CN105505423A - 下行床快速催化热解反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了下行床快速催化热解反应器，反应器具有物料入口、油气出口、半焦出口；半焦出口位于反应器底部，物料入口位于反应器顶部中心位置，油气出口位于反应器的侧壁上。反应器还包括：催化剂输送管，催化剂输送管由反应器的侧壁伸入至反应器内部；辐射管，辐射管沿反应器的高度方向多层布置；油气导出管道，油气导出管道沿反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的油气导出管道；集气管，油气导出管道与集气管连通，集气管与油气出口相连通；搅拌装置，搅拌装置包括搅拌轴和连接在搅拌轴上的多个搅拌杆。利用该下行床快速催化热解反应器可以提高热解效率和焦油产率。
Description
技术领域
本发明属于煤化工领域，具体而言，本发明涉及下行床快速催化热解反应器。
背景技术
我国是个富煤、缺油、少气的国家，我国的能源结构特点决定了其能源主要以煤炭资源为主。根据相关报道，中低阶煤占据我国的煤炭资源已探明储量的55％以上，同时中低阶煤种含有丰富的油气资源，直接燃烧不仅造成能源浪费，还造成环境污染，因此如何有效的利用中低阶煤不仅能够改善我国能源结构，缓解能源紧缺的问题，还具有巨大的经济价值。
目前，市面上已有的处理中低阶煤的技术主要是直接燃烧、气化、干馏和快速热解。直接燃烧不仅浪费中低阶煤中的油气资源，还造成一定的环境问题。气化技术的产品主要以气体燃料为主且其气体燃料的热值较低，一般在700-2500kcal左右。气化技术产生的低热值燃气不便于长距离运输，仅适用于就近使用，同时其气化过程中产生的高温焦油一直该技术的局限。干馏技术的产品主要以提质煤为主，处理时间长，能耗高。快速热解技术是目前提取中低阶煤中油气资源的最有效的技术，快速热解是在缺氧或无氧的条件下，通过对原料进行迅速加热，快速得到焦油、热解气的过程。目前的快速热解技术主要以气体热载体和固体热载体为主，其中气体热载体耗气量大，热解气被稀释损失，后续净化过程压力大，产生大量废水；固体热载体法工艺极为复杂，难以实现连续运行。
因此，目前现有的热解技术有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种温度灵活可控、焦油产率高且工艺简单的下行床快速催化热解反应器。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种下行床快速催化热解反应器，根据本发明具体实施例的下行床快速催化热解反应器包括：
物料入口、油气出口、半焦出口；
所述半焦出口位于所述反应器底部；
所述物料入口位于所述反应器的顶部中心位置；
所述油气出口位于所述反应器的侧壁上；
催化剂输送管，所述催化剂输送管由所述反应器的侧壁伸入至所述反应器内部，所述催化剂输送管的出口端设置有风帽，所述催化剂输送管的出口端位于所述物料入口的正下方，使得所述风帽与所述反应器的物料入口相对；
辐射管，所述辐射管在所述反应器的内部沿所述反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的辐射管；
集气管，所述集气管设置在所述反应器内且与所述油气出口相连通；
油气导出管道，所述油气导出管道连通至所述集气管，并且所述油气导出管道的管壁上设置有通孔；
搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴和连接在所述搅拌轴上的多个搅拌杆，所述搅拌轴由所述半焦出口伸入到所述反应器的内部并被设置成可在所述反应器内旋转。
由此该下行床快速催化热解反应器采用布料气与催化剂结合的方法，无需添加催化剂与物料的混合工序，其次通过在每根辐射管下端均设置两个油气快速导出管，减少了焦油在炉膛的停留时间，降低二次反应的发生，并采用蒸汽吹气和转动除焦装置，避免了辐射管上端结焦现象和油气堵塞，进而提高了热解效率和焦油产率，采用该系统生产的焦油中轻质焦油含量在60％以上，焦油产率可达到铝甑含油率的95％以上。另外，采用本发明上述实施例的下行床快速催化热解反应器无复杂机械，反应器内部各点温度灵活可调，具有工艺流程简单等特点，便于大规模工业化生产。
在本发明的一些实施例中，所述下行床快速催化热解反应器为方形炉，反应器底部采用不对称锥形结构。由此，搅拌轴在反应器的轴心上，螺旋出料机可以设置在搅拌轴的左侧或右侧，以便出料能够顺利落到螺旋出料机上，防止搅拌轴阻碍出料。
在本发明的一些实施例中，所述油气导出管道沿所述反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的油气导出管道。
在本发明的一些实施例中，所述油气导出管道与所述辐射管平行布置，且所述辐射管各自的左右两侧对称设置有两根油气导出管道。
在本发明的一些实施例中，所述油气导出管道与邻近的所述辐射管的管壁之间距离为所述油气导出管道管径d的1/2-3倍。
在本发明的一些实施例中，所述油气导出管道的管壁上设置有多个通孔，优选地，所述通孔在所述油气导出管道的长度方向上均匀分布。
在本发明的一些实施例中，所述辐射管的管壁上分别设置有挡板，所述挡板位于所述油气导出管道的上方，且覆盖所述油气导出管道的全部竖向投影。
在本发明的一些实施例中，所述挡板从所述辐射管的管壁的竖直切面的相切线为起点，呈一定角度向下延伸至所述油气导出管道的竖直切面。优选地，所述角度为40-90度，不含90度。
在本发明的一个实施例中，同一层所述油气导出管道连接同一根所述集气管。
本发明的一些实施例中，每层辐射管的上方均有一根或多根搅拌杆，且搅拌杆与辐射管的垂直距离为20～300mm。由此，可以避免辐射管上端结焦现象，进一步地提高焦油产率。例如，所述搅拌杆可以介于所述辐射管层与所述油气导出管道层之间。
本发明的一些实施例中，所述催化剂输送管的出口端位于物料入口下方，所述风帽与物料入口的距离为100～500mm。由此便于打散物料，提高催化剂与原料反应效率。
本发明的一些实施例中，所述风帽为伞形风帽，且风帽上具有多个通孔。由此便于形成不同方向的风，助于物料的打散。
本发明通过在热解反应器中设置搅拌装置，能够避免辐射管上端结焦，从而避免影响传热效率；
本发明以特定的方式将催化剂输送到反应器中，能够使物料在打散均布的过程中实现与催化剂的均匀混合，无需添加催化剂与原料混合装置。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的下行床快速催化热解反应器的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例的下行床快速催化热解反应器上的油气导出管道和辐射管主视图。
图3是根据本发明一个实施例的下行床快速催化热解反应器上的搅拌装置的俯视图。
图4是根据本发明再一个实施例的下行床快速催化热解反应器上的搅拌装置的俯视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种下行床快速催化热解反应器，下面参考图1对本发明实施例的下行床快速催化热解反应器进行详细描述。
根据本发明的实施例的下行床快速催化热解反应器包括：催化剂输送管10、辐射管20、油气导出管道30、集气管40和搅拌装置50。
根据本发明的具体实施例，反应器具有物料入口11、油气出口12和半焦出口13，反应器内自上而下形成上段热解区和下段热解区。
根据本发明的具体实施例，催化剂输送管10由反应器的侧壁伸入至反应器内部，催化剂输送管的出口端设置有风帽14，催化剂输送管的出口端位于物料入口的正下方，使得风帽与反应器的物料入口相对。由此通过该催化剂输送管20向反应器内添加催化剂有利于实现催化剂与物料的均匀混合。
根据本发明的具体实施例，催化剂输送管20的出口端的风帽14位于物料入口11的正下方，且风帽的孔是朝上的。由此可以将物料打散便于物料均匀热解，此外，发明人还发现催化剂采用喷入的方法不仅与原料混合均匀还能有效打散物料，使其均匀下落。优选地，风帽14与物料入口11的距离为100～500mm。由此可以更进一步地提高热解效率，进而提高焦油产率。
根据本发明的具体实施例，风帽14为伞形风帽，且风帽14上具有多个通孔。由此可以形成不同方向的风，助于物料的打散，有利于提高焦油产率。
根据本发明的具体实施例，辐射管20沿反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的辐射管。
根据本发明的具体实施例，每层辐射管包括多个平行并且均匀分布的辐射管且每个辐射管与相邻上下两层辐射管中的每一个辐射管平行并且沿反应器本体高度方向错开分布。由此，可以显著提高物料的热解效率，进而提高热解油产率。
根据本发明的具体实施例，油气导出管道30沿热解反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的油气导出管道，油气导出管道的表面上设置有通孔；油气导出管道30与集气管40连通，集气管40与油气出口12相连通。由此，通过在辐射管下端布置油气导出管道30减少焦油在炉膛内的停留时间，避免焦油的二次裂解，提高焦油产率。
根据本发明的具体实施例，油气导出管道与辐射管平行布置，且辐射管的左右两侧对称设置有两根油气导出管道。由此，通过在辐射管20的两侧布置油气导出管道30减少了焦油在炉膛内的停留时间，避免焦油的二次裂解，提高焦油产率。
根据本发明的具体实施例，如图2所示，油气导出管道与邻近的辐射管的管壁之间距离为油气导出管道管径d的1/2-3倍。由此可以将立刻导出产生的焦油，避免焦油裂解，提高焦油产率。
根据本发明的具体实施例，油气导出管道30的管壁上设置有多个通孔，优选地，多个通孔在油气导出管道30的长度方向上均匀分布。由此可以便于焦油快速导出。
根据本发明的具体实施例，辐射管20的两侧管壁上分别设置有挡板21，挡板21位于油气导出管道30的上方，且覆盖油气导出管道30的竖向投影的全部。通过在辐射管20的两侧管壁上设置挡板21，可以防止物料下降过程中摩擦油气导出管，进而延长油气导出管的寿命；并且挡板21还能起到对物料的引流作用，防止物料卡在辐射管与油气导出管道之间，造成物料堵塞。
根据本发明的具体实施例，如图2所示，挡板21从辐射管的管壁的竖直切面A(A1)的相切线为起点，呈一定角度α向下延伸至油气导出管道30的竖直切面B(B1)，角度α为40-90度，不含90度。由此使得挡板的最短长度是能够遮挡油气导出管道。
根据本发明的具体实施例，同一层油气导出管道连接同一根集气管。由此可以将油气汇集，简化工艺并提高焦油产率，同时可以便于油气导出。
根据本发明的具体实施例，每层辐射管的上方均有一根或多根搅拌杆，且搅拌杆与辐射管的垂直距离为20～300mm。由此可以避免辐射管的上结焦，保证设备正常运行。
根据本发明的具体实施例，任选的，相邻辐射管的中心之间的水平距离为100～500mm，任选的，相邻辐射管的中心之间的竖直距离为100～500mm。需要解释的是，相邻辐射管中心之间的水平距离可以理解为在同层上辐射管中心之间的距离，而相邻辐射管中心之间的垂直距离可以理解为相邻上下两层间的相邻辐射管中心之间的距离。
根据本发明的具体实施例，搅拌装置50包括搅拌轴51和连接在搅拌轴51上的多个搅拌杆52，从而搅拌轴51在驱动电机的驱动下带动搅拌杆旋转，根据本发明的具体实施例，搅拌轴51可旋转地从半焦出口13伸入到反应器内部。发明人发现，通过在反应器本体内设置搅拌装置，搅拌杆在来回转动的过程中，可以有效避免辐射管表面的结焦，进而避免因辐射管结焦而降低传热效率。
根据本发明的具体实施例，多个搅拌杆52在搅拌轴51的轴向上间隔开分布。
根据本发明的具体实施例，在搅拌轴51的轴截面上，多个搅拌杆52的投影在搅拌轴51的周向上间隔开分布。
根据本发明的又一个具体实施例，如图3所示，在搅拌轴的轴截面上，多个搅拌杆的投影在搅拌轴的周向上均匀地间隔开分布。
据本发明的又一个具体实施例，如图4所示，在搅拌轴的轴截面上，多个搅拌杆的投影设在搅拌轴的直径方向上的两侧。
根据本发明实施例的下行床快速催化热解反应器通过使用多组辐射管为热解过程提供热源，可以通过调整通入辐射管的燃气的流量来实现对热解过程的精确控温，并且辐射管通过燃烧，保证了温度场的均匀性，从而可以显著提高物料的热解效率，进而提高热解油的收率，同时较传统的使用气体热载体或固体热载体作为热解热源的热解反应装置相比，本发明的下行床快速催化热解反应器不需要设置预热单元和载体分离单元，从而可以极大简化热解反应工艺流程，进而显著降低装置的故障率且所得热解油中含尘率较低，并且排烟温度低，其次本发明通过在辐射管的底部布置油气导出管道，可以将热解产生的油气迅速导出，从而有效地抑制了油气的二次裂解，进而提高热解油的收率，并且热解气未被气体热载体稀释，热解气热值高，经济效益好，另外通过在反应器本体内设置搅拌装置配合辐射管，搅拌杆在来回转动的过程中，使得堆积物料得以松动，增大了堆积物料间的空隙率，降低了热解油气透过物料层的压降，使得产生的热解油气能快速穿过物料层到达油气导出管道，产生的热解油气能及时通过油气导出管道导出。
根据本发明的具体实施例，集气管40分别与油气导出管道30和油气出口12相连。由此采用集气管40可以显著提高热解气的回收效率。
根据本发明的具体实施例，油气导出管道30将热解油气汇集由油气出口12排出；由此，通过油气导出管道30将热解油气汇集后经由油气出口12排出可以减少焦油在炉膛的停留时间，降低二次反应的发生，便于进一步地收集。
根据本发明的具体实施例，油气出口12包括第一油气出口和第二油气出口。更进一步地，根据本发明的具体实施例，上述下行床快速催化热解反应器进一步包括蒸汽发生器60，蒸汽发生器60通过管路分别与第一油气出口和第二油气出口相连。由此，通过蒸汽发生器60产生的蒸汽定期换向喷入集气管40中，并进入油气导出管道30，进而避免油气导出管道30堵塞。根据本发明的一个具体实施例，蒸汽发生器60交替吹扫油气导出管道30的蒸汽温度为300～500℃，切换时间为30s-600s。由此，可以进一步地减少焦油在炉膛的停留时间，降低二次反应的发生，进而显著提高油气快速导出效率，提高油气产率。
根据本发明的具体实施例，上述下行床快速催化热解反应器还可以进一步包括：螺旋进料器70和螺旋排渣器80，螺旋进料器与物料入口相连，螺旋排渣器与半焦口相连。由此可以进一步提高进料和排渣效率。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
利用下行床快速催化热解反应器对印尼褐煤进行处理，原料的基础数据、热解产物见表1和表2。
将粒径≤1mm印尼褐煤通过螺旋进料器开始送料，同时由风帽喷入相对印尼褐煤质量分数为3％、粒径小于0.5mm的氧化铁催化剂使其均匀混合分布，该混合物依次通过每层辐射管快速升温进行催化热解，搅拌装置以15Hz的频率转动，其中上两层辐射管温度为650℃，以下每层辐射管温度均为550℃；蒸汽发生器产蒸汽300℃，两个油气出口交替切换，每120s切换一次；反应中产生的热解油气经油气导出管道导出至集气管汇集，由油气出口排出；半焦及反应完的催化剂由螺旋排渣器排出。
表1印尼褐煤工业分析及元素分析
表2印尼褐煤快速催化热解产物分布
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种下行床快速催化热解反应器，所述反应器包括：
物料入口、油气出口、半焦出口；
所述半焦出口位于所述反应器底部；
所述物料入口位于所述反应器的顶部中心位置；
所述油气出口位于所述反应器的侧壁上；
催化剂输送管，所述催化剂输送管由所述反应器的侧壁伸入至所述反应器内部，所述催化剂输送管的出口端设置有风帽，所述催化剂输送管的出口端位于所述物料入口的正下方，使得所述风帽与所述反应器的物料入口相对；
辐射管，所述辐射管在所述反应器的内部沿所述反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的辐射管；
集气管，所述集气管设置在所述反应器内且与所述油气出口相连通；
油气导出管道，所述油气导出管道连通至所述集气管，并且所述油气导出管道的管壁上设置有通孔；
搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴和连接在所述搅拌轴上的多个搅拌杆，所述搅拌轴由所述半焦出口伸入到所述反应器的内部并被设置成可在所述反应器内旋转。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述油气导出管道沿所述反应器的高度方向多层布置，每层具有多根在水平方向上彼此平行的油气导出管道。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述油气导出管道与所述辐射管平行布置，且所述辐射管各自的左右两侧对称设置有两根油气导出管道。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述油气导出管道与邻近的所述辐射管的管壁之间距离为所述油气导出管道管径d的1/2-3倍。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的反应器，其特征在于，所述油气导出管道的管壁上设置有多个通孔，优选地，所述通孔在所述油气导出管道的长度方向上均匀分布。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的反应器，其特征在于，所述辐射管的两侧管壁上分别设置有挡板，所述挡板位于所述油气导出管道的上方，且覆盖所述油气导出管道的全部竖向投影，
任选地，所述挡板从所述辐射管的管壁的竖直切面的相切线为起点，呈一定角度向下延伸至所述油气导出管道的竖直切面，优选所述角度为40-90度，不含90度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的反应器，其特征在于，同一层所述油气导出管道连通至同一根所述集气管。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的反应器，其特征在于，所述搅拌杆介于辐射管层与油气导出管道层之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的反应器，其特征在于，所述风帽与所述物料入口的距离为100～500mm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的反应器，其特征在于，所述风帽为伞形风帽，且风帽上具有多个通孔。
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