶结剂以便于造粒，并且所述耐高温胶结剂可选自于氧化铝溶胶糊、硅酸钠溶液、铝酸盐水泥和/或铁铝酸盐水泥等。
如上所述，在碳质材料的热解过程中，如果催化热载体含例如裂解催化剂和/或加氢催化剂成分，则热解气态产物中包含的气态焦油或油在所述催化剂的作用下会进一步裂解或加氢裂解，结果，使得焦油或油中的重质组分被 转变为轻质组分，这将有利于提高液态焦油或油的质量或性能，甚至增加焦油或油的产率。
实施例
实施例1
用下面给出的入料和工艺参数，在下述操作条件下，运行本发明具有图4A和4C所示的下行混合器的图1所示的热解反应器系统。下面也给出了所形成的液体以及气体的总产率。
本实施例中所用的碳质材料是一种来自内蒙古呼伦贝尔宝日希勒的煤，其性能如表1和表2所示。
表1
呼伦贝尔原料煤的工业分析
| 组分 | 比重/％ | 基准或单位 |
| 水分 | 14.25 | 空气干燥 |
| 固定碳 | 40.87 | 空气干燥 |
| 挥发分 | 30.96 | 空气干燥 |
| 灰分 | 13.93 | 空气干燥 |
| 总计 | 99.98 | 空气干燥 |
| 高位发热量(Qgr，ad) | 20.05 | MJ/kg |
表2
呼伦贝尔原料煤的元素分析
| 元素组分 | 比重/％ | 基准 |
| 碳 | 74.10 | 干燥无灰 |
| 氢 | 4.73 | 干燥无灰 |
| 氧 | 19.67 | 干燥无灰 |
| 氮 | 1.25 | 干燥无灰 |
| 硫 | 0.25 | 干燥无灰 |
| 总计 | 100 | 干燥无灰 |
[0205] 本实施例中所用的催化热载体为沸石分子筛与废FCC催化剂按3∶1的重量混合比掺混制得的混合物。
在本实施例中，所用碳质材料也即煤的平均粒径为1mm，而催化热载体的平均粒径为50μm，因此碳质材料与催化热载体的平均粒径比为20。二者进入下行混合器中的重量(质量流率)比为869.5/1200。
反应器系统的操作条件如下：
反应器系统的压力为常压，热解炉温度为500℃，再热器温度为800℃，煤和/或催化热载体在下行混合器中的停留时间小于3.5秒，煤和/或热解固体产物在热解炉中的停留时间小于25分钟。
所用工艺参数如表3和表4所示。
表3
表4
蒸汽需求量和供给量
| 总需求或总供给 | 质量流率(kg/h) |
| 650℃蒸汽的需求 | 300.0 |
| 650℃蒸汽总供给 | 309.6 |
| 300℃蒸汽总需求 | 1956.7 |
| 300℃蒸汽总供给 | 2307.3 |
| 120℃蒸汽总需求 | 1361.9 |
| 120℃蒸汽总供给 | 1597.6 |
热解该碳质材料所得的各种热解产物的性能和产率如下面的表5-9所示。
(1)固体产物：
表5
工业分析
表6
元素分析
| 元素组分 | wt％ | 基准 |
| 碳 | 91.03 | 干燥无灰 |
| 氢 | 3.21 | 干燥无灰 |
| 氧 | 5.38 | 干燥无灰 |
| 氮 | 0.26 | 干燥无灰 |
| 硫 | 0.13 | 干燥无灰 |
| 总计 | 100.01 | 干燥无灰 |
(2)液体产物
表7
元素和特性分析
| 元素或性能 | 数值 | 单位 |
| 硫 | 0.4 | 重量％ |
| 氮 | 0.8 | 重量％ |
| 氧 | 12.0 | 重量％ |
| 水 | 0.5 | 重量％ |
| 固体 | 4.0 | 重量％ |
| 粘度(50℃) | 320 | 10-6m2/s |
| 倾点 | 70 | ℃ |
| 闪点 | 215 | ℃ |
| 热值 | 9.0 | MJ/kg |
(3)气体产物
表8
化学组成分析
| O2 | N2 | CH4 | CO | CO2 | C2H4 | C2H6 | H2 | 总计重量％ |
| 0.4 | 0.52 | 28.93 | 12.52 | 38.46 | 0.76 | 2.24 | 16.16 | 99.99 |
上述气体产物的热值为3805.81Kcal/M3.
(4)热解碳质材料所得的各种热解产物的产率如下面表9所示
表9
各种热解产物的产率
| 产物 | 产率 |
| 干燥过程中产生的水 | 0.1305 |
| 飞尘 | 0.0099 |
| 半焦中的灰分 | 0.1294 |
| 干燥无灰的半焦 | 0.4586 |
| 半焦中的水 | 0.0120 |
| 焦油 | 0.1000 |
| 气 | 0.1596 |
| 总计 | 1.0000 |
与未采用本发明下行混合器的常规热解反应器系统的结果相比，本发明的液体产物、既焦油的产率从4-5w重量％显著提高到10重量％。
实施例2
用下面给出的入料，在下述操作条件下，运行具有图2A和2C所示的下行混合器的图1所示的本发明热解反应器系统。所产生的液体和气体的总产率如下所示。
本实施例中所用的碳质材料是一种硬木锯末，以重量百分数表示，其元素分析如下面表10所示。
表10
| C | H | O | 灰分 | 总计 | 平均粒径 |
| 53.2 | 6.1 | 40.0 | 0.7 | 100 | ＜1mm |
本实施例所用的催化热载体为锆英石砂与废流化催化裂解催化剂(FCC)按5∶1的重量混合比掺混制得的混合物。上述催化热载体的平均粒径小于250 μm，因而碳质材料、即锯末与催化热载体的平均粒径比约为4∶1。被引入下行混合器中的碳质材料与催化热载体的重量比为1/20。
本实施例中反应器系统的操作条件如下：
反应器系统的压力为0.3MPa，热解炉温度为520℃，再热器温度为850℃，锯末和/或催化热载体在下行混合器中的停留时间小于1.5秒，锯末和/或热解固体产物在热解炉中的停留时间小于5分钟。
本实施例中所用的所有工艺参数应当确保达到反应器系统的上述操作条件和热平衡，基于以上要求，本领域普通技术人员很容易确定上述工艺参数，然而为了节省篇幅，此处略去有关上述工艺参数的详细说明。但本实施例所采用的一部分工艺参数可与实施例1中的相同或相似。
热解该碳质材料、即硬木锯末所得到的各种热解产物的产率如下面表11所示。
表11
| 产物 | 气体 | 固体(焦) | 液体 |
| 产率重量％ | 23 | 14 | 63 |
液体产物的物理性质和元素分析如下面表12所示。
表12
通过与未采用本发明下行混合器的常规热解反应器系统的结果比较，可知与常规缓慢热解相比，本发明热解反应器系统提供了较高的液体产物产率和较低的固体产物(如半焦)产率。此外，硬木锯末缓慢热解所得到的液体产物是价值较低的次焦油，其由再聚合和再冷凝形成长链重质化合物的成分组成。该缓慢热解所得到的液体在常温下非常粘稠且难于倾倒。相反，在实施例2中快速热解所得到的液体产物由化学成分和价值均完全不同于缓慢热解所得到的液体的有价值的轻质成分组成。硬木锯末快速热解得到的液体在常温下粘度很低并且易于倾倒。
实施例3
用下面给出的入料，在下述操作条件下，运行具有图5A-5F所示的下行混合器的图1所示的本发明热解反应器系统。所形成的液体和气体总产率如下所示。
实施例3中所用的碳质材料是一种阿拉伯减压渣油，其物理性质如下面表13所示。
表13
| 标称初沸点 | 499℃ |
| API | 6.3 |
| 硫含量/重量％ | 4.0 |
| 康氏残碳值(CCR)，重量％ | 20.8 |
| 54.4℃下粘黏度，cSt | 30,000 |
| 98.9℃下粘度，cSt | 940 |
| 倾点，℃ | 49 |
| 15℃下比重 | 1.0268 |
| 平均粒径 | 1.5mm |
在实施例3中，固-固分离器(300)被删除，热解底油液体产物和废催化热载体被直接引入到固-液分离器(400)中，以便从废催化热载体中分离出热解底油液体产物。另一方面，热解气态产物中包含的气态顶层可冷凝油被送往冷凝器(600)中进行冷凝，以便分离并获得液态的顶层可冷凝油。
本实施例所用的催化热载体为平均粒径为100μm的氧化锆，因此，碳质材料、即阿拉伯减压渣油与催化热载体的平均粒径比约为15∶1，引入下行混合器中的碳质材料与催化热载体的重量比为1/10。
实施例3中反应器系统的操作条件如下：
反应器系统的压力为0.5MPa，热解炉温度为450℃，再热器温度为750℃，阿拉伯减压渣油和/或催化热载体在下行混合器中的停留时间小于5秒，阿拉伯减压渣油和/或热解底油液体产物在热解炉内的停留时间小于8分钟。
与实施例2相同，实施例3所用的所有工艺参数应当确保达到反应器系统的上述操作条件和热平衡，但为了节省篇幅，此处略去有关上述工艺参数的详细说明。
热解该碳质材料、既阿拉伯减压渣油所得到的各种热解产物的产率如下面表14所示。
表14
| 产物 | 气体 | 顶层可冷凝油 | 底油 | 总计 |
| 产率重量％ | 2.5 | 28.5 | 69 | 100 |
一般来说，上述顶层可冷凝油含有石脑油、汽油以及部分腊馏分，而底油液体产物含有阿拉伯减压油渣中比上述顶层可冷凝油更重的成分。
上述底油液体产物的物理性质如下面表15所示。
Table 15
| 倾点，℃ | 48 |
| 54.4℃粘度，cSt | 3,450 |
| 98.9℃粘度，cSt | 98 |
通过与未采用本发明下行混合器的常规热解反应器系统的结果比较，可知与常规缓慢热解或减粘裂化相比，本发明热解反应器系统提供了较高的顶层可冷凝油产率和较低的底油液体产物产率。特别是，上述底油液体产物的粘度显著低于缓慢热解阿拉伯减压渣油所获得的底油粘度。已证实本发明底 油液体产物由化学组分和价值完全不同于缓慢热解所获得的底油液体产物的有价值并且略轻的成分组成。
本说明书所使用的术语和表达方式仅用作描述性而非限制性的术语和表达方式，并且不意味着在使用这样的术语和表达方式时将已表示和描述的特征或特征的组成部分的等同物排斥在外。
虽然已表示和描述了本发明的一些实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当理解可对这些实施方式做出任何不偏离本发明原则和实质的变通和改进，本发明范围由所附权利要求和它们的等同物所限定。
Claims (64)
1.一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料的热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离。
2.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
多个被安装在所说中心纵向轴上的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带，其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说中心纵向轴之间的角度大于90度；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带，其中所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带与所说纵向柱状壁之间的角度大于90度；和
其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使彼此相邻的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带和所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
3.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
纵向柱状壁；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片，其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片和所说纵向柱状壁内表面之间的角度任选地大于90度；和
其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片在垂直方向上彼此相对地布置，以便使沿垂直方向相邻的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
4.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
被安装在所说中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说中心纵向轴之间的角度沿垂直方向大于90度；
被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说外倾斜螺旋挡板或叶片与所说纵向柱状壁内表面之间的角度沿垂直方向大于90度；和
其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说外倾斜螺旋挡板或叶片在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使内倾斜螺旋挡板或叶片和所说外倾斜螺旋挡板或叶片相邻部分的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
5.根据权利要求2或4所述的热解反应器系统，其中所述中心纵向轴是固定的或可旋转的。
6.根据权利要求2-4任何之一所述的热解反应器系统，其中所述纵向柱状壁内部空间含有所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜螺旋挡板或叶片的部分是可旋转的和/或可振动的。
7.根据权利要求2-4任何之一所述的热解反应器系统，其中彼此相邻的所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、彼此相邻的所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片、或所述内和外倾斜螺旋挡板或叶片彼此相邻的部分沿垂直方向形成60-120度的角度。
8.根据权利要求7所述的热解反应器系统，其中彼此相邻的所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或内和外倾斜环面带、彼此相邻的所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片、或所述内和外倾斜螺旋挡板或叶片彼此相邻的部分沿垂直方向进一步形成90度的角度。
9.根据权利要求2或3所述的热解反应器系统，其中所述内和外向心倾斜挡板或叶片、或所述倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片的横截面形成弧面，从而控制所述碳质材料和催化热载体在所述下行混合器中向下移动的方向。
10.根据权利要求9所述的热解反应器系统，其中所说弧面的弧度小于30度。
11.根据权利要求10所述的热解反应器系统，其中所说弧面的弧度进一步小于15度。
12.根据权利要求2-4任何之一所述的热解反应器系统，其中所述碳质材料或催化热载体分别从所述下行混合器的顶部落在第一个内或第一个外向心倾斜挡板或叶片、或第一个内或第一个外倾斜环面带、第一个或第二个所述倾斜挡板或叶片、或第一个或第二个向心倾斜挡板或叶片、或所述内或外倾斜螺旋挡板或叶片的顶部上面。
13.根据权利要求2所述的热解反应器系统，其中所说下行混合器的顶部包括：
中心圆水平开口或至少一个紧靠所述中心纵向轴垂直表面的水平环面狭缝，用于将所述碳质材料或催化热载体装入所述下行混合器中，并使其落在所述内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带上面；
至少一个紧靠所述纵向柱状壁内表面的水平环面狭缝，用于将所述催化热载体或碳质材料装入所述下行混合器中，并使其落在所述外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带上面。
14.根据权利要求4所述的热解反应器系统，其中所说下行混合器的顶部包括：
中心圆水平开口或至少一个紧靠所述中心纵向轴垂直表面的水平环面狭缝，用于将所述碳质材料或催化热载体装入所述下行混合器中，并使其落在所述内倾斜螺旋挡板或叶片上面；
至少一个紧靠所述纵向柱状壁内表面的水平环面狭缝，用于将所述催化热载体或碳质材料装入所述下行混合器中，并使其落在所述外倾斜螺旋挡板或叶片上面。
15.根据权利要求2-4任何之一所述的热解反应器系统，其中所述纵向柱状壁内部空间的横截面是方形、圆形、多边形或任何规则形状。
16.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所说固-固分离器(300)依靠热解的固态产物和废催化热载体之间的粒径差工作或发挥功能。
17.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所说固-固分离器或固-液分离器(400)依靠热解的固态或液态产物和废催化热载体之间的比重差工作或发挥功能。
18.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所说的热解炉(200)进一步包括一个位于所述热解炉(200)下部的旋转炉篦(209)，以便进一步搅拌所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，从而更有效地将热从所述催化热载体中转移至所述碳质材料中。
19.根据权利要求1所述的热解反应器系统，进一步包括：
至少一个气-固分离器或气-液分离器(206，305，403和/或504)，用于实现热解的气态或蒸汽产物和所述提升气与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；用于实现吹拂气体(302)与被夹杂在其中的热解的固态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；用于实现分离气体(401)与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或催化热载体细颗粒或粉尘之间的分离；和/或用于实现再热的催化热载体与无氧或耗氧的燃烧气体之间的分离。
20.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述的气-固分离器或气-液分离器是旋风机、旋风机级联、过滤器和/或过滤膜。
21.根据权利要求1所述的热解反应器系统，进一步包括：
至少一个热交换器，用于从来自于所述热解炉(200)、固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)、再热器(500)和/或气-固分离器或气-液分离器(206，305，403和/或504)的废气中回收热量。
22.根据权利要求21所述的热解反应器系统，其中所说的热交换器是高压锅炉进水流经其间、并产生高压水蒸汽的盘管式或多管式热交换器。
23.根据权利要求1所述的热解反应器系统，进一步包括：
用于提高液化焦油或油产率的、靠近所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物出口的急冷单元(211)。
24.根据权利要求23所述的热解反应器系统，其中所述的急冷单元(211)是一个热交换器、水槽、和/或一个或多个高压水喷嘴。
25.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述再热器(500)是一个提升管式再热器。
26.根据权利要求1所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体选自被用作分子筛的粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物。
27.根据权利要求26所述的热解反应器系统，其中所述粘土类矿物质选自沸石、硅藻土、蒙脱石、凸凹棒粘土或它们的混合物。
28.根据权利要求26所述的热解反应器系统，其中所述金属氧化物中的金属选自Al，Ti，Zr，Y，Si，La，Sr，Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn和/或Mo。
29.根据权利要求26所述的热解反应器系统，其中所述金属选自Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V，Zn，Mn，Pt，Cr，Ca，Mg和/或Mo。
30.根据权利要求26所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体是经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属、硅和钛的碳化物、废流化催化裂解催化剂(FCC)或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷颗粒。
31.根据权利要求26-29任何之一所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体是经过烧结上述粘土类矿物质、金属氧化物、金属或它们的混合物而获得的耐高温多孔陶瓷和废流化催化裂解催化剂(FCC)和/或硅和钛的碳化物的混合物。
32.根据权利要求26所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体含有至少一种裂解催化剂和/或加氢处理催化剂。
33.根据权利要求26-30任何之一所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体被造粒成为具有特定粒径分布(PSD)的颗粒。
34.根据权利要求33所述的热解反应器系统，其中向所述催化热载体中加入耐高温胶结剂以便于造粒。
35.根据权利要求33所述的热解反应器系统，其中所述耐高温胶结剂选自于氧化铝糊、硅酸钠溶液、铝酸盐水泥和/或铁铝酸盐水泥。
36.一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料的热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
多个被安装在所说中心纵向轴上的内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带，其中所说内向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与所说中心纵向轴之间的角度大于90度；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带，其中所说外向心倾斜挡板或叶片、或外倾斜环面带与所说纵向柱状壁之间的角度大于90度；和
其中所说内向心倾斜挡板或叶片与所说外向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与外倾斜环面带在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使彼此相邻的内向心倾斜挡板或叶片与所说外向心倾斜挡板或叶片、或内倾斜环面带与外倾斜环面带的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
37.一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料的热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
纵向柱状壁；
多个被安装在所说纵向柱状壁内表面上的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片，其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片和所说纵向柱状壁内表面之间的角度任选地大于90度；和
其中所说倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片在垂直方向上彼此相对地布置，以便使沿垂直方向相邻的倾斜挡板或叶片、或向心倾斜挡板或叶片的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
38.一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料的热解反应器系统，包括：
碳质材料热解炉(200)，具有所述碳质材料和催化热载体入口(210)，提升气入口(202)，热解的固态或液态产物和废催化热载体出口(204)，和热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)；
至少一个位于上述入口(210)处的下行混合器(100)，所述碳质材料和催化热载体在其中被迫做紧密接触并被充分混合，从而形成从所述热解炉(200)的上部向下移动到下部的所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物，同时将热从所述催化热载体中快速和均匀地转移至所述碳质材料中；
至少一个用于将热解的固态或液态产物与所述废催化热载体相分离的固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)；
至少一个经上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，废催化热载体输送管道(312和/或407)、和再热的催化热载体输送管道(102)而与所述热解炉(200)相连通的催化热载体再热器(500)，其中在所述热解炉(200)中产生的废催化热载体经其输送管道(312和/或407)进入所述再热器(500)中，并在其中通过被引入到所述再热器(500)中的一部分热解的固态或液态产物或外源燃料和被输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧而被再次加热，随后再热的催化热载体通过其输送管道(102)被循环回所述下行混合器(100)中，而无氧或耗氧后的燃烧气体被从所述再热器(500)中排出；和
经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)和/或另一热解的气态或蒸汽产物出口管道(208)而与所述热解炉(200)相连通的冷凝器(600)，其中气态焦油或油在此处经冷凝变为液态焦油或油，并与所述热解的气态产物相分离；
其中所述的下行混合器是柱状混合器，其包括：
中心纵向轴；
纵向柱状壁；
被安装在所说中心纵向轴上的内倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说中心纵向轴之间的角度沿垂直方向大于90度；
被安装在所说纵向柱状壁内表面上的外倾斜螺旋挡板或叶片，其中所说外倾斜螺旋挡板或叶片与所说纵向柱状壁内表面之间的角度沿垂直方向大于90度；和
其中所说内倾斜螺旋挡板或叶片与所说外倾斜螺旋挡板或叶片在垂直方向上彼此交错和相对地布置，以便使内倾斜螺旋挡板或叶片和所说外倾斜螺旋挡板或叶片相邻部分的水平投影表面彼此至少部分重叠并覆盖所说纵向柱状壁内部空间的横截面。
39.根据权利要求1，36-38任何之一所述的热解反应器系统，其中所述下行混合器(100)的大部分位于所述热解炉(200)的外面。
40.根据权利要求1，36-38任何之一所述的热解反应器系统，其中所述热解炉(200)的操作温度和压力分别为常压-1.1MPa和250-750℃。
41.根据权利要求40所述的热解反应器系统，其中所述的操作温度和压力分别进一步为常压-0.5PMPa和450-650℃。
42.根据权利要求1，36-38任何之一所述的热解反应器系统，其中所述催化热载体离开所述再热器(500)时的温度为600-1200℃。
43.根据权利要求3或37所述的热解反应器系统，其中所说的倾斜挡板或叶片被圆形、椭圆形或其它规则形状的挡板或叶片所取代，在所述挡板或叶片的周边与所述纵向柱状壁内表面之间形成至少一个月偏食形状的狭缝或规则形状的狭缝，以便使所述碳质材料和/或催化热载体顺利通过所述狭缝向下移动。
44.根据权利要求1，36-38任何之一所述的热解反应器系统，其中所述碳质材料选自于煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾矿、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政工业废料、沥青、和它们的混合物。
45.一种用根据权利要求1-44任何之一所述的热解反应器系统快速热解碳质材料的方法：包括：
a)在相对缺氧的条件下，将所述碳质材料和催化热载体引入到所述下行混合器(100)中，以使它们从所述下行混合器的顶部向下移动时，在下行混合器中作紧密接触并被充分混合，从而形成所述碳质材料和催化热载体的均匀混合物、并迅速将热从所述催化热载体中转移至所述碳质材料中，进而由上述热转移引发所述碳质材料的热解；
b)将上述碳质材料和催化热载体的均匀混合物从所述下行混合器(100)中引入到所述热解炉(200)中，所说的均匀混合物在所述热解炉(200)中被进一步混合或搅拌，同时进一步将热从所述催化热载体中转移到所述碳质材料中，从而经热解使所述碳质材料转变为包括热解的气态或蒸汽产物和热解的固态或液态产物的产物流；
c)上述热解的气态或蒸汽产物被从所述热解炉(200)的下部输入的提升气提升至所述热解炉(200)的顶部，并经所述热解的气态或蒸汽产物出口管道(205)离开所述热解炉(200)；
d)所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的混合物经所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的出口(204)离开所述热解炉(200)；
e)含有气态焦油或油的上述热解的气态或蒸汽产物进入所述冷凝器(600)中，气态焦油或油在所述冷凝器中经冷凝变为液态焦油或油，并与上述热解的气态产物相分离；
f)所述热解的固态或液态产物和废催化热载体的混合物进入上述固-固分离器或固-液分离器(300和/或400)，所述热解的固态或液态产物在其中与所述废催化热载体相分离；
g)分离后的废催化热载体和一部分热解的固态或液态产物或外源燃料进入所述再热器(500)的底部，所述废催化热载体被上述那部分热解的固态或液态产物或外源燃料和从底部输入到所述再热器(500)中的含氧气流之间的燃烧再次加热，并在被加热其间被提升至所述再热器(500)的顶部；
h)再热的催化热载体从顶部离开所述再热器(500)，随后与无氧或耗氧的燃烧气体分离，接着随所述碳质材料再次进入所述下行混合器(100)中。
46.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料和/或催化热载体在所述下行混合器(100)中的停留时间小于10秒。
47.根据权利要求46所述的快速热解碳质材料的方法，其中，所述碳质材料和/或催化热载体在所述下行混合器(100)中的停留时间进一步小于5秒。
48.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述含有气态焦油或油的热解的气态或蒸汽产物在其形成后在所述下行混合器(100)和/或所述热解炉(200)中的停留时间小于10秒。
49.根据权利要求48所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述含有气态焦油或油的热解的气态或蒸汽产物在其形成后在所述下行混合器(100)和/或所述热解炉(200)中的停留时间进一步小于5秒。
50.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳质材料与催化热载体之间的重量比为10/1-1/100。
51.根据权利要求50所述的快速热解碳质材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳质材料与催化热载体之间的重量比进一步为5/1-1/50。
52.根据权利要求51所述的快速热解碳质材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳质材料与催化热载体之间的重量比进一步为2/1-1/10。
53.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料与催化热载体之间的平均粒径比为2500/1-3/1。
54.根据权利要求53所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料与催化热载体之间的平均粒径比进一步为250/1-5/1。
55.根据权利要求54所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料与催化热载体之间的平均粒径比进一步为100/1-10/1。
56.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料的平均粒径为1-50毫米，而所述催化热载体的平均粒径为20-300微米。
57.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料的平均密度为600-1200kg/m3，而所述催化热载体平均密度为1200-2500kg/m3。
58.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述碳质材料在所述下行混合器(100)中的平均加热速度大于1000℃/秒。
59.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，进一步包括：
将离开所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物急冷至200℃以下。
60.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述提升气是氮气和/或水蒸气。
61.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中所述热解的固态产物被吹拂气体失活和冷却以增加其便于输送和储存的化学稳定性。
62.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中从所述工艺气体中回收热量，所述工艺气体包括用于使所述热解的固态产物失活的吹拂气体废气，来自再热器(500)的无氧或耗氧燃烧气体，来自所述热解炉(200)的热解的气态或蒸汽产物、和/或来自固-固分离器或固-液分离器(400)的分离气体废气。
63.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，进一步包括：
将所述热解的气态或蒸汽产物和提升气与被夹杂在其中的所述碳质材料、热解的固态或液态产物和/或催化热载体的细颗粒或粉尘分离；
将用于使所述热解的固态产物失活的吹拂气体废气与被夹杂在其中的热解的固态产物和/或废催化热载体的细颗粒或粉尘分离；
将来自固-固分离器或固-液分离器(400)的分离气体废气与被夹杂在其中的热解的固态或液态产物和/或废催化热载体的细颗粒或粉尘分离；和/或
将来自所述再热器(500)的无氧或耗氧的燃烧气体与被夹杂在其中的再热催化热载体和燃烧残余物的细颗粒或粉尘分离。
64.根据权利要求45所述的快速热解碳质材料的方法，其中当来自固-固分离器或固-液分离器(400)的所述分离气体是氮气和/或水蒸气时，其废气的至少一部分或全部被用作用于将所述热解的气态或蒸汽产物提升至所述热解炉(200)的顶部的所述提升气的至少一部分或全部。
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