CN104629775A - 一种含碳物质的热解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含碳物质的热解装置，其在热解过程中，可同步实现气-固分离和催化调质。现有的热解技术中，高温热解气的气-固分离设备、催化调质设备均与热解装置相互独立。受制于热解装置外的温降而导致高沸点焦油的析出，灰尘得不到有效的去除，会造成灰尘夹带和催化剂失活。而且灰尘随着焦油的析出和累积，还会导致设备和管道的堵塞。本发明的特征在于所发明的热解装置具有双层结构，热解产生的热解气，经过热解装置内层2的过滤、集气腔的扩径段5分离和过滤层6的过滤等三级气-固分离措施，实现在热解装置内的高效气-固分离，避免了油气产品的灰尘夹带。同时在过滤层6内添加催化剂，可简化催化热解工艺，实现对热解油气品的调质。

Description

一种含碳物质的热解装置
技术领域
本发明涉及固体能源化工技术领域。具体地，本发明涉及一种含碳物质的热解装置，其具有双层结构，可实现热解、除尘以及催化调质的一体化。
背景技术
含碳物质，比如煤、生物质、油页岩等，通过热解工艺获得热解油、气产品，是固体能源高附加值利用和能源梯级高效利用的一条有效途径。目前热解工艺存在的主要问题是高温气-固分离效率低，高温热解气中灰尘夹带严重，会引起设备与管道的堵塞，影响设备的稳定运行；同时收集到的热解油尘含量高，需进一步进行脱尘处理，因处理费用高，降低了其利用价值。
煤热解工艺按加热方式可分为外热式和内热式两类。外热式热解工艺的热源是由热解炉外提供，代表性的工艺有冶金焦炉、伍德（W-D）炭化炉和考伯斯炭化炉；内热式热解的热源是借助高温热载体的热量直接传递给煤粉，使含碳物质发生热解反应。内热式热解工艺根据热载体的不同，分为气体热载体热解工艺和固体热载体热解工艺。气体热载体热解工艺通常是将燃料燃烧后获得的高温烟气直接引入热解器内，与含碳物质混合，实现对原料的加热，代表性的工艺有美国的COED技术和ENCOAL技术；固体热载体热解工艺则利用高温固体颗粒（比如半焦、陶瓷球、石英砂等）与煤在热解室内混合实现煤的热解，代表性的工艺有美国Garrett技术、德国鲁奇-鲁尔（L-R）技术、中国科学院过程工程研究所的煤拔头技术、大连理工大学的DG技术等。由于热解反应，涉及到复杂的气、液、固三相反应，高温热解气溢出至炉外时，会夹带有粉尘。特别是内热式热解工艺中，气相与固相扰动剧烈，热解气中夹带的粉尘含量会更高，因此无论何种热解工艺，其产生的高温热解气均需在高温阶段进行气-固分离，以实现高温热解气的除尘和净化。
目前的高温气-固设备均与热解器相独立，置于热解器后端。主要的设备包括旋风分离器（中国科学院工程热物理研究所.固体热载体快速热解方法及装置.中国专利，200710119476.7）、丝网过滤器（中国科学院过程工程研究所.汽爆秸秆发酵剩余物热解制备液体燃料的方法及装置，中国专利，20051001l104.3）、陶瓷过滤器（武威，田贵山，关健.用陶瓷过滤器进行高温煤气除尘技术研究.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2000，19(2):214）、颗粒床(夏军仓,许世森,郜时旺.移动颗粒层过滤高温高压煤气除尘技术的试验研究.动力工程，2003,23(2):2337)等。在这些分离技术中，旋风分离器是较常采用的气-固分离技术，但受制于热解气流是固体含碳物质在热解反应后产生的，流速不稳定，因此单级的旋风分离器的分离效率低，对于细粉尘的除尘效率不高，理论上，采用多级旋风分离器可以提高除尘效率，但相应地，会增加高温热解气在冷却前的停留时间，会导致高温热解气的二次反应，降低油气品质。另外的一些过滤技术，包括过滤膜、过滤层、颗粒床等技术，通过对滤孔的调节，可以提高分离效率，但是在运行过程中阻力与负荷均会增大，而且需要间隙性的反吹以保证分离效率的稳定。
由于所有的这些分离装备与技术，均与热解装备相独立，位于热解器的尾部，高温热解气离开热解器进入气-固分离装备后，不可避免的温降，会导致热解油从高温热解气中析出，并与灰尘粘结在一起，造成分离设备部件的粘连或堵塞，清除起来极不方便。而且更重要的是，因为夹带的灰尘不能在分离器中得到有效的去除，所以获得的焦油尘含率高，处理成本增大，利用价值低。特别是，一些内热式的热解工艺，固体颗粒在热解器中扰动剧烈，高温热解气中的尘含量更大，管道堵塞的问题更严重。
另外，为了实现对热解油气产物的催化调质，需对热解产生的高温煤气在催化反应器中进行催化调质，一般的工艺是采用两段炉的方法（PT Williams,HM Chishti.Two stage pyrolysis of oil shale usinga zeolite catalyst，Journal of Analytical and Applied Pyrolysis.2000,55(2):217），使热解器内产生的高温热解气在溢出热解器之后，直接进入催化反应器，完成对高温热解油气的品质调控和结构重整，以改善热解油气品的质量。但是由于热解器与催化反应器相互独立，高温热解气夹带的灰尘未得到脱除，易导致催化剂的失活，引起催化反应器的堵塞；如果将催化反应器放置与气-固分离装置之后，使灰尘预先得到脱除，则又需要保温以及加热设备，存在能耗高的缺点。
因此可见，现有的热解工艺中，由于热解反应装置与高温除尘装置以及催化热解反应装置各自独立，工艺路线长，不可避免的温降会使焦油析出，引起灰尘脱除效率低、催化剂失活以及设备和管道堵塞等问题，并且收集到的焦油尘含量高，利用价值低。
发明内容
本发明的目的在于，是为了克服由于热解器与气-固分离器、催化反应器各自独立，高温条件下，除尘效率低导致管道堵塞、催化剂易失活、焦油尘含量高以及稳定运行困难等问题，提供了一种在热解器内同步实现气-固分离和催化调质的方法。
本发明的另外一个目的在于，提供实现上述热解方式的装置。
根据本发明的含碳物质热解方法，其热解反应器为双层结构双套管或者双壁窑结构，如下以双套管为例，说明发明内容，含碳物质从入料口1加入至内管2并在内管内发生热解反应，反应产生的高温热解气通过内管2向外管3扩散，进入双管之间的集气腔4内，通过内管2的过滤功能将大部分粉尘过滤在内管内，随着热解后的颗粒排出，同时集气腔4内的热解气经过外管的扩径段5和集气腔的过滤层6，使热解气得到完全净化。
所述热解器的内管2由不同孔径的滤孔组成，具有过滤功能，含碳物质在热解器的内管内反应后，产生的高温热解气从内管经过滤进入到集气腔4内。
所述的热解器的外管3在顶部半径扩大，形成扩径段5，使在集气腔4内的气体流速在此处下降，促进热解气中夹带的灰尘的进一步分离，落在集气腔的底部。
所述热解器的集气腔4的顶部，在热解气溢出口7之前，设有过滤层6，使热解气体得到进一步净化。
所述集气腔内的过滤层6由滤板、或/和滤膜、或/和滤网、或/和滤料组成，使热解气夹带的灰尘在排出到热解器之前得到完全脱除。
所述集气腔内的过滤层6，在过滤层内部或者上部放置催化剂，使高温热解煤气得到催化提质，使热解油、气产物的收率、组成、品质得到改善。
所述热解器的内管2和外管3之间，以及在内管3内，设置若干传热性能好、耐高温的连接件作为强化导热板9，至少导热板的一端或一侧与热解器的外管壁或高温端面紧密接触，促进热量的传递，并保证受热面的均匀。
所述的热解器的加热方式为通过加热外管的外热式热解方式，或者以高温气体热载体或高温固体热载体为热源，在内管加热含碳物质的内热式热解方式，或者为了保证热量供应，采用外热式和内热式混合加热方式。
本发明中的热解器采用双层结构的构造，通过内层结构的过滤、集气腔的扩径分离、以及过滤层过滤等三级气-固分离措施，将普通热解技术中独立的气-固分离单元，集成于热解炉内，使分离体系一直维持在高温阶段运行，避免了液相的析出，提高了分离效率。另外，通过在过滤层增置催化剂，也可同步进行热解的催化调质，同样可将传统的催化器与热解器相互独立的催化热解工艺，集成于热解炉内进行。因此，本发明的热解装置可实现热解、除尘以及催化调质的一体化，极大地简化了热解工艺流程，节约能耗，减低投资费用，具有良好的工业运用前景。
附图说明
图1为本发明双套管热解器示意图；
图2为本发明双套管热解装置热解含碳物质的原理示意图；
图3为本发明双套管热解装置中集气腔中的强化导热板示意图；
附图标识
1、热解器入料口        2、双套管热解器内管  3、双套管热解器外管
4、集气腔              5、热解器外管扩径段  6、过滤（催化）层
7、热解气相产物溢出口  8、热解半焦排出口    9、热解器双管之间的导热板
10、双套管热机器       11、螺旋进料机       12、加热室
13、热解颗粒排料口
具体实施方式
下面结合附图对本发明的装置进行进一步说明。
双套管热解器示意图见图1，该双套管热解器的主体结构包括内管2和外管3，以及内管和外管之间的集气腔4。其中内管2为反应管，含碳物质在管内发生热解反应，产生的高温热解气在内管内向外侧扩散，经过过滤，进入集气腔4。在集气腔内，由于外管3在其尾部的扩径，形成扩径段5，使热解气体经过集气腔的扩径段5后，流速下降，同时进入过滤层6，得到进一步的脱尘，完成从气相产物溢出口7导出之前的气固分离。
本发明的气-固分离措施是在热解器内进行的，内管2由不同孔径的滤孔组成，产生的高温热解气经过内管滤孔的过滤后，进入集气腔4，上升至集气腔的扩径段5，流速下降，使夹带的灰尘进一步分离，当气体最终经过过滤层6从溢出口7导出时，热解气夹带的微细粉可得到彻底清除，实现高温粉尘在热解炉内的高效脱除。
而且在双套管热解器内，由于煤热解为吸收反应，热解反应发生在内管，使热解器一直维持着集气腔内温度略高于内管内的状态，产生的高温热解气从低温区移向高温区，这尽可能地避免了在热解炉内由于温降而引发的液相析出，从而克服了煤粉挂壁粘连以及除尘效率下降的问题。
双套管热解装置热解含碳物质的原理示意图见图2，包括双套管热解器10、螺旋进料装置11、加热装置12、热解颗粒排料口13等。进料装置的出口与热解器的内管进口相连。
本发明用以下实施实例说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
粒径200目的煤粉，在105℃干燥后，从热解器的顶部入料口处1加入到热解器的内管2中，在外热加热模式下，使内管温度保持在400～700℃范围内，煤粉发生热解反应，气态产物通过内管的过滤平均滤径0.5mm）导出进入双套管之间的集气腔4，高温热解气在集气腔内向上流动，经过外管的扩径段5和过滤层6，在气相产物溢出口7排出，经过降温处理进行热解气和热解油的分离；达到预定反应时间后，煤粉得到充分热解反应，在热解器底部进行排焦操作，使半焦从排焦口8释放，并进行熄焦处理。与热解相关的热解油、气处理与收集技术以及熄焦技术可按现有成熟方式处理。
通过该种方式热解后产生的高温热解气，经过双套管内壁的过滤、集气腔的扩径分离、和过滤层过滤等三级气-固分离措施，可使热解焦油的尘含率控制在0.1%以下。
实施例2
粒径小于1mm的煤粉，在105℃干燥后，采用内加热热解的模式，与平均粒径为2.5mm的950℃的石英砂在热解器的顶部入料口1处混合，并加入到热解器的内管2中，以石英砂为热载体，对煤粉颗粒进行加热，通过调整煤粉与石英砂的物料配比，使内管温度保持在400～700℃范围内，发生热解反应。产生的高温热解气经过内管的过滤（滤径～0.45mm），进入双套管之间的集气腔4，高温热解气在集气腔内向上流动，经过外管的扩径段5和过滤层6，在气相产物溢出口7处排出，经过降温处理进行热解气和热解油的分离。与热解相关的熄焦、热解气处理与收集技术，以及石英砂与热解半焦的分离与热载体循环技术可按现有成熟方式处理。
实施例3
105℃烘干的松木木屑、锯屑与稻壳的混合废弃生物质，经过高速粉碎机粉碎后，从热解器顶部入料口加入，在外加热的模式下，使热解器的内管温度保持在400～750℃范围内，生物质发生热解反应，热解高温气态产物通过内管的过滤（滤径为0.1-0.5mm之间）导出，进入双套管之间的集气腔4，高温热解气在集气腔内向上流动，经过外管的扩径段5和过滤层6，在气相产物溢出口7处排出，通过降温处理进行热解气和热解油的分离；热解器内壁内的油页岩粉达到预定反应时间后，从排焦口8释放，并进行熄焦处理。与热解相关的热解油、气处理与收集技术以及熄焦技术可按现有成熟方式处理。
实施例4
油页岩经过粉碎后，6mm以细的油页岩粉，从热解器顶部入料口加入，在外加热的模式下，使热解器的内管温度保持在400～750℃范围内，油页岩发生热解反应，热解高温气态产物通过内管的过滤（平均滤径0.5mm）导出，进入双套管之间的集气腔4，高温热解气在集气腔内向上流动，经过外管的扩径段5和过滤层6，经气相产物溢出口出排出，通过降温处理进行热解气和热解油的分离；热解器内管内的油页岩粉达到预定反应时间后，在热解器底部排焦口8释放，并进行熄焦处理。与热解相关的热解油、气处理与收集技术以及熄焦技术可按现有成熟方式处理。
实施例5
实施实例5与实施实例1的不同之处，在于在双套管热解器的集气腔中增加了强化导热板9。在双套管热解器的内管和外管之间设置若干传热性能好、耐高温的连接件作为强化导热板，促进热量从热解器的加热区的外管(3)向内管(2)的导入，快速加热含碳物质。
实施例6
实施实例6与实施实例1不同之处，在于双套管热解器的过滤层含有负载型催化剂颗粒，在过滤层内部或者顶部放置催化剂，使高温热解煤气得到催化提质，改变热解油气产物的收率、组成以及品质。以20-40目γ-Al2O3作为催化剂载体，载体表面负载占载体质量为1-20%（优选6-12%）的Cr3O4催化剂作为催化热解催化剂，在催化剂装填高度为2-20cm（优选6-10cm）的条件下，对高温热解气进行催化，可以增加热解气体收率约12%，而且会促进焦油的轻质化，增加苯、萘及其衍生物的质量约10%。
需要指出的是，对于本发明具体实施方法，所述的双套管热解器的套管可以为圆型、方形、或多边形等结构。该热解器与其他装置的结合形式与操作方式可进行适当改进，但都不会由此背离权利要求书中过规定的本发明的范围与基本精神。

Claims (14)

1.一种热解反应器，包括内外双层结构，内层组成热解腔，且内层壁设有滤孔，内外层之间为集气腔，入料口与热解腔相连，集气腔的顶部设有溢出口。
2.根据权利要求1所述的一种热解反应器，其特征在于所述内外层为双套管或双壁窑结构。
3.根据权利要求2所述的一种热解反应器，其特征在于所述套管为圆型、方形、或多边型。
4.根据权利要求1或2所述的一种热解反应器，其特征在于所述外层顶部设有扩径段。
5.根据权利要求1或2所述的一种热解反应器，其特征在于所述内外层之间设有导热板，所述导热板的一端或一侧与热解器的外管壁或高温端面紧密接触。
6.根据权利要求1或2所述的一种热解反应器，其特征在于所述集气腔的顶部溢出口之前设有过滤层。
7.根据权利要求1或2所述的一种热解反应器，其特征在于所述热解器的加热方式为在外管外加热的外热式热解方式，或者以高温气体热载体或固体热载体为热源在内管内加热的内热式热解方式，或者为同时采用外热式和内热式的混合加热方式。
8.根据权利要求6所述的一种热解反应器，其特征在于所述过滤层为滤板、滤膜、滤网、滤料或两种它们的组合。
9.根据权利要求6所述的一种热解反应器，其特征在于所述过滤层内部或上部放置催化剂。
10.根据权利要求1、2、8或9所述的一种热解反应器，其特征在于用于含碳物质的热解。
11.根据权利要求10所述的一种热解反应器，其特征在于所述含碳物质为煤气或松木木屑、锯屑与稻壳的混合废弃生物质或油页岩。
12.一种含碳物质的热解方法，其特征在于反应在权利要求1、2、8或9所述的热解反应其中进行，含碳物质从入料口加入至热解腔，在热解腔内发生热解反应，反应产生的高温热解气通过内层向外层扩散至集气腔内，通过内层的过滤功能将大部分粉尘过滤在内层内，随着热解后的颗粒排出，同时集气腔内的热解气经过外管的扩径段和集气腔的过滤层使热解气得到完全净化。
13.根据权利要求12所述的一种含碳物质的热解方法，其特征在于所述过滤层内部或顶部放置有催化剂。
14.根据权利要求13所述的一种含碳物质的热解方法，其特征在于所述催化剂的载体为20-40目γ-Al2O3，载体表面负载占载体质量为1-20%的Cr3O4，催化剂装填高度为2-20cm。
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