一种重质有机质热解反应釜和热解装置的制作方法

本发明属于重质有机质解热技术领域，具体涉及一种重质有机质热解反应釜，同时还涉及一种采用上述重质有机质热解反应釜的重质有机质热解装置。

背景技术：

重质有机质是地球上重要的资源，包括煤、生物质、重油、沥青及有机固体废弃物等。这些重质有机质的主体是有机大分子，具有高度的非均相性，常温下难溶于常规溶剂，基本的利用途径是通过热解聚和各类分离技术，使其大分子转化为制备各种化工产品的小分子中间体，相关的工艺研发涉及热解、热萃取、热滤及分馏等技术元素，相关的设备涉及各类高压反应釜、萃取装置及蒸馏装置。

重质有机质的热解产物是气液固三相混合物，在反应温度下粘度低、易于溶解、萃取和过滤，但在常温下三相混合固化或半固化在一起，难于分离，且产生的挥发性组分，降温到常温下再进行蒸馏，各个单元技术分开实施，效率低且效果差。

如现有技术中，CN105038831A公开了一种提高煤与生物质混合热解焦油产率的装置，包括热解炉管，热解炉管设于壳体中，热解炉管的管外设有加热器，热解炉管的底部连接有残渣收集器，顶端连接有螺旋给料器，热解炉管的一侧设有气体预热器，气体预热器经进气管与热解炉管连接；热解炉管的上部经出气管连接有气固分离器，气固分离器经导气管连接有一级冷凝器，一级冷凝器一端经导气管连接有二级冷凝器，二级冷凝器一端连接有干燥分离器，其中一级冷凝器和二级冷凝器的下方连接有焦油收集器。该装置对热解产生的气体进行了气固分离和分级冷凝，具有良好的效果；但是，热解后的固液两相混合物没有进行分离，都进入了残渣收集器，需要进一步处理，使用不便。

CN103194252B公开了一种低温快速萃取法分离高温煤焦油组分的成套设备，包括两个釜、四个罐，分别是煤焦油萃取釜、轻油溶液缓冲罐、过滤罐、精制轻油溶液缓冲罐、蒸馏釜和溶剂储罐；其中，煤焦油萃取釜中右下侧部轻油溶液出料口与轻油溶液缓冲罐左上部的入料口的管路相连，轻油溶液缓冲罐右下部的出料口与过滤罐上盖的轻油溶液入料口的管路相连，过滤罐下部的精制轻油溶液出料口与精制轻油溶液缓冲罐上部的精制轻油溶液入料口的管路相连；所述的过滤罐包括一个耐压釜体，耐压釜体上盖设有轻油溶液入料口、第三压缩氮气入口、压力表、第三尾气放散口，耐压釜体内部设有镶嵌过滤膜网眼的过滤板，耐压釜体下部设有精制轻油溶液出料口。该成套设备采用设置在过滤罐中的过滤板对轻油溶液进行过滤得到精制轻油溶液；但是，过滤罐与煤焦油萃取釜、轻油溶液缓冲罐分开设置，占地面积大，设备投入较大。

CN204544144U公开了一种带有微孔过滤装置的热溶釜，包括热溶釜釜体，设置于热溶釜釜体中的冷却盘管和蒸汽加热管；所述热溶釜釜体中设置有搅拌转轴，搅拌转轴上设置有3个搅拌叶浆；所述热溶釜釜体底部增加有用于过滤活性炭的微孔过滤装置，微孔过滤装置与热溶釜釜体内壁相配合。该装置直接将微孔过滤装置设置在热溶釜内，用于过滤活性炭，设备投入小，占地面积小；但是，该装置中出液口只能设置在热溶釜的底部，在重力作用下热溶的残渣很容易随之排出，分离精度不高；残渣被拦截在微孔过滤装置上，不方便取出，同时该微孔过滤装置一旦堵塞，清洗和更换不便。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种重质有机质热解反应釜，直接在釜内实现固液分离，过滤装置更换方便，可拆卸下来清洗，且分离精度高。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述重质有机质热解反应釜的重质有机质热解装置。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种重质有机质热解反应釜，包括釜体，所述釜体上连接有液体收集管，所述液体收集管的一端伸入釜底，液体收集管上设有用于固液分离的过滤装置。

优选的，液体收集管伸入釜底一端设有用于固液分离的过滤装置。

本发明的重质有机质热解反应釜使用时，在热态下釜体内的液体在釜内压力的作用下，经过液体收集管上的过滤装置过滤后从液体收集管排出热解反应釜，实现釜内液体与固体的热态分离；固体物质由于重力作用沉降至釜底，不易堵塞过滤装置，过滤精度高；过滤装置与固液分离管可拆卸连接，堵塞时只需更换过滤装置即可。

所述过滤装置为设置在液体收集管伸入釜底一端末端的过滤头。所述过滤头与固液分离管可拆卸连接，安装与更换更加方便。

所述釜体内衬有石英内衬。所述石英内衬为石英衬管。石英内衬耐腐蚀。所述过滤头为金属材料，耐高压、耐腐蚀。

所述釜体内设有用于放置热电偶的热电偶套管，釜体外围设有加热套。在热电偶套管中插入热电偶，用来测定和控制釜体内物料的温度。

所述釜体包括釜体本体和釜盖，釜体本体与釜盖可拆卸连接。釜体本体与釜盖连接处采用开环式密封，耐高压和高温。液体收集管及热电偶套管连接在釜盖上；釜盖上还设有至少三个管口，分别为进口、气体出口和排空口，用于物料的加入和气体的充放；工作条件下的气态产物，即挥发分产物，从釜体上部排出。与釜盖上设置的管口相连接的管道上，在靠近釜体处均设有开关阀。

釜盖上还设有用于测量釜体内压力的压力表。

釜体设有搅拌装置；搅拌装置的搅拌浆上安装有三个搅拌叶轮，适合于高径比大的釜体。优选的，该热解反应釜为不锈钢2520材料制成。

一种重质有机质热解装置，包括所述的热解反应釜，所述液体收集管远离釜体的一端连接有液体收集罐。

液体收集罐用于收集固液分离后的液体产物。

所述热解反应釜上设有进口和气体出口，所述气体出口连接冷凝管路，所述冷凝管路依次串接有一级冷凝器和二级冷凝器。

热解反应釜的气体出口依次连接一级、二级冷凝器，热解反应釜内产生的气体经气体出口依次进入两级冷凝器进行冷凝，两级冷凝的温度无级可调，即可得到具有不同沸点范围的馏分；该热解装置实现了重质有机质产物混合物在反应温度下的气液分离、固液分离及液体产物的收集、气体产物的级冷分馏收集，集成度高，占地面积小，使用方便。

所述冷凝管路的末端连接有冷阱。所述冷凝管路上在冷阱之前连接有检测支路，检测支路的末端可连接检测装置，如气相色谱仪、质谱仪或光谱仪等，用于在反应条件下实现气体产物的在线分析。所述检测支路上设有取样阀。

所述一级冷凝器和二级冷凝器的液体出口分别连接有冷凝收集罐。冷凝收集罐用于收集气体产物冷凝部分。

热解反应釜的进口连接进口管路的一端，进口管路的另一端用于连接供气装置。所述进口管路上设有减压阀和流量计；冷凝管路上在二级冷凝器之后设有背压阀，可以实现一定压力条件下的间歇式或连续式操作。供气装置可形成高压流动气路，实现高压连续流动反应体系的运行。

所述的重质有机质热解装置，还包括溶剂罐，还包括溶剂罐，所述进口管路上设有切换阀装置，所述切换阀装置具有至少四个管口，其中两个管口连接在进口管路上，另两个管口分别连接溶剂罐的进气口和出液口，该出液口在溶剂罐内部设有深入底部的出液管；切换阀装置用于切换使气体沿进口管路直接进入热解反应釜，或使气体进入溶剂罐将其内部液体沿进口管路压入热解反应釜。

通过切换阀装置的切换，在压力差的存在下，将溶剂从溶剂罐压入热解反应釜中，即可以在反应时补充一定的溶剂。所述溶剂罐置在天平上，通过天平测量出补充的溶剂量。

优选的，所述切换阀装置为四通阀。所述切换阀装置还可以为本领域中其他可实现切换功能的阀组件。

通过切换阀装置的设置，采用同一条进口管路即可实现气体和液体进料，不需要分别设置气体、液体进口管路和进口管口，设备更紧凑；采用气体将溶剂罐中的液体压入热解反应釜，省去了液体进料的驱动装置，而此处所用的只是气体的压力，气体本身并不损失；只调节切换阀装置即可实现气体/液体进料的切换，当热解反应釜需要连续或多次交替重复进料时，操作简单，易于实现自动化控制。

本发明的重质有机质热解装置，为耦合热解聚、热萃取、热溶滤、分馏多种技术元素的成套装置，其中热解反应釜集热解聚、热萃取及热溶滤的功能于一体，均在反应温度下进行；反应温度下的挥发分产物用较少的设备直接实现多级冷却分馏，不需要降到常温就可直接进行分离；挥发分产物直接级冷分离为不同温度段的馏分，且通过级冷温度调节得到不同温度段的馏分进而进行各馏分组成的调控。该热解装置可以对煤/沥青/生物质及由煤/沥青/生物质衍生的固体有机质混合物进行热溶萃取、热态过滤、解聚合、级冷分离等多个单元技术的耦合进行操作，可以进行重质有机质利用方面的生产和利用相关方面的热力学、动力学、工艺等的实验研究工作，减少相关操作的工作量，提高了效率。该装置集成度高，具有结构简单、占地面积小、控温好、反应及分离充分、重复性好等优点，适合推广使用。

附图说明

图1为实施例1的重质有机质热解反应釜的结构示意图；

图2为实施例2的重质有机质热解装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的重质有机质热解反应釜，如图1所示，包括釜体1，所述釜体1包括釜体本体1-1和釜盖1-2，釜体本体1-1与釜盖1-2可拆卸连接，即将U型开环13套在法兰边上并采用密封螺钉15与垫片14紧固，实现开环密封。

所述釜盖1-2上连接有液体收集管2，所述液体收集管2的一端伸入釜内底部并连接有用于固液分离的过滤头3，液体收集管2的另一端伸出釜体外，靠近釜体1设有第一开关阀19；

所述釜体本体1-1内衬有石英内衬4，所述石英内衬4采用石英衬管的形式，耐高温并耐腐蚀；釜体本体1-1外围设有加热套5；所述釜体1内设有用于放置热电偶的热电偶套管7，热电偶套管7安装在釜盖1-2上，用于放置热电偶测定和控制釜体内物料的温度；

所述釜盖1-2上还设有进口17、气体出口18和排空口16，所述进口17连接有进口管路，进口管路的一端伸入釜体1内的中部以下；进口管路上在釜体外靠近釜体1设有第二开关阀22，排空口16处设有第三开关阀21；气体出口18连接冷凝管路，冷凝管路上靠近釜体设有第四开关阀20；

所述釜体1还设有搅拌装置，所述搅拌装置包括电机10、旋转轴8和搅拌轴6，所述电机10与旋转轴8通过皮带11传动，搅拌轴6位于釜体1内，间隔设置有三个搅拌叶轮9；旋转轴8与搅拌轴6在釜体外的连接处设有用于冷却的冷却槽12。

该热解反应釜为不锈钢2520材料制成，所述过滤头为金属材料；该热解反应釜，反应压力在0-10MPa，可调；温度在室温-600℃，可调，可程序控制；釜体容积(石英衬管体积)为1L；搅拌装置的搅拌速度为0-1000r/min，可调。

本实施例的重质有机质热解反应釜，使用时，在热态下釜体内的液体在釜内压力的作用下，经过滤头过滤后进入液体收集管排出热解反应釜并收集，实现釜内液体与固体的热态分离；固体物质由于重力作用沉降至釜底，不易堵塞过滤头，过滤精度高；过滤头与固液分离管可拆卸连接，过滤头堵塞时，只需更换过滤头即可，使用方便。

在本发明的重质有机质热解反应釜的其他实施例中，过滤装置还可以设置在液体收集管的其他位置，如釜体的中部或釜盖处等，只要液体收集管的一端伸入釜内底部，在热态下釜体内的液体在釜内压力的作用下进入液体收集管并被过滤装置过滤，实现固液分离，都是可行的。

实施例2

本实施例的重质有机质热解装置，如图2所示，包括实施例1所述的热解反应釜，所述液体收集管2远离釜体1的一端连接有液体收集罐23，用于收集固液分离后的液体产物；液体收集罐23的顶部设有泄压阀24；

所述热解反应釜的釜体1上的气体出口18连接冷凝管路；冷凝管路上沿气体流动方向，依次串接有一级冷凝器25和二级冷凝器26，在二级冷凝器26的后方设有背压阀31，冷凝管路的末端用于连接玻璃冷阱；冷凝管路上，在二级冷凝器26与背压阀3之间设有检测支路，检测支路上设有取样阀32，检测支路的末端用于连接检测装置，如气相色谱仪、质谱仪或光谱仪等，用于在反应条件下实现气体产物的在线分析；

所述一级冷凝器25和二级冷凝器26的液体出口分别连接有第一冷凝收集罐27、第二冷凝收集罐28，用于收集气体产物冷凝部分；一级、二级冷凝器与冷凝收集管连接的管路上均设有开关阀；一级冷凝器25和二级冷凝器26分别设有第一控温仪29、第二控温仪30，两级冷凝的温度无极可调；

釜体1的进口17连接进口管路40的一端，进口管路40的另一端用于连接供气装置(钢瓶)；沿气体流动方法，进口管路上依次设有减压阀39、单向阀38、流量计36和四通阀33；所述流量计36设有旁路，旁路上设有第五开关阀37；

该重质有机质热解装置还包括溶剂罐34，所述四通阀33的两个管口连接在进口管路40上，另两个管口分别连接溶剂罐34的进气口和出液口，该出液口在溶剂罐34内部设有深入底部的出液管41；四通阀33用于切换使气体沿进口管路直接进入热解反应釜，或使气体进入溶剂罐34将其内部液体沿进口管路压入热解反应釜；所述溶剂罐34置在天平35上，通过天平测量出补充的溶剂量。

本实施例的重质有机质热解装置中，一级冷凝器的温度为200-500℃(最大温度600℃)；二级冷凝器的温度为100-500℃(最大温度600℃)；溶剂罐体积1000ml，液体收集罐体积500ml，一级冷凝器体积500ml，二级冷凝器体积500ml，第一冷凝收集罐体积500ml，第二冷凝收集罐体积500ml；天平称重量程0-5kg，精度为0.1g。

本实施例的重质有机质热解装置，还配备有智能控制装置，对气体流量、搅拌转速。釜体内反应温度及两级冷凝器温度等参数进行实时控制，具有精确度高、操作简便等特点。

本实施例的重质有机质热解装置，使用时的操作过程如下：

(1)准备工作：

i.气路初始状态：关闭靠近釜体的四个开关阀(第一开关阀19、第二开关阀22、第三开关阀21、第四开关阀20)，旋松减压阀39，关闭流量计36旁路的第五开关阀37，并将四通阀33的状态切换至气路不经过溶剂罐34，直接连接热解反应釜的釜体1；关死背压阀31，并关闭取样阀32，同时关闭一级冷凝器25、二级冷凝器26分别与冷凝收集罐连接管路上的开关阀；

ii.准备反应物料：热解反应釜的釜体本体1-1内添加反应物料，包括煤(沥青或其他重质有机质)、容积、催化剂等，盖上釜盖1-2，拧紧密封螺钉15实现开环密封；

iii.充气：打开供气装置(钢瓶)，旋转减压阀39至供气装置出口压力达到要求的反应压力；打开靠近釜体1的第二开关阀22，至釜体内压力达到反应压力为止，关闭第二开关阀22；在充气过程中，也可以将热解反应釜的进口压力增大，这样有利于气体更快的进入釜体内；

(2)以煤的热溶热解为例，打开控制装置，控制搅拌装置的搅拌速率，同时设置热解反应釜的温度程序，至达到最终的反应温度；

(3)设置一级冷凝器25和二级冷凝器26的温度，使冷凝温度达到设定温度；

(4)气体产物的冷凝与分离：当设定的热溶/解聚合/萃取时间到达后，打开第四开关阀20，缓慢旋转背压阀31至背压阀出口有一定流量的气体逸出(10-100ml/min)，气体产物在两级冷凝器中进行冷凝；随着反应压力的降低，逐渐旋松背压阀31，保证出口气体流量大致相同；当反应压力下降至常压时，完全旋松背压阀31，一段时间后，关闭第四开关阀20；

(5)气体产物冷凝后的液体收集：打开一级冷凝器25和二级冷凝器26分别与冷凝收集罐连接的开关阀，即可得到具有不同沸点范围的液体馏分，在收集完全后关闭所述开关阀；通过调整两级冷凝的温度可得到实验温度范围内任意温度段的馏分产品。

(6)液体产物的收集：在液体气体产物前，要先将热解反应釜进行充压，该过程可参考反应前的充压过程，即打开第二开关阀22，待热解反应釜内压力达到一定压力后再关闭第二开关阀22；打开第一开关阀19，在热解反应釜内高压气体的作用下，液体将通过液体收集管2末端的过滤头3压入到液体收集罐内，留下固体残留物，后关闭第一开关阀19；待大部分液体进入液体收集罐后，打开液体收集罐上的泄压阀24进行泄压，有利于产物的取出；

(7)补充溶剂：在补充溶剂前，需要将热解反应釜内压力卸去，保证安全操作，即打开釜体上方的第三开关阀21进行泄压后再关上该第三开关阀21；打开进口管路上的第二开关阀22，同时将四通阀33的状态切换至气路经过溶剂罐34，在压力作用下将溶剂罐34内的溶剂压入热解反应釜的釜体1中，并通过天平35测量出补充的溶剂量；待溶剂补充完毕后切换四通阀33的状态至气路不经过溶剂罐34；

(8)溶剂清洗釜内残留物：在搅拌装置的作用下，进一步的将釜体1内的固体残留物和剩下得液体产物进行清洗；

(9)重复液体产物的收集步骤，将液体产物进行进一步收集，多次溶剂清洗和液体产物收集后，即可将固体残留物清洗干净，并得到尽可能多的液体产物；对于煤/沥青/生物质及由煤/沥青/生物质衍生的固体有机质混合物的热溶热滤和热解聚，最终可得到无灰分或低灰分的半焦溶液，反应温度下为溶液，降温后看而进一步处理得到无灰分或低灰分的半焦。最后釜体内得残渣是反应温度下也不溶解的灰分、矿物质和少量残碳。

本实施例的重质有机质热解装置中，在冷凝管路的末端，在背压阀31后用玻璃冷阱冷凝到室温收集剩余馏分。如需实现连续流动反应过程，将减压阀39和背压阀31均调节到一定的开度，设计流量计36为一定流量，并关闭流量计旁路的第五开关阀；例如当反应压力要设置为2MPa，将减压阀39出口压力调节至比反应压力略大，如2.1MPa，调节背压阀31至反应压力保持不变(不增大也不减小)，同时流量计36示数保持稳定，这是气体将经过热解反应釜实现连续流动。

本实施例的重质有机质热解装置，为耦合热解聚、热萃取、热溶滤、分馏多种技术元素的成套装置，其中热解反应釜集热解聚、热萃取及热溶滤的功能于一体，均在反应温度下进行；反应温度下的挥发分产物用较少的设备直接实现多级冷却分馏，不需要降到常温就可直接进行分离；挥发分产物直接级冷分离为不同温度段的馏分，且通过级冷温度调节得到不同温度段的馏分进而进行各馏分组成的调控。该热解装置可以对煤/沥青/生物质及由煤/沥青/生物质衍生的固体有机质混合物进行热溶萃取剂热态过滤、解聚合、级冷分离等多个单元技术耦合进行操作，可以进行重质有机质利用方面的生产和利用相关方面的热力学、动力学、工艺等的实验研究工作，减少相关操作的工作量，提高了效率；可以实现一定压力条件下的间歇式或连续式操作，供气装置可形成高压流动气路，实现高压连续流动反应体系的运行，使用方便。该装置集成度高，具有结构简单、占地面积小、控温好、反应及分离充分、重复性好等优点，适合推广使用。

采用实施例2所述的重质有机质热解装置进行重质有机质的热解，具体如下：

实验例1：煤的热态解聚、萃取及过滤

气肥煤破碎研磨至过200目筛，室温下真空干燥24h以上，作为实验用的重质有机质原料，称取该重质有机质原料100g、与质量配比为1︰1的洗油和脱晶一蒽油混和溶剂500g加入热解反应釜中，反应釜温度为500℃、压力5MPa、反应时间45min，进行2次试验的级冷温度分别控制为350℃、150℃和250℃、100℃，按照实施例2的操作过程，实验结果扣除回收的溶剂，再结合差减计算获得各部分产率如下：半焦收率57.34％，其中干基灰分产含量0.24％；剩余残渣14.2％，其中碳含量4.0％；液态产物收率24.89％，其中＞350℃、350-250℃、250-150℃、150-100℃、100℃以下馏分的收率5.10％、5.31％、4.30％、5.54％、4.64％。

实验例2：沥青的热态解聚、萃取及过滤

高温沥青破碎研磨至过200目筛，室温下真空干燥24h以上，作为实验用的重质有机质原料，称取该重质有机质原料100g、与质量配比为1︰1的洗油和脱晶一蒽油混和溶剂500g加入热解反应釜中，反应釜温度为500℃、压力5MPa、反应时间45min，进行2次试验的级冷温度分别控制为400℃、200℃和350℃、150℃，按照实施例2的操作过程，实验结果扣除回收的溶剂，再结合差减计算获得各部分产率如下：沥青质收率21.34％，其中干基灰分产含量0.10％；剩余残渣2.20％，其中碳含量4.0％；液态产物收率74.39％，其中＞400℃、400-350℃、350-200℃、250-150℃、100℃以下馏分的收率23.10％、27.31％、14.30％、4.54％、5.14％。

实施例3：生物质的热态解聚、萃取及过滤

提取大豆蛋白和多糖后的大豆纤维残渣，空气干燥，破碎研磨至过200目筛，室温下真空干燥24h以上，作为实验用的重质有机质原料，称取该重质有机质原料50g、与质量配比为1︰1的洗油和脱晶一蒽油混和溶剂500g，反应釜温度为450℃、压力5MPa、反应时间45min，进行2次试验的级冷温度分别控制为350℃、150℃和250℃、100℃，按照实施例2的操作过程，实验结果扣除回收的溶剂，再结合差减计算获得各部分产率如下：半焦收率27.34％，其中干基灰分产含量0.10％；剩余残渣7.2％，其中碳含量6.0％；液态产物收率60.89％，其中＞350℃、350-250℃、250-150℃、150-100℃、100℃以下馏分的收率11.10％、15.31％、14.30％、15.54％、4.64％。