一种上行加压蓄热式热解炉及热解方法与流程

本发明涉及热解炉技术领域，尤其涉及一种上行蓄热式热解炉及热解方法。

背景技术：

在煤转化利用的过程中，如燃烧、气化、液化和热解都是化学反应的第一步，并影响着后续的过程，因此对煤的气化、液化和燃烧等都有着很重要的意义。煤的热解过程是一个极其复杂的物理、化学过程。在此过程中煤中各组分的行为受到煤的性质、热解条件等因素的影响。以往人们对煤热解技术的开发和研究工作偏重于常压，但随着加压流化床和整体煤气化联合循环发电系统(integratedgasificationcombinedcycle，简称“igcc”)等技术的发展，近20年来，世界各国对加压下的煤热解越来越重视。煤加压热解是煤加压气化的一个重要阶段，尽管此阶段相对于整个气化过程而言十分短暂，但几乎所有的焦油和气态烃类都来于此阶段。

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。现有的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。

而且，试验中发现瓷球被反复加热到600℃以上循环使用，会产生磨损性问题；黏结性煤在热解过程中会黏附在瓷球上，仅有非黏结性煤和弱黏结性煤可用于该工艺，通常焦油收率不高。

采用半焦作为热载体时，由于大量焦砟细颗粒被带入焦油中，焦油中固体颗粒物含量高达40％-50％，给焦油的加工和利用带来了困难；使用黏结性煤时会因焦油和粒子的凝集而引起故障；采用机械搅拌对煤和热的半焦进行混合，磨损较严重，设备放大存在问题。

采用气体作为热载体，涉及到加热、分离等，导致系统工艺流程长，系统故障率较高；采用可燃气作为热载体，可燃气在预热过程中如果出现泄漏现象，可能与加热室的加热介质接触，带来安全隐患。

总之，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。

另外，从热解炉反应器类型来看，目前使用的热解炉，多数为固定床，或具有下行流化床的功能，煤粉热解不充分或挥发产物的二次分解严重，导致转化率和目标产品收率过低。

从热解条件来看，国内外现有的热解炉多数适用于常压条件下的热解反应。因此，现在急需设计一种满足在高压条件下进行热解反应的上行蓄热式热解炉。

技术实现要素：

针对上述问题，为了满足在高压条件下进行热解反应，并能够降低焦油含尘量，简化工艺流程，降低系统的故障率，使得系统控温准确、调温方便，对热解反应深度和反应进程进行有效控制，改善热解转化率，提高目标产品收率，提高系统的热效率，本发明提供一种上行蓄热式热解炉及热解方法。

本发明旨在提供一种上行加压蓄热式热解炉，所述热解炉包括炉体、辐射管和气体分布板，其中，所述炉体为圆柱形，所述炉体的顶部设有产物出口，所述炉体的底部设有反应物进料口，所述辐射管设于所述炉体内，位于所述反应物进料口上方，所述辐射管为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管；所述气体分布板设于所述炉体的底部，所述气体分布板包括主流道和分流道，所述主流道上设有气体进口，所述分流道上设有气体出口；所述气体分布板在所述炉体的竖直方向上的位置低于所述反应物进料口。

上述的热解炉，所述主流道贯通所述炉体的两侧面，所述分流道在所述主流道的长度方向上间隔设置，每个所述分流道与所述主流道交叉连通并被所述主流道分成两段。

上述的热解炉，所述辐射管两端均设置有燃烧器，所述燃烧器分别与所述炉体外部的蓄热器相连，所述燃烧器与所述蓄热器一一对应。

上述的热解炉，所述辐射管在所述气体分布板上的垂直投影与所述气体分布板上的分流道的位置相互不重叠。

上述的热解炉，所述分流道垂直排布在两个所述辐射管的水平间距间，所述分流道上设有多个气体出口；所述辐射管的管径d，所述辐射管的水平间距d，和所述分流道的宽度l1满足(1/2)(d-d)≤d/l1≤d-d。

上述的热解炉，所述分流道的长度l2和所述分流道上气体出口的总面积s的比值满足8≤l2/s≤10。

上述的热解炉，所述炉体的顶部为圆台形，所述顶部的上底面半径为下底面半径的1.5-3倍，所述顶部的高度为所述炉体的高度的1/9-1/8，所述热解炉的高径比为5-10。

本发明还提供一种利用上述热解炉进行热解的方法，所述方法包括：

将反应物从所述热解炉的反应物进料口送入所述热解炉的炉体内；

将提升气体从所述热解炉的底部通过所述主流道送入所述分流道，并沿所述分流道上的气体出口进入所述热解炉的炉体内；

使所述反应物在所述提升气体的作用下沿所述热解炉的下部向上部运动；

使所述反应物被所述辐射管加热发生热解反应，生成气态、液态产物以及固体半焦；

将热解反应生成的产物从所述热解炉的顶部排出。

上述的方法，所述反应物被辐射管加热至450-950℃，单根所述辐射管上的温度差不高于30℃。

上述的方法，所述提升气体为氮气。

本发明的上行加压蓄热式热解炉，反应装置结构紧凑、传热效率高、操作简单、便于工业化放大和连续化生产，与传统的流化床相比，上行流化床内物料参与了循环，热量传递更加均匀迅速，反应更加充分；采用多根蓄热式辐射管，为热解炉中的反应物提供热源，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，可结合对流、热传导和辐射传热控制，提高了系统的热效率；降低了焦油的含尘量；通过气体分布板将反应物料充分打散，有效地增大了反应物料与辐射管的接触面积，使得热量传递更加均匀迅速，反应更加充分，提高了反应物的利用率和系统热量的利用率；本发明采用了圆柱形热解炉，解决了现有方形热解炉在加压热解过程中出现的不耐高压，易变形的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的上行蓄热式热解炉正视结构示意图；

图2为本发明实施例的上行蓄热式热解炉俯视结构示意图；

图3为本发明实施例的气体分布板结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施的上行加压蓄热式热解炉，包括炉体3、辐射管2和气体分布板5，其中，所述炉体3为圆柱形，所述炉体3的顶部设有产物出口1，所述炉体3的底部设有反应物进料口4，所述辐射管2设于所述炉体3内，位于所述反应物进料口4上方，所述辐射管2为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管；所述气体分布板5设于所述炉体3的底部，所述气体分布板5包括主流道5-2和分流道5-1，所述主流道5-2上设有气体进口6，所述分流道5-1上设有气体出口5-3；所述气体分布板5在所述炉体3的竖直方向上的位置低于所述反应物进料口4。

进一步地，炉体3的顶部为圆台形，其下底面半径为2-10m，上底面半径为下底面半径的1.5-3倍，高度为炉体高度的1/9-1/8。热解炉反应器高径比(h/d)为5-10。

多根蓄热式辐射管为热解炉反应器中的热解反应提供热源。所述蓄热式辐射管2两端均设置有燃烧器7，燃烧器7与反应器外部的蓄热器相连，燃烧器与蓄热器一一对应。多根蓄热式辐射管2沿竖直方向间隔排布，辐射管2的直径为0.1-0.3m。

所述气体进口6设置于反应器底部，气体进口6的管径为辐射管2管径的1/5-1/3倍。

所述反应物进料口4设置在反应器底部侧面，位于气体分布板5上方0.2-0.6m高，反应物进料口4沿同一水平圆周上均布2-4个，反应物进料口4的尺寸是气体进口6尺寸的1-2倍。

在热解炉反应物进料口下方安装气体分布板5，通过气体分布板5将反应物料充分打散，从而可以有效地增大反应物料与辐射管2的接触面积，使得热量传递更加均匀迅速，反应更加充分，提高了反应物的利用率和系统热量的利用率。主流道5-2沿水平方向延伸，所述主流道5-2贯通所述炉体3的两侧面，与多个分流道5-1垂直连通。分流道5-1在主流道5-2的长度方向上间隔设置，每个所述分流道5-1与所述主流道5-2交叉连通并被所述主流道5-2分成两段。分流道5-1与辐射管2正下方投影所处的位置不相互重叠，保证了反应物在气体的作用下沿辐射管2周围壁面向上运动，避免了辐射管2对上行反应物料和气体的阻塞，且保证了反应物料受热的均匀性。为更好地达到上述效果，分流道5-1优选垂直排布在两辐射管2的水平间距处。分流道5-1上设有多个气体出口5-3。辐射管2的管径为d，辐射管2的水平间距为d，分流道5-1的宽度为l1，l1和d、d满足1/2(d-d)≤d/l1≤d-d。分流道5-1的长度为l2，分流道5-1上气体出口5-3的总面积为s，l2和s的比值满足8≤l2/s≤10。

主流道5-2的管径与进气口管径一致，分流道5-1的管径为主流道5-1管径的1/2-3/4倍。

利用上述上行加压蓄热式热解炉进行热解的工艺如下：反应物从反应物进料口4进入热解炉反应器底部，加压提升气体从热解炉反应器底部两端的提升气体进口6进入气体分布板5，并沿气体分布板5上的气体进口6进入热解炉反应器内部。提升气体可为氮气。反应物在提升气体的作用下，同时沿热解炉反应器下部向上部运动。在几秒内，反应物被辐射管2迅速加热至450-950℃，并发生热解反应，生成气态和液态产物以及固体半焦，产物从热解炉反应器顶部排出。

上述蓄热式辐射管2蓄热燃烧的过程如下：蓄热式辐射管2在管体两端分别设置有燃烧器，燃料气和温度气经设置在热解炉外面的蓄热室预热后进入至设置在辐射管a端口的燃烧器发生燃烧反应，在一端燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时沿辐射管长度方向形成温度梯度，即沿辐射管a端向另一侧b端，温度呈梯度下降趋势。a端燃烧完成后，a端燃烧产生的烟气进入至b端蓄热室，预热燃料和助燃风，预热后的燃料和助燃风进入至辐射管b端燃烧器，在另一端燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时也形成温度梯度。同一辐射管两端的燃烧器交替换向燃烧。

当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，使得整个蓄热式辐射管整体温度分布均匀。为保证热解炉内部反应物料受热均匀，单根蓄热式辐射管上的温度差不高于30℃。在热解炉反应器内部，多根蓄热式辐射管沿竖直方向间隔排布，保证各区域温度分布均匀。其中a端可以为辐射管的任一端口，b端为同一辐射管的a端所对应的另一端。

本发明的上行加压蓄热式热解炉，通过控制提升气体流量，调控颗粒速度和颗粒停留时间，有效抑制了二次裂解，从而实现对于热解反应深度和反应进程的有效控制，改善了转化率，提高了目标产品的收率。

本发明的上行加压蓄热式热解炉结构紧凑、传热效率高、操作简单、便于工业化放大和连续化生产，与传统的流化床相比，其内物料参与了循环，热量传递更加均匀迅速，反应更加充分。

本发明采用多根蓄热式辐射管，为热解炉中的煤粉提供热源，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。

本发明可结合对流、热传导和辐射传热控制，提高了系统的热效率。

本发明与半焦作为热载体工艺相比，降低了焦油的含尘量。

本发明的工艺对煤种适应性强，无论对于非黏结性煤、弱黏结性煤、强黏结性煤均可适应。

本发明采用圆柱形热解炉，解决了现有方形热解炉在加压热解过程中出现的不耐高压、易变形的问题。

本发明的提升气体通过气体分布板将反应物料充分打散，从而可以有效地增大反应物料与辐射管的接触面积，使得热量传递更加均匀迅速，反应更加充分，提高了反应物的利用率和系统热量的利用率。

实施例一

一种上行加压蓄热式长焰煤低温快速热解炉，如图1所示。蓄热式快速热解炉高为12m，顶部出口直径为0.8m，底部直径为2m，热解炉内部沿竖直方向排布26根蓄热式辐射管2。辐射管2的管径均为160mm，辐射管2两两水平和垂直间距分别为300mm。提升气体分布板5由一个主流道5-2和五个分流道5-1构成，分流道5-1宽度为110mm，五个分流道5-1上依次排布6、8、10、8和6个气体出口5-3，气体出口5-3管径均为40mm，气体出口5-3竖直间距均为200mm。将干燥后的含有8.24％水分的长焰煤粉碎至6mm以下，煤粉粒径分布如表1所示，煤粉的工业分析和元素分析如表2和表3所示。在不同的加热温度分两次分别取100kg/(m²﹒s)的煤粉从反应物进料口4进入热解炉反应器底部，提升气体氮气以0.6mpa的压力和7m/s的速度从提升气体进口6进入气体分布板5，沿主流道5-1进入分流道5-2，继续沿分流道5-2上气体出口5-3进入热解炉反应器内部。煤粉在提升气体氮气的作用下，沿热解炉反应器下部向上部运动。在5s内，煤粉分别被辐射管2迅速加热至450℃和500℃，并发生热解反应。在加热温度为500℃时，生成15.51％热解气、9.51％热解水、9.33％焦油以及65.65％半焦；在加热温度为450℃时，生成13.22％热解气、10.58％热解水、11.31％焦油以及64.89％半焦。热解产物从热解炉反应器顶部排出。

表1长焰煤粒径分布

表2长焰煤工业分析(％)

表3长焰煤元素分析(％)

本文中mad代表水分；aad代表灰分；vad代表挥发分；cad代表固定碳含量；had代表氢含量；oad代表氧含量；nad代表氮含量；sad代表硫含量。

实施例二

一种上行加压蓄热式褐煤低温快速热解炉，如图1所示。蓄热式快速热解炉高为12m，顶部出口直径为0.8m，底部为直径为2m，热解炉内部沿竖直方向排布26根蓄热式辐射管。辐射管2的管径均为160mm，辐射管2两两水平和垂直间距分别为300mm。提升气体分布板5由一个主流道5-2和五个分流道5-1构成，分流道5-1宽度为110mm，五个分流道5-1上依次排布6、8、10、8和6个气体出口5-3，气体出口5-3的管径均为40mm，气体出口5-3竖直间距均为200mm。将干燥后的含有15.10％左右水分的褐煤粉碎至6mm以下，煤粉粒径分布如表4所示，煤粉的工业分析和元素分析如表5和表6所示。在不同的加热温度分两次分别取100kg/(m²﹒s)的煤粉从反应物进料口4进入热解炉反应器底部，提升气体氮气以0.6mpa的压力和5m/s的速度从提升气体进料口4均匀进入热解炉反应器底部，并沿气体分布板5上的气体进口6进入热解炉反应器内部。煤粉在提升气体氮气的作用下，沿热解炉反应器下部向上部运动。在7s内，煤粉分别被辐射管2迅速加热至800℃和950℃，并发生热解反应。在加热温度为800℃时，生成30.71％热解气、7.62％％热解水、1.10％焦油以及60.27％半焦；在加热温度为950℃时，生成35.65％热解气、5.16％％热解水、0.96％焦油以及58.23％半焦。产物从热解炉反应器顶部排出。

表4褐煤粒径分布

表5褐煤工业分析(％)

表6褐煤元素分析(％)

从上述实施例可看出，本发明的上行加压蓄热式解炉满足了在高压条件下进行热解反应，并能够降低焦油含尘量，简化了工艺流程，降低了系统的故障率，使得系统控温准确、调温方便，对热解反应深度和反应进程进行有效控制，改善热解转化率，提高了目标产品收率，提高了系统的热效率。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。