CN109666501A - 一种固体热载体油砂热解系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体热载体油砂热解系统及工艺方法，其中，该系统包括破碎机、干燥窑、热解窑、燃烧窑、第一烟气处理单元、热解气处理单元、第二烟气处理单元和气柜；本系统采用一小部分来自热解窑的尾渣用于在干燥窑中干燥预热油砂，其余热尾渣则在热解气和半焦中的残炭共同燃烧过程中，在燃烧炉中被加热作为热载体，并在热解窑内和油砂进行均匀混合后实现对油砂的加热热解，通过上述工艺可有效解决粘结性油砂的热结难题。

Description

一种固体热载体油砂热解系统及工艺方法

技术领域

本发明属油砂热解技术领域，具体涉及一种固体热载体油砂热解系统及工艺方法。

背景技术

能源是国民经济的重要基础，是社会和经济发展的重要保障。我国的一次能源消费结构的特点是富煤、贫油、少气，煤炭提供了70%以上的一次能源，但却易于产生污染。非常规油气资源主要包括油页岩、重油和油砂矿等，以其储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等特点日益受到人们的关注。

油砂，又称沥青砂或焦油砂，是一种含有沥青或焦油(固态或半固态烃类)的砂或砂岩。通常是由砂、沥青、矿物质、粘土和水组成的混合物。不同地区油砂矿的组成不同， 一般沥青含量为 3% ~20%，砂和粘土占 80% ~ 85%，水占 3% ~16%。油砂经开采、热解分离后可以得到合成原油，热解后的尾砂可以用于生产建筑材料或回填处理。

油砂的特点是具有较强的粘结性，因而使得其加工过程中的热解作业变得十分困难。目前现有的适用于煤或油页岩热解作业的流化床及回转床式热解设备，若直接用来处理油砂，将面临粘结严重、堵塞、传热性能恶化等一系列问题，无法实现热解生产线的长周期安全运行。因此必须开发更为适用的热解装备和工艺，这也是目前实现油砂热解亟待解决的一个现实问题。

发明内容

为了克服现有热解技术在处理粘性物料方面的不足,本发明提出了一种固体热载体油砂热解系统及工艺方法，能够适应高粘性油砂热解作业的要求，保证工艺系统的长周期安全运行。

一种固体热载体油砂热解系统，该系统包括破碎机、干燥窑、热解窑、燃烧窑、第一烟气处理单元、热解气处理单元、第二烟气处理单元和气柜；该工艺系统采用一小部分来自热解窑的尾渣用于在干燥窑中干燥预热油砂，其余热尾渣则在热解气和半焦中的残炭共同燃烧过程中，在燃烧炉中被加热作为热载体，并在热解窑内和油砂进行均匀混合后实现对油砂的加热热解，通过上述工艺可有效解决粘结性油砂的热结难题。

所述破碎机，用于将油砂进行破碎，之后送入所述干燥窑；

所述干燥窑，用于对破碎后的油砂和来自所述热解窑的高温半焦进行干燥，同时使高温半焦冷却以便于送至堆场存放；

所述热解窑，用于将来自燃烧窑的高温尾渣和来自干燥窑的油砂混合均匀后实现对油砂的加热热解；

所述燃烧窑，用于将来自热解窑热解后的半焦尾渣混合体和来自气柜的热解气一并燃烧产生高温烟气，同时提升半焦温度；

所述第一烟气处理单元，用于对干燥窑产生的烟气进行处理后排放；

所述热解气处理单元，用于对热解窑产生的热解气进行气固分离和冷却净化，并将冷却净化后的热解气存入气柜中；

所述第二烟气处理单元，用于对燃烧窑产生的烟气进行除尘和余热回收，并将回收的带有余热的空气送入燃烧窑和干燥窑。

进一步地，所述第一烟气处理单元包括沿烟气输送方向依次连接的除尘器、逆喷器、脱硫脱硝反应器和烟囱。

进一步地，所述热解气处理单元包括由热解气输送方向依次连接的粗滤器、精滤器、空冷器、逆喷器、电捕器和脱硫器，完成脱硫的热解气存入所述气柜中。

进一步地，所述第二烟气处理单元包括除尘器和空气换热器，燃烧窑中产生的烟气先经过除尘器除尘，之后经由换热器对进燃烧窑的空气进行预热。

进一步地，所述燃烧窑采用回转式结构，在喷入自产热解气燃烧的同时，窑体回转翻动高温半焦，在鼓入助燃空气的作用下，半焦中的残炭一并燃烧产生高温烟气，同时将半焦温度提升至800～900℃。

进一步地，所述干燥窑为回转弧形腔干燥器，采用来自热解窑的部分热半焦干燥油砂，同时使尾渣冷却，便于送至堆场存放。

进一步地，所述热解窑为回转分腔结构，采用来自燃烧窑的高温尾渣和来自干燥窑的油砂，使其混合均匀，油砂升温并完成热解作业。推荐优选专利号ZL201620641862.7中的分腔式结构。

进一步地，所述换热器用来将空气预热后用于燃烧窑助燃，采用通常的热管换热器或管式换热器。

进一步地，所述逆喷器为采用动力波原理的冷却器，利用冷却液和热解气高速逆流而产生的泡沫层进行高效充分的传热传质，以达到热解气冷却及热解油冷凝沉降的目的。本工艺系统的烟气冷凝收水也采用了逆喷器。

进一步地，所述空冷器为采用空气作为冷却介质对热解气进行冷却。不同于一般的空冷器，本系统采用的空冷器为大管径及带有冲洗装置的空冷器，以消除热解气冷却过程中可能由冷凝物析出及易堵塞设备和管路的问题。

进一步地，所述精滤器采用陶瓷或金属基高温滤管过滤器，可实现热解气颗粒物在高温条件下的高效过滤。

进一步地，所述脱硫脱硝反应器为采用钙基吸收剂的脱硫脱硝反应器，用于脱除燃烧炉产生的烟气中硫氧化物和氮氧化物，同时还具有一定的颗粒物滤除能力。干法作业有效避免了传统湿法脱硫脱硝技术所产生的二次污染等问题。

进一步地，所述破碎机采用齿辊式结构，用于油砂的选择性破碎。

进一步地，所述干燥窑后的除尘器为湿式除尘器，用于将含有干燥蒸发水分的废气除尘、冷凝收水后达标排放。

未述及的其它设备为采用市场上的常规通用设备。

进一步地，所述固体热载体油砂热解系统的工艺方法：具体包括以下步骤：

S1. 油砂先由破碎机进行选择性破碎，使物料粒度控制在25mm以内，之后送入干燥窑；

S2. 在干燥窑内，油砂和来自热解窑的高温尾渣分别由不同的通道，由高端向低端移动，同时借助传热体间壁进行换热；随着物料向出口端的移动，尾渣温度逐渐降低，至出口处达180～220℃，喷水进一步降温并排出后，由输送机送至推场；

S3. 油砂受热且温度不断升高，所含水分部分蒸发，随载气一并排出至第一烟气处理单元中，处理后达标排放；

S4. 经干燥后的油砂，温度升至60~100℃，由干燥窑排出后进入热解窑，同时进入热解窑的还有来自燃烧窑的温度达800℃的尾渣，两者在进料口及窑体转动过程中自动均匀混合并换热，整体温度稳定在500~600℃，油砂受热热解，析出的热解气体由尾端排出至后部的热解气处理单元进行气固分离及冷却净化环节处理；

S5. 热解后的半焦尾渣混合体，大部分进入燃烧炉，和同时喷入燃烧炉的热解气一并燃烧，使尾渣升温至780～820℃，之后再进入热解窑循环，小部分则进入干燥窑，用于油砂的干燥预热。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）采用热解气与半焦燃烧升温加热的尾渣作为固体热载体，和粘性料油砂混合后完成热解，不仅大大简化了热解器的结构，还有效解决了油砂所带来的粘结堵塞难题。

（2）燃烧炉、干燥窑和热解窑三窑组合方式有利于热解系统中能量的合理循环和利用，可实现热解系统自身的能量平衡。

附图说明

图1是实施例的结构示意图，示意出了整个系统的具体结构组成，其中图中的箭头为热介质流向。

图中，1、破碎机；2、干燥窑；3、热解窑；4、燃烧窑；5、第一烟气处理单元；51、第一烟气处理单元中的除尘器；52、第一烟气处理单元中的逆喷器；53、脱硫脱硝反应器；54、烟囱；6、热解气处理单元；61、粗滤器；62、精滤器；63、空冷器；64、热解气处理单元中的逆喷器；65、电捕器；66、脱硫器；7、第二烟气处理单元；71、第二烟气处理单元中的除尘器；72、换热器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种固体热载体油砂热解系统，该系统包括破碎机1、干燥窑2、热解窑3、燃烧窑4、第一烟气处理单元5、热解气处理单元6、第二烟气处理单元7和气柜8；该工艺系统采用一小部分来自热解窑3的尾渣用于在干燥窑2中干燥预热油砂，其余热尾渣则在热解气和半焦中的残炭共同燃烧过程中，在燃烧炉中被加热作为热载体，并在热解窑3内和油砂进行均匀混合后实现对油砂的加热热解，通过上述工艺可有效解决粘结性油砂的热结难题。

所述破碎机1，用于将油砂进行破碎，之后送入所述干燥窑2；

所述干燥窑2，用于对破碎后的油砂和来自所述热解窑3的高温半焦进行干燥，同时使高温半焦冷却以便于送至堆场存放；

所述热解窑3，用于将来自燃烧窑4的高温尾渣和来自干燥窑的油砂混合均匀后实现对油砂的加热热解；

所述燃烧窑4，用于将来自热解窑3热解后的半焦尾渣混合体和来自气柜8的热解气一并燃烧产生高温烟气，同时提升半焦温度；

所述第一烟气处理单元5，用于对干燥窑2产生的烟气进行处理后排放；

所述热解气处理单元6，用于对热解窑3产生的热解气进行气固分离和冷却净化，并将冷却净化后的热解气存入气柜8中；

所述第二烟气处理单元7，用于对燃烧窑4产生的烟气进行除尘和余热回收，并将回收的带有余热的空气送入燃烧窑4和干燥窑2。

所述第一烟气处理单元5包括沿烟气输送方向依次连接的除尘器51、逆喷器52、脱硫脱硝反应器53和烟囱54。

所述热解气处理单元6包括由热解气输送方向依次连接的粗滤器61、精滤器62、空冷器63、逆喷器64、电捕器65和脱硫器66，完成脱硫的热解气存入所述气柜8中。

所述第二烟气处理单元7包括除尘器71和空气换热器72，燃烧窑4中产生的烟气先经过除尘器71除尘，之后经由换热器72对进燃烧窑4的空气进行预热。

工作时，油砂先由齿辊破碎机进行选择性破碎，使物料粒度控制在25mm以内，之后送入干燥窑。在干燥窑内，油砂和来自热解窑的高温尾渣分别由不同的通道，由高端向低端移动，同时借助传热体间壁进行换热。随着物料向出口端的移动，尾渣温度逐渐降低，至出口处达200℃，喷水进一步降温并排出后，由输送机送至推场。与此同时，油砂受热且温度不断升高，所含水分部分蒸发，随载气一并排出至后端除尘器，处理后达标排放。经干燥后的油砂，温度升至60~100℃，由干燥窑排出后进入热解窑。同时进入热解窑的还有来自燃烧炉的温度达800℃的尾渣。两者在进料口及窑体转动过程中自动均匀混合并换热，整体温度稳定在500~600℃。油砂受热热解，析出的热解气体由尾端排出至后部气固分离及冷却净化环节处理。热解后的半焦尾渣混合体，大部分进入燃烧炉，和同时喷入燃烧炉的热解气一并燃烧，进一步使尾渣升温至800℃，之后再进入热解窑循环。小部分则进入干燥窑，用于油砂的干燥预热。

热解窑中热尾渣与油砂的比例一般控制在3：1至4：1，因此热解窑出口半焦的分配比例也据此确定，并能根据原料状况在一定范围内调节。

热解气和半焦尾渣混合体在燃烧炉中燃烧所产生的800℃的烟气，经过旋风除尘器预除尘，之后经由换热器对进燃烧炉的空气进行预热。烟气温度降至400℃，之后进入干燥窑预热油砂。由干燥窑排出的降温后的烟气，经预除尘、冷凝收水及调温至适当温度后，采用钙基吸收剂式脱硫脱硝反应器，除污达标后排放。

为控制燃烧炉中烟气温度过高而加大NOx的生成量，还抽出一部分换热后的烟气进入燃烧炉内用于循环。

由热解窑排出的热解气，先经过粗滤器进行预除尘，然后进入高温滤管过滤器进行精除尘，使热解气中颗粒物含量<20mg/m3。经过颗粒物滤除后的热解气可依次经过空冷器及逆喷器冷却至50℃，之后再进入电捕器、脱硫器经进一步除油及脱硫处理后送入气柜备用。

空冷器冲洗及逆喷器冷却采用热解轻质油，收集的废水及冲洗液经静置分离及冷却后，冲洗液循环使用，热解油收集后送入油罐，多余废水送至后端进行进一步的深度处理。

本发明采用一小部分来自热解窑的尾渣用于在干燥窑中干燥预热油砂，其余热尾渣则在热解气和半焦中的残炭共同燃烧过程中，在燃烧炉中被加热作为热载体，并在热解窑内和油砂进行均匀混合后实现对油砂的加热热解。通过上述工艺可有效解决粘结性油砂的热结难题。

实施例2

在实施例1或2或3的基础上，参照图1，所述燃烧窑4采用回转式结构，在喷入自产热解气燃烧的同时，窑体回转翻动高温半焦，在鼓入助燃空气的作用下，半焦中的残炭一并燃烧产生高温烟气，同时将半焦温度提升至800～900℃。

所述干燥窑2为回转弧形腔干燥器，采用来自热解窑3的部分热半焦干燥油砂，同时使尾渣冷却，便于送至堆场存放。

实施例3

在实施例1或2或3或4的基础上，参照图1，所述热解窑3为回转分腔结构，采用来自燃烧窑4的高温尾渣和来自干燥窑的油砂，使其混合均匀，油砂升温并完成热解作业。推荐优选专利号ZL201620641862.7中的分腔式结构。

所述换热器72用来将空气预热后用于燃烧窑4助燃，采用通常的热管换热器或管式换热器。

实施例4

在实施例1或2或3或4或5的基础上，参照图1，所述逆喷器52为采用动力波原理的冷却器，利用冷却液和热解气高速逆流而产生的泡沫层进行高效充分的传热传质，以达到热解气冷却及热解油冷凝沉降的目的。本系统的烟气冷凝收水也采用了逆喷器。

实施例5

在实施例1或2或3或4或5或6的基础上，参照图1，所述空冷器为采用空气作为冷却介质对热解气进行冷却。不同于一般的空冷器63，本系统采用的空冷器63为大管径及带有冲洗装置的空冷器，以消除热解气冷却过程中可能由冷凝物析出及易堵塞设备和管路的问题。

实施例6

在实施例1或2或3或4或5或6或7的基础上，参照1，所述精滤器62采用陶瓷或金属基高温滤管过滤器，可实现热解气颗粒物在800~900℃高温下的高效过滤。

实施例7

在实施例1或2或3或4或5或6或7或8的基础上，参照图1，所述脱硫脱硝反应器53为采用钙基吸收剂的脱硫脱硝反应器，钙剂吸收剂主要是氢氧化钙，用于脱除燃烧炉产生的烟气中硫氧化物和氮氧化物，同时还具有一定的颗粒物滤除能力。

干法作业有效避免了传统湿法脱硫脱硝技术所产生的二次污染等问题。

实施例8

在实施例1的基础上，参照图1，所述破碎机1采用齿辊式结构，用于油砂的选择性破碎。

所述干燥窑2后的除尘器51为湿式除尘器，用于将含有干燥蒸发水分的废气除尘、冷凝收水后达标排放。

破碎机采用齿辊式结构，能够稳定地使物料粒度控制在25mm以内，便于后续处理。

干燥窑后的除尘器采用湿式除尘器，这样能够使得排出的气体中的水分进行冷凝，并除去废气中的粉尘，避免污染空气，同时，湿法除尘废气有除湿脱白要求时，可引入部分烟气混合，或由高、低温两股气体合并混合后排放。

实施例9

所述固体热载体油砂热解系统的工艺方法：具体包括以下步骤：

S1. 油砂先由破碎机1进行选择性破碎，使物料粒度控制在25mm以内，之后送入干燥窑2；

S2. 在干燥窑2内，油砂和来自热解窑3的高温尾渣分别由不同的通道，由高端向低端移动，同时借助传热体间壁进行换热；随着物料向出口端的移动，尾渣温度逐渐降低，至出口处达180～220℃，喷水进一步降温并排出后，由输送机送至推场；

S3. 油砂受热且温度不断升高，所含水分部分蒸发，随载气一并排出至第一烟气处理单元5中，处理后达标排放；

S4. 经干燥后的油砂，温度升至60~100℃，由干燥窑2排出后进入热解窑3，同时进入热解窑3的还有来自燃烧窑4的温度达800℃的尾渣，两者在进料口及窑体转动过程中自动均匀混合并换热，整体温度稳定在500～600℃，油砂受热热解，析出的热解气体由尾端排出至后部的热解气处理单元6进行气固分离及冷却净化环节处理；

S5. 热解后的半焦尾渣混合体，大部分进入燃烧炉，和同时喷入燃烧炉的热解气一并燃烧，使尾渣升温至780～820℃，之后再进入热解窑3循环，小部分则进入干燥窑2，用于油砂的干燥预热。

本发明采用一小部分来自热解窑的尾渣用于在干燥窑中干燥预热油砂，其余热尾渣则在热解气和半焦中的残炭共同燃烧过程中，在燃烧炉中被加热作为热载体，并在热解窑内和油砂进行均匀混合后实现对油砂的加热热解，通过上述工艺可有效解决粘结性油砂的热结难题。

需要说明，本实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后…… )仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，涉及“ 第一”、“ 第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“ 第一”、“ 第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体热载体油砂热解系统，其特征在于：该系统包括破碎机、干燥窑、热解窑、燃烧窑、第一烟气处理单元、热解气处理单元、第二烟气处理单元和气柜；

所述破碎机，用于将油砂进行破碎，之后送入所述干燥窑；

所述干燥窑，用于对破碎后的油砂和来自所述热解窑的高温半焦进行干燥，同时使高温半焦冷却以便于送至堆场存放；

所述热解窑，用于将来自燃烧窑的高温尾渣和来自干燥窑的油砂混合均匀后实现对油砂的加热热解；

所述燃烧窑，用于将来自热解窑热解后的半焦尾渣混合体和来自气柜的热解气一并燃烧产生高温烟气，同时提升半焦温度；

所述第一烟气处理单元，用于对干燥窑产生的烟气进行处理后排放；

所述热解气处理单元，用于对热解窑产生的热解气进行气固分离和冷却净化，并将冷却净化后的热解气存入气柜中；

所述第二烟气处理单元，用于对燃烧窑产生的烟气进行除尘和余热回收，并将回收的带有余热的空气送入燃烧窑和干燥窑。

2.根据权利要求1所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述第一烟气处理单元包括沿烟气输送方向依次连接的除尘器、逆喷器、脱硫脱硝反应器和烟囱。

3.根据权利要求2所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述热解气处理单元包括由热解气输送方向依次连接的粗滤器、精滤器、空冷器、逆喷器、电捕器和脱硫器，完成脱硫的热解气存入所述气柜中。

4.根据权利要求3所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述第二烟气处理单元包括除尘器和空气换热器，燃烧窑中产生的烟气先经过除尘器除尘，之后经由换热器对进燃烧窑的空气进行预热。

5.根据权利要求4所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述燃烧窑采用回转式结构，在喷入自产热解气燃烧的同时，窑体回转翻动高温半焦，在鼓入助燃空气的作用下，半焦中的残炭一并燃烧产生高温烟气，同时将半焦温度提升至800～900℃。

6.根据权利要求1至5任一项所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述干燥窑为回转弧形腔干燥器。

7.根据权利要求1至5任一项所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述热解窑为回转分腔结构。

8.根据权利要求1至5任一项所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述换热器用来将空气预热后用于燃烧窑助燃，采用热管换热器或管式换热器。

9.根据权利要求2所述的固体热载体油砂热解系统，其特征在于：所述脱硫脱硝反应器为采用钙基吸收剂的脱硫脱硝反应器，用于脱除燃烧炉产生的烟气中硫氧化物和氮氧化物，同时还具有一定的颗粒物滤除能力。

10.根据权利要求1所述的固体热载体油砂热解系统的工艺方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1. 油砂先由破碎机进行选择性破碎，使物料粒度控制在25mm以内，之后送入干燥窑；

S2. 在干燥窑内，油砂和来自热解窑的高温尾渣分别由不同的通道，由高端向低端移动，同时借助传热体间壁进行换热；随着物料向出口端的移动，尾渣温度逐渐降低，至出口处达180～220℃，喷水进一步降温并排出后，由输送机送至推场；

S3. 油砂受热且温度不断升高，所含水分部分蒸发，随载气一并排出至第一烟气处理单元中，处理后达标排放；

S4. 经干燥后的油砂，温度升至60~100℃，由干燥窑排出后进入热解窑，同时进入热解窑的还有来自燃烧窑的温度达800℃的尾渣，两者在进料口及窑体转动过程中自动均匀混合并换热，整体温度稳定在500~600℃，油砂受热热解，析出的热解气体由尾端排出至后部的热解气处理单元进行气固分离及冷却净化环节处理；

S5. 热解后的半焦尾渣混合体，大部分进入燃烧炉，和同时喷入燃烧炉的热解气一并燃烧，使尾渣升温至780～820℃，之后再进入热解窑循环，小部分则进入干燥窑，用于油砂的干燥预热。