CN109735358A - 一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法 - Google Patents
一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法，所述装置自上而下包括分离段和冷却段，所述分离段设有气固分离器，所述冷却段设有换热管，所述装置下部设有流化气入口。所述方法包括：经气固分离得到的固体颗粒在流化状态下直接进行冷却，得到冷却后固体颗粒。本发明所述装置可以将分离后处于流化态的固体颗粒直接进行冷却，减少了固体颗粒失流化后再流化的操作，有效换热面积大，冷却效果好；所述装置结构简单，冷却段可调节性强，操作简便，成本较低，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，涉及一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法，尤其涉及一种粉焦分离、冷却一体化装置及其处理方法。
背景技术
随着能源短缺和环境污染问题的日趋严峻，发展高效利用化工原料的技术成为人们的共识。煤炭是一种重要的化工原料，实现煤炭资源的合理转化、有效利用是目前的研究焦点之一。其中，粉焦冷却是粉煤热解工艺中的关键性环节，需要将粉焦与热解油气分离后冷却，以便后续的包装、输送与利用。
目前，设计采用的粉焦冷却方式主要有两种，流态化冷却和柱塞流板片式换热冷却。流态化冷却是借鉴催化裂化外取热器的结构形式，采用的粉焦外冷却装置，其结构示意图如图1所示，外冷却器中流化气A从底部进入，流化粉焦颗粒，流化气上行粉焦下行，到达顶部成为流化气B，流化气B的流量相对较大，气体中含有细粉焦，温度相对较高，其理想去处是进入沉降器气提段下部，问题是该气体可能会携带部分粉焦进入沉降器，而且设计过程中沉降器与外冷却器之间的压力平衡需要严格核算，而在实际运行过程中所需的流化气流量是需要根据换热情况进行调节的，这就给设计工作带来困难，无法准确计算。若该流化气采用自身循环方式则需要增加高温过滤器、气体冷却器、循环风机等一套气体循环系统，同时还需要设置该气体循环的压力控制系统以保证冷却器与沉降器之间的压力平衡，实现起来较为困难。同时，采用外冷却器时，粉焦在转移过程中易失流化，还需要在外冷却器内再次流化，使得有效换热面积减小，成本提高。
CN 103113905 A公开了煤粉复合干馏装置及方法，所述装置中热载体立管的一端与提升管反应器连接、另一端与烧炭器连接，烧炭器中的一部分高温半焦由热载体立管输入至提升管反应器中，反应后分离还可返回烧炭器，另一部分高温半焦经排料立管进入半焦冷却器中冷却后排入半焦储罐，同时半焦还可以在烧炭器和取热器间循环，但该装置并未涉及半焦具体的冷却过程以及流化气的使用，同时结构较为复杂。
另外，柱塞流板片式冷却器的换热板采用激光焊接后液压成型，在粉体冷却上有其独特之处，多层换热板的错层布置实现物料与换热板之间的表面更新，可以很好地解决粉体的换热问题。但应用于粉焦冷却时存在一些问题：设备不能承受压力，需要新设计压力壳与其匹配；粉体柱塞流在改变结构形式后如何保障换热效果仍需要研究。由于板片结构的特点，其冷却介质必须是液态水，且需要防止水的汽化以避免损坏板片，在运行过程中如果出现粉焦流量控制异常时也可能导致对板片的伤害。同时，粉焦中可能存在少量的焦油和水蒸汽在低温下析出的风险，粉焦下行过程中速度极低(约为0.01m/s)，无法实现板片的自清洁，因此存在无法长周期运行的风险。
综上所述，粉焦冷却装置的设计需要满足能够使得粉焦一直处于流化状态，且装置结构简单，易于调控，成本较低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法，所述装置可以将固体颗粒分离出来后直接在流化状态下进行冷却，避免固体颗粒失流化后再流化的过程，增加了有效换热面积，简化装置，降低了装置及操作成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种固体颗粒分离、冷却一体化装置，所述装置自上而下包括分离段和冷却段，所述分离段设有气固分离器，所述冷却段设有换热管，所述装置下部设有流化气入口。
本发明中，分离、冷却一体化装置可以使分离后处于流化态的固体颗粒直接进行冷却，在流化状态下换热效果可达到最佳，其原因在于：流化状态下的固体颗粒与冷却介质接触面积大，换热更充分，避免了采用外取热器时造成固体颗粒失流化，再流化阶段换热效果差，有效换热面积小；同时，本发明所述装置在现有装置上加以改进，既简化了装置，操作简便，又可达到更好的冷却效果。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述固体颗粒包括煤热解产生的粉焦颗粒。
优选地，所述一体化装置的中间位置纵向设有提升管反应器，所述提升管反应器向下穿出一体化装置底部，向上延伸至分离段上部。
本发明中，所述装置尤其适用于粉焦的冷却过程，粉煤热解在提升管反应器中进行，所述提升管反应器的出口位于分离段的上部，反应产物可直接进行分离，分离下来的粉焦沉降过程中冷却，提升管反应器长度较长，直径与分离段相比较小，为布置冷却段装置留下了充足的物料重力流空间。
优选地，所述分离段和冷却段之间设有气提段。
优选地，所述气提段下部设有气提蒸汽入口。
本发明中，气固分离后得到的粉焦会含有少量热解油气，用气提蒸汽处理可以将热解油气带出，既能实现热解产物的充分收集，也有助于粉焦颗粒后续的冷却。
优选地，所述提升管反应器的长度为20～30m，例如20m、22m、24m、25m、27m、28m或30m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述提升管反应器的直径为1～1.5m，例如1m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m或1.5m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述分离段的直径为8～10m，例如8m、8.2m、8.5m、8.8m、9m、9.2m、9.5m、9.8m或10m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述气提段的直径为4～5m，例如4m、4.2m、4.4m、4.5m、4.6m、4.8m或5m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷却段的直径为1.5～5m，例如1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m或5m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述装置中各部分结构直径的选择主要与粉煤的处理量、粉焦的产生量及粉焦温度等因素相关，各部分结构相配合以达到最佳的处理速率。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却段包括至少一段，例如一段、两段、三段等，主要与粉焦温度及所用介质有关，优选为两段。
优选地，所述冷却段中换热管的布置形式为垂直布置和/或环形螺旋布置，优选为垂直布置。
优选地，所述冷却段设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热。
优选地，所述蒸汽汽包环形设置于冷却段内部或外部。
本发明中，换热管垂直布置时，由于提升管反应器的存在，布置区域为环形空间，换热管长度基本都是有效换热长度，采用蒸汽方式换热时，蒸汽汽包环形设置，蒸汽汽包内置时，换热管的布置根据汽包开孔的需求进行，蒸汽汽包外置时，管道需要穿出装置外壳，布置时在直径方向上多圈列管应旋转一定角度错开布置。
优选地，所述冷却段采用除盐水进行换热。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却段自上而下包括第一冷却段和第二冷却段。
优选地，所述第一冷却段设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热。
优选地，所述第一冷却段的换热管垂直布置。
优选地，所述第一冷却段的换热管多层错开布置。
本发明中，第一冷却段的蒸汽汽包环形设置，蒸汽汽包外置时，在直径方向上多圈列管应旋转一定角度错开布置，如内圈布置12根，外圈布置24根，呈三角形布置，具体布置方式需要根据设计原则进行合理选择。
优选地，所述第二冷却段的换热管垂直布置或环形螺旋布置，采用除盐水换热。
优选地，所述第二冷却段的换热管环形螺旋布置时，采用旋向相反的双管并行方式。
本发明中，采用除盐水换热时，为了有充足的换热时间，换热管一般环形螺旋布置，而为了使换热区域都能覆盖到，采用双管并行的方式，上下层旋向交替变化，最终汇总成两根母管穿出装置外壳。经过换热的高温水作为第一冷却段中蒸汽汽包的补充水。
优选地，第一冷却段和第二冷却段的直径独立地为1.5～5m，例如1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m或5m等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，第一冷却段和第二冷却段的直径可以相同，也可以不同，主要根据换热的需要来进行设置。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却段的下部流化气入口处设置有流化气分布管。
优选地，所述第一冷却段和第二冷却段的下部流化气入口处均设置有流化气分布管。
优选地，所述气提段下部气提蒸汽入口处设有气提蒸汽分布管。
优选地，所述气提蒸汽的一部分作为第一冷却段的流化气。
本发明中，流化气分布管的设置保证粉焦处于流化状态，使得粉焦能够均匀分布，气提蒸汽的一部分作为第一冷却段的流化气，通过流量控制保障换热流化及气提效果。
优选地，所述第二冷却段的流化气为氮气。
本发明中，第二冷却段时，粉焦温度已经较低，不宜采用蒸汽，引入氮气作为流化气，氮气的流量很小，因此对热解产生的煤气品质影响较小。
本发明中，可以在分离、冷却一体化装置外保留一路外置换热器，不同的冷却段可以设置不同的抽出口，在装置运行不稳定或流量突然变化时，能够及时补救。
另一方面，本发明提供了一种采用上述装置进行固体颗粒分离、冷却的方法，所述方法包括：经气固分离得到的固体颗粒在流化状态下直接进行冷却，得到冷却后固体颗粒。
作为本发明优选的技术方案，所述固体颗粒包括煤热解产生的粉焦颗粒。
优选地，所述粉焦颗粒的粒径为100～150μm，例如100μm、110μm、120μm、130μm、140μm或150μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粉焦颗粒的温度为500～600℃，例如500℃、520℃、540℃、560℃、580℃或600℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粉焦颗粒中含有热解油气。
作为本发明优选的技术方案，所述固体颗粒先进行气提处理，再进行冷却。
优选地，所述气提处理在气提段内进行，采用气提蒸汽处理。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却介质为蒸汽或除盐水。
优选地，所述冷却分为一次冷却和二次冷却。
优选地，所述一次冷却以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至200～250℃，例如200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二次冷却以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至60～80℃，例如60℃、63℃、65℃、68℃、70℃、72℃、75℃、77℃或80℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述一次冷却所用流化气为气提蒸汽。
优选地，所述二次冷却所用流化气为氮气。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括：
(1)煤热解产物经气固分离后得到粉焦颗粒，粉焦颗粒粒径为100～150μm，温度为500～600℃；
(2)所述粉焦颗粒先用气提蒸汽进行处理，然后进行一次冷却，一次冷却以气提蒸汽为流化气，以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至200～250℃；
(3)一次冷却后的粉焦颗粒进行二次冷却，以氮气为流化气，以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至60～80℃，得到冷却后的粉焦。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述装置可以将分离后处于流化态的固体颗粒直接进行冷却，减少了固体颗粒失流化后再流化的操作，有效换热面积大，冷却效果好；
(2)本发明所述装置结构简单，充分利用反应装置的富余空间，冷却段可调节性强，操作简便，成本较低，适用范围广。
附图说明
图1是本发明背景技术提供的粉焦外冷却装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的粉焦分离、冷却一体化装置的局部结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的粉焦分离、冷却一体化装置的局部结构示意图；
其中，1-提升管反应器，2-气提段，3-外冷却器，4-冷却段，41-第一冷却段，42-第二冷却段。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种固体颗粒分离、冷却一体化装置及其处理方法，所述装置自上而下包括分离段和冷却段4，所述分离段设有气固分离器，所述冷却段4设有换热管，所述装置下部设有流化气入口。
其处理方法为：经气固分离得到的固体颗粒在流化状态下直接进行冷却，得到冷却后固体颗粒。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却一体化装置，所述装置自上而下包括分离段、气提段2和冷却段4，其局部结构示意图如图2所示，所述分离段设有气固分离器，所述气提段2下部设有气提蒸汽入口，所述冷却段4设有换热管，冷却段4下部设有流化气入口；
所述一体化装置的中间位置纵向设有提升管反应器1，所述提升管反应器1向下穿出一体化装置底部，向上延伸至分离段上部。
其中，所述提升管反应器1的长度为25m，直径为1.2m，所述分离段的直径为9m，气提段2的直径为4m，冷却段4的直径为3m。
所述冷却段4设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热；所述蒸汽汽包环形设置于冷却段外部；所述冷却段4中换热管多层错开垂直布置。
所述冷却段4的下部流化气入口处设置有流化气分布管，所述气提段2下部气提蒸汽入口处设有气提蒸汽分布管，气提蒸汽的一部分作为冷却段4的流化气。
实施例2：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却一体化装置，所述装置自上而下包括分离段、气提段2和冷却段4，其局部结构示意图如图3所示，所述分离段设有气固分离器，所述气提段2下部设有气提蒸汽入口，所述冷却段4自上而下包括第一冷却段41和第二冷却段42；
所述一体化装置的中间位置纵向设有提升管反应器1，所述提升管反应器1向下穿出一体化装置底部，向上延伸至分离段上部。
其中，所述提升管反应器1的长度为30m，直径为1.5m，所述分离段的直径为10m，气提段2的直径为5m，第一冷却段41的直径为4m，第二冷却段42的直径为5m。
所述第一冷却段41设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热；所述蒸汽汽包环形设置于第一冷却段41外部；所述第一冷却段41中换热管多层错开垂直布置。
所述第二冷却段42采用除盐水换热，换热管环形螺旋布置，采用旋向相反的双管并行方式。
所述第一冷却段41和第二冷却段42的下部流化气入口处均设置有流化气分布管；所述气提段2下部气提蒸汽入口处设有气提蒸汽分布管；气提蒸汽的一部分作为第一流化气，氮气作为第二流化气。
实施例3：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却一体化装置，所述装置的结构参照实施例1，区别仅在于：所述冷却段4采用除盐水换热，不设置蒸汽汽包，换热管采用环形螺旋布置的方式。
实施例4：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却一体化装置，所述装置的结构参照实施例2，区别仅在于：所述蒸汽汽包环形设置于第一冷却段41内部，换热管多层垂直布置；
所述提升管反应器1的长度为20m，直径为1m，所述分离段的直径为8m，气提段2的直径为4m，第一冷却段41的直径为2m，第二冷却段42的直径为3m。
实施例5：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却的方法，所述方法在实施例2所述装置内进行，包括以下步骤：
(1)煤热解产物经气固分离后得到流化态粉焦颗粒，粉焦颗粒粒径为120μm，温度为550℃；
(2)所述粉焦颗粒先用气提蒸汽进行处理，然后进行一次冷却，一次冷却以气提蒸汽为流化气，以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至240℃；
(3)一次冷却后的粉焦颗粒进行二次冷却，以氮气为流化气，以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至80℃，得到冷却后的粉焦。
实施例6：
本实施例提供了一种粉焦分离、冷却的方法，所述方法在实施例4所述装置内进行，包括以下步骤：
(1)煤热解产物经气固分离后得到流化态粉焦颗粒，粉焦颗粒粒径为100μm，温度为500℃；
(2)所述粉焦颗粒先用气提蒸汽进行处理，然后进行一次冷却，一次冷却以气提蒸汽为流化气，以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至200℃；
(3)一次冷却后的粉焦颗粒进行二次冷却，以氮气为流化气，以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至60℃，得到冷却后的粉焦。
以上实施例中，当冷却段分为两段时(实施例2和4)，采用所述装置处理粉焦，如实施例5和6所述，经过蒸汽和除盐水的两次冷却，粉焦颗粒降温后能够直接进行后续包装、输送，同时高温粉焦携带的热量主要转移到蒸汽中，形成高品位热源，实现热量的回收利用；当采用一段冷却时，根据换热介质的不同，能够达到的效果有所不同，实施例1中采用蒸汽，由于蒸气温度限制，粉焦温度无法充分降低，还需去再冷器进行后续处理，而实施例3采用除盐水时，粉焦虽然能够达到温度要求，但其热量无法充分转化再利用，不符合实际生产时的要求。
对比例1：
本对比例提供了一种粉焦外冷却装置，所述装置包括提升管反应器1、分离段、气提段2和外冷却器3，局部结构示意图如图1所示，所述气提段2底部通过管路与外冷却器3相连。
本对比例中，粉焦的分离和冷却分开进行，在粉焦转移到外冷却器3过程中会失去流化状态，还需在外冷却器3中再次流化，换热管有效换热长度小，同时分离器与外冷却器之间的压力、热量平衡要求严格，降温后流化气的去向难以确定。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述装置将分离段和冷却段一体化设计，可以将固体颗粒分离出来后直接在流化状态下进行冷却，避免固体颗粒失流化后再流化的过程，通过冷却段的设计，冷却介质的合理使用，冷却效果好，可直接用于后续过程；同时，所述装置结构简单，充分利用反应装置的富余空间，冷却段可调节性强，操作简便，成本较低，适用范围广。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细装置和处理方法，但本发明并不局限于上述装置和方法，即不意味着本发明必须依赖上述装置和方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明装置的等效替换及辅助装置的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种固体颗粒分离、冷却一体化装置，其特征在于，所述装置自上而下包括分离段和冷却段，所述分离段设有气固分离器，所述冷却段设有换热管，所述装置下部设有流化气入口。
2.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述固体颗粒包括煤热解产生的粉焦颗粒；
优选地，所述一体化装置的中间位置纵向设有提升管反应器，所述提升管反应器向下穿出一体化装置底部，向上延伸至分离段上部；
优选地，所述分离段和冷却段之间设有气提段；
优选地，所述气提段下部设有气提蒸汽入口；
优选地，所述提升管反应器的长度为20～30m；
优选地，所述提升管反应器的直径为1～1.5m；
优选地，所述分离段的直径为8～10m；
优选地，所述气提段的直径为4～5m；
优选地，所述冷却段的直径为1.5～5m。
3.根据权利要求1或2所述的一体化装置，其特征在于，所述冷却段包括至少一段，优选为两段；
优选地，所述冷却段中换热管的布置形式为垂直布置和/或环形螺旋布置，优选为垂直布置；
优选地，所述冷却段设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热；
优选地，所述蒸汽汽包环形设置于冷却段内部或外部；
优选地，所述冷却段采用除盐水进行换热。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一体化装置，其特征在于，所述冷却段自上而下包括第一冷却段和第二冷却段；
优选地，所述第一冷却段设置有蒸汽汽包，采用蒸汽方式换热；
优选地，所述第一冷却段的换热管垂直布置；
优选地，所述第一冷却段的换热管多层错开布置；
优选地，所述第二冷却段的换热管垂直布置或环形螺旋布置，采用除盐水换热；
优选地，所述第二冷却段的换热管环形螺旋布置时，采用旋向相反的双管并行方式；
优选地，第一冷却段和第二冷却段的直径独立地为1.5～5m。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一体化装置，其特征在于，所述冷却段的下部流化气入口处设置有流化气分布管；
优选地，所述第一冷却段和第二冷却段的下部流化气入口处均设置有流化气分布管；
优选地，所述气提段下部气提蒸汽入口处设有气提蒸汽分布管；
优选地，所述气提蒸汽的一部分作为第一冷却段的流化气；
优选地，所述第二冷却段的流化气为氮气。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述装置进行固体颗粒分离、冷却的方法，其特征在于，所述方法包括：经气固分离得到的固体颗粒在流化状态下直接进行冷却，得到冷却后固体颗粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒包括煤热解产生的粉焦颗粒；
优选地，所述粉焦颗粒的粒径为100～150μm；
优选地，所述粉焦颗粒的温度为500～600℃；
优选地，所述粉焦颗粒中含有热解油气。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒先进行气提处理，再进行冷却；
优选地，所述气提处理在气提段内进行，采用气提蒸汽处理。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却介质为蒸汽或除盐水；
优选地，所述冷却分为一次冷却和二次冷却；
优选地，所述一次冷却以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至200～250℃；
优选地，所述二次冷却以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至60～80℃；
优选地，所述一次冷却所用流化气为气提蒸汽；
优选地，所述二次冷却所用流化气为氮气。
10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)煤热解产物经气固分离后得到粉焦颗粒，粉焦颗粒粒径为100～150μm，温度为500～600℃；
(2)所述粉焦颗粒先用气提蒸汽进行处理，然后进行一次冷却，一次冷却以气提蒸汽为流化气，以蒸汽为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至200～250℃；
(3)一次冷却后的粉焦颗粒进行二次冷却，以氮气为流化气，以除盐水为冷却介质，将粉焦颗粒冷却至60～80℃，得到冷却后的粉焦。
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2019
- 2019-03-12 CN CN201910185827.7A patent/CN109735358B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109735358B (zh) | 2021-10-15 |
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