CN107619674A - 固体燃料的折流移动床热解‑流化床气化耦合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种固体燃料的折流移动床热解‑流化床气化耦合装置及方法，包括进料装置、多层折流移动床热解反应器、折流板、流化床、出焦器、冷凝分离器等，本装置由上部的多层折流移动床和下部的流化床耦合组成，移动床内设置多层折流板内构件形成固体颗粒移动的通道，上部加入的颗粒发生低温热解，得到初步热解的固体颗粒沿折流板向下层高温区移动并继续发生热解反应，最后热解得到的固体颗粒进入底部的流化床发生气化反应，气化产生的合成气从下向上经过折流板为上部热解反应提供热量和还原性气氛，本发明的装置和方法可以提高颗粒的传热传质速率，能够制备高品质、低粉尘的油气产品。

Description

固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置及方法

技术领域

本发明涉及能源化工领域，具体地，本发明涉及一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置及方法。

背景技术

我国已探明适于热解分级炼制的煤炭储量达 875832 亿吨，其挥发分蕴藏约657亿吨油品和51万亿立方米天然气，分别相当于已探明石油可采储量的20倍、已探明天然气可采储量的11倍。因此，煤炭热解制备高品质油气产品将有力地缓解石油和天然气资源的不足。因此，煤炭热解及高值化利用的发展潜力深远，市场前景非常广阔。

目前，国外已开发的众多煤热解技术包括：美国的Toscoal热解技术、COED热解技术及LFC热解技术；德国的Lurgi-Ruhrgas热解技术、Simens Schwelbernn工艺及Noell工艺；前苏联的ETCH-175粉煤快速热解工艺；日本的ECOPRO部分加氢快速热解技术；澳大利亚的CSIRO热解工艺等。上述技术大都进行了百吨至千吨级每天的应用示范，证明了煤炭热解路线的可行性和合理性，但仍受高温油气与煤炭固体颗粒的分离困难、热解油气品质差、焦油粉尘含量高，致使装置连续稳定运行性差，且高品质油气收率低、致使经济性难以完全得到保障。国内的煤炭热解利用方面的研究虽然起步较晚，但发展迅速，已取得一定进展，中试或工业示范了多种技术，包括外热式的多段回转炉（MRF）、转体炉烘烤热解等技术，采用气体热载体加热的移动床干馏、旋转床热解等技术，和采用固体热载体加热的循环流化床多联产、DG快速热解、煤拔头及内构件移动床热解等技术，但还没有真正实现规模化的商业运行。

煤炭热解是我国能源领域迫切需要解决的技术与产业化难题，也是保障我国经济可持续发展和符合我国能源资源状况的国家战略需求，但煤炭热解技术在产业化过程中面临着一系列难题和技术瓶颈，阻碍了煤炭热解技术的产业化进程。首先热解规模化运行困难和油气产率及品质偏低是煤炭热解技术产业化过程中遇到的最大难题，主要原因是热解过程高温油气与煤炭固体颗粒的分离困难、热解焦油收率低、热解油气品质差、焦油粉尘含量高，致使装置连续稳定运行性差。因此需要研究煤热解制高品质油气的产物调控方法与机理，研制高油气收率热解反应器及工程放大，最终实现热解技术的连续稳定运行，同时提高油气收率和品质。其次是煤炭热解转化与半焦气化/燃烧技术联产的匹配和调控问题以及污染排放问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，提供一种可用与煤、生物质、油页岩、橡胶、固体废弃物、工业污泥、油砂等含碳氢元素的固体燃料的热解气化装置，使其可提高颗粒的传热传质速率，能够制备高品质（＞360℃的沥青质组分含量低）、低粉尘的焦油产品。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：包含多层折流移动床热解反应器及与之连接的气化反应装置，所述多层折流移动床热解反应器具有进料口；其中，所述多层折流移动床热解反应器内设置若干层的移动床，每层移动床内设置折流板内构件，其中最上层折流板内构件倾斜设置在反应器上，与进料口相接，下一层折流板内构件倾斜设置于上一层折流板内构件下方，下一层折流板内构件的倾斜方向与上一层折流板内构件的倾斜方向相反，所述各层的折流板内构件形成有固体颗粒从上向下移动的通道；其中，各个折流板内构件设置有孔道结构，所述气化反应装置中产生的气化气体经折流板内构件的孔道结构向上为多层折流移动床热解反应器提供热量。

其中，所述气化反应装置为流化床反应器，所述流化床反应器与所述多层折流移动床热解反应器一体连接，设置于所述多层折流移动床热解反应器的下方。

其中，所述流化床反应器为轴向变径结构，其直径大于或小于上部的多层折流移动床热解反应器。

其中，所述气化反应装置为气化炉，所述气化炉与所述多层折流移动床热解反应器分体设置，所述多层折流移动床热解反应器的固体产物输入至所述气化炉，所述气化炉的气化气体输入至所述多层折流移动床热解反应器底部。

其中，所述折流板内构件的倾斜角度可以为30度至60度之间。

其中，所述气化反应装置连接有溢流管和/或气化气收集管道；其中，所述溢流管连接出焦器、所述出焦器连接半焦收集罐。

其中，所述多层折流移动床热解反应器的最上层移动床处设置有顶层气体收集通道，该顶层气体收集通道与冷凝分离器相连。

其中，每一层移动床内分别设置一气体收集通道，每一个气体收集通道分别连接一冷凝分离器或每一层移动床内的气体收集通道均连接至一个冷凝分离器。

其中，所述下一层的折流板内构件上设置的孔道结构的尺寸和开孔率小于上一层的折流板内构件上设置的孔道结构的尺寸和开孔率。

其中，所述的进料口前端连接一预处理器，所述预处理器前端连接一进料装置。

本发明还提供一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，该方法包括以下步骤：

a：将固体燃料经过预处理粉碎筛分至10 mm以下，通过进料装置加入到预处理器，利用热空气或者烟气对固体燃料颗粒进行干燥处理；

b：将固体燃料颗粒加热到100-200℃去除水分后经过进料口加入多层折流移动床热解反应器中最顶层移动床中，在此层移动床中固体燃料颗粒受热升温到300-450℃，发生低温热解生成热解半焦、焦油和热解气，焦油和热解气混合气体通过顶层气体收集通道排出反应器进入到冷凝分离器中进行冷却分离，得到焦油和水；

c：初步热解的固体燃料颗粒及半焦颗粒经过折流板内构件缓慢向下移动到下一层移动床中，并在该床层内继续升温至500-650℃，发生中温热解反应，析出大部分的热解油气，焦油和热解气混合气体通过该层设置的气体收集通道或者顶层气体收集通道排出反应器进入到冷凝分离器中进行冷却分离，得到焦油和水；

d：热解后的半焦通过该层的折流板内构件继续向下移动到下一层移动床中，继续升温至700-850℃，发生高温热解反应，析出大量的热解气和少量的焦油，焦油和热解气混合气体通过该层气体收集通道或者上一层气体收集通道和顶层气体收集通道排出反应器进入到冷凝分离器中进行冷却分离，得到焦油和水；

f：热解后的半焦进入底部的气化反应装置中与通入的气化剂发生完全气化反应或部分气化反应，当发生完全气化反应时，部分气化气进入多层折流移动床热解反应器中，向上提供还原性气氛及热源，部分气化气体通过气化气体收集管道输出，气化后的废物颗粒自气化反应装置底部排出；当发生部分气化反应时，气化后颗粒经过溢流管、出焦器最后进入半焦收集罐中，气化气进入多层折流移动床热解反应器中，向上提供还原性气氛及热源。

其中，所述的方法还包括将固体燃料进行粉碎、筛选和干燥的步骤，用于去除固体燃料中的水分并预热。

其中，所述气化剂为空气、氧气、空气和水蒸汽的混合气体或氧气和水蒸汽的混合气体。

其中，所述的固体燃料为富含碳氢元素的固体颗粒。

本发明方法及装置的有益效果和优点是：（1）通过折流板将移动床反应器分成不同的床层，延长了颗粒在低温段的停留时间，使挥发分能够充分析出；（2）利用各床层的气体收集通道，低温下热解析出的气体可以分段快速导出，避免了热解气进入底部高温区发生二次裂解反应，降低了焦油中沥青质组分的含量；（3）固体燃料在折流板上向下缓慢移动，增加了传热面积和传热方式，提高了传热及传质速率，并避免了颗粒的粉化。

附图说明

图1为本发明固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。

图2为本发明带有预处理器的为固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。

图3为本发明轴向变径结构的为固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。

图4为本发明带有独立气化炉的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。

附图标识

1、进料装置

2、进料口

3、多层折流移动床热解反应器

4、折流板内构件

5、顶层气体收集通道

6、流板内构件

7、气体收集通道

8、气体收集通道

9、流板内构件

10、流化床气化反应器

11、溢流管

12、出焦器

13、半焦收集罐

14、冷凝分离器

15、焦油和水储罐

16、预处理器

17、气化炉

18、气化剂入口

19、气化装置排渣口

20、气化气收集管道。

具体实施方式

现在将参考图1、图2、图3及图4来描述本发明的具体实施例。如图1所示，其为本发明固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。本发明一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，包含多层折流移动床热解反应器3及与之连接的气化反应装置，本实施方式中，该气化反应装置为与所述多层折流移动床热解反应器3一体连接的流化床反应器10，所述流化床反应器10，设置于所述多层折流移动床热解反应器3的下方。

所述多层折流移动床热解反应器3具有进料口2，所述的进料口2前端连接一进料装置1，所述多层折流移动床热解反应器3内设置若干层的移动床，本实施例以三层为例：每层移动床内设置折流板内构件4、6、9，其中最上层折流板内构件4倾斜设置在反应器上，与进料口2相接，下一层折流板内构件6倾斜设置于上一层折流板内构件4下方，下一层折流板内构件6的倾斜方向与上一层折流板内构件4的倾斜方向相反，同理，最下层的折流板内构件9，设置于上一层折流板内构件6下方，下一层折流板内构件9的倾斜方向与上一层折流板内构件6的倾斜方向相反，所述各层的折流板内构件整体构成弯折形，形成有固体颗粒从上向下移动的通道。其中，所述折流板内构件的倾斜角度可以为30度至60度之间。

所述流化床反应器10侧面设置有溢流管11，底部设置有排渣口19、所述溢流管11连接出焦器12，所述出焦器12连接半焦收集罐13。所述出焦器12是带有水夹套冷却的出焦器（12），用于连续稳定地排出热解气化反应生成的半焦颗粒。所述半焦收集罐13用于收集半焦或灰渣。所述流化床反应器10还设置有气化剂入口18，用于通入气化剂，气化剂进入反应器内与固体燃料发生气化反应并得到高温的气化气体。

此外，本实施例得以实现的关键在于，上述各个折流板内构件4、6、9设置有孔道结构，所述流化床反应器10中产生的气化气体经折流板内构件4、6、9的孔道结构向上为多层折流移动床热解反应器3提供热量和还原性气氛。折流板下方的固体燃料热解气体也可以穿过折流板上的孔向上部床层移动。所述折流板内构件4、6、9设置有孔道结构可以根据现实需求设置不同的尺寸和开孔率，其中一种方式为所述下一层的折流板内构件6、9上设置的孔道结构的尺寸和开孔率小于上一层的折流板内构件4、6上设置的孔道结构的尺寸和开孔率，以增加气化气体在上升过程中的通过率。

本实施例中，所述多层折流移动床热解反应器3的最上层移动床处设置有顶层气体收集通道5，下一层气体收集通道7，最下层设置有气体收集通道8，上述各气体收集通道5、7、8均连接至冷凝分离器14，用于收集不同热解程度的热解气，并通过冷却分离得到的不同组成和含量的热解焦油和水进入焦油和水储罐15，分离出的热解气进入下游处理工段。上述各气体收集通道5、7、8也可以整合连接至一个冷凝分离器14。

基于本实施例中折流板内构件4、6、9的孔道结构，可以仅仅设置有一个顶层气体收集通道5，该顶层气体收集通道5连接至冷凝分离器14，所述冷凝分离器14连接至焦油和水储罐15。

如图2所示，其为本发明带有预处理器的为固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。所述的进料装置1和装置上部的折流移动床热解反应器3的最顶层之间设有预处理器16，用于固体燃料的粉碎、筛选和干燥，去除固体燃料中的水分并预热。

如图3所示，其为本发明轴向变径结构的为固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。所述流化床反应器10为轴向变径结构，其直径大于上部的多层折流移动床热解反应器3，该种设计可以提供较大的处理量，当然直径也可以小于上述多层折流移动床热解反应器3，该种设计可以提供较快速度的气化气体。

值得注意的是，图1至图3中的实施方式，流化床反应器10还可以提供完全的气化过程，即：不需要接入溢流管11，出焦器12和半焦收集罐13，气化气体向上提供热量和还原性气氛，量大的情况下，还可以将气化气体导出至收集装置，所述流化床反应器10上设置有气化气收集管道20，气化完全的的灰渣通过底部的排渣阀19离开反应器。

完全的气化反应和部分气化反应可以依照现实的需求予以调整，上述三种实施方式，均可以实现带有溢流管11，出焦器12和半焦收集罐13的部分气化反应，或设置有气化气收集管道20的完全气化反应，甚至两套装置并存，以满足现实的多种需求。

如图4所示，为本发明带有独立气化炉的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置的结构图及工艺原理图。所述气化反应装置为气化炉17，所述气化炉17与所述多层折流移动床热解反应器3分体设置，所述多层折流移动床热解反应器3的固体产物输入至所述气化炉17，所述气化炉17的气化气体输入至所述多层折流移动床热解反应器3底部。气化炉17具有气化剂入口18，还可以连接有有溢流管11，出焦器12和半焦收集罐13进行部分气化反应，或设置有气化气收集管道20进行完全气化反应。

本实施例中气体收集通道5和预处理器16等设置于上述实施例基本相同，在此不再赘述。

通过使用上述设备，本发明还提供了一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，该方法包括以下步骤：

a：将固体燃料经过预处理粉碎筛分至10 mm以下，通过进料装置1加入到预处理器16，利用热空气或者烟气对固体燃料颗粒进行干燥处理；

b：将固体燃料颗粒加热到100-200℃去除水分后经过进料口2加入多层折流移动床热解反应器3中最顶层移动床中，在此层移动床中固体燃料颗粒受热升温到300-450℃，发生低温热解生成热解半焦、焦油和热解气，焦油和热解气混合气体通过顶层气体收集通道5排出反应器进入到冷凝分离器14中进行冷却分离，得到焦油和水；

c：初步热解的固体燃料颗粒及半焦颗粒经过折流板内构件4缓慢向下移动到下一层移动床中，并在该床层内继续升温至500-650℃，发生中温热解反应，析出大部分的热解油气，焦油和热解气混合气体通过该层设置的气体收集通道7或者顶层气体收集通道5排出反应器进入到冷凝分离器14中进行冷却分离，得到焦油和水；

d：热解后的半焦通过该层的折流板内构件6继续向下移动到下一层移动床中，继续升温至700-850℃，发生高温热解反应，析出大量的热解气和少量的焦油，焦油和热解气混合气体通过该层气体收集通道8或者上一层气体收集通道7和顶层气体收集通道5排出反应器进入到冷凝分离器14中进行冷却分离，得到焦油和水；

f：热解后的半焦进入底部的气化反应装置中与通入的气化剂发生完全气化反应或部分气化反应，当发生完全气化反应时，部分气化气进入多层折流移动床热解反应器3中，向上提供还原性气氛及热源，部分气化气体通过气化气体收集管道输出，气化后的废物颗粒自气化反应装置底部排出；当发生部分气化反应时，气化后颗粒经过溢流管11、出焦器12最后进入半焦收集罐13中，气化气进入多层折流移动床热解反应器3中，向上提供还原性气氛及热源。

上述的方法还包括将固体燃料进行粉碎、筛选和干燥的步骤，用于去除固体燃料中的水分并预热。其中所述气化剂为空气、氧气、空气和水蒸汽的混合气体或氧气和水蒸汽的混合气体。其中，所述的固体燃料为富含碳氢元素的固体颗粒。

Claims (14)

1.一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：包含多层折流移动床热解反应器（3）及与之连接的气化反应装置，所述多层折流移动床热解反应器（3）具有进料口（2）；

其中，所述多层折流移动床热解反应器（3）内设置若干层的移动床，每层移动床内设置折流板内构件（4、6、9），其中最上层折流板内构件倾斜设置在反应器上，与进料口（2）相接，下一层折流板内构件倾斜设置于上一层折流板内构件下方，下一层折流板内构件的倾斜方向与上一层折流板内构件的倾斜方向相反，所述各层的折流板内构件形成有固体颗粒从上向下移动的通道；

其中，各个折流板内构件（4、6、9）设置有孔道结构，所述气化反应装置中产生的气化气体经折流板内构件（4、6、9）的孔道结构向上为多层折流移动床热解反应器（3）提供热量。

2.如权利要求1所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述气化反应装置为流化床反应器（10），所述流化床反应器（10）与所述多层折流移动床热解反应器（3）一体连接，设置于所述多层折流移动床热解反应器（3）的下方。

3.如权利要求2所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述流化床反应器（10）为轴向变径结构，其直径大于或小于上部的多层折流移动床热解反应器（3）。

4.如权利要求1所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述气化反应装置为气化炉（17），所述气化炉（17）与所述多层折流移动床热解反应器（3）分体设置，所述多层折流移动床热解反应器（3）的固体产物输入至所述气化炉（17），所述气化炉（17）的气化气体输入至所述多层折流移动床热解反应器（3）底部。

5.如权利要求1所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述折流板内构件的倾斜角度可以为30度至60度之间。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述气化反应装置连接有溢流管（11）和/或气化气收集管道（20）；其中，所述溢流管（11）连接出焦器（12）、所述出焦器（12）连接半焦收集罐（13）。

7.如权利要求6所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述多层折流移动床热解反应器（3）的最上层移动床处设置有顶层气体收集通道（5），该顶层气体收集通道（5）与冷凝分离器（14）相连。

8.如权利要求6所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：每一层移动床内分别设置一气体收集通道（5、7、8），每一个气体收集通道（5、7、8）分别连接一冷凝分离器（14）或每一层移动床内的气体收集通道（5、7、8）均连接至一个冷凝分离器（14）。

9.如权利要求7或8所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述下一层的折流板内构件（6、9）上设置的孔道结构的尺寸和开孔率小于上一层的折流板内构件（4、6）上设置的孔道结构的尺寸和开孔率。

10.如权利要求9所述的固体燃料的折流移动床热解-流化床气化耦合装置，其特征在于：所述的进料口（2）前端连接一预处理器（16），所述预处理器（16）前端连接一进料装置（1）。

11.一种固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，该方法包括以下步骤：

a：将固体燃料经过预处理粉碎筛分至10 mm以下，通过进料装置（1）加入到预处理器（16），利用热空气或者烟气对固体燃料颗粒进行干燥处理；

b：将固体燃料颗粒加热到100-200℃去除水分后经过进料口（2）加入多层折流移动床热解反应器（3）中最顶层移动床中，在此层移动床中固体燃料颗粒受热升温到300-450℃，发生低温热解生成热解半焦、焦油和热解气，焦油和热解气混合气体通过顶层气体收集通道（5）排出反应器进入到冷凝分离器（14）中进行冷却分离，得到焦油和水；

c：初步热解的固体燃料颗粒及半焦颗粒经过折流板内构件（4）缓慢向下移动到下一层移动床中，并在该床层内继续升温至500-650℃，发生中温热解反应，析出大部分的热解油气，焦油和热解气混合气体通过该层设置的气体收集通道（7）或者顶层气体收集通道（5）排出反应器进入到冷凝分离器（14）中进行冷却分离，得到焦油和水；

d：热解后的半焦通过该层的折流板内构件（6）继续向下移动到下一层移动床中，继续升温至700-850℃，发生高温热解反应，析出大量的热解气和少量的焦油，焦油和热解气混合气体通过该层气体收集通道（8）或者上一层气体收集通道（7）和顶层气体收集通道（5）排出反应器进入到冷凝分离器（14）中进行冷却分离，得到焦油和水；

f：热解后的半焦进入底部的气化反应装置中与通入的气化剂发生完全气化反应或部分气化反应，当发生完全气化反应时，部分气化气进入多层折流移动床热解反应器（3）中，向上提供还原性气氛及热源，部分气化气体通过气化气体收集管道输出，气化后的废物颗粒自气化反应装置底部排出；当发生部分气化反应时，气化后颗粒经过溢流管（11）、出焦器（12）最后进入半焦收集罐（13）中，气化气进入多层折流移动床热解反应器（3）中，向上提供还原性气氛及热源。

12.如权利要求11所述固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，其特征在于，所述的方法还包括将固体燃料进行粉碎、筛选和干燥的步骤，用于去除固体燃料中的水分并预热。

13.如权利要求12所述固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，其特征在于，所述气化剂为空气、氧气、空气和水蒸汽的混合气体或氧气和水蒸汽的混合气体。

14.如权利要求13所述固体燃料的折流移动床热解-流化床气化的试验方法，其特征在于，所述的固体燃料为富含碳氢元素的固体颗粒。