CN108587662B - 一种固体燃料的两段式热解装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源化工技术领域，公开了一种固体燃料的两段式热解装置及方法。该装置中：第一热解器设有固体燃料的进料口和出料口，固体燃料被加热机构加热形成半焦和一次热解油气；出料口与第二热解器连通，第二热解器设有半焦出口和热解油气出口，半焦在第二热解器形成颗粒床，并继续热解生成二次热解油气，一次热解油气与二次热解油气通过颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被颗粒床吸附。本发明通过利用半焦在第二热解器中形成的颗粒床对一次热解油气和二次热解油气中的重质组分进行催化裂解反应，同时对二者中的粉尘进行吸附，从而解决了现有热解反应器生成的热解油气中存在重质组分含量高和含尘高的问题。

Description

一种固体燃料的两段式热解装置及方法
技术领域
本发明涉及能源化工技术领域，尤其涉及一种固体燃料的两段式热解装置及方法。
背景技术
热解是固体有机燃料在惰性气氛下，受热生成固体、液体与气体产品的过程。从化学反应工程角度来看，可分为两个阶段：一次反应阶段，固体有机物化学结构中的大分子弱共价键受热发生断裂，形成大量的自由基碎片，自由基之间相互碰撞结合及稳定得到初次热解产物(半焦和热解油气)，其中的热解油气从颗粒逸出到环境中(反应器)；二次反应阶段，初次热解产物在反应器中继续发生裂解、聚合、缩聚、结焦等二次反应，形成最终的热解固态产物(半焦)、液态产物(焦油)和气态产物(热解气)。按升温速率的不同，热解可分为快速热解和慢速热解。快速热解技术采用高的加热速率以加快挥发物的从颗粒内逸出，可以获得比慢速热解更高的焦油产率，但是焦油中高于360℃的重质组分较多，焦油品质较差。
在提高焦油品质方面，专利CN102465043B公开了一种固体燃料的多段分级热解气化装置和方法，采用多层流化床技术，通过从低温到高温的分级热解，热解油气在各级流化床中的温升幅度能够控制在50℃～100℃之间，有效控制热解油气的二次反应程度，但是，该专利并没有实现对粉尘分离过程的强化，焦油含尘量仍然得不到有效控制。在油气除尘方面，专利CN 204779505 U采用活性炭颗粒层作为吸附颗粒除尘层进行油气除尘，装置能够长期稳定运行，除尘效率高，但是该专利需考虑活性炭的回收、磨损等问题，增加了设备和操作成本。专利CN102703097A提出了一种用于宽粒径分布煤的干馏装置和方法，通过在干馏装置内设置带有孔隙的隔板和传热板内构件，使得煤干馏过程中所产生的气相产物能及时逸出，改善了传热传质效果，减少二次反应，有利于提高焦油产率和品质，但是该反应器采用类似炼焦炉的固定床或移动床外加热方式，使得传热传质速率慢，生产时间长。专利CN103484134B公开了一种碳氢原料固体热载体干馏反应器与干馏方法，在干馏反应器内设置具有孔道或孔隙的内构件形成干馏气相产物流动通道，固体热载体加热提高了加热速率，解决了加热速率慢的问题，但该专利采用固体热载体加热限制了其应用范围。
综上所述，现有的热解反应器缺乏对热解油气二次反应的定向调控，导致热解油气产率低，热解油气中重质组分含量高和含尘高，阻碍了热解技术大规模工业化应用。因此，实现热解技术的大规模应用亟待同时提高热解油气的产率和品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体燃料的两段式热解装置及方法，以解决现有热解反应器生成的热解油气中存在重质组分含量高和含尘高的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种固体燃料的两段式热解装置及方法，包括：
加热机构；
与加热机构连接的第一热解器，其设有固体燃料的进料口和出料口，固体燃料被加热机构加热形成半焦和一次热解油气；
与加热机构连接的第二热解器，出料口与第二热解器连通，第二热解器设有半焦出口和热解油气出口，半焦在第二热解器形成颗粒床，并继续热解生成二次热解油气，一次热解油气与二次热解油气通过颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被颗粒床吸附。
作为优选，第二热解器内部中心处设有导气管，导气管与热解油气出口连接。
作为优选，导气管的管身开设有圆孔或条形孔，且导气管的管身的开孔密度由下至上逐渐减小。
作为优选，加热机构包括外加热机构和/或内加热机构，外加热机构采用电炉加热、烟道气加热或可燃气燃烧加热，内加热机构采用固体热载体加热和/或气体热载体加热。
作为优选，当加热机构为内加热机构时，第一热解器设有固体热载体入口和气体热载体入口。
作为优选，固体燃料包括煤和/或油页岩和/或油砂和/或油石和/或油泥和/或生物质和/或固体废弃物。
作为优选，第一热解器为下行床热解器、流化床热解器、输送床热解器或螺旋热解器，第二热解器为移动床热解器。
一种固体燃料的两段式热解方法，包括以下步骤：
S10.将固体燃料先热解生成一次热解油气和半焦；
S20.将生成的一次热解油气和半焦引入移动床热解器中，半焦在移动床热解器中形成颗粒床，半焦继续热解生成二次热解油气，一次热解油气与二次热解油气通过颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被颗粒床吸附。
作为优选，在步骤S10之前还包括将催化裂解催化剂通过浸渍或喷淋的方式加入到固体燃料中。
作为优选，在步骤S20之后还包括经半焦催化提质和除尘后的一次热解油气和二次热解油气排出移动床热解器后，再经过冷凝实现油气的分离与收集。
本发明的有益效果：
本发明通过利用半焦在第二热解器中形成的颗粒床对一次热解油气和二次热解油气中的重质组分进行催化裂解反应，同时对二者中的粉尘进行吸附，从而解决了现有热解反应器生成的热解油气中存在重质组分含量高和含尘高的问题。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的两段式热解装置的结构示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的两段式热解装置的结构示意图。
图中：
1、第一热解器；11、进料口；12、固体热载体入口；13、气体热载体入口；
2、第二热解器；21、半焦出口；22、热解油气出口；23、导气管；
3、溢流管。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明一个实施例提供的一种固体燃料的两段式热解装置，包括加热机构、与加热机构连接的第一热解器1和与加热机构连接的第二热解器2，其中：
第一热解器1设有固体燃料的进料口11和出料口，固体燃料被加热机构加热形成半焦和一次热解油气；出料口与第二热解器2连通，第二热解器2设有半焦出口21和热解油气出口22，半焦在第二热解器2形成颗粒床，并继续热解生成二次热解油气，一次热解油气与二次热解油气通过颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被颗粒床吸附。本发明通过利用半焦在第二热解器中形成的颗粒床对一次热解油气和二次热解油气中的重质组分进行催化裂解反应，同时对二者中的粉尘进行吸附，从而解决了现有热解反应器生成的热解油气中存在重质组分含量高和含尘高的问题。
具体地，第二热解器2内部中心处设有导气管23，导气管23与热解油气出口22连接，半焦在第二热解器2的底部经半焦出口21通过排料系统(图中未示出)排出，并采用现有的熄焦技术(如干法熄焦和湿法熄焦等)处理。在导气管23的作用下，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)通过半焦形成的颗粒床，在原位半焦上发生二次反应提质(即利用半焦催化裂解热解油气中的重质组分)，经原位提质后的热解油气从热解油气出口22排出。综上，固体燃料经过两段式热解装置后，最终减少热解油气中重质组分含量和含尘量，同时提高热解油气的产率和品质，防止重质组分和粉尘堵塞后续的热解系统工艺管道和油气分离设备。
具体地，导气管23的管身开设有圆孔或条形孔，且导气管23的管身的开孔密度由下至上逐渐减小，为了使热解油气与半焦形成的颗粒床接触时间更长，因此需要在导气管23的管身的下部开孔的密度较上部大一些，以使更多的热解油气经半焦颗粒床下部从导气管排出，保证热解油气的催化和除尘效果。
具体地，加热机构包括外加热机构和/或内加热机构，即可以只选择外加热的方式，或只选择内加热的方式，也可以选择内加热与外加热共同加热的方式。其中，外加热机构采用电炉加热、烟道气加热或可燃气燃烧加热，内加热机构采用固体热载体加热和/或气体热载体加热。
具体地，当加热机构为内加热机构时，第一热解器1设有固体热载体入口12和气体热载体入口13，其中，固体热载体包括瓷球、半焦、灰、以及它们的混合物等，气体热载体包括氮气、氢气、热解气以及合成气等。
具体地，固体燃料包括煤和/或油页岩和/或油砂和/或油石和/或油泥和/或生物质和/或固体废弃物，优选地，固体燃料也可以是其它含有碳氢的固体原料。
具体地，第一热解器1为下行床热解器、流化床热解器、输送床热解器或螺旋热解器，第二热解器2为移动床热解器，第一热解器1主要用于对固体燃料的快速加热，第二热解器2主要用于利用半焦形成的颗粒床对热解油气的提质和除尘(即催化裂解热解油气中的重质组分并吸附粉尘)。
具体地，为更好地使得第一热解器1实现快速热解，在固体燃料进入第一热解器1之前进行干燥处理，一方面降低了固体燃料中含水量，另一方面提高了固体燃料快速热解的初始温度，有利于保证高的加热速率，从而使得固体燃料在第一热解器1中能够快速热解，以获得尽可能多的热解油气产品。
如图2所示，本发明另一个实施例提供的一种固体燃料的两段式热解装置，其与图1中两段式热解装置不同点在于，第一热解器1和第二热解器2采用分体设置方式，且二者之间通过溢流管3连接，具体地，第二热解器2的布置高度要低于第一热解器1的布置高度，这样可使得油气产品更加顺畅地流入到第二热解器2中。
本发明还提供了一种固体燃料的两段式热解方法，其优选实施例为采用上述涉及的两种两段式热解装置，该方法包括以下步骤：
S10.将固体燃料先热解生成一次热解油气和半焦；
S20.将生成的一次热解油气和半焦引入移动床热解器中，半焦在移动床热解器中形成颗粒床，半焦继续热解生成二次热解油气，一次热解油气与二次热解油气通过颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被颗粒床吸附。
在步骤S10之前还包括将催化裂解催化剂通过浸渍或喷淋的方式加入到固体燃料中。
在步骤S20之后还包括经半焦催化提质和除尘后的一次热解油气和二次热解油气排出移动床热解器后，再经过冷凝实现油气的分离与收集。具体地，一次热解油气和二次热解油气经导气管23排出移动床热解器外，更具体的，导气管23的管身开设有圆孔或条形孔，且导气管23的管身的开孔密度由下至上逐渐减小。
在步骤S20之后还包括半焦经半焦出口21通过排料系统排出，并采用现有的熄焦技术(如干法熄焦和湿法熄焦等)处理。
以下通过五组实验工况对两段式热解装置能够提高热解油气的产率和品质进行说明：
第一组：
使用如图1所示的固体燃料的两段式热解装置，该装置由第一热解器1和第二热解器2组成，其中第一热解器1为下行床热解器，第二热解器2为移动床热解器。首先，将粒径为0.1mm～2mm的固体燃料从进料口11加入到下行床热解器中，气体热载体(N2、H2、CO2或热解气等)从气体热载体入口13引入，采用外加热方式提供热解所需热量，例如可采用电加热、热解气或燃料气燃烧提供热量，并加热固体燃料颗粒至500℃～800℃。在0.1MPa～1.0MPa、颗粒停留时间为1s～10s的条件下，在下行床热解器中发生快速热解反应，生成的快速热解一次产物(包括一次热解油气和半焦)进入到移动床热解器进行后续热解及热解产物二次反应提质，反应温度为500℃～700℃。半焦在移动床热解器继续热解生成二次热解油气，且一次热解油气在半焦形成的颗粒床内发生二次反应，半焦选择性催化裂解热解油气中的重质组分，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)中的粉尘经由半焦颗粒床过滤，最终热解油气产物经导气管23从热解油气出口22排出，半焦从半焦出口21排出，达到同时提高热解油气产率和品质，降低焦油含尘量的目的。
第二组：
使用如图1所示的固体燃料的两段式热解装置，该装置由第一热解器1和第二热解器2组成，其中第一热解器1为下行床热解器，第二热解器2为移动床热解器。首先，将粒径为0.1mm～2mm的固体燃料从进料口11加入到下行床热解器中，采用外加热与气体热载体联用加热的方式提供热解所需热量，外加热机构可采用电加热、热解气或燃料气燃烧提供热量，气体热载体(N2、H2、CO2或热解气等)从气体热载体入口13引入，并加热固体燃料颗粒至400℃～700℃。在0.1MPa～1.0MPa、颗粒停留时间为1s～10s的条件下，在下行床热解器中发生快速热解反应，生成的快速热解一次产物(包括一次热解油气和半焦)进入到移动床热解器进行后续热解及热解产物二次反应提质，反应温度为500℃～700℃。半焦在移动床热解器继续热解生成二次热解油气，且一次热解油气在半焦形成的颗粒床内发生二次反应，半焦选择性催化裂解热解油气中的重质组分，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)中的粉尘经由半焦颗粒床过滤，最终热解油气产物经导气管23从热解油气出口22排出，半焦从半焦出口21排出，达到同时提高热解油气产率和品质，降低焦油含尘量的目的。
第三组：
使用如图1所示的固体燃料的两段式热解装置，该装置由第一热解器1和第二热解器2组成，其中第一热解器1为下行床热解器，第二热解器2为移动床热解器。首先，将粒径为0.1mm～2mm的固体燃料从进料口11加入到下行床热解器中，采用固体热载体与气体热载体联用加热的方式提供热解所需热量，固体热载体(石英砂、瓷球、天然矿物质或半焦等)从固体热载体入口12引入，气体热载体(N2、H2、CO2或热解气等)从气体热载体入口13引入，共同加热固体燃料颗粒至400℃～700℃。在0.1MPa～1.0MPa、颗粒停留时间为1s～10s的条件下，在下行床热解器中发生快速热解反应，生成的快速热解一次产物(包括一次热解油气和半焦)进入到移动床热解器进行后续热解及热解产物二次反应提质，反应温度为500℃～700℃。半焦在移动床热解器继续热解生成二次热解油气，且一次热解油气在半焦形成的颗粒床内发生二次反应，半焦选择性催化裂解热解油气中的重质组分，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)中的粉尘经由半焦颗粒床过滤，最终热解油气产物经导气管23从热解油气出口22排出，半焦从半焦出口21排出，达到同时提高热解油气产率和品质，降低焦油含尘量的目的。
第四组：
使用如图2所示的固体燃料的两段式热解装置，该装置由第一热解器1、第二热解器2和用于连接二者的溢流管3组成，其中第一热解器1为流化床热解器，第二热解器2为移动床热解器。首先，将粒径为0.1mm～10mm的固体燃料从进料口11加入到流化床热解器中，采用气体热载体加热的方式提供热解所需热量，气体热载体(N2、H2、CO2或热解气等)从气体热载体入口13引入，加热固体燃料颗粒至400℃～700℃，气体热载体同时作为流化气使用。在0.1MPa～1.0MPa、颗粒停留时间为5min～30min的条件下，在流化床热解器中发生快速热解反应，生成的快速热解一次产物(包括一次热解油气和半焦)通过溢流管3进入到移动床热解器进行后续热解及热解产物二次反应提质，反应温度为500℃～700℃。半焦在移动床热解器继续热解生成二次热解油气，且一次热解油气在半焦形成的颗粒床内发生二次反应，半焦选择性催化裂解热解油气中的重质组分，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)中的粉尘经由半焦颗粒床过滤，最终热解油气产物经导气管23从热解油气出口22排出，半焦从半焦出口21排出，达到同时提高热解油气产率和品质，降低焦油含尘量的目的。
第五组：
使用如图2所示的固体燃料的两段式热解装置，该装置由第一热解器1、第二热解器2和用于连接二者的溢流管3组成，其中第一热解器1为流化床热解器，第二热解器2为移动床热解器。首先，将粒径为0.1mm～10mm的固体燃料从进料口11加入到流化床热解器中，采用固体热载体与气体热载体联用加热的方式提供热解所需热量，固体热载体(石英砂、瓷球、天然矿物质或半焦等)从固体热载体入口12引入，气体热载体(N2、H2、CO2或热解气等)从气体热载体入口13引入，共同加热固体燃料颗粒至400℃～700℃，气体热载体同时作为流化气使用。在0.1MPa～1.0MPa、颗粒停留时间为5min～30min的条件下，在流化床热解器中发生快速热解反应，生成的快速热解一次产物(包括一次热解油气和半焦)通过溢流管3进入到移动床热解器进行后续热解及热解产物二次反应提质，反应温度为500℃～700℃。半焦在移动床热解器继续热解生成二次热解油气，且一次热解油气在半焦形成的颗粒床内发生二次反应，半焦选择性催化裂解热解油气中的重质组分，热解油气(即一次热解油气和二次热解油气)中的粉尘经由半焦颗粒床过滤，最终热解油气产物经导气管23从热解油气出口22排出，半焦从半焦出口21排出，达到同时提高热解油气产率和品质，降低焦油含尘量的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术用户来说，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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固体燃料的两段式热解装置，其特征在于，包括：
加热机构；
与所述加热机构连接的第一热解器(1)，其设有固体燃料的进料口(11)和出料口，所述固体燃料被所述加热机构加热形成半焦和一次热解油气；
与所述加热机构连接的第二热解器(2)，所述出料口与所述第二热解器(2)连通，所述第二热解器(2)设有半焦出口(21)和热解油气出口(22)，所述半焦在所述第二热解器(2)形成颗粒床，并继续热解生成二次热解油气，所述一次热解油气与所述二次热解油气通过所述颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被所述颗粒床吸附；所述第二热解器(2)内部中心处设有导气管(23)，所述导气管(23)与所述热解油气出口(22)连接；
所述导气管(23)的管身开设有圆孔或条形孔，且所述导气管(23)的管身的开孔密度由下至上逐渐减小，在所述导气管(23)的作用下，热解油气通过半焦形成的颗粒床，在原位半焦上发生二次反应提质，经原位提质后的热解油气从所述热解油气出口(22)排出；
所述第一热解器(1)为下行床热解器或流化床热解器，所述第二热解器(2)为移动床热解器。
2.根据权利要求1所述的固体燃料的两段式热解装置，其特征在于，所述加热机构包括外加热机构和/或内加热机构，所述外加热机构采用电炉加热、烟道气加热或可燃气燃烧加热，所述内加热机构采用固体热载体加热和/或气体热载体加热。
3.根据权利要求2所述的固体燃料的两段式热解装置，其特征在于，当所述加热机构为内加热机构时，所述第一热解器(1)设有固体热载体入口(12)和气体热载体入口(13)。
4.根据权利要求1所述的固体燃料的两段式热解装置，其特征在于，所述固体燃料包括煤和/或油页岩和/或油砂和/或油石和/或油泥和/或生物质和/或固体废弃物。
5.一种固体燃料的两段式热解方法，其特征在于，依照如权利要求1所述的固体燃料的两段式热解装置，方法包括以下步骤：
S10.将固体燃料先热解生成一次热解油气和半焦；
S20.将所述生成的一次热解油气和半焦引入移动床热解器中，半焦在所述移动床热解器中形成颗粒床，所述半焦继续热解生成二次热解油气，所述一次热解油气与所述二次热解油气通过所述颗粒床发生重质组分催化裂解反应，且二者中的粉尘被所述颗粒床吸附。
6.根据权利要求5所述的固体燃料的两段式热解方法，其特征在于，在步骤S10之前还包括将催化裂解催化剂通过浸渍或喷淋的方式加入到所述固体燃料中。
7.根据权利要求6所述的固体燃料的两段式热解方法，其特征在于，在步骤S20之后还包括经半焦催化提质和除尘后的一次热解油气和二次热解油气排出移动床热解器后，再经过冷凝实现油气的分离与收集。
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