CN114736700A - 热解系统和热解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热解系统和热解方法，该热解系统包括热解子系统和二氧化碳还原装置，其中热解子系统用于将原料热解后产生二氧化碳气体和热解产品；二氧化碳还原装置与热解子系统连通，二氧化碳还原装置用于二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
Description
技术领域
本发明涉及含碳原料的转化利用技术领域，具体涉及一种热解系统和热解方法。
背景技术
煤炭资源梯级利用是提高能源利用效率的有效手段，煤的热解可实现在燃烧或气化前将煤中的化学活性高的物质转化为液体燃料、煤化工合成原料气和化学品。
在实现本发明的过程中发现，传统煤热解方法存在二氧化碳排放问题，制约了热解的规模化利用，因此，迫切需要开发一种可实现零碳排放的热解技术和系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种热解系统和热解方法，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明的一方面提供了一种热解系统，包括：
热解子系统，用于将原料热解后产生二氧化碳气体和热解产品；
二氧化碳还原装置，与热解子系统连通，其中二氧化碳还原装置用于二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
根据本发明的实施例，其中，热解子系统包括：
热解室，包括用于向热解室通入原料的原料入口，和用于向热解室通入载气的载气入口，热解室用于在载气的流化作用下将原料热解后产生第一热解产物，；
供热单元，与热解室间壁式接触，为热解室中的热解反应提供热量；
分离单元，与热解室和二氧化碳还原装置连通，用于将第一热解产物经过气固分离和气体分离后，产生二氧化碳气体和热解产品。
根据本发明的实施例，其中：热解室采用流化床。
根据本发明的实施例，其中：供热单元为燃烧室，燃烧室设有燃料入口、氧化剂入口和烟气出口，燃烧室用于燃料和氧化剂进行燃烧放热反应后向热解单元供热并产生烟气，其中燃料为可燃气体。
根据本发明的实施例，其中，还原剂包括生物质炭，上述系统还包括：
生物质炭化装置，设有第一出口和第二出口，其中第一出口与二氧化碳还原装置入口连通，第二出口与燃烧室的燃料入口连通，生物质炭化装置用于生物质原料发生炭化反应后产生生物质炭和炭化气体，并将生物质炭通入二氧化碳还原装置，以及将炭化气体作为燃料通入燃烧室。
根据本发明的实施例，其中：生物质炭化装置与燃烧室的烟气出口连通，以便利用烟气的余热为生物质炭化装置中的炭化反应提供热量。
根据本发明的实施例，其中，分离单元包括气固分离器和气体分离器，热解产品包括半焦和产品气，其中：
气固分离器，与热解室的出口连通，用于将第一热解产物经过气固分离后产生半焦和第二热解产物；
气体分离器，与气固分离器的气相出口连通，用于将第二热解产物经过气体分离后产生二氧化碳气体和产品气。
根据本发明的实施例，其中：热解室设有返料口，气固分离器的固相出口与返料口连通，以便将半焦的一部分通过返料口返回热解室。
根据本发明的实施例，其中：系统还包括烟气余热回收装置，烟气余热回收装置与燃烧室的烟气出口连通，用于回收烟气的余热，以便利用烟气的余热预热通入热解室的载气。
根据本发明的实施例，其中：供热单元设有多个补燃风口，多个补燃风口用于向供热单元通入补燃风；多个补燃风入口沿供热单元内气体流动方向依次布置。
根据本发明的实施例，其中：供热单元嵌套在热解室内部，或者供热单元呈回转方式围设在热解室外部。
本发明的另一方面提供了一种热解方法，该热解方法包括：
将原料进行热解和分离后产生二氧化碳气体和热解产品；
将二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
根据本发明的实施例，上述热解方法利用上述热解系统，其中：
原料在热解子系统中的进行热解和分离；
二氧化碳在二氧化碳还原装置中被还原生成一氧化碳。
根据本发明的实施例，其中，热解子系统包括热解室、供热单元和分离单元；原料在热解子系统中的进行热解和分离包括：
在热解室中，原料在载气的流化作用下热解后产生第一热解产物，供热单元为热解室中的热解反应提供热量；
在分离单元中，第一热解产物经过气固分离和气体分离后，产生二氧化碳气体和热解产品。
根据本发明的实施例，其中，二氧化碳还原剂采用生物质炭，上述方法还包括：
将生物质原料通入生物质炭化装置，以便生物质原料在生物质炭化装置中发生炭化反应后产生生物质炭和炭化气体；
将生物质炭通入二氧化碳还原装置，以便二氧化碳气体在生物质炭作用下生成一氧化碳；
将炭化气体作为燃料通入供热单元。
(三)有益效果
根据本发明的实施例，通过设置二氧化碳还原装置，可实现二氧化碳资源化利用，在系统层面上实现零二氧化碳排放，有利于热解的规模化利用。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明一实施例的热解系统的系统结构图；
图2示意性示出了根据本发明另一实施例的热解系统的系统结构图。
附图标记说明：
11、热解室；12、燃烧室；13、气固分离器；14、气体分离器；2、二氧化碳还原装置；3、生物质炭化装置；4、烟气余热回收装置；
A、原料；B、载气；C1、第一热解产物；C2、第二热解产物；D、半焦；D1、循环半焦；D2、产品半焦；E1、炭化气体；E2、生物质炭；N、氧化剂；M1、二氧化碳；M2、产品气；M3、一氧化碳；L、烟气；S、生物质原料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
煤炭资源梯级利用是提高能源利用效率的有效手段，煤的热解可实现在燃烧或气化前将煤中的化学活性高的物质转化为液体燃料、煤化工合成原料气和化学品。煤炭热解的应用对象包括但不限于褐煤、次烟煤等低阶煤，以在我国煤炭资源结构中占有较大比例的低阶煤为例，通过热解的方式可实现低阶煤分级分质利用，提取出高值产品，同时，热解产生的半焦可以作为燃料补充当前清洁能源供给的不足，或用于碳材料的制备(例如活性炭)。
在实现本发明的过程中发现，传统煤热解方法存在二氧化碳排放问题，制约了热解的规模化利用，因此，迫切需要开发一种可实现零碳排放的热解技术和系统。
有鉴于此，本发明的一方面提供了一种热解系统，包括热解子系统和二氧化碳还原装置，其中：热解子系统，用于将原料热解后产生二氧化碳气体和热解产品；二氧化碳还原装置，与热解子系统连通，其中二氧化碳还原装置用于二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。。
根据本发明的实施例，热解子系统用于原料(例如煤粉)的热解，热解产物中可包括二氧化碳气体，还可包括其他热解产品，例如半焦、一氧化碳、氢气等。
因热解子系统的产物中包括二氧化碳，为了实现零二氧化碳排放，本公开实施例的热解系统中加设了二氧化碳还原装置，二氧化碳还原装置用于将热解子系统产生的二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳，二氧化碳还原剂例如可以是各种还原性物质，例如活性炭、生物质炭等等。
根据本发明的实施例，通过设置二氧化碳还原装置，可实现二氧化碳资源化利用，在系统层面上实现零二氧化碳排放，有利于热解的规模化利用。
图1示意性示出了根据本发明一实施例的热解系统的系统结构图。以下结合图1对本发明实施例所述的热解系统进行详细说明。
如图1所示，根据本发明实施例的热解系统包括热解子系统和二氧化碳还原装置2，其中：热解子系统用于实现原料A(例如煤粉)的热解，热解产物中包括二氧化碳气体M1和其他热解产品，例如半焦D和产品气M2，产品气M2例如可以包括一氧化碳、氢气等。二氧化碳还原装置2与热解子系统连通，二氧化碳还原装置2用于将二氧化碳M1在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳M3。
根据本发明的实施例，具体地，上述热解子系统包括热解室11、供热单元(可采用燃烧室12)和分离单元。
其中，热解室11包括用于向热解室11通入原料A的原料入口和用于向热解室11通入载气B的载气入口，热解室11用于在载气B的流化作用下将原料A热解后产生第一热解产物C1，其中热解室11采用流化床反应器，通过载气B的流化，热解室11内的气固流场为流态化状态，可实现炉内温度均匀分布，进而使得原料A加热均匀。其中，载气B可以为氮气、空气、氧气、二氧化碳等气体。
根据本发明的实施例，原料A的粒径可为0～1mm，优选地，粒径为0～0.5mm，通过减小原料A粒径，可实现原料A颗粒热解过程的均匀快速升温，保证挥发分的充分析出。
燃烧室12与热解室11间壁式接触，燃烧室12设有燃料入口和氧化剂入口，燃烧室12还设有烟气出口。燃烧室12用于燃料和氧化剂N进行燃烧放热反应后产生烟气L，并为热解室11中的热解反应提供热量，烟气L通过烟气出口排出。其中燃料可采用可燃气体，可燃气体可以是任何含有可燃物成分的气体或气固混合物，例如含碳颗粒的气体、生物质炭化气体、或其他非碳成分的可燃气等等，氧化剂N可以是空气或氧气。
分离单元与热解室11和二氧化碳还原装置2连通，用于将第一热解产物C1经过气固分离和气体分离后，产生二氧化碳气体M1和热解产品。
根据本发明的实施例，进一步地，分离单元包括气固分离器13和气体分离器14，热解产品包括半焦D和产品气M2，产品气M2例如可以包括一氧化碳、氢气等。
气固分离器13与热解室11的出口连通，用于将第一热解产物C1经过气固分离后产生半焦D和第二热解产物C。
气体分离器14与气固分离器13的气相出口连通，用于将第二热解产物C2经过气体分离后产生二氧化碳气体M1和产品气M2。
根据本发明的实施例，热解室11设有返料口，气固分离器13的固相出口与返料口连通，以便将半焦D的一部分通过返料口返回热解室11。具体地，半焦D中的一部分作为循环半焦D1通过返料口返回热解室11，半焦中的另一部分作为产品半焦D2排出。
根据本发明的实施例，气固分离器13和热解室11的返料口之间设有返料器，气固分离器13、热解室11和返料器构成循环流化床反应器，通过反应器内的固体物料循环，增加固体反应物在反应器内的停留时间，可保证挥发分的充分析出。
根据本发明的实施例，较佳地，二氧化碳还原剂可采用生物质炭，因生物质炭具有较强的反应活性，采用生物质炭作为还原剂，可提高二氧化碳的还原效率。
根据本发明的实施例，进一步地，上述热及系统中还包括生物质炭化装置3，生物质炭化装置3用于生物质原料S发生炭化反应后产生生物质炭E2和炭化气体E1。
其中，生物质炭化装置3设有第一出口和第二出口，其中第一出口与二氧化碳还原装置2的入口连通，第二出口与燃烧室12的可燃气体入口连通，生物质炭化装置3产生生物质炭E2和炭化气体E1后，将生物质炭E2通入二氧化碳还原装置2，将炭化气体E1作为燃料(可燃气体)通入燃烧室12。
根据本发明的实施例，通过加设生物质炭化装置，实现了系统内物质和能量的闭环循环，热解所需热量全部来源于生物质可再生能源，无需在加设外部热源，同时生物质炭化装置还生产二氧化碳还原所需的还原剂，不仅解决传统热解工艺中热量产生过程中的二氧化碳排放问题，还提高了能量利用率。
根据本发明的实施例，燃烧室12中，燃料(可燃气体)和氧化剂进行燃烧放热反应后产生烟气L。
进一步地，可以对烟气L的余热进行再利用。例如可采用以下两种方式进行烟气预热利用。
方式1、离开燃烧室12的高温烟气L加热生物质炭化装置3，作为生物质炭化的全部或部分热量来源，实现烟气L余热回收利用，具体地，将生物质炭化装置3与燃烧室12的烟气出口连通，以便利用烟气L的余热为生物质炭化装置3中的炭化反应提供热量。
方式2、利用烟气L的余热预热通入热解室11的载气B，具体地，上述系统还设置有烟气余热回收装置4(例如烟气换热器)，烟气余热回收装置4与燃烧室12的烟气出口连通，用于回收烟气L的余热，以便利用烟气L的余热预热通入热解室11的载气B。其中，离开燃烧室12的高温烟气L进入换热器，载气B在换热器内被加热后进入热解室11，实现燃烧室12高温烟气L余热回收利用，以提高系统能效。
根据本发明的实施例，进一步地，燃烧室12设有多个补燃风口，多个补燃风口用于向燃烧室12通入补燃风，补燃风可以是含氧气化剂。具体地，多个补燃风口可设置在燃烧室12气流沿程的多个不同位置处，可根据实际使用需求，向不同位置处的补燃风口通入不同风量的补燃风，使得补燃风可以由多个位置、可控地进入燃烧室12，对燃烧室12内沿程温度分布进行调控，以避免燃烧室12内沿程温度降低的问题，使得热解室11中的热解反应更加完全充分。
图2示意性示出了根据本发明另一实施例的热解系统的系统结构图。
根据本发明的实施例，燃烧室12与热解室11间壁式接触，两者之间的连接关系和位置关系可根据实际使用需求设置。
例如，如图1所示方式，燃烧室12嵌套在热解室11内部。
再例如，如图2所示，该实施例的热解系统的结构与图1所示热解系统的结构大体相同，不同之处在于，燃烧室12呈回转方式围设在热解室11外部(该情形下，燃烧室12不可采用流化床结构)。即燃烧室12和热解室11采用双层套筒状回转窑形式，内层为回转热解室，外层为回转燃烧室。
本发明的另一方面提供了一种热解方法，该热解方法包括：
将原料进行热解和分离后产生二氧化碳气体和热解产品；
将二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
进一步地，该热解方法利用上述热解系统实现，以下结合图1所示热解系统进行说明，该热解方法包括：
将原料A通入热解子系统进行热解、分离后产生二氧化碳气体M1和热解产品；
将二氧化碳气体M1通入二氧化碳还原装置2，以便二氧化碳气体M1在二氧化碳还原装置2中在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳M3。
根据本发明的实施例，其中，二氧化碳还原剂采用生物质炭E2，上述方法还包括：将生物质原料S通入生物质炭化装置3，以便生物质原料S在生物质炭化装置3中发生炭化反应后产生生物质炭E2和炭化气体E1。
根据本发明的实施例，其中，热解子系统还用于将原料A热解后产生热解产品，热解子系统包括热解室11、供热单元(例如燃烧室12)和分离单元，上述方法中，将原料A通入热解子系统进行热解后产生二氧化碳气体M1和热解产品具体包括：
将原料A(煤粉)和载气B通入热解室11，载气B从热解室11下部进入热解室11，热解所需部分或全部热量由燃烧室12提供，原料A在载气B的流化作用下，在热解室11中热解后产生第一热解产物C1，其中热解室11采用流化床；
将可燃气体和氧化剂通入燃烧室12，以便可燃气体和氧化剂在燃烧室12中进行燃烧放热反应后，为热解室11中的热解反应提供热量；
将第一热解产物C1通入分离单元，以便通过分离单元的分离作用将第一热解产物C1经过气固分离和气体分离后，产生二氧化碳气体M1和热解产品。
具体地，热解产生的第一热解产物C1(含尘热解气)经过气固分离器13后，被分离出半焦D和第二热解产物C2，半焦D的一部分(D1)返回热解室11参与循环，另一部分(D2)作为热解半焦产品从返料器排出离开系统。第二热解产物C2经过气体分离器14气体分离后，形成产品气M2(例如，CO+H2)和CO2。其中，生物质炭化装置3中发生炭化反应后产生生物质炭E2和炭化气体E1后，将生物质炭E2通入二氧化碳还原装置，以便二氧化碳气体M1在生物质炭E2作用下生成一氧化碳；将炭化气体E1作为可燃气体和氧化剂N(如，空气)通入燃烧室12，进行燃烧反应，为热解室11中进行的反应提供热量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种热解系统，包括：
热解子系统，用于将原料热解后产生二氧化碳气体和热解产品；
二氧化碳还原装置，与所述热解子系统连通，其中所述二氧化碳还原装置用于所述二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热解子系统包括：
热解室，包括用于向所述热解室通入所述原料的原料入口，和用于向所述热解室通入载气的载气入口，所述热解室用于在所述载气的流化作用下将所述原料热解后产生第一热解产物；
供热单元，与所述热解室间壁式接触，为所述热解室中的热解反应提供热量；
分离单元，与所述热解室和所述二氧化碳还原装置连通，用于将所述第一热解产物经过气固分离和气体分离后，产生所述二氧化碳气体和所述热解产品。
3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述热解室采用流化床。
4.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述供热单元为燃烧室，所述燃烧室设有燃料入口、氧化剂入口和烟气出口，所述燃烧室用于燃料和氧化剂进行燃烧放热反应后向所述热解单元供热并产生烟气，其中所述燃料为可燃气体。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述还原剂包括生物质炭，所述系统还包括：
生物质炭化装置，设有第一出口和第二出口，其中所述第一出口与所述二氧化碳还原装置入口连通，所述第二出口与所述燃烧室的所述燃料入口连通，所述生物质炭化装置用于生物质原料发生炭化反应后产生所述生物质炭和炭化气体，并将所述生物质炭通入所述二氧化碳还原装置，以及将所述炭化气体作为所述燃料通入所述燃烧室。
6.根据权利要求5所述的系统，其中：
所述生物质炭化装置与所述燃烧室的所述烟气出口连通，以便利用所述烟气的余热为所述生物质炭化装置中的炭化反应提供热量。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述分离单元包括气固分离器和气体分离器，所述热解产品包括半焦和产品气，其中：
所述气固分离器，与所述热解室的出口连通，用于将所述第一热解产物经过气固分离后产生所述半焦和第二热解产物；
所述气体分离器，与所述气固分离器的气相出口连通，用于将所述第二热解产物经过气体分离后产生所述二氧化碳气体和所述产品气。
8.根据权利要求7所述的系统，其中：
所述热解室设有返料口，所述气固分离器的固相出口与所述返料口连通，以便将所述半焦的一部分通过所述返料口返回所述热解室。
9.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述系统还包括烟气余热回收装置，所述烟气余热回收装置与所述燃烧室的所述烟气出口连通，用于回收所述烟气的余热，以便利用所述烟气的余热预热通入所述热解室的所述载气。
10.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述供热单元设有多个补燃风口，所述多个补燃风口用于向所述供热单元通入补燃风；所述多个补燃风入口沿供热单元内气体流动方向依次布置。
11.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述供热单元嵌套在所述热解室内部，或者
所述供热单元呈回转方式围设在所述热解室外部。
12.一种热解方法，所述热解方法包括：
将原料进行热解和分离后产生二氧化碳气体和热解产品；
将所述二氧化碳气体在二氧化碳还原剂作用下生成一氧化碳。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法利用权利要求1-11任一项所述的热解系统，其中：
所述原料在所述热解子系统中的进行热解和分离；
所述二氧化碳在所述二氧化碳还原装置中被还原生成所述一氧化碳。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述热解子系统包括热解室、供热单元和分离单元；所述原料在所述热解子系统中的进行热解和分离包括：
在所述热解室中，所述原料在载气的流化作用下热解后产生第一热解产物，所述供热单元为所述热解室中的热解反应提供热量；
在所述分离单元中，所述第一热解产物经过气固分离和气体分离后，产生所述二氧化碳气体和所述热解产品。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述二氧化碳还原剂采用生物质炭，所述方法还包括：
将生物质原料通入生物质炭化装置，以便所述生物质原料在所述生物质炭化装置中发生炭化反应后产生所述生物质炭和炭化气体；
将所述生物质炭通入所述二氧化碳还原装置，以便所述二氧化碳气体在所述生物质炭作用下生成一氧化碳；
将所述炭化气体作为燃料通入所述供热单元。
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