CN112410058B - 一种碳氢原料热解装置与热解方法 - Google Patents

Abstract

一种碳氢原料热解装置与热解方法，热解装置的热解反应系统的上下两端的热解反应器通过串联组成二段床热解反应器，连接处通过卡箍连接并密封，中心导气管被外部加热器紧紧包覆，填料管悬挂在中心导气管的内部，并且填料管与中心导气管之间均有一定的间隙保证气体的正常流通。中心导气管两端均设有通气管，通过连接不同通气管以控制气体进出方向。热解气体产物经过一、二、三、第四产物回收瓶和集气仓回收，通过气相色谱分析仪分析气体成分。所述热解方法能够实现碳氢原料的二段床热解反应器热解，得到高品质的热解产物。本装置能够实现一段床热解或二段床热解，针对不同的热解物质调整热解条件，具有全面，灵活，快速加热的优点。

Description

一种碳氢原料热解装置与热解方法

技术领域

本发明涉及含能材料热解设备技术领域，尤其是一种碳氢原料热解装置与热解方法。

背景技术

全世界的能源需求问题一直没有得到很好的解决，以煤为例的传统化石能源已经日趋紧张，我国富煤，但是由于煤的品质差异较大导致其能源利用率较低，热解煤是一种具有光明前景的能源获取手段，煤通过热解可以产生具有热值的气体产物、液体产物和半焦，但传统的热解技术所得产物杂质含量高，因此通过煤热解来获取热解气，焦油和半焦的研究具有重要的现实意义。

生物质能是世界上的第三大能源，我国是一个农业大国，生物质能的储量巨大，现在我国的农业废弃物等生物质能被直接焚烧，因此在我国每年有大量的生物质能被浪费，热解生物质也是一个具有前途的获取生物质能的手段，生物质热解同样可以产生大量的可燃气，生物油和生物炭。

我国机动车、航天航空设备以及军工设备等装置都会产生大量废机油(润滑油)，废机油的有机物含量高，成分复杂，如果直接排放到环境中会对环境产生巨大的伤害，但是废机油同样具有热值，热解手段既可以无害化处理废机油，同样也能产生可燃气以及焦油等能源物质，因此对废机油热解装置的研发也具有较大的现实意义。

尽管煤、生物质以及废机油的热解已经有了部分研究，但是热解产物的品质却不是很理想，直接作为代替燃料还需要做更多努力，传统的热解装置多为一段式固定床，用来热解煤或生物质都有一定的局限性，因此开发一种全新的热解装置获取高品质燃料具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳氢原料热解装置与热解方法，此装置可以实现一段床或两端床、上行床或下行床的灵活使用，不但能热解固体含能原料，还能热解液体含能原料。作为两段床使用时将一个热解反应器填充热解原料，一个热解反应器填充催化剂，还能实现催化热解，也避免了催化剂与热解原料直接混合而导致催化剂快速失活的问题，基于本发明的热解方法可以获得高品质的热解产物。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种碳氢原料热解装置，包括供气系统、热解反应系统以及产物回收系统，三个系统串联连接构成两段床热解装置。

所述供气系统包括气瓶、减压阀、气体流量计、空气预热炉、第一单向阀、压力表以及连接盖，所述气瓶通过导气管与减压阀连接，减压阀通过导气管与气体流量计连接，然后导气管穿过空气预热炉与第一单向阀连接，所述导气管的末端焊接有连接盖。

所述热解反应系统由上端热解反应器与下端热解反应器串联构成，连接方式通过第一中心导气管底端的第一小连接圈和第二中心导气管顶端的第二小连接圈连接，再用卡箍将二者固定且密封，实现了上下热解反应器的串联，所述上端热解反应器包括第一外部加热器、第一温度控制器、第一中心导气管、进气筒、大连接圈、第一小连接圈和第一填料管，所述第一外部加热器为电热式加热器，处于上端热解反应器的最外层，所述第一中心导气管被第一外部加热器所包覆，处于中间层；第一填料管处于上端热解反应器的最里层，所述大连接圈与进气筒的大端焊接，进气筒的小端与第一中心导气管的顶端焊接，所述第一小连接圈焊接在第一中心导气管的底端，所述第一温度控制器与第一外部加热器连接，

所述下端热解反应器包含第二外部加热器、第二温度控制器、第二中心导气管、第二小连接圈、第二填料管和出气筒，所述第二小连接圈焊接在第二中心导气管的顶端，出气筒的大端与第二中心导气管的底端焊接，小端与第四通气管焊接，第二填料管处于下端热解反应器的最里层，第二温度控制器与第二外部加热器连接，在第二中心导气管距离顶端5mm处开有一直径为6mm的孔并在此焊接第三通气管，与出气筒小端焊接的第四通气管使用硅胶管连接第第一产物回收瓶，从而将热解反应系统和产物回收系统连接。

所述产物回收系统包括制冷器和通过硅胶管连接第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶、集气仓和气相色谱分析仪，第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶均置于制冷器中，第一产物回收瓶为空瓶，第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶内装有丙酮。

所述空气预热炉安装在第一单向阀之前，以保证预热后的气体进入热解反应器之前热量不会有太大损失，连接方式可为用螺丝连接。

所述连接盖与大连接圈之间放一层石棉垫圈之后通过卡箍固定密封，连接盖与大连接圈连接后实现供气系统和热解反应系统的连接。

所述第一中心导气管距离底端和顶端5mm处有一直径为6mm的开孔并在开孔处焊接相同直径的第一通气管和第二通气管。

所述第一填料管、第二填料管的顶部焊接有一长度与第一中心导气管、第二中心导气管内径相同的第一横杆、第二横杆，第一横杆、第二横杆将第一填料管、第二填料管卡在第一中心导气管、第二中心导气管内部，第一中心导气管、第二中心导气管与第一填料管、第二填料管之间有一定的间隙。

一种适合于所述的碳氢原料热解装置的热解方法，包括如下步骤：

1)将连接盖与大连接圈连接、将装有催化剂的第二填料管放入第二中心导气管内，升温过程可将其活化，然后将第一中心导气管下端的小连接圈与第二中心导气管上端的第二小连接圈连接，将通气管用硅胶管与第第一产物回收瓶连接，打开第一单向阀和第四通气管、再将第一通气管、第二通气管以及第三通气管关闭；

2)打开气瓶，调节减压阀至合适的压力，并在气体流量计上调节合适的气体流量，检查装置的气密性，检查完成后，将空气预热器调到所需要的温度，并在第一温度控制器和第二温度控制器上调至目标温度，待温度上升到目标温度后，移开连接盖并将装煤粉的第一填料管放入第一中心导气管内，然后迅速将连接盖与大连接圈连接并用卡箍固定，此时热解反应开始发生；

3)打开制冷泵，热解产物通过第四通气管流出，在第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶以及集气仓中得以回收，然后通过气相色谱分析仪在线分析气体成分。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、具有两种不同规格的填料管，可实现固体原料和液体原料的热解。

2、根据热解材料或条件的不同，可实现一段床和二段床热解反应器的控制。

3、灵活选择进气方向，可实现上行床、下行床的控制。

4、待反应区导气管加热到预定的温度后，将装有热解原料的填料管快速放入反应区导气管内，热解原料实现瞬时高温。

5、热解原料不直接接触加热壁，有利于抑制热解产物的二次反应。

6、可解决传统分布板易堵问题。

附图说明

图1为本发明所述的一种碳氢原料热解装置结构示意图。

图2为图1中A处的局部放大图。

图3为本发明所述的一种碳氢原料热解装置的下端热解反应器俯视图

图4为本发明所述的一种碳氢原料热解装置的连接盖、第一中心导气管以及第二中心导气管连接示意图。

图5为本发明所述的一种碳氢原料热解装置的卡箍结构示意图。

图中标记为：供气系统1、气瓶1-1、减压阀1-2、气体流量计1-3、空气预热炉1-4、压力表1-5、连接盖1-6、单向阀1-7、热解反应系统1-2、大连接圈2-1、进气筒2-2、第一外部加热器2-3、第一温度控制器2-1、第一小连接圈2-5、第一通气管2-6、第一填料管2-7、第二通气管2-8、第一中心导气管2-9、第二小连接圈2-10、第三通气管2-11、第二温度控制器2-12、第二外部加热器2-13、第二填料管2-14、第二中心导气管2-15、出气筒2-16、第四通气管2-17、第一横杆2-18、第二横杆2-19、产物回收系统3、制冷器3-1、第一产物回收瓶3-2、第二产物回收瓶3-3、第三产物回收瓶3-4、第四产物回收瓶3-5、集气仓3-6。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图5所示，本发明所述的碳氢原料热解装置与热解方法，包括供气系统1、热解反应系统2以及产物回收系统3，具体结构和连接关系为：

所述供气系统1包括气瓶1-1、减压阀1-2、气体流量计1-3、空气预热炉1-4、第一单向阀1-7、压力表1-5以及连接盖1-6，所述气瓶1-1首先通过导气管与减压阀1-2连接，再连接气体流量计1-3，空气预热炉1-4，所述空气预热炉1-4安装在第一单向阀1-7之前，以保证预热后的气体进入热解反应器之前热量不会有太大损失，连接方式可为用螺丝连接，所述导气管的末端焊接有连接盖1-6，通过此连接盖1-6即可连接第一中心导气管2-9上端的大连接圈2-1，连接盖1-6与大连接圈2-1之间放一层石棉垫圈之后通过卡箍固定密封，连接盖1-6与大连接圈2-1连接后就实现了供气系统1和热解反应系统的连接。

所述热解反应系统2由上端热解反应器与下端热解反应器串联构成，连接方式通过第一中心导气管2-9底端的第一小连接圈2-5和第二中心导气管2-15顶端的第二小连接圈2-10连接，再用卡箍将二者固定且密封，即实现了上下热解反应器的串联。所述上端热解反应器包括第一外部加热器2-3、第一温度控制器2-4、第一中心导气管2-9、进气筒2-2、大连接圈2-1、第一小连接圈2-5和第一填料管2-7。所述第一外部加热器2-3为电热式加热器，处于上端热解反应器的最外层，所述第一中心导气管2-9被第一外部加热器2-3所包覆，处于中间层；第一填料管2-7处于上端热解反应器的最里层。所述大连接圈2-1与进气筒2-2的大端焊接，进气筒2-2的小端与第一中心导气管2-9的顶端焊接，所述第一小连接圈2-5焊接在第一中心导气管2-9的底端，所述第一中心导气管2-9距离底端和顶端5mm处有一直径为6mm的开孔并在开孔处焊接相同直径的第一通气管2-6和第二通气管2-8。所述第一填料管2-7、第二填料管2-14的顶部焊接有一长度与第一中心导气管2-9、第二中心导气管2-15内径相同的第一横杆2-18、第二横杆2-19，第一横杆2-18、第二横杆2-19分别将第一填料管2-7、第二填料管2-14卡在第一中心导气管2-9、第二中心导气管2-15内部，第一中心导气管2-9、第二中心导气管2-15与第一填料管2-7、第二填料管2-14之间有一定的间隙。所述第一温度控制器2-4与第一外部加热器2-3连接，所述下端热解反应器包含第二外部加热器2-13、第二温度控制器2-12、第二中心导气管2-15、第二小连接圈2-10、第二填料管2-14和出气筒2-16。其中，第二外部加热器2-13、第二温度控制器2-12均与上端热解反应器所述的规格相同。所述第二小连接圈2-10焊接在第二中心导气管2-15的顶端，所述出气筒2-16的大端与第二中心导气管2-15的底端焊接，小端与第四通气管2-17焊接。在第二中心导气管2-15距离顶端5mm处开有一直径为6mm的孔并在此焊接第三通气管2-11。与出气筒2-16小端焊接的第四通气管2-17可使用硅胶管连接第第一产物回收瓶3-2，从而将热解反应系统和产物回收系统3连接。

所述产物回收系统3包括制冷器3-1和通过硅胶管连接第一产物回收瓶3-2、第二产物回收瓶3-3、第三产物回收瓶3-4、第四产物回收瓶3-5、集气仓3-6和气相色谱分析仪3-7，所述第一产物回收瓶3-2、第二产物回收瓶3-3、第三产物回收瓶3-4、第四产物回收瓶3-5依次连接并且均置于制冷器3-1中，将部分气体产物快速冷凝。所述第一产物回收瓶3-2为空瓶，第二产物回收瓶3-3、第三产物回收瓶3-4、第四产物回收瓶3-5内装有丙酮。

所述连接盖1-6外径为100mm，厚2～3mm，在距离连接盖1-6外沿5mm处有一圈深度为1mm的凹槽，连接盖1-6上具有两个直径为6mm的气孔。

所述进气筒2-2为钢质材料，垂直高度为30mm，厚度为4mm，大端内径70mm，小端内径60mm，大端与大连接圈2-1焊接，小端与中心导气管12-9的上端焊接；所述出气筒2-16为两端直径不同的钢管，垂直高度30mm，大端内径60mm，厚4mm，小端内径6mm，大端与第二中心导气管2-15焊接，小端与第四通气管2-17焊接。

所述第一中心导气管2-9为长270mm、厚4mm、内径60mm的钢管，在距离底端和顶端5mm处都开有直径为6mm的气孔，上端的气孔与第一通气管2-6焊接，下端的气孔与第二通气管2-8焊接；所述第二中心导气管2-15为长270mm、厚4mm、内径60mm的钢管，在距离底端5mm处开有直径为6mm的气孔，该气孔与第三通气管2-11焊接。

所述大连接圈2-1材料为钢质材料，内径为70mm，外径为100mm，在距离连接圈外沿5mm处有一圈深度为1mm的凹槽；所述第一小连接圈2-5和第二小连接圈2-10材料尺寸均相同，材料为钢质材料，内径为60mm，外径为90mm，在距离连接圈外沿5mm处有一圈深度为1mm的凹槽。

所述第一填料管2-7和第二填料管2-14尺寸大小相同，都可具有两种规格，一种是内径为50mm，厚度为4mm的钢管，底端用均匀多孔的钢丝网封口；另一种规格底端为密封封口，其余参数相同，其两种规格填料管上端都水平焊接一根长度为60mm、直径为3～5mm的钢质横杆，一则便于取放第一填料管2-7和第二填料管2-14，二则将第一填料管2-7和第二填料管2-14卡在反应区的第一中心导气管2-9和第二中心导气管2-15中。

所述第一通气管2-6、第二通气管2-8、第三通气管2-11、第四通气管2-17为长25mm，直径6mm并装有单向阀的钢管。

需要注意的是，上述的具体实施例并不能代表本发明的全部实施例，在本发明的基础上对上述实施例改变连接方式也属于本发明保护的范围。

工作过程及原理：

先将连接盖1-6与大连接圈2-1连接、将装有催化剂的第二填料管2-14放入反应区第二中心导气管2-15内，升温过程可将其活化，然后将第一中心导气管2-9底端的第一小连接圈2-5与第二中心导气管2-15上端的第二小连接圈2-10连接，将通气管4用硅胶管与第一产物回收瓶3-2连接，打开第一单向阀1-7，第四通气管2-17、再将第一通气管2-6、第二通气管2-8以及第三通气管2-11关闭，打开气瓶1-1，调节减压阀1-2至合适的压力，并在气体流量计1-3上调节合适的气体流量，检查装置的气密性，检查完成后，将空气预热器1-4调到所需要的温度，并在第一温度控制器2-4和第二温度控制器2-12上调至目标温度，待温度上升到目标温度后，移开连接盖1-6并将装煤粉的第一填料管2-7放入第一中心导气管2-9内，然后迅速将连接盖1-6与大连接圈2-1连接，并打开制冷泵3-1，此时煤粉就在第一填料管2-7内迅速受热分解，热解产物流经下端热解感应器，并在第二填料管2-14内的催化剂的催化作用下分解为小分子气体产物，然后通过第四通气管2-17流出，在第一产物回收瓶3-2、第二产物回收瓶3-3、第三产物回收瓶3-4、第四产物回收瓶3-5以及集气仓3-6中得以回收，然后通过气相色谱分析仪3-7在线分析气体成分。

需要注意的是，本发明所述的减压阀1-2、气体流量计1-3、空气预热器1-4、压力表1-6、第一外部加热器2-3、第二外部加热器2-13、第一温度控制器2-4、第二温度控制器2-12、制冷泵3-1、气相色谱分析仪3-7，均为通用标准件或者从事本领域的相关技术人员熟知的部件，这些部件或仪器均可以查询相关手册或标准得知。本发明主要解决的问题是传统热解反应器多为一段式，并且气体流向单一的问题、物料不能实现快速加热的问题和物料与加热壁直接接触的问题。本发明通过上述的零部件不同方式的连接，既可以实现一段床热解，也可以实现二段床热解，既可以实现上行床热解，也可以实现下行床热解，既可以热解固体原料，也可以热解液体原料，在很大程度上解决了传统反应器工作的单一性问题。

需要注意的是，上述工作过程仅为本发明作为两段床催化热解煤粉时的工作过程，并不能代表本发明的所有工程过程，通过改变本发明的连接方式及进气方向等工作过程也将有变化。

Claims (2)

1.一种碳氢原料的热解方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将连接盖与大连接圈连接、将装有催化剂的第二填料管放入第二中心导气管内，升温过程可将其活化，然后将第一中心导气管下端的小连接圈与第二中心导气管上端的第二小连接圈连接，将通气管用硅胶管与第一产物回收瓶连接，打开第一单向阀和第四通气管、再将第一通气管、第二通气管以及第三通气管关闭；

2）打开气瓶，调节减压阀至合适的压力，并在气体流量计上调节合适的气体流量，检查装置的气密性，检查完成后，将空气预热器调到所需要的温度，并在第一温度控制器和第二温度控制器上调至目标温度，待温度上升到目标温度后，移开连接盖并将装煤粉的第一填料管放入第一中心导气管内，然后迅速将连接盖与大连接圈连接并用卡箍固定，此时热解反应开始发生；

3）打开制冷泵，热解产物通过第四通气管流出，在第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶以及集气仓中得以回收，然后通过气相色谱分析仪在线分析气体成分；

所述碳氢原料的热解方法的装置，包括供气系统、热解反应系统以及产物回收系统，三个系统串联连接构成两段床热解装置；

所述供气系统包括气瓶、减压阀、气体流量计、空气预热炉、第一单向阀、压力表以及连接盖，所述气瓶通过导气管与减压阀连接，减压阀通过导气管与气体流量计连接，然后导气管穿过空气预热炉与第一单向阀连接，所述导气管的末端焊接有连接盖；

所述热解反应系统由上端热解反应器与下端热解反应器串联构成，连接方式通过第一中心导气管底端的第一小连接圈和第二中心导气管顶端的第二小连接圈连接，再用卡箍将二者固定且密封，实现了上下热解反应器的串联，所述上端热解反应器包括第一外部加热器、第一温度控制器、第一中心导气管、进气筒、大连接圈、第一小连接圈和第一填料管，所述第一外部加热器为电热式加热器，处于上端热解反应器的最外层，所述第一中心导气管被第一外部加热器所包覆，处于中间层；第一填料管处于上端热解反应器的最里层，所述大连接圈与进气筒的大端焊接，进气筒的小端与第一中心导气管的顶端焊接，所述第一小连接圈焊接在第一中心导气管的底端，所述第一中心导气管距离底端和顶端5mm处有一直径为6mm的开孔并在开孔处焊接相同直径的第一通气管和第二通气管，所述第一温度控制器与第一外部加热器连接；

所述下端热解反应器包含第二外部加热器、第二温度控制器、第二中心导气管、第二小连接圈、第二填料管和出气筒，所述第二小连接圈焊接在第二中心导气管的顶端，出气筒的大端与第二中心导气管的底端焊接，小端与第四通气管焊接，第二填料管处于下端热解反应器的最里层，第二温度控制器与第二外部加热器连接，在第二中心导气管距离顶端5mm处开有一直径为6mm的孔并在此焊接第三通气管，与出气筒小端焊接的第四通气管使用硅胶管连接第一产物回收瓶，从而将热解反应系统和产物回收系统连接；

所述产物回收系统包括制冷器和通过硅胶管连接第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶、集气仓和气相色谱分析仪，第一产物回收瓶、第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶均置于制冷器中，第一产物回收瓶为空瓶，第二产物回收瓶、第三产物回收瓶、第四产物回收瓶内装有丙酮。

2.根据权利要求1所述的碳氢原料的热解方法，其特征在于：所述空气预热炉安装在第一单向阀之前，以保证预热后的气体进入热解反应器之前热量不会有太大损失，连接方式可为用螺丝连接。

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