CN106520160A - 一种快速热解处理煤粉的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速热解处理煤粉的系统及方法。该系统包括：快速热解反应器、除尘装置、冷凝器、净化装置、PSA制氢装置和热解油加氢装置。除尘装置分别与快速热解反应器和冷凝器相连，净化装置分别与冷凝器和PSA制氢装置相连，PSA制氢装置还与热解油加氢装置相连。本发明提供的系统结构简单、工艺流程短，容易实现系统连续性运行和工业化推广。此外，本发明对热解制得的半焦、热解油和热解气进行转化再利用，整个工艺无中间产物，经济价值高。

Description

一种快速热解处理煤粉的系统及方法

技术领域

本发明涉及煤粉热解，具体涉及一种快速热解处理煤粉的系统及方法。

背景技术

我国的能源特点是“缺油、少气，煤炭资源相对丰富”。随着国家经济的发展，能源的需求日益增大，根据现有的技术分析，我国能源自给率的保障只能来自于煤炭资源的大规模使用，因此以煤为主的能源战略是必然的选择。在煤炭利用中，中低阶煤具有高挥发分的特点，可以提取较高产量的煤焦油，通过煤焦油加氢得到汽柴油和化工产品，从而可以有效缓解我国缺油的困境。

低阶煤指处于低变质阶段的煤，具有高水分、高挥发分、活性强等特征，并具有易自燃、发热量低，难于长途运输或储存等缺点，必须进行加工提质处理才能有效利用。中低阶煤占我国全部煤炭储量55％以上，总量高达4000亿吨，其高效清洁利用可缓解我国能源供应紧张的局面，并对节能减排、治理雾霾贡献巨大。国内外研究机构针对低阶煤提质进行了大量的技术开发和工程示范，其工艺路线主要包括干燥提质、热解多联产、气化等方向。因低阶煤物理、化学性质的复杂性限制，除干燥提质技术相对成熟外，迄今为止热解多联产、气化等工艺路线仍未被大规模的工业化利用。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单的快速热解处理煤粉的系统。在此基础上，本发明进一步提供了一种利用上述系统热解煤粉的方法。

本发明首先提供了一种快速热解处理煤粉的系统，该系统包括：

快速热解反应器，具有热解原料入口、半焦出口和热解油气出口；

除尘装置，具有进气口、净化油气出口和排灰口，所述进气口与所述快速热解反应器的热解油气出口相连；

冷凝器，具有净化油气入口、热解油出口和热解气出口；所述净化油气入口和所述除尘装置的净化油气出口相连；

净化装置，具有热解气入口和净化气出口，所述热解气入口与所述冷凝器的热解气出口相连；

PSA制氢装置，具有净化气入口和氢气出口，所述净化气入口与所述净化装置的净化气出口相连；

热解油加氢装置，具有热解油入口、氢气入口和人造石油出口，所述热解油入口与所述冷凝器的热解油出口相连，所述氢气入口与所述PSA制氢装置的氢气出口相连；

所述快速热解反应器内设置有多层辐射管和多个挡板，所述挡板倾斜设置于两层辐射管中间。

在本发明的一个实施方案中，所述系统还包括融合成型装置，所述融合成型装置具有半焦入口、生石灰入口、粘结剂入口和型球出口，所述半焦入口与所述快速热解反应器的半焦出口相连。

在本发明的一个实施方案中，所述系统还包括煤干燥装置和煤破碎装置，所述原煤干燥装置具有原煤入口和干燥煤出口，所述煤破碎装置具有干燥煤入口和煤粉出口，所述干燥煤入口与所述原煤干燥装置的干燥煤出口相连，所述煤粉出口与所述进料料斗的煤粉入口相连。

在本发明的一个实施方案中，所述除尘装置为两级旋风除尘器。

在本发明的一个实施方案中，所述辐射管的上侧安装有顶盖。

本发明进一步提供了一种利用上述系统热解煤粉的方法，所述方法包括如下步骤：

准备煤粉；

将所述煤粉送入所述蓄热式快速热解反应器进行热解，获得半焦和热解油气；

将所述热解油气所述除尘装置除去固体杂质，然后再送入所述冷凝器，获得热解油和热解气；

将所述热解气送入所述净化装置除去包括油蒸汽、焦油、苯、萘、硫的杂质，然后再送入所述PSA制氢装置制备氢气；

将所述氢气和所述热解油送入所述热解油加氢装置反应，制备人造石油。

在本发明的一个实施方案中，将所述半焦与粉状生石灰、粘结剂混合后压制成型，制备型球。

在本发明的一个实施方案中，在550-650℃的温度下对所述煤粉进行热解。

在本发明的一个实施方案中，所述煤粉在热解时还会产生烟气，用所述烟气干燥进入所述蓄热式快速热解反应器的所述煤粉。

在本发明的一个实施方案中，所述煤粉的粒径≤1mm。

本发明采用了蓄热式快速热解反应器，利用蓄热式辐射管作为加热源，不需要热载体，而是采取蓄热式辐射管提供热量，不需要热载体的加热、分离、提升等工艺，因此系统结构简单、工艺流程短，容易实现系统连续性运行和工业化推广。

此外，本发明对热解制得的半焦、热解油和热解气进行转化再利用，整个工艺无中间产物，经济价值高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种快速热解处理煤粉的系统结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种快速热解煤粉的工艺流程图。

图中：1、进料料斗；2、蓄热式快速热解反应器；3、一级旋风除尘器；4、二级旋风除尘器；5、半焦收集装置；6、冷凝器；7、冷凝水管路；8、储油罐；9、热解油加氢装置；10、净化塔；11、净化器；12、PSA制氢装置；13、融合成型装置；14、干燥装置；15、煤破碎装置；16、原煤入料斗；17、提升管；18、冷凝水管路。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

需要说明的是，本发明中的“辐射管”指得是蓄热式无热载体辐射管。其次，术语“上”、“下”、“左”、“右”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，而不是要求本发明必须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。

如图1所示，本发明提供的煤粉热解系统包括：进料料斗1、蓄热式快速热解反应器2(本申请中也简称反应器)、一级旋风除尘器3、二级旋风除尘器4、半焦收集装置5、冷凝器6、冷凝水管路7、储油罐8、热解油加氢装置9、净化塔10、净化器11、PSA制氢装置12、融合成型装置13、干燥装置14、煤破碎装置15、原煤入料斗16、提升管17、冷凝水管路18。

进料料斗1具有煤粉入口和煤粉出口。

参考图1，本发明使用的蓄热式快速热解反应器2包括反应器本体、辐射管和挡板。反应器本体上设有热解原料入口、半焦出口、燃料气进口、空气入口、烟气出口和热解油气出口，其中，热解原料入口与进料料斗1的煤粉出口相连。辐射管为多个，水平同方向间隔排布在反应器本体的不同高度，相邻高度层的辐射管错列布置。挡板为多个，挡板倾斜设置于两层辐射管之间。辐射管的上方安装有顶盖。

本发明提供的蓄热式热解反应器采用了蓄热式无热载体辐射管加热技术，无需气、固热载体，提高了热解气的热值，该反应器结构简单、占地面积小，易于工业化。

辐射管的上侧的顶盖能有效地起到保护辐射管不受受到物料冲刷，延长辐射管的使用寿命。顶盖的形状并不需要限定，其形状优选为开口向下且具有一个顶角，这样设置可避免煤粉滞留在顶盖上，也可以对煤粉起到引流作用。顶角的角度主要影响煤粉在顶盖上停留的时间。顶角太大，煤粉容易堆积到顶盖上；太小，煤粉在顶盖上的停留时间短，热解效果不好。顶盖的垂直截面的宽度过长会影响辐射管热量的有效利用，过短对分散物料的作用不大。顶角的角度优选为60°-90°，顶盖的垂直截面的宽度优选为辐射管直径的1.1-1.5倍。

煤粉从入口进入炉内中，从上到下经过辐射管后会被分散，分散的物料如果不经过减速或改变方向则大部分会从两根辐射管中间的空隙落下，既减少了壁面传热效率又缩短了物料在反应器内的停留时间，如果想增加物料在炉内的热解时间则必然要加高反应器的高度，增加占地面积及投资，效益降低。通过模拟发现，两层辐射管之间加入挡板能有效地的改善对物料在反应器2中的分布，使其充分打散，最大面积的让煤粉参与炉内传热。

煤粉从进料口进入后，开始下落，碰到挡板和顶盖后，被弹起，然后再下落；煤粉每碰到一次挡板和顶盖，即被弹到一定高度，其下落速度被减缓，因此，增加了煤粉在热解反应器内的停留时间。而且，挡板和顶盖还起到对煤粉的引流作用，增加了煤粉在反应器本体内移动的距离，这也能增加煤粉在热解反应器内的停留时间。

因此，添加挡板和顶盖后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加挡板和顶盖后，可将辐射管的垂直间距加大，从而可减少反应器内辐射管的数量。此外，挡板还可以起到打散物料的作用，提高煤粉的热解效果。

挡板和顶盖的材质，优选为金属，金属的热传导性好，能提高煤粉热解的效果。

挡板的具体位置、形状并不需要特别限定。为了更好的起到引流的作用，上下相邻两层的挡板最好错列布置。挡板可以根据需要设置在某层辐射管的上方或下方，挡板的最佳位置为两层辐射管的正中间，即与上下两层辐射管之间的垂直距离相等。如图1所示，挡板最好设置在反应器本体的中下部，最上层挡板位于反应器本体高度的1/2-2/3处。

可将两个挡板组成开口向下的挡板组件，该开口的角度优选为60°-90°；也可将挡板的一端连在反应器本体的内侧壁上，挡板与反应器本体内侧壁形成15°-60°的夹角。图1所示的反应器2包括这两种设置方式，需要说明的是，反应器2可只包括其中一种设置方式。

如图1所示，上述挡板组件优选设置在两个辐射管之间的空隙的上方，其最佳位置为两个辐射管之间的空隙的正上方，即挡板组件与该两个辐射管之间的水平距离相等，能保证停留在挡板上的煤粉受热均匀。

挡板的长度优选为辐射管的直径的1-2倍。挡板的长度主要影响煤粉在挡板上的停留时间及煤粉在反应器内的移动的轨迹。挡板的长度越长，煤粉在挡板上的停留时间越长，但煤粉无法均匀的分散到下层辐射管；挡板的长度越短，煤粉在挡板上的停留时间越少。参考图1，根据本发明的实施例，反应器2和进料漏斗1之间还连接有螺旋进料器，反应器2的半焦出口与螺旋出料器相连。进料料斗1和螺旋进料器用于将煤粉送入反应器2中，螺旋出料器用于将煤粉热解后产生的固体产物运送至下一工段。螺旋进料器和螺旋出料器并不是必要装置，可视现场情况和具体的工艺决定是否要添加。

螺旋出料器还连接有冷凝水管路18，用循环水与从反应器2中排出的高温半焦换热，冷却高温半焦，并回收热量。冷凝水管路18也不是本发明必要的装置，可根据情况增减。

如图1所示，螺旋出料器与融合成型装置13相连，半焦、生石灰和粘结剂在融合成型装置13中混合均匀后被压制成型球，型球可直接对外出售，也可用于制备电石。融合成型装置13并不是系统必须的装置，半焦也可直接作为燃料使用，比如送往电厂，与煤掺烧。

辐射管为公称直径为200-300mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为200-400mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为500-1200mm。

反应器本体的高度为5-20m、宽度(其内壁的宽度)为2-6m、长度(其内壁的长度)为5-15m，反应器本体中辐射管的层数为10-25层。燃料气进口和空气入口分别与辐射管相连。

如图1所示，热解油气从右上侧部出来，并利用两级旋风分离结构除去热解油气中的固体半焦，降低了焦油含尘量，以便后续能对热解油气进一步加工。图1所示的除尘装置包括两个一级旋风除尘器3和两个二级旋风除尘器4，旋风除尘器除尘效率高，两级除尘能有效的将热解油气中的半焦清除。当然，也可选用其他除尘装置。

如图1所示，一级旋风除尘器3和二级旋风除尘器4具有进气口、净化油气出口和排灰口，其中，一级旋风除尘器3的进气口与蓄热式快速热解反应器2的热解油气出口相连。从二级旋风除尘器4排出的半焦进入半焦收集装置5中储存，另做他用。

冷凝器6具有净化油气入口、热解油出口和热解气出口；净化油气入口和一级旋风除尘器3的净化油气出口相连。如图1所示，冷凝器6连接有冷凝水管路7，用循环水与从高温油气换热，冷却高温油气，并回收热量。当然，也可采用其他方式冷却高温油气。

高温油气冷却后，其中的热解油变为液体，从热解油出口排出，进入储油罐8中储存。

如图1所示，净化装置包括净化塔10和净化器11，净化塔10用于去除从冷凝器6中排出的热解气中的油蒸汽，净化器11用于去除热解气中的热解油、苯、萘、硫等杂质。净化塔10和净化器11均具有热解气入口和净化气出口，其中，净化塔10的热解气入口与冷凝器6的热解气出口相连。

PSA制氢装置12具有净化气入口、氢气出口和解析气出口，净化气入口与净化器11的净化气出口相连。PSA制氢装置12用于将热解气解析并制备氢气。

如图1所示，系统还包括热解油加氢装置9。热解油加氢装置9具有热解油入口、氢气入口和人造石油出口，热解油入口与储油罐8相连，氢气入口与PSA制氢装置12的氢气出口相连。用热解气制备的氢气与热解油反应，制备人造石油，增加热解油的经济价值。

如图1所示，进料料斗1前还设有干燥装置14、煤破碎装置15、原煤入料斗16和提升管17，这些装置都不是系统必须的装置，若煤的粒径太大、水分太高时，可采用这些设备进行预处理后再送往反应器2中进行热解。

图2为本发明提供的利用上述系统热解煤粉的工艺流程图。经干燥装置14干燥、煤破碎装置15破碎后的煤粉进入到原煤入料斗16，再由提升管17提升到进料料斗1中，煤粉从进料料斗1由螺旋进料器送入反应器2中，煤粉在反应器2中进行热解。

煤粉热解产生半焦和热解油气，其中半焦被沉降下来通过反应器2的螺旋出料器排出，热解油气从反应器2的侧部排出，经过一级旋风分离器3和二级旋风分离器4后收集下来的细半焦进入半焦收集装置5，经过两级旋风分离后较纯净的热解油气送入冷凝器6内快速冷却，热解油蒸汽被冷却，形成热解油进入储油装置8，从冷凝器6出来的热解气进入净化塔10后除去其中的油蒸汽，再进入净化器11后除去热解油、苯、萘、硫等杂质后进入PSA制氢装置12制备氢气，从PSA制氢装置12抽取出来的氢气与热解油一起进入至热解油加氢装置9，用于制备人造石油。

热解后的半焦由螺旋出料器排出，在螺旋出料器的管内有循环冷却水进行间壁换热冷却，高温半焦由循环冷却水冷却后行成冷态半焦。冷态半焦与粉状生石灰、粘结剂一起进入融合成型装置13成型后进行外售；也可以直接作为燃料使用。

进入反应器2中煤粉的粒径≤1mm时，热解的效果的较好。

热解煤粉时，将辐射管的管壁温度控制在550-700℃范围，煤粉在反应器2中自上而下停留5-10s，被加热到550-650℃，进行热解。燃气入口和空气入口分别和辐射管相连，在辐射管内燃烧，产生的热烟气经与空气换热后，降温至约200℃。热烟气可用来干燥进入反应器的煤粉，进一步提高了反应器效率和燃烧效率。

由于每根辐射管可单独控温，可将反应器2自上而下分为三个区：干燥脱水区、热解反应区、半焦生成区。将干燥脱水区的温度控制在600-700℃。将干燥脱水区的温度设置得较高的目的是为了快速脱去入炉料所含的水分，此外还可以减少干燥脱水区长度。将热解反应区的温度控制为500-700℃、半焦成熟区的温度为500-600℃。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例

利用图1所示的系统对伊东褐煤进行处理。反应器2中，由两个挡板组成开口向下的挡板组件的开口的角度为70°，挡板与反应器本体内侧壁形成的夹角为40°，顶盖的顶角为70°，顶盖的垂直截面的宽度为330mm，挡板的长度均为450mm，辐射管均为是公称直径为300mm的圆形管，左右相邻的两辐射管的水平间距为400mm，上下相邻的两辐射管的竖直间距为1200mm。反应器本体的高度为20m、内壁的宽度为6m、内壁的长度为15m，有25层辐射管。

该伊东褐煤的成分分析如表1所示，其粒径≤1mm。热解工艺流程如图2所示，具体如下：

将伊东褐煤干燥、破碎，选取粒径≤1mm的煤粉送入反应器2中进行热解。每根辐射管单独控温，反应器自上而下设有三个区：干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区。往辐射管中分别通入燃料气和空气，将干燥脱水区的温度控制在600℃、热解反应区的温度在控制550℃，半焦成熟区的温度控制在580℃。伊东褐煤自上而下依次通过干燥脱水区、热解反应区和半焦生成区，完成热解过程。热解产生的热解油气经过两级旋风除尘后冷凝分离成热解油和热解气，热解气再次净化，除去油蒸汽、热解油、苯、萘、硫等杂质后用于制备氢气，剩下的解析气用于制备合成天然气。热解油与制得的氢气反应，制备人造石油。半焦、粉状石灰和沥青混合后压制成型，制备型球，用于外卖。

热解还会产生烟气，烟气从烟气出口中排出反应器本体外，烟气与空气换热后会降温至200℃左右。将降温后的烟气用于干燥进入反应器2的伊东褐煤，这样能进一步提高反应器效率和燃烧效率。

本实施例具体的工艺参数请见表2。表3为本实施例的物料平衡表。

表1伊东褐煤的成分分析

Mad/％	Vad/％	Aad/％	Fcad/％
				19.99	10.16	27.97	41.88

表2工艺参数

表3物料平衡表

从表3可知，本发明提供的系统能有效的热解煤粉。

综上可知，本发明采用了蓄热式快速热解反应器，利用蓄热式辐射管作为加热源，不需要热载体，而是采取蓄热式辐射管提供热量，不需要热载体的加热、分离、提升等工艺，因此系统结构简单、工艺流程短，容易实现系统连续性运行和工业化推广。

本发明对热解制得的半焦、热解油和热解气进行转化再利用，整个工艺无中间产物，经济价值高。

此外，本发明提供的蓄热式热解反应器采用了蓄热式无热载体辐射管加热技术，无需气、固热载体，提高了热解气的热值，该反应器结构简单、占地面积小，易于工业化。

其次，反应器内设置了挡板，挡板能增加煤粉在热解反应器内停留的时间。因此，添加挡板后，反应器的高度可降低。若不改变反应器本体的高度，添加挡板后，可将辐射管的垂直间距加大，从而可减少反应器内辐射管的数量。而且，挡板还可以起到打散物料的作用，提高煤粉的热解效果。此外，辐射管上方安装有顶盖，顶盖能有效地起到保护辐射管不受受到物料冲刷，延长辐射管的使用寿命。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种快速热解处理煤粉的系统，其特征在于，所述系统包括：

快速热解反应器，具有热解原料入口、半焦出口和热解油气出口；

除尘装置，具有进气口、净化油气出口和排灰口，所述进气口与所述快速热解反应器的热解油气出口相连；

冷凝器，具有净化油气入口、热解油出口和热解气出口；所述净化油气入口和所述除尘装置的净化油气出口相连；

净化装置，具有热解气入口和净化气出口，所述热解气入口与所述冷凝器的热解气出口相连；

PSA制氢装置，具有净化气入口和氢气出口，所述净化气入口与所述净化装置的净化气出口相连；

热解油加氢装置，具有热解油入口、氢气入口和人造石油出口，所述热解油入口与所述冷凝器的热解油出口相连，所述氢气入口与所述PSA制氢装置的氢气出口相连；

所述快速热解反应器内设置有多层辐射管和多个挡板，所述挡板倾斜设置于两层辐射管中间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括融合成型装置，所述融合成型装置具有半焦入口、生石灰入口、粘结剂入口和型球出口，所述半焦入口与所述快速热解反应器的半焦出口相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括煤干燥装置和煤破碎装置，所述原煤干燥装置具有原煤入口和干燥煤出口，所述煤破碎装置具有干燥煤入口和煤粉出口，所述干燥煤入口与所述原煤干燥装置的干燥煤出口相连，所述煤粉出口与所述进料料斗的煤粉入口相连。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述除尘装置为两级旋风除尘器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐射管的上侧安装有顶盖。

6.一种利用权利要求1-5中任一所述的系统处理煤粉的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

准备煤粉；

将所述煤粉送入所述蓄热式快速热解反应器进行热解，获得半焦和热解油气；

将所述热解油气所述除尘装置除去固体杂质，然后再送入所述冷凝器，获得热解油和热解气；

将所述热解气送入所述净化装置除去包括油蒸汽、焦油、苯、萘、硫的杂质，然后再送入所述PSA制氢装置制备氢气；

将所述氢气和所述热解油送入所述热解油加氢装置反应，制备人造石油。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述半焦与粉状生石灰、粘结剂混合后压制成型，制备型球。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在550-650℃的温度下对所述煤粉进行热解。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述煤粉在热解时还会产生烟气，用所述烟气干燥进入所述蓄热式快速热解反应器的煤气。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述煤粉的粒径≤1mm。