CN104861992A - 一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法，主要装置包括：下行床热解反应器(1)、流化床反应器(2)、移动床分离装置(3)、旋风分离器(4)、氨水喷淋装置(5)和油水分离装置(6)。该热解装置以固体循环灰为热载体为热解反应过程提供热量，生成的固体半焦返回流化床反应器发生氧化反应为系统的热解过程供热；热解油气和固体产物经移动床分离、旋风分离、氨水喷淋深度捕集、油水分离以及将热解产物焦油中的重质组分返回热解反应器中进行反复热裂解等过程，最终得到较高收率的轻质焦油以及清洁的煤气。本发明既简化了热解工艺、提高了系统热效率，同时还可脱除油、气产物中携带的大量灰分，脱除率可达99％以上。

Description

一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法

技术领域

本发明属于能源化工领域，特别适用于基于固体燃料生产轻质液体燃料及高附加值化学品的热解装置。具体地，本专利涉及一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法。

背景技术

我国能源结构特征为富煤、少气、贫油，煤炭资源将对我国的社会经济发展起到主要的支撑作用。但是，传统的煤炭利用方式具有能源利用率低、能耗高、污染物排放量大等缺点；而且，随着能源资源，尤其是石油资源的日益枯竭以及环保意识的不断增强，开发煤基制取清洁液体燃料和清洁煤气的高效清洁煤炭转化技术，对于缓解能源紧张、优化能源结构、改善生态环境具有重要意义。

我国具有丰富的煤炭资源，尤其是低阶煤。煤炭在加热过程中会受热分解，生成气体和液体产物等高附加值燃料和基础化学品原料，同时副产半焦、以及灰分，因此，如何提高热解煤气、轻质焦油等热解产物的收率和质量，是实现低阶煤炭高效清洁梯级利用的关键。

煤拔头工艺是由中国科学院过程工程研究所提出的一项清洁利用型煤转化技术，该工艺通过耦合下行床的循环流化床反应器实现煤炭在温和条件下的快速热解、快速分离以及快速冷凝，可以获得热解气、焦油以及半焦；热解气以及焦油可以直接作为清洁燃料燃烧，也可以通过后续加工处理，生产高附加值化工产品，实现了煤炭分级利用与清洁高效转化。目前，该技术已进入中试阶段，但是运行结果表明依然存在焦油产品收率低，焦油中重质组分含量和灰尘含量高等问题。因此，在保证热解效率的前提下提高热解产物中轻质焦油收率和焦油品质、同时降低焦油中重质组分和含尘量，是煤拔头工艺以及煤基多联产分级利用技术的关键，这对低阶煤炭清洁高效利用具有重大研究价值和经济效益。针对如何提高热解过程中焦油收率及其品质，本申请的发明人已经开展了大量研究，而且曾提出一种生产轻质焦油的热解装置及方法(ZL 201110165703.6)，该装置是通过下行床中固体物料与气体热载体逆流接触发生热解，移动床中固体颗粒冷凝过滤热解油气的方法，利用固体颗粒冷凝并脱除热解油气中重质的沥青组分，从而提高热解过程中轻质焦油的收率，在一定程度上降低了热解产物中重质焦油组分含量，提高了轻质焦油产率和系统热效率。该发明是利用气体热载体作为热源使固体物料发生热解反应，反应过程中热解产物的含尘量较小。但是，利用气体热载体提供热量时，系统的运行负荷较低。为此，在中试试验研究过程中，为了进一步提高系统运转负荷以及热效率，工艺将充分利用系统中自身产生的热灰为固体热载体，为热解过程提供热量，但这同时也会造成热解产物中夹带较多的灰尘等问题，从而导致产物品质降低。

因此，为了解决以热灰为固体热载体带来的油气产物高含尘量的问题，且同时保证热解过程中有较高的轻质焦油收率，本发明提出了一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法。该装置采用下行床热解反应器，以固体循环灰为热载体为热解反应提供热量，使固体燃料、含尘重质焦油在下行床反应器中与循环灰热载体快速混合、且被快速加热，以发生热解反应，生成热解气、液产物以及固体半焦。热解气、液产物在经过高温过滤、氨水喷淋深度捕集、高凝点重质组分冷凝、油水分离、重质焦油反复热裂解等过程，最终得到较高收率的轻质焦油以及清洁的煤气，既提高了系统热效率，同时也可脱除油气产物中携带的灰分，脱除率可达99％以上。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置及方法，其主要技术方案为：固体燃料在下行床热解反应器中被热循环灰快速加热发生热解反应，生成热解油气、固体半焦；热解油气、固体半焦和循环灰进入移动床分离装置，使热解油气与固体半焦、循环灰中的粗颗粒进行初步分离；热解油气夹带细颗粒半焦以及热灰进入旋风分离器进行除尘；经旋风分离后的热解油气进入氨水喷淋装置，利用喷淋氨水进行深度捕集热解油气中的细颗粒固体，使高凝点的重质焦油组分冷凝析出，得到清洁的轻质热解油气和含尘、水和焦油混合物；含尘、水和焦油混合物进入油水分离装置进一步分离，得到的含尘重质焦油则再次返回下行床热解反应器，与固体燃料一起被循环热灰加热发生再次裂解，从而得到轻质焦油和清洁煤气。采用本发明技术的装置及方法，一方面，通过将重质焦油组分反复热裂解使其转化为轻质焦油和煤气，降低热解焦油产物中重质组分含量，提高产物焦油的H/C比以及轻质焦油和煤气收率；另一方面，通过多级除尘处理，降低产物焦油的含尘量；最终得到较高收率的轻质焦油以及清洁的煤气。

为实现上述目的，本发明提供了一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置，所述装置主要包括：

下行床热解反应器1，用于固体燃料的热解、以及含尘重质焦油的热裂解，并产生热解油气以及固体半焦；

流化床反应器2，用于固体半焦与空气或者氧气发生氧化反应，为下行床热解反应器1内固体燃料的热解以及含尘重质焦油的热裂解提供热解反应所需热量；

移动床分离装置3，用于热解油气与固体半焦、循环灰中的粗颗粒初步分离；固体半焦中的粗颗粒进入流化床反应器2，而热解油气则夹带未分离的细颗粒半焦以及灰进入旋风分离器4；

旋风分离器4，用于将来自于移动床分离装置3中夹带着细颗粒半焦及灰分的热解油气进行除尘；

氨水喷淋装置5，用于深度捕集来自旋风分离器4的热解油气中未脱除的固体颗粒，得到清洁的热解油气，并使高凝点的重质焦油组分冷凝，达到轻质热解油气与含尘、水和焦油混合物分离；轻质热解油气可进一步深冷分离，分别得到热解气和轻质焦油；含尘、水和焦油混合物则进入油水分离装置6；

油水分离装置6，用于将含尘、水和焦油混合物的分离，得到轻质焦油和含尘重质焦油；轻质焦油可进一步精制得到产品；含尘重质焦油则返回下行床热解反应器(1)进行热裂解；

所述下行床热解反应器1底部的物料出口与移动床分离装置3的顶部物料入口相连接，所述流化床反应器2下部侧壁的物料入口与移动床分离装置3底部或侧壁物料出口相连接，流化床反应器2上部侧壁或顶部的循环灰出口与下行床热解反应器1上部侧壁或顶部的循环灰入口相连接；

所述移动床分离装置3侧壁或底部油气出口依次连接旋风分离器4和氨水喷淋装置5；

所述氨水喷淋装置5的液固物料出口连接于油水分离装置6；油水分离装置6的含尘重质焦油出口连接于下行床热解反应器1侧壁或顶部焦油入口，油水分离装置6的氨水出口连接于氨水喷淋装置5的氨水入口。

作为上述方案的一种补充和改进，所述的一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置，还包括：冷凝分离装置7、气体净化装置8、液体净化装置9，分别用于气液产物进一步分离、净化；干燥器10，用于脱除原料中水分；筛分装置11，用于固体燃料的破碎、筛分；如图2所示，所述热解装置还包括冷凝分离装置7、气体净化装置8、液体净化装置9、干燥器10和筛分装置11；所述冷凝分离装置7与氨水喷淋装置5的热解油气出口相连；所述气体净化装置8和液体净化装置9并联连接于冷凝分离装置7；所述干燥器10与筛分装置11的物料入口相连；所述筛分装置11的两个物料出口分别与下行床热解反应器1和流化床反应器2的固体物料入口相连。

本发明可应用于通过快速热解反应从固体燃料中提取高热值气体、轻质液体燃料以及高附加值化学产品。所涉及的固体燃料包括：煤炭、油页岩、油砂以及生物质等含碳固体燃料；发明中所涉及的固体燃料1和固体燃料2(见图2)，可以是同一种类固体燃料或者不同种类固体燃料；也可以是同种类不同颗粒粒径的固体燃料。

本发明还提供了一种基于上述热解装置的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法所述方法的热解过程主要是指：固体燃料在下行床热解反应器中被热循环灰快速加热发生热解反应，生成热解油气、以及固体半焦；热解油气经一系列后续处理后得到轻质油、热解气等产物以及含尘重质焦油副产物；含尘重质焦油返回下行床热解器发生热裂解，生成轻质焦油、煤气以及固体半焦等产物。

所述的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，其主要技术方法为，由下行床热解反应器中得到的固体半焦，在流化床反应器中与空气或者氧气发生氧化反应，得到的循环热灰为固体热载体，为下行床热解反应器内固体燃料的热解以及含尘重质焦油的热裂解提供所需热量。

具体地，所述生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，主要包括如下步骤：

1)固体燃料在下行床热解反应器1中被热循环灰快速加热，发生热解反应，生成热解油气、固体半焦；

2)热解油气、固体半焦和循环灰进入移动床分离装置3，使热解油气与固体半焦、循环灰中的粗颗粒进行初步分离；

3)循环灰以及固体半焦中的粗颗粒进入流化床反应器2，与其底部通入的空气或者氧气发生氧化反应产生热量，该热量被循环灰携带进入下行床热解反应器供热；而热解油气则夹带细颗粒半焦以及热灰进入旋风分离器4进行除尘；

4)经旋风分离除尘后的热解油气进入氨水喷淋装置5，喷淋氨水用于深度捕集热解油气中的细颗粒固体，使高凝点的重质焦油组分冷凝析出，得到清洁的轻质油气和含尘、水和焦油混合物；轻质热解油气可进一步深冷分离，从而得到轻质焦油和清洁燃气；而含尘、水和焦油混合物则进入油水分离装置6进一步分离；

5)含尘、水和焦油混合物经油水分离装置6分离，得到的含尘重质焦油再次返回下行床热解反应器，与固体燃料一起被循环热灰加热发生热裂解，生成热解油气和固体产物；而分离得到的轻质焦油可被进一步精制得到产品；回收的氨水返回喷淋装置循环使用。

根据本发明所述的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，其中，由氨水喷淋装置5得到的轻质油气还可以经冷凝分离装置7分离为气体产物和液体产物，所述气体产物和液体产物分别通过气体净化装置8和液体净化装置9进行净化，得到清洁煤气以及轻质焦油产品。

根据本发明所述的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，其中，所述固体燃料经干燥器10干燥后还可以进入筛分装置11，经筛分装置11破碎分离后，经两个物料出口分别进入下行床热解反应器1和流化床反应器2。

根据本发明所述的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，其中，优选地，所述下行床热解反应器内温度为450～800℃；流化床反应器内温度为750～1000℃；移动床分离装置内温度为450～800℃；旋风分离器温度为450～800℃；氨水喷淋装置内温度为50～99℃；油水分离装置温度为50～99℃。

本发明的优势在于：

1、本发明利用系统中自身产生的循环热灰为固体热载体，为热解过程提供热量，无需外部供热，提高了系统的运转负荷以及热效率；

2、在本发明中，利用固体燃料、热解产生的半焦以及灰分颗粒对热解焦油中重质组分进行吸附、捕集，并将含尘重质焦油返回热解反应器进行反复热裂解，大幅降低了焦油中重质组分含量，提高了轻质焦油以及热解气收率；而且，热解气中含有大量的甲烷、氢气等活性小分子，有利于重质焦油热解后碎片的稳定，可进一步提高轻质焦油收率；

3、本发明中，含尘重质焦油的热裂解与固体燃料热解在同一装置中进行；而且根据固体燃料性质、含尘重质焦油组成以及工艺需求不同，可灵活调节固体燃料与含尘重质焦油的进料比，具有工艺简单、操作弹性大、简单易操作等优点；

4、在本发明中，热解生成的油气产物经移动床分离装置、旋风分离除尘、氨水喷淋、以及油水分离装置四级除尘处理，实现了轻质热解油气产物与重质焦油组分、固体半焦颗粒、以及灰分的分离，得到了高品质的轻质焦油和清洁的煤气，除尘率达到99％，同时简化了后续净化工艺；

5、与传统热解油气产物除尘技术相比，本发明涉及的热解油气产物中夹带的细颗粒半焦、产物灰等较难脱除的细颗粒物，可通过氨水喷淋激冷的方法有效脱除，并被热解焦油中重质组分夹带返回热解反应器，在高温下生成积碳，增加了尘粒粒径，有利于提高颗粒分离效果，提高系统的除尘效率。

综上所述，本发明通过将热解焦油中重质组分反复裂解、以及四级除尘过滤系统，可以明显提高含碳固体燃料热解产物中轻质焦油、热解气收率，而且还可大幅降低产物中含尘量以及产物焦油中重质组分含量，最终得到高收率的轻质焦油以及清洁的热解气。

附图说明

图1为本发明的生产轻质焦油和清洁煤气的装置与热解方法的示意图。

图2为本发明的生产轻质焦油和清洁煤气的装置与热解方法的实施例示意图。

附图标记

1、下行床热解反应器  2、流化床反应器    3、移动床分离装置

4、旋风分离器        5、氨水喷淋装置    6、油水分离装置

7、冷凝分离装置      8、气体净化装置    9、液体净化装置

10、干燥器           11、筛分装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置作进一步说明。

如图1所示，本发明涉及的主要装置有：用于实现固体燃料、含尘重质焦油热解的下行床热解反应器1、用于提供热解所需热量的流化床反应器2、用于热解油气产物与粗颗粒固体快速分离的移动床分离装置3、用于热解油气产物初步除尘的旋风除尘器4、用于氨水喷淋除尘、重质焦油冷凝的装置5和用于含尘油水混合物分离的装置6。

另外，本发明的装置还包括：用于热解气和轻质焦油分离的冷凝分离装置7、用于气体净化的装置8、用于液体净化的装置9、用于固体燃料干燥的装置10和用于固体燃料破碎以及筛分的装置11，如图2所示。

实施例1

霍林河褐煤经干燥后，进入破碎筛分装置被筛分为不同粒度的煤颗粒；粗颗粒煤由下行床热解反应器上部进入，与热循环灰自上而下混合接触、受热发生热解反应(温度为550～600℃)，生成热解油气与半焦；细颗粒煤则进入流化床反应器，与底部通入的氧气发生氧化反应，产生热量由循环灰携带供热解所需；热解产物经下行床底部温度为600℃的移动床分离装置粗分后，热解油气进入下一级旋风除尘装置，粗颗粒半焦则进入流化床反应器发生氧化反应；经旋风除尘后的热解油气进入温度为60～90℃左右的氨水喷淋装置，重质焦油组分被冷凝析出，氨水捕集未除尽固体颗粒；而轻质油气进入下一级深冷净化装置，冷凝分离后，再分别经净化处理，得到清洁煤气和轻质焦油；经氨水喷淋装置捕集到的含尘重质焦油，与氨水混合物一起经油水分离装置分离后，氨水循环再利用，轻质油相可进入下一级精制工序，含尘重质焦油再次返回下行床热解反应器热解。采用本发明涉及热解装置及方法，将霍林河褐煤热解后，热解油气收率大幅提高，焦油产物中重质焦油、固体含尘量均大幅降低。具体而言，轻质焦油收率由5.2％提高至7.8％，达到格金收率的84％；轻质焦油中重质组分含量由20％左右降低至8％，含尘量由10.4％降低至低于1％；热解煤气收率提高2.2％，甲烷含量由17％提高至23％。

实施例2

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法与步骤，主要差别在于固体燃料为神木煤；下行床热解温度为580～610℃，移动床分离装置温度为：600℃。采用本发明涉及热解装置及方法，将神木煤热解后，轻质焦油、煤气收率有所提高，焦油产物中重质焦油、固体含尘量均有所降低。具体而言，轻质焦油收率由5.6％提高至9.6％，达到格金收率的84％；轻质焦油中重质组分含量由17.3％降低至5.2％，焦油中含尘量由11.3％降低到低于1％；热解煤气收率提高3.1％，甲烷含量由19％提高至22％，乙烯含量有所提高，氢气含量由19％提高至27％。

实施例3

本实施例，采用与实施例1相同的实验方法与步骤，主要差别在于固体燃料为鄂尔多斯烟煤；下行床热解温度为600～650℃，移动床分离装置温度为610～650℃。采用本发明涉及热解装置及方法，将鄂尔多斯烟煤热解后，轻质焦油、热解煤气收率提高，焦油中重质组分、固体含量大幅降低。具体而言，轻质焦油收率由3.8％提高至6.1％，达到格金收率的85％；轻质焦油中重质组分含量由16％降低至3％，焦油中含尘量由9.7％降低到低于1％；热解煤气收率提高3.7％，甲烷含量由19％提高至21％，乙烯含量有所提高，氢气含量由11％提高至26％。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种生产轻质焦油和清洁煤气的热解装置，包括下行床热解反应器(1)、流化床反应器(2)、移动床分离装置(3)和旋风分离器(4)，其特征在于，所述装置还包括：

氨水喷淋装置(5)和油水分离装置(6)；

所述下行床热解反应器(1)底部的物料出口与移动床分离装置(3)的顶部物料入口相连接，所述流化床反应器(2)下部侧壁的物料入口与移动床分离装置(3)底部物料出口相连接，流化床反应器(2)上部侧壁或顶部的循环灰出口与下行床热解反应器(1)上部侧壁或顶部的循环灰入口相连接；

所述移动床分离装置(3)侧壁或底部油气出口依次连接旋风分离器(4)和氨水喷淋装置(5)；

所述氨水喷淋装置(5)的液固物料出口连接于油水分离装置(6)；油水分离装置(6)的焦油出口连接于下行床热解反应器(1)侧壁或顶部焦油入口，油水分离装置(6)的氨水出口连接于氨水喷淋装置(5)的氨水入口。

2.根据权利要求1所述的热解装置，其特征在于，所述热解装置还包括冷凝分离装置(7)、气体净化装置(8)、液体净化装置(9)、干燥器(10)和筛分装置(11)；

所述冷凝分离装置(7)与氨水喷淋装置(5)的热解油气出口相连；所述气体净化装置(8)和液体净化装置(9)并联连接于冷凝分离装置(7)；

所述干燥器(10)与筛分装置(11)的物料入口相连；所述筛分装置(11)的两个物料出口分别与下行床热解反应器(1)和流化床反应器(2)的固体物料入口相连。

3.一种基于权利要求1或2所述热解装置的生产轻质焦油和清洁煤气的热解方法，包括以下步骤：

1)固体燃料在下行床热解反应器(1)中被热循环灰快速加热，发生热解反应，生成热解油气和固体半焦；

2)热解油气、固体半焦和循环灰进入移动床分离装置(3)，使热解油气与固体半焦以及循环灰中的粗颗粒进行初步分离；

3)循环灰以及固体半焦中的粗颗粒进入流化床反应器(2)，与由其底部通入的空气或者氧气发生氧化反应产生热量，该热量被循环灰携带进入下行床热解反应器(1)供热解所需；而热解油气则夹带细颗粒半焦以及热灰进入旋风分离器(4)进行二级除尘；

4)经旋风分离除尘后的热解油气进入氨水喷淋装置(5)，得到清洁的轻质油气和含尘、水和焦油混合物；含尘、水和焦油混合物则进入油水分离装置6进一步分离；

5)含尘、水和焦油混合物经油水分离装置(6)分离得到轻质焦油和含尘重质焦油；含尘重质焦油再次返回下行床热解反应器(1)，与固体燃料一起被循环热灰加热发生再次裂解，生成热解油气和固体产物。

4.根据权利要求3所述的热解方法，其特征在于，由氨水喷淋装置(5)得到的轻质油气经冷凝分离装置(7)分离为气体产物和液体产物，所述气体产物和液体产物分别通过气体净化装置(8)和液体净化装置(9)进行净化，得到清洁煤气以及轻质焦油产品。

5.根据权利要求3或4所述的热解方法，其特征在于，所述固体燃料经干燥器(10)干燥后进入筛分装置(11)，经筛分装置(11)破碎分离后，经两个物料出口分别进入下行床热解反应器(1)和流化床反应器(2)。

6.根据权利要求3-5任一所述的热解方法，其特征在于，所述的固体燃料是煤炭、生物质、油页岩或者油砂中的一种或几种。

7.根据权利要求3-5任一所述的热解方法，其特征在于，所述下行床热解反应器(1)内温度为450～800℃。

8.根据权利要求3-5任一所述的热解方法，其特征在于，所述流化床反应器(2)内温度为750～1000℃。

9.根据权利要求3-5任一所述的热解方法，其特征在于，所述移动床分离装置(3)内温度为450～800℃。

10.根据权利要求3-5所述的热解方法，其特征在于，所述旋风分离器(4)温度为450～800℃；所述氨水喷淋装置(5)内温度为50～99℃；所述油水分离装置(6)温度为50～99℃。