專利名稱：一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能源化工領域，具體地，本發(fā)明涉及一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置及方法。
背景技術：
中國的能源資源特點是“富煤、貧油、少氣”，煤炭長期以來占一次能源消費總量的近70%，石油、天然氣供應缺口逐年加大；同時，中國經(jīng)濟的快速發(fā)展對有機化學品的需求劇增，特別是石油基化學品，如苯和對二甲苯、苯酚、乙烯等。中國應充分重視利用國內(nèi)豐富的煤炭資源，將其轉化為緊缺的油氣燃料和化學品，彌補石油、天然氣資源的不足。熱解是一種利用煤炭、生物質(zhì)等固體燃料生產(chǎn)替代油氣資源的溫和轉化過程。所謂煤的熱解，是指煤在隔絕空氣的條件下進行加熱，煤在不同溫度下發(fā)生一系列的物理變化和化學反應的復雜過程，其結果生成熱解氣(也稱煤氣)、熱解油(也稱煤焦油或焦油)、 固體(半焦或焦炭)等產(chǎn)品。煤的熱解也稱為煤的干餾或熱分解，熱解是煤轉化的關鍵步驟，煤氣化、液化、焦化和燃燒都要經(jīng)過或發(fā)生熱解過程，雖然煤熱解的油氣產(chǎn)率遠低于氣化和液化過程，但從生產(chǎn)替代油氣和化學品的角度分析，煤熱解工藝轉化條件溫和、工藝流程短、煤種適應性寬、能效高、水耗低。國外自上世紀70年代以來，開展了大量煤熱解技術的研發(fā)工作，典型工藝有回轉爐、移動床、流化床和氣流床熱解工藝。采用回轉爐熱解的有美國Toscoal技術、美國 Encoal技術、加拿大ATP技術；Toscoal技術和Encoal技術主要針對低階煤提質(zhì)，目的產(chǎn)品是固體燃料半焦，加熱所需燃料為該工藝自產(chǎn)的煤氣或燃料油；ATP技術針對油頁巖提取油品，其核心設備是一個多間隔、臥式旋轉回轉窯，設備龐大，空間利用率低。采用移動床熱解的有美國LFC技術、德國Lurgi-Ruhr技術、前蘇聯(lián)的ETCH-175工藝；LFC工藝采用三段式處理，即干燥、熱解和固體產(chǎn)品精整，熱源為工藝自產(chǎn)煤氣，半焦經(jīng)鈍化后性質(zhì)穩(wěn)定； Lurgi-Ruhr工藝采用半焦熱載體的機械攪拌重力移動床熱解器，其優(yōu)點為油收率高、能耗低、但所得焦油含塵量較大，排料系統(tǒng)容易堵塞，由于采用機械攪拌裝置，磨損問題比較嚴重；ETCH-175采用熱粉焦為熱載體，焦油收率較高，但焦油中重質(zhì)組分較高。采用流化床熱解的有美國COED技術、澳大利亞的CSIRO技術；COED熱解工藝采用多個流化床串聯(lián)的多級流化床，該工藝實現(xiàn)了分段快速加熱，大部分焦油產(chǎn)生在低溫區(qū)，較好的減少了二次熱解反應，氣體產(chǎn)品中含有40 50%的H2，可用于焦油的加氫處理，COED工藝流程復雜，由于焦油中含有很多細粒半焦，要用過濾器予以脫除；CSIRO工藝采用固體和氣體熱載體加熱，用褐煤生產(chǎn)半焦和液體燃料。采用氣流床熱解的有美國Garrett技術，Garrett工藝使用粉碎至0. Imm以下的煤粉，用高溫半焦作為熱載體一起進入氣流床反應器中，將煤粉快速加熱， 發(fā)生熱解反應，半焦與空氣進行燃燒為熱解器供熱，該工藝優(yōu)點是焦油收率高，其缺點是生成的焦油和粉塵半焦會附著在旋風分離器和管路的內(nèi)壁，長時間運行會堵塞管道。國內(nèi)從上世紀90年代以來開發(fā)了多種煤熱解技術以及以熱解為基礎的多聯(lián)產(chǎn)技術。煤炭科學研究總院北京煤化工分院開發(fā)了多段回轉爐(MRF)技術，MRF工藝的主體是3臺串聯(lián)的臥式回轉爐，分別為內(nèi)熱式回轉干燥爐、外熱式回轉熱解爐和熄焦爐，該工藝由于煤熱解前脫除煤中大部分水分，極大地減少了含酚廢水量，酚水與凈水摻混作為熄焦用，從而避免建立耗資較大的污水處理系統(tǒng)。大連理工大學(DG)開發(fā)了固體熱載體熱解技術，該工藝由備煤、煤干燥、煤熱解、流化提升加熱粉焦、煤焦混合流化燃燒和煤氣冷卻、輸送及凈化等部分組成，DG工藝的技術核心是以半焦作為固體熱載體，并以流態(tài)化的方式按熱解過程所需熱量組織物料和熱量的輸送。中科院的過程工程研究所、山西煤炭化學研究所、工程熱物理研究所以及浙江大學分別開發(fā)了循環(huán)流化床燃燒與熱解反應器耦合的多聯(lián)產(chǎn)技術， 分別采用下行床、移動床和流化床熱解器，該技術利用循環(huán)流化床鍋爐的熱灰作為熱載體， 提供煤熱解所需熱量，在煤燃燒前提取煤中所含的油氣燃料和高價值化學品，可實現(xiàn)煤炭的分級轉化利用。中科院化工冶金研究所發(fā)明了一種循環(huán)流態(tài)化碳氫固體燃料的四聯(lián)產(chǎn)工藝及裝置(專利號ZL01110152. 0)，采用循環(huán)流化床反應器，快速熱解粉狀固體燃料以提取燃料油、燃氣，隨后半焦燃燒產(chǎn)生熱/電，該工藝僅適用于0. 03 0. 3mm的粉狀物料。浙江大學公開了一種循環(huán)流化床熱電氣焦油多聯(lián)產(chǎn)裝置及其方法(專利號ZL200610154581. X)， 將循環(huán)流化床燃燒爐和流化床干餾爐結合，利用循環(huán)流化床的熱灰供熱使煤熱解提取熱解油、熱解氣，剩余半焦輸送到循環(huán)流化床燃燒爐中燃燒。中國科學院工程熱物理研究所公開了固體熱載體快速熱解方法及裝置(公開號CN101353582A)，同樣采用循環(huán)流化床增加熱灰分配器能夠實現(xiàn)煤高溫循環(huán)灰在燃燒與熱解回路之間的穩(wěn)定分配。中科院工程熱物理研究所還公開的一種用于循環(huán)流化床鍋爐的爐前煤拔頭的方法(公開號CN101435574A)，其在循環(huán)流化床鍋爐前設置固體熱載體熱解氣化裝置，將部分或全部的循環(huán)流化床鍋爐給煤先送入該裝置，進行煤拔頭，產(chǎn)生熱解氣和焦油，半焦送入循環(huán)流化床鍋爐爐膛或煤拔頭燃燒室燃燒。以上的專利技術屬于固體熱載體熱解工藝，需要與循環(huán)流化床鍋爐耦合，受到舊鍋爐改造空間不夠的限制。神華集團有限責任公司公開了一種煤熱解提質(zhì)的方法(公開號 CN101608125A)，該方法將粒度彡30mm的原煤送入回轉干燥器中，使其與熱煙道氣并流接觸、直接換熱；與此同時，原料煤在回轉干燥器中與來自熱解器的熱半焦間接換熱，從而實現(xiàn)原料煤的干燥；干燥后的原料煤與來自加熱回轉窯的高溫半焦混合后送入熱解器中，煤料與高溫半焦直接換熱并發(fā)生熱解，生成熱半焦、焦油蒸汽和煤氣，最終熱解溫度為500 700°C;該發(fā)明利用半焦熱載體加熱，由于采用回轉爐，熱半焦的循環(huán)輸送比較困難。中國科學院過程工程研究所的專利技術CN101781583A公布了一種煤熱解氣化高值利用的方法及裝置，該技術通過稀相輸送床與密相流化床耦合的方式，將煤的熱解和氣化過程分離，在煤氣化之前先進行部分或全部熱解，實現(xiàn)熱解氣、氣化生成氣和熱解油聯(lián)產(chǎn)；該發(fā)明采用氣體熱載體，實現(xiàn)了熱解與氣化的耦合，但是由于上部采用輸送床，帶出的細焦粉較多，氣固分離是個難題。目前，國內(nèi)外開發(fā)的熱解工藝基本都處于中試或工業(yè)示范階段，至今仍無大規(guī)模煤熱解制備替代油氣的商業(yè)化運行技術。存在的核心問題是熱解過程的氣液產(chǎn)品收率與品質(zhì)控制未能實現(xiàn)技術突破。許多中試及工業(yè)性試驗結果表明目前的大部分熱解工藝所產(chǎn)生的焦油中的浙青質(zhì)含量高達50%以上，焦油中的重質(zhì)組分不僅降低了煤基油品的品位和價值，而且高粘度的焦油難于與系統(tǒng)中夾帶的粉塵實現(xiàn)有效分離，造成了一系列的運行問題，阻礙了熱解技術的工業(yè)化應用。因此，大規(guī)模熱解制備替代燃料油、天然氣與化學品技術的產(chǎn)業(yè)化亟待解決熱解產(chǎn)物品質(zhì)控制問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，提供一種可用于煤、固體廢棄物、油砂、油石或油頁巖等含碳氫固體燃料的熱解氣化裝置，使其可以提高熱解產(chǎn)物的品質(zhì)，具體來說是提高焦油中輕質(zhì)組分的含量，降低浙青質(zhì)組分的含量。本發(fā)明的目的還在于提供了一種固體燃料的多段分級熱解氣化方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案所提供的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置包括加煤裝置1、多層流化床反應器6、排渣閥9、旋風分離器10和冷凝分離器11 ；所述的多層流化床反應器6的底部設置進氣口，用于通入氣化劑，氣化劑通過該進氣口進入多層流化床反應器6內(nèi)，發(fā)生煤的熱解和半焦的氣化反應并得到高溫的氣化氣；所述的多層流化床反應器6內(nèi)設置若干層流化床3，每層流化床3通過帶孔的分布板5隔開，最頂層流化床與加煤裝置1連通，最頂層流化床中加入的煤與該層熱解半焦及上行的高溫熱解氣化氣進行熱交換，發(fā)生低溫熱解，得到初步熱解的固體顆粒；初步熱解的固體顆粒經(jīng)溢流管4/分布板5下行進入到下一層流化床中，在該下一層流化床中繼續(xù)與高溫的半焦及上行的熱解氣化氣發(fā)生熱交換進行熱解反應，依次進入下一層流化床中，若干層流化床中煤的熱解程度由上至下遞增至充分熱解，得到熱解氣體和半焦；煤熱解后得到的半焦進入最底層流化床，與多層流化床反應器(6)底部通入的氣化劑發(fā)生氣化反應生成高溫氣化氣和固體殘渣；所述的多層流化床反應器6的底部設有排渣閥9，用于排出熱解得到的半焦或氣化得到的固體殘渣；所述的多層流化床反應器6頂部設有旋風分離器10，用于分離得到的熱解氣化氣體中夾帶的細粉顆粒，分離得到的細粉顆粒由下部出口通過管路經(jīng)多層流化床反應器6最底層的返料口 7返回反應器，形成循環(huán)。作為上述方案的一種改進，所述的旋風分離器10上部出口設置冷凝分離器11，用于熱解氣化氣體產(chǎn)物的冷凝、分離。作為上述方案的又一種改進，所述的加煤裝置1和多層流化床反應器6的最頂層之間設有預處理器2，用于固體燃料的粉碎、篩選和干燥，去除固體燃料中的水分并預熱。作為上述方案的再一種改進，所述的預處理器2和多層流化床反應器6之間安裝單層流化床反應器14或雙層流化床反應器8，用于煤的初步熱解。作為上述方案的再一種改進，所述的多層流化床反應器6中相鄰兩層流化床3之間設有溢流管4，用于將熱解不完全的顆粒導進下一層流化床繼續(xù)進行熱解或氣化反應。作為上述方案的再一種改進，所述的熱解氣化裝置還包括半焦罐12，該半焦罐12 與多層流化床反應器6底端連通，用于收集半焦。作為上述方案的還一種改進，所述的熱解氣化裝置還包括氣化爐13，該氣化爐13 與多層流化床反應器6底部連通，用于煤熱解后得到的半焦的氣化。作為上述方案的最后一種改進，所述的多層流化床反應器6為軸向變徑結構。本發(fā)明還提供了一種固體燃料的多段分級熱解氣化方法，該方法包括以下步驟1)將氣化劑通過進氣口通入多層流化床反應器6中的最底層流化床內(nèi)，發(fā)生煤熱解后得到的半焦的氣化反應，得到高溫的氣化氣；2)將固體燃料由加煤裝置1送入多層流化床反應器6的最頂層流化床中，并與該層的熱解半焦及上行的高溫熱解氣化氣發(fā)生熱交換，發(fā)生低溫熱解，得到初步熱解的固體顆粒；初步熱解的固體顆粒經(jīng)溢流管4/分布板5下行進入到下一層流化床中，繼續(xù)與高溫的半焦及上行的熱解氣化氣發(fā)生熱交換進行熱解反應，直至充分熱解，得到熱解氣體和半焦；煤熱解后得到的半焦進入最底層流化床，與底部通入的氣化劑發(fā)生氣化反應生成高溫氣化氣和固體殘渣；3)步驟2、中得到的半焦或固體殘渣通過多層流化床反應器6的最底層流化床氣化反應器或氣化爐13下部的排渣口或氣化反應器側面的排渣口排出；4)步驟2、中產(chǎn)生的熱解氣化氣體由多層流化床反應器6的氣體出口進入旋風分離器10中，分離熱解氣化氣中夾帶的細粉顆粒，得到的細粉顆粒經(jīng)管路返回到多層流化床反應器6最底層流化床中進行氣化或熱解反應。作為上述方案的一種改進，所述的方法還包括步驟幻將步驟4)中的熱解氣化氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝分離器11冷凝、分離后得到焦油和煤氣。作為上述方案的再一種改進，所述的步驟1)中還包括將固體燃料進行粉碎、篩選和干燥的步驟，用于去除固體燃料中的水分并預熱。作為上述方案的又一種改進，所述的步驟2)中氣化劑為空氣、空氣和水蒸汽混合氣體、氧氣和水蒸汽混合氣體、或氧氣、二氧化碳和水蒸氣的混合氣體。本發(fā)明所提供一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，包括加煤裝置1、預處理器2、流化床3、溢流管4、分布板5、多層流化床反應器6、返料口 7、雙床層流化床反應器8、排渣閥9、旋風分離器10、冷凝分離器11、半焦罐12、氣化爐 13、單層流化床反應器14、雙層流化床反應器第一層15和雙層流化床反應器第二層16。其中，加煤裝置1與預處理器2或與多層流化床反應器6中最頂部的第一層流化床相連；流化床從上到下分為第一層流化床，第二層流化床，依次為第n-1層流化床，第η層流化床；流化床底部出口與排渣閥9相連；流化床第η層流化床可與氣化爐13相連，也可與半焦罐12相連；氣化爐13產(chǎn)生的氣體可排出或與第η層流化床下部相連；多層流化床反應器6中最頂部的第一層流化床上端與旋風分離器10相連；旋風分離器10與冷凝分離器11相連；旋風分離器分離出的細粉顆粒與第η層流化床上的返料口 7相連；在預處理器 2與多層流化床反應器6之間可安裝單層流化床反應器14或雙層流化床反應器8，雙層流化床8由雙層流化床反應器的第一層15和雙層流化床反應器的第二層16組成。假定多層流化床為5層時，具體實施過程是原煤先經(jīng)過原煤加工裝置加工篩選后，利用加煤裝置1以一定的粒度(< IOmm)加入到預處理器2中，利用熱空氣或燃燒后的煙氣加熱干燥除去水分后并將煤預熱到100 200°C左右后，加入到多層流化床反應器6中最頂部的第一層流化床中，在此與該層熱解半焦及上行的較高溫度熱解氣化氣換熱升溫到 300 350°C，低溫熱解析出少量熱解油氣，初步熱解的煤顆粒經(jīng)第一層流化床3中的溢流管4進入到第二層流化床中，與該層已有的較高溫度半焦及上行的熱解氣化氣換熱升溫， 在400 450°C下進行繼續(xù)進行低溫熱解反應，析出大部分輕質(zhì)熱解油氣，生成的半焦經(jīng)第二層流化床中的溢流管進入到第三層流化床中，并在500 550°C下進行中溫熱解反應，析出大部分熱解油氣，熱解后半焦經(jīng)第三層流化床中的溢流管進入到第四層流化床中，并在600 650°C下繼續(xù)進行中溫熱解反應，析出剩余的熱解油氣，熱解反應完全后的半焦經(jīng)第四層流化床中的溢流管進入到第五層流化床中，由第五層流化床底部通入氣化劑，半焦在 850 1000°C下發(fā)生氣化反應，生成的氣體進入上層熱解段，作為熱解反應的熱源，然后與各層熱解段的熱解氣混合在一起，并夾帶部分細粉顆粒進入到旋風分離器10中進行氣固分離，分離后的細粉顆粒經(jīng)管路和流化床反應器底部的返料口 7返回到最底層的流化床中進行氣化反應，從而形成一個循環(huán)系統(tǒng)，分離出的熱解氣化氣體進入冷凝分離器中分離出煤氣和焦油。在最底層流化床底部或側面安裝有排渣口，可定期放出半焦或固體殘渣以維持系統(tǒng)的物料和能量平衡并得到高品位的半焦燃料。根據(jù)本發(fā)明提供的提高固體燃料熱解產(chǎn)物品質(zhì)的多段分級熱解氣化方法，其步驟如下(1)固體燃料首先經(jīng)預處理裝置粉碎篩選粒度(IOmm以下)和干燥，去除固體燃料中的大部分水分并將固體燃料預熱到100 200°C左右；所述的固體燃料可以為煤、生物質(zhì)、固體廢棄物、油砂、油石或油頁巖等含碳氫固體可燃物料；(2)經(jīng)預處理后的固體燃料或未經(jīng)預處理的固體燃料由給料器送入多層流化床反應器最頂部的第一層的流化床中，在此與該層的熱解半焦及上行的較高溫度熱解氣化氣換熱升溫到300 350°C，初步熱解析出部分熱解油氣，初步熱解的固體顆粒經(jīng)該層流化床中的溢流管/分布板下行進入到下一層流化床中，與該層已有的較高溫度半焦及上行的熱解氣化氣換熱升溫，繼續(xù)發(fā)生逐級升溫熱解反應，生成的固體產(chǎn)物逐級進入下一層流化床中反應，直至熱解反應完全，所得半焦產(chǎn)物經(jīng)溢流管/分布板進入到最底層的流化床氣化反應器或單獨的氣化爐，使半焦在850 100(TC下發(fā)生部分氣化或全部氣化反應；(3)流化床氣化反應器生成的氣化氣進入上層熱解段作為上部熱解流化床的熱載體，半焦或固體殘渣既可以從氣化反應器下部的排渣口排出，也可以從氣化反應器側面的排渣口排出。步驟( 所述的熱解和氣化反應生成的氣體產(chǎn)物在多層流化床反應器內(nèi)以氣態(tài)形式存在，氣態(tài)產(chǎn)物攜帶少量細粉顆粒由第1層流化床進入旋風分離器分離，經(jīng)一級或η 級旋風分離器分離得到的細粉顆粒返回到最底層流化床中進行熱解或氣化反應，氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝、分離系統(tǒng)后得到焦油和煤氣；所述通入最底部氣化反應器內(nèi)的氣化劑為空氣、空氣和水蒸汽混合氣體、氧氣和水蒸汽混合氣體或氧氣、二氧化碳和水蒸氣的混合氣體。本發(fā)明技術的基本原理由附圖1所示。多層流化床固體燃料多段分級熱解技術主要是由預處理器、多層流化床熱解氣化反應器及產(chǎn)品分離收集裝置組成。通過底部半焦氣化產(chǎn)生的氣體為上部熱解反應提供熱量，加入的煤通過溢流管/分布板逐層下降并發(fā)生熱解反應，最終得到高品質(zhì)的油氣。具體來說，煤經(jīng)加料器計量并加入到煤預處理器中干燥， 然后送入到多層流化床熱解反應器最頂層的流化床層中，通過溢流管/分布板向下溢流， 經(jīng)過幾段床層后在最底部發(fā)生氣化反應，半焦氣化產(chǎn)生的高溫氣體向上經(jīng)半焦層與煤接觸，最終氣體經(jīng)過旋風分離器分離，細粉燃料可返回到最底部床層繼續(xù)進行熱解或氣化反應，氣體經(jīng)冷凝后分離，得到煤氣和焦油產(chǎn)品。本發(fā)明方法及裝置的有益效果和優(yōu)點是(1)通過固體燃料的多層流化熱解，沿床層建立溫度梯度，延長固體燃料顆粒在低溫下的停留時間，大部分焦油產(chǎn)生在低溫區(qū)，減少高溫下的二次裂解反應，提高輕質(zhì)油品的品質(zhì)和產(chǎn)率；( 多層流化床反應器中上部半焦對下部熱解產(chǎn)生的重質(zhì)組分具有原位催化作用，可使熱解產(chǎn)生的重質(zhì)組分催化重整生成輕質(zhì)組分，有效提高熱解產(chǎn)物的品質(zhì)；C3)最底層流化床中通入氧氣和水蒸氣使上部的多層流化床熱解產(chǎn)生的半焦氣化，產(chǎn)生的合成氣作為熱解反應的熱載體，固體燃料顆粒自上而下在合成氣的氣氛下熱解，可以使固體燃料熱解產(chǎn)生的大分子自由基與外來小分子活性自由基結合，產(chǎn)生輕質(zhì)組分，從而抑制大分子自由基縮聚形成重質(zhì)組分的反應。


圖1為多層流化床固體燃料多段分級熱解氣化原理圖；圖2為帶有預處理裝置的溢流管式多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖3為不帶預處理裝置的溢流管式多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖4為不帶溢流管的多孔板型多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖5為床側面帶溢流管出料的多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖6為最底層溢流管出料的多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖7為底部氣化段變徑的多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖8為帶有獨立氣化器的多層流化床固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖9為單層流化床與多層流化床組合的固體燃料熱解氣化工藝流程圖；圖10為兩層流化床與多層流化床組合的固體燃料熱解氣化工藝流程圖。附圖標識1、加煤裝置2、預處理器3、流化床4、溢流管5、分布板6、多層流化床反應器7、返料口8、雙層流化床反應器9、排渣閥10、旋風分離器11、冷凝分離器12、半焦罐13、氣化爐14、單層流化床反應器 15、雙層流化床反應器的第一層16、雙層流化床反應器的第二層
具體實施例方式以下參照具體的實施例來說明本發(fā)明。這些實施例僅用于說明本發(fā)明的目的，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示為本發(fā)明的多層流化床固體燃料多段分級熱解氣化原理圖。如圖2所示，多層流化床反應器6為5層溢流管式多層流化床，相鄰兩層之間通過分布板5隔開，原煤先經(jīng)過原煤加工裝置加工篩選后，利用加煤裝置1以一定的粒度 (< IOmm)加入到預處理器2中，利用熱空氣或燃燒后的煙氣加熱干燥除去水分后并將煤預熱到100 200°C左右后，加入到多層流化床反應器6中最頂部的第一層流化床中，在此與該層的熱解半焦及上行的較高溫度熱解氣化氣換熱升溫到300 350°C，低溫熱解析出少量熱解油氣，初步熱解的煤顆粒經(jīng)第一層流化床中的溢流管4進入到第二層流化床中，與該層已有的較高溫度半焦及上行的熱解氣化氣換熱升溫，在400 450°C下繼續(xù)進行低溫熱解反應，析出大部分輕質(zhì)熱解油氣，生成的半焦經(jīng)第二層流化床中的溢流管進入到第三層流化床中，并在500 550°C下進行中溫熱解反應，析出大部分熱解油氣，熱解后半焦經(jīng)第三層流化床中的溢流管進入到第四層流化床中，并在600 650°C下繼續(xù)進行中溫熱解反應，析出剩余的熱解油氣，熱解反應完全后的半焦經(jīng)第四層流化床中的溢流管進入到第五層流化床中，由第五層流化床底部通入氣化劑，半焦在850 1000°C下發(fā)生氣化反應，生成的氣體進入上層熱解段，作為熱解反應的熱源，然后與各層熱解段的熱解氣混合在一起， 并夾帶部分細粉顆粒進入到旋風分離器10中進行氣固分離，分離后的細粉顆粒經(jīng)管路和流化床反應器底部的返料口 7返回到最底層的流化床中進行氣化反應，從而形成一個循環(huán)系統(tǒng)，分離出的氣體進入冷凝分離器11中分離出煤氣和焦油。在流化床底部安裝有排渣閥 9，可定期放出半焦或固體殘渣以維持系統(tǒng)的物料和能量平衡并得到高品位的半焦燃料。如圖3所示，與圖2不同的是圖3中沒有預處理器，原煤不經(jīng)過干燥等預處理裝置直接通過螺旋加料器加入多層流化床反應器的上端，第一層流化床實際上就起到了干燥兼熱解反應器的作用，適用于水分含量小于10%的煤，可以節(jié)約設備投資。如圖4所示，與圖3不同的是多層流化床反應器內(nèi)部沒有設置溢流管，直接采用多孔板形式，原煤通過分布板上的孔向下流到下層床層中，分布板的開孔率為20% 50%， 根據(jù)固體物料的停留時間而定。如圖5所示，在多層流化床反應器底部的側面設置了一個溢流管出口，熱解反應后的高品質(zhì)半焦經(jīng)一定的停留時間后可以通過溢流管排出，適用于半焦部分氣化，半焦排出作為產(chǎn)品輸出的情況，此時下部排渣口只排出氣化反應完的固體殘渣。如圖6所示，圖6中的半焦溢流方式與圖5中的不同，半焦通過最底層流化床內(nèi)的溢流管溢流到底部一個半焦罐12中，半焦經(jīng)冷卻回收熱量后從排渣口排出，這種方式也適用于半焦部分氣化，部分半焦排出作為產(chǎn)品輸出的情況。如圖7所示，多層流化床反應器底部的氣化段內(nèi)徑比上部的熱解段擴大，可以使多層流化床最底層的氣化反應的停留時間延長，適用于半焦全部氣化生產(chǎn)工業(yè)燃氣或合成氣的場合。如圖8所示，在多層流化床反應器一側裝有獨立的氣化爐13，煤在多層流化床反應器中進行熱解反應，最底層流化床中的半焦通過連接管路進入氣化爐中進行氣化反應， 得到的高溫氣化氣可返回到多層流化床的底部進入多層流化床反應器中，為熱解反應提供熱量，也可以部分作為產(chǎn)品氣輸出，根據(jù)熱解與氣化反應之間的熱量平衡而定。采用獨立的氣化爐，可以靈活調(diào)節(jié)氣化反應器中半焦的停留時間以及熱解與氣化反應之間的熱量平衡。如圖9所示，在多層流化床反應器之前設有預處理器和一個單層流化床反應器14，經(jīng)過預處理后的煤在此流化床反應器中與熱解半焦及較高溫度氣化氣換熱升溫到 300 350°C，低溫熱解析出少量熱解油氣，這部分熱解油氣經(jīng)除塵、冷凝分離后可得到輕質(zhì)焦油。初步熱解的煤顆粒經(jīng)單層流化床反應器與多層流化床反應器之間的管路進入到多層流化床反應器中，繼續(xù)進行較高溫度的熱解反應。由于提高了多層流化床反應器最頂層的熱解溫度，避免多層流化床反應器上部溫度過低時的重質(zhì)焦油的凝結，防止焦油堵塞分布板。由于將單層流化床反應器低溫熱解得到的輕質(zhì)熱解油氣單獨分離，可以集中得到輕質(zhì)焦油，便于焦油產(chǎn)品的后續(xù)加工。如圖10所示，在多層流化床反應器之前設有預處理器和一個雙層流化床反應器8，經(jīng)過預處理后的煤進入雙層流化床反應器的第一層15中與熱解半焦及較高溫度熱解氣化氣換熱升溫到300 350°C，低溫熱解析出少量熱解油氣，初步熱解的煤顆粒經(jīng)第一層流化床15中的溢流管進入到第二層流化床16中，與該層已有的較高溫度半焦及上行的熱解氣化氣換熱升溫，在400 450°C下進行繼續(xù)進行低溫熱解反應，析出大部分輕質(zhì)熱解油氣，這部分熱解油氣經(jīng)冷凝分離后可得到輕質(zhì)焦油。經(jīng)低溫熱解的煤顆粒通過雙層流化床反應器與多層流化床反應器之間的管路進入到多層流化床反應器中，繼續(xù)進行低溫熱解反應。由于將低溫熱解與中溫熱解分開，提高了多層流化床反應器最頂層的熱解溫度，避免多層流化床反應器上部溫度過低時的重質(zhì)焦油的凝結，防止焦油堵塞分布板。由于將雙層床反應器低溫熱解得到的輕質(zhì)熱解油氣單獨分離，可以集中得到輕質(zhì)焦油，便于焦油產(chǎn)品的后續(xù)加工。 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，所述的熱解氣化裝置包括加煤裝置(1)、 多層流化床反應器(6)、排渣閥(9)、旋風分離器(10)和冷凝分離器(11)；其特征在于，所述的多層流化床反應器(6)的底部設置進氣口，用于通入氣化劑，氣化劑通過該進氣口進入多層流化床反應器(6)內(nèi)，發(fā)生煤的熱解和半焦的氣化反應并得到高溫的熱解氣化氣；所述的多層流化床反應器(6)內(nèi)設置若干層流化床(3)，每層流化床C3)通過帶孔的分布板( 隔開，最頂層流化床與加煤裝置(1)連通，最頂層流化床中加入的煤與該層熱解半焦及上行的高溫熱解氣化氣進行熱交換，發(fā)生低溫熱解，得到初步熱解的固體顆粒；初步熱解的固體顆粒經(jīng)溢流管G)/分布板( 下行進入到下一層流化床中，在該下一層流化床中繼續(xù)與高溫的半焦及上行的熱解氣化氣發(fā)生熱交換進行熱解反應，依次進入下一層流化床中，若干層流化床中煤的熱解程度由上至下遞增至充分熱解，得到熱解氣體和半焦；煤熱解后得到的半焦進入最底層流化床，與多層流化床反應器(6)底部通入的氣化劑發(fā)生氣化反應生成高溫氣化氣和固體殘渣；所述的多層流化床反應器(6)的底部設有排渣閥(9)，用于排出熱解得到的半焦或氣化得到的固體殘渣；所述的多層流化床反應器(6)頂部設有旋風分離器(10)，用于分離得到的熱解氣化氣中夾帶的細粉顆粒，分離得到的細粉顆粒由下部出口通過管路經(jīng)多層流化床反應器(6)最底層的返料口(7)返回反應器，形成循環(huán)。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的旋風分離器(10)上部出口設置冷凝分離器(11)，用于熱解氣化氣體產(chǎn)物的冷凝、分離。
3.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的加煤裝置(1)和多層流化床反應器(6)的最頂層之間設有預處理器O)，用于固體燃料的粉碎、篩選和干燥，去除固體燃料中的水分并預熱。
4.根據(jù)權利要求3所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的預處理器(2)和多層流化床反應器(6)之間安裝單層流化床反應器(14)或雙層流化床反應器(8)，用于煤的初步熱解。
5.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的多層流化床反應器(6)中相鄰兩層流化床( 之間設有溢流管，用于將熱解不完全的顆粒導進下一層流化床繼續(xù)進行熱解或氣化反應。
6.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的熱解氣化裝置還包括半焦罐(12)，該半焦罐(1 與多層流化床反應器(6)底端連通，用于收集半焦。
7.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的熱解氣化裝置還包括氣化爐(13)，該氣化爐(13)與多層流化床反應器(6)底部連通，用于煤熱解后得到的半焦的氣化。
8.根據(jù)權利要求1所述的固體燃料的多段分級熱解氣化裝置，其特征在于，所述的多層流化床反應器(6)為軸向變徑結構。
9.一種固體燃料的多段分級熱解氣化方法，該方法包括以下步驟1)將氣化劑通過進氣口通入多層流化床反應器(6)中的最底層流化床內(nèi)，發(fā)生煤熱解后得到的半焦的氣化反應，得到高溫氣化氣；2)將固體燃料由加煤裝置(1)送入多層流化床反應器(6)的最頂層流化床中，并與該層的熱解半焦及上行的高溫熱解氣化氣發(fā)生熱交換，發(fā)生低溫熱解，得到初步熱解的固體顆粒；初步熱解的固體顆粒經(jīng)溢流管G)/分布板( 下行進入到下一層流化床中，繼續(xù)與高溫的半焦及上行的熱解氣化氣發(fā)生熱交換進行熱解反應，直至充分熱解，得到熱解氣體和半焦；煤熱解后得到的半焦進入最底層流化床，與底部通入的氣化劑發(fā)生氣化反應生成高溫氣化氣和固體殘渣；3)步驟幻中得到的半焦或固體殘渣通過多層流化床反應器(6)的最底層流化床氣化反應器或氣化爐(13)下部的排渣口或氣化反應器側面的排渣口排出；4)步驟幻中產(chǎn)生的熱解氣化氣體由多層流化床反應器(6)的氣體出口進入旋風分離器(10)中，分離熱解氣化氣中夾帶的細粉顆粒，得到的細粉顆粒經(jīng)管路返回到多層流化床反應器(6)最底層流化床中進行氣化或熱解反應。
10.根據(jù)權利要求9所述的固體燃料的多段分級熱解氣化方法，其特征在于，所述的方法還包括步驟幻將步驟4)中的熱解氣化氣體產(chǎn)物經(jīng)冷凝分離器(11)冷凝、分離后得到焦油和煤氣。
11.根據(jù)權利要求9所述的固體燃料的多段分級熱解氣化方法，其特征在于，所述的步驟2)中還包括將固體燃料進行粉碎、篩選和干燥的步驟，用于去除固體燃料中的水分并預熱。
12.根據(jù)權利要求9所述的固體燃料的多段分級熱解氣化方法，其特征在于，所述的步驟1)和步驟幻中氣化劑為空氣、空氣和水蒸汽混合氣體、氧氣和水蒸汽混合氣體、或氧氣、 二氧化碳和水蒸氣的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體燃料的多段分級熱解氣化裝置及方法。本發(fā)明的裝置包括加煤裝置1、多層流化床反應器6、排渣閥9、旋風分離器10和冷凝分離器11；所述的多層流化床反應器6的底部設置進氣口；所述的多層流化床反應器6內(nèi)設置若干層流化床3，每層流化床3通過帶孔的分布板5隔開，最頂層流化床與加煤裝置1連通，最頂層流化床中加入的煤與該層熱解半焦及上行的高溫熱解氣化氣進行熱交換，發(fā)生低溫熱解，得到初步熱解的固體顆粒經(jīng)溢流管4/分布板5下行進入到下一層流化床中，繼續(xù)與半焦及熱解氣化氣發(fā)生熱交換進行熱解反應，依次進入下一層流化床中，最后進入到最底層流化床中發(fā)生氣化反應。本發(fā)明的裝置和方法可以產(chǎn)生更多的輕質(zhì)焦油組分。
文檔編號C10J3/66GK102465043SQ20111002795
公開日2012年5月23日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2010年11月1日
發(fā)明者周琦, 李強, 汪印, 許光文, 許徐飛, 高士秋 申請人:中國科學院過程工程研究所