CN107880917A - 一种上行蓄热式热解炉及热解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种上行蓄热式热解炉及热解方法。热解炉包括炉体和辐射管，炉体为方形炉，炉体的顶部设有产物出口，炉体的底部设有气体进口和反应物进料口，反应物进料口在所述炉体的竖直方向上的位置高于所述气体进口；辐射管设于炉体内，位于反应物进料口上方，辐射管为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管。本发明通过控制提升气体流量，调控热解颗粒速度和颗粒停留时间，从而实现对于热解反应深度和反应进程的有效控制，改善转化率，提高目标产品收率；采用多根蓄热式辐射管，工艺流程简单、系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热以及分离过程，降低了系统的故障率，提高了系统的热效率，降低了焦油含尘量。
Description
技术领域
本发明涉及热解炉技术领域，尤其涉及一种上行蓄热式热解炉及热解方法。
背景技术
煤炭是世界上探明储量最为丰富的常规资源之一，作为世界上最大的煤炭生产和消费国，我国的能源结构特点是富煤、贫油、少气。煤炭的清洁高效利用是国民生产的迫切需求。现阶段，我国的煤炭资源主要有燃烧、气化、液化、热解等四种利用方式。煤炭直接燃烧会产生热量，效率比较低，而且排放物会严重污染环境；煤炭气化、液化工艺一般需要满足高温、高压、富氧等苛刻的反应条件，这对反应器性能以及工艺过程的成本要求较高。相比于这几种利用方式，煤热解将煤转化成固态、液态和气态产品，有明显的优势与前景。
目前，从加热方式来看，国内外现有热解工艺多采用瓷球以及热解产物半焦作为固体热载体，或产物半焦气化后的煤气作为气体热载体等加热方式。上述加热方式涉及到热载体的加热、分离等过程，导致了系统工艺流程长，系统故障率较高。
而且，试验中发现瓷球被反复加热到600℃以上循环使用，会产生磨损性问题；黏结性煤在热解过程中会黏附在瓷球上，仅有非黏结性煤和弱黏结性煤可用于该工艺，通常焦油收率不高。
采用半焦作为热载体时，由于大量焦砟细颗粒被带入焦油中，焦油中固体颗粒物含量高达40％-50％，给焦油的加工和利用带来了困难；使用黏结性煤时会因焦油和粒子的凝集而引起故障；采用机械搅拌对煤和热的半焦进行混合，磨损较严重，设备放大存在问题。
采用气体作为热载体，涉及到加热、分离等，导致系统工艺流程长，系统故障率较高；采用可燃气作为热载体，可燃气在预热过程中如果出现泄漏现象，可能与加热室的加热介质接触，带来安全隐患。
总之，采用半焦、瓷球等固体热载体会严重影响热解炉装置的处理能力；煤气等气体热载体预热也存在较大安全隐患。
此外，目前使用的热解炉，多数为固定床，或具有下行流化床的功能，煤粉热解不充分或挥发产物的二次分解严重，导致转化率和目标产品收率过低。
因此，为了解决现有技术对煤种适应性弱、气体和固体作为热载体存在的加热、分离程序，降低焦油含尘量，简化工艺流程，降低系统的故障率，使得系统控温准确、调温方便，对热解反应深度和反应进程进行有效控制，改善热解转化率，提高目标产品收率，提高系统的热效率，亟待研发一种新型热解炉反应技术。
发明内容
针对上述问题，为了消除现有加热方式与炉型带来的一系列问题，能够降低焦油含尘量，简化工艺流程，降低系统的故障率，使得系统控温准确、调温方便，对热解反应深度和反应进程进行有效控制，改善热解转化率，提高目标产品收率，提高系统的热效率，本发明提供一种上行蓄热式热解炉及热解方法。
本发明旨在提供一种上行蓄热式热解炉，所述热解炉包括炉体和辐射管，其中，所述炉体为方形炉，所述炉体的顶部设有产物出口，所述炉体的底部设有气体进口和反应物进料口，所述反应物进料口在所述炉体的竖直方向上的位置高于所述气体进口；所述辐射管设于所述炉体内，位于所述反应物进料口上方，所述辐射管为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管。
上述的热解炉，所述热解炉还包括气体分布板，所述气体分布板设置于所述炉体内，位于所述反应物进料口下方，所述气体分布板上均布一组进气口，所述气体进口与所述进气口连通。
上述的热解炉，所述辐射管两端均设置有燃烧器，所述燃烧器分别与所述炉体外部的蓄热器相连，所述燃烧器与所述蓄热器一一对应。
上述的热解炉，所述辐射管在所述气体分布板上的垂直投影与所述气体分布板上的进气口的位置相互不重叠。
上述的热解炉，所述进气口的管径为所述辐射管的管径的1/5-1/3，每个所述辐射管正下方至少排布4-9个所述进气口。
上述的热解炉，所述反应物进料口设置在所述炉体的底部侧面，所述反应物进料口沿同一水平圆周上均布2-4个，所述反应物进料口尺寸是所述进气口尺寸的1-2倍。
上述的热解炉，所述炉体的顶部为梯形台，所述顶部的高度为所述炉体的高度的1/9-1/8，所述热解炉的高径比为5-10。
本发明还提供一种利用上述热解炉进行热解的方法，所述方法包括：
将反应物从所述热解炉的反应物进料口送入所述热解炉的炉体内；
将提升气体从所述热解炉的底部通过所述气体进口送入所述热解炉的炉体内；
使所述反应物在所述提升气体的作用下沿所述热解炉的下部向上部运动；
使所述反应物被所述辐射管加热发生热解反应，生成气态、液态产物以及固体半焦；
将热解反应生成的产物从所述热解炉的顶部排出。
上述的方法，所述反应物被辐射管加热至450-950℃，单根所述辐射管上的温度差不高于30℃。
上述的方法，当制取焦油时，所述炉体的炉膛温度为500-700℃；当生产中热值煤气时，所述炉体的炉膛温度为700-900℃。
本发明的上行蓄热式热解炉，通过控制提升气体流量，能够调控颗粒速度和颗粒停留时间，从而实现了对于热解反应深度和反应进程的有效控制，改善了热解转化率，提高了目标产品收率。
本发明采用多根蓄热式辐射管，为热解炉中的煤粉提供热源，没有热载体和机械转动装置，工艺流程简单，系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热、分离过程，降低了系统的故障率。
本发明的加热方式可结合对流、热传导和辐射传热控制，提高了系统的热效率。
与半焦作为热载体相比，本发明降低了焦油的含尘量。
此外，本发明对煤种适应性强，无论对于非黏结性煤、弱黏结性煤、强黏结性煤均可适应。
附图说明
图1为本发明实施例的上行蓄热式热解炉正视结构示意图；
图2为本发明实施例的上行蓄热式热解炉俯视结构示意图。
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以及各个方面的优点。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。
如图1所示，本发明的上行蓄热式热解炉，包括炉体5和辐射管6，其中，炉体5为方形炉，炉体5的顶部设有产物出口7，炉体5的底部设有气体进口1和反应物进料口4，反应物进料口4在所述炉体5的竖直方向上的位置高于所述气体进口1；辐射管6设于炉体5内，位于反应物进料口4上方，辐射管6为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管。多根蓄热式辐射管6为热解炉反应器中的热解反应提供热源。所述辐射管6的管径可为0.1-0.3m。
为保证热解炉底部的反应物有足够的动量，且沿炉膛均匀向上运动，在热解炉反应物进料口下方安装气体分布板2。所述气体分布板2设置于所述炉体5内，位于所述反应物进料口4下方，所述气体分布板2上均布一组进气口3。进气口3与气体进口1连通。
如图2可以看出，气体分布板2上进气口3的位置与辐射管6正下方投影所处的位置并不相互重叠，这样设计保证了反应物在气体的作用下沿辐射管周围壁面向上运动，避免了辐射管6对上行反应物和气体的阻塞，且保证了反应物受热的均匀性。为达到上述效果，进气口3的管径为辐射管6的管径的1/5-1/3，每根辐射管正6下方至少排布4-9个进气口3。
如图1所示，所述辐射管6两端均设置有燃烧器8，所述燃烧器8分别与所述炉体5外部的蓄热器相连，所述燃烧器与所述蓄热器一一对应。
所述反应物进料口4设置在所述炉体5的底部侧面，所述反应物进料口4沿同一水平圆周上均布2-4个，所述反应物进料口4的尺寸是所述进气口3的尺寸的1-2倍。
所述炉体5的顶部为梯形台，所述顶部的高度为所述炉体的高度的1/9-1/8。所述热解炉的高径比为5-10。
上述上行蓄热式热解炉的热解工艺过程如下：反应物从热解炉底部的侧面反应物进料口4进入热解炉反应器底部，提升气体从热解炉底部提升气体进口1均匀进入热解炉反应器底部，并沿气体分布板2上的进气口进入热解炉反应器内部。
反应物在提升气体的作用下，同时沿热解炉反应器下部向上部运动。在几秒内，反应物被辐射管6迅速加热至450-950℃，优选温度500-900℃。若以制取焦油为目的，炉膛温度设置在500-700℃；若以生产中热值煤气为主，炉膛温度设置在700-900℃，并发生热解反应，生成气态和液态产物以及固体半焦，热解产物从热解炉反应器顶部排出。
其中，上述蓄热式辐射管6的蓄热燃烧过程如下：蓄热式辐射管在管体两端分别设置有燃烧器8，燃料气和温度气经设置在热解炉外面的蓄热室预热后进入至设置在辐射管A端口的燃烧器发生燃烧反应，一端燃烧器8燃烧产生的火焰在喷出时沿辐射管方向形成温度梯度，即沿辐射管A端向该辐射管的另一侧B端，温度呈梯度下降趋势。A端燃烧完成后，A端燃烧产生的烟气进入至B端蓄热室，预热燃料和助燃风，预热后的燃料和助燃风进入至辐射管B端燃烧器，在另一端燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时也形成温度梯度。同一辐射管两端的燃烧器交替换向燃烧。
当两端的燃烧器交替进行燃烧时，所形成的两个温度梯度叠加，使得整个蓄热式辐射管整体温度分布均匀。为保证热解炉内部反应物料受热均匀，单根蓄热式辐射管上的温度差不高于30℃。在热解炉反应器内部，多根蓄热式辐射管沿竖直方向间隔排布，保证各区域温度分布均匀。其中，A端可以为辐射管的任一端口，B端为同一辐射管A端所对应的另一端。
实施例1
一种上行蓄热式长焰煤低温快速热解炉，如图1所示。立式方形蓄热式快速热解炉高为12m，顶部为1.4*3.0m的长方形，底部为3*3m的正方形，热解炉内部沿竖直方向排布16根蓄热式辐射管6。辐射管管径均为300mm，辐射管两两水平和竖直间距分别为640mm。气体分布板2上排布5行、5列进气口，总共排布25个进气口，进气口的管径均为60mm，进气口两两水平和竖直间距均为600mm，每根辐射管6下端周围排布4个进气口3。将干燥后的含有8.64％水分的长焰煤粉碎至6mm以下，煤粉粒径分布如表1所示，煤粉的工业分析和元素分析如表2和表3所示。在不同的加热温度分两次分别取100kg/(m2﹒s)的煤粉从反应物进料口4进入热解炉反应器底部进行热解，提升气体氮气以7m/s的速度从气体进口1均匀进入热解炉反应器底部，并沿气体分布板2上的进气口3进入热解炉反应器内部。煤粉在提升气体氮气的作用下，沿热解炉反应器下部向上部运动。在5s内，煤粉分别被辐射管6迅速加热至500℃和600℃，并发生热解反应。在加热温度为500℃时，生成12.51％热解气、10.51％热解水、12.33％焦油以及64.65％半焦；在加热温度为600℃时，生成22.63％热解气、8.56％热解水、9.58％焦油以及59.23％半焦。热解产物从热解炉反应器顶部排出。
表1长焰煤粒径分布
表2长焰煤工业分析(％)
表3长焰煤元素分析(％)
本文中Mad代表水分；Aad代表灰分；Vad代表挥发分；Cad代表固定碳含量；Had代表氢含量；Oad代表氧含量；Nad代表氮含量；Sad代表硫含量。
实施例2
一种上行蓄热式褐煤中温快速热解炉，如图1所示。立式方形蓄热式快速热解炉高为12m，顶部为1.4*3.0m的长方形，底部为3*3m的正方形，热解炉内部沿竖直方向排布16根蓄热式辐射管6。辐射管6管径均为300mm，辐射管6两两水平和竖直间距分别为640mm。气体分布板2上排布9行、9列进气口3，总共排布81个进气口3，进气口3的管径均为60mm，进气口3两两水平和竖直间距均为300mm，每根辐射管6下端周围排布9个进气口3。将干燥后的含有15.10％左右水分的褐煤粉碎至6mm以下，煤粉粒径分布如表4所示，煤粉的工业分析和元素分析如表5和表6所示。在不同的加热温度分三次分别取100kg/(m2﹒s)的煤粉从反应物进料口4进入热解炉反应器底部进行热解，提升气体氮气以5m/s的速度从气体进口1均匀进入热解炉反应器底部，并沿气体分布板2上的进气口3进入热解炉反应器内部。煤粉在提升气体氮气的作用下，沿热解炉反应器下部向上部运动。在7s内，煤粉分别被被辐射管6迅速加热至800℃、700℃和900℃，并发生热解反应。在加热温度为800℃时，生成38.71％热解气、7.52％％热解水、1.20％焦油以及52.27％半焦；在加热温度为700℃时，生成30.51％热解气、8.63％％热解水、5.30％焦油以及55.56％半焦；在加热温度为900℃时，生成45.23％热解气、5.71％％热解水、0.95％焦油以及48.11％半焦。热解产物从热解炉反应器顶部排出。
表4褐煤粒径分布
表5褐煤工业分析(％)
表6长焰煤元素分析(％)
从上述实施例的热解过程与结果可进一步验证本发明的技术效果，解决了现有技术对煤种适应性弱、气体和固体作为热载体存在的加热、分离程序，降低了焦油含尘量，简化了工艺流程，降低了系统的故障率，使得系统控温准确、调温方便，对热解反应深度和反应进程进行了有效控制，改善了热解转化率，提高了目标产品收率，提高系统的热效率。
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)
1.一种上行蓄热式热解炉，其特征在于，所述热解炉包括炉体和辐射管，其中，
所述炉体为方形炉，所述炉体的顶部设有产物出口，所述炉体的底部设有气体进口和反应物进料口，所述反应物进料口在所述炉体的竖直方向上的位置高于所述气体进口；
所述辐射管设于所述炉体内，位于所述反应物进料口上方，所述辐射管为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管。
2.根据权利要求1所述的热解炉，其特征在于，所述热解炉还包括气体分布板，所述气体分布板设置于所述炉体内，位于所述反应物进料口下方，所述气体分布板上均布一组进气口，所述气体进口与所述进气口连通。
3.根据权利要求1所述的热解炉，其特征在于，所述辐射管两端均设置有燃烧器，所述燃烧器分别与所述炉体外部的蓄热器相连，所述燃烧器与所述蓄热器一一对应。
4.根据权利要求2所述的热解炉，其特征在于，所述辐射管在所述气体分布板上的垂直投影与所述气体分布板上的进气口的位置相互不重叠。
5.根据权利要求2所述的热解炉，其特征在于，所述进气口的管径为所述辐射管的管径的1/5-1/3，每个所述辐射管正下方至少排布4-9个所述进气口。
6.根据权利要求2所述的热解炉，其特征在于，所述反应物进料口设置在所述炉体的底部侧面，所述反应物进料口沿同一水平圆周上均布2-4个，所述反应物进料口尺寸是所述进气口尺寸的1-2倍。
7.根据权利要求1所述的热解炉，其特征在于，所述炉体的顶部为梯形台，所述顶部的高度为所述炉体的高度的1/9-1/8，所述热解炉的高径比为5-10。
8.一种利用权利要求1至7任一项所述热解炉进行热解的方法，其特征在于，所述方法包括：
将反应物从所述热解炉的反应物进料口送入所述热解炉的炉体内；
将提升气体从所述热解炉的底部通过所述气体进口送入所述热解炉的炉体内；
使所述反应物在所述提升气体的作用下沿所述热解炉的下部向上部运动；
使所述反应物被所述辐射管加热发生热解反应，生成气态、液态产物以及固体半焦；
将热解反应生成的产物从所述热解炉的顶部排出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应物被辐射管加热至450-950℃，单根所述辐射管上的温度差不高于30℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当制取焦油时，所述炉体的炉膛温度为500-700℃；当生产中热值煤气时，所述炉体的炉膛温度为700-900℃。
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- 2017-11-21 CN CN201711165263.8A patent/CN107880917A/zh active Pending
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