一种上行蓄热式粉煤快速热解反应系统及方法与流程

本发明涉及粉煤热解技术领域，尤其涉及一种上行蓄热式粉煤快速热解反应系统及方法。

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。现阶段，我国的煤炭资源主要有燃烧、气化、液化、热解等几种利用方式。煤炭直接燃烧会产生热量，效率比较低，而且排放物会严重污染环境；煤炭气化、液化工艺一般需要满足高温、高压、富氧等苛刻的反应条件，这对反应器性能以及工艺过程的成本要求较高。相比于这几种利用方式，煤热解将煤转化成固态、液态和气态产品，有明显的优势与前景。

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。但这些加热方式涉及到热载体的加热、分离等过程，会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。

此外，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。因此，亟待研发一种新型热解工艺。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种上行蓄热式粉煤快速热解反应系统及方法，以简化系统工艺流程，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粉煤快速热解反应系统，所述系统包括上行蓄热式热解炉、旋风分离器、半焦冷凝器和油气冷凝器，所述上行蓄热式热解炉包括炉体和辐射管，所述炉体的顶部设有产物出口，所述炉体的底部设有气体进口和反应物进料口，所述反应物进料口在所述炉体的竖直方向上的位置高于所述气体进口；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；所述旋风分离器的产物进口与所述上行蓄热式热解炉的产物出口相连；所述半焦冷凝器的半焦进口与所述旋风分离器的半焦出口相连；所述油气冷凝器的油气进口与所述旋风分离器的油气出口相连。

上述的系统，所述上行蓄热式热解炉还包括气体分布板，所述气体分布板设置于所述炉体内，位于所述反应物进料口下方，所述气体进口连通均布于所述气体分布板上的一组进气口。

上述的系统，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。

上述的系统，所述系统还包括半焦收集器、电除尘净化分离器、焦油收集器、热解气冷凝器、油水分离器、热解水收集器和热解气收集器；所述半焦收集器与所述半焦冷凝器的冷凝半焦出口相连；所述电除尘净化分离器的气液进口与所述油气冷凝器的气液出口相连；所述焦油收集器的焦油进口与所述电除尘净化分离器的焦油出口相连；所述热解气冷凝器的含油水热解气进口与所述电除尘净化分离器的含油水热解气出口相连；所述油水分离器的油水进口与所述热解气冷凝器的油水出口相连；所述热解水收集器与所述油水分离器的热解水出口相连；所述热解气收集器与所述热解气冷凝器的热解气出口相连。

上述的系统，所述半焦冷凝器中设有换热器，用于回收半焦的热量，所述换热器的热解气进口与所述热解气收集器相连，所述换热器的热解气出口与煤粉加料器相连。

上述的系统，所述上行蓄热式热解炉的底部设有气体压缩机，用于向所述上行蓄热式热解炉输送提升气体；所述气体压缩机的气体入口与所述换热器的热解气出口相连。

本发明还提供一种利用上述上行蓄热式粉煤快速热解反应系统进行热解的方法，包括：

将煤粉从所述上行蓄热式热解炉的反应物进料口送入所述上行蓄热式热解炉的炉体内；

将提升气体从所述上行蓄热式热解炉的底部通过所述气体进口送入所述上行蓄热式热解炉的炉体内；

使所述煤粉在所述提升气体的作用下沿所述上行蓄热式热解炉的下部向上部运动；

使所述煤粉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上行蓄热式热解炉的顶部排出；

通过所述旋风分离器分离出半焦、气态和液态产物；

通过所述半焦冷凝器收集半焦；

通过所述油气冷凝器冷凝所述气态和液态产物。

上述的方法，所述上行蓄热式热解炉的炉膛温度为450-950℃，炉膛压力为0.2-0.4mpa；所述辐射管的温度控制在500-1000℃，单根所述辐射管上的温度差不高于30℃。

上述的方法，当制取焦油时，所述炉体的炉膛温度为500-700℃；当生产中热值煤气时，所述炉体的炉膛温度为700-900℃。

上述的方法，通过向所述半焦冷凝器的换热器中通入热解气进行换热后，使加热的热解气作为提升气体送入所述上行蓄热式热解炉的底部，并将所述上行蓄热式热解炉底部的煤粉送入至所述上行蓄热式热解炉的内部。

本发明的上行蓄热式粉煤快速热解反应技术，通过控制提升气体流量，调控颗粒速度和颗粒停留时间，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，提高了目标产品收率；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，能够结合对流、热传导和辐射传热控制，提高了系统的热效率，降低了焦油含尘量。

附图说明

图1为本发明实施例上行蓄热式粉煤快速热解反应系统示意图；

图2为本发明实施例上行蓄热式粉煤快速热解炉结构示意图。

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，本发明提供一种上行蓄热式粉煤快速热解反应系统，所述系统主要包括上行蓄热式热解炉4、旋风分离器6、半焦冷凝器8和油气冷凝器11。

如图2所示，所述上行蓄热式热解炉4包括炉体45和辐射管46，所述炉体45的顶部设有产物出口47，所述炉体45的底部设有气体进口41和反应物进料口44，所述反应物进料口44在所述炉体的竖直方向上的位置高于所述气体进口41；所述辐射管46设于所述炉体45内，位于所述反应物进料口44上方，所述辐射管46为一组沿竖直方向间隔排布的蓄热式辐射管。

如图1所示，所述旋风分离器6的产物进口与所述上行蓄热式热解炉4的产物出口相连；所述半焦冷凝器8的半焦进口与所述旋风分离器6的半焦出口相连；所述油气冷凝器11的油气进口与所述旋风分离器6的油气出口相连。

为保证热解炉底部的反应物有足够的动量，且沿炉膛均匀向上运动，上行蓄热式热解炉4还包括气体分布板42。所述气体分布板设置于所述炉体45内，位于所述反应物进料口44下方，所述气体进口41连通均布于所述气体分布板42上的一组进气口43。

上述系统中，辐射管46两端均设置有燃烧器，燃烧器分别与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。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。

上述的系统，所述系统还可包括半焦收集器9、电除尘净化分离器12、焦油收集器14、热解气冷凝器16、油水分离器18、热解水收集器20和热解气收集器22；所述半焦收集器9与所述半焦冷凝器8的冷凝半焦出口相连；所述电除尘净化分离器12的气液进口与所述油气冷凝器11的气液出口相连；所述焦油收集器14的焦油进口与所述电除尘净化分离器12的焦油出口相连；所述热解气冷凝器16的含油水热解气进口与所述电除尘净化分离器12的含油水热解气出口相连；所述油水分离器18的油水进口与所述热解气冷凝器16的油水出口相连；所述热解水收集器20与所述油水分离器18的热解水出口相连；所述热解气收集器22与所述热解气冷凝器16的热解气出口相连。

上行蓄热式热解炉4用于将煤粉1热解，生成气态、液态和固体产物和粉尘5。旋风分离器6用于将热解生成的产物分离出半焦7及气态和液态产物10。半焦冷凝器8用于将分离出来的半焦7冷凝，便于后续半焦收集器9的回收。

气态和液态产物10经油气冷凝器11冷凝后再经电除尘净化分离器12进行分离，得到焦油13和含油水的热解气15。分离得到的焦油13输送至焦油收集器14进行焦油回收，分离得到的含油水的热解气15进一步输送至热解气冷凝器16进行冷凝，得到油水17和热解气21。油水17输送至油水分离器18进行分离，进一步得到热解水19和焦油13。焦油13可输送至焦油收集器14进行焦油回收。热解水19进一步输送至热解水收集器20进行回收。热解气21输送至热解气收集器22进行回收。

上述的系统，所述半焦冷凝器8中设有换热器，用于回收半焦的热量，所述换热器的热解气进口与所述热解气收集器22相连，所述换热器的热解气出口与煤粉加料器3相连。加料器3前还可设置煤仓2。

上述的系统，所述上行蓄热式热解炉的底部设有气体压缩机23，用于向所述上行蓄热式热解炉4输送提升气体24；所述气体压缩机23的气体入口与所述换热器的热解气出口相连。

利用上述系统对粉煤进行热解，工艺如下所述。

将干燥的煤粉1破碎至90％小于6mm以下的颗粒后，装入煤仓2中，经加料器3喷入上行蓄热式热解炉4底部。加料器3中安装排粉风机，其作用是采用预热后的200-300℃热解气24将煤仓2中的煤粉1喷入上行蓄热式热解炉4顶部。

上行蓄热式热解炉4炉膛温度为450-950℃，上行蓄热式热解炉4的炉膛温度根据目标热解气品质或是煤进料量具体确定。优选温度为500-900℃，若以制取焦油为目的，炉膛温度设置在500-700℃；若以生产中热值煤气为主，炉膛温度设置在700-900℃。

炉膛压力为0.2-0.4mpa。炉膛温度由多根辐射管提供，辐射管温度控制在500-1000℃，单根蓄热式辐射管上的温度差不高于30℃。上行蓄热式热解炉4内的煤粉1在提升气体24的作用下，同时从上行蓄热式热解炉4的底部向顶部运动，在2-10s内快速热解，产生大量气态、液态和固体产物以及少量粉尘5。产物和粉尘5从上行蓄热式热解炉4顶部排出。气态和液态产物为热解气、水和焦油，固态产物为半焦。

其中，上述蓄热式辐射管的蓄热燃烧过程如下：蓄热式辐射管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，一端燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时沿辐射管方向形成温度梯度，即沿辐射管a端向该辐射管的另一侧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a端所对应的另一端。

从上行蓄热式热解炉4顶部排出的产物和粉尘5送入至高温旋风分离器6中，半焦7从气体中分离出来，经过半焦冷凝器8进入至半焦收集器9，作为固态产品。极细的粉尘随烟气排出。

半焦冷凝器8中增设换热器，如换热盘管，回收半焦的热量。换热盘管中通入热解气21，热解气21与半焦换热，预热后的200-300℃热解气24(又称“提升气体”)，一部分经过气体压缩机23，将热解气24气相输送至上行蓄热式热解炉4的底部，并用于将上行蓄热式热解炉4底部的煤粉送入至上行蓄热式热解炉4内部，在辐射管的辐射、传导、对流传热作用下，发生热解反应；一部分预热后的200-300℃的气体24送入至加料器3，用于煤粉进料。

气体24喷入的速度为5-10m/s。气体喷入速度由气体压缩机23控制，煤粉1的速度取决于提升气体24的速度。

从高温旋风分离器6中出来300-700℃热解油气(气态和液态产物)10送入至油气冷凝器11，将热解油气冷凝至70-90℃。从油气冷凝器11中热解油气混合物经过电除尘净化分离器12进行分离。从电除尘净化分离器12下部分离出来的焦油13送入至焦油收集器14中作为液态产品。

从电除尘净化分离器12上部分离出来的含油水的热解气15经过热解气冷凝器16，冷凝后的热解气21和油水17分别从热解气冷凝器16上部和下部送入至热解水收集器20和油水分离器18中。油水17进一步经油水分离器18分离后的焦油13送入至焦油收集器14中，分离后的热解水19送入至热解水收集器20中。同时，经电除尘净化分离器12中未净化完全的油气循环再次进入油气冷凝器11中，进行除尘净化，得到焦油13和热解气21。

本发明的上行蓄热式粉煤快速热解反应系统，通过控制提升气体流量，调控颗粒速度和颗粒停留时间，从而实现对于热解反应深度和反应进程的有效控制，改善转化率，提高目标产品收率；

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相比，降低了焦油含尘量。

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。

实施例一

一种上行蓄热式长焰煤低温快速热解反应系统，如图1所示。将干燥后的含有8.64％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。将煤粉装入煤仓2中，经加料器3喷入上行蓄热式热解炉4底部。用热解产生的气体将煤粉1由上行蓄热式热解炉4底部送入至顶部，在两次不同加热温度下分别取煤粉进料量为100kg/(m²﹒s)进行热解试验。气体喷入速度由气体压缩机23控制，气体的速度为5m/s。两次热解上行蓄热式热解炉4的辐射管表面温度分别为600℃和500℃，两次热解炉膛温度分别为500℃和450℃，单根蓄热式辐射管上的温度差不超过30℃。两次热解炉膛的压力分别为0.3mpa和0.2mpa。上行蓄热式热解炉4内的煤粉1在提升气体作用下，同时从炉膛底部向顶部运动，在5s内快速热解，生成产物和粉尘。其中，第一次热解产物中含有12.33％焦油、10.51％热解水、12.51％热解气和64.65％半焦。第二次热解产物中含有12.55％焦油、11.36％热解水、10.55％热解气和65.54％半焦。产物和粉尘从上行蓄热式热解炉4顶部排出，并送入至500℃的旋风分离器6中。半焦从旋风分离器6的气体中分离出来，经过温度为25℃的半焦冷凝器8送入至半焦收集器9中，作为固态产品。旋风分离中气态和液态产物经过电除尘净化分离器12脱除灰尘、杂质后，焦油从电除尘净化分离器12下部分离出来送入至焦油收集器14。从电除尘净化分离器12上部分离出来的气态和液态产物经25℃热解气冷凝器16冷凝，冷凝后的热解气和油水分别从冷凝器上部和下部送入至热解水收集器20和油水分离器18中。油水进一步经油水分离器18分离后的焦油送入至焦油收集器14中，分离后的热解水送入至热解水收集器20中。同时，经电除尘净化分离器12中未净化完全的油气循环再次进入油气冷凝器11中，进行除尘净化，得到焦油和热解气。

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

一种上行蓄热式褐煤中温快速热解反应系统，如图1所示。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。将煤粉装入煤仓2中，经加料器3喷入上行蓄热式热解炉4底部。用热解产生的气体将煤粉1由上行蓄热式热解炉4底部送入至顶部，在两次不同加热温度下分别取煤粉进料量为100kg/(m²﹒s)进行热解试验。气体喷入速度由气体压缩机23控制，气体的速度为7m/s。两次热解上行蓄热式热解炉辐射管表面温度分别为900℃、1000℃，两次热解炉膛温度分别为700℃和950℃，单根蓄热式辐射管上的温度差不超过30℃。两次热解炉膛的压力分别为0.3mpa和0.4mpa。上行蓄热式热解炉4内煤粉1在提升气体作用下，同时从炉膛底部向顶部运动，在7s内快速热解，生成产物和粉尘。其中，第一次热解产物中含1.20％焦油、7.52％热解水、38.71％热解气和52.27％半焦。第二次热解产物中含0.86％焦油、6.11％热解水、41.85％热解气和51.18％半焦。产物和粉尘从上行蓄热式热解炉顶部排出，并送入至800℃的旋风分离器6中。半焦从旋风分离器6的气体中分离出来，经过温度为25℃的半焦冷凝器8送入至半焦收集器9中，作为固态产品。旋风分离中气态和液态产物经过电除尘净化分离器12脱除灰尘、杂质后，焦油从电除尘净化分离器12下部分离出来送入至焦油收集器14。从电除尘净化分离器12上部分离出来的气态和液态产物经25℃热解气冷凝器16冷凝，冷凝后的热解气和油水分别从冷凝器上部和下部送入至热解水收集器20和油水分离器18中。油水进一步经油水分离器18分离后的焦油送入至焦油收集器14中，分离后的热解水送入至热解水收集器20中。同时，经电除尘净化分离器12中未净化完全的油气循环再次进入油气冷凝器11中，进行除尘净化，得到焦油和热解气。

表4褐煤粒径分布

表5褐煤工业分析(％)

表6褐煤元素分析(％)

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。