CN117732195A - 一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤热解技术领域，具体公开了一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，包括依次连通的冷凝塔、焦油收集器和净化塔，所述冷凝塔的底部通过法兰与所述焦油收集器的上端连通，所述冷凝塔的上端设置有向内部贯通的第一冷凝管和气液流通管，所述焦油收集器通过向下倾斜设置的第二冷凝管与所述净化塔相连通，所述净化塔包括鼓风段和喷淋段，所述第二冷凝管通过三通管件与所述鼓风段相连通。本发明采用上述一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，避免了管道堵塞以及资源浪费问题，进一步提升收集率，为后期对含氮物质的研究提供便利，同时避免了含氮物质污染环境问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤热解技术领域，尤其是涉及一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置。
背景技术
热解法是一种在无氧或缺氧条件下的加热工艺，可以将物料中热不稳定的有机物分解，得到可储存的热解气、焦油和半焦。热解法能够有效地使物料中的有机物转化为可利用的形式。
相较于燃烧法，热解法对大气及环境造成的污染更少、更轻，且其对能源的利用率更高。但是，热解过程中会产生大量的焦油，且焦油具有粘度高、流动性差等特点，极易黏附于反应系统的管道内，造成管道堵塞等问题。
现有技术中，焦油收集技术主要分为三大类：水/溶液淋洗技术法、电捕集焦油技术法以及冷凝器改造收集法。水/溶液淋洗技术法操作简单、方便、投入小，可以达到90%以上的高收集率。但是，无论是用水还是溶剂作为淋洗液，都将造成资源浪费，且投入成本大大增加。电捕集焦油技术法可以应用在不同原料、工艺、反应条件的反应，相较于其他方法，对焦油的捕集效率高，可以明显改善工作环境。但是，此种方法的应用场景需要考虑较多的影响因素，且需要在真空条件下运行。由于焦油本身具有黏结性，容易黏附于真空泵上，将造成仪器的损耗。冷凝器改造收集法可以实现焦油的初步分离，但由于焦油粘度高等性质，管道堵塞情况仍然是冷凝系统的隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，避免了管道堵塞以及资源浪费问题，进一步提升收集率，为后期对含氮物质的研究提供便利，同时，避免了含氮物质污染环境问题。
本发明采用控制冷凝温度的收集方法，设置多级冷凝系统，再通过控制各级冷凝系统中焦油的冷凝温度，不仅能提高焦油的收集率，还能通过这种方法实现烟气中所含组分的粗分离。
为实现上述目的，本发明提供了一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，包括依次连通的冷凝塔、焦油收集器和净化塔，所述冷凝塔的底部通过法兰与所述焦油收集器的上端连通，所述冷凝塔的上端设置有向内部贯通的第一冷凝管和气液流通管，所述焦油收集器通过向下倾斜设置的第二冷凝管与所述净化塔相连通，所述净化塔包括鼓风段和喷淋段，所述第二冷凝管通过三通管件与所述鼓风段相连通。
优选的，所述冷凝塔与所述焦油收集器的下端部均为球形结构，所述第一冷凝管环绕设置于所述气液流通管的外部，所述第一冷凝管的环绕圈数至少为三圈，所述气液流通管的贯通端设置于所述冷凝塔内部的下方，所述第一冷凝管的贯通端与外界连通。
优选的，所述焦油收集器的下端中心位置设置有第一焦油出口。
优选的，所述第二冷凝管的内芯管为球泡状管结构。
优选的，所述第一冷凝管内的冷却剂为水、氟利昂或液氮中的一种，所述第二冷凝管内的冷却剂为水或氟利昂中的一种。
优选的，所述三通管件为水平设置，所述三通管件的下端设置有第二焦油出口。
优选的，所述鼓风段包括玻璃钢风机和烟气管道，所述玻璃钢风机通过变径管件与所述烟气管道相连通。
优选的，所述喷淋段包括塔体和若干设置于塔体内的喷淋头，所述喷淋头依次连接有循环料泵和循环料箱，所述循环料箱的数量为两个，所述循环料箱之间底部连通。
优选的，所述循环料箱连接有加药桶，所述加药桶内的药剂为NaOH溶液或甲烷磺酸溶液中的一种。
优选的，所述喷淋头的下方对应设置有隔板，所述隔板的内部设置有若干通孔，所述循环料箱通过所述隔板与所述塔体的下端连通，所述循环料箱的上方侧壁设置有排气口。
因此，本发明采用上述一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，具有如下技术效果：
（1）本发明通过冷凝管与冷却剂进行热量交换，烟气不直接接触冷却剂，冷却剂可回收再利用，避免资源浪费，且大大降低投入成本。
（2）本发明焦油通过自身重力依次通过气液流通管、冷凝塔和焦油收集器进行收集，避免了管道堵塞问题。
（3）本发明少量的未液化的焦油烟气在第二冷凝管中进行二次冷凝，大大降低了气体中的焦油含量，进一步提升收集率，避免焦油粘附在净化塔内。
（4）本发明设置有净化塔，可以将气体中的含氮物质吸收在循环料箱内，便于后期对含氮物质的研究，同时，避免含氮物质随烟气排入大气中而导致的环境污染问题。
附图说明
图1是本发明一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置实施例的结构示意图。
附图标记
1、气液流通管；2、第一冷凝管；3、冷凝塔；4、法兰；5、焦油收集器；6、开关；7、第一焦油出口；8、第二冷凝管；9、第二焦油出口；10、玻璃钢风机；11、烟气管道；12、塔体；13、喷淋头；14、加药桶；15、循环料箱；16、循环料泵；17、隔板；18、三通管件；19、排气口。
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。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
如图1所示，一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，包括依次连通的冷凝塔3、焦油收集器5和净化塔。冷凝塔3与焦油收集器5均为两端球形、中间圆柱形的结构，其材质均为不锈钢2520材质或石英管材质，冷凝塔3的外径为200mm~260mm，内径为195mm~255mm。冷凝塔3的外壁设置有保温层，保温层采用聚氨酯发泡剂，保证冷凝塔3内的温度保持恒定。
冷凝塔3的底部通过法兰4与焦油收集器5的上端连通，冷凝塔3的上端设置有向内部贯通的第一冷凝管2和气液流通管1，第一冷凝管2环绕于气液流通管1设置，第一冷凝管2的环绕圈数至少为三圈，气液流通管1的贯通端设置于冷凝塔3内部的下方，第一冷凝管2的贯通端与外界连通。第一冷凝管2内的冷却剂为水、氟利昂或液氮的一种。具体的，第一冷凝管2的管径为2~5cm，气液流通管1的管径为3~6cm，第一冷凝管2和气液流通管1的流通量小于1m3/min，通过第一冷凝管2与冷却剂进行热量交换，烟气不直接接触冷却剂，冷却剂可回收再利用，烟气中的焦油通过自身重力依次通过气液流通管1、冷凝塔3和焦油收集器5进行收集，冷凝塔3和焦油收集器5的内壁为光滑斜面，便于焦油向下流动，可有效避免堵塞问题。
焦油收集器5的下端中心位置设置有第一焦油出口7，具体的，第一焦油出口7设有开关6，便于将冷凝的焦油排出，且焦油的流出速率由开关6控制。焦油收集器5侧壁通过向下倾斜设置的第二冷凝管8与净化塔相连通。焦油收集器5与第二冷凝管8之间、第二冷凝管8与净化塔之间均为法兰组件连接的可拆卸结构。第二冷凝管8的倾斜角度为斜向下20°~60°。第二冷凝管8的内芯管为球泡状管结构，烟气在球泡状管结构的内芯管内流通，以达到冷却面积大、冷却效果更佳的目的。内芯管外侧有两个不同侧的上下两个接口，便于冷却剂进出，第二冷凝管8内的冷却剂流向为逆流，其流通量小于1m3/min，第二冷凝管8内的冷却剂为水或氟利昂的一种。
净化塔包括鼓风段和喷淋段，第二冷凝管8通过三通管件18与鼓风段相连通。鼓风段包括玻璃钢风机10和烟气管道11，玻璃钢风机10的风量为，玻璃钢风机10通过变径管件与烟气管道11相连通。
具体的，三通管件18为不锈钢2520材质或石英材质，管径为3~6cm，三通管件18为水平设置，三通管件18的左端通过弯脖（弯脖角度为20°~60°）、弯脖通过法兰组件与第二冷凝管8可拆卸连接，三通管件18的右端通过法兰组件与玻璃钢风机10可拆卸连接，三通管件18的下端设置有第二焦油出口9。与第一焦油出口7相同，第二焦油出口9设有开关6，便于将二次冷凝的焦油排出。
变径管件尺寸为由内径3~6cm变至内径6~10cm，其小口径的一端与玻璃钢风机10连接。烟气管道11内径为6~10cm，变径管件大口径的一端与烟气管道11入口端连接。
喷淋段包括塔体12和若干设置于塔体12内的喷淋头13，喷淋头13依次连接有循环料泵16和循环料箱15，循环料泵16的输水量为，循环料泵16可将循环料箱15内的溶液抽出，输送到喷淋头13处。
具体的，循环料箱15的数量为两个，两循环料箱15的底部相连通，两循环料箱15的液面始终保持水平。其一循环料箱15连接有加药桶14，加药桶14的底部设有开口，便于加药桶14内的药剂流入循环料箱15，通过pH监测仪，监测循环料箱15内的溶液的pH值，补充加药桶14内的药剂，pH值在指定范围内，加药桶14中的药剂进行多次重复利用，以达到节能减排的目的。各喷淋头13的下方对应设置有隔板17，隔板17内部有若干通孔，另一循环料箱15的上方侧壁设置有排气口19，循环料箱15通过隔板17与塔体12的下端连通，烟气依次经各喷淋头13喷洒，随喷淋液至塔体12的下端，喷淋过程中，烟气中的有害气体与喷淋液发生化学反应并溶于喷淋液中，最终喷淋液流至循环料箱15中，以及除去有害气体的烟气经循环料箱15的排气口19排出装置。
加药桶14内的药剂为NaOH溶液或甲烷磺酸溶液的一种，加入甲烷磺酸溶液收集的是NH4 +，加入NaOH溶液收集的是CN-，以便于对NH4 +或CN-进行后续的研究。CN-与NH4 +的吸收原理为酸碱中和，具体化学反应式如下：
NaOH+HCN→NaCN+H2O；
CH3SO3H+NH3→CH3SO2NH2+H2O。
对比例1
采用宁东梅花井煤0.800g，使用固定床反应器（升温速率为10℃/min）从室温升至900℃，通过物料衡算，其焦油产率为38%，即理论焦油产出量为0.304g。
实施例1
采用宁东梅花井煤0.800g，第一冷凝管2的两端均有开口，用于冷却剂(自来水)的进出，第一冷凝管2环绕于气液流通管1，烟气通过气液流通管1进入冷凝塔3，焦油经第一冷凝管2冷却后沿气液流通管1自然下落至冷凝塔3的底部，经冷凝塔3流至焦油收集器5，通过第一焦油出口7收集焦油0.140g。
在玻璃钢风机10的（风量为）吹扫下，其余烟气依次进入倾斜角度为斜向下45°第二冷凝管8的内芯管，第二冷凝管8的其上下两端各有一个异侧的开口，用于冷却剂(自来水)的进出，采用下进上出逆流换热的方式。通过三通管件18下端的第二焦油出口9收集焦油0.090g，与理论焦油产出量相差0.074g。
其余烟气依次经三通管件18、玻璃钢风机10、变径管件和烟气管道11进入塔体12，喷淋头13对塔体12内的烟气进行药剂(甲烷磺酸溶液)喷淋处理，除去烟气中的有害气体，经循环料箱15的排气口19排出装置，同时，烟气中的NH4+被溶解在溶液中，最终进入循环料箱15。
实施例2
与实施例1不同的是，第一冷凝管2的两端均有开口，用于冷却剂(冰水)的进出，通过第一焦油出口7收集焦油0.160g。
第二冷凝管8的其上下两端各有一个异侧的开口，用于冷却剂(自来水)的进出，采用下进上出逆流换热的方式。通过第二焦油出口9收集焦油0.090g，与理论焦油产出量相差0.054g。
实施例3
与实施例1不同的是，第一冷凝管2的两端均有开口，用于冷却剂(氟利昂)的进出，通过第一焦油出口7收集焦油0.200g。
第二冷凝管8的其上下两端各有一个异侧的开口，用于冷却剂(自来水)的进出，采用下进上出逆流换热的方式。通过第二焦油出口9收集焦油0.090g，与理论焦油产出量相差0.014g。
实施例4
与实施例1不同的是，第一冷凝管2的两端均有开口，用于冷却剂(液氮)的进出，通过第一焦油出口7收集焦油0.300g。
第二冷凝管8的其上下两端各有一个异侧的开口，用于冷却剂(自来水)的进出，采用下进上出逆流换热的方式。通过第二焦油出口9收集焦油0.000g，与理论焦油产出量相差0.004g。
实施例5
与实施例1不同的是，第一冷凝管2的两端均有开口，用于冷却剂(氟利昂)的进出，通过第一焦油出口7收集焦油0.200g。
第二冷凝管8的其上下两端各有一个异侧的开口，用于冷却剂(自来水)的进出，采用下进上出逆流换热的方式。通过第二焦油出口9收集焦油0.100g，与理论焦油产出量相差0.004g。
通过对比例1与实施例1~5比较发现，自来水的冷凝温度为23℃，冰水的冷凝温度为0℃，氟利昂的冷凝温度为-23.3℃，液氮的冷凝温度为-195.8℃，冷却剂的温度越低，对焦油的产出越有利，其理论焦油产出量与实际焦油产出量相差0.004g，是因为焦油发生二次反应生成气体所致。由于氟利昂可以循环利用，而液氮不可以循环使用，考虑运行成本，本发明的最优方案为第一冷凝管2和第二冷凝管8的冷却剂均选用氟利昂。
因此，本发明采用上述一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，通过冷凝管与冷却剂进行热量交换，烟气不直接接触冷却剂，冷却剂可回收再利用，避免资源浪费，且大大降低投入成本；少量的未液化的焦油烟气在第二冷凝管中进行二次冷凝，大大降低了气体中的焦油含量，进一步提升收集率，避免焦油粘附在净化塔内；焦油通过自身重力依次通过气液流通管、冷凝塔和焦油收集器进行收集，避免了管道堵塞问题；净化塔将气体中的含氮物质吸收在循环料箱内，便于后期对含氮物质的研究，同时，避免了含氮物质污染环境问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：包括依次连通的冷凝塔、焦油收集器和净化塔，所述冷凝塔的底部通过法兰与所述焦油收集器的上端连通，所述冷凝塔的上端设置有向内部贯通的第一冷凝管和气液流通管，所述焦油收集器通过向下倾斜设置的第二冷凝管与所述净化塔相连通，所述净化塔包括鼓风段和喷淋段，所述第二冷凝管通过三通管件与所述鼓风段相连通。
2.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述冷凝塔与所述焦油收集器的下端部均为球形结构，所述第一冷凝管环绕设置于所述气液流通管的外部，所述第一冷凝管的环绕圈数至少为三圈，所述气液流通管的贯通端设置于所述冷凝塔内部的下方，所述第一冷凝管的贯通端与外界连通。
3.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述焦油收集器的下端中心位置设置有第一焦油出口。
4.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述第二冷凝管的内芯管为球泡状管结构。
5.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述第一冷凝管内的冷却剂为水、氟利昂或液氮中的一种，所述第二冷凝管内的冷却剂为水或氟利昂中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述三通管件为水平设置，所述三通管件的下端设置有第二焦油出口。
7.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述鼓风段包括玻璃钢风机和烟气管道，所述玻璃钢风机通过变径管件与所述烟气管道相连通。
8.根据权利要求1所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述喷淋段包括塔体和若干设置于塔体内的喷淋头，所述喷淋头依次连接有循环料泵和循环料箱，所述循环料箱的数量为两个，所述循环料箱之间底部连通。
9.根据权利要求8所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述循环料箱连接有加药桶，所述加药桶内的药剂为NaOH溶液或甲烷磺酸溶液中的一种。
10.根据权利要求8所述的一种煤热解的焦油与含氮物质收集装置，其特征在于：所述喷淋头的下方对应设置有隔板，所述隔板的内部设置有若干通孔，所述循环料箱通过所述隔板与所述塔体的下端连通，所述循环料箱的上方侧壁设置有排气口。
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