多段式快速热解装置的制作方法

本发明创造属于煤化工、化石燃料热解技术领域，涉及一种多段式快速热解装置，尤其涉及含碳燃料的快速热解反应装置，以制取焦油、热解气和半焦。

背景技术：

目前，现代煤化工技术为实现低阶煤等含碳燃料的高效清洁转化利用，已开发出多种综合煤化工技术，粉煤快速热解技术就是其中之一。粉煤快速热解技术较已有的热解技术相比，解决了粉状物料无法利用的难题，粉煤快速热解技术主要有气体热载体和固体热载体两种加热方式，但以气体为热载体的炉型，因冷凝回收系统庞大，热解气热值低，焦油收率低等问题，难以进一步推广示范；以固体为热载体的炉型，则存在原料和热载体均匀混合，分离等问题，而限制了其进一步发展。

现有的蓄热式快速热解炉采用蓄热式辐射管作为热源，做到了温度可以单独控温，能实现装置顺利运行，但是也还有着缺陷，例如所选用的煤种范围有限，只能选取长焰煤、褐煤等不黏结煤种，对高黏粘性的煤种的适应性差，尤其是对于大小粒径混合的粉煤，无法高效燃烧，造成能源浪费，高温下黏结性煤更易结焦，结焦会使热解炉效率降低，缩短热解炉使用寿命；同时由于现有蓄热式快速热解炉内的辐射管普遍采用横向布置，辐射管数量较多，而结焦易成灰渣大块，结焦若熔合成大块时，因重力从上部落下，会下落砸到下方布置的辐射管，不仅会影响到已有的温度场均匀性，还会造成加剧辐射管的冲击磨损，长时间运行有可能使辐射管漏气，带来安全隐患；另外现有热解炉不能承压等，造成设备占地大，热解气和半焦产率低等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种多段式快速热解装置，该装置结构简单，为一种能够高效处理不同粒径粉煤的快速热解炉型，并且能够处理黏粘性易结焦的煤种，拓宽了煤种的适应性；同时减少了辐射管数量，减少了人为操作，装置故障率低，采用辐射管合理布置方式，有效的保证炉内的温度场均匀；此外，快速热解后的半焦可用作电厂锅炉的原料，解决了半焦的处理难题，将热解炉设计成加压装备后，增加了半焦产率；而且加压后，气体压力升高，体积减少，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺的流程，降低了设备和工艺造价。

为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：

本发明提出了一种多段式快速热解装置，包括：炉体和蓄热式辐射管，所述炉体包括：依次相连通的上段炉体、连接体和下段炉体，通过所述连接体对所述炉体进行变径，使得所述上段炉体与下段炉体的直径不同，处理不同粒径的粉煤；所述蓄热式辐射管包括：中心蓄热式辐射管和圆周层蓄热式辐射管，其中，所述中心蓄热式辐射管贯穿所述炉体且位于所述炉体的内腔的中部，所述圆周层蓄热式辐射管围绕所述中心蓄热式辐射管呈圆周布置，包括：第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管，所述第一圆周层蓄热式辐射管竖直贯穿所述上段炉体的内腔，所述第二圆周层蓄热式辐射管竖直设置于所述下段炉体的内腔，所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管均包括：多根蓄热式辐射管，每相邻两根蓄热式辐射管具有15°-60°的圆心夹角。

进一步的，还包括：物料进口、第一热解气出口、第二热解气出口和半焦出口，其中，所述物料进口设置于所述炉体的顶部，所述第一热解气出口设置于所述上段炉体的中部侧壁上，所述第二热解气出口设置于所述下段炉体的中部侧壁上，所述半焦出口设置于所述炉体的底部。

进一步的，所述上段炉体与下段炉体均为圆柱形，连接体为圆台形。

进一步的，所述上段炉体的直径大于与下段炉体的直径。

进一步的，所述中心蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端位于所述半焦出口处；所述第一圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端贯穿所述连接体延伸至所述上段炉体的外部；所述第二圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述连接体的落料口处，另一端位于所述半焦出口处。

进一步的，所述第一圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r1，所述第二圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r2，所述上段炉体的半径为r，其中，2/5<r1/r<4/5，2/5<r2/r1<4/5。

进一步的，所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管的层数均为至少一层。

进一步的，所述圆心夹角相同。

进一步的，所述中心蓄热式辐射管的直径为10-45cm，所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径为10-30cm，所述第二圆周层蓄热式辐射管的直径为5-15cm。

进一步的，所述中心蓄热式辐射管的直径为所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径的1-1.5倍。

本发明至少包括以下有益效果：

1）本发明结构简单，为一种能够高效处理不同粒径粉煤的快速热解炉型；

2）本发明能够处理黏粘性易结焦的煤种，拓宽了煤种的适应性；

3）本发明减少了辐射管数量，减少了人为操作，装置故障率低，采用辐射管合理布置方式，有效的保证炉内的温度场均匀；

4）本发明设计成承压容器，气体压力升高，体积减少，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺的流程，降低设备和工艺造价；

5）本发明采用合理的竖管布置，将对下端辐射管的磨损量降低至几乎为零，减少设备维护成本，增加设备使用寿命；

6）本发明快速热解后的半焦可用作电厂锅炉的原料，解决了半焦的处理难题；

7）本发明采用的煤种处在一定的粒度范围内，充分利用处在高温下的粉煤在炉内的停留时间不同，针对不同粒径的粉煤都能迅速完成热解反应，在保证热解效果的同时降低了炉体的高度。

附图说明

图1为本发明装置结构立体图。

图2为本发明装置俯视图。

图3为图2的a-a面剖视图。

图4为图2的b-b面剖视图。

其中，上段炉体101、连接体102、下段炉体103、物料进口104、第一热解气出口105、第二热解气出口106、半焦出口107、中心蓄热式辐射管2、第一圆周层蓄热式辐射管3、第二圆周层蓄热式辐射管4。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的实施例，图1为本发明装置结构立体图，图2为本发明装置俯视图，图3为图1的a-a面剖视图，图4为图1的b-b面剖视图，参照图1-4所示，本发明所述多段式快速热解装置包括：炉体、物料进口、第一热解气出口、第二热解气出口、半焦出口和蓄热式辐射管。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，本发明所述炉体包括：依次相连通的上段炉体、连接体和下段炉体，通过所述连接体对所述炉体进行变径，使得所述上段炉体的直径大于所述下段炉体的直径，处理不同粒径的粉煤；根据本发明的一些实施例，所述上段炉体与下段炉体均为圆柱形，连接体为圆台形。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，所述物料进口设置于所述炉体的顶部，即所述上段炉体的顶部；所述第一热解气出口设置于所述上段炉体的中部侧壁上，所述第二热解气出口设置于所述下段炉体的中部侧壁上，用于排出热解产生的热解油气，所述半焦出口设置于所述炉体的底部，即所述下段炉体的底部，用于将热解产生的半焦排出。

根据本发明的一些实施例，所述半焦出口优选为锥形，排料速度快，避免了产生的半焦在炉内堆积，造成堵塞。

根据本发明的一些实施例，所述炉体的高度为5-20m，物料在所述炉体内的停留时间在5s以上，本发明充分考虑了物料在高压下的反应效果，将炉体的横截面设置成圆形，并且本发明所述炉体的横截面也可为方形，优选为圆形横截面能承受更大压力，本装置的可承受压力为小于0.4mpa，但是根据材料要求，可适当提高承受压力；在常压下，气体密度不变，设置成加压装备后，气体压力升高，体积减少，相当于常压下气体体积的1/4，所以在相同的处理量下，可以做到装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺的流程，降低设备和工艺造价。

根据本发明的一些实施例，炉内压力对煤的热解产率有影响，压力增大焦油产率减少，半焦和气态产物产率增加，较多的半焦可选择气力输送方式送入电厂锅炉作为原料，用于锅炉燃烧发电，解决了热解半焦的去路难题；同时压力增加，不仅半焦产率增多，而且其强度也提高，这是因为挥发物析出困难，使液相产物之间作用加强，发展了热缩聚反应，这更加有利于半焦的气力输送或制成型煤外售。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，本发明所述蓄热式辐射管包括：中心蓄热式辐射管和圆周层蓄热式辐射管，其中，所述圆周层蓄热式辐射管围绕所述中心蓄热式辐射管呈圆周布置，包括：第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，本发明所述中心蓄热式辐射管贯穿所述炉体的顶部和底部，且位于所述炉体的内腔的中部，更具体的，位于所述炉体的正中心处，所述中心蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端位于所述半焦出口处，所述中心蓄热式辐射管的直径为10-45cm。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，本发明所述第一圆周层蓄热式辐射管竖直贯穿所述上段炉体的内腔，更具体的，所述第一圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端贯穿所述连接体延伸至所述上段炉体的外部，所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径为10-30cm。

根据本发明的一些实施例，所述中心蓄热式辐射管采取较大直径，其直径为所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径的1-1.5倍，使所述第一圆周层蓄热式辐射管周围的温度场更接近所述中心蓄热式辐射管表面的温度，可以使沿圆周向的温度梯度减少，利于温度场的均匀稳定。

根据本发明的实施例，参照图1-4所示，本发明所述第二圆周层蓄热式辐射管竖直设置于所述下段炉体的内腔，更具体的，所述第二圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述连接体的落料口处，另一端位于所述半焦出口处，所述第二圆周层蓄热式辐射管的直径为5-15cm，安装时，使其直径小于所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径，由于所述下段炉体的体积小，热量更加集中。

根据本发明的实施例，参照图2所示，本发明所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管的层数均至少为一层，每层均包括：多根蓄热式辐射管，且相邻两根蓄热式辐射管具有相同的圆心夹角α为15°-60°，所述圆心夹角α过小不仅会使蓄热式辐射管数量增加，而且易造成局部温度升高，引起温度场不均，所述圆心夹角α取值过大又会造成温度场不够的现象发生，本发明很好地解决了该技术问题，采用合理的蓄热式辐射管布置方式，有效的保证了炉内的温度场均匀。

根据本发明的一些实施例，为了增加物料处理量，在保持所述圆心夹角α不变的条件下，进行所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管的层数的增加，且保持每层之间的间隔距离相等，例如：当所述层数为两层时，对于所述第一圆周层蓄热式辐射管：第二层所述第一圆周层蓄热式辐射管与第一层所述第一圆周层蓄热式辐射管之间的间隔距离等于第一层所述第一圆周层蓄热式辐射管与所述中心蓄热式辐射管之间的间隔距离，同样的，对于所述第二圆周层蓄热式辐射管：第二层所述第二圆周层蓄热式辐射管与第一层所述第二圆周层蓄热式辐射管之间的间隔距离等于第一层所述第二圆周层蓄热式辐射管与所述中心蓄热式辐射管之间的间隔距离，当层数为三层以上时，以此类推。

根据本发明的实施例，参照图2所示，所述第一圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r1，所述第二圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r2，所述上段炉体的半径为r，其中，2/5<r1/r<4/5，2/5<r2/r1<4/5，r1/r优选为1/2，r2/r1优选为1/2，本发明采取合适的比例，使得所述炉内的温度场更加均匀。

根据本发明的一些实施例，本发明所述蓄热式辐射管采用直型蓄热式辐射管，每根蓄热式辐射管可以通过燃气调节阀单独控温。

根据本发明的一些实施例，本发明通过合理的角度与参数控制，有利于保证蓄热式辐射管提供的热量分布均匀，并能减少蓄热式辐射管的数量，增大处理量，参数过大与过小都会使蓄热式辐射管的局部区域过热，造成热量分布不均。

根据本发明的一些实施例，本发明所述多段式快速热解装置的运行过程具体包括以下步骤。

（1）经干燥器干燥后的粉煤通过吨装包斗提/提升管等方式送入到快速热解装置的物料进口，可以在通过入炉前，预先通过炉体上方的布料器装置对物料进行均匀分散；

（2）粉煤进入炉体，在炉体内均匀布置了直型蓄热式辐射管，管壁温度利用燃气调节阀控制在600-1200℃，在炉体中自上而下停留5-15s，粉煤在炉内被加热到550-1100℃，完成热解过程。

根据本发明的一些实施例，在热解过程中温度场的温度可通过多种方式调节，例如，调整蓄热式辐射管的根数；蓄热式辐射管的层数；蓄热式辐射管彼此之间的间距；各蓄热式辐射管本身的温度。

（3）产生的热解油气由第一热解气出口和第二热解气出口排出，进入到后续的热解气净化装置，产生的热解半焦由热解炉底部的锥形半焦出口快速排出，可用于电厂锅炉的原料。

本发明所述热解装置采用的煤种为<1mm的粉煤，减轻磨煤机的压力，煤种来源广泛；在高温条件下，由于小粒径的粉煤比大粒径的粉煤在炉内停留时间更长，热解炉体在相同高度的条件下，小粒径的粉煤热解更充分，在运行中，小粒径的粉煤先热解完全，炉内停留时间长，首先停留在上段炉体内，而相对大粒径的粉煤由于重力原因，在上段炉体反应时间较短，热解不完全，再经所述连接体的落料口进入到下段炉体继续进行热解，由于大粒径的粉煤先行落入到下段，与小粒径粉煤在下落过程中形成时间差，因此，在小直径的下段炉体内不会产生堵料现象。

根据本发明的一些实施例，本装置结构简单，安装方便，能够高效处理大小粒径混合的细粉煤种，拓宽了煤种的适应性，尤其适应于高温条件下的热解，例如将辐射管温度加热到1200℃以上时，炉内温度会达到1100℃左右，结焦现象的产生原因是熔化状态下的灰沉积在受热面上，优质原料煤的灰熔点一般在1250-1500℃，而劣质煤种的灰熔点则低于1100℃，这种种在热解过程中就非常容易结焦；而结焦易成灰渣大块，结焦若熔合成大块时，因重力从上部落下，会下落砸到下方布置的辐射管，不仅会影响到已有的温度场均匀性，还会造成加剧辐射管的冲击磨损，长时间运行，容易使辐射管漏气，带来安全隐患。而本装置采用竖直布置辐射管方式，即使正常结焦也不会对下面的辐射管道进行冲击，能保证长时间安全运行。

更具体的，在长时间运行过程中，物料从顶部到底部下行的过程中，速度越来越大，当蓄热式辐射管横向布置时，对辐射管的冲击磨损很大，实验表明，在材料介质为cr28ni48w5钢材下，3-5mm的颗粒在900℃以上，长时间连续运行时，对钢材的磨损量将达到1-2.3mm每年，造成了具大经济损失，本发明采用竖管布置，很好地解决了该技术问题，将对下端辐射管的磨损量降低几乎为零，减少了设备维护成本。

根据本发明的实施例，本发明装置对黏结性煤的适应性强，煤的黏结性是煤粒在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质（即无粘结力的物质）成焦块的性质；煤在热解过程中，一般要经过软化、熔合、膨胀、固化和收缩几个阶段。当温度等于或高于煤的软化点（一般为315-350℃）时，煤都软化成胶质体，对于黏结性煤，在此范围内极易黏结自身或其他物质出现结焦，导致炉内出现蓬料、堵塞、半焦产品无法下料等问题，对于横向的辐射管布置方式，由于物料下落过程中，物料直接与辐射管进行接触，大面积的结焦现象会使物料下料受阻，引起炉内压力升高，容易造成热解气体外漏等现象，而采用本发明的竖管方式布置后，减少了与物料的接触面积，黏结性引起的结焦现象得到大大改善。

实施例1：本装置以陕西榆林煤矿厂区的煤为原料，粒径为如表1所示，利用热解装置对其进行热解过程，预先将粉煤进行干燥处理，经过干燥后，粉煤的榆林煤基础数据如表2所示。

表1榆林煤粒径分布

表2：榆林煤基础数据

热解炉体高度为6米，处理量为15kg/h，运行20小时，炉内压力0.4mpa；蓄热式辐射管的温度设置成1000℃，最终得到的半焦174kg，热解气96kg，热解油水共30kg；较常压下相同操作条件相比，半焦与热解气总产率提高了12.5%。试验顺利进行至结束，并未发生黏结堵料憋压等问题。

发明人发现，本发明所述多段式快速热解装置设计成承压容器，气体压力升高，体积减少，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺的流程，降低设备和工艺造价；并且采用合理的竖管布置，将对下端辐射管的磨损量降低至几乎为零，减少设备维护成本，增加设备使用寿命；本发明快速热解后的半焦可用作电厂锅炉的原料，解决了半焦的处理难题；此外，本发明采用的煤种处在一定的粒度范围内，充分利用处在高温下的粉煤在炉内的停留时间不同，针对不同粒径的粉煤都能迅速完成热解反应，在保证热解效果的同时降低了炉体的高度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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发明和简化描述，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发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。