CN104789245B - 一种热解气化装置和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热解气化装置和工艺。该装置共由三个主反应器构成：上行床氧化燃烧器、下行床快速热解器和鼓泡床气化器。原料煤或煤和生物质的混合物从热解器上部加入，被来自燃烧器的高温循环半焦迅速加热，发生催化热解反应，生成半焦、焦油与煤气；通过快速分离，热解器中生成的新鲜半焦与高温循环半焦被送入气化器，与气化剂发生气化反应；未被气化的半焦被继续送入燃烧器，在氧气作用下发生部分氧化燃烧，从而获得大量高温循环半焦。本发明的优点是耦合了原料分级利用中的燃烧‑热解‑气化过程，并利用半焦自有的催化活性和自热携带能力，实现了高品质焦油、煤气和合成气的联产，具有良好的经济、社会效益。

Description

一种热解气化装置和工艺

技术领域

本发明涉及一种热解气化装置和工艺，特别是一种基于半焦的催化活性和自热携带能力的三塔式高通量半焦循环流化床煤或煤和生物质的混合物热解气化工艺。属于低阶煤或煤和生物质的混合物热解-气化-燃烧耦合的热化学转化分级利用领域。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，在未来相当长的时期内，仍将在我国的能源结构中占主导地位，其中，以褐煤和低变质烟煤为代表的低阶煤储量占煤资源总量的55%以上。随着高变质煤种越来越少，低阶煤的优化利用日显重要。而低阶煤煤化程度低、含水量高，直接燃烧或气化效率低、污染物和碳排放量大，无法充分利用其资源价值，导致了煤炭资源的巨大浪费。

低阶煤热解是其高效利用的重要方法之一。根据低阶煤的组成和结构特征，把煤的热解、气化、燃烧及其它过程有机结合已取得了一定的成功经验，但现有热解耦合技术存在着工艺流程长、设备多、能耗高以及操作控制复杂等缺点。中国发明专利CN 102504842A根据煤中不同组分在不同转化阶段反应性不同的特点，以高温循环灰为固体热载体，热解-气化-燃烧三流化床为核心装置，旨在提高煤转化效率和利用效率，减小投资、降低成本。但该工艺存在如下不足：首先，由于高温循环灰粒度小，存在热解煤气含尘量高，容易造成管路堵塞和粉尘-焦油难以分离等问题，而且采用高温循环灰作为热载体，灰的热值低、密度低，传热效率不高；其次，该工艺所用的热解装置为鼓泡流化床热解器，该床型中低阶煤颗粒停留时间分布较广，不同煤颗粒所处反应阶段存在显著差异，降低了对目标产物焦油的选择性和热解效率，不利于高品质焦油的生成。因此，该工艺存在出油率低、重油组分含量高、焦油提纯困难以及热能利用率低等不足。中国发明专利CN201410077858.8提出了一种包括循环流化床锅炉、移动床热解反应器和气化炉的煤热解气化多联产装置，将移动床气化炉作为热解煤气的净化装置对热解煤气在线除尘。该工艺利用循环流化床锅炉的高温循环灰作为热载体，同样存在高温循环灰热载体的缺陷，且采用移动床热解器和气化炉反应效率低、无法实现快速热解，且难以控制热解焦油品质。日本东京大学（ChemicalEngineering Science, 66(18)(2011)4212-4220；Chemical Engineering Journal, 164(2010) 221-229；Advanced Powder Technology, 25(1)(2014)379-388）基于自热再生理论提出了“新型高密度三塔式循环流化床气化工艺”，该工艺创新性的将热解器调整为下行床型，实现了对热解反应时间的精确调控；同时在热解半焦颗粒进入气化器前将热解产物分离，避免了热解挥发份的存在对热解半焦气化生成合成气的抑制作用。但该工艺采用石英砂作为固体载热颗粒，导致该装置存在动力消耗大、设备磨损严重等问题；同时载热介质与煤颗粒密度差较大，运行过程容易产生偏析现象，不利于传热过程的进行，进而影响快速热解的效率。中国发明专利CN201210064139.3采用高温半焦作为载热体在流化床热解炉和流化床半焦加热炉之间循环，可实现煤气、焦油、半焦和蒸汽联产。但该工艺采用的热解炉和半焦加热炉均为传统的鼓泡流化床型，热解及燃烧效率低，无法对热解时间精确控制获得高品质热解油，且缺少气化工序以致半焦产品得不到充分利用。上述工艺均未考虑利用高温半焦颗粒的催化活性和多孔吸附性能来增加出油率和油品品质，高温半焦自身携带的热量也未得到充分利用。

生物质能是一种可再生新能源，在化石能源日渐枯竭的背景下开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机，而且可以减轻环境污染，同时节省能源。因此，生物质热解、气化作为大规模利用生物质能的技术手段也越来越得到人们的重视，但生物质的能量密度低，单独用于热解或气化时温度较低、过程不易控制、设备易腐蚀、生成焦油多，不仅降低其利用效率，而且会造成二次污染，使单独热解或气化的规模受到限制。与燃料煤相比，生物质形成的时间短，其结构疏松，热解、气化和燃烧过程具有自己的特点。生物质与煤混和燃烧能够减少硫氧化物和氮氧化物的排放，生物质与煤的混合热解过程中两者会有不同程度的协同作用，如生物质热解产生的富氢气体可以作为煤加氢热解的氢源。而且生物质的反应活性一般高于煤，大多数生物质气化后生成的半焦往往具有更高的催化活性，对煤或生物质热解都有不同程度的催化促进作用。因此将生物质与煤共热解或气化，既克服了生物质单独热解或气化过程中的各种问题，又可弥补煤炭资源的短缺，而且无论从生态学还是经济学的角度分析，都是最可行的利用方式之一。

发明内容

本发明旨在提供一种基于半焦的催化活性和自热携带能力的三塔式高通量半焦循环流化床煤或煤和生物质的混合物热解气化工艺，是一种集燃烧、热解、气化于一体的结构紧凑、环境友好、能耗低、出油率高、油品好的工艺。

本发明提供了一种热解气化装置，其特征在于，包括燃烧器、热解器、气化器三个主反应器，所述热解器为下行床快速热解器，气化器为鼓泡床气化器，燃烧器为上行床氧化燃烧器；下行床快速热解器中上部设有原料入口，原料入口上方为分布器，下行床快速热解器底部连接惯性分离器；惯性分离器侧面依次连接第一旋风分离器，第一布袋除尘器，第一冷却器；惯性分离器底部连接鼓泡床气化器；鼓泡床气化器上端与第一旋风分离器相通，底部设有水蒸气、氧气入口，鼓泡床气化器上部侧面依次连接第二旋风分离器，第二布袋除尘器，第二冷却器，鼓泡床气化器下部侧面连接上行床氧化燃烧器；上行床氧化燃烧器底部设有氧气、空气入口，上行床氧化燃烧器顶部设有高温循环半焦出口通往第三旋风分离器，第三旋风分离器依次连接第四旋风分离器，第三布袋除尘器，第三冷却器，第三旋风分离器底部连接下行床快速热解器的分布器，且第四旋风分离器底部连接分布器；所述第二冷却器底部设有软化水入口，第二冷却器与第一冷却器、第三冷却器串联连接，第三冷却器顶部连接高压蒸汽锅炉，高压蒸汽锅炉顶部连接鼓泡床气化器的底部水蒸气入口。

本发明提供了一种热解气化工艺，采用上述热解气化装置，用于煤或煤和生物质的混合物的热解气化，包括以下步骤：

（1）下行床快速热解器中的反应：原料煤或煤和生物质的混合物颗粒从下行床快速热解器顶部加入，与来自上行床氧化燃烧器的高温循环半焦颗粒混合，原料煤或煤和生物质的混合物颗粒被快速加热实现快速催化热解，析出挥发份并生成热解半焦颗粒，挥发份被高温循环半焦颗粒吸附并进行催化解聚获得高品质热解油和煤气；

（2）下行床快速热解器中的后序处理：热解半焦颗粒与挥发份通过惯性分离器分离，析出的挥发份经布袋除尘器和冷却器处理，冷凝部分为液态高品质焦油，未冷凝部分为中高热值的热解煤气；

（3）鼓泡床气化器的反应及后序处理：煤或煤和生物质的混合物热解生成的新鲜半焦颗粒与循环半焦颗粒被送入鼓泡床气化器，与气化剂发生气化反应生成合成气，合成气通过分离器分离后，经布袋除尘器和冷却器处理后用作化工原料；

（4）上行床氧化燃烧器的反应及后序处理：气化器中剩余半焦颗粒被送入上行床氧化燃烧器，通过控制鼓入氧气和空气进行部分氧化燃烧，获得大量高温循环半焦颗粒；该高温循环半焦颗粒进入下行床快速热解器中反应。

上述工艺中，所述原料煤是低阶煤，所述生物质为农林废弃物；进一步地，所述农林废弃物为树木。

上述工艺中，在三个主反应器中分布有循环载热介质，所述循环载热介质为具有催化活性的高温多孔半焦颗粒。

上述工艺中，所述步骤（3）中的气化剂为水蒸气和氧气，所述水蒸气与氧气的摩尔比控制在100:1-10。

上述工艺中，所述上行床氧化燃烧器的运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3MPa。

上述工艺中，所述下行床快速热解器的运行温度为850-900℃，运行压力为0.1-0.2 MPa。

上述工艺中，所述鼓泡床气化器的运行温度为800-850℃，运行压力为0.1-5 MPa。

上述工艺中，所述上行床氧化燃烧器中鼓入氧气的量为氧气、空气加入总量的5-10%。

本发明在三塔式循环流化床热解气化装置中对原料进行分级高效利用，实现了增加出油率和提高油品品质、同时附带热解煤气和合成气等的联产，带来的有益效果：

（1）半焦颗粒与煤或生物质颗粒密度相近，在反应系统中不易产生偏析现象，传热效果好；另外，半焦比热较低，燃烧放出的热量可以更好地提高循环半焦温度，增大半焦与煤或生物质颗粒的温差，提高传热速率，使下行床中的煤或生物质颗粒可快速热解获得更多的燃料油，同时也降低了床层所需高度；

（2）半焦颗粒密度低，与传统惰性载热颗粒相比，整个系统可以在低动力消耗的情况下实现循环载热颗粒的高通量化；

（3）半焦质地较惰性载热颗粒柔软，能减少系统的磨损；

（4）高热多孔半焦颗粒能够吸附热解生成的焦油，并利用半焦的催化活性使焦油在半焦颗粒孔道内活性位点发生催化解聚反应，降低热解焦油碳链长度，提高出油率及焦油品质；

（5）下行床中由煤或生物质的快速热解获得的新鲜半焦颗粒，可以补充循环半焦颗粒在提升管燃烧器中因部分燃烧及在流化床气化器中因水蒸气气化而造成的损失，从而实现三塔式循环热解气化器的整体物料平衡，使整体运行稳定；

（6）下行床具有停留时间短、分布均一的特点，是热解这类型短接触快速反应的理想反应器。

附图说明

图1为热解气化装置的结构示意图。

图中：1原料入口，2分布器，3下行床快速热解器，4惯性分离器，5第一旋风分离器，6第一布袋除尘器，7第一冷却器，8鼓泡床气化器，9水蒸气、氧气入口，10第二旋风分离器，11第二布袋除尘器，12第二冷却器，13上行床氧化燃烧器，14 氧气、空气入口，15第三旋风分离器，16第四旋风分离器，17第三布袋除尘器，18第三冷却器，19 高压蒸汽锅炉， 20 软化水入口。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

首先对热解气化装置进行说明：

如图1所示，一种热解气化装置，其特征在于，包括燃烧器、热解器、气化器三个主反应器，所述热解器为下行床快速热解器3，气化器为鼓泡床气化器8，燃烧器为上行床氧化燃烧器13；

下行床快速热解器3中上部设有原料入口1，原料入口1上方为分布器2，下行床快速热解器3底部连接惯性分离器4；惯性分离器4侧面依次连接第一旋风分离器5，第一布袋除尘器6，第一冷却器7；惯性分离器4底部连接鼓泡床气化器8；鼓泡床气化器8上端与第一旋风分离器5相通，底部设有水蒸气、氧气入口9，鼓泡床气化器8上部侧面依次连接第二旋风分离器10，第二布袋除尘器11，第二冷却器12，鼓泡床气化器8下部侧面连接上行床氧化燃烧器13；上行床氧化燃烧器13底部设有氧气、空气入口14，上行床氧化燃烧器13顶部设有高温循环半焦出口通往第三旋风分离器15，第三旋风分离器15依次连接第四旋风分离器16，第三布袋除尘器17，第三冷却器18，第三旋风分离器15底部连接下行床快速热解器3的分布器2，且第四旋风分离器16底部连接分布器2；

所述第二冷却器12底部设有软化水入口20，第二冷却器12与第一冷却器7、第三冷却器18串联连接，第三冷却器18顶部连接高压蒸汽锅炉19，高压蒸汽锅炉19顶部连接鼓泡床气化器的底部水蒸气入口。

下面结合图1对热解气化工艺进行说明：

下行床快速热解器：

原料低阶煤（或煤和生物质的混合物）颗粒从下行床快速热解器3顶部原料入口1加入，上行床氧化燃烧器13产生的高温循环半焦颗粒通过分布器2进入，两种颗粒在该下行床快速热解器3进口部分混合，热解器运行温度为850-900 ℃，运行压力为0.1-0.2 MPa。加入的煤或煤和生物质的混合物颗粒通过与高温循环半焦颗粒接触被加热，当煤或煤和生物质的混合物颗粒被加热到300℃时热解反应开始发生，生成轻质气体、焦油和半焦，该反应为吸热反应，吸收的热量同样由高温循环半焦提供。高温循环半焦除了加热煤颗粒，由于具有吸附能力和催化能力，可以吸附生成的挥发分，使生成的挥发份可进入半焦孔隙进行进一步解聚，使其中重质焦油组分转变为轻质焦油组分，从而提高焦油品质。由于下行床反应器停留时间短，而热解反应为快速反应，通过短时间接触热解反应完成，而生成的半焦与高温循环半焦与挥发份通过快速惯性分离器4分离，被送入鼓泡流化床气化器8中，析出的挥发份进一步通过第一旋风分离器5、第一布袋除尘器6及第一冷却器7进行除尘与降温处理，冷凝部分即为液态轻质焦油，未冷凝部分即为中高热值的热解煤气。

鼓泡床气化器：

煤（或煤和生物质的混合物）颗粒热解生成的半焦与高温循环半焦颗粒被送入鼓泡床气化器8，水蒸气和少量氧气（摩尔比为100:1-10）作为气化剂和流化气从该反应器底部水蒸气、氧气入口9通入，鼓泡床气化器8中运行温度800-850 ℃，运行压力为3-5 MPa。焦炭和水蒸气在反应器中发生水煤气反应，制取合成气，该反应也为吸热反应，反应所需的热量仍然由高温循环半焦提供。所制得的合成气通过第二旋风分离器10后，经第二布袋除尘器11除尘和第二冷却器12降温后可用作化工原料，气化器中剩余半焦被继续送入上行床氧化燃烧器13。

鼓泡床气化器8水蒸汽可通过此途径获得：软化水经第二冷却器12、第一冷却器7和第三冷却器18逐级升温后，再经过高压蒸汽锅炉19可获得气化炉所需要的高温水蒸气，同时使三个反应器产生的气体热量得到了充分利用。

上行床可控氧化燃烧器

气化器中剩余半焦被送入上行床氧化燃烧器13，使半焦颗粒表面部分氧化燃烧，目的是使半焦颗粒的温度和热容量达到后续煤颗粒快速热解和气化所需的热量传递要求。氧化剂氧气（空气）（鼓入氧气的浓度应控制在5-10%）从上行床氧化燃烧器13底部的氧气、空气入口14鼓入，上行床氧化燃烧器13中运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3 MPa。在该反应器中，剩余半焦与氧气在燃烧器内发生部分氧化燃烧，放出热量，加热未氧化燃烧的半焦。生成的CO和CO₂与未反应的吸收了热量的高温半焦通过第三旋风分离器15分离后，生成的气体经过第四旋风分离器16、第三布袋除尘器17除尘和第三冷却器18降温处理后放空。从该反应器得到的高温循环半焦颗粒再次通过分布板进入下行床快速热解器3，用于提供热解所需的热量，完成循环。这样就在一套装置中对煤（或煤和生物质的混合物）颗粒进行了分级利用，实现了高品质焦油、热解煤气和合成气等副产物的联产。

Claims (5)

1.一种热解气化装置，其特征在于，包括燃烧器、热解器、气化器三个主反应器，所述热解器为下行床快速热解器，气化器为鼓泡床气化器，燃烧器为上行床氧化燃烧器；下行床快速热解器中上部设有原料入口，原料入口上方为分布器，下行床快速热解器底部连接惯性分离器；惯性分离器侧面依次连接第一旋风分离器，第一布袋除尘器，第一冷却器；惯性分离器底部连接鼓泡床气化器；鼓泡床气化器上端与第一旋风分离器相通，底部设有水蒸气、氧气入口，鼓泡床气化器上部侧面依次连接第二旋风分离器，第二布袋除尘器，第二冷却器，鼓泡床气化器下部侧面连接上行床氧化燃烧器；上行床氧化燃烧器底部设有氧气、空气入口，上行床氧化燃烧器顶部设有高温循环半焦出口通往第三旋风分离器，第三旋风分离器依次连接第四旋风分离器，第三布袋除尘器，第三冷却器，第三旋风分离器底部连接下行床快速热解器的分布器，且第四旋风分离器底部连接分布器；所述第二冷却器底部设有软化水入口，第二冷却器与第一冷却器、第三冷却器串联连接，第三冷却器顶部连接高压蒸汽锅炉，高压蒸汽锅炉顶部连接鼓泡床气化器的底部水蒸气入口。

2.一种热解气化工艺，采用权利要求1所述的热解气化装置，用于煤或煤和生物质的混合物的热解气化，其特征在于，包括以下步骤：

（1）下行床快速热解器中的反应：原料煤或煤和生物质的混合物颗粒从下行床快速热解器顶部加入，与来自上行床氧化燃烧器的高温循环半焦颗粒混合，原料煤或煤和生物质的混合物颗粒被快速加热实现快速催化热解，析出挥发份并生成热解半焦颗粒，挥发份被高温循环半焦颗粒吸附并进行催化解聚获得高品质热解油和煤气；

（2）下行床快速热解器中的后序处理：热解半焦颗粒与挥发份通过惯性分离器分离，析出的挥发份经布袋除尘器和冷却器处理，冷凝部分为液态高品质焦油，未冷凝部分为中高热值的热解煤气；

（3）鼓泡床气化器的反应及后序处理：煤或煤和生物质的混合物热解生成的新鲜半焦颗粒与循环半焦颗粒被送入鼓泡床气化器，与气化剂发生气化反应生成合成气，合成气通过分离器分离后，经布袋除尘器和冷却器处理后用作化工原料；

所述气化剂为水蒸气和氧气，所述水蒸气与氧气的摩尔比控制在100:1-10；

（4）上行床氧化燃烧器的反应及后序处理：气化器中剩余半焦颗粒被送入上行床氧化燃烧器，通过控制鼓入氧气和空气进行部分氧化燃烧，获得大量高温循环半焦颗粒；该高温循环半焦颗粒进入下行床快速热解器中反应；

在三个主反应器中分布有循环载热介质，所述循环载热介质为具有催化活性的高温多孔半焦颗粒；

所述上行床氧化燃烧器的运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3 MPa；

所述下行床快速热解器的运行温度为850-900℃，运行压力为0.1-0.2 MPa；

所述鼓泡床气化器的运行温度为800-850℃，运行压力为0.1-5 MPa。

3.根据权利要求2所述的热解气化工艺，其特征在于：所述原料煤是低阶煤，所述生物质为农林废弃物。

4.根据权利要求3所述的热解气化工艺，其特征在于：所述农林废弃物为树木。

5.根据权利要求2所述的热解气化工艺，其特征在于：所述上行床氧化燃烧器中鼓入氧气的量为氧气、空气加入总量的5-10%。