外熱式固體含碳物料熱解方法以及熱解系統的製作方法

2024-03-22 14:08:05

外熱式固體含碳物料熱解方法以及熱解系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種固體含碳物料熱解系統，包括：循環流化床爐膛，固體熱載體以流態化在爐膛內流動；熱解通道，顆粒狀的含揮發分的固體含碳物料從上部加入，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述熱解通道，並發生熱解反應，其中：所述熱解通道穿過爐膛設置，所述熱解通道的上端與所述熱解通道的下端均位於所述爐膛的外部；所述熱解通道與爐膛通過導熱間壁分隔開、且所述固體熱載體與所述熱解通道內的固體含碳物料通過所述導熱間壁換熱，固體含碳物料被加熱、發生熱解反應。本發明還涉及固體含碳物料熱解方法。
【專利說明】外熱式固體含碳物料熱解方法以及熱解系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及固體含碳物料的熱解，尤其涉及對顆粒狀含揮發分的固體含碳物料的熱解系統和熱解方法。
【背景技術】
[0002]煤通過熱解生成煤氣、焦油和半焦是目前梯級利用低階煤資源，獲得高附加值產物的高值化利用途徑，經濟效益和社會效益顯著。近年來，油頁巖成為世界公認最具潛力的非傳統烴類資源，由於其含油率一般在4%~20%，最高可達30%，因此除燃燒發電外，主要利用方式是乾餾煉油。油頁巖經加熱乾餾後，所含油母分解生成頁巖油及乾餾氣和頁巖半焦；頁巖油可作為燃料油，亦可進一步加工製取汽、柴油和化學品。對油頁巖進行有效的開發和利用，可以緩解我國缺少天然石油的困境，減少對進口石油的依賴，維護國家能源安全，改善能源結構。此外，幹化汙泥中含有大量的有機質和可燃成分，幹汙泥熱解處理可促使汙泥中有機物發生還原，產生可供回收利用的燃料，其熱解焦油的熱值較高，可作為能源利用，與輕柴油混合後可達到燃料用油的品質。
[0003]在熱解過程中，傳熱傳質方式對熱解產物的品質有顯著影響。對於塊煤而言，熱解技術已經趨於成熟，主要採用固定床熱解工藝，如陝北、內蒙等地的立式炭化爐，要求煤的粒度較大。隨著煤炭開採機械化程度的提高，粒度較小的粉煤產量正逐年增加，現階段粉煤熱解工藝路線較多。根據熱解反應所需熱量的供給方式，熱解工藝可分為直接接觸換熱和間接接觸換熱兩大類。
[0004]直接接觸換熱方式主要是通過高溫氣體或固體熱載體與待熱解的煤直接混合，使物料升溫發生熱解反應。直接接觸換熱技術具有傳熱效率高，加熱速率快等優點。但是高溫氣體熱載體工藝中，由於夾帶、混合`等使煤氣中含有大量惰性組分降低煤氣熱值，焦油含塵量增加，降低品質。高溫固體熱載體工藝中，熱載體中的細顆粒進入熱解氣和焦油中，分離困難，並容易出現管路堵塞等問題。而且，煤熱解產生的焦油蒸氣與高溫熱載體的直接接觸，易發生二次裂解，影響焦油品質及產率。同時，熱解生成的半焦中因混入了固體熱載體顆粒使其熱值降低，影響了半焦的品質。
[0005]間接換熱技術是通過外部電加熱、高溫煙氣、高溫物料、高溫蓄熱體等加熱反應器外壁向物料傳熱，使物料外層依次向內層傳熱升溫而發生熱解反應的過程。間接接觸換熱技術因不混入其它熱載體，獲得的煤氣熱值較高，焦油中含塵量低，半焦產品無雜質，品質高。但是由於煤的導熱性能較差，間接換熱煤熱解工藝中物料升溫速率慢、溫度不均勻，易導致熱解時間長、焦油產率低、重質油含量高等問題。

【發明內容】

[0006]為解決現有技術中的至少一個方面的問題而提出本發明。
[0007]本發明的核心發明構思(以煤為例)在於如下方面:採用固體熱載體作為熱解的熱源，固體熱載體與待熱解的煤為間接換熱，間接換熱壁面兩側均為流態化。熱解的一側與現有技術類似，煤從頂部加入，從底部排出，通過產生的氣態熱解產物自流化，從而從下而上優選分別呈移動床、微流化、流化這三種狀態；作為熱源的一側與現有技術不同，採用處於流態化的固體熱載體。其中，氣態熱解產物包括煤熱解產生的水蒸氣、熱解氣和在高溫下呈氣態的焦油(即焦油蒸氣，簡稱油氣)。
[0008]本發明的其它發明構思(以煤為例)還在於如下方面:
[0009]1、以循環流化床爐膛作為固體熱載體通道，固體熱載體直接在該通道中被加熱；可以採用氣體燃料、液體燃料或固體燃料燃燒、加熱惰性粒子，獲得被加熱的固體熱載體；也可以直接以固體燃料顆粒作為固體熱載體，通過其自身的燃燒產生熱量。
[0010]2、熱解爐底部低於固體熱載體床層底部，即熱解爐下部存在一段不被加熱的「釋盡段」，用於延長熱解煤的停留時間，供殘留的揮發分釋出，並提高系統的適應性，當煤質發生變化或煤的粒度發生變化時，用以保證揮發分完全釋放。
[0011]3、待熱解的粉煤預先進行分選，將粒徑過小的粉煤送入爐膛燃燒，而將剩下的粉煤作為熱解煤，從而減少混入到熱解產物中的細顆粒量；或者，不限定分選出來的粒徑較小的粉煤的粒徑，而是以分選出的粉煤的量燃燒放熱能夠滿足熱解反應所需的熱量為準，分選出的粉煤粒徑可能比前一種構思下的要大一些。
[0012]4、對待熱解的粉煤進行分選時，可採用乾燥一分選一體化工藝，在分選的同時實現粉煤的乾燥，煤乾燥產生的乏氣與分選出的粒徑較小的粉煤一起進入爐膛燃燒。
[0013]根據本發明的第一方面，一種固體含碳物料熱解系統，包括:循環流化床爐膛，固體熱載體以流態化在爐膛內流動；熱解通道，顆粒狀含揮發分的固體含碳物料從上部加入，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述熱解通道，並發生熱解反應，其中:所述熱解通道穿過爐膛設置，所述熱解通道的上端與所述熱解通道的下端均位於所述爐膛的外部；所述熱解通道與爐膛通過導熱間壁分隔開、且所述固體熱載體與所述熱解通道內的固體含碳物料通過所述導熱間壁換熱，固體含碳物料被加熱、發生熱解反應。
[0014]可選的，所述熱解通道包括布置在所述爐膛內的多根熱解管或多個熱解通道。
[0015]可選的，所述固體熱載體包括加入到爐膛內的優選粒徑範圍是0_2mm的惰性粒子。進一步的，來自所述熱解通道上部出口的至少一部分熱解產物被供給到爐膛作為燃料。更進一步，所述至少一部分熱解產物包括重質焦油和/或熱解氣。
[0016]可選的，所述爐膛包括下部流化床區和上部燃盡室，所述上部燃盡室位於所述下部流化床區的上方且將所述下部流化床區與爐膛的出口煙道相通；所述熱解通道穿過所述下部流化床區且大致平行於所述上部燃盡室。進一步的，所述上部燃盡室內通入助燃空氣和/或設置有冷卻面。
[0017]可選的，所述固體含碳物料為煤、油頁巖、幹汙泥或生物質顆粒。進一步的，所述固體含碳物料的粒徑在0-12_範圍內。更進一步，固體含碳物料熱解系統還包括:分選子系統，將粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料移除；以及輸送子系統，適於輸送從分選子系統分選出的粒徑在0.1mm以上的固體含碳物料到熱解通道。
[0018]可選的，所述分選子系統包括:流化床分選通道，流化氣體從所述分選通道的下部引入所述分選通道以流化位於所述分選通道中的固體含碳物料，所述分選通道的下部設置有大粒徑固體含碳物料排出口 ；第二分離器，所述第二分離器的入口與所述分選通道的上部出口相通，所述第二分離器的氣體出口排出粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料及流化氣體，其中:來自所述大粒徑固體含碳物料排出口與所述第二分離器的固體出口的固體含碳物料進入所述輸送子系統。可選的，所述流化床分選通道中設置有乾燥加熱單元，用於乾燥流化床分選通道中的固體含碳物料。可選的，第二分離器的氣體出口與所述爐膛相通以為爐膛提供燃料。
[0019]可選的，所述固體含碳物料熱解系統還包括固體含碳物料流化分選裝置，從分選裝置的上部出口排出的固體含碳物料被輸送到循環流化床爐膛，且從分選裝置的下部出口排出的固體含碳物料被輸送到所述熱解通道。進一步的，所述從分選裝置上部出口排出、輸送到爐膛的固體含碳物料，其燃燒發熱量與熱解通道所需的熱量相匹配。
[0020]可選的，所述固體熱載體通道包括固體熱載體密相區以及位於所述密相區上方的固體熱載體稀相區；所述熱解通道內的固體含碳物料至少有一部分呈流化床狀態，並形成流化床床面，其中，所述固體熱載體密相區的床面大體上與所述熱解通道內的流化床床面等聞，或略低於後者。
[0021]進一步的，所述熱解通道自下而上包括熱解段、加熱段，位於所述熱解段和加熱段中的固體含碳物料分別呈微流化狀態和流化狀態。進一步的，所述熱解段和加熱段的位置與所述密相區的位置大致對應。可選的，所述熱解段的位置與所述密相區的位置大致對應，所述加熱段的位置與所述稀相區的位置大致對應。
[0022]可選的，所述熱解通道從下而上包括釋盡段、熱解段、加熱段，位於所述釋盡段、熱解段和加熱段中的固體含碳物料分別呈移動床狀態、微流化狀態、流化狀態。進一步的，所述熱解段和加熱段的位置與所述密相區的位置大致對應。進一步的，所述熱解段的位置與所述密相區的位置大致對應，所述加熱段的位置與所述稀相區的位置大致對應。可選的，所述釋盡段位於所述密相區的下方而不與固體熱載體通道中的固體熱載體形成熱交換。
[0023]可選的，所述固體含碳物料利用熱解通道內產生的氣態熱解產物以自流化的狀態通過所述熱解通道。
[0024]可選的，所述固體含 碳物料利用熱解通道內產生的氣態熱解產物以及從熱解通道下部通入的另外的流化氣體以流化的狀態通過所述熱解通道。進一步的，所述另外的流化氣體為熱解氣、氫氣、甲烷或其它非氧化性氣體。
[0025]可選的，所述固體含碳物料熱解系統還包括:冷卻裝置，所述冷卻裝置布置在所述熱解通道的下方用於冷卻固體含碳物料熱解後從熱解通道排出的固體產物。
[0026]根據本發明的第二方面，提出了一種固體含碳物料熱解方法，包括步驟:在固體熱載體通道底部通入流化氣體，使得固體熱載體以流態化狀態在固體熱載體通道中流動；向利用導熱間壁與固體熱載體通道分隔開的熱解通道內供給顆粒狀含揮發分的固體含碳物料，其中，所述固體含碳物料利用重力自上而下以流態化狀態通過所述熱解通道，所述固體熱載體與所述熱解通道內的固體含碳物料通過導熱間壁換熱，使固體含碳物料被加熱、發生熱解反應，其中:所述固體熱載體通道為循環流化床爐膛的一部分。
[0027]可選的，所述固體熱載體包括燃料顆粒及其固態燃燒產物。
[0028]可選的，所述方法還包括步驟:向爐膛內添加作為固體熱載體的惰性粒子。
[0029]可選的，以上方法還包括步驟:提供固體含碳物料，以及利用分選操作將粒徑在
0.1mm以下的固體含碳物料移除；以及向熱解通道內供給分選出的粒徑在0.1mm以上的固體含碳物料。[0030]可選的，以上方法還包括步驟:將粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料送入到爐膛內燃燒。
[0031]可選的，以上方法還包括步驟:將固體含碳物料輸送到固體含碳物料流化分選裝置，從分選裝置的上部出口排出的固體含碳物料被輸送到循環流化床爐膛，且從分選裝置的下部出口排出的固體含碳物料被輸送到所述熱解通道。進一步的，調節通入分選裝置的流化氣體量，以使從分選裝置輸送到爐膛的顆粒狀固體含碳物料的燃燒發熱量，與熱解通道所需的熱量相匹配。
[0032]利用本發明的技術方案，提供了在兩個流化狀態下的放熱和吸熱相結合的過程，固體熱載體與熱解通道均存在處於流態化的區間，且通過導熱間壁相互耦合；在流態化狀態下，隨機氣泡形成的低頻大渦體使顆粒發生徑向輸運，猶如攪拌，有效地擾動了熱邊界層，提高了導熱間壁兩側的傳熱係數，因此強化了傳熱；更重要的是，熱交換裝置導熱壁面兩側相互匹配:熱解側，顆粒狀固體含碳物料從頂部加入後，被快速加熱、然後發生熱解反應；固體熱載體側，固體熱載體處於流化狀態，固體熱載體側的密相區與熱解側加熱段和熱解段大致對應，因密相區顆粒濃度高，傳熱係數大，可向加熱段和熱解段提供大量熱量，很好的滿足了固體含碳物料快速加熱和熱解的需要；而兩側上部均處於稀相區，顆粒濃度低、換熱減弱，正好避免氣態熱解產物從頂部排出時溫度過高、發生二次裂解。本發明的技術方案不僅有效地強化了傳熱效果，也避免了直接混合換熱的技術方案中熱灰混入到熱解產物中的情形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為根據本發明的第一實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0034]圖2為根據本發明的第二實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0035]圖3為根據本發明的第三實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0036]圖4為根據本發明的第四實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0037]圖5為根據本發明的第五實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0038]圖6為根據本發明的第六實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0039]圖7為根據本發明的第七實施例的煤熱解系統的示意圖；
[0040]圖8a為根據本發明的一個實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的示意圖，圖8b為表示煤熱解通道的高度與煤熱解通道內的煤的溫度之間的關係的示例性曲線圖，而圖8c為表示煤熱解通道的高度與氣態熱解產物量之間的關係的示例性曲線圖，其中曲線I示例性表示煤熱解通道的各高度位置與該高度處的煤釋放出的氣態熱解產物量之間的關係，曲線II示例性表示煤熱解通道的高度與氣態熱解產物累積量之間的關係；
[0041]圖9為根據本發明的另外的實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的不意圖；
[0042]圖10為根據本發明的再一實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的示意圖；
[0043]圖11為根據本發明的可選實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的示意圖；
[0044]圖12為根據本發明的又一實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的示意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面詳細描述本發明的實例性的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。下面參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能解釋為 對本發明的限制。
[0046]首先，需要專門指出的是，雖然本發明以煤為具體示例描述了熱解系統和熱解方法，但是，該熱解系統和熱解方法還可以應用於油頁巖、幹汙泥以及生物質等含揮發分的固體含碳物料(尤其是粒徑在0_12mm範圍內)的熱解。
[0047]下面參照圖1-3描述根據本發明的示例性實施例的煤熱解系統。
[0048]如圖1-3中所示，所述煤熱解系統包括:循環流化床爐膛50 ;與循環流化床50的煙氣出口相連的第一分離器60 ;固體熱載體通道10，固體熱載體A以流態化狀態在所述固體熱載體通道10內流動；煤熱解通道20，顆粒狀煤B從上部加入，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述煤熱解通道20，並發生熱解反應，其中:所述煤熱解通道20與固體熱載體通道10通過導熱間壁30分隔開、且所述固體熱載體A與所述煤熱解通道內的煤B通過所述導熱間壁30換熱，煤B被加熱、發生熱解反應；所述固體熱載體通道10的固體熱載體入口 16與所述第一分離器60的固體出口相通，所述固體熱載體通道的側壁設置有溢流口15，所述溢流口 15與爐膛的返料口 51相通。
[0049]如圖1-3中所示，待熱解的煤可以通過料鬥71以及位於料鬥下方的輸送機72輸送到煤熱解通道20中。
[0050]煤熱解通道20可以是單個通道，如圖1、3中所示，也可以包括布置在所述固體熱載體通道10內的多根熱解管或多個熱解通道，如圖2中所示。需要指出的是，多根熱解管或多個熱解通道可以在待熱解煤的入口處相通(或共用同一個煤入口)，也可以彼此獨立，例如通過各自對應的料鬥71以及輸送機72供給熱解煤。
[0051]固體熱載體A可以由在爐膛50中燃燒的固體燃料及其固態燃燒產物組成；在前者不存在或數量不多時，也可以向爐膛50或固體熱載體通道10添加惰性粒子，例如細砂，作為固體熱載體A，因為提高固體熱載體通道中的顆粒濃度，可以進一步的強化向煤熱解通道20的傳熱。優選的惰性粒子的粒徑範圍為0-2mm。
[0052]如圖2、3中所示，來自所述煤熱解通道上部出口的至少一部分熱解產物可被供給到爐膛作為燃料。有利的，所述至少一部分熱解產物包括重質焦油和/或熱解氣。如圖2、3中所示，來自煤熱解通道上部開口的熱解產物首先通入到細粉分離器80。細粉分離器80的固體出口排出分離的焦粉，該焦粉還可以經過冷卻後排出。細粉分離器80的氣體出口與收油系統90相通，在收油系統中，實現焦油蒸汽與熱解氣的分離，熱解氣以及重質焦油可以通入到爐膛中作為燃料，而輕油則作為目標產品被收集。雖然圖2、3中將熱解氣和重質焦油都通入到爐膛中燃燒，但是，也可以僅僅通入其中一種或部分通入到爐膛中。
[0053]雖然沒有示出，但是，也可以在固體熱載體通道10內加入有用於加熱固體熱載體A的燃料。相應的，通入到固體熱載體通道內的流化氣體提供燃燒所需的氧氣。適當控制流化風的風量使得在固體熱載體通道10內仍然處於燃燒或部分燃燒狀態，以儘量維持穩定的高溫狀態，從而保持導熱間壁30 —側的固體熱載體A與導熱間壁30的另一側的煤B之間的換熱溫差保持穩定。這可以大大減少固體熱載體的使用量，從而減少動態消耗、減輕磨損。
[0054]本發明適用固體含碳物料的粒徑範圍主要為(Tl2mm，但該粒徑範圍中存在粒徑較小的細粉，細粉易於被氣態熱解產物攜帶，最終會混入到焦油中且難於分離；同時，相對於粒徑較大的煤粒，細粉中含水量較多，這會產生過多的水蒸氣且消耗大量熱量。為此，優選的，在對粉煤進行熱解之前將粉煤中的粒徑較小的細粉去除。
[0055]去除較小粒徑的細粉，可以分兩種方式:
[0056]方式一:按粉煤的粒徑進行分選，目的為去除待熱解煤中的細顆粒、避免混入到焦油中:
[0057]如圖1中所示，煤熱解系統還包括粉煤分選子系統，用於將粒徑在0.1mm以下的粉煤移除；以及輸送子系統(例如，對應於圖1中的輸送機101、料鬥71、輸送機72等),適於輸送從分選子系統分選出的粒徑在0.1mm以上的粉煤到煤熱解通道10。粉煤的分選可以如圖1中所示使用流化床進行分選，也可以採用其它分選手段。如圖1中所示，所述分選子系統包括:流化床分選通道102，流化氣體(空氣或經過淨化的煙氣等氣體)從所述分選通道的下部引入所述分選通道102以流化位於所述分選通道中的粉煤，所述分選通道的下部設置有大粒徑粉煤排出口 103 ;第二分離器104，所述第二分離器的入口與所述分選通道102的上部出口相通，所述第二分離器的氣體出口排出粒徑在0.1mm以下的粉煤及流化氣體。其中:來自所述大粒徑粉煤排出口 103與所述第二分離器的固體出口的粉煤進入所述輸送子系統。為了去除粉煤中的水分，所述流化床分選通道102中設置有乾燥加熱單元105，用於乾燥流化床分選通道中的粉煤，乾燥加熱單元105的熱源可以來自爐膛燃燒餘熱。如圖1中所示，所述第二分離器104的氣體出口與所述爐膛相通以為爐膛提供燃料。如此，形成了煤粉分選(及乾燥)_燃燒-熱解-收油的一體化工藝。對待熱解的粉煤的乾燥可以提高熱解焦油品質，能效大幅提高。通過將分選後的粉煤加熱後直接送入煤熱解通道進行熱解，可以減少焦粉和焦油中的含塵量和含水量，提高焦粉的品質和焦油的質量。
[0058]上述通過粉煤分選子系統將粒徑在0.1mm以下的粉煤移除，在實際應用中，也可以選擇其它粒徑作為分選的分界線，比如將移除的粉煤的粒徑範圍放寬至(T0.5mm或(Tlmm，或者縮小至僅(T0.05mm粒徑範圍的粉煤，視實際應用的煤的粒徑分布等具體情況而定；調整第二分離器104的設計參數可以實現分選分界線的調整。
[0059]方式二:按粉煤的量進行分選，第一目的是去除待熱解煤中的細顆粒、避免混入焦油，第二目的是為爐膛提供足夠的燃料，使其在爐膛中的燃燒放熱足以提供煤熱解通道所需的所有熱量:
[0060]如圖4中所示，煤熱解系統還包括粉煤流化分選裝置，用於對原煤進行分選；以及輸送子系統(例如，對應於圖4中的輸送機101、料鬥71、輸送機72等),適於輸送從分選子系統分選出的粒徑較大的粉煤輸送到煤熱解通道10。粉煤的分選可以如圖4中所示使用流化床進行分選，也可以採用其它分選手段。如圖4中所示，所述分選子系統包括:流化床分選通道102，流化氣體(空氣)從所述分選通道的下部引入所述分選通道102以流化位於所述分選通道中的粉煤，所述分選通道的下部設置有大粒徑粉煤排出口 103，分選通道的上部出口與循環流化床爐膛50相通，將粒徑較小的粉煤(其中可能夾帶有少量大粒徑粉煤)及流化氣體輸送至爐膛，作為燃料。其中，通過調節分選通道的流化氣體量，來改變輸送至爐膛的粉煤的量，使這部分粉煤在爐膛中的燃燒放熱量與煤熱解通道所需的熱量相匹配，即:當爐膛中不添加其它燃料時，分選出來加入爐膛的粉煤應能夠提供煤熱解通道所需的全部熱量；當爐膛中還添加其它燃料時，則其它燃料的燃燒發熱量與分選出來的粉煤的燃燒發熱量能夠提供煤熱解通道所需的熱量。
[0061]分選通道102的上部出口與循環流化床爐膛50之間可以設置類似圖1中的第二分離器104的分離裝置，但也可以不設；且不設分離裝置時，對粉煤分選輸送至爐膛的量的調節會更加靈活；為了避免在揚析夾帶作用下，較大的粉煤也從分選通道的上部出口逃逸，可以將分選通道的上部設計為橫截面積較大的沉降室形式。為了去除粉煤中的水分，所述流化床分選通道102中可以設置有乾燥加熱單元105，用於乾燥流化床分選通道中的粉煤，乾燥加熱單元105的熱源可以來自爐膛燃燒餘熱。
[0062]圖1示出的粉煤分選子系統和圖4中示出的粉煤流化分選裝置，也可以應用到圖
2、3的實施例中。
[0063]以上描述了固體熱載體通道位於爐膛外的循環迴路中的情形。下面參照圖5-7描述爐膛本身作為固體熱載體通道的技術方案。
[0064]如圖5-7中所示，煤熱解系統包括:循環流化床爐膛50，固體熱載體A以流態化在爐膛50內流動；煤熱解通道20，煤從上部加入，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述煤熱解通道，並發生熱解反應，其中:所述煤熱解通道穿過爐膛50設置，所述煤熱解通道的上端與所述煤熱解通道的下端均位於所述爐膛的外部；所述煤熱解通道20與爐膛通過導熱間壁30分隔開、且所述固體熱載體A與所述煤熱解通道內的煤B通過所述導熱間壁30換熱，煤被加熱、發生熱解反應。[0065]煤熱解通道20可以是單個通道，如圖5中所示，也可以包括布置在爐膛50內的多根熱解管或多個熱解通道，如圖6中所示。需要指出的是，多根熱解管或多個熱解通道可以在收納待熱解煤的入口處相通(或共用同一個煤入口)，也可以彼此獨立，例如通過各自對應的料鬥71以及輸送機72供給熱解煤。
[0066]有利的，所述固體熱載體A包括加入到爐膛50內的惰性粒子，例如細砂或石英砂等。該惰性粒子的粒徑範圍可以為0-2_。
[0067]雖然沒有示出，但是類似於圖2-3中的情形，可以將來自所述煤熱解通道20上部出口的至少一部分熱解產物被供給到爐膛作為燃料。所述至少一部分熱解產物包括重質焦油和/或熱解氣。
[0068]雖然沒有示出，但是圖5-6中的煤熱解系統也可以設置類似於圖1中設置粉煤分選子系統。
[0069]在圖7所示的煤熱解系統中，所述爐膛50包括下部流化床區52和上部燃盡室53，所述上部燃盡室53位於所述下部流化床區的上方且將所述下部流化床區與爐膛的出口煙道相連通；所述煤熱解通道20穿過所述下部流化床區52且大致平行於所述上部燃盡室53。煙氣攜帶未燃盡的細粉到上部的燃盡室中繼續燃燒，可以向上部燃盡室通入空氣配風以提供氧氣，如果溫度過高，還可以加入冷卻面。該冷卻面可以產生熱水或蒸汽。所述上部燃盡室53的橫截面積小於所述下部流化床區52的橫截面積；有利的，例如，所述上部燃盡室53的橫截面積至多為所述下部流化床區52的橫截面積的二分之一。
[0070]圖8a為根據本發明的一個實施例的煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置的示意圖，圖8b為表示煤熱解通道的高度與煤熱解通道內的煤的溫度之間的關係的示例性曲線圖，而圖8c為表示煤熱解通道的高度與氣態熱解產物量之間的關係的示例性曲線圖，其中曲線I示例性表示煤熱解通道的各高度位置與該高度處的煤釋放出的氣態熱解產物量之間的關係，曲線II示例性表示煤熱解通道的高度與氣態熱解產物累積量之間的關係。
[0071]下面對煤熱解通道與固體熱載體通道之間的布置進行具體描述。
[0072]如圖8a中所示，固體熱載體A利用從所述固體熱載體通道10下部通入的流化氣體(圖中以箭頭R表示流體氣體通入)以流態化狀態在所述固體熱載體通道10內流動；煤8從上部加入煤熱解通道20，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述煤熱解通道20，並發生熱解反應；其中，所述煤熱解通道20與固體熱載體通道10通過導熱間壁30分隔開、且所述固體熱載體A與所述煤熱解通道內的煤B通過所述導熱間壁30換熱，煤B被加熱、發生熱解反應。
[0073]如圖8a中所示，所述煤熱解通道20從下而上包括釋盡段21、熱解段22、加熱段23，位於所述釋盡段21、熱解段22和加熱段23中的煤分別呈移動床狀態、微流化狀態、流化狀態。被添加到煤熱解通道20中的煤首先落入到加熱段23中，通過與熱解通道內之前加入、已被加熱的煤快速混合而被加熱，煤中的部分揮發分開始析出；被加熱的煤隨後進入熱解段22，繼續吸熱並充分發生熱解反應，產生大量的氣態熱解產物；最後，在釋盡段21中，大部分揮發分已釋出的煤在該段中仍處於較高溫度、並具有一定的停留時間，以使揮發分儘可能完全析出。
[0074]有利的，所述固體熱載體通道10相應地包括固體熱載體密相區11以及位於所述密相區11上方的固體熱載體稀相區12 ;所述熱解段22和加熱段23的位置與所述密相區11的位置對應。進一步有利的，所述釋盡段21位於所述密相區11的下方而不與固體熱載體通道10中的固體熱載體A形成熱交換。基於不同的煤種，釋盡段21的長度可以不同，以便於其釋盡揮發分。
[0075]這裡的位置上的對應表示「區」與「段」的長度大致相同，並且位於大致相同的水平高度。加熱段23與熱解段22的區分以物料的流態變化為標誌，實際上兩段中均為煤大量吸收熱量、揮發分析出的過程，因`此概括而言，煤熱解通道20與固體熱載體通道10之間的區段對應關係，需要滿足的條件是:煤熱解通道的煤形成的流化床床面24 (即加熱段23的流化床床面)不能顯著的低於固體熱載體密相區11的床面，否則從流化床床面24繼續向上流動的氣態熱解產物將在固體熱載體密相區11的劇烈加熱作用下發生二次裂解，影響焦油的品質。因此，所述熱解段22的位置與所述密相區的位置大致對應，所述加熱段23的位置與所述稀相區12的位置大致對應，也是可選的方案之一。
[0076]煤從煤熱解通道20的頂部加入，依次進入加熱段23、熱解段22、釋盡段21。可以合理設計熱解段的尺寸，使得煤熱解過程中維持流態化狀態，達到最佳效果。煤在向下移動的過程中，不斷被加熱，水分以及揮發分大量析出，到達熱解段下部時，析出基本完畢，進入釋盡段後經熱解的煤(半焦)變成移動床，有利的，可以經冷卻後排出。或者，不經冷卻直接排出，這對於油頁巖熱解而言尤為適用，因為油頁巖熱解後剩餘的頁巖半焦熱值較低，不像煤熱解之後剩餘的半焦還可以作為產品外供，頁巖半焦不經冷卻、直接輸送至爐膛燃燒，既可以實現穩定的燃燒，又可以充分利用這種難利用的低熱值產品。
[0077]煤在煤熱解通道20內的停留時間依據揮發份析出所需的時間不同而有所不同，這可以通過在熱解過程中通過溫度測量來基本判斷。可以調整熱解通道的負荷及底部半焦的排出量，使得熱解段和加熱段與固體熱載體的密相區相對應。密相區上部的稀相區顆粒濃度低，換熱效果減弱，正好避免氣態熱解產物中的焦油從煤熱解通道上部排出時溫度過高而發生二次裂解。
[0078]在圖8b中，加熱段23對應於溫度從200°C快速升溫至600°C左右的段，熱解段22對應於溫度大致穩定在600°C左右的段，而釋盡段21對應於溫度在600°C左右略有下降的段。在煤從煤熱解通道上部加入、落入加熱段的過程中，加入的煤被預加熱、溫度略有上升，並釋放出少量的氣態熱解產物。氣態熱解產物主要從熱解段22中釋出。這裡的溫度範圍僅僅是示意性的，對於不同的煤種，該溫度可能不同。
[0079]如圖8c中所示，在釋盡段中，產生的氣態熱解產物很少，累積產生的氣態熱解產物也很少，從而半焦基本處於非流化的移動床狀態。而在熱解段中，大量的氣態熱解產物被析出，從而熱解段中的煤可以處於微流化狀態(可以理解的，在熱解段下部的煤的流化程度較在熱解段上部的煤的流化程度低)。由於從釋盡段、熱解段釋出的氣態熱解產物都向上流動，並與煤在加熱段釋放出的氣態熱解產物相累計，因此在加熱段中的煤基本上都處於流化狀態。
[0080]在煤熱解通道20內產生的氣態熱解產物足以維持熱解段中的煤的微流化狀態以及加熱段中的煤的流化狀態的情況下，不需要通入另外的流化氣體，即，煤B利用煤熱解通道20內產生的氣態熱解產物以自流化的狀態通過所述煤熱解通道20。
[0081]在煤熱解通道20內產生的氣態熱解產物不足以維持熱解段中的煤的微流化狀態以及加熱段中的煤的流化狀態的情況下，可以在煤熱解通道的下部通入另外的流化氣體，即:煤B利用煤熱解通道20內產生的氣態熱解產物以及從煤熱解通道20下部通入的另外的流化氣體以流化的狀態通過所述煤熱解通道20。有利的，所述另外的流化氣體為熱解氣、氫氣、甲烷或其它非氧化性氣體。
[0082]雖然在圖8a中示出煤熱解通道包括加熱段、熱解段、釋盡段，但是，在熱解充分的情況下，也可以省去該釋盡段。
[0083]有利的，所述煤發生熱解反應，產生的氣態產物從所述煤熱解通道頂部排出。不過，產生的氣態產物也可以部分的從煤熱解通道上部的側面排出。
[0084]有利的，進入所述煤熱解通道的煤的粒徑在0.lmm-12mm之間。選擇這樣的粒徑範圍存在如下優點:有助於煤顆粒的流態化；有助於煤的熱解；有助於降低熱解油氣中的含塵量。
[0085]下面進一步描述煤熱解用熱交換裝置的布置方式。
[0086]如圖8a中所示，所述固體熱載體通道10圍繞所述煤熱解通道20設置。
[0087]如圖9中所示，所述煤熱解通道20為布置在所述固體熱載體通道10內的多根熱解管20』。該多根熱解管20』的上端還可以與共同的進料通道相通，該多根熱解管20』的下端也可以與共同的出料通道相通。 [0088]參見圖10-11，所述固體熱載體通道10和所述煤熱解通道20的數量均至少為一個；且所述固體熱載體通道10和所述煤熱解通道20彼此大致平行並且彼此交替布置，相鄰固體熱載體通道10之間的空間形成一個煤熱解通道20和/或相鄰煤熱解通道20之間的空間形成一個固體熱載體通道10。在圖10中，固體熱載體通道10和煤熱解通道20形成為「夾心餅乾」的形式。在圖11中，固體熱載體通道10和煤熱解通道20形成為多個「同心圓筒」的形式。
[0089]雖然沒有示出，可以通過設計導熱間壁30，例如使其具有梅花型橫截面、在導熱間壁上設置導熱肋片等，使得導熱間壁30的受熱面積增大以加強換熱效果。
[0090]在所述固體熱載體循環流過所述固體熱載體通道的情況下，如圖12中所示，所述固體熱載體通道的側壁設置有溢流口 15，從而以溢流的方式從固體熱載體通道10中排出固體熱載體以保持穩定的密相區高度。除此之外，固體熱載體的排出口也可以設在固體熱載體通道10的下部，此時需要對料位進行監測，以保持穩定的密相區高度。在圖12中，固體熱載體A從固體熱載體通道10的底部的開口 16引入，不過，固體熱載體A也可以從固體熱載體通道10的上部引入(如圖1-5中所示)，另外，引入的方式不限於開口，也可以使用管道直接通入。
[0091 ] 穩定的密相區高度有助於在熱解段中的煤接收穩定的熱量而被穩定的熱解。
[0092]下面描述根據本發明的煤熱解方法。
[0093]根據本發明的一個實施例的煤熱解方法可以包括如下步驟:在固體熱載體通道10底部通入流化氣體(如圖8a中箭頭R所示)，使得固體熱載體A以流態化狀態在固體熱載體通道10中流動；向利用導熱間壁30與固體熱載體通道10分隔開的煤熱解通道20內供給煤B，其中，所述煤利用重力自上而下以流態化狀態通過所述煤熱解通道20，所述固體熱載體A與所述煤熱解通道內的煤B通過導熱間壁30換熱，使煤被加熱、發生熱解反應，其中:所述固體熱載體通道10為循環流化床爐膛的一部分。
[0094]有利的，所 述煤熱解方法還包括步驟:向爐膛內添加作為固體熱載體的惰性粒子。有利的，所述固體熱載體包括燃料顆粒及其固態燃燒產物。
[0095]可選的，所述燃料為氣體燃料、液體燃料或固體燃料，所述固體熱載體為惰性粒子。此時，通入的燃料燃燒後不需要形成固態的灰渣(例如採用碳粉作為燃料)，即燃料燃燒只為加熱惰性粒子提供熱量，而並不產生固體熱載體。另一種選擇是，所述燃料為固體顆粒燃料，所述固體熱載體包括燃料顆粒及其固態燃燒產物，此時，有利的，所述固體熱載體還包括惰性粒子；這意味著燃料燃燒不僅為加熱固體熱載體提供熱量，同時也不斷形成固體熱載體；固體熱載體可以僅僅是固體顆粒燃料燃燒產生的灰渣，也可以包括另外添加的惰性粒子。當然，固體熱載體的熱量也可以來自固體熱載體通道外部的其它熱源。
[0096]上面的煤熱解方法均可以包括如下步驟:提供粉煤，以及利用分選操作將粒徑在
0.1mm以下的粉煤移除；以及向煤熱解通道內供給分選出的粒徑在0.1mm以上的粉煤。有利的，所述煤熱解方法還包括步驟:將粒徑在0.1mm以下的粉煤送入到爐膛內燃燒。或包括如下步驟:提供粉煤，以及利用分選操作將粉煤分為兩部分，從分選裝置的下部出口排出的粒徑較大的部分粉煤輸送至煤熱解通道，從分選裝置上部出口排出的粒徑較小的部分粉煤輸送至爐膛燃燒。其中，通過調節通入分選裝置的流化氣體量，調節從分選裝置上部出口輸送到爐膛的粉煤量，使其燃燒發熱量與煤熱解通道所需的熱量相匹配。
[0097]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化。本發明的適用範圍由所附權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種固體含碳物料熱解系統，包括: 循環流化床爐膛，固體熱載體以流態化在爐膛內流動； 熱解通道，顆粒狀含揮發分的固體含碳物料從上部加入，利用重力自上而下以流態化狀態通過所述熱解通道，並發生熱解反應， 其中: 所述熱解通道穿過爐膛設置，所述熱解通道的上端與所述熱解通道的下端均位於所述爐膛的外部； 所述熱解通道與爐膛通過導熱間壁分隔開、且所述固體熱載體與所述熱解通道內的固體含碳物料通過所述導熱間壁換熱，固體含碳物料被加熱、發生熱解反應。
2.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解通道包括布置在所述爐膛內的多根熱解管或多個熱解通道。
3.根據權利要 求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體熱載體包括加入到爐膛內的惰性粒子。
4.根據權利要求3所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 來自所述熱解通道上部出口的至少一部分熱解產物被供給到爐膛作為燃料。
5.根據權利要求4所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述至少一部分熱解產物包括重質焦油和/或熱解氣。
6.根據權利要求3所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述惰性粒子的粒徑範圍是0-2mm。
7.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述爐膛包括下部流化床區和上部燃盡室，所述上部燃盡室位於所述下部流化床區的上方且將所述下部流化床區與爐膛的出口煙道相通； 所述熱解通道穿過所述下部流化床區且大致平行於所述上部燃盡室。
8.根據權利要求7所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述上部燃盡室內通入助燃空氣和/或設置有冷卻面。
9.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體含碳物料為煤、油頁巖、幹汙泥或生物質顆粒。
10.根據權利要求9所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體含碳物料的粒徑在0-12mm範圍內。
11.根據權利要求10所述的固體含碳物料熱解系統，還包括: 分選子系統，將粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料移除；以及 輸送子系統，適於輸送從分選子系統分選出的粒徑在0.1mm以上的固體含碳物料到熱解通道。
12.根據權利要求11所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述分選子系統包括: 流化床分選通道，流化氣體從所述分選通道的下部引入所述分選通道以流化位於所述分選通道中的顆粒狀固體含碳物料，所述分選通道的下部設置有大粒徑固體含碳物料排出Π ； 第二分離器，所述第二分離器的入口與所述分選通道的上部出口相通，所述第二分離器的氣體出口排出粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料及流化氣體， 其中:來自所述大粒徑固體含碳物料排出口與所述第二分離器的固體出口的固體含碳物料進入所述輸送子系統。
13.根據權利要求11所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述流化床分選通道中設置有乾燥加熱單元，用於乾燥流化床分選通道中的固體含碳物料。
14.根據權利要求12所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述第二分離器的氣體出口與所述爐膛相通以為爐膛提供燃料。
15.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體含碳物料熱解系統還包括固體含碳物料流化分選裝置，從分選裝置的上部出口排出的固體含碳物料被輸送到循環流化床爐膛，且從分選裝置的下部出口排出的固體含碳物料被輸送到所述熱解通道。
16.根據權利要求15所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述從分選裝置上部出口排出、輸送到爐膛的固體含碳物料，其燃燒發熱量與熱解通道所需的熱量相匹配。
17.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體熱載體通道包括`固體熱載體密相區以及位於所述密相區上方的固體熱載體稀相區； 所述熱解通道內的固體含碳物料至少有一部分呈流化床狀態，並形成流化床床面， 其中，所述固體熱載體密相區的床面大體上與所述熱解通道內的流化床床面等高，或略低於後者。
18.根據權利要求17所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解通道自下而上包括熱解段、加熱段，位於所述熱解段和加熱段中的固體含碳物料分別呈微流化狀態和流化狀態。
19.根據權利要求18所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解段和加熱段的位置與所述密相區的位置大致對應。
20.根據權利要求18所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解段的位置與所述密相區的位置大致對應，所述加熱段的位置與所述稀相區的位置大致對應。
21.根據權利要求17所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解通道從下而上包括釋盡段、熱解段、加熱段，位於所述釋盡段、熱解段和加熱段中的固體含碳物料分別呈移動床狀態、微流化狀態、流化狀態。
22.根據權利要求21所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解段和加熱段的位置與所述密相區的位置大致對應。
23.根據權利要求22所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述熱解段的位置與所述密相區的位置大致對應，所述加熱段的位置與所述稀相區的位置大致對應。
24.根據權利要求22所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述釋盡段位於所述密相區的下方而不與固體熱載體通道中的固體熱載體形成熱交換。
25.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體含碳物料利用熱解通道內產生的氣態熱解產物以自流化的狀態通過所述熱解通道。
26.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述固體含碳物料利用熱解通道內產生的氣態熱解產物以及從熱解通道下部通入的另外的流化氣體以流化的狀態通過所述熱解通道。
27.根據權利要求26所述的固體含碳物料熱解系統，其中: 所述另外的流化氣體為熱解氣、氫氣、甲烷或其它非氧化性氣體。
28.根據權利要求1所述的固體含碳物料熱解系統，還包括: 冷卻裝置，所述冷卻裝置布置在所述熱解通道的下方用於冷卻固體含碳物料熱解後從熱解通道排出的固體產物。
29.一種固體含碳物料熱解方法，包括步驟: 在固體熱載體通道底部通入流化氣體，使得固體熱載體以流態化狀態在固體熱載體通道中流動； 向利用導熱間壁與固體熱載體通道分隔開的熱解通道內供給顆粒狀含揮發分的固體含碳物料，其中，所述固體含碳物料利用重力自上而下以流態化狀態通過所述熱解通道，所述固體熱載體與所述熱解通道內的固體含碳物料通過導熱間壁換熱，使固體含碳物料被加熱、發生熱解反應， 其中:所述固體熱載體通道為循環流化床爐膛的一部分。
30.根據權利要求29所述的固體含碳物料熱解方法，其中: 所述固體熱載體包括燃料顆粒及其固態燃燒產物。
31.根據權利要求29所述的固體含碳物料熱解方法，還包括步驟: 向爐膛內添加作為固體熱載體的惰性粒子。
32.根據權利要求29-31中任一項所述的固體含碳物料熱解方法，還包括步驟: 提供顆粒狀含揮發分的固體含碳物料，以及 利用分選操作將粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料移除；以及向熱解通道內供給分選出的粒徑在0.1mm以上的固體含碳物料。
33.根據權利要求32所述的固體含碳物料熱解方法，還包括步驟: 將粒徑在0.1mm以下的固體含碳物料送入到爐膛內燃燒。
34.根據權利要求29-31中任一項所述的固體含碳物料熱解方法，還包括步驟: 將固體含碳物料輸送到固體含碳物料流化分選裝置，從分選裝置的上部出口排出的固體含碳物料被輸送到循環流化床爐膛，且從分選裝置的下部出口排出的固體含碳物料被輸送到所述熱解通道。
35.根據權利要求34所述的固體含碳物料熱解方法，其中: 調節通入分選裝置的流化氣體量，以使從分選裝置輸送到爐膛的固體含碳物料的燃燒發熱量，與熱解通道所需的熱量相匹配。
【文檔編號】C10B53/06GK103666503SQ201210324639
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月4日 優先權日:2012年9月4日
【發明者】朱治平, 呂清剛, 高鳴, 於曠世, 向飛, 孟廣軍, 劉秀如, 那永潔 申請人:中國科學院工程熱物理研究所