CN106987261A - 一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统和方法 - Google Patents

一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统和方法，该系统包括分段式热处理单元、气体净化分离单元以及混合半焦活化单元；其中，分段式热处理单元使用的蓄热式下行床反应器包括煤热解区、焦油催化裂解区以及生物质热解区；煤热解区设置有粉煤入口和半焦出口，生物质热解区设置有生物质入口和生物质焦出口，焦油催化裂解区设置有热解混合气出口；气体净化分离单元包括热解混合气入口、合成气出口、飞灰出口以及二氧化碳出口；混合半焦活化单元包括高温混合半焦入口、二氧化碳入口、活性炭出口以及活化后二氧化碳出口。本发明的技术方案能充分利用热解气所携带的热量，并解决焦油利用困难问题，实现高温热解半焦的高效综合利用。

Description

一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统和方法
技术领域
本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统和方法。
背景技术
煤热解是在一定的温度、绝氧环境下对煤进行加热，从而使煤中的挥发份分解，产生热解固体、热解气和焦油的过程，是实现煤炭分质梯级利用的关键步骤。但是，目前大多数处理粉煤的热解炉型，均以获得油品为目的，且热解油中含有大量的尘，造成热解油难以有效利用、价值不高；同时，热解产生的高温半焦和热解气中携带的热量也未得到充分利用，造成能量浪费。由此，现有技术存在热解气携带热量利用不充分、焦油利用困难以及半焦利用效率低的问题。
发明内容
面临上述技术问题，本发明旨在设计一种集煤热解、生物质热解和焦油催化裂解产生合成气为一体的热解装置，并将其与气体净化分离及混合半焦活化耦合，形成一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的方法和系统，以充分利用热解气所携带的热量，解决焦油利用困难问题，实现高温热解半焦的高效综合利用。
为实现上述目的，本发明提出了一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统，包括分段式热处理单元、气体净化分离单元以及混合半焦活化单元；其中，
所述分段式热处理单元使用的装置为蓄热式下行床反应器；所述蓄热式下行床反应器被隔热墙划分为左侧的煤热解区，以及右侧的焦油催化裂解区和生物质热解区；该反应器右侧被隔热插板阀划分为上部的所述焦油催化裂解区以及下部的所述生物质热解区；所述煤热解区设置有粉煤入口和半焦出口，所述生物质热解区设置有生物质入口和生物质焦出口，所述焦油催化裂解区设置有热解混合气出口；
所述气体净化分离单元包括热解混合气入口、合成气出口、飞灰出口以及二氧化碳出口，所述热解混合气入口和所述热解混合气出口相连；
所述混合半焦活化单元包括高温混合半焦入口、二氧化碳入口、活性炭出口以及活化后二氧化碳出口，所述高温混合半焦入口和所述半焦出口、所述生物质焦出口、所述飞灰出口均相连，所述二氧化碳入口与所述二氧化碳出口相连。
进一步地，所述系统还包括原煤预处理单元，所述原煤预处理单元包括依次连接的中低阶煤破碎装置、中低阶煤中间储仓和中低阶粉煤螺旋输送装置，所述中低阶粉煤螺旋输送装置与所述粉煤入口相连。
具体地，所述蓄热式下行床反应器设置有多层蓄热式辐射管，所述辐射管位于所述煤热解区和所述焦油催化裂解区。任一层所述辐射管沿所述反应器水平方向均匀分布，且所述多层蓄热式辐射管沿所述反应器的竖直方向上下分布。
进一步地，所述煤热解区还设置有防爆口。
具体地，所述隔热墙设置在所述蓄热式下行床反应器横向宽度的2/3处并垂直贯穿于该反应器内。所述隔热插板阀设置在所述蓄热式下行床反应器右侧区垂直方向的1/3处。
具体地，所述隔热墙设置有连通构件，所述连通构件设置在所述隔热墙纵向下部。所述隔热插板阀上设置有连通件，所述连通件设置在所述隔热插板阀的中间。
具体地，所述生物质入口设置在隔热插板阀下方的侧壁上。
进一步地，所述焦油催化裂解区设置有催化床层，所述催化床层设置有生物质焦入口和催化剂出口，所述生物质焦入口和所述生物质焦出口相连。
具体地，所述气体净化分离单元包括旋风分离器和PSA吸附分离装置，所述旋风分离器和PSA吸附分离装置连接。其中，所述热解混合气入口和所述飞灰出口均设置在所述旋风分离器上，所述合成气出口以及所述二氧化碳出口均设置在所述PSA吸附分离装置上。
本发明还提供了一种制备还原气和活性炭的方法，其特征在于，包括步骤：
A.煤粉与生物质分段式热处理：在所述煤热解区将原料煤粉进行热解处理产生高温荒煤气和高温半焦；所述高温荒煤气进入所述生物质热解区热解生物质，产生生物质焦和混合热解气；所述混合热解气进入所述焦油催化裂解区进行裂解，得到气态烃类物质；
B.气体净化分离：在所述气体净化分离单元将所述气态烃类物质净化分离后，得到飞灰、合成气和二氧化碳；
C.半焦活化：利用所述二氧化碳对分段式热处理后得到的所述高温半焦和所述生物质焦，以及净化分离后得到的所述飞灰在所述混合半焦活化单元进行活化，形成活性炭。
优选地，所述步骤A中，将所述煤热解区的热解温度控制在750-850℃。热解时间即物料由炉顶落至炉底的时间被控制在6s-12s。
进一步地，所述步骤A中，将所述生物质热解区的热解温度控制在650-750℃。
更进一步地，所述步骤A中，将焦油催化裂解区的温度控制在800-900℃。
优选地，所述步骤A中，将原料煤粉破碎至小于3mm。所述生物质的长度≤5mm。
更优选地，所述步骤A中，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.5-1.0:1。
具体地，所述步骤B中，所述气态烃类物质通过旋风分离器净化，得到飞灰，通过活化处理形成所述活性炭。净化后得到的热解气进入PSA吸附分离装置，经过分离得到所述合成气和所述二氧化碳。
优选地，所述步骤E中，将所述活化温度控制在800-950℃。
进一步地，所述方法还包括，在生产过程中间歇时，将所述生物质热解区产生的一部分所述生物质焦作为催化剂输至所述焦油催化裂解区。
采用本发明的技术方案有如下优点：
(1)充分利用煤热解与生物质热解的温度差，采取分段式热处理方式，将煤热解产生的荒煤气作为生物质热解的热源，在冷却煤热解产物的同时完成生物质热解，不仅充分利用荒煤气的热量，而且使得生物质变废为宝，获取油气产品；
(2)采用分段式蓄热式下行床作为煤粉与生物质的热解装置，采用内置外热的加热方式，辐射管置于炉膛内部，而加热载体与热解物料隔绝，所得油气与加热介质隔离，热解气品质高；
(3)将生物质热解产生的生物质焦进行自循环，作为焦油裂解的催化剂，降低催化剂成本且不掺入其它物质，实现系统资源的合理配置，
(4)充分利用混合半焦比表面积大的优势，将粉煤热解与生物质热解产生的混合半焦用作制备活性炭的原料，实现混合半焦的综合高效利用；
(5)将煤与生物质热解产生的热解混合气进行分离获得富氢还原气及二氧化碳，并将二氧化碳用作混合半焦制备活性炭的活化剂，实现自身系统的资源整合利用；
(6)热解产生的半焦及热解混合气均在高温下直接利用，充分利用了气固产物所携带的热量，提高整个系统的热效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统示意图；
1-原煤预处理单元，2-分段式热处理单元，3-气体净化分离单元，4-混合半焦活化单元；
11-中低阶煤破碎装置，12-中低阶煤中间储仓，13-中低阶粉煤螺旋输送装置；
21-隔热墙，22-连通构件，23-隔热插板阀，24-连通件，25-催化床层，26-煤热解区，27-生物质热解区，28-焦油催化裂解区；200-防爆口，201-粉煤入口，202-半焦出口，203-生物质入口，204-生物质焦出口，205-生物质焦入口，206-热解混合气出口；
31-热解混合气入口，32-合成气出口，33-飞灰出口，34-二氧化碳出口，35-旋风分离器，36-PSA吸附分离装置；
41-高温混合半焦入口，42-二氧化碳入口，43-活性炭出口，44-活化后二氧化碳出口。
图2为本发明的煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的工艺流程图。
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。
本发明旨在设计一种集煤热解、生物质热解和焦油催化裂解为一体的热解装置，并根据热解产品的特性，将上述热解技术与半焦活化制备活性炭技术耦合，形成一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的方法和系统，以实现热解焦油的催化裂解及高温热解半焦的高效综合利用。为此，本发明提出了一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的的系统，参见图1，该系统包括分段式热处理单元2、气体净化分离单元3以及混合半焦活化单元4；其中，
所述分段式热处理单元2使用的装置为蓄热式下行床反应器；所述蓄热式下行床反应器被隔热墙21划分为左侧的煤热解区26，以及右侧的焦油催化裂解区28和生物质热解区27；该反应器右侧被隔热插板阀23划分为上部的所述焦油催化裂解区28以及下部的所述生物质热解区27；所述煤热解区26设置有粉煤入口201和半焦出口202，所述生物质热解区27设置有生物质入口203和生物质焦出口204，所述焦油催化裂解区28设置有热解混合气出口206；
所述气体净化分离单元3包括热解混合气入口31、合成气出口32、飞灰出口33以及二氧化碳出口34，所述热解混合气入口31和所述热解混合气出口206相连；
所述混合半焦活化单元4使用的装置是活化室，其包括高温混合半焦入口41、二氧化碳入口42、活性炭出口43以及活化后二氧化碳出口44，所述高温混合半焦入口41通过保温密闭输送系统分别与和所述半焦出口202、所述生物质焦出口204、所述飞灰出口33均相连，所述二氧化碳入口42与所述二氧化碳出口34相连。
进一步地，所述系统还包括原煤预处理单元1，所述原煤预处理单元1包括依次连接的中低阶煤破碎装置11、中低阶煤中间储仓12和中低阶粉煤螺旋输送装置13，所述中低阶粉煤螺旋输送装置13与所述粉煤入口201相连。
具体地，所述蓄热式下行床反应器设置有多层蓄热式辐射管，多层蓄热式辐射管作为反应器的加热装置，所述辐射管位于所述煤热解区26和所述焦油催化裂解区28。任一层所述辐射管沿所述反应器水平方向均匀分布，且所述多层蓄热式辐射管沿所述反应器的竖直方向上下分布。
进一步地，所述煤热解区26还设置有防爆口200，以避免热解区内压力过高引发安全事故。
具体地，所述隔热墙21设置在所述蓄热式下行床反应器横向宽度的2/3处并垂直贯穿于该反应器内。所述隔热插板阀23设置在所述蓄热式下行床反应器右侧区垂直方向的1/3处。
具体地，所述隔热墙21设置有连通构件22，所述连通构件22设置在所述隔热墙21纵向下部。所述隔热插板阀23上设置有连通件24，所述连通件24设置在所述隔热插板阀23的中间。所述连通构件22以及所述连通件23保证了热解产物从煤热解区26到生物质热解区27以及焦油催化裂解区28的逸出。
具体地，所述生物质入口203设置在隔热插板阀23下方的侧壁上。
进一步地，所述焦油催化裂解区28设置有催化床层25，所述催化床层设置有生物质焦入口205和催化剂出口(图未示出)。所述生物质焦入口205和所述生物质焦出口204相连，用于催化床层25中的生物质焦催化剂在生产过程中间歇更换。
具体地，所述气体净化分离单元3包括旋风分离器35和PSA吸附分离装置36，所述旋风分离器35和PSA吸附分离装置36连接。其中，所述热解混合气入口31和所述飞灰出口33均设置在所述旋风分离器上，所述合成气出口32以及所述二氧化碳出口34均设置在所述PSA吸附分离装置36上。
本发明还提供了一种制备还原气和活性炭的方法，其工艺参见图2，该方法包括步骤：
A.煤粉与生物质分段式热处理：在所述煤热解区对原料煤粉进行热解处理产生高温荒煤气和高温半焦；高温半焦经密闭保温输送装置直接送至活化室，高温荒煤气从反应器下端的连通构件气孔进入所述生物质热解区，与加入的生物质进行直接接触，利用荒煤气的热量促使生物质热解，产生生物质焦和混合热解气；生物质焦从底端输出送入活化室，混合热解气经保温隔热插板阀上的连通件进入所述焦油催化裂解区后，在高温及生物质焦催化作用下进行裂解，得到气态烃类物质；
B.气体净化分离：在所述气体净化分离单元将所述气态烃类物质净化分离后，得到飞灰、合成气(富氢还原气)和二氧化碳；
C.半焦活化：利用所述二氧化碳对分段式热处理后得到的所述高温半焦和所述生物质焦，以及净化分离后得到的所述飞灰在所述混合半焦活化单元进行活化，形成活性炭。
优选地，所述步骤A中，将所述煤热解区的热解温度控制在750-850℃。热解时间即物料由炉顶落至炉底的时间被控制在6s-12s。
进一步地，所述步骤A中，将所述生物质热解区的热解温度控制在650-750℃。
更进一步地，所述步骤A中，将焦油催化裂解区的温度控制在800-900℃。
优选地，在热处理之前，通过破碎装置将原料煤粉破碎至小于3mm。
更优选地，所述步骤A中，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.5-1.0:1。所述生物质的长度≤5mm。
具体地，所述步骤B中，所述气态烃类物质通过旋风分离器净化，得到飞灰，通过活化处理形成所述活性炭。净化后得到的热解气进入PSA吸附分离装置，经过分离得到所述合成气和所述二氧化碳。
优选地，所述步骤E中，将所述活化温度控制在800-950℃。
进一步地，所述方法还包括，在生产过程中间歇时，将所述生物质热解区产生的一部分所述生物质焦作为催化剂输至所述焦油催化裂解区，以实现催化床层中的生物质焦催化剂在生产过程中间歇更换。催化剂更换时，需开启催化床的下部出口，同时开启隔热插板阀。
下面结合具体实施例对本发明制备还原气和活性炭的工艺作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
将粒度≤3mm的粉状中低阶煤粉送入蓄热式下行床反应器，从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为750℃，从而获得荒煤气和高温半焦；高温半焦经密闭保温输送装置直接送至混合半焦活化室；高温荒煤气从隔热墙下端的连通构件进入生物质热解区，与长度≤5mm的生物质进行直接接触，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.6:1，热解温度被控制在650℃，生物质热解得到热解气与生物质焦；产生的生物质焦从底端输出送入混合半焦活化室，而混合热解气经隔热插板阀的连通件进入焦油催化裂解区，使焦油在900℃高温及生物质焦催化作用下裂解为小分子的气态烃类，从而获得混合热解气；该混合热解气经过旋风分离器净化后在气体分离器内通过变压吸附，分离得到合成气和二氧化碳，合成气被收集待用，而二氧化碳被输送至活化室，在850℃下对活化室内的混合半焦进行活化，制得活性炭。
实施例2
本实施例制备还原气和活性炭的工艺和实施例1步骤相同，但工艺参数不同，具体如下：
将粒度≤3mm的粉状中低阶煤粉送入蓄热式下行床反应器，从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为850℃，从而获得荒煤气和高温半焦；高温半焦经密闭保温输送装置直接送至混合半焦活化室；高温荒煤气从隔热墙下端的连通构件进入生物质热解区，与长度≤5mm的生物质进行直接接触，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为1:1，热解温度被控制在700℃，生物质热解得到热解气与生物质焦；产生的生物质焦从底端输出送入混合半焦活化室，而混合热解气经隔热插板阀的连通件进入焦油催化裂解区，使焦油在850℃高温及生物质焦催化作用下裂解为小分子的气态烃类，从而获得混合热解气；该混合热解气经过旋风分离器净化后在气体分离器内通过变压吸附，分离得到合成气和二氧化碳，合成气被收集待用，而二氧化碳被输送至活化室，在800℃下对活化室内的混合半焦进行活化，制得活性炭。
实施例3
本实施例制备还原气和活性炭的工艺和实施例1步骤相同，但工艺参数不同，具体如下：
将粒度≤3mm的粉状中低阶煤粉送入蓄热式下行床反应器，从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为850℃，从而获得荒煤气和高温半焦；高温半焦经密闭保温输送装置直接送至混合半焦活化室；高温荒煤气从隔热墙下端的连通构件进入生物质热解区，与长度≤5mm的生物质进行直接接触，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.8:1，热解温度被控制在750℃，生物质热解得到热解气与生物质焦；产生的生物质焦从底端输出送入混合半焦活化室，而混合热解气经隔热插板阀的连通件进入焦油催化裂解区，使焦油在800℃高温及生物质焦催化作用下裂解为小分子的气态烃类，从而获得混合热解气；该混合热解气经过旋风分离器净化后在气体分离器内通过变压吸附，分离得到合成气和二氧化碳，合成气被收集待用，而二氧化碳被输送至活化室，在950℃下对活化室内的混合半焦进行活化，制得活性炭。
实施例4
本实施例制备还原气和活性炭的工艺和实施例1步骤相同，但工艺参数不同，具体如下：
将粒度≤3mm的粉状中低阶煤粉送入蓄热式下行床反应器，从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为850℃，从而获得荒煤气和高温半焦；高温半焦经密闭保温输送装置直接送至混合半焦活化室；高温荒煤气从隔热墙下端的连通构件进入生物质热解区，与长度≤5mm的生物质进行直接接触，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.5:1，热解温度被控制在700℃，生物质热解得到热解气与生物质焦；产生的生物质焦从底端输出送入混合半焦活化室，而混合热解气经隔热插板阀的连通件进入焦油催化裂解区，使焦油在900℃高温及生物质焦催化作用下裂解为小分子的气态烃类，从而获得混合热解气；该混合热解气经过旋风分离器净化后在气体分离器内通过变压吸附，分离得到合成气和二氧化碳，合成气被收集待用，而二氧化碳被输送至活化室，在900℃下对活化室内的混合半焦进行活化，制得活性炭。
根据以上实施例可知，本发明的蓄热式下行床反应器能够集煤热解、生物质热解和焦油催化裂解的功能为一体，并根据热解产品的特性，将该热解技术与半焦活化制备活性炭技术耦合，形成一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的方法和系统，实现了热解焦油的催化裂解及高温热解半焦的高效综合利用，解决了热解气携带热量利用不充分、焦油利用困难以及半焦利用效率低的问题。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种煤粉和生物质热解制备还原气和活性炭的系统，包括分段式热处理单元、气体净化分离单元以及混合半焦活化单元；其中，
所述分段式热处理单元使用的装置为蓄热式下行床反应器；所述蓄热式下行床反应器被隔热墙划分为左侧的煤热解区，以及右侧的焦油催化裂解区和生物质热解区；该反应器右侧被隔热插板阀划分为上部的所述焦油催化裂解区以及下部的所述生物质热解区；所述煤热解区设置有粉煤入口和半焦出口，所述生物质热解区设置有生物质入口和生物质焦出口，所述焦油催化裂解区设置有热解混合气出口；
所述气体净化分离单元包括热解混合气入口、合成气出口、飞灰出口以及二氧化碳出口，所述热解混合气入口和所述热解混合气出口相连；
所述混合半焦活化单元包括高温混合半焦入口、二氧化碳入口、活性炭出口以及活化后二氧化碳出口，所述高温混合半焦入口和所述半焦出口、所述生物质焦出口、所述飞灰出口均相连，所述二氧化碳入口与所述二氧化碳出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述系统还包括原煤预处理单元，所述原煤预处理单元包括依次连接的中低阶煤破碎装置、中低阶煤中间储仓和中低阶粉煤螺旋输送装置，所述中低阶粉煤螺旋输送装置与所述粉煤入口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述蓄热式下行床反应器设置有多层蓄热式辐射管，所述辐射管位于所述煤热解区和所述焦油催化裂解区；任一层所述辐射管沿所述反应器水平方向均匀分布，且所述多层蓄热式辐射管沿所述反应器的竖直方向上下分布。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述隔热墙设置有连通构件，所述连通构件设置在所述隔热墙纵向下部；所述隔热插板阀上设置有连通件，所述连通件设置在所述隔热插板阀的中间。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述焦油催化裂解区设置有催化床层，所述催化床层设置有生物质焦入口和催化剂出口，所述生物质焦入口和所述生物质焦出口相连。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述气体净化分离单元包括旋风分离器和PSA吸附分离装置，所述旋风分离器和PSA吸附分离装置连接；其中，所述热解混合气入口和所述飞灰出口均设置在所述旋风分离器上，所述合成气出口以及所述二氧化碳出口均设置在所述PSA吸附分离装置上。
7.一种用权利要求1-6任一所述系统制备还原气和活性炭的方法，其特征在于，包括步骤：
A.煤粉与生物质分段式热处理：在所述煤热解区将原料煤粉进行热解处理产生高温荒煤气和高温半焦；所述高温荒煤气进入所述生物质热解区热解生物质，产生生物质焦和混合热解气；所述混合热解气进入所述焦油催化裂解区进行裂解，得到气态烃类物质；
B.气体净化分离：在所述气体净化分离单元将所述气态烃类物质净化分离后，得到飞灰、合成气和二氧化碳；
C.半焦活化：利用所述二氧化碳对分段式热处理后得到的所述高温半焦和所述生物质焦，以及净化分离后得到的所述飞灰在所述混合半焦活化单元进行活化，形成活性炭。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，将原料煤粉破碎至小于3mm。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述生物质与所述原料煤粉的质量比为0.5-1.0:1。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在生产过程中间歇时，将所述生物质热解区产生的一部分所述生物质焦作为催化剂输至所述焦油催化裂解区。
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