CN102952554B - 一种碳质材料干馏系统 - Google Patents

Abstract

一种碳质材料干馏系统。所述干馏系统包括：热解碳质材料的热解室；热解室的加热温控装置；回收气态和液态热解产物的回收装置，和将所述气态热解产物导出所述热解室的导出通道，其中所述导出通道自热解室向外和向下弯曲延伸并连通所述回收装置，所述导出通道的内直径和/或弯曲的弧度大到足以使在所述热解室中形成的气态热解产物快速和通畅地经所述导出通道离开所述热解室，而进入所述回收装置中，上述干馏系统大大减少了可冷凝初次热解产物的二次裂解，因此大幅度提高了液态热解产物的收率。

Description

一种碳质材料干馏系统

技术领域

本发明涉及一种碳质材料干馏系统，尤其涉及一种小型或试验用包括气态和液态热解产物收集装置的碳质材料热解或干馏系统。

背景技术

现行小型或实验用煤低温干馏装置和方法主要有国家标准GB/T1341-2007所规定的“煤的格金低温干馏试验方法”和GB/T 480-2000所规定的“煤的铝甑低温干馏试验方法”。但上述两种低温干馏装置和方法存在以下不足。

国家标准GB/T 1341-2007所规定的“煤的格金低温干馏试验方法”所使用的干馏装置是图2所示的干馏管，实验方法如下：将空气干燥并粉碎到0.2mm的煤样20克放入图2所示的上述特制水平干馏管中，置干馏管于格金低温干馏炉内，预先通电加热至300℃后，按5℃/min的速度升温到600℃，并恒温保持15分钟，停止加热。煤样受热后产生的气态焦油、水蒸气和煤气经小导出支管进入一个浸入水中的锥形瓶中，焦油和水蒸气冷凝在锥形瓶中，煤气由出气导管（胶管）导出室外。干馏后测定所得焦油、热解水和半焦的产率。如图2所示，上述装置和实验方法所用的水平干馏管的下端具有一垂直的小导出支管，含有气态焦油的热解气体经所述小导出支管被排出所述干馏管外，由于所述小导出支管与水平干馏管呈90°夹角，并且小导出支管的内直径很小，这样就很容易造成热解气体流通不畅，长期滞留在干馏管中因持续承受高温而使其中的气态焦油发生二次裂解，或高温热解气流回流与煤样接触使热解气流中的化合物和煤样发生炭化，形成局部温差，从而损坏干馏管或反应器，同时，在实验中已发现：在小导出支管高温端内壁上发现有黑色二次裂解炭化物；而在小导出支管低温端和出气导管内壁上发现有黄色焦油附着，说明液态热解产物-焦油并未被充分冷凝和回收，焦油可能因二次裂解和未充分冷凝和回收而流失，上述各种原因使得实际所获得的焦油产率大大低于理论值，无法反映真实的焦油产率，同时实验装置也易于损坏。

国家标准GB/T 480-2000所规定的“煤的铝甄低温干馏试验方法”所使用的实验装置如图3所示，实验方法如下：将空气干燥并粉碎到0.2mm的20克煤样装入铝甄中，在最初15～20分钟内使温度升到260℃，达到260℃以后，使温度以5℃/min的速度升到510℃，到达510℃后恒温保持20分钟，停止加热。煤样受热后产生的气态焦油、水蒸气和煤气经图3所示的导出管进入一个浸入水中的锥形瓶中，焦油和水蒸气冷凝在锥形瓶中，煤气由胶管导出室外。称量测定所得焦油、热解水、半焦的产率。如图3所示，含有气态焦油的热解气体经上述导出管被排出铝甄（干馏室）外，由于所述导出管与铝甄呈一锐角的夹角，并且导出管的内直径也非常小，所以，该装置和方法也存在与前述格金干馏方法和装置完全相同的弊端，实际所获得的焦油产率也同样大大低于理论值，无法反映真实的焦油产率。

CN 201864690公开了一种焦化产品提取实验装置，其包括水平加热炉、焦油回收装置、煤气过滤瓶以及煤气分析仪等。该加热炉为管式加热炉，内有石英管，石英管内设有样品管。实验方法如下：首先向加热炉中通入氮气半小时，将炉内空气排空，然后分三段加热，第一段为室温至200℃，加热时间0.5小时，第二段为200-800℃，加热时间1.5小时，第三段为800-1000℃，加热时间1.5小时，最终焦油收率为5.5%。该装置的加热炉（干馏炉）最高操作温度高达1000℃，已不属于低温干馏的范围，同时该文献也未公开将热解气体导出加热炉的导出管或导出通道的具体结构或细节，热解气体流动是否通畅，或是否长期滞留于加热炉中，该文献未给予任何暗示或说明。

上述所有文献在此全文引入以作参考。

基于以上对现有技术的描述和分析，需要对现行的小型或实验用碳质材料、特别是煤低温干馏装置和方法进行改进，以克服现有技术中的不足，使得在干馏室或热解室中产生的含气态焦油的热解气体流动通畅，并在形成后迅速离开温度例如达450℃-650℃的热解或干馏环境，从而大大减少了其二次热裂解，这样所获得的焦油收率不会因各种不良原因而损失，从而使其尽量接近理论值。

发明内容

本发明目的是提供一种克服上述现有技术不足、并大幅度提高液态热解产物-焦油收率的新型热解或干馏系统，特别是提供一种克服现有技术缺点的小型或实验用碳质材料热解或干馏系统。

本发明提供了一种碳质材料干馏系统，包括：热解碳质材料的热解室；所述热解室的加热温控装置；回收气态和液态热解产物的回收装置；和将所述气态热解产物导出所述热解室的导出通道，其中所述导出通道的两端分别与所述热解室和所述回收装置呈气密性连通，并且所述导出通道自热解室向外和向下弯曲延伸并连通所述回收装置。

上述干馏系统区别于现有技术的特征是：所述导出通道的内直径和/或弯曲的弧度大到足以使在所述热解室中形成的气态热解产物快速和通畅地经所述导出通道离开所述热解室，而进入所述回收装置中，例如所述气态热解产物在形成后在10秒内就离开所述热解室，这样就使液态热解产物-焦油的产率或收率可能达到最大。

通常，所述热解室与所述导出通道可是一体的，也可是气密性分体的，例如磨口结构，而所述热解室优选是一水平放置的管状容器。

在上述干馏系统中，所述回收装置可包括与所述导出通道的一端相连通的第一冷凝室以及与所述第一冷凝室相连通的第一收集装置，优选地，所述回收装置进一步包括与所述第一冷凝室呈流体连通的第二冷凝室，更优选地，所述第二冷凝室连通所述第一收集装置，而所述第一收集装置包括与所述第一冷凝室和第二冷凝室相连通的Y型或U型三通管，以及与所述Y型或U型三通管相连通的收集管或量管，同样更优选地，所述回收装置还可包括与所述第二冷凝室相连通的第二收集装置，其中所述第一收集装置包括连通所述第一冷凝室的第一连接部分以及与所述第一连接部分相连通的第一收集管或量管，而所述第二收集装置包括连通所述第二冷凝室的第二连接部分以及与所述第二连接部分相连通的第二收集管或量管。

事实上，除了上述一级冷凝和二级冷凝外，上述干馏系统还可采用多级冷凝，即所述回收装置可包括多级冷凝室、和与所述多级冷凝室相连通的多级收集装置。

优选地，在最后一个所述冷凝室中布置阻止冷凝的热解气体流动过快的增阻材料，所述增阻材料优选是疏松的玻璃棉、石棉、和/或脱脂棉；更优选地，在所述导出通道外表面的至少一部分上布置至少一个冷却器，冷却器通常可为多管式或盘管式冷却器，冷却介质流经所述管的内部，所述冷却介质优选是冷凝后的热解气体、水、氮气、惰性气体、和/或它们的混合物。例如液氮。

通常，在上述热解或干馏系统中，所述热解室和导出通道可由可承受600℃以上高温的耐热石英玻璃或其他耐热材料、例如熔点在1000℃以上的金属材料制得。

在本说明书中，碳质材料是一个宽泛的概念，其可包括：煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物

附图说明

图1为本发明热解或干馏系统一个实施方案的示意图；

图2是国家标准GB/T 1341-2007规定的“煤的格金低温干馏试验方法”所使用的干馏管和小导出支管的结构示意图。

图3是国家标准GB/T 480-2000规定的“煤的铝甄低温干馏试验方法”所使用的实验装置示意图。

在上述图3中，标记数含义如下：1-铝甄盖；2-铝甄体；3-导出管；4-导出管；5-锥形瓶；6-冷却槽；7-热电偶；8-热电偶套管；9-加热装置；10-毫伏高温计；11-冷接点恒温器。

具体实施方式

通过下面参考附图的描述进一步详细解释本发明，其中附图中所示的相对应的或等同的部件或特征用相同的标记数表示，同时以下描述仅用于使本领域普通技术人员更加清楚地理解本发明的原理和精髓，不意味着对本发明进行任何形式的限制。

本发明干馏系统包括热解碳质材料的热解室和设计独特的大弯形和/或大直径气态热解产物导出通道，热解室一端封闭，另一端和所述导出通道相连通，优选地，在所述导出通道外表面上布置换热型冷却器，所述导出通道的出口端可为气密性结构、例如磨口结构，并通过例如磨口结构和下方的回收装置相连通。气态热解产物导出通道的大弯形和/或大直径结构使得气态热解产物非常通畅地和迅速地离开热解或干馏环境，减少了因滞留而导致的二次热裂解；接口处磨口结构可有效地保证热解或干馏系统的气密性；并易于直观地观察实验过程。在操作所述热解或干馏系统时，可通过布置冷却器，冷凝管，增阻材料等方式，使得气态焦油充分冷凝，上述各种有效措施可大大地提高焦油的实际产率。

如图1所示，本发明干馏系统可包括以下单元：加热温控装置、热解室（3）、气态和液态热解产物回收装置、和气态热解产物导出通道，其中加热温控装置由数字温控仪（1）、干馏炉（2）和置于干馏炉（2）内的热电偶（11）组成，数字温控仪（1）为智能型程序升温控制系统，其可通过热电偶（11）控制干馏炉（2）的炉内温度。图1所示的干馏炉（2）的加热炉膛为方形结构，炉壁一侧设有出口槽（未示出），以便使热解室（3）经该出口槽与上述导出通道相连通。除所述出口槽外，干馏炉（2）的炉底和炉壁均为双层保温层，并采用电加热的方式同时加热底部与炉内周边。干馏炉(2)的中央温度点为温控点，即数字温控仪(1)通过热电偶(11)检测温控点的温度，并根据检测结果控制或调整干馏炉(2)的炉膛温度。然而，本领域普通技术人员应当知道：，干馏炉（2）不局限于图1所描述的方形干馏炉，其可是任何一种已知可用来加热热解室（3）的加热设备或系统，例如国家标准GB/T1341-2007中所描述的“格金干馏炉”。

热解室（3）与用来将气态热解产物导出所述热解室（3）的导出通道进行气密性连通。具体地说，如图1所示，热解室（3）的一端封闭，另一端则与气态热解产物导出通道相连通。热解室（3）可为一管状容器，在使用时，其被水平放置在干馏炉（2）中，热解室（3）中可放入待热解的前述碳质材料的任何一种，例如煤粉、生物质，油页岩等。所述导出通道自热解室（3）向外和向下弯曲延伸形成一个弧度平缓的大弯管和/或曲型空冷管。所述导出通道的直径优选地尽量大一些，其可与热解室（3）的直径相同或不同。在图1中，所述导出通道的直径略小于热解室（3）的直径，这样热解室（3）能够稳固地卡在干馏炉（2）中。为提高焦油收率，可在所述导出通道的外表面上设置冷却器（4），该冷却器（4）基本覆盖了所述导出通道弯曲处的外壁，其使得气态热解产物能够快速冷却。显然，所述导出通道的大直径、平缓弧度弯曲设计利于热解室（3）中形成的气态热解产物及时而顺畅地自热解室（3）中逸出或排出，减少了热解形成的气态产物中所含的气态焦油发生二次热裂解。热解室（3）可与所述导出通道为一体成型的耐热石英玻璃管，但在实际应用中，热解室（3）也可与所述导出通道进行分体气密性连通，只要能够达到规定的气密性和耐热性要求即可。

如图1所示，本发明的回收装置可包括第一冷凝室（5）、第二冷凝室（6）、和连通第一冷凝室（5）和第二冷凝室（6）的收集装置。所述收集装置可由作为连接部分（7）的Y型或U型三通管和收集管（8）组成。所述第一冷凝室（5）可为一竖直放置的冷凝管，其上端与所述导出通道可通过磨口结构连通，下端可与Y型或U型三通管（7）的一个端口相连通，而端口处也经磨口处理，以保证连通的气密性。所述第二冷凝室（6）可为一个与所述第一冷凝室（5）并排放置的冷凝管，其上端与出气口（9）连通，下端与Y型或U型三通管（7）的另一个端口相连通，并且其上端和下端的接口均做磨口处理，以保证系统气密性。气态热解产物中的非冷凝气体-煤气从出气口（9）逸出或排出系统，出气口（9）也可连通一个气体分析仪来分析气态热解产物-煤气的组成。冷凝管中的冷却液、例如水，通过入口（14），管道（12）以及出口（13）流经第一冷凝室（5）和第二冷凝室（6），从而达到快速冷却或冷凝气态热解产物的作用。通常，上述冷却液的温度优选保持在4摄氏度以下。此外，为避免气流量过大或流速过快而导致冷却或冷凝不完全，可在第二冷凝室（6）的上端口优选地设置增阻材料（10），例如疏松的玻璃棉、石棉、和/或脱脂棉。增阻材料（10）增大了气体流动阻力、延长了热解气体在冷凝管中的停留时间，这样就更有利于气态焦油因充分冷却而被冷凝为液态焦油，从而减少了未冷凝气态焦油的逸失，结果增加了液态焦油的实际产率。

在热解室（3）中形成的气态热解产物可经过三次冷却而使其中的气态焦油被冷凝为液态焦油，其首先被设置在所述导出通道弯曲处外表面上的冷却器（4）初次冷却，接着被第一冷凝室（5）二次冷却，并使气态焦油实现初次冷凝，然后未冷凝的气态热解产物又被第二冷凝室（6）三次冷却，从而使气态焦油实现二次冷凝，冷凝后的液态焦油通过Y型或U型三通管（7）流入收集管（8）中。为便于计量，可将量管直接用作收集管（8）。另外，如果需要对轻油、重油进行分类收集，也可在第一冷凝室（5）和第二冷凝室（6）的下端分别设置第一收集装置和第二收集装置，即使用两个独立的连接部分/连接管替代图1所示的Y型或U型三通管（7），并将其分别连通到两个收集器上，例如两个量管。上述第一收集装置可包括连通所述第一冷凝室的第一连接部以和与所述第一连接部分相连通的第一收集管或量管，而第二收集装置可包括连通所述第二冷凝室的第二连接部分和与所述第二连接部分相连通的第二收集管或量管。若对第一冷凝室（5）和第二冷凝室（6）中的液态热解产物分类收集，还需在第一冷凝室（5）和第二冷凝式（6）之间另设供各类液态热解产物流通的通道。

当然，本领域普通技术人员应当知道：在实际应用中，也可根据需要减少或增加冷凝室的数量来达到所需的实验目的。此外，虽然接口可采用磨口结构，以便保证整个系统连通的气密性，但是本领域普通技术人员应明白：任何已知的用来避免连接处漏气的措施或装置均可应用到本发明中，例如用密封带、密封胶、或玻璃棉垫在连接处、或采用螺纹密封结构。

使用本发明干馏系统时，可预先通电将干馏炉（2）加热至预定温度后，再将待热解或干馏的料样装入干燥和排空后的热解室（3）中，例如耐热石英玻璃热解管中，将热解室（3）移入干馏炉（2）中水平放置，并将上述导出通道/曲型空冷管的两端分别与所述热解室（3）和所述回收装置进行气密性连通。上述导出通道/曲型空冷管的弯曲处外表面上优选地布置一冷却器（4），也可在第二冷凝室（6）出口处优选地布置前述增阻材料，以一定的升温速度、例如3-5℃/min将料样温度提高到最终温度，保持最终温度达一定时间、例如15-20分钟，之后停止加热。碳质材料料样受热发生热解，产生的气态热解产物随后经上述导出通道/曲型空冷管迅速和通畅地先后进入第一冷凝管（5）和第二冷凝管（6）中，而不会滞留在所述热解室（3）中，通常，气态热解产物在形成后，在所述热解室（3）中停留的时间不大于10秒，优选不大于5秒，例如3-4秒，如果气态焦油在形成后10秒内离开热解或干馏环境，其二次热裂解的可能就大大减少，这样就减少了气态焦油的二次热裂解，从而大幅度提高液态焦油的实际产率，并有可能使液态热解产物-焦油的实际产率达到最大、或接近理论值。如图1所示，冷凝后的焦油可顺着Y型或U型三通管（7）流入收集管或量管（8）中，无法冷凝的气体-煤气可通过第二冷凝室（6）中布置的疏松的玻璃棉、石棉、和/或脱脂棉经出气口（9）排出，或进行进一步气体组成分析。

实施例

实施例1

用图1所示的本发明干馏系统对其工业分析和元素分析表示在下面表1和表2中的褐煤（I）进行低温干馏。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。

表1

表2

预先通电将干馏炉（2）加热至300℃后，将空气干燥并被粉碎到0.2mm煤样20克装入干燥和排空后的热解室（3）中，将热解室（3）移入干馏炉（2）中，并与回收装置进行气密性连通。

上述干馏的工艺参数和操作条件如下：初始温度：300℃；升温速度：5℃/min；终温：600℃，终温下恒温时间：15分钟，之后停止加热。

重复上述实验三次，所获得的焦油实际产率（收率）表示在下面的表3中。

对比实施例1

按照国家标准GB/T 1341-2007所规定的“煤的格金低温干馏试验方法”对实施例1中的褐煤（I）进行低温干馏。

预先通电将格金低温干馏炉加热至300℃后，将空气干燥并被粉碎到0.2mm的煤样20g放入如图2所示的特制水平干馏管中，将干馏管移入格金低温干馏炉中并与已连接好的收集装置-锥形瓶相连通。

上述干馏的工艺参数和操作条件与实施例1中完全相同。

重复上述实验三次，所获得的焦油实际产率（收率）表示在下面的表3中。

表3

通过比较表3的实验数据可知：针对于相同的碳质材料-褐煤（I），用本发明的干馏系统所获得的液态焦油的产率大大高于按照国家标准GB/T1341-2007所规定的“煤的格金低温干馏试验方法”所获得的液态焦油产率。

实施例2

用图1所示的本发明干馏系统对其工业分析和元素分析表示在下面表4和表5中的褐煤（II）进行低温干馏。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。

表4

表5

将空气干燥并被粉碎到0.2mm煤样20克装入干燥和排空后的热解室（3）中，将热解室（3）移入干馏炉（2）中，并与回收装置相连通。

上述干馏的工艺参数和操作条件如下：在15～20分钟内使温度升到260℃，之后使温度以5℃/min的速度升到510℃，接着恒温保持20分钟，停止加热。

重复上述实验三次，所获得的焦油实际产率（收率）表示在下面的表6中。

对比实施例2

按照国家标准GB/T 480-2000所规定的“煤的铝甄低温干馏试验方法”对实施例2中的褐煤（II）进行低温干馏。

将空气干燥并被粉碎到0.2mm的煤样20g装入如图3所示的铝甄中，将铝甄置于干馏炉中并与已经连接好的收集装置-锥形瓶相连通。

上述干馏的工艺参数和操作条件与实施例2中完全相同。

重复上述实验三次，所获得的焦油实际产率（收率）表示在下面的表6中。

表6

通过比较表6的实验数据可知：针对于相同的碳质材料-褐煤（II），用本发明的干馏系统所获得的液态焦油的产率大大高于按照国家标准GB/T480-2000所规定的“煤的铝甄低温干馏试验方法”所获得的液态焦油产率。

上述实施例和对比实施例表明：本发明干馏系统与现行的或传统的干馏系统相比在焦油实际产率方面得到了显著改善，焦油实际产率平均提高了约2.5-3.0%。本发明的干馏系统结构相对简单，易于直观地观察实验过程中的现象。通过大直径和/或平缓弧度的大弯导出通道设计，气态热解产物得以顺畅地导出，减少高温热解气体回流和发生二次热裂解，多级冷凝设计和增阻设计使得导出的气态热解产物中的气态焦油能够充分而快速的冷凝，从而提高了液态热解产物-焦油的实际产率。

本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。

尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims (17)

1.一种碳质材料干馏系统，包括：

热解碳质材料的热解室；

所述热解室的加热温控装置；

回收气态和液态热解产物的回收装置；和

将所述气态热解产物导出所述热解室的导出通道，

其中所述导出通道的两端分别与所述热解室和所述回收装置呈气密性连通，并且所述导出通道自所述热解室向外和向下弯曲延伸并连通所述回收装置，其特征在于：

所述导出通道的内直径和/或弯曲的弧度大到使所述气态热解产物在形成后在所述热解室中的停留时间不大于10秒并经所述导出通道离开所述热解室，而进入所述回收装置中。

2.如权利要求1所述的干馏系统，其中所述热解室与所述导出通道是一体的、或气密性分体的。

3.如权利要求1所述的干馏系统，其中所述热解室是一水平放置的管状容器。

4.如权利要求1所述的干馏系统，其中所述回收装置包括与所述导出通道的一端相连通的第一冷凝室以及与所述第一冷凝室相连通的第一收集装置。

5.如权利要求4所述的干馏系统，其中所述回收装置进一步包括与所述第一冷凝室呈流体连通的第二冷凝室。

6.如权利要求5所述的干馏系统，其中所述第二冷凝室连通所述第一收集装置，而所述第一收集装置包括与所述第一冷凝室和第二冷凝室相连通的Y型或U型三通管，以及与所述Y型或U型三通管相连通的收集管或量管。

7.如权利要求5所述的干馏系统，其中所述回收装置还包括与所述第二冷凝室相连通的第二收集装置。

8.如权利要求7所述的干馏系统，其中所述第一收集装置包括连通所述第一冷凝室的第一连接部分以及与所述第一连接部分相连通的第一收集管或量管，而所述第二收集装置包括连通所述第二冷凝室的第二连接部分以及与所述第二连接部分相连通的第二收集管或量管。

9.如权利要求1-8任何之一所述的干馏系统，其中所述回收装置包括多级冷凝室、和与所述多级冷凝室相连通的多级收集装置。

10.如权利要求9所述的干馏系统，其中在最后一个所述冷凝室中布置有阻止冷凝的热解气体流动过快的增阻材料。

11.如权利要求10所述的干馏系统，其中所述增阻材料是疏松的玻璃棉、石棉、和/或脱脂棉。

12.如权利要求1-8和10-11任何之一所述的干馏系统，其中进一步包括至少一个设置在所述导出通道外表面的至少一部分上的冷却器。

13.如权利要求12所述的干馏系统，其中所述冷却器是多管式或盘管式冷却器，冷却介质流经所述管的内部。

14.如权利要求13所述的干馏系统，其中所述冷却介质是冷凝后的热解气体、水、氮气、惰性气体、和/或它们的混合物。

15.如权利要求14所述的干馏系统，其中所述氮气是液氮。

16.如权利要求1-8、10、11、13-15任何之一所述的干馏系统，其中所述热解室和导出通道由耐热石英玻璃或熔点在1000℃以上的金属材料制得。

17.如权利要求1-8、10、11、13-15任何之一所述的干馏系统，其中所述碳质材料选自于煤、重质渣油、焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。

Images