CN103666503B - 外热式固体含碳物料热解方法以及热解系统 - Google Patents

外热式固体含碳物料热解方法以及热解系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固体含碳物料热解系统,包括:循环流化床炉膛,固体热载体以流态化在炉膛内流动;热解通道,颗粒状的含挥发分的固体含碳物料从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,并发生热解反应,其中:所述热解通道穿过炉膛设置,所述热解通道的上端与所述热解通道的下端均位于所述炉膛的外部;所述热解通道与炉膛通过导热间壁分隔开、且所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过所述导热间壁换热,固体含碳物料被加热、发生热解反应。本发明还涉及固体含碳物料热解方法。

Description

外热式固体含碳物料热解方法以及热解系统
技术领域
[0001] 本发明涉及固体含碳物料的热解,尤其涉及对颗粒状含挥发分的固体含碳物料的热解系统和热解方法。
背景技术
[0002] 煤通过热解生成煤气、焦油和半焦是目前梯级利用低阶煤资源,获得高附加值产物的高值化利用途径,经济效益和社会效益显著。近年来,油页岩成为世界公认最具潜力的非传统烃类资源,由于其含油率一般在4%〜20%,最高可达30%,因此除燃烧发电外,主要利用方式是干馏炼油。油页岩经加热干馏后,所含油母分解生成页岩油及干馏气和页岩半焦;页岩油可作为燃料油,亦可进一步加工制取汽、柴油和化学品。对油页岩进行有效的开发和利用,可以缓解我国缺少天然石油的困境,减少对进口石油的依赖,维护国家能源安全,改善能源结构。此外,干化污泥中含有大量的有机质和可燃成分,干污泥热解处理可促使污泥中有机物发生还原,产生可供回收利用的燃料,其热解焦油的热值较高,可作为能源利用,与轻柴油混合后可达到燃料用油的品质。
[0003] 在热解过程中,传热传质方式对热解产物的品质有显著影响。对于块煤而言,热解技术已经趋于成熟,主要采用固定床热解工艺,如陕北、内蒙等地的立式炭化炉,要求煤的粒度较大。随着煤炭开采机械化程度的提高,粒度较小的粉煤产量正逐年增加,现阶段粉煤热解工艺路线较多。根据热解反应所需热量的供给方式,热解工艺可分为直接接触换热和间接接触换热两大类。
[0004] 直接接触换热方式主要是通过高温气体或固体热载体与待热解的煤直接混合,使物料升温发生热解反应。直接接触换热技术具有传热效率高,加热速率快等优点。但是高温气体热载体工艺中,由于夹带、混合等使煤气中含有大量惰性组分降低煤气热值,焦油含尘量增加,降低品质。高温固体热载体工艺中,热载体中的细颗粒进入热解气和焦油中,分离困难,并容易出现管路堵塞等问题。而且,煤热解产生的焦油蒸气与高温热载体的直接接触,易发生二次裂解,影响焦油品质及产率。同时,热解生成的半焦中因混入了固体热载体颗粒使其热值降低,影响了半焦的品质。
[0005] 间接换热技术是通过外部电加热、高温烟气、高温物料、高温蓄热体等加热反应器外壁向物料传热,使物料外层依次向内层传热升温而发生热解反应的过程。间接接触换热技术因不混入其它热载体,获得的煤气热值较高,焦油中含尘量低,半焦产品无杂质,品质高。但是由于煤的导热性能较差,间接换热煤热解工艺中物料升温速率慢、温度不均匀,易导致热解时间长、焦油产率低、重质油含量高等问题。
发明内容
[0006] 为解决现有技术中的至少一个方面的问题而提出本发明。
[0007] 本发明的核心发明构思(以煤为例)在于如下方面:采用固体热载体作为热解的热源,固体热载体与待热解的煤为间接换热,间接换热壁面两侧均为流态化。热解的一侧与现有技术类似,煤从顶部加入,从底部排出,通过产生的气态热解产物自流化,从而从下而上优选分别呈移动床、微流化、流化这三种状态;作为热源的一侧与现有技术不同,采用处于流态化的固体热载体。其中,气态热解产物包括煤热解产生的水蒸气、热解气和在高温下呈气态的焦油(即焦油蒸气,简称油气)。
[0008] 本发明的其它发明构思(以煤为例)还在于如下方面:
[0009] 1、以循环流化床炉膛作为固体热载体通道,固体热载体直接在该通道中被加热;可以采用气体燃料、液体燃料或固体燃料燃烧、加热惰性粒子,获得被加热的固体热载体;也可以直接以固体燃料颗粒作为固体热载体,通过其自身的燃烧产生热量。
[0010] 2、热解炉底部低于固体热载体床层底部,即热解炉下部存在一段不被加热的“释尽段”,用于延长热解煤的停留时间,供残留的挥发分释出,并提高系统的适应性,当煤质发生变化或煤的粒度发生变化时,用以保证挥发分完全释放。
[0011] 3、待热解的粉煤预先进行分选,将粒径过小的粉煤送入炉膛燃烧,而将剩下的粉煤作为热解煤,从而减少混入到热解产物中的细颗粒量;或者,不限定分选出来的粒径较小的粉煤的粒径,而是以分选出的粉煤的量燃烧放热能够满足热解反应所需的热量为准,分选出的粉煤粒径可能比前一种构思下的要大一些。
[0012] 4、对待热解的粉煤进行分选时,可采用干燥一分选一体化工艺,在分选的同时实现粉煤的干燥,煤干燥产生的乏气与分选出的粒径较小的粉煤一起进入炉膛燃烧。
[0013] 根据本发明的第一方面,一种固体含碳物料热解系统,包括:循环流化床炉膛,固体热载体以流态化在炉膛内流动;热解通道,颗粒状含挥发分的固体含碳物料从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,并发生热解反应,其中:所述热解通道穿过炉膛设置,所述热解通道的上端与所述热解通道的下端均位于所述炉膛的外部;所述热解通道与炉膛通过导热间壁分隔开、且所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过所述导热间壁换热,固体含碳物料被加热、发生热解反应。
[0014] 可选的,所述热解通道包括布置在所述炉膛内的多根热解管或多个热解通道。
[0015] 可选的,所述固体热载体包括加入到炉膛内的优选粒径范围是0_2mm的惰性粒子。进一步的,来自所述热解通道上部出口的至少一部分热解产物被供给到炉膛作为燃料。更进一步,所述至少一部分热解产物包括重质焦油和/或热解气。
[0016] 可选的,所述炉膛包括下部流化床区和上部燃尽室,所述上部燃尽室位于所述下部流化床区的上方且将所述下部流化床区与炉膛的出口烟道相通;所述热解通道穿过所述下部流化床区且大致平行于所述上部燃尽室。进一步的,所述上部燃尽室内通入助燃空气和/或设置有冷却面。
[0017] 可选的,所述固体含碳物料为煤、油页岩、干污泥或生物质颗粒。进一步的,所述固体含碳物料的粒径在0-12mm范围内。更进一步,固体含碳物料热解系统还包括:分选子系统,将粒径在0.1mm以下的固体含碳物料移除;以及输送子系统,适于输送从分选子系统分选出的粒径在0.1mm以上的固体含碳物料到热解通道。
[0018] 可选的,所述分选子系统包括:流化床分选通道,流化气体从所述分选通道的下部引入所述分选通道以流化位于所述分选通道中的固体含碳物料,所述分选通道的下部设置有大粒径固体含碳物料排出口 ;第二分离器,所述第二分离器的入口与所述分选通道的上部出口相通,所述第二分离器的气体出口排出粒径在0.1mm以下的固体含碳物料及流化气体,其中:来自所述大粒径固体含碳物料排出口与所述第二分离器的固体出口的固体含碳物料进入所述输送子系统。可选的,所述流化床分选通道中设置有干燥加热单元,用于干燥流化床分选通道中的固体含碳物料。可选的,第二分离器的气体出口与所述炉膛相通以为炉膛提供燃料。
[0019] 可选的,所述固体含碳物料热解系统还包括固体含碳物料流化分选装置,从分选装置的上部出口排出的固体含碳物料被输送到循环流化床炉膛,且从分选装置的下部出口排出的固体含碳物料被输送到所述热解通道。进一步的,所述从分选装置上部出口排出、输送到炉膛的固体含碳物料,其燃烧发热量与热解通道所需的热量相匹配。
[0020] 可选的,所述固体热载体通道包括固体热载体密相区以及位于所述密相区上方的固体热载体稀相区;所述热解通道内的固体含碳物料至少有一部分呈流化床状态,并形成流化床床面,其中,所述固体热载体密相区的床面大体上与所述热解通道内的流化床床面等尚,或略低于后者。
[0021] 进一步的,所述热解通道自下而上包括热解段、加热段,位于所述热解段和加热段中的固体含碳物料分别呈微流化状态和流化状态。进一步的,所述热解段和加热段的位置与所述密相区的位置大致对应。可选的,所述热解段的位置与所述密相区的位置大致对应,所述加热段的位置与所述稀相区的位置大致对应。
[0022] 可选的,所述热解通道从下而上包括释尽段、热解段、加热段,位于所述释尽段、热解段和加热段中的固体含碳物料分别呈移动床状态、微流化状态、流化状态。进一步的,所述热解段和加热段的位置与所述密相区的位置大致对应。进一步的,所述热解段的位置与所述密相区的位置大致对应,所述加热段的位置与所述稀相区的位置大致对应。可选的,所述释尽段位于所述密相区的下方而不与固体热载体通道中的固体热载体形成热交换。
[0023] 可选的,所述固体含碳物料利用热解通道内产生的气态热解产物以自流化的状态通过所述热解通道。
[0024] 可选的,所述固体含碳物料利用热解通道内产生的气态热解产物以及从热解通道下部通入的另外的流化气体以流化的状态通过所述热解通道。进一步的,所述另外的流化气体为热解气、氢气、甲烷或其它非氧化性气体。
[0025] 可选的,所述固体含碳物料热解系统还包括:冷却装置,所述冷却装置布置在所述热解通道的下方用于冷却固体含碳物料热解后从热解通道排出的固体产物。
[0026] 根据本发明的第二方面,提出了一种固体含碳物料热解方法,包括步骤:在固体热载体通道底部通入流化气体,使得固体热载体以流态化状态在固体热载体通道中流动;向利用导热间壁与固体热载体通道分隔开的热解通道内供给颗粒状含挥发分的固体含碳物料,其中,所述固体含碳物料利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过导热间壁换热,使固体含碳物料被加热、发生热解反应,其中:所述固体热载体通道为循环流化床炉膛的一部分。
[0027] 可选的,所述固体热载体包括燃料颗粒及其固态燃烧产物。
[0028] 可选的,所述方法还包括步骤:向炉膛内添加作为固体热载体的惰性粒子。
[0029] 可选的,以上方法还包括步骤:提供固体含碳物料,以及利用分选操作将粒径在
0.1mm以下的固体含碳物料移除;以及向热解通道内供给分选出的粒径在0.1mm以上的固体含碳物料。
[0030] 可选的,以上方法还包括步骤:将粒径在0.1mm以下的固体含碳物料送入到炉膛内燃烧。
[0031] 可选的,以上方法还包括步骤:将固体含碳物料输送到固体含碳物料流化分选装置,从分选装置的上部出口排出的固体含碳物料被输送到循环流化床炉膛,且从分选装置的下部出口排出的固体含碳物料被输送到所述热解通道。进一步的,调节通入分选装置的流化气体量,以使从分选装置输送到炉膛的颗粒状固体含碳物料的燃烧发热量,与热解通道所需的热量相匹配。
[0032] 利用本发明的技术方案,提供了在两个流化状态下的放热和吸热相结合的过程,固体热载体与热解通道均存在处于流态化的区间,且通过导热间壁相互耦合;在流态化状态下,随机气泡形成的低频大涡体使颗粒发生径向输运,犹如搅拌,有效地扰动了热边界层,提高了导热间壁两侧的传热系数,因此强化了传热;更重要的是,热交换装置导热壁面两侧相互匹配:热解侧,颗粒状固体含碳物料从顶部加入后,被快速加热、然后发生热解反应;固体热载体侧,固体热载体处于流化状态,固体热载体侧的密相区与热解侧加热段和热解段大致对应,因密相区颗粒浓度高,传热系数大,可向加热段和热解段提供大量热量,很好的满足了固体含碳物料快速加热和热解的需要;而两侧上部均处于稀相区,颗粒浓度低、换热减弱,正好避免气态热解产物从顶部排出时温度过高、发生二次裂解。本发明的技术方案不仅有效地强化了传热效果,也避免了直接混合换热的技术方案中热灰混入到热解产物中的情形。
附图说明
[0033]图1为根据本发明的第一实施例的煤热解系统的示意图;
[0034]图2为根据本发明的第二实施例的煤热解系统的示意图;
[0035]图3为根据本发明的第三实施例的煤热解系统的示意图;
[0036]图4为根据本发明的第四实施例的煤热解系统的示意图;
[0037]图5为根据本发明的第五实施例的煤热解系统的示意图;
[0038]图6为根据本发明的第六实施例的煤热解系统的示意图;
[0039]图7为根据本发明的第七实施例的煤热解系统的示意图;
[0040] 图8a为根据本发明的一个实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的示意图,图8b为表示煤热解通道的高度与煤热解通道内的煤的温度之间的关系的示例性曲线图,而图8c为表示煤热解通道的高度与气态热解产物量之间的关系的示例性曲线图,其中曲线I示例性表示煤热解通道的各高度位置与该高度处的煤释放出的气态热解产物量之间的关系,曲线II示例性表示煤热解通道的高度与气态热解产物累积量之间的关系;
[0041] 图9为根据本发明的另外的实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的不意图;
[0042] 图10为根据本发明的再一实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的示意图;
[0043] 图11为根据本发明的可选实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的示意图;
[0044] 图12为根据本发明的又一实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的示意图。
具体实施方式
[0045] 下面详细描述本发明的实例性的实施例,实施例的示例在附图中示出,其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的,旨在解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
[0046] 首先,需要专门指出的是,虽然本发明以煤为具体示例描述了热解系统和热解方法,但是,该热解系统和热解方法还可以应用于油页岩、干污泥以及生物质等含挥发分的固体含碳物料(尤其是粒径在0_12mm范围内)的热解。
[0047] 下面参照图1-3描述根据本发明的示例性实施例的煤热解系统。
[0048] 如图1-3中所示,所述煤热解系统包括:循环流化床炉膛50 ;与循环流化床50的烟气出口相连的第一分离器60 ;固体热载体通道10,固体热载体A以流态化状态在所述固体热载体通道10内流动;煤热解通道20,颗粒状煤B从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述煤热解通道20,并发生热解反应,其中:所述煤热解通道20与固体热载体通道10通过导热间壁30分隔开、且所述固体热载体A与所述煤热解通道内的煤B通过所述导热间壁30换热,煤B被加热、发生热解反应;所述固体热载体通道10的固体热载体入口 16与所述第一分离器60的固体出口相通,所述固体热载体通道的侧壁设置有溢流口15,所述溢流口 15与炉膛的返料口 51相通。
[0049] 如图1-3中所示,待热解的煤可以通过料斗71以及位于料斗下方的输送机72输送到煤热解通道20中。
[0050] 煤热解通道20可以是单个通道,如图1、3中所示,也可以包括布置在所述固体热载体通道10内的多根热解管或多个热解通道,如图2中所示。需要指出的是,多根热解管或多个热解通道可以在待热解煤的入口处相通(或共用同一个煤入口),也可以彼此独立,例如通过各自对应的料斗71以及输送机72供给热解煤。
[0051]固体热载体A可以由在炉膛50中燃烧的固体燃料及其固态燃烧产物组成;在前者不存在或数量不多时,也可以向炉膛50或固体热载体通道10添加惰性粒子,例如细砂,作为固体热载体A,因为提高固体热载体通道中的颗粒浓度,可以进一步的强化向煤热解通道20的传热。优选的惰性粒子的粒径范围为0-2mm。
[0052] 如图2、3中所示,来自所述煤热解通道上部出口的至少一部分热解产物可被供给到炉膛作为燃料。有利的,所述至少一部分热解产物包括重质焦油和/或热解气。如图2、3中所示,来自煤热解通道上部开口的热解产物首先通入到细粉分离器80。细粉分离器80的固体出口排出分离的焦粉,该焦粉还可以经过冷却后排出。细粉分离器80的气体出口与收油系统90相通,在收油系统中,实现焦油蒸汽与热解气的分离,热解气以及重质焦油可以通入到炉膛中作为燃料,而轻油则作为目标产品被收集。虽然图2、3中将热解气和重质焦油都通入到炉膛中燃烧,但是,也可以仅仅通入其中一种或部分通入到炉膛中。
[0053] 虽然没有示出,但是,也可以在固体热载体通道10内加入有用于加热固体热载体A的燃料。相应的,通入到固体热载体通道内的流化气体提供燃烧所需的氧气。适当控制流化风的风量使得在固体热载体通道10内仍然处于燃烧或部分燃烧状态,以尽量维持稳定的高温状态,从而保持导热间壁30 —侧的固体热载体A与导热间壁30的另一侧的煤B之间的换热温差保持稳定。这可以大大减少固体热载体的使用量,从而减少动态消耗、减轻磨损。
[0054] 本发明适用固体含碳物料的粒径范围主要为0~12_,但该粒径范围中存在粒径较小的细粉,细粉易于被气态热解产物携带,最终会混入到焦油中且难于分离;同时,相对于粒径较大的煤粒,细粉中含水量较多,这会产生过多的水蒸气且消耗大量热量。为此,优选的,在对粉煤进行热解之前将粉煤中的粒径较小的细粉去除。
[0055] 去除较小粒径的细粉,可以分两种方式:
[0056] 方式一:按粉煤的粒径进行分选,目的为去除待热解煤中的细颗粒、避免混入到焦油中:
[0057] 如图1中所示,煤热解系统还包括粉煤分选子系统,用于将粒径在0.1mm以下的粉煤移除;以及输送子系统(例如,对应于图1中的输送机101、料斗71、输送机72等),适于输送从分选子系统分选出的粒径在0.1mm以上的粉煤到煤热解通道10。粉煤的分选可以如图1中所示使用流化床进行分选,也可以采用其它分选手段。如图1中所示,所述分选子系统包括:流化床分选通道102,流化气体(空气或经过净化的烟气等气体)从所述分选通道的下部引入所述分选通道102以流化位于所述分选通道中的粉煤,所述分选通道的下部设置有大粒径粉煤排出口 103 ;第二分离器104,所述第二分离器的入口与所述分选通道102的上部出口相通,所述第二分离器的气体出口排出粒径在0.1mm以下的粉煤及流化气体。其中:来自所述大粒径粉煤排出口 103与所述第二分离器的固体出口的粉煤进入所述输送子系统。为了去除粉煤中的水分,所述流化床分选通道102中设置有干燥加热单元105,用于干燥流化床分选通道中的粉煤,干燥加热单元105的热源可以来自炉膛燃烧余热。如图1中所示,所述第二分离器104的气体出口与所述炉膛相通以为炉膛提供燃料。如此,形成了煤粉分选(及干燥)_燃烧-热解-收油的一体化工艺。对待热解的粉煤的干燥可以提高热解焦油品质,能效大幅提高。通过将分选后的粉煤加热后直接送入煤热解通道进行热解,可以减少焦粉和焦油中的含尘量和含水量,提高焦粉的品质和焦油的质量。
[0058] 上述通过粉煤分选子系统将粒径在0.1mm以下的粉煤移除,在实际应用中,也可以选择其它粒径作为分选的分界线,比如将移除的粉煤的粒径范围放宽至0~0.5mm或0~1_,或者缩小至仅0~0.05mm粒径范围的粉煤,视实际应用的煤的粒径分布等具体情况而定;调整第二分离器104的设计参数可以实现分选分界线的调整。
[0059] 方式二:按粉煤的量进行分选,第一目的是去除待热解煤中的细颗粒、避免混入焦油,第二目的是为炉膛提供足够的燃料,使其在炉膛中的燃烧放热足以提供煤热解通道所需的所有热量:
[0060] 如图4中所示,煤热解系统还包括粉煤流化分选装置,用于对原煤进行分选;以及输送子系统(例如,对应于图4中的输送机101、料斗71、输送机72等),适于输送从分选子系统分选出的粒径较大的粉煤输送到煤热解通道10。粉煤的分选可以如图4中所示使用流化床进行分选,也可以采用其它分选手段。如图4中所示,所述分选子系统包括:流化床分选通道102,流化气体(空气)从所述分选通道的下部引入所述分选通道102以流化位于所述分选通道中的粉煤,所述分选通道的下部设置有大粒径粉煤排出口 103,分选通道的上部出口与循环流化床炉膛50相通,将粒径较小的粉煤(其中可能夹带有少量大粒径粉煤)及流化气体输送至炉膛,作为燃料。其中,通过调节分选通道的流化气体量,来改变输送至炉膛的粉煤的量,使这部分粉煤在炉膛中的燃烧放热量与煤热解通道所需的热量相匹配,即:当炉膛中不添加其它燃料时,分选出来加入炉膛的粉煤应能够提供煤热解通道所需的全部热量;当炉膛中还添加其它燃料时,则其它燃料的燃烧发热量与分选出来的粉煤的燃烧发热量能够提供煤热解通道所需的热量。
[0061] 分选通道102的上部出口与循环流化床炉膛50之间可以设置类似图1中的第二分离器104的分离装置,但也可以不设;且不设分离装置时,对粉煤分选输送至炉膛的量的调节会更加灵活;为了避免在扬析夹带作用下,较大的粉煤也从分选通道的上部出口逃逸,可以将分选通道的上部设计为横截面积较大的沉降室形式。为了去除粉煤中的水分,所述流化床分选通道102中可以设置有干燥加热单元105,用于干燥流化床分选通道中的粉煤,干燥加热单元105的热源可以来自炉膛燃烧余热。
[0062] 图1示出的粉煤分选子系统和图4中示出的粉煤流化分选装置,也可以应用到图
2、3的实施例中。
[0063] 以上描述了固体热载体通道位于炉膛外的循环回路中的情形。下面参照图5-7描述炉膛本身作为固体热载体通道的技术方案。
[0064] 如图5-7中所示,煤热解系统包括:循环流化床炉膛50,固体热载体A以流态化在炉膛50内流动;煤热解通道20,煤从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述煤热解通道,并发生热解反应,其中:所述煤热解通道穿过炉膛50设置,所述煤热解通道的上端与所述煤热解通道的下端均位于所述炉膛的外部;所述煤热解通道20与炉膛通过导热间壁30分隔开、且所述固体热载体A与所述煤热解通道内的煤B通过所述导热间壁30换热,煤被加热、发生热解反应。
[0065] 煤热解通道20可以是单个通道,如图5中所示,也可以包括布置在炉膛50内的多根热解管或多个热解通道,如图6中所示。需要指出的是,多根热解管或多个热解通道可以在收纳待热解煤的入口处相通(或共用同一个煤入口),也可以彼此独立,例如通过各自对应的料斗71以及输送机72供给热解煤。
[0066] 有利的,所述固体热载体A包括加入到炉膛50内的惰性粒子,例如细砂或石英砂等。该惰性粒子的粒径范围可以为0-2mm。
[0067] 虽然没有示出,但是类似于图2-3中的情形,可以将来自所述煤热解通道20上部出口的至少一部分热解产物被供给到炉膛作为燃料。所述至少一部分热解产物包括重质焦油和/或热解气。
[0068] 虽然没有示出,但是图5-6中的煤热解系统也可以设置类似于图1中设置粉煤分选子系统。
[0069] 在图7所示的煤热解系统中,所述炉膛50包括下部流化床区52和上部燃尽室53,所述上部燃尽室53位于所述下部流化床区的上方且将所述下部流化床区与炉膛的出口烟道相连通;所述煤热解通道20穿过所述下部流化床区52且大致平行于所述上部燃尽室53。烟气携带未燃尽的细粉到上部的燃尽室中继续燃烧,可以向上部燃尽室通入空气配风以提供氧气,如果温度过高,还可以加入冷却面。该冷却面可以产生热水或蒸汽。所述上部燃尽室53的横截面积小于所述下部流化床区52的横截面积;有利的,例如,所述上部燃尽室53的横截面积至多为所述下部流化床区52的横截面积的二分之一。
[0070] 图8a为根据本发明的一个实施例的煤热解通道与固体热载体通道之间的布置的示意图,图8b为表示煤热解通道的高度与煤热解通道内的煤的温度之间的关系的示例性曲线图,而图8c为表示煤热解通道的高度与气态热解产物量之间的关系的示例性曲线图,其中曲线I示例性表示煤热解通道的各高度位置与该高度处的煤释放出的气态热解产物量之间的关系,曲线II示例性表示煤热解通道的高度与气态热解产物累积量之间的关系。
[0071] 下面对煤热解通道与固体热载体通道之间的布置进行具体描述。
[0072] 如图8a中所示,固体热载体A利用从所述固体热载体通道10下部通入的流化气体(图中以箭头R表示流体气体通入)以流态化状态在所述固体热载体通道10内流动;煤8从上部加入煤热解通道20,利用重力自上而下以流态化状态通过所述煤热解通道20,并发生热解反应;其中,所述煤热解通道20与固体热载体通道10通过导热间壁30分隔开、且所述固体热载体A与所述煤热解通道内的煤B通过所述导热间壁30换热,煤B被加热、发生热解反应。
[0073] 如图8a中所示,所述煤热解通道20从下而上包括释尽段21、热解段22、加热段23,位于所述释尽段21、热解段22和加热段23中的煤分别呈移动床状态、微流化状态、流化状态。被添加到煤热解通道20中的煤首先落入到加热段23中,通过与热解通道内之前加入、已被加热的煤快速混合而被加热,煤中的部分挥发分开始析出;被加热的煤随后进入热解段22,继续吸热并充分发生热解反应,产生大量的气态热解产物;最后,在释尽段21中,大部分挥发分已释出的煤在该段中仍处于较高温度、并具有一定的停留时间,以使挥发分尽可能完全析出。
[0074] 有利的,所述固体热载体通道10相应地包括固体热载体密相区11以及位于所述密相区11上方的固体热载体稀相区12 ;所述热解段22和加热段23的位置与所述密相区11的位置对应。进一步有利的,所述释尽段21位于所述密相区11的下方而不与固体热载体通道10中的固体热载体A形成热交换。基于不同的煤种,释尽段21的长度可以不同,以便于其释尽挥发分。
[0075] 这里的位置上的对应表示“区”与“段”的长度大致相同,并且位于大致相同的水平高度。加热段23与热解段22的区分以物料的流态变化为标志,实际上两段中均为煤大量吸收热量、挥发分析出的过程,因此概括而言,煤热解通道20与固体热载体通道10之间的区段对应关系,需要满足的条件是:煤热解通道的煤形成的流化床床面24 (即加热段23的流化床床面)不能显著的低于固体热载体密相区11的床面,否则从流化床床面24继续向上流动的气态热解产物将在固体热载体密相区11的剧烈加热作用下发生二次裂解,影响焦油的品质。因此,所述热解段22的位置与所述密相区的位置大致对应,所述加热段23的位置与所述稀相区12的位置大致对应,也是可选的方案之一。
[0076] 煤从煤热解通道20的顶部加入,依次进入加热段23、热解段22、释尽段21。可以合理设计热解段的尺寸,使得煤热解过程中维持流态化状态,达到最佳效果。煤在向下移动的过程中,不断被加热,水分以及挥发分大量析出,到达热解段下部时,析出基本完毕,进入释尽段后经热解的煤(半焦)变成移动床,有利的,可以经冷却后排出。或者,不经冷却直接排出,这对于油页岩热解而言尤为适用,因为油页岩热解后剩余的页岩半焦热值较低,不像煤热解之后剩余的半焦还可以作为产品外供,页岩半焦不经冷却、直接输送至炉膛燃烧,既可以实现稳定的燃烧,又可以充分利用这种难利用的低热值产品。
[0077] 煤在煤热解通道20内的停留时间依据挥发份析出所需的时间不同而有所不同,这可以通过在热解过程中通过温度测量来基本判断。可以调整热解通道的负荷及底部半焦的排出量,使得热解段和加热段与固体热载体的密相区相对应。密相区上部的稀相区颗粒浓度低,换热效果减弱,正好避免气态热解产物中的焦油从煤热解通道上部排出时温度过高而发生二次裂解。
[0078] 在图8b中,加热段23对应于温度从200°C快速升温至600°C左右的段,热解段22对应于温度大致稳定在600°C左右的段,而释尽段21对应于温度在600°C左右略有下降的段。在煤从煤热解通道上部加入、落入加热段的过程中,加入的煤被预加热、温度略有上升,并释放出少量的气态热解产物。气态热解产物主要从热解段22中释出。这里的温度范围仅仅是示意性的,对于不同的煤种,该温度可能不同。
[0079] 如图8c中所示,在释尽段中,产生的气态热解产物很少,累积产生的气态热解产物也很少,从而半焦基本处于非流化的移动床状态。而在热解段中,大量的气态热解产物被析出,从而热解段中的煤可以处于微流化状态(可以理解的,在热解段下部的煤的流化程度较在热解段上部的煤的流化程度低)。由于从释尽段、热解段释出的气态热解产物都向上流动,并与煤在加热段释放出的气态热解产物相累计,因此在加热段中的煤基本上都处于流化状态。
[0080] 在煤热解通道20内产生的气态热解产物足以维持热解段中的煤的微流化状态以及加热段中的煤的流化状态的情况下,不需要通入另外的流化气体,即,煤B利用煤热解通道20内产生的气态热解产物以自流化的状态通过所述煤热解通道20。
[0081] 在煤热解通道20内产生的气态热解产物不足以维持热解段中的煤的微流化状态以及加热段中的煤的流化状态的情况下,可以在煤热解通道的下部通入另外的流化气体,即:煤B利用煤热解通道20内产生的气态热解产物以及从煤热解通道20下部通入的另外的流化气体以流化的状态通过所述煤热解通道20。有利的,所述另外的流化气体为热解气、氢气、甲烷或其它非氧化性气体。
[0082] 虽然在图8a中示出煤热解通道包括加热段、热解段、释尽段,但是,在热解充分的情况下,也可以省去该释尽段。
[0083] 有利的,所述煤发生热解反应,产生的气态产物从所述煤热解通道顶部排出。不过,产生的气态产物也可以部分的从煤热解通道上部的侧面排出。
[0084] 有利的,进入所述煤热解通道的煤的粒径在0.1mm-12mm之间。选择这样的粒径范围存在如下优点:有助于煤颗粒的流态化;有助于煤的热解;有助于降低热解油气中的含尘量。
[0085] 下面进一步描述煤热解用热交换装置的布置方式。
[0086] 如图8a中所示,所述固体热载体通道10围绕所述煤热解通道20设置。
[0087] 如图9中所示,所述煤热解通道20为布置在所述固体热载体通道10内的多根热解管20’。该多根热解管20’的上端还可以与共同的进料通道相通,该多根热解管20’的下端也可以与共同的出料通道相通。
[0088] 参见图10-11,所述固体热载体通道10和所述煤热解通道20的数量均至少为一个;且所述固体热载体通道10和所述煤热解通道20彼此大致平行并且彼此交替布置,相邻固体热载体通道10之间的空间形成一个煤热解通道20和/或相邻煤热解通道20之间的空间形成一个固体热载体通道10。在图10中,固体热载体通道10和煤热解通道20形成为“夹心饼干”的形式。在图11中,固体热载体通道10和煤热解通道20形成为多个“同心圆筒”的形式。
[0089] 虽然没有示出,可以通过设计导热间壁30,例如使其具有梅花型横截面、在导热间壁上设置导热肋片等,使得导热间壁30的受热面积增大以加强换热效果。
[0090] 在所述固体热载体循环流过所述固体热载体通道的情况下,如图12中所示,所述固体热载体通道的侧壁设置有溢流口 15,从而以溢流的方式从固体热载体通道10中排出固体热载体以保持稳定的密相区高度。除此之外,固体热载体的排出口也可以设在固体热载体通道10的下部,此时需要对料位进行监测,以保持稳定的密相区高度。在图12中,固体热载体A从固体热载体通道10的底部的开口 16引入,不过,固体热载体A也可以从固体热载体通道10的上部引入(如图1-5中所示),另外,引入的方式不限于开口,也可以使用管道直接通入。
[0091] 稳定的密相区高度有助于在热解段中的煤接收稳定的热量而被稳定的热解。
[0092] 下面描述根据本发明的煤热解方法。
[0093] 根据本发明的一个实施例的煤热解方法可以包括如下步骤:在固体热载体通道10底部通入流化气体(如图8a中箭头R所示),使得固体热载体A以流态化状态在固体热载体通道10中流动;向利用导热间壁30与固体热载体通道10分隔开的煤热解通道20内供给煤B,其中,所述煤利用重力自上而下以流态化状态通过所述煤热解通道20,所述固体热载体A与所述煤热解通道内的煤B通过导热间壁30换热,使煤被加热、发生热解反应,其中:所述固体热载体通道10为循环流化床炉膛的一部分。
[0094] 有利的,所述煤热解方法还包括步骤:向炉膛内添加作为固体热载体的惰性粒子。有利的,所述固体热载体包括燃料颗粒及其固态燃烧产物。
[0095] 可选的,所述燃料为气体燃料、液体燃料或固体燃料,所述固体热载体为惰性粒子。此时,通入的燃料燃烧后不需要形成固态的灰渣(例如采用碳粉作为燃料),即燃料燃烧只为加热惰性粒子提供热量,而并不产生固体热载体。另一种选择是,所述燃料为固体颗粒燃料,所述固体热载体包括燃料颗粒及其固态燃烧产物,此时,有利的,所述固体热载体还包括惰性粒子;这意味着燃料燃烧不仅为加热固体热载体提供热量,同时也不断形成固体热载体;固体热载体可以仅仅是固体颗粒燃料燃烧产生的灰渣,也可以包括另外添加的惰性粒子。当然,固体热载体的热量也可以来自固体热载体通道外部的其它热源。
[0096] 上面的煤热解方法均可以包括如下步骤:提供粉煤,以及利用分选操作将粒径在
0.1mm以下的粉煤移除;以及向煤热解通道内供给分选出的粒径在0.1mm以上的粉煤。有利的,所述煤热解方法还包括步骤:将粒径在0.1mm以下的粉煤送入到炉膛内燃烧。或包括如下步骤:提供粉煤,以及利用分选操作将粉煤分为两部分,从分选装置的下部出口排出的粒径较大的部分粉煤输送至煤热解通道,从分选装置上部出口排出的粒径较小的部分粉煤输送至炉膛燃烧。其中,通过调节通入分选装置的流化气体量,调节从分选装置上部出口输送到炉膛的粉煤量,使其燃烧发热量与煤热解通道所需的热量相匹配。
[0097] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (34)

1.一种固体含碳物料热解系统,包括: 循环流化床炉膛,固体热载体以流态化在炉膛内流动; 热解通道,颗粒状含挥发分的固体含碳物料从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,并发生热解反应, 其中: 所述热解通道穿过炉膛设置,所述热解通道的上端与所述热解通道的下端均位于所述炉膛的外部; 所述热解通道与炉膛通过导热间壁分隔开、且所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过所述导热间壁换热,固体含碳物料被加热、发生热解反应; 所述炉膛包括固体热载体密相区以及位于所述密相区上方的固体热载体稀相区; 所述热解通道内的固体含碳物料至少有一部分呈流化床状态,并形成流化床床面,所述固体热载体密相区的床面大体上与所述热解通道内的流化床床面等高,或略低于后者,热解通道内的流化床床面将热解通道分为热解通道稀相区和热解通道密相区。
2.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解通道包括布置在所述炉膛内的多根热解管或多个热解通道。
3.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体热载体包括加入到炉膛内的惰性粒子。
4.根据权利要求3所述的固体含碳物料热解系统,其中: 来自所述热解通道上部出口的至少一部分热解产物被供给到炉膛作为燃料。
5.根据权利要求4所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述至少一部分热解产物包括重质焦油和/或热解气。
6.根据权利要求3所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述惰性粒子的粒径范围是0-2mm。
7.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体含碳物料为煤、油页岩、干污泥或生物质颗粒。
8.根据权利要求7所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体含碳物料的粒径在0-12mm范围内。
9.根据权利要求8所述的固体含碳物料热解系统,还包括: 分选子系统,将粒径在0.1mm以下的固体含碳物料移除;以及 输送子系统,适于输送从分选子系统分选出的粒径在0.1mm以上的固体含碳物料到热解通道。
10.根据权利要求9所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述分选子系统包括: 流化床分选通道,流化气体从所述分选通道的下部引入所述分选通道以流化位于所述分选通道中的颗粒状固体含碳物料,所述分选通道的下部设置有大粒径固体含碳物料排出P ; 第二分离器,所述第二分离器的入口与所述分选通道的上部出口相通,所述第二分离器的气体出口排出粒径在0.1mm以下的固体含碳物料及流化气体, 其中:来自所述大粒径固体含碳物料排出口与所述第二分离器的固体出口的固体含碳物料进入所述输送子系统。
11.根据权利要求10所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述流化床分选通道中设置有干燥加热单元,用于干燥流化床分选通道中的固体含碳物料。
12.根据权利要求10所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述第二分离器的气体出口与所述炉膛相通以为炉膛提供燃料。
13.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体含碳物料热解系统还包括固体含碳物料流化分选装置,从分选装置的上部出口排出的固体含碳物料被输送到循环流化床炉膛,且从分选装置的下部出口排出的固体含碳物料被输送到所述热解通道。
14.根据权利要求13所述的固体含碳物料热解系统,其中: 从分选装置上部出口排出、输送到炉膛的固体含碳物料,其燃烧发热量与热解通道所需的热量相匹配。
15.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解通道自下而上包括热解段、加热段,位于所述热解段和加热段中的固体含碳物料分别呈微流化状态和流化状态。
16.根据权利要求15所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解段和加热段的位置与所述密相区的位置大致对应。
17.根据权利要求15所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解段的位置与所述密相区的位置大致对应,所述加热段的位置与所述稀相区的位置大致对应。
18.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解通道从下而上包括释尽段、热解段、加热段,位于所述释尽段、热解段和加热段中的固体含碳物料分别呈移动床状态、微流化状态、流化状态。
19.根据权利要求18所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解段和加热段的位置与所述密相区的位置大致对应。
20.根据权利要求18所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述热解段的位置与所述密相区的位置大致对应,所述加热段的位置与所述稀相区的位置大致对应。
21.根据权利要求19所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述释尽段位于所述密相区的下方而不与固体热载体通道中的固体热载体形成热交换。
22.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体含碳物料利用热解通道内产生的气态热解产物以自流化的状态通过所述热解通道。
23.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述固体含碳物料利用热解通道内产生的气态热解产物以及从热解通道下部通入的另外的流化气体以流化的状态通过所述热解通道。
24.根据权利要求23所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述另外的流化气体为热解气、氢气、甲烷或其它非氧化性气体。
25.根据权利要求1所述的固体含碳物料热解系统,还包括: 冷却装置,所述冷却装置布置在所述热解通道的下方用于冷却固体含碳物料热解后从热解通道排出的固体产物。
26.—种固体含碳物料热解系统,包括: 循环流化床炉膛,固体热载体以流态化在炉膛内流动; 热解通道,颗粒状含挥发分的固体含碳物料从上部加入,利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,并发生热解反应, 其中: 所述热解通道穿过炉膛设置,所述热解通道的上端与所述热解通道的下端均位于所述炉膛的外部; 所述热解通道与炉膛通过导热间壁分隔开、且所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过所述导热间壁换热,固体含碳物料被加热、发生热解反应; 所述炉膛包括下部流化床区和上部燃尽室,所述上部燃尽室位于所述下部流化床区的上方且将所述下部流化床区与炉膛的出口烟道相通; 所述热解通道穿过所述下部流化床区且位于所述上部燃尽室之外而大致平行于所述上部燃尽室。
27.根据权利要求26所述的固体含碳物料热解系统,其中: 所述上部燃尽室内通入助燃空气和/或设置有冷却面。
28.—种固体含碳物料热解方法,包括步骤: 在固体热载体通道底部通入流化气体,使得固体热载体以流态化状态在固体热载体通道中流动; 向利用导热间壁与固体热载体通道分隔开的热解通道内供给颗粒状含挥发分的固体含碳物料,其中,所述固体含碳物料利用重力自上而下以流态化状态通过所述热解通道,所述固体热载体与所述热解通道内的固体含碳物料通过导热间壁换热,使固体含碳物料被加热、发生热解反应, 其中: 所述固体热载体通道为循环流化床炉膛的一部分; 所述炉膛包括固体热载体密相区以及位于所述密相区上方的固体热载体稀相区; 所述热解通道内的固体含碳物料至少有一部分呈流化床状态,并形成流化床床面,所述固体热载体密相区的床面大体上与所述热解通道内的流化床床面等高,或略低于后者,热解通道内的流化床床面将热解通道分为热解通道稀相区和热解通道密相区。
29.根据权利要求28所述的固体含碳物料热解方法,其中: 所述固体热载体包括燃料颗粒及其固态燃烧产物。
30.根据权利要求28所述的固体含碳物料热解方法,还包括步骤: 向炉膛内添加作为固体热载体的惰性粒子。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的固体含碳物料热解方法,还包括步骤: 提供颗粒状含挥发分的固体含碳物料,以及 利用分选操作将粒径在0.1mm以下的固体含碳物料移除;以及向热解通道内供给分选出的粒径在0.1mm以上的固体含碳物料。
32.根据权利要求31所述的固体含碳物料热解方法,还包括步骤: 将粒径在0.1mm以下的固体含碳物料送入到炉膛内燃烧。
33.根据权利要求28-30中任一项所述的固体含碳物料热解方法,还包括步骤: 将固体含碳物料输送到固体含碳物料流化分选装置,从分选装置的上部出口排出的固体含碳物料被输送到循环流化床炉膛,且从分选装置的下部出口排出的固体含碳物料被输送到所述热解通道。
34.根据权利要求33所述的固体含碳物料热解方法,其中: 调节通入分选装置的流化气体量,以使从分选装置输送到炉膛的固体含碳物料的燃烧发热量,与热解通道所需的热量相匹配。
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