CN112760114A - 一种流化态燃煤共热解的实验系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤清洁热利用技术领域，具体为一种流化态燃煤共热解的实验系统及其方法。本发明系统包括热解系统，以及分别设置在热解系统上的反应器系统、气路系统和气相产物系统；热解系统包括热解炉和加热装置；热解炉的顶部设置出口，底部连接设置有热解炉底部端盖，侧壁上设置有加热装置；热解炉底部端盖中间设置有开孔；反应器系统包括反应器皿和气通管路；反应器皿设置在热解炉内，与加热装置同水平设置；气通管路一端与反应器皿底部连通，另一端穿过热解炉底部端盖设有气体喷口；气路系统包括气瓶；气瓶通过两条支路与气体喷口连通；两条支路上分别设有流量计和电磁阀；气相产物系统包括依次连接设在热解炉顶部出口的旋风分离器和油气分离罐。
Description
技术领域
本发明涉及煤清洁热利用技术领域，具体为一种流化态燃煤共热解的实验系统及其方法。
背景技术
煤在我国能源消费结构中占用比例较高，而低阶煤在我国的煤炭资源储量中占比例高达40％以上，例如低灰、低硫、高挥发分的长焰煤、不粘煤和弱粘煤，具有高灰分、易热解、热值低等特点。随着对大气污染环境问题的重视，煤的分级转化对低阶煤清洁高效利用来说，显得尤为重要。分级转化是通过煤的组成成分特点，分别提出煤中的轻质组分、焦油、半焦，以及S、N和部分重金属组分，再根据下游工艺的需求进行灵活调整，提高煤的利用率，同时降低直接燃烧后尾部烟气排放的污染物。
煤的热解是煤炭分级转化的关键步骤，对煤炭的后续加工环节也起到十分重要的作用。煤热解过程中，其轻质挥发分经过共价键断裂产生大量自由基，进一步发生聚合反应和缩聚反应，最终形成重质焦油，如果与H自由基结合则会形成焦油和气体产物。
将低阶煤与富氢原料共热解，例如油页岩是相对富氢的高灰固体化石原料，其热解产物中的轻质油含有较多的脂肪族组分，煤与油页岩共热解产生协同效应，一方面对煤快速热解过程进行加氢处理，较高的氢碳比可以提高热解油的收率和品质，一方面作为热解重质组分的裂解催化剂，促进轻质油气的生成。
燃煤的共热解技术，可以改变能源结构体系的分级转化利用，实现低品质化石能源的综合热利用，但其存在的问题在于，低阶煤中氢含量低且H/C原子比低，热解产物中重质组分含量高且品质差。油页岩在热解过程中，其表面水分骤然汽化和热应力等因素，会影响其有机质的粘结性，将油页岩有机质与热值低、灰分高的低阶煤直接混合热解，无法达到直接提高煤气热值的目的。而且低阶煤水分较高、热值低，需要对其进行热提质，降低水分含量，提高能量密度，满足动力煤的要求。同时，热解气相产物中仍存在被部分不饱和自由基，以及灰分和油分，容易造成堵塞，影响产品的品质和收率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种流化态燃煤共热解的实验系统及其方法，操作简单，成本低，使用方便，效果明显。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种流化态燃煤共热解的实验系统，包括热解系统，以及分别设置在热解系统上的反应器系统、气路系统和气相产物系统；
所述的热解系统包括热解炉和加热装置；所述的热解炉的顶部设置出口，底部连接设置有热解炉底部端盖，侧壁上设置有加热装置；所述的热解炉底部端盖中间设置有开孔；
所述的反应器系统包括反应器皿和气通管路；所述反应器皿设置在热解炉内，与加热装置同水平设置；所述的气通管路一端与反应器皿的底部连通，另一端穿过热解炉底部端盖设置有气体喷口；
所述的气路系统包括气瓶；所述的气瓶通过两条支路与气体喷口连通；所述的两条支路上分别设置有流量计和电磁阀；
所述的气相产物系统包括依次连接设置在热解炉顶部出口的旋风分离器和油气分离罐。
进一步的，所述的反应器皿呈圆形凹底结构，内部填充多孔疏松材质，外部包裹设置不锈钢材质；所述的反应器皿底部中心设置有与气通管路相连通的孔。
进一步的，所述的反应器系统还包括气通管路固定件、支撑支架和支撑插销；所述的气通管路固定件设置在气通管路穿过热解炉底部端盖一端的外侧，支撑支架一端固定在地面上，支撑支架上设置有多个高度档位的插孔，支撑插销与插孔插接配合，气通管路固定件支撑在支撑插销上。
进一步的，所述的气通管路采用不锈钢中空管，穿过热解炉底部端盖一端沿轴线设置有重组分出口，气体喷口与气通管路垂直设置，气体喷口采用文丘里式缩径喷口。
进一步的，所述的热解炉底部端盖通过固定卡扣密封连接在热解炉底端，
进一步的，所述的加热装置包括分别与反应器皿接触设置的热电偶和电加热器。
进一步的，所述的热解炉外侧设置有多层保温绝热层。
进一步的，所述的气相产物系统还包括设置在油气分离罐气体出口与气体喷口之间的高温气相回路。
一种流化态燃煤共热解的实验方法，包括如下步骤，
步骤1，通过加热装置设定热解炉加热速率和温度范围，在反应器中加入粉状共热解样品，开启气瓶的流量计开关控制流量，用载气吹扫系统；
步骤2，关闭流量计开关，打开电磁阀开关，载气经过气体喷口进入热解炉，控制载气流量，使粉状共热解样品流化态，并稳定持续，控制热解炉炉温到设定温度并保持，发生热解反应；
步骤3，热解反应后的气相产物经过旋风分离器和油气分离罐后，液体排出系统，部分气体送分析单元检测，完成燃煤共热解实验。
进一步的，当更换工况或更换样品时，待热解炉内炉温冷却到室温后，停止载气的输入，将热解炉底部端盖处的固定卡扣松开，同时下移支撑支架的支撑插销，将气通管路和热解炉底部端盖整体卸下，重新放置样品后安装，重复以上步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统通过由反应器皿和气通管路组成的反应器系统，来完成流化态燃煤共热解的实验，热解炉底部设置的热解炉底部端盖可拆卸，可灵活处理不同更换工况的需求，应对复杂的反应条件；热解炉底部端盖中心设置圆孔，以便气通系统经过，确保热解炉密封的同时起到保温的作用，整个系统操作简单，使用方便，效果明显；同时，通过气路系统上的非电磁阀开关和电磁阀开关来处理不同情况下对气体的需求，与气体喷口结合，将共热解原料流化态，又利用气象产物系统中的热解气相回路对原料气干燥和预热的同时，充分利用油页岩富氢资源，提高了低阶煤热解过程中由共价键断裂产生的自由基碎片的饱和稳定性，提高了产品收率和品质，在化石能源紧张的情况下，对低阶煤的有效利用，符合我国能源特点，保护了环境。
进一步，本发明系统采用的反应器皿为圆形凹底结构，且在其内部填充耐高温的多孔疏松材质，使得气体从多孔介质上来直接与反应器皿内的粉状共热解样品充分接触，气体分布均匀，流化态更易于呈现和控制；又通过在反应器皿底部包裹不锈钢材质，确保其可靠耐用，同时反应器皿凹底表面不包裹不锈钢材质，以方便气体顺利经过气通管路。
进一步，本发明系统通过气通管路固定件、支撑支架和支撑插销结构，对反应器皿和气通管路起到充分的支撑和固定作用。
进一步，本发明系统采用的气体喷口为文丘里式缩径喷口，可以与电磁阀结合，使高纯氩气进入热解炉后携带反应器皿中的粉状共热解样品，通过调节流速，使粉状共热解样品呈现稳定的流化态，使粉末混合均匀，热解更加充分。
进一步，本发明系统通过设置固定卡扣，将热解炉底部端盖密封连接在热解炉底部，使得拆卸方便，操作便捷。
进一步，本发明系统通过加热装置与热电偶相连，由电加热器控制给热温度，简单高效，安全可靠。
进一步，本发明系统通过在热解炉外套多层保温材质的保温绝热层，能有效避免热损失。
进一步，本发明系统通过高温气相回路将一部分气体再送入气体喷口处，与载气一道送入热解炉参与二次热解反应，将不饱和自由基稳定，提高产品收率，同时改变热解气中带油或灰和易发生堵塞的问题，提高气相组分的清洁度；另一方面可对共热解原料进气进行干燥和预热，对共热解中的低品质化石燃料进行提质，提高产品的收率和品质。
附图说明
图1为本发明实施例中所述的系统结构示意图。
图2为本发明气通管路的结构示意图。
图3为本发明反应器皿、气通管路、热解炉底部端盖、支撑支架和支撑插销之间的连接结构示意图。
图4为本发明气通管路与气通管路固定件、支撑支架和支撑插销的连接结构示意图。
图中：1为共热解样品，2为反应器皿，3为多孔疏松材质，4为不锈钢材质，5为气通管路，6为气体喷口，7为热解炉底部端盖，8为气瓶，9为流量计，10为电磁阀，11为加热装置，12为电加热器，13为热电偶，14为固定卡扣，15为热解炉，16为保温绝热层，17为旋风分离器，18为油气分离罐，19为气相产物，20为重组分出口，21为高温气相回路，22为气通管路固定件，23为支撑支架，24为支撑插销。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种流化态燃煤共热解的实验系统，包括热解系统、反应器系统、气路系统、气相产物系统；
所述的热解系统，如图1所示，由热解炉15和加热装置11组成；
进一步，热解炉15外套多层保温材质的保温绝热层16，避免热损失；热解炉15底部设置的热解炉底部端盖7可拆卸，热解炉底部端盖7中心设置圆孔，以便气通系统经过，热解炉15密封的同时起到保温的作用；
进一步，热解炉15在内壁面，对应反应器系统的位置处，设置有加热装置11，加热装置11还与热电偶13相连，由电加热器12控制给热温度。
进一步，热解炉底部端盖7的轴向设置多个固定卡扣14，用来固定热解炉底部端盖7使其密封在热解炉15炉体上。
所述的反应器系统，如图2和图4所示，由反应器皿2、气通管路5、气体喷口6、气通管路固定件22、支撑支架23和支撑插销24组成；
进一步，如图2所示，反应器皿2呈圆形凹底结构，内部为耐高温的多孔疏松材质3填充，如耐高温多孔陶瓷；反应器皿2外部由不锈钢材质4包裹，反应器皿2凹底表面无包裹，以便气体经气通管路5，从多孔介质上来直接与反应器皿2内的粉状样品接触；反应器皿2底部中心留孔，与气通管路5相通；气通管路5的底端侧口与气体喷口6连通。
进一步，如图3所示，气通管路5起到支撑反应器皿2的作用，同时连通气体使气体与反应器皿2中的样品接触；气通管路5由一根不锈钢中空管构成，底部与热解炉底部端盖7上的中心孔相连，并通过支撑支架23和支撑插销24结构起到固定与支撑反应器皿2的作用；
进一步，如图4所示，气通管路5末端的外侧设置有气通管路固定件22，通过支撑支架23和支撑插销24结构，对反应器皿2和气通管路5起到支撑和固定的作用。
所述的气路系统，如图1所示，由气瓶8、流量计9、电磁阀10和相应旁路组成；
进一步，气瓶8中的载气为高纯氩气或者氮气，出口分为两支旁路，一路设置有可调流量计9，在准备阶段起到吹扫系统的目的，避免系统内的空气参与热解反应；一路设置有电磁阀10，当吹扫系统完毕时关闭流量计9开关，开启电磁阀10开关，经过气体喷口6进入热解炉15；
进一步，气体喷口6采用文丘里式缩径喷口，有一个缩径结构，与电磁阀10结合，可以使高纯氩气进入热解炉15后，携带反应器皿2中的粉状共热解样品1，通过调节流速，使粉状共热解样品1呈现稳定的流化态，使粉末混合均匀，热解更加充分；
进一步，如图2所示，气体通过气体喷口6进入气通管路5，经过反应器皿2的多孔疏松材质3，使气体分布均匀，与反应器皿2中的粉状共热解样品1接触充分，流化态更易于呈现和控制；
所述的气相产物系统，如图1所示，由旋风分离器17、油气分离罐18、高温气相回路21组成。
进一步，热解反应后的气相产物，进入热解炉15顶部设置的旋风分离器17，进行初步的气固分离，重组分通过旋风分离器17底部的重组分出口往下走，轻组分被气体携带从旋风分离器17顶部的气相出口送出；
进一步，轻组分气相产物离开旋风分离器17，进入油气分离罐18，经过分离的气相产物19一部分去送分析单元检测，一部分作为高温气相回路21去气体喷口6处，与氩气一道送入热解炉15参与二次热解反应，将不饱和自由基稳定，提高产品收率，同时改变热解气中带油或灰和易发生堵塞的问题，提高气相组分的清洁度；另一方面可对共热解原料进气进行干燥和预热，对共热解中的低品质化石燃料进行提质，提高产品的收率和品质。经过分离的重组分由重组分出口20排出，并收集在重组分收集瓶中，进行集中处理。
具体的，本发明一种流化态燃煤共热解的实验系统，如图1和图2所示，将研磨、粉碎、分解过筛后的粉状样品1，置于反应器皿2内，反应器皿2为耐高温的多孔疏松材质3填充，如耐高温多孔陶瓷，以便气路中的气体组分进入反应器皿2内反应；反应器皿2采用圆形凹底结构，反应器皿2外部由不锈钢材质4包裹，底部中心连通气通管路5；气通管路5由一根不锈钢管组成，中空，不锈钢管底端与热解炉底部端盖7中心孔相连，热解炉底部端盖7一方面作为端盖是热解炉15的一部分，起到密封热解炉15并保温的目的，一方面与反应器皿2的气通管路5相连，起到固定反应器皿2的作用。热解炉底部端盖7轴向有多个固定卡扣14，固定端盖在热解炉15炉体上。热解炉15外套保温绝热层16，避免热损失。热解反应之后的气体经过热解炉15顶部设置的旋风分离器17，进行初步的气固分离，气体产物从旋风分离器17进入油气分离罐18，经过分离的气相产物19一部分送分析单元检测，一部分作为高温气相回路21去气体喷口6如文丘里式缩径喷口处，与氩气一道送入热解炉15参与热解反应；经过分离的重组分由重组分出口20排出，并通过重组分收集瓶收集。
其中，如图4所示，气通管路5底端的背部设置了一个气通管路固定件22，通过支撑支架23和支撑插销结构24，可以固定气通管路5，从而可以固定整个反应器皿2的位置，起到支撑的作用；具体的气通管路固定件22设置在气通管路5穿过热解炉底部端盖7一端的外侧，支撑支架23一端固定在地面上，支撑支架23上设置有多个高度档位的插孔，支撑插销24与插孔插接配合，气通管路固定件22支撑在支撑插销24上。
其中，如图1和图2所示，气瓶8内为高纯氩气，氩气通过流量计9吹扫反应器系统，使系统内无空气参与热解反应；关闭流量计9开关，开启电磁阀10开关，经过气体喷口6如文丘里式缩径喷口，直接进入气通管路5，经过填充多孔疏松材质3的反应器皿2，将粉状共热解样品1带起，调节流速，使粉状共热解样品1呈现稳定的流化态；
其中，如图1所示，在热解炉15壁面，对应反应器皿2的位置处，有加热装置11，且其与热电偶13相连，并由电加热器12控制给热温度。
在以上所述的实验系统的基础上，本发明还提供一种流化态燃煤共热解的实验方法，包括如下步骤，
步骤1，通过加热装置11设定热解炉加热速率和温度范围，在反应器中加入粉状共热解样品1，开启气瓶8的流量计9开关控制流量，用载气吹扫系统；
步骤2，关闭流量计9开关，打开电磁阀10开关，载气经过气体喷口6进入热解炉15，控制载气流量，使粉状共热解样品1流化态，并稳定持续，控制热解炉15炉温到设定温度并保持，发生热解反应；
步骤3，热解反应后的气相产物经过旋风分离器17和油气分离罐18后，液体排出系统，部分气体送分析单元检测，完成燃煤共热解实验。
其中，当更换工况或更换样品时，待热解炉15内炉温冷却到室温后，停止载气的输入，将热解炉底部端盖7处的固定卡扣14松开，同时下移支撑支架23的支撑插销24，将气通管路5和热解炉底部端盖7整体卸下，重新放置样品后安装，重复以上步骤。
采用具体实验参数，对上述实验方法的操作步骤进行如下详细说明：
步骤1：在反应器皿2中加入5g的粉状共热解样品1，该样品事先研磨混合均匀，粒径0.2-0.6mm，油页岩与煤的混合比例分别为0.25、0.5、1、2、4；安装好气通管路5和热解炉底部端盖7，紧固该底部端盖的固定卡扣14，安装气体喷口6到气通管路5；
步骤2：开启气瓶8(氩气99.99％)的流量计9开关，控制流量200ml/min，用氩气吹扫反应器系统约15min，尽可能避免空气参与热解反应；设定热解炉15加热速率20-40℃/min，设定温度范围为室温到900℃；
步骤3：关闭流量计9开关，打开电磁阀10开关，氩气经过气体喷口6进入热解炉15，控制氩气流量，使粉状共热解样品1流化态，并稳定持续，控制炉温到某个设定温度并保持，如设定热解终温分别为400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃；
步骤4：热解反应达到设定的终温时保持30min后，经过旋风分离器17到油气分离罐18，液体由重组分出口20排出后被重组分收集瓶收集，气体一部分送分析单元检测，一部分作为高温气相回路21经气体喷口6送入热解炉15；
步骤5：需要重启系统时，如更换工况或更换样品，待热解炉15炉温冷却到室温后，停止氩气的输入，将固定卡扣14松开，同时下移支撑支架23的支撑插销24，将气通管路5和热解炉底部端盖7整体卸下，重新放置共热解样品1，重复以上步骤，完成燃煤共热解实验。
Claims (10)
1.一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，包括热解系统，以及分别设置在热解系统上的反应器系统、气路系统和气相产物系统；
所述的热解系统包括热解炉(15)和加热装置(11)；所述的热解炉(15)的顶部设置出口，底部连接设置有热解炉底部端盖(7)，侧壁上设置有加热装置(11)；所述的热解炉底部端盖(7)中间设置有开孔；
所述的反应器系统包括反应器皿(2)和气通管路(5)；所述的反应器皿(2)设置在热解炉(15)内，与加热装置(11)同水平设置；所述的气通管路(5)一端与反应器皿(2)的底部连通，另一端穿过热解炉底部端盖(7)设置有气体喷口(6)；
所述的气路系统包括气瓶(8)；所述的气瓶(8)通过两条支路与气体喷口(6)连通；所述的两条支路上分别设置有流量计(9)和电磁阀(10)；
所述的气相产物系统包括依次连接设置在热解炉(15)顶部出口的旋风分离器(17)和油气分离罐(18)。
2.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的反应器皿(2)呈圆形凹底结构，内部填充多孔疏松材质(3)，外部包裹设置不锈钢材质(4)；所述的反应器皿(2)底部中心设置有与气通管路(5)相连通的孔。
3.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的反应器系统还包括气通管路固定件(22)、支撑支架(23)和支撑插销(24)；所述的气通管路固定件(22)设置在气通管路(5)穿过热解炉底部端盖(7)一端的外侧，支撑支架(23)一端固定在地面上，支撑支架(23)上设置有多个高度档位的插孔，支撑插销(24)与插孔插接配合，气通管路固定件(22)支撑在支撑插销(24)上。
4.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的气通管路(5)采用不锈钢中空管，穿过热解炉底部端盖(7)一端沿轴线设置有重组分出口(20)，气体喷口(6)与气通管路(5)垂直设置，气体喷口(6)采用文丘里式缩径喷口。
5.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的热解炉底部端盖(7)通过固定卡扣(14)密封连接在热解炉(15)底端。
6.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的加热装置(11)包括分别与反应器皿(2)接触设置的热电偶(13)和电加热器(12)。
7.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的热解炉(15)外侧设置有多层保温绝热层(16)。
8.根据权利要求1所述的一种流化态燃煤共热解的实验系统，其特征在于，所述的气相产物系统还包括设置在油气分离罐(18)气体出口与气体喷口(6)之间的高温气相回路(21)。
9.一种流化态燃煤共热解的实验方法，基于权利要求1-8所述的任意一种系统，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，通过加热装置(11)设定热解炉加热速率和温度范围，在反应器中加入粉状共热解样品(1)，开启气瓶(8)的流量计(9)开关控制流量，用载气吹扫系统；
步骤2，关闭流量计(9)开关，打开电磁阀(10)开关，载气经过气体喷口(6)进入热解炉(15)，控制载气流量，使粉状共热解样品(1)流化态，并稳定持续，控制热解炉(15)炉温到设定温度并保持，发生热解反应；
步骤3，热解反应后的气相产物经过旋风分离器(17)和油气分离罐(18)后，液体排出系统，部分气体送分析单元检测，完成燃煤共热解实验。
10.根据权利要求9所述的一种流化态燃煤共热解的实验方法，其特征在于，当更换工况或更换样品时，待热解炉(15)内炉温冷却到室温后，停止载气的输入，将热解炉底部端盖(7)处的固定卡扣(14)松开，同时下移支撑支架(23)的支撑插销(24)，将气通管路(5)和热解炉底部端盖(7)整体卸下，重新放置样品后安装，重复以上步骤。
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