一種低階煤絕熱熱解裝置的製作方法
2023-06-06 22:41:46 3
本發明涉及一種低階煤熱解反應器，具體說是一種包括裝料鬥、絕熱乾燥室、絕熱乾餾室和熄焦罐構成的氣體載熱式煤熱解裝置。
背景技術：
低階煤在熱解過程中，採用氣體載熱進行煤的熱解，能夠提高煤與熱載體的換熱效率，因此保證熱解過程中反應器中氣體溫度恆定是提高絕熱反應器低階煤氣體載熱熱解反應效率的重要途徑。
現有煤熱解反應器的絕熱結構主要是在反應器外圍包裹有高溫耐火纖維材料、以及在反應器外壁纏饒有電阻絲構成保溫結構。
能夠獲得的現有技術，如公開號為102559222A公開了「一種低溫乾餾爐」提供了一種結構簡單、能耗低、操作方便的低溫乾餾爐，爐體內部設有爐管，爐管與所述爐體的冷卻系統相連，最終連接集氣系統，所述爐體和密封的爐管均為臥式結構，用於物料熱解過程。但該低溫乾餾爐保溫層採用耐火纖維作保溫材料，降低了整體熱利用率。再如實用新型專利公開了「一種內熱立式乾餾爐」。它由加料機、爐體及排渣裝置構成，其特點是爐體為立式結構，顱腔內被中間腰部的拱臺分為上部的乾餾段和下部的氣化段，拱臺上設有與循環熱煤氣入口相通的環形混合室，在爐腔內乾餾段的爐頂裝料口的下方設有陣傘，陣傘設置通往爐體外的乾餾產物導出通道；爐體底部的爐盤上設有傳動機構帶動的排渣設備，排渣裝置中風頭直接通入爐體的氣化段內。該專利結構簡單，設計合理，維修方便，能處理含油率低、固定碳含量低的粒徑在8～75mm的貧礦油頁巖。其爐體外殼為鋼板焊接的圓筒，外徑為3～4m，需內稱150～250mm厚的耐火層，耐火層和鋼製外殼之間用礦渣棉或沙子填充保溫和承受膨脹，但是耐火層增加熱損耗，降低熱利用率，不能保證爐體內溫度分布更均勻、穩定。
還有一些公開的絕熱反應器是通過控制反應器外壁的多段電爐加熱，使得反應器的外壁溫度跟蹤反應器的內部溫度，降低反應器的內外溫差，從而減少熱損失，達到絕熱的效果。例如戴迎春等發表的《實驗室絕熱反應器的開發與設計[J].化學反應工程與工藝,1994，10(3):261-265》提到過一種絕熱反應器的結構，反應器為管徑Φ57mm×3.5mm的不繡鋼管，反應管中心裝有Φ3mm×0.5mm的不鏽鋼套管，內插可上下移動的Φ1mm熱電偶，測定反應床層軸向分布溫度。反應管外有一Φ300mm的同心筒狀管，內裝絕熱保溫材料。在筒外分別纏上三段或多段電阻絲，調節電壓控制保溫層溫度，保證同截面反應器內部與保溫層內的溫度近似，保證絕熱效果。這種絕熱反應器的不足之處是電爐的溫控是受反應器溫度變化進行調節，溫度跟蹤存在滯後問題，外圍向內部傳熱慢，耗費時間長，操作複雜，維修困難。
還有公開號為CN101961628A公開了「一種中小型絕熱反應器」，其特徵在於反應器外層設有可抽真空的隔熱夾套；夾套的上部和下部分別設有上下等溫體及上下保溫層，夾套的外側設有側壁加熱器和保溫層，隔熱夾套與反應管上下焊接處分別設置測溫元件，分別串聯控制上下等溫體中的加熱器，進行反應管進出物料處內外的溫度跟蹤。該發明中維持真空套層真空狀態能耗高，反應器材料強度要求高，易損耗，不利於大規模工業化利用。
技術實現要素：
本發明要解決的具體技術問題是如何在乾燥室和乾餾室的外圍設置相同溫度的保溫層，以保證反應器中心的氣體熱載體的溫度，進一步提高絕熱熱解效率，並提供一種低階煤絕熱熱解裝置。
所提供的一種低階煤絕熱熱解裝置，包括裝料鬥、絕熱乾燥室、絕熱乾餾室、熄焦罐依次連通構成，其特徵在於：所述絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的直徑大小相同，在外圍分別設置有和絕熱乾燥室與絕熱乾餾室溫度相同的氣體保溫層，在氣體保溫層的外圍設置有外保溫層。
上述技術方案的附加技術特徵如下。
所述絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的直徑分別與氣體保溫層的直徑比是149:261。
所述絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的直徑分別與外保溫層的直徑比是149:500。
所述絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的結構是圓柱上端面連通有圓臺，所述圓臺的角度是55～60°。
所述圓柱與圓臺的高度比是6:1～7:1。
所述絕熱乾燥室與絕熱乾餾室底部分別設置有出料下轉盤與出料上轉盤；其中的出料上轉盤上設置有氣體分布器，在氣體分布器外周的出料上轉盤上設置有上扇環形排料孔；所述氣體分布器是由上部錐體部分和下部圓筒部分構成；所述上部錐體表面均設有小於煤料粒度的小孔，下部圓筒一側設有氣體進氣口連通有高溫氣體進口；其中的出料下轉盤開設有與出料上轉盤上相應的下扇環形排料孔，並在出料下轉盤上連接轉軸通過傘齒輪由電機帶動轉動排料。
所述上部錐體的錐面與氣體分布器的軸向夾角是36～45°。
所述上扇環形排料孔之間設置有∩或∧型結構。
所述絕熱乾燥室的高溫氣體進口與保溫氣體進口的通入載熱氣體溫度是100～350℃。
所述絕熱乾餾室的高溫氣體進口與保溫氣體進口的通入載熱氣體溫度是100～750℃。
上述的一種低階煤絕熱熱解裝置，與現有技術相比的優點與積極效果如下。
本裝置結構將乾燥過程和乾餾過程分別設置，保證了脫水過程中的水分和熱解過程中的熱解氣分開處理，從而避免了水蒸氣對焦油產率的影響，進一步提高了產品的純度。
本裝置結構採用絕熱乾燥室與絕熱乾餾室直徑大小相等的結構設計，保證了絕熱乾燥室和絕熱乾餾室的空塔速度和煤料處理量相同，合理地進行了煤的熱解過程，最大程度地利用了乾燥和乾餾設備。
本裝置結構在絕熱乾燥室和絕熱乾餾室外圍分別設置有與其能到達相同溫度的氣體保溫層，從而保證進氣溫度與反應器中心溫度基本一致，有效的降低了煤乾餾過程中氣體載熱體與外界的熱量傳遞問題。
本裝置結構在絕熱乾燥室和絕熱乾餾室外圍分別設置有外保溫層，進一步降低了煤在乾餾過程中氣體載熱體與外界的熱量傳遞。
本裝置結構採用絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的直徑分別與氣體保溫層的直徑比是149：261結構，是通過化工熱力學理論計算得出，此時絕熱效果達到最佳；採用絕熱乾燥室與絕熱乾餾室的直徑分別與外保溫層的直徑比是149：500結構，保溫效果最佳。
本裝置結構採用絕熱乾燥室和絕熱乾餾室的結構是圓柱上端面連通有圓臺，所述圓臺的角度是55～60°，這種結構有利於載熱氣體在反應裝置頂部聚集，有利於排出，減少對裝置的耗損。
本裝置結構在絕熱乾燥室和絕熱乾餾室中採用圓柱與圓臺的高度比是6:1～7:1，保證了反應裝置的反應室相對較大，進而保證了煤料的處理量，提高了反應裝置的空間利用率。
本裝置結構在絕熱乾燥室與絕熱乾餾室底部分別設置有氣體分布器，該氣體分布器的結構保證了煤料的均勻受熱；在氣體分布器的底部設置有出料轉盤，實現了煤料的控制排放；在出料轉盤上設置有∩或∧型結構，保證了煤料在出料上轉盤上不會堆積，有利於物料排料孔排出。
本裝置與現有的煤絕熱熱解反應器相比，本裝置結構簡單，絕熱效果好，煤料依靠重力下行，乾燥過程產生尾氣與熱解過程尾氣分開處理，出料多少與停留時間易於控制，進氣溫度與反應器中心溫度基本一致，極大地提高了煤熱解反應器的熱解效率。
附圖說明
圖1是本發明的絕熱熱解反應裝置的總體結構示意圖。
圖2是本發明反應器底部氣體分布器與出料轉盤結構示意圖。
圖3是本發明反應器轉盤的原理結構示意圖。
圖4是本發明出料上轉盤扇環形排料孔間加裝三個∩或∧形板結構示意圖。
圖5是本發明絕熱熱解反應裝置的圓柱與圓臺的結構示意圖。
圖6是本發明絕熱乾餾室進氣口溫度和中心區溫度隨時間的對比效果圖。
圖7是本發明絕熱乾餾室進氣口溫度和絕熱乾餾室內的溫度隨時間的對比效果圖。
圖中：1：裝料鬥；2：絕熱乾燥室；3：高溫氣體出口；4：測溫孔；5：高溫氣體進口；6：出料轉盤；7：出料擋板；8：機械密封件；9：轉軸；10：保溫氣體出口；11：外保溫層；12：氣體保溫層；13：保溫氣體進口；14：氣體分布器；15：出料套筒；16：法蘭Ⅰ；17：法蘭Ⅱ；18：高溫球閥Ⅰ；19：法蘭Ⅲ；20：高溫球閥Ⅱ；21：法蘭Ⅳ；22：高溫球閥Ⅲ；23：熄焦罐；24：法蘭Ⅴ；25：出料下轉盤；26：出料上轉盤；27：氣體分布器的氣體進氣口；28：扇環形排料孔。
2』：絕熱乾餾室；3』：高溫氣體出口；4』：測溫孔；5』：高溫氣體進口；6』：出料轉盤；7』：出料擋板；8』：機械密封件；9』：轉軸；10』：保溫氣體出口；11』：外保溫層；12』：氣體保溫層；13』：保溫氣體進口；14』：氣體分布器；15』：出料套筒。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作出進一步的說明。
具體實施方式1實施一種低階煤絕熱熱解裝置是在乾餾室外圍依次設置有氣體保溫層和外保溫層，並在進行低階煤絕熱熱解反應時，向氣體保溫室層中通入與熱解反應等溫的載熱溫度氣體，使反應裝置的壁面溫度與反應裝置的中心反應溫度基本一致，氣體保溫層與乾燥室/乾餾室不發生熱交換，避免熱損耗降低。具體採取的改進措施是在乾餾室外層壁面周圍同軸設置氣體保溫層夾套，並設置有熱氣體循環管路，使加熱後的氣體分別從絕熱反應裝置的保溫氣體進口和高溫氣體進口進入，高溫載熱氣體通過氣體分布盤後與煤料均勻換熱，氣體載氣挾帶熱解反應氣體產物從高溫氣體出口排出；保溫氣體經保溫氣體進口通入氣體保溫層，用來減少裝置與氣體保溫層換熱，降低熱損耗，然後由保溫氣體出口排出，部分回流至加熱裝置入口。具體實施方式如下。
如附圖1-7所述，一種絕熱熱解反應裝置是由裝料鬥1、絕熱乾燥室2、絕熱乾餾室2』和熄焦罐23依次連通構成。其中，在裝料鬥1下端順序連接有絕熱乾燥室2、絕熱乾餾室2』和熄焦罐23。所述絕熱乾燥室2與絕熱乾餾室2』之間由斜通道連接，絕熱乾餾室2』與熄焦罐23之間由斜通道連接，並由高溫球閥22控制。斜通道是由出料擋板7/7』和出料套筒15/15』構成，所述斜通道的角度為30～90°。煤料由高溫球閥20控制從頂部加入，經乾燥脫水處理後，通過出料轉盤6/6』上的排料孔28落入斜道，然後由高溫球閥18控制進絕熱入乾餾室，熱解後的煤料通過出料轉盤6/6』上的排料孔落入斜通道，半焦進入熄焦罐23中。
本裝置絕熱乾燥段由絕熱乾燥室2、高溫氣體進口5和高溫氣體出口3、保溫氣體進口13和保溫氣體出口10、氣體保溫層12、外保溫層11、氣體分布器14、出料轉盤6構成。所述絕熱乾燥室2高440mm，直徑為149mm，從高度380mm處腔體直徑由149mm縮變為84mm，變徑錐面中心位置水平位置設置高溫氣體出口3。所述氣體保溫層12為一反應器筒體外同軸設置的氣體腔體，底部設置有保溫氣體進口13，頂部設計有保溫氣體出口10。本裝置絕熱乾餾段由絕熱乾餾室2』、高溫氣體進口5』和高溫氣體出口3』、保溫氣體進口13』和保溫氣體出口10』、氣體保溫室12』、外保溫層11』、氣體分布器14』、出料轉盤6』構成。所述絕熱乾餾室2』高440mm，直徑為149mm，從高度380mm處腔體直徑由149mm縮變為84mm，變徑錐面中心水平位置設置高溫氣體出口3』。所述氣體保溫室12』為一反應器筒體外同軸設置的氣體腔體，設置有保溫氣體進口13』和保溫氣體出口10』。
本裝置絕熱乾燥室2和絕熱乾餾室2』的直徑為149mm；氣體保溫層12/12』的直徑為261mm、外保溫層11/11』的直徑為500mm，所述外保溫層11/11』，所採用的保溫材料為高溫矽鋁酸鹽棉。氣體保溫層12/12』外層堆放保溫材料，降低了氣體保溫層12/12』與外界換熱，完成絕熱效果。本裝置絕熱乾燥室2和絕熱乾餾室2』設置有出料上轉盤26和出料下轉盤25。氣體分布器14/14』固定於出料上轉盤26，主要為鑄鐵或鐵材質，其由下部的圓筒部分和上部的錐體部分構成，圓筒及錐面的壁厚為3-5mm。下部圓筒部分一側留有直徑為23～36mm氣體進氣口，與高溫氣體進口5/5』相通；錐面與氣體分布器14/14』的軸向方向夾角為36°，錐面部分有多層小孔，呈環形均勻分布，孔徑為1～3mm，每層孔縱向高度差為5～10mm，孔的軸向與錐體截面垂直，以保證反應器中心溫度均勻。
本裝置出料下轉盤25與轉軸9/9』相連，轉軸9/9』與裝置之間採用機械密封件8/8』進行密封，機械密封件8/8』由靜環和動環構成，靜環固定在絕熱反應器底板面上，動環底部固定在轉軸卡槽上，靜環與動環之間以光滑金屬面接觸，並始終保持靜環彈簧處於壓縮狀態，保證反應器的密封狀態。轉軸9/9』通過一對傘形齒輪傳動由可調速調向的電機帶動，帶動出料下轉盤25轉動完成排料與截留過程。
本裝置出料上轉盤26始終處於靜止過程，出料上轉盤26和出料下轉盤25均有3個扇環型排料孔28，調節上下轉盤的相對位置完成通路的閉與合功能。當兩者的排料孔28對齊時，物料由排料孔28排出，當排料孔28錯開時形成閉合狀態，煤料截留在出料上轉盤26。轉盤工作圖見附圖3，圖中1～7為一個周期轉盤工作的示意圖，1和7中排料孔完全封閉，2～6排料孔開啟，進行排料。出料上轉盤26上3個扇環形排料孔28間加裝三個∩或∧形板，形狀角度在53°以上，三個∩或∧形板使得器壁與氣體分布器之間的煤料不再積存。本裝置乾燥、乾餾以及保溫都是通過載熱氣體實現的，高溫載熱氣體和保溫氣體以純N2為主，或其他氣體。載氣分成2路進行加熱，分別進入15KW加熱器和30KW加熱器進行加熱，15KW加熱器出口連接絕熱乾燥室2，30KW加熱器出口連接絕熱乾餾室2』，加熱後的高溫N 2分別進入裝置的保溫氣體進口13/13』和高溫氣體進口5/5』。絕熱乾燥室2和絕熱乾餾室2』尾氣從高溫氣體出口3/3』排出，經旋風除塵器和過濾器除去夾帶粉塵，後經煤氣冷凝管和焦油吸收塔完成焦油回收過程，餘熱由換熱器回收。保溫氣體出口10/10』排出後部分回流至加熱器入口，部分放空。
本裝置對於低階煤來說，絕熱乾燥室2的高溫氣體進口5與保溫氣體進口13的通入載熱氣體溫度是100～350℃；絕熱乾餾室的高溫氣體進口5』和保溫氣體進口13』的通入載熱氣體溫度為100～750℃。
具體實施方式2本具體實施方式2是在具體實施方式1的基礎上進行的實施例，本專業的技術人員能夠按照下面的具體實施例來實現本發明的技術方案。
如附圖1，N2經過30kw加熱器升溫至600℃，從絕熱乾餾室高溫氣體進口和保溫氣體進口通入，測得絕熱乾餾室進氣口溫度和中心區溫度隨時間的對比如附圖6，從附圖中可以觀察到在沒有加入煤料的情況下，基本熱損在可接受範圍≦30℃內，保證了裝置的絕熱效果。
如附圖1，將3kg粒度為1～5mm的褐煤，依靠重力，由裝料鬥進入反應裝置，N2經過15KW加熱器升溫到300℃左右，分別通入氣體保溫層和絕熱乾燥室內，預熱和乾燥絕熱乾燥室內的煤料，乾燥時間約為20min；然後煤料通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制煤料進入絕熱乾餾室；N2經過30kw加熱器升溫至600℃，從絕熱乾餾室底部的氣體分布器進入，並與煤料進行熱量交換，經過一段時間後，煤料的溫度上升並開始熱解，釋放出熱解揮發物，得到半焦。尾氣從高溫氣體出口排出，經旋風除塵器和過濾器除去夾帶粉塵，後經煤氣冷凝管和焦油吸收塔完成焦油的回收過程，餘熱由換熱器回收。待熱解完成以後，半焦通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制進入焦罐。得到1.85kg的半焦，0.095kg的焦油，0.35kg的水。
隨著反應時間開始測得絕熱乾餾室進氣口溫度和絕熱乾餾室內的溫度隨時間的數據，見附圖7。
具體實施方式3在具體實施方式1的基礎上，通過改變煤的粒度，觀察其反應情況。
將3.0kg粒度為5～10mm的褐煤，依靠重力，由裝料鬥進入反應裝置，N2經過15KW加熱器升溫到300℃左右，分別通入氣體保溫層和絕熱乾燥室內，預熱和乾燥絕熱乾燥室內的煤料，乾燥時間約為20min；然後煤料通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制煤料進入絕熱乾餾室；N2經過30kw加熱器升溫至600℃，從絕熱乾餾室底部的氣體分布器進入，並與煤料進行熱量交換，經過一段時間後，煤料的溫度上升並開始熱解，釋放出熱解揮發物，得到半焦。尾氣從高溫氣體出口排出，經旋風除塵器和過濾器除去夾帶粉塵，後經煤氣冷凝管和焦油吸收塔完成焦油的回收過程，餘熱由換熱器回收。待熱解完成以後，半焦通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制進入焦罐。得到2.1kg的半焦，0.12kg的焦油，0.36kg的水。
具體實施方案4在具體實施方式1的基礎上，通過改變煤種、改變進料量、改變乾燥時間，觀察其反應情況。
首先，將2.5kg粒度為5～10mm的長焰煤，依靠重力，由裝料鬥進入反應裝置，N2經過15KW加熱器升溫到300℃左右，分別通入氣體保溫層和絕熱乾燥室內，預熱和乾燥絕熱乾燥室內的煤料，乾燥時間約為10min；然後煤料通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制煤料進入絕熱乾餾室；N2經過30kw加熱器升溫至600℃，從絕熱乾餾室底部的氣體分布器進入，並與煤料進行熱量交換，經過一段時間後，煤料的溫度上升並開始熱解，釋放出熱解揮發物，得到半焦。尾氣從高溫氣體出口排出，經旋風除塵器和過濾器除去夾帶粉塵，後經煤氣冷凝管和焦油吸收塔完成焦油的回收過程，餘熱由換熱器回收。待熱解完成以後，半焦通過出料轉盤上的排料孔落入斜道，通過高溫球閥控制進入焦罐。得到1.93kg的半焦，0.113kg的焦油，0.15kg的水。
由附圖6得出絕熱乾餾室進氣口溫度和絕熱乾餾室中心的溫度分布隨時間的對比，體現了優良的絕熱保溫效果。