本發(fā)明屬于能源化工領域，具體地涉及到一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解裝置及方法。

背景技術：

煤炭占中國能源消費結(jié)構的75％以上，其中80％以上用于直接燃燒，且50％以上供直接燃燒塊煤的工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐及家用燃煤爐使用，但是，直接燃燒的利用方式造成煤炭利用效率低、污染物排放超標。另外，隨著采煤機械化程度的提高，塊煤產(chǎn)率由52～60％降至20～38％，加重了塊煤短缺，而且還造成粉煤長期大量積壓。尤其是大量的低階煤粉煤，由于其水分含量高、熱值低、以及易分化和不易運輸?shù)热秉c，導致難以加工利用，因此，如何高效地利用低階煤粉煤，成為目前煤炭利用領域急需解決的問題。而且，隨著國內(nèi)能源需求日益增大，對低階煤，尤其是低階煤粉煤的綜合轉(zhuǎn)化利用勢必將成為未來能源需求的有力支撐。

利用熱解方式將煤加工成半焦、低溫焦油和焦爐氣的化學過程，是目前低階煤加工處理的有效途徑之一。通過熱解獲得熱解氣、焦油以及半焦，熱解氣及焦油可直接作為清潔燃料燃燒，也可以通過后續(xù)加工處理，生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品，實現(xiàn)煤炭分級利用與清潔高效轉(zhuǎn)化。目前，工業(yè)上對于大顆粒(>6mm)煤的低溫熱解，普遍采用直立爐的工藝進行熱解，例如，已成熟的蘭炭生產(chǎn)工藝，它實現(xiàn)了固體能源向氣體、液體能源以及固體化工原料的高效轉(zhuǎn)化，對于資源利用來說，開辟了高效靈活利用資源的途徑。但是，生產(chǎn)蘭炭的原料為塊狀煙煤或塊狀褐煤，而粉煤原料導致物料層的透氣性差，且容易堵塞花墻的氣孔，影響正常生產(chǎn)，因此蘭炭工藝限制了原料使用的范圍。而且，針對6mm以下的粉煤熱解，目前工業(yè)上也尚未有成熟的工藝。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解裝置，該裝置可以實現(xiàn)粉末固體燃料的熱解得到熱解油氣和熱解半焦。本發(fā)明的另一目的在于提供一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解方法，使用該方法可以獲得潔凈粉焦、蒸汽、以及輕質(zhì)焦油，并實現(xiàn)反應中熱量的回收。

本發(fā)明以實現(xiàn)粉末固體燃料在多級強旋流熱解反應器中被鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱煙氣快速加熱發(fā)生熱解反應，生成熱解油氣和熱解半焦；熱解油氣中輕質(zhì)組分通過焦油捕集，獲得輕質(zhì)焦油；熱解油氣中未被捕集的重質(zhì)組分進入鍋爐燃燒，產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；高溫熱煙氣作為熱載體與固體物料和熱解半焦逆流接觸換熱，并將固體物料和熱解半焦送入強旋流熱解反應器進行熱解；熱解半焦通過冷卻并回收熱量，可獲得粉焦。采用本發(fā)明技術的裝置及方法，最終獲得潔凈粉焦、蒸汽、以及輕質(zhì)焦油。

本發(fā)明涉及的強旋流熱解反應器，其特點是將燃燒后產(chǎn)生的煙氣以高速射流的形式切向噴入高溫熱解器中，形成強烈的旋風渦流；固體物料在進入熱解反應器前，在氣體管道內(nèi)懸浮于熱煙氣中，同時進行熱交換，然后被熱煙氣帶入熱解反應器中；，固體物料進入熱解器后，繼續(xù)與高溫煙氣混合、加熱、發(fā)生熱解反應。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解裝置，所述熱解裝置包括多級熱解反應器、半焦冷卻裝置和半焦收集罐；

所述多級熱解反應器包括若干熱解反應器，除首級熱解反應器和末級熱解反應器外的熱解氣進口和下一級熱解反應器的熱解氣出口連接，熱解反應器的物料出口和下一級熱解反應器的熱解氣進口管道連接，其熱解氣出口和上一級熱解反應器的熱解氣進口連接；所述末級熱解反應器的物料出口和所述半焦冷卻裝置連接，所述半焦冷卻裝置的物料出口和半焦收集罐連接。

上述裝置中，所述多級熱解反應器用于粉末固體燃料的熱解，產(chǎn)生熱解油氣以及熱解半焦；所述半焦冷卻裝置用于對產(chǎn)生的熱解半焦進行冷卻，并進行熱量回收；所述半焦收集罐用于收集由末級熱解反應器產(chǎn)生，并經(jīng)半焦冷卻裝置冷卻的粉末半焦產(chǎn)品；產(chǎn)生的熱解半焦經(jīng)和進入下一級熱解反應器的熱解氣混合換熱后被送入下一級熱解反應器。

作為上述裝置的一種更好選擇，所述多級熱解反應器的級數(shù)為3-6。

作為上述裝置的一種更好選擇，所述首級熱解反應器的熱解氣出口和焦油捕集裝置的氣體進口連接。所述焦油捕集系統(tǒng)用于捕集由多級強旋流熱解反應器生成的熱解油氣中的輕質(zhì)組分，獲得輕質(zhì)焦油。

作為上述裝置的一種更好選擇，所述焦油捕集裝置的氣體出口和鍋爐連接，所述鍋爐的煙氣出口和所述末級熱解反應器的煙氣入口連接。所述鍋爐用于熱解油氣中重質(zhì)組分的燃燒，同時產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；其中，熱煙氣為固體燃料在多級熱解反應器中的熱解提供所需熱量。

作為上述裝置的一種更好選擇，所述首級熱解反應器的熱解氣出口和鍋爐連接，所述鍋爐的煙氣出口和所述末級熱解反應器的煙氣入口連接。所述鍋爐用于熱解油氣中重質(zhì)組分的燃燒，同時產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；其中，熱煙氣為固體燃料在多級熱解反應器中的熱解提供所需熱量。

作為上述裝置的一種更好選擇，所述首級熱解反應器的物料入口和料倉連接，所述料倉用于儲存待處理的粉末固體物料。

本發(fā)明還提供了基于上述裝置用于生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解方法，包括：

粉末固體燃料先與來自下一級熱解反應器的熱解氣逆流接觸，并在熱解氣的作用下被送入多級熱解反應器的首級熱解反應器，并在首級熱解反應器中繼續(xù)被下一級的熱解氣加熱，發(fā)生熱解反應，生成熱解油氣和熱解半焦，熱解半焦進入下一級熱解反應器；

熱解半焦首先與來自下兩級熱解反應器的熱解氣逆流接觸，在熱解氣的作用下被送入除首級熱解反應器和末級熱解反應器外的熱解反應器后，其被來自下兩級熱解反應器的熱解油氣混合換熱，并繼續(xù)熱解，熱解產(chǎn)生的熱解油氣進入上一級熱解反應器，熱解產(chǎn)生的熱解半焦進入下一級熱解反應器；

末級熱解反應器熱解后的熱解半焦經(jīng)冷卻后得到粉焦。

作為上述方法的一種更好選擇，所述方法進一步包括：

首級熱解反應器熱解產(chǎn)生的熱解油氣經(jīng)焦油捕集裝置，獲得輕質(zhì)焦油。

作為上述方法的一種更好選擇，所述方法進一步包括：

未被焦油捕集裝置捕集的重質(zhì)組分進入鍋爐燃燒產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽，所述熱煙氣用于固體物料和熱解半焦的熱解。

作為上述方法的一種更好選擇，所述方法進一步包括：

首級熱解反應器熱解產(chǎn)生的熱解油氣進入鍋爐燃燒產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽，所述熱煙氣用于固體物料和熱解半焦的熱解。

作為上述方法的一種更好選擇，所述熱解方法進一步包括：末級熱解反應器排出的熱解產(chǎn)生的熱解半焦經(jīng)半焦冷卻裝置冷卻，并回收熱量，同時得到粉焦產(chǎn)品。

作為上述方法的一種更好選擇，所述的粉末固體燃料是煤炭、生物質(zhì)、油頁巖或者油砂。

本發(fā)明生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的熱解方法，包括如下步驟：

1)粉末固體燃料由料倉送入，并在熱煙氣的作用下，被送入多級強旋流熱解反應器，并在熱解反應器中繼續(xù)被來自鍋爐的熱煙氣加熱，發(fā)生熱解反應，生成熱解油氣和熱解半焦；

2)由熱解產(chǎn)生的熱解油氣經(jīng)焦油捕集裝置，獲得輕質(zhì)焦油，可進一步精制得到高附加值產(chǎn)品；

3)熱解油氣中未被焦油捕集裝置捕集的重質(zhì)組分進入鍋爐燃燒，同時產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；其中，熱煙氣返回多級強旋流熱解反應器為熱解提供熱量；

4)由熱解產(chǎn)生的熱解半焦經(jīng)半焦冷卻裝置冷卻，并進行熱量回收，同時得到粉焦產(chǎn)品，利用半焦收集罐收集。

本發(fā)明可應用于通過熱解反應從固體燃料中獲得潔凈粉焦、蒸汽、液體燃料以及高附加值化學產(chǎn)品。所涉及的固體燃料包括：煤炭、油頁巖、油砂以及生物質(zhì)等含碳固體燃料；所述粉末固體燃料的粒徑低于10mm。而且，本發(fā)明中所涉及的固體燃料，可以是同一種類固體燃料或者不同種類固體燃料。

本發(fā)明熱解過程主要包括：固體燃料在多級強旋流熱解反應器中被熱煙氣加熱發(fā)生的熱解反應，生成熱解油氣和熱解半焦；高熱值的熱解油氣中輕質(zhì)組分經(jīng)焦油捕集后，重質(zhì)組分被送入鍋爐中燃燒產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽，熱煙氣返回強旋流反應器中為固體燃料的熱解提供所需熱量。

本發(fā)明涉及的熱解過程還包括，在強旋流熱解反應器中產(chǎn)生的熱解半焦，在進入下一級反應器中繼續(xù)發(fā)生熱解反應。而且，為固體燃料以及熱解半焦的熱解反應提供熱量的熱載體，包括熱煙氣和熱解產(chǎn)生的熱解油氣。

本發(fā)明實現(xiàn)了低階煤粉煤的分級轉(zhuǎn)化及高效利用，且同時解決粉煤熱解工藝中細煤粉與煤焦油混合物難以分離、易堵塞設備管道等技術問題及難以工程化等現(xiàn)狀，并保證熱解過程中有較高的能量利用效率。本發(fā)明采用強旋流熱解反應器，利用旋風流場旋流強度高、湍流混合強烈的特點，強化爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程，延長粉煤在爐內(nèi)的停留時間，以提高爐內(nèi)的熱強度；而且，在強旋流熱解器中，具有固體物料與熱載體之間快速混合、快速加熱、以及氣固產(chǎn)物快速分離，有利于輕質(zhì)焦油產(chǎn)生的特點。因此，本發(fā)明的裝置采用多級強旋流熱解反應器，以鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱煙氣作為熱載體為熱解反應提供熱量，使固體燃料在強旋流熱解反應器中與熱煙氣快速混合、且被快速加熱，以發(fā)生熱解反應，生成熱解油氣和熱解半焦；熱解油氣中輕質(zhì)組分經(jīng)焦油捕集，獲得輕質(zhì)焦油，并經(jīng)進一步加工處理，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品；熱解油氣中未被捕集的重質(zhì)組分進入鍋爐中燃燒，產(chǎn)生熱煙氣及蒸汽；高溫熱煙氣返回強旋流熱解器中作為熱載體供熱；熱解半焦通過冷卻并回收熱量，可獲得粉焦；通過本發(fā)明的實施，最終獲得潔凈粉焦、輕質(zhì)焦油和蒸汽。

本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)勢：

1、與傳統(tǒng)的固定床和流化床熱解反應器相比，強旋流熱解反應器展現(xiàn)了諸多優(yōu)勢，首先，運行過程中，固體物料進入聯(lián)結(jié)管道后，隨即便被上升氣流沖散，使其均勻地懸浮于氣流當中，氣固快速混合且混合充分，固體物料隨氣流旋轉(zhuǎn)運行；由于懸浮態(tài)時氣、固之間的接觸面積極大，對流傳熱系統(tǒng)比較高，因此換熱速度極快，完成有效換熱的時間只需0.02～0.04s；而且，熱解氣固產(chǎn)物很容易實現(xiàn)分離，最終熱解油氣被排出，固體半焦被收集；

2、本發(fā)明中，利用多級強旋流熱解反應器的優(yōu)勢還在于，在單級強旋流熱解反應器內(nèi)部，固體物料與熱載體以氣固并流方式接觸換熱，而在多級強旋流熱解器的各級反應器之間的管道中，以氣固逆流方式接觸換熱，可延長固體燃料在逆流氣中的停留時間，使固體燃料有更充分的受熱過程，具有增強對流傳熱、提高燃料升溫速率的作用，且更有利于提高輕質(zhì)焦油的收率；

3、本發(fā)明中，由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱煙氣和熱解油氣作為氣體熱載體，為熱解反應過程提供熱量，無需外部供熱，提高了系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)負荷以及熱效率；

4、在本發(fā)明中，熱解反應器采用多級強旋流熱解反應器，原料煤在進入熱解器后，首先在第一級反應器中熱解，產(chǎn)生的熱解半焦進入第二級熱解反應器中繼續(xù)熱解，以此方式在多級的強旋流熱解反應器中反復熱解，從而得到潔凈的半焦產(chǎn)品；

5、利用強旋流熱解反應器，其爐內(nèi)容積熱強度較高，設計時可縮小爐內(nèi)體積，簡化系統(tǒng)結(jié)構；而且在熱解器中就可實現(xiàn)對油氣中飛灰顆粒的初步除塵；而且，對于熱解油氣中含塵高的重質(zhì)組分被直接送入鍋爐燃燒，因此，整個系統(tǒng)無需爐外除塵系統(tǒng)，可簡化后續(xù)凈化系統(tǒng)，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；

6、本發(fā)明中采用多級強旋流熱解反應器對固體燃料進行熱解，其中，強旋流熱解反應器級數(shù)的設計，可根據(jù)研究目的、目標產(chǎn)品的純度、以及熱煙氣在多級強旋流熱解反應器出口、入口的溫度來靈活決定。

綜上所述，本發(fā)明采用多級強旋流熱解反應器，并利用自身系統(tǒng)產(chǎn)生的熱煙氣作為氣體熱載體，為固體粉末燃料提供熱解所需熱量；而且利用強旋流熱解反應器自身的優(yōu)勢，可在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)固體物料與氣體熱載體的快速混合、物料的快速加熱及快速熱解、以及產(chǎn)物的快速分離，可簡化系統(tǒng)結(jié)構；最終獲得潔凈粉焦、輕質(zhì)焦油以及蒸汽。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的裝置與熱解方法的示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種生產(chǎn)粉焦和輕質(zhì)焦油的裝置與熱解方法的實施例示意圖；

附圖標識

1、多級強旋流熱解反應器；2、焦油捕集裝置；3、鍋爐；4、半焦冷卻裝置；5、半焦收集罐；6、料倉。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的裝置作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明涉及的主要裝置有：用于實現(xiàn)固體燃料熱解的多級強旋流熱解反應器1、用于獲得輕質(zhì)焦油的焦油捕集裝置2、用于提供熱解所需熱量以及獲得產(chǎn)物蒸汽的鍋爐3、用于將產(chǎn)物半焦冷卻并進行熱量回收的裝置4、用于獲得粉焦產(chǎn)品的半焦收集罐5、用于儲存固體物料的料倉6。

所述多級熱解反應器包括若干熱解反應器，除首級熱解反應器和末級熱解反應器外的熱解反應器的物料出口和下一級熱解反應器的熱解氣進口管道連接，其熱解氣進口和下一級熱解反應器的熱解氣出口連接，其熱解氣出口和上一級熱解反應器的熱解氣進口連接；所述末級熱解反應器的物料出口和所述半焦冷卻裝置連接，所述半焦冷卻裝置的物料出口和半焦收集罐連接。

上述裝置中，所述多級熱解反應器用于粉末固體燃料的熱解，產(chǎn)生熱解油氣以及熱解半焦；所述半焦冷卻裝置用于對產(chǎn)生的熱解半焦進行冷卻，并進行熱量回收；所述半焦收集罐用于收集由末級熱解反應器產(chǎn)生，并經(jīng)半焦冷卻裝置冷卻的粉末半焦產(chǎn)品。

所述多級熱解反應器的級數(shù)可以選擇3-6。

所述首級熱解反應器的熱解氣出口和焦油捕集裝置的氣體進口連接。所述焦油捕集系統(tǒng)用于捕集由多級強旋流熱解反應器生成的熱解油氣中的輕質(zhì)組分，獲得輕質(zhì)焦油。

請參見圖1，所述焦油捕集裝置的氣體出口和鍋爐連接，所述鍋爐的煙氣出口和所述末級熱解反應器的煙氣入口連接。所述鍋爐用于熱解油氣中重質(zhì)組分的燃燒，同時產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；其中，熱煙氣為固體燃料在多級熱解反應器中的熱解提供所需熱量。

請參見圖2，該裝置中也可以不設置焦油捕集裝置，此時所述首級熱解反應器的熱解氣出口和鍋爐連接，所述鍋爐的煙氣出口和所述末級熱解反應器的煙氣入口連接。所述鍋爐用于熱解油氣中重質(zhì)組分的燃燒，同時產(chǎn)生熱煙氣和蒸汽；其中，熱煙氣為固體燃料在多級熱解反應器中的熱解提供所需熱量。

如下為利用上述裝置進行輕質(zhì)焦油熱解的方法。

實施例1：熱解系統(tǒng)包括四級強旋流熱解反應器(圖中，n為4)

霍林河褐煤(粉煤)，在來自二級強旋流熱解器(1-2)的熱解油氣2和熱煙氣的作用下，被帶入一級強旋流熱解反應器(1-1)中，并在反應器中繼續(xù)與來自二級強旋流熱解器(1-2)的熱解油氣2混合、換熱，發(fā)生熱解反應，生成的熱解油氣1從一級反應器排出，熱解半焦1在來自三級反應器(1-3)的熱解油氣3的作用下被送入二級熱解器(1-2)；在二級熱解反應器(1-2)中繼續(xù)與來自三級反應器(1-3)的熱解油氣3混合換熱，繼續(xù)熱解，生成的熱解油氣2排出并進入熱解反應器(1-1)，產(chǎn)生的熱解半焦在來自四級反應器(1-4)的熱解油氣4的作用下被送入三級熱解器(1-3)；在三級熱解反應器(1-3)中，繼續(xù)與來自四級熱解器(1-4)的熱解油氣4混合、換熱以進行熱解，生成的熱解油氣3排出進入熱解反應器(1-2)，產(chǎn)生的熱解半焦在來自鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱煙氣作用下被送入四級熱解器(1-4)；在四級熱解器(1-4)中，繼續(xù)與來自鍋爐的熱煙氣混合換熱進行熱解反應，生成的熱解油氣4排出進入熱解反應器(1-3)，最終產(chǎn)物半焦4從四級強旋流熱解反應器底部排出，經(jīng)冷卻以及熱量回收，被半焦收集罐5收集；而最終由一級反應器(1-1)排出的熱解油氣1先經(jīng)焦油捕集裝置2捕集到熱解油氣1中的輕質(zhì)組分，獲得輕質(zhì)焦油；熱解油氣2中未被捕集的重質(zhì)組分進入鍋爐燃燒，生成熱煙氣和蒸汽產(chǎn)品，熱煙氣作為熱載體返回系統(tǒng)，由四級強旋流熱解反應器(1-4)進入反應系統(tǒng)，與熱解反應器中的固體物料混合、換熱以發(fā)生熱解反應；通過對霍林河褐煤粉煤的熱解，最終獲得了清潔的粉焦、輕質(zhì)焦油和蒸汽產(chǎn)品。

實施例2：熱解系統(tǒng)包括四級強旋流熱解反應器(圖中n為4)

本實施例，采用與實施例1相同的實驗方法與步驟，采用的固體燃料為神木果園煤，主要差別在于由一級強旋流熱解反應器(1-1)排出的熱解油氣1，全部進入進入鍋爐燃燒(如圖2所示)，以產(chǎn)生熱煙氣作為熱解的熱量，最終獲得潔凈粉焦和蒸汽。

實施例3：熱解系統(tǒng)包括六級強旋流熱解反應器(圖中n為6)

本實施例，采用與實施例1相同的實驗方法與步驟，采用的固體燃料為鄂爾多斯煙煤，主要差別在于本實施例采用的多級強旋流熱解反應器為六級。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。