本发明属于含碳物料的深加工技术领域，具体涉及一种上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置及方法。
背景技术：
含碳物料热解是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，热解需要大量的热量，含碳物料热解产生煤焦油、煤气，同时产出大量的挥发分较低的高温含碳物料，含碳物料热解是含碳物料分级分质高效清洁利用的一条重要途径。热解的速率分为慢速热解、快速热解和闪速热解，热解的方式有移动床热解、流化床热解、气流床热解，按载热体分为固体热载体、气体热载体、气固热载体，加热的方式有直接加热、有间接加热。理论上热解的加热速率越高煤焦油的收率越大；加氢热解、煤气活化热解能大幅提高煤焦油的收率，直接加热的气固热载体热效率最高，直接加热闪速气流床煤气活化热解得到的焦油收率最高。含碳物料气化是用气化剂对含碳物料进行热化学加工，将含碳物料的碳转化为煤气的过程，从气化形式有固定床气化、流化床气化和气流床气化，从流向分有上流式气化、下行式气化和水平方式气化，从气化剂分有富氧气化和纯氧气化，从进料方式分有干粉气化和水煤浆气化。不同的热解方式和不同的气化方式组合产生不同的热解气化组合。
华东理工专利一种粉煤热解和气化的方法(申请号：201410257589.3)，粉煤进入气流床热解炉，热解生成的焦油在高温下进一步热解生成低分子碳氢化合物(甲烷)和焦炭，目标产物是煤气；新日铁专利煤的热解气体方法和煤的热解气化装置(申请号：201180018845.8)，目标产品是煤气和煤焦油，采用上流式旋流气化反应，和相接的上流式旋流热解反应器，但气化反应未利用热解反应产生的高温半焦，全采用上流反应器，而直接连接，装置投资大，能耗较高；中科院工程热物理研究所专利热解气化联合方法及装置(申请号：201010143097.3)热解采用低速流化床，气化采用流化床，热解产生的荒煤气和气化产生的煤气混合后进入旋风分离器分离，由于气化产生的煤气温度高，将热解荒煤气的所含的煤焦油裂解，造成焦油的收率大幅下降，起不到高产的轻质化油品；吴道洪的专利煤加氢热解与气化耦合的方法(申请号：201110021674.6)，加氢热解为上流式流化床反应器，富氢发生器为上流式旋流床反应器，并分别采用旋风分离器，系统复杂，采用流化床反应器要求物料颗粒较大，属于快速热解，产油率较闪速热解低；北京神雾专利一种中低温煤热解气化系统及热解气化方法(申请号：201510432138.3)热解采用固定床、移动床或流化床，采用原料粒径较大，不属于闪速热解，油收率低；延长石油专利一种含碳物料提取煤焦油与合成气一体化的方法及装置(专利号：201310306726.3)采用上流式热解反应器和上流式气化反应器，且分别进行气固分离，系统复杂。
为克服上述专利的不足，在热解气化耦合反应中，开发一种大幅提高含碳物料的利用率，提高煤焦油的收率且工艺简洁，投资少，热效率高、能耗低的热解气化耦合的装置及方法有着重要的意义和广阔的市场前景。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于提供一种工艺简洁，投资少，热效率高、能耗低的上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置。
本发明的目的之二在于提供一种用上述上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的方法，其能够大幅提高含碳物料的利用率，提高煤焦油的收率。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
该种上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置，包括气化反应器，气化反应器是下行式气流床反应器，气化反应器的顶部进料口分别与氧气/空气管道、蒸汽管道以及气化原料管道连通、底部灰渣出口与灰仓连通、底部煤气出口通过煤气混合器与热解反应管连通，所述热解反应管是上流式气流床热解反应管，热解反应管的进料口与煤气混合器的出口连通、热解反应管的出口端延伸至除尘沉降室内，热解反应管的出口端设置有快分头且快分头在多级旋风分离器组的荒煤气入口下方，除尘沉降室的顶部荒煤气出口通过过滤除尘器与油洗塔连接，油洗塔的煤气出口通过循环煤气管道与煤气混合器的循环气入口连通；
所述除尘沉降室自上而下分为集气室、除尘仓、沉降仓和中间缓存仓，在除尘仓设置有多级旋风分离器组，多级旋风分离器组的末端荒煤气出口延伸至集气室内，集气室顶部的荒煤气出口与过滤除尘器的入口连通，除尘仓的底部与沉降仓连通，沉降仓底部连接中间缓存仓，中间缓存仓的底部开设有产品半焦出料口和循环半焦出料口，其循环半焦出料口通过安装在管道上的返料阀与气化反应器的气化原料管道连通；所述热解反应管的出口端依次穿过中间缓存仓和沉降仓延伸至除尘仓内。
进一步限定，上述除尘仓和沉降仓的底部出口均收敛呈锥角为55～75°的漏斗状结构。
进一步限定，所述沉降仓内设置有汽提组件，所述汽提组件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锥、设置在锥斗底部的环式蒸汽管，在锥斗和锥形引流锥上均开设有透气孔，锥斗直径较大的一端和锥形引流锥直径较大的一端相对，锥斗的锥角为55～75°，锥形引流锥的锥角为125～105°。
进一步限定，上述多级旋风分离器组包括沿着热解反应管外围圆周均匀分布的1～3级旋风分离器组，每一级旋风分离器组包括有1个或者多个旋风分离器。
进一步限定，上述过滤除尘器为膜管式过滤除尘器或颗粒层除尘器。
进一步限定，上述快分头是伞帽式惯性快分头或者三叶式旋流快分头，所述三叶式旋流快分头的下旋角为18～25°，开口面积与热解反应管的出口截面之比为0.75～0.85。
一种用上述的上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置制备煤焦油和煤气的方法，其是由以下步骤组成：
(1)高温含碳物料气化
温度为480～750℃的高温含碳物料作为气化原料与纯氧/空气、水蒸气一同进入气化反应器中进行气化反应，气化的温度为1300～1700℃、压力为0.001～8MPa、气速3～12m/s，气化后的熔融灰随气流向下流动进入底部的灰仓，气化反应后高温煤气从气化反应器底部煤气出口排出；
(2)煤气热解活化
从气化反应器底部煤气出口排出的高温煤气进入混合器中，与温度为25～80℃、压力为0.001～8MPa的循环煤气混合，急冷成为750～950℃的混合煤气，同时循环煤气中的甲烷被瞬间活化；
(3)热解除尘
被活化的煤气与从进料口送入热解反应管的原料含碳物料在热解反应管中混合，含碳物料在活化煤气的高温作用下发生热解反应，热解温度为480～750℃、压力与步骤(1)气化压力相同、气速为5～16m/s，热解反应后荒煤气和大量高温含碳物料通过热解反应管出口端的快分头快速分离，大部分高温含碳物料沉降于除尘沉降室的沉降仓，极少部分细小颗粒随着荒煤气向上运动进入一级旋风分离器组经旋风分离后，再进入二级旋风分离器组分离，分离后的气体汇集于集气室经荒煤气出口进入过滤除尘器内除尘，之后进入油洗塔进行油气分离，分离的煤焦油和煤气，一部分煤气经循环煤气管道进入煤气混合器中进行循环利用，另一部分作为产品输出；经一级旋风分离器组和二级旋风分离器组分离后的分离的固体物料经料腿上的翼阀排入沉降仓；
(4)沉降缓存
热解后温度为480～750℃的高温含碳物料在沉降仓被蒸汽汽提，气体部分随着荒煤气进入一级旋风分离器组，高温含碳物料进入中间缓存仓，一部分作为步骤(1)的气化原料进入气化反应器中循环利用，另一部分作为产品输出。
步骤(1)中的气化条件是：气化的温度为1300～1500℃、压力为0.001～8MPa、气速8～12m/s。
步骤(3)中的热解条件是：热解温度为480～750℃、压力与步骤(1)气化压力相同、气速为8～12m/s。
进一步限定，所述的含碳物料为褐煤、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任意一种或几种的混合物。
本发明提供的上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的的装置及方法是利用下行式气流床气化反应器和上流式气流床热解反应管耦合，将热解产生的高温含碳物料作为气化原料进行气化反应，而气化产生的高温煤气又作为热源对含碳物料进行热解，即热解和气化相互耦合，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，本发明充分利用了系统自身的热能，热效率高，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，而且本发明的气化和热解共用一套除尘设备，无需单独配套除尘装置，即设备投资少，能耗小，工艺流程简单，适于工业化应用。
附图说明
图1为上流式热解和下行式气化耦合处理含碳物料的工艺流程图。
其中附图标记为：
1-气化反应器，2-热解反应管，3-中间缓存仓，4-沉降仓，41-锥形引流锥，42-环式蒸汽管，43-锥斗，5-除尘仓，51-一级旋风分离器组，52-二级旋风分离器组，6-集气室，7-快分头，8-过滤除尘器，9-油洗塔，10-灰仓，11-煤气混合器。
具体实施方式
现结合附图与实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
如图1所示，本发明的上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的的装置是由气化反应器1、煤气混合器11、灰仓10、热解反应管2、中间缓存仓3、沉降仓4、除尘仓5、集气室6、快分头7、过滤除尘器8以及油洗塔9组成。
其中，气化反应器1包括顶部进料口、底部的灰渣出口和煤气出口，顶部进料口分别与氧气/空气管道、蒸汽管道以及气化原料管道连通，底部灰渣出口通过管道与灰仓10连通，将气化产生的熔融灰随气流向下流动进入底部的灰仓10，底部的煤气出口与煤气混合器11的气化煤气入口连通，该煤气混合器11还设置有循环煤气入口和混合煤气出口，其循环煤气入口通过循环煤气管道与油洗塔9的煤气出口连通，混合煤气出口与热解反应管2的煤气入口连通，热解反应管2与气化反应器1的进料方向相反，该热解反应管2的水平进料段预留有含碳物料入口，使煤气混合器11急冷处理的混合煤气与含碳物料在水平进料段混合，并作为含碳物料热解的热源。热解反应管2的上行提升段延伸至除尘沉降室内，在热解反应管2的出口端安装有快分头7，实现热解产生的荒煤气和高温含碳物料快速分离。
上述实施例中的快分头7可以选择伞帽式惯性快分头，也可以选择三叶式旋流快分头，其中伞帽式惯性快分头可以进一步选用方头伞帽或者圆头伞帽，使热解反应管2的上行气流经伞帽顶部阻挡反转向下排出，大部分的固体颗粒向下运动。三叶式旋流快分头的下旋角为18～25°，开口面积与热解反应管2的出口截面之比为0.75～0.85，保证上行的气流经三个喷口流入三个蝶形环室，在环室内形成向下的旋流从环室下截面开口排出，实现气固快速分离。
本实施例的除尘沉降室自上而下分为集气室6、除尘仓5、沉降仓4和中间缓存仓3，热解反应管2的上行提升段出口端依次穿过中间缓存仓3和沉降仓4延伸至除尘仓5内，除尘仓5的底部出口呈漏斗状结构，其锥角可在55～75°的范围内调整，本发明优选60°锥角，形成加速区，使分离沉降的固体颗粒能够加速沉降。在除尘仓5内设置有一级旋风分离器组51和二级旋风分离器组52，一级旋风分离器组51和二级旋风分离器组52是沿着热解反应管2的上行提升段外围环形分布，即一级旋风分离器组51是由2个一级旋风分离器组51成，二级旋风分离器组52是由2个二级旋风分离器组52成，2个一级旋风分离器和2个二级旋风分离器间隔分布，并且在同一圆周上均匀分布。2个一级旋风分离器的荒煤气出口分别对应与2个二级旋风分离器的除尘气入口连通，二级旋风分离器的荒煤气出口延伸至集气室6内，集气室6密闭，在顶部开设有荒煤气出口将荒煤气排出后进一步除尘处理。
为了保证净化效果，也可以在除尘仓5内安装三级旋风分离器组，其分布与安装原理与一级、二级旋风分离器组52相同，即一级旋风分离器组51的荒煤气出口与二级旋风分离器组52的除尘气入口连通，二级旋风分离器组52的荒煤气出口与三级旋风分离器组的除尘气入口连通，三级旋风分离器组的荒煤气出口延伸至集气室6内，一级旋风分离器组51、间隔分布在同一圆周上且高度不同，从一级到三级自下而上排布，以满足荒煤气的上行运动。三级旋风分离器组的荒煤气出口延伸至集气室6内。
在除尘仓5的底部还连接有沉降仓4，沉降仓4的上部入口与除尘仓5的底部出口连通，沉降仓4的上段形成直行沉降区、底部出口呈漏斗状结构且锥角可在55～75°的范围内调整，除尘仓5分离出的热解后的高温含碳物料沉降在沉降仓4，在沉降仓4内安装有汽提组件，即该汽提组件是由锥斗43、环式蒸汽管42以及锥形引流锥41组成，锥形引流锥41固定在锥斗43上方且套装在热解反应管2的外壁上，其直径较大的一端向下，与锥斗43直径较大的扩口正对，环式蒸汽管42固定在锥斗43的底部且设置于锥斗43与沉降仓4内壁之间的环形区域内，在锥形引流锥41和锥斗43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42的热蒸汽依次穿过锥斗43和锥形引流锥41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锥41折流，进入锥斗43，再经沉降仓4底部漏斗状出口排出，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，锥斗的锥角为55～75°，以60°为佳，锥形引流锥的锥角为125～105°，以120°为佳，。在沉降仓4底部连接中间缓存仓3，沉降的高温含碳物料进入中间缓存仓3缓存，在中间缓存仓3的底部开设有产品半焦出料口和循环半焦出料口，其循环半焦出料口通过安装在管道上的返料阀与气化反应器1的气化原料管道连通，产品半焦出料口将高温含碳物料产品排出。
上述除尘沉降室的集气室6顶部荒煤气出口通过管道与过滤除尘器8的入口连通，过滤除尘器8的荒煤气出口通过管道与油洗塔9连接，将过滤后的荒煤气进一步油气分离，油洗塔9包括煤气出口和焦油出口，煤气出口分别通过循环煤气管道与煤气混合器11的循环气入口连通、通过产品输出管将煤气产品输出，焦油出口排出焦油。
需要说明的是，第一，本发明中的气化反应器1选用气化反应器1是采用下行式气流床反应器，热解反应管2选用上流式气流床热解反应管2，下行式气流床反应器与上流式气流床热解反应管2相连接，以使得在气化反应器1中经过完全气化反应的高温煤气产物作为热解反应管2的热源，参与热解反应，而热解产生的高温含碳物料一部分作为产品输出，一部分可作为气化反应器1的气化原料，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11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1与热解反应管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11中，以与气化反应后产生的高温煤气混合，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，而且还能在急冷过程中使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中任意一种或几种的混合物。
优选的，过滤除尘器8为膜管式过滤除尘器8或颗粒层除尘器。膜管式过滤除尘器8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。
本发明还提供了一种用上述的上流式热解和下行式气化耦合制备煤焦油和煤气的装置制备煤焦油和煤气的方法，其由以下步骤实现：
(1)高温含碳物料气化
温度为480～750℃的高温含碳物料作为气化原料与纯氧/空气、水蒸气一同进入气化反应器1中进行气化反应，气化的温度为1300～1700℃、压力为0.001～8MPa、气速3～12m/s，气化后的熔融灰随气流向下流动进入底部的灰仓10，气化反应后高温煤气从气化反应器1底部煤气出口排出；
优选气化条件是：气化的温度为1300～1500℃、压力为0.001～8MPa、气速8～12m/s，
(2)煤气热解活化
从气化反应器1底部煤气出口排出的高温煤气进入混合器中，与温度为25～80℃、压力为0.001～8MPa的循环煤气混合，急冷成为750～950℃的混合煤气，同时循环煤气中的甲烷被瞬间活化；
(3)热解除尘
被活化的煤气与从进料口送入热解反应管2的原料含碳物料在热解反应管2中混合，含碳物料在活化煤气的高温作用下发生热解反应，热解温度为480～750℃、压力与步骤(1)气化压力相同、气速为5～16m/s，热解反应后荒煤气和大量高温含碳物料通过热解反应管2出口端的快分头7快速分离，大部分高温含碳物料沉降于除尘沉降室的沉降仓4，极少部分细小颗粒随着荒煤气向上运动进入一级旋风分离器组51经旋风分离后，再进入二级旋风分离器组52分离，分离后的气体汇集于集气室6经荒煤气出口进入过滤除尘器8内除尘，之后进入油洗塔9进行油气分离，分离的煤焦油和煤气，一部分煤气经循环煤气管道进入煤气混合器11中进行循环利用，另一部分作为产品输出；经一级旋风分离器组51和二级旋风分离器组52分离后的分离的固体物料经料腿上的翼阀排入沉降仓4；
优选热解条件是：热解温度为480～650℃、气速为8～12m/s。
(4)沉降缓存
热解后温度为480～750℃的高温含碳物料在沉降仓4被蒸汽汽提，气体部分随着荒煤气进入一级旋风分离器组51，高温含碳物料经多级折流进入中间缓存仓3，一部分作为步骤(1)的气化原料进入气化反应器1中循环利用，另一部分作为产品输出。
通过上述步骤方法，在用高温含碳物料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。
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。