一种下行式热解和上流式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置及方法与流程

本发明属于含碳物料化工技术领域，具体涉及一种下行式热解和上流式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置及方法。

背景技术：

含碳物料经过热解反应能够产生煤焦油和煤气，对含碳物料进行热解加工，是将含碳物料分级分质且能够将其高效清洁的进行利用的一种重要方式。

热解的具体过程是将含碳物料在隔绝空气的条件下进行加热，含碳物料在不同的温度下发生一列的物理变化和化学反应的复杂过程，对含碳物料进行热解的过程中需要外界提供大量的热量，而含碳物料热解的产物中也会产出大量的挥发性较低的高温含碳物料，热解根据其加热速率的不同，可以大致分为慢速热解、快速热解和闪速热解，理论上热解的加热速率越高则煤焦油的收率越大，但是要提高热解的加热效率，需要进一步增加外界供热，这样会很大程度的提高煤焦油的提炼成本。

含碳物料经过气化反应能够得到煤气产物，气化也是对含碳物料充分利用以制得煤气的一种有效的方式。含碳物料气化的具体过程是通过使用气化剂对含碳物料进行热化学加工，将含碳物料中的碳转化为煤气。在对含碳物料进行气化反应的过程中会产生大量的热量，而使用高温含碳物料作为气化的原料，也能够减少气化过程中的耗氧量。

申请号为201110143741.1的授权专利《半焦粉气化与重整气热解耦合制煤焦油和煤气的装置及方法》中公开了一种将气化反应和热解反应相耦合以有效利用反应产物并提高油品收率的装置及方法，装置中包括有半焦加热系统，整个反应系统较为复杂，且由于采用了相接式的上流气化热解反应器，使得制备过程能耗较高，投资较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置及方法，能够解决煤焦油和煤气的制备过程中系统复杂、能耗较高、成本较大的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种下行式热解和上流式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置，其包括：

气化反应器为上流式结构，包括用于进行气化反应的气化炉以及与所述气化炉底部连通的灰仓，所述灰仓底端设置有下料口，所述气化炉上设置有入料口和出气口，所述入料口用于将混合有含氧气体/空气和蒸汽的高温含碳物料送入所述气化炉内，经过气化反应的高温煤气由出气口输出；

热解反应器为下行式结构，包括反应腔室以及设置在所述反应腔室上的混合煤气入口、含碳物料入口和物料出口，所述混合煤气入口通过管道与气化炉的出气口相连通，向所述反应腔室内通入混合煤气，所述含碳物料入口输入含碳物料，所述物料出口排出热解反应产物，所述热解反应产物包括荒煤气和高温含碳物料；

沉降室，所述沉降室设置在所述反应腔室的下端，且与所述反应腔室的物料出口相连通，所述沉降室内设置有旋风分离装置和汽提装置，所述旋风分离装置设置于所述沉降室顶部的周边区域，用于对通入的荒煤气进行分离处理，分离后的荒煤气由旋风分离装置上端出口排出沉降室外、高温含碳物料排入沉降室内，所述汽提装置设置于所述旋风分离装置的底部，接收热解后的高温含碳物料进行汽提，所述沉降室的底部设置有返料出口和产品排出口，所述沉降室内的高温含碳物料分别由返料出口和产品排出口排出；其中，所述返料出口通过管道以及设置在所述管道上的返料阀与所述气化炉的入料口连通；

过滤除尘器，与所述旋风分离装置的上端出口相连通，对通入的荒煤气进行除尘处理；

油洗塔，所述油洗塔通过管道与所述过滤除尘器相连接，用于将输入的荒煤气分离为煤气和煤焦油并分别输出。

进一步优选，所述过滤除尘器为膜管式过滤除尘器或颗粒层除尘器。

进一步优选，所述热解反应器的反应腔室为中空筒状，在所述反应腔室的下端还连接有加速段、扩大段以及下行段，所述加速段的筒壁呈收敛型，所述扩大段的筒壁呈扩张型，所述下行段的筒壁收敛呈锥形管状，扩大段与下行段延伸至沉降室内。

进一步优选，所述旋风分离装置是2～6个，且沿热解反应器的扩大段外围均布，旋风分离装置的荒煤气入口与热解反应器的扩大段的筒壁连通，对加速后的荒煤气进一步旋风分离。

进一步优选，所述旋风分离装置的下料腿上还设置有翼阀，引导荒煤气中固体颗粒的沉降。

进一步优选，上述装置还包括煤气混合器，煤气混合器包括混合腔室以及设置在所述混合腔室上的高温煤气接入口、循环煤气接入口和混合煤气出口，所述高温煤气接入口与所述气化炉的出气口相连通，循环煤气接入口通过循环煤气管道与油洗塔的煤气出口连通，混合煤气出口与热解反应器的混合煤气入口连通。

进一步优选，上述汽提装置包括锥斗以及设置在锥斗上方且与锥斗底部相对的锥形引流管、设置在锥斗底部的环式蒸汽管，在锥斗和锥形引流管上均开设有透气孔，锥斗直径较大的一端和锥形引流管直径较大的一端相对，锥斗的锥角为55～75°，锥形引流管的锥角为125～105°。

一种使用上述的装置制备煤焦油和煤气的方法，其包括，

s101、将混合有含氧气体和蒸汽的高温含碳物料通入气化反应器中进行全部气化反应，其中，气化的温度为1300～1700℃、压力为0.001～8mpa、气速为5～16m/s，气化反应后的熔融灰排入灰仓；

s102、气化反应后的高温煤气通入煤气混合器内，与温度为25～80℃、压力为0.001～8mpa的热解循环煤气混合，并急冷为750～950℃的混合煤气，热解循环煤气中的甲烷被活化；

s103、活化后的混合煤气通入热解反应器的反应腔室内，并向所述热解反应器中通入含碳物料进行热解反应，其中热解反应的温度为480～750℃、压力低于所述气化反应器中的压力、气速为3～12m/s；

s104、热解反应后产生荒煤气和高温含碳物料，所述荒煤气进入旋风分离装置中进行分离处理，所述高温含碳物料沉降于沉降室内，汽提装置对所述高温含碳物料进行汽提，所述高温含碳物料的温度为480～750℃，其中，汽提后的高温含碳物料一部分与蒸汽混合后送入气化反应器中参与气化反应，另一部分作为产品排出；

s105、分离处理后的荒煤气通入过滤除尘器中进行除尘处理；

s106、除尘后的荒煤气输入油洗塔中进行分离处理，分离后得到煤气和煤焦油产品，其中，部分煤气产品作为热解循环煤气通入煤气混合器内与气化后的高温煤气混合反应。

进一步限定，上述步骤s104还包括，

s1041、热解反应后产生的荒煤气和高温含碳物料通过热解反应器的加速段进行加速；

s1042、加速后的荒煤气和高温含碳物料通过热解反应器的扩大段；

s1043、荒煤气沿扩大段侧壁进入旋风分离装置，高温含碳物料由于惯性沉降于沉降室内。

进一步限定，上述含碳物料是褐煤、烟煤、煤泥、液化残渣、秸秆、油页岩、轮胎、石油焦、生物质、废塑料及其他含碳物质中的任意一种或几种的混合物。

本发明实施例提供一种含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置及方法，能够将气化反应产物中的热量有效利用于热解反应中，同时又避免了对作为气化反应产物的高温煤气进行降温的工序步骤，热解反应产物中的部分高温含碳物料通过返料出口送入气化反应器中，作为气化原料参与气化反应，能够提供气化反应所需的热量，以减少气化过程中的氧耗，气化反应与热解反应耦合连接，无需中间处理环节，简化工艺流程，减少气化过程中的氧耗，大大提高了含碳物料的利用率和煤焦油的收率，而且所得产品的纯度较高，此外，将完成气化与热解反应的产物进行过滤除尘，简化了除尘次数，将气化与热解反应后的能量合理利用，减轻装置的整体能耗，节约成本，达到节能降耗的目的，降低运行成本，同时可生产高附加值、高收率的轻质化的油品，适于工业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置的结构示意图。

图2为热解反应器2的结构示意图。

附图标记：

1-气化炉；2-热解反应器；2-1-反应腔室；2-2-加速段；2-3-扩大段；2-4-下行段；3-旋风分离装置；4-汽提装置；4-1-环式蒸汽管；4-2-锥形引流管；4-3锥斗；5-沉降室；6-过滤除尘器；7-油洗塔；8-灰仓；9-煤气混合器；10-翼阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置，包括气化反应器，气化反应器包括用于进行气化反应的气化炉1以及与气化炉1底部连通的灰仓8，灰仓8底端设置有下料口，气化炉1上设置有入料口和出气口，入料口用于将混合有含氧气体和蒸汽的高温含碳物料送入气化炉1内，经过气化反应的高温煤气由出气口输出。煤气混合器9，包括混合腔室以及设置在混合腔室上的高温煤气接入口、循环煤气接入口和混合煤气出口，高温煤气接入口与气化炉1的出气口相连通，将高温煤气与循环煤气接入口接入的热解循环煤气混合后由煤气出口输出。热解反应器2，包括反应腔室2-1以及设置在反应腔室2-1上的混合煤气入口、含碳物料入口和物料出口，混合煤气入口通过管道与煤气混合器9的混合煤气出口相连通，向反应腔室2-1内通入混合煤气，含碳物料入口输入含碳物料，物料出口排出热解反应产物，热解反应产物包括荒煤气和高温含碳物料。沉降室5，沉降室5设置在反应腔室2-1的下端，且与反应腔室2-1的物料出口相连通，沉降室5内设置有旋风分离装置3和汽提装置4，汽提装置4设置于设置于旋风分离装置3的底部，接收热解反应产物中的高温含碳物料进行汽提，旋风分离装置3设置于沉降室5顶部的周边区域，用于对通入的荒煤气进行分离处理，分离后的荒煤气由旋风分离装置3上端出口排出沉降室5外、高温含碳物料通过下端出口沉降于沉降室5内，沉降室5的底部设置有返料出口和产品排出口，沉降室5内的高温含碳物料分别由返料出口和产品排出口排出。其中，返料出口通过管道以及设置在管道上的返料阀与气化炉1的入料口连通。过滤除尘器6，与旋风分离装置3的出口相连接，对通入的荒煤气进行除尘处理。油洗塔7，油洗塔7通过管道与过滤除尘器6相连接，用于将输入的荒煤气分离为煤气和煤焦油并分别输出，其中，煤气包括产品输出端以及循环输送端，循环输送端与煤气混合器9的循环煤气接入口连通。

需要说明的是，第一，本发明中的气化反应器选用上流式气流床气化反应器，热解反应器2选用下行式气流床热解反应器2，上流式气流床气化反应器与下行式气流床热解反应器2相连接，以使得在气化反应器中经过完全气化反应的高温煤气产物直接通入下行式气流床热解反应器2中参与热解反应，从而一方面能够将高温煤气中的热量充分利用，另一方面也省去了气化反应完成后所需对高温煤气产物进行降温处理的工艺步骤。

第二，所述煤气混合器9的设置位置在本发明中不进行具体限定，只要满足设置于气化反应器与热解反应器2之间即可，将最终产物煤气的一部分作为热解循环煤气通过管道输入煤气混合器9中，以与气化反应后产生的高温煤气混合，热解循环煤气的温度为25～80℃、压力为0.001～8mpa，在与高温煤气混合的过程中能够对高温煤气产生急冷的作用，在此过程中，热解循环煤气中的甲烷被活化。

第三，本发明中的含碳物料指的是褐煤、烟煤、煤泥、液化残渣、秸秆、油页岩、轮胎、石油焦、生物质、废塑料及其他含碳物质或几种混合物。

本实施例热解反应器2的混合煤气入口接入气化反应器输出的高温煤气，能够将气化反应产物中的热量有效利用于热解反应中，同时又避免了对作为气化反应产物的高温煤气进行降温的工序步骤，热解反应产物中的部分高温含碳物料通过返料出口送入气化反应器中，作为气化原料参与气化反应，能够提供气化反应所需的热量，以减少气化过程中的氧耗。气化反应与热解反应耦合连接，将完成气化与热解反应的产物进行过滤除尘，简化了除尘次数，将气化与热解反应后的能量合理利用，减轻装置的整体能耗，节约成本。

优选的，过滤除尘器6为膜管式过滤除尘器6或颗粒层除尘器。

膜管式过滤除尘器6和颗粒层除尘器均能够适用于本发明装置中对荒煤气进行除尘的工作，且上述两种除尘器具有工作稳定，除尘效率高的优点。

进一步的，如图2所示，热解反应器2的反应腔室2-1为中空筒状，在所述反应腔室2-1的下端还连接有加速段2-2、扩大段2-3以及下行段2-4，所述加速段2-2的筒壁呈收敛型，所述扩大段2-3的筒壁呈扩张型，所述下行段2-4的筒壁收敛呈锥形管状，扩大段2-3与下行段2-4延伸至沉降室5内。

这样一来，混合煤气在热解反应器2的反应腔室2-1中完成热解反应后，首先下行通过加速段2-2，由于加速段2-2的筒壁呈收敛状，反应生成的荒煤气和高温含碳物料的混合物在经过加速段2-2的过程中被逐渐聚拢并加速下降，然后混合物继续下行通过扩大段2-3，扩大段2-3的筒壁与加速段2-2的筒壁形状相反，呈发散状，经过聚拢作用后的混合物在经过筒壁迅速增大的扩大段2-3时，混合物中的固体物料(高温含碳物料)由于惯性的作用顺着下行段2-4管壁自由下落，直接沉降于沉降室5内，混合物中的气体物质(荒煤气)则沿扩大段2-3的内壁流动进入旋风分离装置3中。

沉降室5内设置有汽提装置4，汽提装置4对沉降室5内的固体物料进行加蒸汽汽提，汽提能够将固体物料的颗粒与颗粒之间以及颗粒内部的油气分离出来。汽提装置4是由锥斗4-3、环式蒸汽管4-1以及锥形引流管4-2组成，锥形引流管4-2固定在锥斗4-3上方，其直径较大的一端向下，与锥斗4-3直径较大的扩口正对，环式蒸汽管4-1固定在锥斗4-3的底部外壁外侧，在锥形引流管4-2和锥斗4-3的侧壁上均开设有直径为1mm左右的透气孔，控制其透气率为80～90％左右，使环式蒸汽管4-1的热蒸汽依次穿过锥斗4-3和锥形引流管4-2的透气孔圆周分散，向上运动，而分离的高温含碳物料遇水蒸汽加重经锥形引流管4-2折流，进入锥斗4-3排出沉降在沉降室5的底部，形成多次折流，提高汽提效率，加快气固分离。更进一步，为了保证下料顺畅，锥斗4-3的锥角为55～75°，以60°为佳，锥形引流管4-2的锥角为125～105°，以120°为佳。

通过热解反应器2中设置的加速段2-2和扩大段2-3，能够有效的提高与扩大段2-3下端相连通而进入沉降室5内的混合物的气、固分离效率和反应效率。

优选的，如图1所示，旋风分离装置3包括旋风分离器筒体及下料腿，旋风分离装置3的荒煤气入口与热解反应器2的扩大段2-3的筒壁连通，能够将经过热解反应后的荒煤气充分导出，荒煤气在分离器筒体内部进行分离处理，由荒煤气中分离出的固体物料通过底部的下料腿排入沉降室5内。旋风分离装置3设置有多个，2～6个为佳，且沿热解反应器2的扩大段2-3外围分布。

进一步优选的，由于热解反应器2通常为中空的圆筒状，因此，与热解反应器2下端的扩大段2-3相连接的旋风分离装置3为沿圆周方向均布，进一步的与扩大段2-3相配合，有利于荒煤气的快速导出。

进一步的，如图1所示，旋风分离装置3上还设置有翼阀10，翼阀10连接在旋风分离装置3的下料腿上，用于引导荒煤气中固体颗粒的沉降。由于翼阀10除了能够对下行的固体物料导向方向，还具有开闭功能，因此，通过在旋风分离装置3上设置翼阀10，有助于在旋风分离器下料退保持一定料封，防止串气。

优选的，向气化炉1的入料口通入的含氧气体为纯氧。纯氧的氧含量大于空气中的氧含量，向气化炉1中通入纯氧参与气化反应，能够提高气化反应效率，增加气化反应产物生成高温煤气的产量。

本发明还提供一种用上述含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置制备煤焦油和煤气，具体方法，如图1所示，包括：

s101、将混合有含氧气体和蒸汽的高温含碳物料通入气化反应器中进行全部气化反应，其中，气化的温度为1300～1700℃、压力为0.001～8mpa、气速为5～16m/s，气化反应后的熔融灰排入灰仓8。

s102、气化反应后的高温煤气通入煤气混合器9内，与温度为25～80℃、压力为0.001～8mpa的热解循环煤气混合，并急冷为750～950℃的混合煤气，热解循环煤气中的甲烷被活化。

s103、活化后的混合煤气通入热解反应器2的反应腔室2-1内，并向所述热解反应器2中通入含碳物料进行热解反应，其中热解反应的温度为480～750℃、压力低于所述气化反应器中的压力、气速为3～12m/s。

s104、热解反应后产生荒煤气和高温含碳物料，所述荒煤气进入旋风分离装置3中进行分离处理，所述高温含碳物料沉降于沉降室5内，汽提装置4对所述高温含碳物料进行汽提，高温含碳物料的温度为480～750℃，其中，汽提后的高温含碳物料一部分与蒸汽混合后送入气化反应器中参与气化反应，另一部分作为产品排出。

s105、分离处理后的荒煤气通入过滤除尘器6中进行除尘处理。

s106、除尘后的荒煤气输入油洗塔7中进行分离处理，分离后得到煤气和煤焦油产品，其中，部分煤气产品作为热解循环煤气通入煤气混合器9内与气化后的高温煤气混合反应。

通过上述步骤方法，在制备煤焦油和煤气时将气化反应与热解反应过程相连接，将气化反应产生的高温煤气经过混合急冷后直接参与热解反应，高温煤气中的热量在热解反应中被有效的利用，避免了热量的流失浪费，降低了装置的能耗。同时，在急冷过程中，用于与高温煤气混合的热解循环煤气中的甲烷被活化，活化的甲烷在热解反应中还能够起到提高热解反应效率的作用。热解反应后作为产品排出的高温含碳物料的一部分通过水蒸气推送入气化反应中，又能够有效的降低气化反应中的氧耗，安全环保。

此外，将气化反应与热解反应耦合连接，在气化反应与热解反应连续进行完成后，再对输出的气体产物进行除尘，简化了现有技术中在气化反应和热解反应后均需要对输出气体产物进行除尘的繁琐步骤，提高了生产效率。

进一步的，如图2所示，步骤s104还包括，

s1041、热解反应后产生的荒煤气和高温含碳物料通过热解反应器2的加速段2-2进行加速。

s1042、加速后的荒煤气和高温含碳物料通过热解反应器2的扩大段2-3。

s1043、荒煤气沿扩大段2-3侧壁进入旋风分离装置3，高温含碳物料由于惯性沉降于沉降室5内。

这样一来，能够显著提高热解反应产生的混合物在沉降室5内气、固分离的效率，进而提高目标产物煤气和煤焦油的生产效率和纯度。

在上述对于含碳物料热解和气化耦合制备煤焦油和煤气的装置的具体说明中，已经使用该装置制备煤焦油和煤气的方法过程进行了详细的说明，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。