CN106010604A - 一种套管式双侧流化床快速热裂解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种套管式双侧流化床快速热裂解装置，属于可再生能源利用技术领域。包括：内管、外管、支撑套管、环形布风板、圆形布风板、缓冲套管、载气均布器和螺旋板换热器，上述部件由上而下同轴安装。本发明的快速热裂解装置利用流化床与容器壁面传热效率高的特点，将内管中流化床作为反应区，外围增加环形流化床作为加热区，用燃烧后高温烟气作为流化载气，提高反应器综合传热，以补充生物质热裂解吸收的热量，使整体结构更加紧凑，同时加入了逆流式螺旋板换热器以充分利用燃烧烟气余热。通过改变装置中两个支路的流量，可以实现保证反应区流化气速不变的前提下调节温度，以适应不同工艺条件下的生物质热裂解反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种套管式双侧流化床快速热裂解装置，属于可再生能源利用技术领域。
背景技术
快速热裂解是生物质能源利用的重要技术之一，可将低品质的生物质转化为具有工业附加值的液态产品。反应器是生物质热裂解工艺中最核心的部分，为满足工艺要求，需具备加热速率高、气相停留时间短等特点，目前普遍应用的是流化床反应器。由于生物质热裂解是强吸热反应，连续生产时会导致流化床内局部温度迅速下降，虽然可以提高载气入口温度以维持反应器内平均温度，但过大温差使得热裂解产物控制非常困难。为维持相对均匀的反应温度，通常在反应器外侧配备电加热以及温控设备。中国专利CN200910009082.5公开了一种分段控温流化床式生物质快速热解反应器，在反应器主体不同高度上分别设置电加热以及温控装置，以实现不同位置精准的温度控制，避免不必要的能耗。但电加热方式能源利用率较低，降低了生物质热裂解生产效益。中国专利CN200810024526.8公开了一种单床自热式热解气化燃烧反应器，内含分隔板和导向管，将反应器主体分成上部热裂解床和下部燃烧床两部分，两个床之间依靠惰性热载体进行热量传递，以提供生物质所需热量，但该装置的两个床是连通的，虽然采用颗粒密封法，但扔存在窜气现象，并且会燃烧掉部分反应产物。
发明内容
本发明目的是提供一种套管式双侧流化床快速热裂解装置，对已有的快速热解装置的结构作出改进，以提高传热效率，而且使整体结构更加紧凑。
本发明提出的套管式双侧流化床快速热裂解装置，包括：内管、外管、支撑套管、环形布风板、圆形布风板、缓冲套管、载气均布器和螺旋板换热器，所述的内管、外管、支撑套管、环形布风板、圆形布风板、缓冲套管和螺旋板换热器依次由上而下同轴安装；所述的外管和内管之间形成环形空腔，外管和内管之间的环形空腔为加热区，内管中的空间为反应区，加热区和反应区中分别填充有床料，外管侧壁设有加热区卸料管，外管上部的侧壁设有热烟气出口，外管的下端部通过法兰与支撑套管相对固定，所述的环形布风板同轴安装在支撑套管内，所述的支撑套管上设有切向连接的高温烟气入口；所述的内管的下部伸出外管，伸出外管后的内管侧壁上开有进料管和反应区卸料管，进料管外围设有冷却水套，冷却水套上设有冷却水入口和冷却水出口，内管的底部通过法兰分别与支撑套管和缓冲套管相连接，缓冲套管内安装有载气均布器；所述的螺旋板换热器与缓冲套管相对固定，螺旋板换热器内设有不可冷凝气通道和热烟气通道，不可冷凝气的入口置于螺旋板换热器的侧壁上，不可冷凝气的出口位于螺旋板换热器的顶端，不可冷凝气的出口与缓冲套管相连通，热烟气入口置于螺旋板换热器的底部中央位置，热烟气入口通过回烟管与外管上部的热烟气出口相连，热烟气排空口位于螺旋板换热器的侧壁，热烟气排空口与大气连通，所述缓冲套管侧壁上设有第二不可冷凝气入口，并与载气均布器连通。
上述套管式双侧流化床快速热裂解装置中，所述的环形布风板为阶梯形，包括固定段、阶梯段和开孔段，固定段用于与外管和支撑套管相对固定，开孔段上均布有气孔，使从支撑套管的高温烟气入口进入的高温烟气进入加热区。
上述套管式双侧流化床快速热裂解装置中，所述的载气均布器由进气管、布风环和支管构成，使不可冷凝气从进气管进入，从四个支管均匀排出，起到使从第二不可冷凝气入口进入的气体与从螺旋板换热器的不可冷凝气出口排出的气体充分混合的作用。
本发明提出的套管式双侧流化床快速热裂解装置，其优点是：
1、本发明的套管式双侧流化床快速热裂解装置，由于流态化状态下床料与容器壁面有较高的传热系数，当容器壁面两侧均形成流化床时，总的传热系数依然很高。将圆柱体流化床反应器外围增加一套管，并在环形区填入床料，形成套管式结构的流化床，若环形区温度高于内管的反应区，其热量可以高效传递到反应区，以补充生物质吸收的热量。利用燃烧生成的高温烟气流化环形区内床料，可在很大程度上提高平均温差，促进传热。
2、本发明的快速热裂解装置，其中的螺旋板换热器，以逆流工作方式利用加热区排出的烟气加热常温下不可冷凝气体，充分利用了燃料的燃烧热，并且螺旋板换热器由于其自身结构特点使其具有“自净”功能，可以在一定程度上过滤掉流体中杂质，比较适用于生物质热裂解这一领域，此外螺旋板换热器相比其它形式换热器传热效率较高，使整体结构更加紧凑。
3、本发明的快速热裂解装置，工作过程中不可冷凝气体分为两路进入到反应区，其中一路经过螺旋板换热器加热到较高温度，另一路则不经过加热，在缓冲区混合后进一同入反应区，通过改变两个支路的流量可以实现保证反应区流化气速不变的前提下调节温度，以适应不同工艺条件下的生物质热裂解反应。
附图说明
图1是本发明提出的套管式双侧流化床快速热裂解装置的结构示意图。
图2是图1所示的快速热裂解装置下部的局部放大图。
图3是快速热裂解装置中环形布风板的结构示意图。
图4是快速热裂解装置中载气均布器的结构示意图。
图1-图4中，1是热裂解气出口，2是内管，3是外管，4是支撑套管，5是环形布风板，6是进料管，7是冷却水套，8是圆形布风板，9是缓冲套管，10是螺旋板换热器，11是热烟气入口，12是不可冷凝气出口，13是载气均布器，14是反应区卸料管，15是高温烟气入口，16是回烟管，17是热烟气出口，18是加热区卸料管，19是第二不可冷凝气入口，20是不可冷凝气入口，21是冷却水入口，22是热烟气排空口，23是冷却水出口，24是固定段，25是阶梯段，26是开孔段，27进气管，28是布风环，29是支管。
具体实施方式
本发明提出的套管式双侧流化床快速热裂解装置，其结构如图1所示，包括：内管2、外管3、支撑套管4、环形布风板5、圆形布风板8、缓冲套管9、载气均布器13和螺旋板换热器10。内管2、外管3、支撑套管4、环形布风板5、圆形布风板8、缓冲套管9和螺旋板换热器10依次由上而下同轴安装。
如图1所示，外管3和内管2之间形成环形空腔，外管3和内管2之间的环形空腔为加热区，内管中的空间为反应区，加热区和反应区中分别填充有床料，外管3的侧壁设有加热区卸料管18，外管3上部的侧壁设有热烟气出口17，外管3的下端部通过法兰与支撑套管4相对固定。环形布风板5同轴安装在支撑套管4内，支撑套管4上设有切向连接的高温烟气入口15。
内管2的下部伸出外管3，伸出外管3后的内管2侧壁上开有进料管6和反应区卸料管14，进料管6的外围设有冷却水套7，冷却水套7上设有冷却水入口21和冷却水出口23，内管2的底部通过法兰分别与支撑套管4和缓冲套管9相连接，缓冲套管9内安装有载气均布器13。
螺旋板换热器10与缓冲套管9相对固定，螺旋板换热器10内设有不可冷凝气通道(如图中的实线箭头所示)和热烟气通道(如图中的虚线箭头所示)，如图2所示。不可冷凝气入口20置于螺旋板换热器10的侧壁上，不可冷凝气出口12位于螺旋板换热器10的顶端，不可冷凝气出口12与缓冲套管9相连通，热烟气入口11置于螺旋板换热器10底部中央位置，热烟气入口11通过回烟管与外管3上部的热烟气出口17相连，热烟气排空口22位于螺旋板换热器10的侧壁，热烟气排空22口与大气连通。缓冲套管9侧壁上设有第二不可冷凝气入口19，第二不可冷凝气入口19与载气均布器13相连通。
上述套管式双侧流化床快速热裂解装置，其中的环形布风板5为阶梯形，其结构如图3所示，包括固定段24、阶梯段25和开孔段26，固定段24用于与外管3和支撑套管4相对固定，开孔段26上均布有气孔，使从支撑套管4的高温烟气入口15进入的高温烟气进入加热区。
上述套管式双侧流化床快速热裂解装置，其中的载气均布器13的结构如图4所示，由进气管27、布风环28和支管29构成，使不可冷凝气从进气管27进入，从四个支管29均匀排出，起到使从第二不可冷凝气入口19进入的气体与从螺旋板换热器10的不可冷凝气出口12排出的气体充分混合的作用。
本发明提出的套管式双侧流化床快速热裂解装置的工作原理为：燃烧炉中产生的高温烟气直接通过烟气入口进入加热区，使该区域床料流化，由于流化作用，热量会高效通过内管壁面进入反应区，补充生物质热裂解能量消耗；此后烟气排出加热区，通过回烟管进入到螺旋板换热器，并与常温下的不可冷凝气体换热，将其预热到一定温度后排空；同时，生物质通过进料管进入反应区，被内部传热介质迅速加热到450-550℃并发生热裂解反应，生成的热裂解气和固体产物与流化载气一起从热裂解气出口排出。此外，理论上流化床的流化气速与传热系数呈一定的函数关系，改变流化气速必然导致反应温度的改变，为实现反应区温度可调同时不改变反应区以及加热区流化气速，在螺旋板换热器上端的不可冷凝气缓冲区边上设置第二不可冷凝气入口，使得一部分不可冷凝气不经过换热直接进入反应区，通过改变两个不可冷凝气入口流量，可达到在流化气速不变的前提下调节反应区温度的目的。
以下结合附图，详细介绍本发明装置的工作原理和工作过程：
如图1所示，内管2所包含空间为生物质热裂解反应区，有床料填充，作为传热介质，由热裂解产物中的不可冷凝气流化，工作温度为450-550℃。进料管6位于内管2的侧壁靠近圆形布风板8上表面位置，使生物质进入反应区后可充分与传热介质接触，其反应产物随流化载气一同通过热裂解气出口1排出内管2。在内管2另一侧设有略微向下倾斜的反应区卸料管14，用以更换床料。外管3与内管2之间环形空腔为加热区，由环形布风板5承载床料，工作温度为700-800℃，为反应区流化床补充生物质吸收的热量。燃烧后的高温烟气进入到加热区，作为流化载气，并与内管2中流化床进行换热，随后从顶端的热烟气出口17排出，并通过回烟管16进入到螺旋板换热器10，与常温下不可冷凝气体换热后排空。为避免进料管6穿过加热区，从而引起生物质提前碳化，环形布风板5高于圆形布风板8一段距离，使进料管位于两个布风板之间的位置；外管3底部连接有支撑套筒4，同时支撑套筒4也通过法兰与内管2相连，将环形布风板5包裹在其内部，形成烟气缓冲空间。在支撑套筒4一侧有一切向、水平连接的高温烟气入口15，切向连接的目的在于避免高温烟气直接冲刷环形布风板5，减小烟气压力损失。加热区顶端密封，在其一侧有一水平热烟气出口17。
图2显示了套管式双侧流化床快速热裂解装置靠近底端的结构，其中螺旋板换热器10由不可冷凝气通道和热烟气通道构成，使低温的不可冷凝气与高温的烟气进行逆流式换热，其中热烟气入口11位于螺旋板换热器10底部中央位置，热烟气排空口22位于螺旋板换热器10侧壁上，使烟气换热后排空，而不可冷凝气入口20和不可冷凝气出口12则分别位于螺旋板换热器10侧壁上另一端和其顶端的中央位置。不可冷凝气出口12与缓冲套管9连通，缓冲套管9又通过法兰与内管2相连，使加热后的不可冷凝气经缓冲后进入到反应区。缓冲套管9侧壁上设有第二不可冷凝气入口19，同样通入常温的不可冷凝气体，与加热后的不可冷凝气体混合后一起进入反应区，起到调节反应区温度的作用，其流量可根据所需温度进行调节；缓冲套管9内部设有载气均布器13，使从第二不可冷凝气入口19进入的气体分布均匀。在外管低3端设有加热区卸料管18，用于更换加热区床料。冷却水套7设有入水口21和出水口23，利用循环水为进料管6降温。
如图3所示，环形布风板5为阶梯状，由固定段24、阶梯段25和开孔段26组成，其中固定段25上开有螺栓孔，用于与外管3和支撑套管4固定，阶梯段25为与外管3直径相同圆筒，其加入的目的在于减小环形布风板5和圆形布风板8的距离，增加两流化床换热面积；开孔段26为环形平板，上开有发散式的流化孔。环形布风板5的这种结构使之可拆卸，以便定期清理。
如图4所示，载气均布器13由进气管27、布风环28和支管29构成，使不可冷凝气从进气管27进入，从四个支管29均匀排出，起到使从第二不可冷凝气入口19进入的气体与从螺旋板换热器10的不可冷凝气出口12排出的气体充分混合的作用。
试验结果显示，稳态工况下，在反应区和加热区均有一定高度石英砂填充，流化气速满足鼓泡式流化，烟气入口温度800℃时，反应区床料温度可上升到550℃左右，且热裂解气出口与加热区出口温度几乎相等，烟气排空温度低于100℃，可满足生物质热裂解工艺要求，且实现了较高的内部传热效率和能源利用率。
Claims (3)
1.一种套管式双侧流化床快速热裂解装置，其特征在于包括：内管、外管、支撑套管、环形布风板、圆形布风板、缓冲套管、载气均布器和螺旋板换热器，所述的内管、外管、支撑套管、环形布风板、圆形布风板、缓冲套管和螺旋板换热器依次由上而下同轴安装；
所述的外管和内管之间形成环形空腔，外管和内管之间的环形空腔为加热区，内管中的空间为反应区，加热区和反应区中分别填充有床料，外管侧壁设有加热区卸料管，外管上部的侧壁设有热烟气出口，外管的下端部通过法兰与支撑套管相对固定，所述的环形布风板同轴安装在支撑套管内，所述的支撑套管上设有切向连接的高温烟气入口；
所述的内管的下部伸出外管，伸出外管后的内管侧壁上开有进料管和反应区卸料管，进料管外围设有冷却水套，冷却水套上设有冷却水入口和冷却水出口，内管的底部通过法兰分别与支撑套管和缓冲套管相连接，缓冲套管内安装有载气均布器；
所述的螺旋板换热器与缓冲套管相对固定，螺旋板换热器内设有不可冷凝气通道和热烟气通道，不可冷凝气的入口置于螺旋板换热器的侧壁上，不可冷凝气的出口位于螺旋板换热器的顶端，不可冷凝气的出口与缓冲套管相连通，热烟气入口置于螺旋板换热器的底部中央位置，热烟气入口通过回烟管与外管上部的热烟气出口相连，热烟气排空口位于螺旋板换热器的侧壁，热烟气排空口与大气连通，所述缓冲套管侧壁上设有第二不可冷凝气入口，并与载气均布器连通。
2.如权利要求1所述的套管式双侧流化床快速热裂解装置，其特征在于其中所述的环形布风板为阶梯形，包括固定段、阶梯段和开孔段，固定段用于与外管和支撑套管相对固定，开孔段上均布有气孔，使从支撑套管的高温烟气入口进入的高温烟气进入加热区。
3.如权利要求1所述的套管式双侧流化床快速热裂解装置，其特征在于其中所述的载气均布器由进气管、布风环和支管构成，使不可冷凝气从进气管进入，从四个支管均匀排出，起到使从第二不可冷凝气入口进入的气体与从螺旋板换热器的不可冷凝气出口排出的气体充分混合的作用。
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