CN110394143A - 一种煤消解管式反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤消解管式反应装置，包括多组依次同轴连通的管道单元，所述煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，所述管道单元包括用于物料进行反应的反应主管和套装于所述反应主管外部的夹套管，相邻所述管道单元的反应主管连接，进料口设置于最下节管道单元的反应主管上，出料口设置于最上节管道单元的反应主管上，反应物料自下往上流动，所述反应主管和所述夹套管之间形成空腔，每个所述夹套管上具有流体入口和流体出口，换热介质在所述空腔中流动，换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反。该煤消解管式反应装置能连续、稳定运行，满足超纯煤技术放大及工业化试验需求。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭洁净技术领域，特别是涉及一种煤消解管式反应装置。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，传统的燃煤技术对环境造成严重的污染，是我国大气污染的主要来源。重视洁净煤的生产和大力发展清洁、高效、低污染的洁净煤技术是实现经济高度发展和保持良好生态环境的必由之路。
超纯煤技术是目前国内外学者广泛研究的煤炭洁净化利用技术之一。超纯煤是指煤炭经物理或化学方法深度脱灰后，其灰分含量<1％的超低灰煤。超纯煤可制备超纯燃液代替柴油用于燃气轮机和低速柴油机；也可用来生产无灰冶金焦；生产电极碳，炭黑，燃料添加剂等。使用超纯煤可有效的防止环境污染。
国内外制备超纯煤主要有化学方法和物理洗煤两大类方法。化学洗煤主要是用HCl-HF-HCl或NaOH-HCl等化学药品溶解煤中矿物质。国内外已成功开发的有澳大利亚Auscoal(兖煤澳洲UCC技术)、美国Gravimelt工艺等。Auscoal工艺的核心设备为消解反应器。
煤消解器采用管式反应器，呈立式结构，管道由多组水平管和竖直管组成，水平管和竖直管段依次连接在一起组成反应管道，水平管和竖直管段之间通过连接件连通，水平管和竖直管段之间夹角为90°，每段竖直管外套设一段钢管，通过法兰连接固定在竖直管段外侧，钢管和竖直管之间形成一段空腔，空腔中流体为导热油，用于满足反应所需的温度(升温、恒温和降温)要求，该消解器处理能力为2000吨/年，采用间歇操作。在运行过程中发现，煤消解器中煤浆流动不均匀，竖直管段煤浆浓度小，水平管段煤浆浓度大且易沉积；竖直管道设置了保温措施，水平管段因设计长度要求尽量短而无相应保温措施，当煤浆由竖直管道流动至水平管道，煤浆与管壁之间温度差导致煤浆温度下降，表观粘度增加，流动性下降，造成煤浆泵负荷增大，水平管道堵塞，不得不频繁停车，拆卸管道间的连接件，冲洗管道；导热油采用电加热方式，导热油的加热系统维护和保养费用高且工作量大，油温控制机易发生故障，且导热油价格贵、使用寿命短、对温度和压力要求高，需要设计换热系统替代导热油加热系统；整个装置无自动化控制系统，采用手动控制、间歇操作，不利于将来工业化放大的需求。现有装置不能满足超纯煤技术研发所需的连续及稳定运行要求，因此，需要提供一种能连续、稳定运行的煤消解管式反应装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤消解管式反应装置，该煤消解管式反应装置能连续、稳定运行，满足超纯煤技术放大及工业化试验需求。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种煤消解管式反应装置，包括多组依次同轴连通的管道单元，所述煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，所述管道单元包括用于物料进行反应的反应主管和套装于所述反应主管外部的夹套管，相邻所述管道单元的反应主管连接，进料口设置于最下节管道单元的反应主管上，出料口设置于最上节管道单元的反应主管上，反应物料自下往上流动，所述反应主管和所述夹套管之间形成空腔，每个所述夹套管上具有流体入口和流体出口，换热介质在所述空腔中流动，换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反。
优选地，所述管道单元按温度不同划分为升温区、恒温区和降温区，所述升温区内反应主管的盘旋管径呈梯度增大，所述恒温区和所述降温区内反应主管的盘旋管径均维持恒定值。
优选地，所述管道单元还包括连接于两节所述反应主管之间的扰动器，所述管道单元内的反应主管的前后端口直径始终相等，管道单元内的变径部分在所述扰动器上。
优选地，所述扰动器包括与上节反应主管连接的收口段、与下节反应主管连接的扩口段、连接所述收口段和所述扩口段的恒径段。
优选地，所述升温区内的扰动器的收口段的最大直径始终小于扩口段最大直径；恒温区和降温区内的扰动器的收口段的最大直径等于扩口段最大直径。
优选地，在所述升温区通过导热油和蒸汽进行加热，在所述恒温区通过蒸汽进行保温，在所述降温区通过导热油和冷却水进行冷却。
优选地，所述导热油在相邻管道单元的空腔之间通过管道连接，所述导热油在升温区和降温区之间循环流动。
优选地，所述冷却水在相邻管道单元的空腔之间通过管道连接，初始管道单元的流体入口与冷却水管网连接，末端管道单元的流体出口与冷却水管网连接。
优选地，所述蒸汽在每个管道单元的流体入口与蒸汽管网连接，流体出口与冷凝水管网连接。
优选地，所述煤消解管式反应装置的进料口、出料口、外排管道和蒸汽支管上均配置有气动调节阀门，导热油支管上和冷却水支管上配置有离心泵，所述离心泵与变频电机，所述气动调节阀门和所述变频电机与控制器连接。
本发明所提供的煤消解管式反应装置，包括多个管道单元，多个管道单元依次连接，所有管道单元同轴连通，煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，呈椭圆形结构。管道单元包括反应主管和夹套管，相邻管道单元的反应主管连接，反应主管用于物料反应进行反应。煤消解管式反应装置的进料口设置于最下节管道单元的反应主管上，出料口设置于最上节管道单元的反应主管上，反应物料自下往上流动，反应物料流速均匀流畅、不会产生气锤、不易生成管壁结垢和堵塞，保证反应物料流动的均匀性，可控性较强。
夹套管套装于反应主管外部，夹套管与反应主管之间固定连接，反应主管和夹套管之间形成空腔，每个夹套管上均设两个开口，一个是流体入口，一个是流体出口，两个开口分别布置在夹套管两端。换热介质在空腔中流动进行热量交换。换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反，起到加热、保温或冷却反应物料的作用。具体地说，换热介质从夹套管上的流体入口进入，流经夹套管与反应主管之间的空腔，与反应主管中的反应物料进行逆流换热后从流体出口流出。
本发明所提供的煤消解管式反应装置，既能实现煤浆均匀流动，避免管道堵塞，也能保证系统连续化运行，减少现场工作量，另外，该装置也为扩大处理量提供了可能。该装置应用于超纯煤技术研究，生产的超纯煤制备超纯燃液，超纯燃液代替柴油用于燃气轮机和低速柴油机上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种具体实施方式所提供的煤消解管式反应装置的示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中管道单元的结构示意图。
附图中标记如下：
1-管道单元，2-反应主管，3-夹套管，4-扰动器，5-空腔，6-流体入口，7-流体出口，8-收口段，9-恒径段，10-扩口段。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种煤消解管式反应装置，该煤消解管式反应装置能连续、稳定运行，满足超纯煤技术放大及工业化试验需求。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图3，图1为本发明中一种具体实施方式所提供的煤消解管式反应装置的示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1中管道单元的结构示意图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的煤消解管式反应装置，包括多组依次同轴连通的管道单元1，煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，管道单元1包括用于物料进行反应的反应主管2和套装于反应主管2外部的夹套管3，相邻管道单元1的反应主管2连接，进料口设置于最下节管道单元1的反应主管2上，出料口设置于最上节管道单元1的反应主管2上，反应物料自下往上流动，反应主管2和夹套管3之间形成空腔5，每个夹套管3上具有流体入口6和流体出口7，换热介质在空腔5中流动，换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反。
上述结构中，煤消解管式反应装置包括多个管道单元1，多个管道单元1依次连接，所有管道单元1同轴连通，煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，呈椭圆形结构。管道单元1包括反应主管2和夹套管3，相邻管道单元1的反应主管2连接，反应主管2用于物料反应进行反应。煤消解管式反应装置的进料口设置于最下节管道单元1的反应主管2上，出料口设置于最上节管道单元1的反应主管2上，反应物料自下往上流动，反应物料流速均匀流畅、不会产生气锤、不易生成管壁结垢和堵塞，保证反应物料流动的均匀性，可控性较强。
夹套管3套装于反应主管2外部，夹套管3与反应主管2之间固定连接，反应主管2和夹套管3之间形成空腔5，每个夹套管3上均设两个开口，一个是流体入口6，一个是流体出口7，两个开口分别布置在夹套管3两端。换热介质在空腔5中流动进行热量交换。换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反，起到加热、保温或冷却反应物料的作用。具体地说，换热介质从夹套管3上的流体入口6进入，流经夹套管3与反应主管2之间的空腔5，与反应主管2中的反应物料进行逆流换热后从流体出口7流出。
另外，装置任何局部都可以拆卸，以便于处理操作不当时造成的局部管道堵塞，有利于检修和更换系统元件。
本发明所提供的煤消解管式反应装置，既能实现煤浆均匀流动，避免管道堵塞，也能保证系统连续化运行，减少现场工作量，另外，该装置也为扩大处理量提供了可能。该装置应用于超纯煤技术研究，生产的超纯煤制备超纯燃液，超纯燃液代替柴油用于燃气轮机和低速柴油机上。
在上述具体实施方式的基础上，煤消解反应的反应条件要求达到恒定的温度，因此管道单元1按温度功能不同划分为升温区、恒温区和降温区。根据煤浆在逐渐升温反应过程中其悬浮性逐渐变好的情况，在兼顾流速、避免沉降和满足反应条件要求的情况下，尽可能减少管道长度，节约投资。
为了减少管道长度，节约投资成本，升温区的反应主管2的盘旋管径值采用梯度加大的方式，升温区内反应主管2的盘旋管径呈梯度增大，既保证消解反应停留时间，又缩短管道长度，还保证升温效果。
消解反应要求一定的反应温度和反应停留时间，管式反应装置中发生反应的区域位于恒温区，恒温区和降温区内反应主管2的盘旋管径均维持恒定值，尤其恒温区的盘旋管径为固定值，满足反应温度和反应停留时间的要求。
在上述各个具体实施例的基础上，管道单元1还包括扰动器4，扰动器4包括收口段8、恒径段9和扩口段10，收口段8与上节反应主管2连接，扩口段10与下节反应主管2连接，恒径段9连接收口段8和扩口段10。
每个管道单元1中都设有扰动器4，连接于两节反应主管2之间，保证了煤浆在流动过程中始终处于扰动状态，提高了反应物料的局部流速，使有淤积倾向的颗粒悬浮起来，并强化混合，保证了煤浆在管道中的均匀流动性，防止沉降，避免煤浆管道沉积堵塞，有利于煤浆消解反应的连续进行。
对于单个管道单元1来说，管道单元1内反应主管2的管径为恒定值，前后端口直径始终相等。反应主管2变径由扰动器4管径变化来实现，变径部分在扰动器4上发生，扰动器4两端管口的管径与各自分别相连的反应主管2的管径相等。
恒温区和降温区的扰动器4的前后端口直径相等，不设置管道变径，主要是要保证恒温区稳定流动，降温区由于温度降低煤浆粘度增大，不宜设置管道变径。
进一步优化上述技术方案，升温区内的扰动器4的收口段8的最大直径始终小于扩口段10最大直径，保证了升温过程反应主管2梯度增大的同时，煤浆获得适量扰动，避免管道沉积。恒温区和降温区内的扰动器4的收口段8的最大直径等于扩口段10最大直径，保证了发生消解反应的恒温区煤浆的流动性和速度恒定，保持反应物在一定高温下均匀受热，拥有足够的停留时间。
另一种较为可靠的实施例中，在上述任意一个实施例的基础之上，所有的反应主管2换热都是通过夹套管3与反应主管2之间的空腔5提供换热环境，换热介质可以使用蒸汽、冷却水或导热油的一种或几种的组合。由于煤的种类繁多，同一煤种的灰分以及灰组成亦有差异，因此换热系统会根据不同的煤的消解反应条件差异提出差异化的换热设计方案，主要不同体现在反应主管2直径，反应主管2的梯度管径分布、反应主管2与夹套管3之间的间距、反应主管2长度、各个温度区的长度等方面。
总的换热思路：在升温区通过导热油和蒸汽进行组合加热，初始温度到第一设定温度升温使用导热油换热，比如170℃，这段升温区由若干段逐渐增大的管径组成，具体数量视具体情况定，170℃至反应温度使用蒸汽进行加热。在恒温区通过蒸汽进行保温。在降温区通过导热油和冷却水进行组合冷却，反应温度至第二设定温度由导热油冷却，比如100℃，100℃以下冷却由冷却水进行冷却。
当煤消解管式反应装置的反应温度要求较高，导热油无法满足要求时，可在升温区内同时使用蒸汽进行加热，恒温区也采用蒸汽进行保温，这样降温区仅导热油也无法满足要求，可在降温区内同时使用冷却水进行降温。
工业蒸汽和冷却水这两种介质在工厂中简单易得，且工厂内往往统一维护保养，无需另外配置其他设备，只需铺设管道即可。因此，煤消解管式反应装置采用多种换热介质组合同时用于升温、恒温和降温区，既能满足消解反应的所有设计温度要求，也有利于节能降耗，降低换热成本和工作量。
进一步优化上述技术方案，各个温度功能区的管径长度由设计的换热速率和该区停留时间计算得到。所有的换热介质在空腔5中的流动方向均与反应物料的流动方向相反，均为逆流换热。不同换热介质的换热空腔5的连接方式也不同。
导热油在相邻管道单元1的空腔5之间通过管道连接，每个夹套管3与相邻的夹套管3之间连通。导热油在升温区和降温区之间循环流动，导热油在降温区吸收热量后流入升温区的管道单元1中，导热油在升温区放出热量后流入降温区的管道单元1中，导热油在升温和降温区之间流动遵守能量守恒定律。导热油不需导热油加热系统，仅用于在管道单元1之间的热传递，通过合理的温度设计使导热油在降温区和升温区之间稳定换热，导热油在降温区吸收热量正好用于升温区的反应主管2加热，导热油出升温区的温度正好用于降温区的反应主管2冷却使用，导热油在管式反应器内循环使用，摒弃了导热油的加热系统，避免了繁琐的维护保养，降低了换热成本，实现了节能降耗。
进一步优化上述技术方案，冷却水在相邻管道单元1的空腔5之间通过管道连接，初始管道单元1的流体入口6与冷却水管网连接，末端管道单元1的流体出口7与冷却水管网连接，这样保证了降温区温度的恒定性。
进一步优化上述技术方案，蒸汽在每个管道单元1均与蒸汽管网和冷凝水管网相连，每个管道单元1的流体入口6与蒸汽管网连接，流体出口7与冷凝水管网连接，这样保证了高温区温度的恒定性。
对于上述各个实施例中的煤消解管式反应装置，可以采用人工手动控制与自动控制相结合的方式来实现生产控制。系统正常开车前，采用人工手动控制。煤消解管式反应装置系统内的物料流量、反应主管2内物料压力、蒸汽流量和压力、导热油流量、冷却水流量，在试生产时调节好手动阀门开度，之后就处于常开状态，一般不需要变动。煤消解管式反应装置系统配置一套PLC，所有节点的流量、压力和温度数据都显示在一个电脑界面，便于集中控制。具体地说，煤消解管式反应装置的进料口、出料口和外排管道配置气动调节阀门，以开闭物料进出和微调管道物料压力。蒸汽支管配置气动调节阀门，以开启和切断蒸汽供应，并微调蒸汽流量。循环导热油和循环冷却水配置的离心泵，配置变频电机，通过电脑调节变频电机频率，来调节离心泵转速，达到调节循环导热油和冷却水总流量和压力的目的。相比于采用间歇操作的传统消解反应器来说，控制便捷，生产实现连续化，节省了大量的工作量，实现自动化连续运行。
举例说明，煤消解管式反应装置规模为年产30000吨超纯煤，煤、碱液和一定量的水配置成碱性煤浆，通过高压煤浆泵送入煤消解反应器。碱性煤浆在管道内流动，依次经过升温区、恒温区和降温区，在管式反应器中反应完全后通过管道出口逐级减压阀门排出，进入下一工序。
煤消解管式反应装置的升温区由导热油和蒸汽组成，恒温区由蒸汽提供热量，降温区由导热油和冷却水组成。升温区的反应主管2采用梯度加大的方式，具体的反应主管2管径、温度升/降速度、管长见表1。
表1各换热功能区管道、组合换热情况
蒸汽为3.8Mpa、430℃的过热蒸汽减温减压到3.38MPa、250℃送入界区内使用的。导热油在系统内循环使用，在降温区240-100℃采用循环导热油降温，吸收热量后的导热油温升到约220℃，再循环到低温加热管段逆流加热。这种组合方式比单纯用导热油或单独用蒸汽的效果好。升温区换热方式效果对比见表2。
表2升温区换热方式效果对比
该煤消解管式反应装置达到的性能如下：超纯煤生产能力：30000吨/年；操作温度：240℃；操作压力：3.72MPa。
该煤消解管式反应装置煤浆流动均匀，正常运行过程中无管道堵塞现象发生，整个装置连续化运行，减少现场巡视和检查工作量，该装置能较好
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的煤消解管式反应装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种煤消解管式反应装置，其特征在于，包括多组依次同轴连通的管道单元(1)，所述煤消解管式反应装置整体在竖直方向上盘旋上升，在俯视方向上呈环绕卧式布置，所述管道单元(1)包括用于物料进行反应的反应主管(2)和套装于所述反应主管(2)外部的夹套管(3)，相邻所述管道单元(1)的反应主管(2)连接，进料口设置于最下节管道单元(1)的反应主管(2)上，出料口设置于最上节管道单元(1)的反应主管(2)上，反应物料自下往上流动，所述反应主管(2)和所述夹套管(3)之间形成空腔(5)，每个所述夹套管(3)上具有流体入口(6)和流体出口(7)，换热介质在所述空腔(5)中流动，换热介质的流动方向与反应物料的流动方向相反。
2.根据权利要求1所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述管道单元(1)按温度不同划分为升温区、恒温区和降温区，所述升温区内反应主管(2)的盘旋管径呈梯度增大，所述恒温区和所述降温区内反应主管(2)的盘旋管径均维持恒定值。
3.根据权利要求2所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述管道单元(1)还包括连接于两节所述反应主管(2)之间的扰动器(4)，所述管道单元(1)内的反应主管(2)的前后端口直径始终相等，管道单元(1)内的变径部分在所述扰动器(4)上。
4.根据权利要求3所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述扰动器(4)包括与上节反应主管(2)连接的收口段(8)、与下节反应主管(2)连接的扩口段(10)、连接所述收口段(8)和所述扩口段(10)的恒径段(9)。
5.根据权利要求4所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述升温区内的扰动器(4)的收口段(8)的最大直径始终小于扩口段(10)最大直径；恒温区和降温区内的扰动器(4)的收口段(8)的最大直径等于扩口段(10)最大直径。
6.根据权利要求2所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，在所述升温区通过导热油和蒸汽进行加热，在所述恒温区通过蒸汽进行保温，在所述降温区通过导热油和冷却水进行冷却。
7.根据权利要求6所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述导热油在相邻管道单元(1)的空腔(5)之间通过管道连接，所述导热油在升温区和降温区之间循环流动。
8.根据权利要求6所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述冷却水在相邻管道单元(1)的空腔(5)之间通过管道连接，初始管道单元(1)的流体入口(6)与冷却水管网连接，末端管道单元(1)的流体出口(7)与冷却水管网连接。
9.根据权利要求6所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述蒸汽在每个管道单元(1)的流体入口(6)与蒸汽管网连接，流体出口(7)与冷凝水管网连接。
10.根据权利要求6-9任一项所述的煤消解管式反应装置，其特征在于，所述煤消解管式反应装置的进料口、出料口、外排管道和蒸汽支管上均配置有气动调节阀门，导热油支管上和冷却水支管上配置有离心泵，所述离心泵与变频电机，所述气动调节阀门和所述变频电机与控制器连接。
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