生物质与煤共热解反应器的制作方法

本实用新型涉及化工、能源技术领域，尤其是涉及一种生物质与煤共热解反应器。

背景技术：

煤炭是世界上探明储量最为丰富的常规资源之一。作为世界上最大的煤炭生产和消费国，我国的能源结构特点是富煤、贫油、少气。煤炭的清洁高效利用是国民生产的迫切需求。

同时，我国生物质资源也非常丰富，每年仅农作物秸秆、薪柴、动物粪便和生活垃圾等四类生物质原料的产量就相当于7.8亿toe(Ton Oil Equivalent的简称，吨油当量)，比我国2000年总能源消耗量的50％还多。生物质作为唯一可以储存和运输的可再生能源之一，其在全球产量巨大，分布广泛，受地域限制较小，可以再生。随着世界各国对能源节约、环境保护和全球气候变化等问题的重视，使得可再生能源在能源发展中的战略地位更加突出，将生物质转换为高品位的气体和液体燃料已引起了世界各国的高度重视。

相对于煤炭燃烧、气化、液化工艺，快速热解将煤转化成固态、液态和气态产品，是实现煤清洁利用的重要方法，也是将生物质转化为液态燃料及气体的一种重要途径。煤是一种贫氢物质，热解收率低，因此，在对煤热解过程中通常要采用外加氢气化的方式提高煤的转化率，但是一般外加纯氢的生产成本较高，寻找一种廉价的氢源成为研究的热点。生物质作为一种富氢物质，不仅热解温度低于煤热解温度，先于煤发生热解，而且富产氢气，可以作为煤热解的供氢源，生物油收率高，但氧含量高。为了克服两者单独热解不足，将煤与生物质共热解气化，能将两者热解气化过程有效的结合起来，优势充分发挥，降低成产成本，提高目标产品收率。

目前，从加热方式来看，国内外现有热解工艺多采用瓷球以及热解产物半焦作为固体热载体，或产物半焦气化后的煤气作为气体热载体等加热方式。这种加热方式涉及到热载体的加热、分离等过程，导致系统工艺流程长，系统故障率较高。半焦、瓷球等固体热载体严重影响了热解炉装置的处理能力，煤气等气体热载体预热也存在较大安全隐患。

从反应器类型角度来看，多数采用热天平、固定床、流化床、气流床等对生物质与煤共热解进行研究。根据反应器类型的不同，大致可分为慢速热解及快速热解两种类型，但研究结果鲜少表明两者之间存在协同作用，主要原因是生物质与煤热解的温度区间几乎没有重叠，相差100℃以上。对于在热天平和固定床上进行的慢速热解反应而言，当煤开始热解时，生物质已基本热解完全，生物质中富余的氢不能有效为煤热解使用，导致很难发生协同作用；而对于在流化床或气流床上进行的快速热解而言，快的加热速率会缩小两者热解温差，但由于两者密度差及气流作用，生物质中的富氢也不易转移到煤热解油气中，协同作用亦不明显。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种生物质与煤共热解反应器，生物质和煤热解的协同作用更好。

根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器，包括：反应器本体，所述反应器本体包括彼此连通的生物质热解筒体和煤热解筒体，所述生物质热解筒体连接在所述煤热解筒体的下方，且所述生物质热解筒体的横截面积小于所述煤热解筒体的横截面积，所述生物质热解筒体的底部设有提升气体入口，所述煤热解产生的气体适于通过所述提升气体入口进入到所述反应器本体内，所述煤热解筒体的顶部设有产物出口，所述生物质热解筒体的侧壁上设有至少一个生物质给料口，所述煤热解筒体的侧壁上设有至少一个煤给料口，所述生物质热解筒体和所述煤热解筒体内均设有间隔设置的多个蓄热式辐射管。

根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器，通过设置使生物质热解筒体连接在煤热解筒体的下方，且使生物质热解筒体的横截面积小于煤热解筒体的横截面积，生物质中的富氢可以容易地转移到煤热解筒体的油气中，保证了生物质和煤热解达到协同作用，且协同作用明显。而且，通过在生物质热解筒体和煤热解筒体内分别布置间隔设置的多个蓄热式辐射管，与传统的采用瓷球以及热解产物半焦作为固体热载体、或产物半焦气化后的煤气作为气体热载体等加热方式相比，工艺流程简单、系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热、分离过程，降低了系统的故障率。另外，通过采用煤热解产生的气体作为提升气体，无需将提升气体从热解后的产物中分离。

根据本实用新型的一些实施例，每个所述蓄热式辐射管的两端分别设有燃烧器，每个所述蓄热式辐射管的所述两端的所述燃烧器交替进行燃烧。

根据本实用新型的一些实施例，所述生物质热解筒体内的所述蓄热式辐射管的温度为350℃～550℃，所述煤热解筒体内的所述蓄热式辐射管的温度为650℃～950℃。

根据本实用新型的一些实施例，每个所述蓄热式辐射管上的温度差不高于40℃。

根据本实用新型的一些实施例，所述生物质给料口与所述生物质热解筒体底部之间的距离占所述生物质热解筒体高度的1/6～1/4；所述煤给料口与所述煤热解筒体底部之间的距离占所述煤热解筒体高度的1/6～1/4。

根据本实用新型的一些实施例，所述生物质热解筒体的直径为所述煤热解筒体的直径的20％～50％。

根据本实用新型的一些实施例，所述生物质热解筒体的高度为所述煤热解筒体的高度的30％～80％。

根据本实用新型的一些实施例，所述生物质与所述煤的进料流率比在1:6～1:1之间。

根据本实用新型的一些实施例，多个所述蓄热式辐射管在横向和纵向上分别等间距水平排布在所述反应器本体内。

根据本实用新型的一些实施例，当所述反应器本体在常压下操作时，所述反应器本体的横截面形状为方形或圆形；或当所述反应器本体在高压下操作时，所述反应器本体的横截面形状为圆形。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器的示意图。

附图标记：

100：生物质与煤共热解反应器；

1：生物质热解筒体；11：提升气体入口；12：生物质给料口；

2：煤热解筒体；21：产物出口；22：煤给料口；

3：蓄热式辐射管。

具体实施方式

下面参考图1描述根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器100。

如图1所示，根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器100，包括反应器本体。

具体而言，反应器本体包括彼此连通的生物质热解筒体1和煤热解筒体2。例如，在图1的示例中，生物质热解筒体1和煤热解筒体2可以同轴布置且均沿竖直方向延伸，生物质热解筒体1和煤热解筒体2内部连通。

生物质热解筒体1的侧壁上设有至少一个生物质给料口12，生物质例如农作物秸秆、薪柴、动物粪便和生活垃圾等可以通过生物质给料口12进入到生物质热解筒体1内。煤热解筒体2的侧壁上设有至少一个煤给料口22，煤例如非黏结性煤、弱黏结性煤、强黏结性煤等可以通过煤给料口22进入到煤热解筒体2内。

生物质热解筒体1和煤热解筒体2内均设有间隔设置的多个蓄热式辐射管3。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。蓄热式辐射管3为生物质与煤共热解反应器100中的热解反应提供热源。当多个蓄热式辐射管3工作时，可以将生物质热解筒体1和煤热解筒体2内的生物质和煤分别进行热解。而且，通过在生物质热解筒体1和煤热解筒体2内分别布置间隔设置的多个蓄热式辐射管3，可单独为反应器本体中的煤和生物质提供热源，没有热载体和机械转动装置，工艺流程简单、系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热、分离过程，降低了系统的故障率，而且，可以使生物质和煤受热均匀，从而可以使得到的产物质量均匀，同时保证了热解产物的产率。煤热解筒体2的顶部设有产物出口21，热解后得到的产物通过产物出口21排出。

生物质热解筒体1连接在煤热解筒体2的下方，且生物质热解筒体1的横截面积小于煤热解筒体2的横截面积。由此，通过将生物质热解筒体1布置在煤热解筒体2的下方，生物质热解过程中产生的富氢可以容易地向上转移到煤热解筒体2内，并有效地为煤热解筒体2内的煤热解使用，协同作用明显。而且，通过设置使生物质热解筒体1的横截面积小于煤热解筒体2的横截面积，可以有效保证生物质与煤热解达到协同作用，具体地，例如，由于生物质热解筒体1的横截面积小于煤热解筒体2的横截面积，这样，生物质热解过程中产生的氢会先在空间相对较小的生物质热解筒体1内聚集，从而形成富含氢的气体，进而当这些富含氢的气体在进入到煤热解筒体2的底部时仍然保持在富含氢的状态。

生物质热解筒体1的底部设有提升气体入口11，煤热解产生的气体适于通过提升气体入口11进入到反应器本体内。由此，通过在生物质热解筒体1的底部设置提升气体入口11并使煤热解产生的气体作为提升气体，当提升气体首先进入到生物质热解筒体1内后，生物质可以在提升气体的作用下在生物质热解筒体1内流动，从而可以更好地发生热解反应，生成油气；当油气在提升气体的作用下进入煤热解筒体2的底部，可以为煤热解筒体2内的煤提供所需的富氢环境，且煤可以在提升气体的作用下在煤热解筒体2内流动，从而更好地发生热解反应。而且，通过采用煤自身热解的产物作为提升气体重新参与到煤热解过程中，无需将其单独分离。

由此，通过将生物质的热解与煤的热解集成在一个反应器本体的不同区域(即生物质热解筒体1和煤热解筒体2)进行，通过控制提升气体流量，调控生物质和煤粉的停留时间，使得煤热解迅速在生物质热解气氛下热解完全，将生物质中的富氢有效地转移到煤中，提高煤热解转化率以及目标产品收率。

根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器100，通过设置使生物质热解筒体1连接在煤热解筒体2的下方，且使生物质热解筒体1的横截面积小于煤热解筒体2的横截面积，生物质中的富氢可以容易地转移到煤热解筒体2的油气中，保证了生物质和煤热解达到协同作用，且协同作用明显。而且，通过在生物质热解筒体1和煤热解筒体2内分别布置间隔设置的多个蓄热式辐射管3，与传统的采用瓷球以及热解产物半焦作为固体热载体、或产物半焦气化后的煤气作为气体热载体等加热方式相比，工艺流程简单、系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热、分离过程，降低了系统的故障率。另外，通过采用煤热解产生的气体作为提升气体，无需将提升气体从热解后的产物中分离。

根据本实用新型的一些实施例，每个蓄热式辐射管3的两端分别设有燃烧器，每个蓄热式辐射管3的两端的燃烧器交替进行燃烧。具体地讲，例如，蓄热式辐射管3在其管体两端分别设置有燃烧器，在蓄热式辐射管3的一端的燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时形成温度梯度，即从燃烧器向外温度逐渐降低。类似地，在蓄热式辐射管3的另一端的燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时也形成温度梯度。当蓄热式辐射管3两端的燃烧器交替进行燃烧时，所形成的两个温度梯度叠加，从而使得整个蓄热式辐射管3整体温度分布均匀，进而可以使得整个生物质热解筒体1和煤热解筒体2内的反应物料受热均匀。

进一步地，每个蓄热式辐射管3上的温度差不高于40℃。此时每个蓄热式辐射管3上的最高温度与最低温度之差小于等于40℃。由此，如果每个蓄热式辐射管3上的温度差大于40℃，此时每个蓄热式辐射管3上的温差相对较大，从而可能出现生物质热解筒体1或煤热解筒体2内的反应物料受热不均匀的现象，换言之，通过设置使每个蓄热式辐射管3上的温度差不高于40℃，可以有效保证生物质热解筒体1和煤热解筒体2内反应物料受热均匀。

可选地，生物质热解筒体1内的蓄热式辐射管3的温度为350℃～550℃(包括端点值)，煤热解筒体2内的蓄热式辐射管3的温度为650℃～950℃(包括端点值)。由此，可以保证生物质和煤热解达到协同作用。具体地，此时采用分段控温的方法，在同一时间分别达到生物质和煤热解的最佳温度，使得生物质中的富氢有效转移到煤中，从而煤热解可以在生物质热解气氛下热解完全，进而提高了煤热解转化率以及目标产品收率。

根据本实用新型的一些实施例，参照图1，生物质给料口12设在生物质热解筒体1的下部，煤给料口22设在煤热解筒体2的下部。由此，通过将生物质给料口12布置在生物质热解筒体1的下部，使得生物质可以在生物质热解筒体1内充分热解后，在提升气体的作用下向上流动到煤热解筒体2内，从而保证了生物质的热解效果，同时也为煤热解提供了良好的富氢环境。通过将煤给料口22布置在煤热解筒体2的下部，从煤给料口22新进入的煤可以与下方由提升气体提升起来的生物质热解产生的油气更好地混合，从而可以为煤热解提供所需的富氢环境。

进一步可选地，生物质给料口12与生物质热解筒体1底部之间的距离占生物质热解筒体1高度的1/6～1/4(包括端点值)，煤给料口22与煤热解筒体2底部之间的距离占煤热解筒体2高度的1/6～1/4(包括端点值)。

图1中显示了两个生物质给料口12和两个煤给料口22用于示例说明的目的，但是普通技术人员在阅读了下面的技术方案之后、显然可以理解将该方案应用到三个或者更多个生物质给料口12和煤给料口22的技术方案中，这也落入本实用新型的保护范围之内。

具体地，例如，在图1的示例中，生物质热解筒体1的两侧分别设置有一个生物质给料口12，煤热解筒体2的两侧分别设置有一个煤给料口22。进一步地，两个生物质给料口12可以沿生物质热解筒体1的径向相对，两个煤给料口22可以沿煤热解筒体2的径向相对。

可选地，生物质给料口12和煤给料口22分别为螺旋给料口。此时生物质给料口12和煤给料口22处可以分别设有螺旋给料机构，以将反应物料分别螺旋输送至对应的给料口(即上述的生物质给料口12和煤给料口22)。但不限于此。

根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器100的操作过程如下：

将干燥、预热后的温度为100℃～270℃、其中粒度80％小于10mm和6mm以下的生物质和煤分别经生物质给料口12和煤给料口22进入生物质热解筒体1和煤热解筒体2。向生物质热解筒体1底部的提升气体入口11通入提升气体，其中，提升气体为煤热解产生的气体。生物质在提升气体的作用下在生物质热解筒体1内流动，并在2～8s内被生物质热解筒体1内的蓄热式辐射管3加热至350℃～550℃，发生热解反应，生成油气。该油气在提升气体的作用下，进入煤热解筒体2的底部，并与来自煤热解筒体2底部的煤给料口22的煤混合，为煤热解提供所需的富氢环境。煤热解筒体2底部的煤在富氢的环境下，受到提升气体的作用，在煤热解筒体2内流动，在3～10s内被辐射管加热至650℃～950℃，发生热解反应，产生气态、液态产物以及固体半焦。上述产物同时沿煤热解筒体2向上流动，并从煤热解筒体2顶部的产物出口21移出，此后可以进入后续产品除尘、冷凝、分离以及精制系统。

根据本实用新型的一些可选实施例，生物质热解筒体1的直径为煤热解筒体2的直径的20％～50％(包括端点值)。此时生物质热解筒体1和煤热解筒体2的横截面形状均为圆形。由此，如果设置使生物质热解筒体1的直径小于煤热解筒体2的直径的20％，此时生物质热解筒体1的直径较小，可能无法为煤热解提供所需的富氢环境；如果设置使生物质热解筒体1的直径大于煤热解筒体2的直径的50％，可能无法保证生物质和煤热解达到很好的协同作用。也就是说，通过设置使生物质热解筒体1的直径为煤热解筒体2的直径的20％～50％，在保证为煤热解提供所需的富氢环境的同时，可以有效保证生物质和煤热解达到很好的协同作用。

进一步地，生物质热解筒体1的高度为煤热解筒体2的高度的30％～80％(包括端点值)。由此，可以进一步保证生物质和煤热解达到协同作用。

可选地，生物质与煤的进料流率比在1:6～1:1(包括端点值)之间。由此，可以进一步保证生物质和煤热解达到协同作用。

根据本实用新型的一些实施例，如图1所示，多个蓄热式辐射管3在横向和纵向上分别等间距水平排布在反应器本体内。由此，可以进一步保证生物质热解筒体1和煤热解筒体2内的生物质和煤受热均匀。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

根据本实用新型的一些实施例，当反应器本体在常压(即一个大气压)下操作时，反应器本体的横截面形状为方形或圆形。但不限于此。可以理解的是，反应器本体内的压力与外部大气压力大致相同时，反应器本体的具体形状可以根据实际需求进行设计，以更好地满足实际应用。

当然，本实用新型不限于此，根据本实用新型的另一些实施例，当反应器本体在高压(即大于一个大气压)下操作时，反应器本体的横截面形状为圆形。此时由于反应器本体内的压力大于外部大气的压力，通过将反应器本体的横截面形状设置为圆形，可以有效保证反应器本体具有良好的耐压性能。

下面以生物质为水稻秸秆和煤例如徐矿长焰煤为原料，经粉碎、干燥、预热，水稻秸秆干燥到水分小于8％，80％粒度小于8mm；徐矿长焰煤干燥到水分小于15％，80％粒度小于4mm为例进行说明。

水稻秸秆进料流率为5kg/s，徐矿长焰煤进料流率为15kg/s。将水稻秸秆和徐矿长焰煤分别加到生物质热解筒体1的生物质给料口12和煤热解筒体2的煤给料口22。生物质热解筒体1和煤热解筒体2均为圆筒形，直径分别为1m和3.5m，高度分别为3m和7.5m。生物质给料口12位于生物质热解筒体1底部以上0.2m，煤给料口22位于煤热解筒体2底部以上0.7m。对反应器本体进行升温，在3-4s，生物质热解筒体1内的蓄热式辐射管3温度升高到450～500℃；在5-6s，煤热解筒体2内的蓄热式辐射管3温度升高到800～850℃左右。提升气体CH4从提升气体入口11进入生物质热解筒体1底部。生物质热解筒体1内水稻秸秆发生热解反应，产生富氢气体。生物质热解筒体1内的富氢气体在提升气体CH4的作用下，迅速进入煤热解筒体2，并与其内的徐矿长焰煤进行混合，发生热解反应，生成热解气、焦油、水以及半焦。这些产物同时沿煤热解筒体2向上流动，并从煤热解筒体2顶部的产物出口21移出，进入后续产品除尘、冷凝、分离以及精制系统。

采用上述生物质与煤共热解反应器100进行水稻秸秆与徐矿长焰煤共热解研究，发现焦油收率比两者单独热解收率平均高出40～50％，转化率高出15～25％，说明采用根据本实用新型的生物质与煤共热解反应器100进行热解的生物质与煤热解存在明显的协同效应。

根据本实用新型实施例的生物质与煤共热解反应器100为一种上行蓄热式生物质与煤共热解反应器100，其具有以下优点：

1)将生物质的热解与煤的热解集成在一个反应器本体的不同区域进行，通过控制提升气体流量，调控生物质和煤粉的停留时间，使得煤热解迅速在生物质热解气氛下热解完全，将生物质中的富氢有效地转移到煤中，提高煤热解转化率以及目标产品收率；

2)采用多根蓄热式辐射管3，可单独为生物质与煤共热解反应器100中煤和生物质提供热源，没有热载体和机械转动装置，工艺流程简单、系统控温准确、调温方便，无需气体和固体热载体的加热、分离过程，降低系统的故障率；

3)结合对流、热传导和辐射传热，提高了生物质与煤共热解反应器100的热效率；

4)与半焦作为热载体相比，降低了焦油的含尘量；

5)对煤种适应性强，对于非黏结性煤、弱黏结性煤、强黏结性煤等均可适应；

6)生物质与煤共热解反应器100的结构设计简单、操作方便，容易实现规模生产。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。