具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統及其工藝的製作方法

2023-05-19 05:27:21 2

專利名稱：具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統及其工藝的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種包括快速混合、高熱轉移率、準確控制短而均勻的停留時間的快速熱解碳質材料的新方法和新裝置，更具體地說，本發明涉及一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統和使用該反應器系統的方法。
背景技術：
產生熱、化學產物、或燃料的碳質材料熱解可伴隨有一系列熱化學反應過程。常規熱化學反應過程，如熱解、氣化和液化典型地是平衡反應過程，並產生一系列價值較低的平衡產物，包括數量佔大多數的固體，如焦、半焦等；液體，如重質焦油、含水溶液等；和氣體，如C02、CO、CH4等。例如，氣化通常產生應用受限的低級燃料氣體，而常規熱解所形成的有價值液態或氣態產物的產率又較低。此外，液態產物經常需要二次提質。熱解的特徵在於在相對缺氧，既氧的含量明顯少於完全燃燒所需要的量，的條件下熱分解材料。一般，熱解在習慣上僅是指常規慢熱解。然而，許多熱解的研究和實驗出人意料地表明對碳質材料進行快速熱解或閃解可以生產不良慢熱解產物的成本獲得高產率的包含有價值化學品、化學中間產物、石化品和燃料的初級、非平衡液體和氣體。換句話說，通過快速熱解工藝所體現的方法可避免常規慢熱解的低價值產物的出現。快速熱解可用涵蓋以下各種方法的任何方式定義即在極短的時間內快速賦予材料相對高的溫度，隨後在達到化學平衡狀態之前迅速將原始產物的溫度降低。通過這種方式，碳質材料的複雜結構被分解為有活性的最初通過解聚和脫揮發分反應形成、但存在時間極短的化學分子碎片。因此，如果非平衡產物可被保留下來，將可以生產低價值固體產物和重質有機液體產物的成本有選擇地獲得高價值的化學中間體、輕質初級有機液體產物、石化品和/或高品質燃料氣體等產物，並使其產率最大化。快速熱解可在各類反應器中進行。這些反應器最顯著的共同特徵是極快地加熱物料並通過快速冷卻將反應限制在較短的時間內以在高價值的中間產物退化為低價值的最終產物之前終止化學反應。因此，快速熱解反應器系統的特徵在於要求非常快的物料加熱速率，提升可控的反應溫度，可控但很短的混合、反應和/或停留時間，以及產物的快速激冷等。事實上，另一方面，一個為了液體產物產率而被優化的真正快速的熱解反應器系統，其特徵在於油/焦油產率較高，而焦和氣體產物產率較低。一般來說，在快速熱解所屬的現有技術中公開了四種基本類型的反應器系統，根據工作方式和結構的不同，他們被分別定義為流化床反應器、輸送型反應器、氣旋燒蝕反應器和真空熱解反應器。有關這四種基本類型的反應器系統的細節可參見美國專利US5, 792，340，該專利的公開內容在此全文引入以作參考。到目前為止，針對快速熱解各種碳質材料以獲得包括氣、液和固產物的高價值化學產物的有效方式，人們已進行了大量的嘗試和實驗。
例如，US5，792，340公開了一種碳質材料快速熱解的新方法及裝置，該方法包括在一個固體熱載體循環的上流式氣流床輸送型反應器中快速混合、快速傳熱、精確控制短而均勻的停留時間，以及快速激冷初級產物等步驟。碳質入料、非氧化性輸送氣體和無機顆粒狀供熱材料在反應器底部混合，並隨後被向上輸送穿過氣流床管式反應器。氣旋式熱固體循環系統從非可冷凝氣體和初級產物蒸汽中分離出固體並隨後將之送回混合器中。蒸汽產物被迅速激冷以使液體、石化產物、高價值的氣體和選擇性的有價值化學品的產率最大化。在US5，792，340中所公開的上述方法和裝置是通過一個上流式氣流床輸送反應器發揮功能的，因而對碳質材料和固體熱載體的粒徑的限制非常嚴格，結果其大規模應用也因此受到限制。US7, 901，568公開了一種將固態或高粘性碳基載能材料轉化成液態和氣態反應產物的方法，該方法包括以下步驟(a)使碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料接觸；(b)在200 450°C間，優選為250 350°C之間的反應溫度下，將碳基載能材料轉變為氣相反應產物。在其一個優選的實施方式中，該方法還包括步驟(c)在前述蒸汽相反應產物生成後的 10秒之內將其與顆粒狀催化劑材料分離；在其又一個優選的實施方式中，在步驟(c)之後有步驟(d):即將反應產物激冷到200°C以下。US7，901，568所公開的上述方法使用了下行床、流化床或提升管反應器，並且碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料的混合分兩步進行，但該專利並未公開如何快速均勻地混合所述碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料的具體細節。US4, 404，083和US4，511，434都公開了一種乾餾固態含烴材料、例如油頁巖、煤和油砂的流化床系統和方法，其中固態含烴材料和熱載體材料被給入一混合腔中混合後由提升氣沿提升管被快速向上輸送到一個含固體的容器中以乾餾含烴材料，並使自由烴熱裂解達到最小以增加可冷凝烴的回收。乾餾後的材料被輸送到一個稀釋相提升管及燃燒器容器中，乾餾後的材料中的殘餘碳在燃燒器中發生燃燒，留下可被送到混合腔內作為固體熱載體材料的熱廢料。US4，404，083和US4，511，434所公開的流化床系統和方法使用提升氣提升和混合固體含烴材料及熱載體材料，並且熱解後的固體產物在燃燒器容器中被燒掉，留下熱廢料做熱載體。與前面US5, 792，340相同，在US4，404，083和US 4，511，434所公開的流化床系統和方法中，對固態含烴材料和固體熱載體的粒徑的限制也非常嚴格，並因此導致其大規模應用受限。綜上所述，對於將之有效應用於碳質材料快速熱解的帶熱載體循環機制的熱解反應器系統來說，現有技術仍然存在許多需要解決或克服的缺點和問題。例如，需要顯著改善至少以下幾個方面或特性(I)可冷凝氣相產物在熱解爐和/或混合器內極短、均勻，但可控的停留時間；(2)入料在混合器中極快但徹底的混合以確保非常高的傳熱速率；(3)僅通過顆粒狀熱載體材料的循環就能將熱從熱載體顆粒中有效供應給和轉移至碳質材料中；(4)具有便於提供大量熱的高熱容和有助於有效裂解可冷凝氣相產物中重質部分的催化性能的熱載體材料；(5)允許熱載體與碳質材料比率足夠聞的反應器構造；(6)入料在進料系統中預熱解的預防；(7)有效分離可冷凝氣相產物而不損失其產率。

發明內容
本發明的目的是提供一種快速熱解碳質材料的新方法和新裝置，其旨在克服上述缺點或解決上述問題的至少一部分甚至全部，更具體地說，本發明提供了一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統和使用該反應器系統的方法。根據本發明第一個方面，提供一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或聞粘度碳質材料熱解反應器系統，包括碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載 體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)；至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器(500)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離。通常，對上述下行混合器的結構不作任何限制，因為其有很多相應的等同物或變通，然而，在本發明優選的實施方式中，所述下行混合器是一個柱狀混合器，包括中心縱向軸；縱向柱狀壁；多個被安裝在所說中心縱向軸上的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶，其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說中心縱向軸之間的角度大於90度；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶，其中所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶與所說縱向柱狀壁之間的角度大於90度；和其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使彼此相鄰的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶和所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面；或縱向柱狀壁；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片，其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片和所說縱向柱狀壁內表面之間的角度任選地大於90度；和其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片在垂直方向上彼此相對地布置，以便使沿垂直方向相鄰的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面；或中心縱向軸；縱向柱狀壁；
被安裝在所說中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說中心縱向軸之間的角度沿垂直方向大於90度；被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說外傾斜螺旋擋板或葉片與所說縱向柱狀壁內表面之間的角度沿垂直方向大於90度；和其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說外傾斜螺旋擋板或葉片在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使內傾斜螺旋擋板或葉片和所說外傾斜螺旋擋板或葉片相鄰部分的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。在上述優選的下行混合器中，進一步優選的是所述中心縱向軸是固定的或可旋轉的；所述縱向柱狀壁內部空間含有所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜螺旋擋板或葉片的部分是可旋轉的和/或可振動的；彼此相鄰的所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、彼此相鄰的所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片、或所述內和外傾斜螺旋擋板或葉片彼此相鄰的部分沿垂直方向形成60-120度的角度，更優選進一步形成90度的角度；所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片的橫截面形成弧面，從而控制所述碳質材料和催化熱載體在所述下行混合器中向下移動的方向，所說弧面的弧度小於30度，更優選進一步小於15度。同樣優選的是所述碳質材料或催化熱載體分別從所述下行混合器的頂部落在第一個內或第一個外向心傾斜擋板或葉片、或第一個內或第一個外傾斜環面帶、第一個或第二個所述傾斜擋板或葉片、或第一個或第二個向心傾斜擋板或葉片、或所述內或外傾斜螺旋擋板或葉片的頂部上面；所說下行混合器的頂部包括中心園水平開口或至少一個靠近中心縱向軸垂直表面的水平環面狹縫，用於將所述碳質材料或催化熱載體裝入所述下行混合器中，並使其落在所述內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶上面；和至少一個緊靠所述縱向柱狀壁內表面的水平環面狹縫，用於將所述催化熱載體或碳質材料裝入所述下行混合器中，並使其落在所述外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶上面；或所說下行混合器的頂部包括中心園水平開口或至少一個緊靠所述中心縱向軸垂直表面的水平環面狹縫，用於將所述碳質材料或催化熱載體裝入所述下行混合器中，並使其落在所述內傾斜螺旋擋板或葉片上面；和
至少一個緊靠所述縱向柱狀壁內表面的水平環面狹縫，用於將所述催化熱載體或碳質材料裝入所述下行混合器中，並使其落在所述外傾斜螺旋擋板或葉片上面。作為示範性的實例，所述縱向柱狀壁內部空間的橫截面是方形、圓形、多邊形或任何規則形狀。對上述固-固分離器或固-液分離器不作任何限定，然而優選的是所說固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)依靠熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體之間的粒徑差和/或比重差工作或發揮功能。在對上述熱解爐的廣義定義中，對所述熱解爐的類型和結構不作任何具體的限定，然而優選的是所說的熱解爐(200)進一步包括一個位於所述熱解爐(200)下部的旋轉爐篦(209)，以便進一步攪拌所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，從而更有效地將熱從所述催化熱載體中轉移至所述碳質材料中；更優選地，所述熱解爐進一步包括至少一個氣-固分離器或氣-液分離器(206,305,403和/或504),用於實現熱解的氣態或蒸汽產物和所述提升氣與被夾雜在其中的熱解的固態或液態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；用於實現吹拂氣體(302)與被夾雜在其中的熱解的固態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；用於實現分離氣體(401)與被夾雜在其中的熱解的固態 或液態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；和/或用於實現再熱催化熱載體與無氧或耗氧的燃燒氣體之間的分離；特別優選的是所述的氣-固分離器或氣-液分離器例如是旋風機、旋風機級聯、過濾器和/或過濾膜；而最優選的是所述熱解爐進一步包括至少一個熱交換器，用於分別從來自於所述熱解爐(200)、固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)、再熱器(500)和/或氣-固分離器或氣-液分離器(206，305，403和/或504)的廢氣中回收熱量，所述熱交換器的示範性實例是高壓鍋爐進水流經其間、並產生高壓水蒸汽的盤管式或多管式熱交換器。事實上，同樣優選的是所述的熱解反應器系統，進一步包括用於提高液化焦油或油產率的、靠近所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物出口的急冷單元(211)，所述的急冷單元(211)的示範性實例可是一個熱交換器、水槽、和/或一個或多個高壓水噴嘴。通常，所述再熱器(500)是一個提升管式再熱器，同時所述催化熱載體可選自被用作分子篩的粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物，所述粘土類礦物質示範性實例選自沸石、硅藻土、蒙脫石、凸凹棒粘土或它們的混合物；所述金屬氧化物中的金屬選自Al，Ti，Zr，Y，Si，La，Sr，Fe, Cu，Ni, Sn，Co, V, Zn, Mn 和 / 或 Mo ;所述金屬選自 Fe，Cu, Ni, Sn, Co, V, Zn, Mn, Pt, Cr, Ca, Mg 和 / 或Mo;所述催化熱載體的特定實例是經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷顆粒，或經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷和廢流化催化裂解催化劑(FCC)和/或矽和鈦的碳化物的混合物；作為一個具體實例，所述催化熱載體可含有至少一種裂解催化劑和/或加氫處理催化劑。在本發明另一個特定的非限制性實施方式中，所述催化熱載體可被造粒成為具有特定粒徑分布(PSD)的顆粒，其中可向所述催化熱載體中加入耐高溫膠結劑以便於造粒，而所述耐高溫膠結劑的示範性實例選自於氧化鋁溶膠糊、矽酸鈉溶液、鋁酸鹽水泥和/或鐵鋁酸鹽水泥。根據本發明第二個方面，提供一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或聞粘度碳質材料熱解反應器系統，包括碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)； 至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離；其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括中心縱向軸；縱向柱狀壁；多個被安裝在所說中心縱向軸上的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶，其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說中心縱向軸之間的角度大於90度；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶，其中所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶與所說縱向柱狀壁之間的角度大於90度；和其中所說內向心傾斜擋板或葉片與所說外向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與外傾斜環面帶在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使彼此相鄰的內向心傾斜擋板或葉片與所說外向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與外傾斜環面帶的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。根據本發明第三個方面，提供一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或聞粘度碳質材料熱解反應器系統，包括碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)；至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環 回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和 經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離；其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括縱向柱狀壁；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的傾斜擋板或葉片，或向心傾斜擋板或葉片，其中所說傾斜擋板或葉片，或向心傾斜擋板或葉片和所說縱向柱狀壁內表面之間的角度任選地大於90度；和其中所說傾斜擋板或葉片，或向心傾斜擋板或葉片在垂直方向上彼此相對地布置，以便使沿垂直方向相鄰的傾斜擋板或葉片，或向心傾斜擋板或葉片的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。根據本發明第四個方面，提供一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或聞粘度碳質材料熱解反應器系統，包括碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)；至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離；其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括中心縱向軸；縱向柱狀壁；被安裝在所說中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說中心縱向軸之間的角度沿垂直方向大於90度； 被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說外傾斜螺旋擋板或葉片與所說縱向柱狀壁內表面之間的角度沿垂直方向大於90度；和其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說外傾斜螺旋擋板或葉片在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使內傾斜螺旋擋板或葉片和所說外傾斜螺旋擋板或葉片相鄰部分的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。在本發明第一至第四方面中，任選或優選的是所述下行混合器(100)的大部分可位於所述熱解爐(200)的外面；所述熱解爐(200)的操作溫度和壓力分別為常壓-I. IMPa和250-750°C，更優選分別為常壓-O. 5PMPa和450_650°C ;所述催化熱載體離開所述再熱器(500)時的溫度為600-1200°C ;而所說的傾斜擋板或葉片可被圓形、橢圓形、或其它規則形狀的擋板或葉片所取代，並在所述擋板或葉片的周邊與所述縱向柱狀壁內表面之間形成至少一個月偏食形狀的狹縫或規則形狀的狹縫，以便使所述碳質材料和/或催化熱載體順利通過所述狹縫向下移動；所述碳質材料可選自於煤、煤直接液化殘渣、重質渣油、焦、石油焦、油砂、頁巖油、碳質工業廢料或尾礦、生物質、合成塑料、合成聚合物、廢輪胎、市政工業廢料、浙青、和它們的混合物。根據本發明第五個方面，提供一種用所述熱解反應器系統快速熱解碳質材料的方法包括:a)在相對缺氧的條件下，將所述碳質材料和催化熱載體引入到所述下行混合器
(100)中，以使它們從所述下行混合器的頂部向下移動時，在下行混合器中作緊密接觸並被充分混合，從而形成所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物、並迅速將熱從所述催化熱載體中轉移至所述碳質材料中，進而由上述熱轉移引發所述碳質材料的熱解；b)將上述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物從所述下行混合器(100)中引入到所述熱解爐(200)中，所說的均勻混合物在所述熱解爐(200)中被進一步混合或攪拌，同時進一步將熱從所述催化熱載體中轉移到所述碳質材料中，從而經熱解使所述碳質材料轉變為包括熱解的氣態或蒸汽產物和熱解的固態或液態產物的產物流；c)上述熱解的氣態或蒸汽產物被從所述熱解爐(200)的下部輸入的提升氣提升至所述熱解爐(200)的頂部，並經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)離開所述熱解爐(200)；d)所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的混合物經所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的出口(204)離開所述熱解爐(200)；e)含有氣態焦油或油的上述熱解的氣態或蒸汽產物進入所述冷凝器￠00)中，氣態焦油或油在所述冷凝器中經冷凝變為液態焦油或油，並與上述熱解的氣態產物相分離；f)所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的混合物進入上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，所述熱解的固態或液態產物在其中與所述廢催化熱載體相分離；g)分離後的廢催化熱載體和一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料進入所述再熱器(500)的底部，所述廢催化熱載體被上述那部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和從底部輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒再次加熱，並在被加熱其間被提升至所述再熱器(500)的頂部；h)再熱的催化熱載體從頂部離開所述再熱器(500)，隨後與無氧或耗氧的燃燒氣體分離，接著隨所述碳質材料再次進入所述下行混合器(100)中。
在本發明第五方面中，優選的是所述碳質材料和/或催化熱載體在所述下行混合器(100)中的停留時間小於10秒，更優選小於5秒，特別優選小於3秒；所述含有氣態焦油或油的熱解的氣態或蒸汽產物在其形成後在所述下行混合器(100)和/或所述熱解爐(200)中的停留時間小於10秒，更優選小於5秒，特別優選小於3秒；引入到所述下行混合器(100)中的所述碳質材料與催化熱載體之間的重量比為10/1-1/100，更優選為5/1-1/50，特別優選為2/1-1/10 ;所述碳質材料與催化熱載體之間的平均粒徑比為2500/1-3/1，更優選為250/1-5/1，特別優選為100/1-10/1 ;所述碳質材料的平均粒徑為1-50毫米，而所述催化熱載體的平均粒徑為20-300微米；所述碳質材料的平均密度為600-1200kg/m3,而所述催化熱載體平均密度為1200_2500kg/m3 ;所述碳質材料在所述下行混合器(100)中的平均加熱速度大於1000°C /秒。在本發明快速熱解碳質材料的上述方法中，更優選的是所述方法進一步包括將離開所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物急冷至250°C，特別是200°C以下；所述提升氣是氮氣和/或水蒸氣；所述熱解的固態產物被吹拂氣體失活和冷卻以增加其便於輸送和儲存的化學穩定性；從所述工藝氣體中回收熱量，所述工藝氣體包括用於使所述熱解的固態產物失活的吹拂氣體廢氣，來自再熱器(500)的無氧或耗氧燃燒氣體，來自所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物、和/或來自固-固分離器或固-液分離器(400)的分離氣體廢氣。同樣，上述方法優選地進一步包括將所述熱解的氣態或蒸汽產物和提升氣與被夾雜在其中的所述碳質材料、熱解的固態或液態產物和/或催化熱載體的細顆粒或粉塵分離；將用於使所述熱解的固態產物失活的吹拂氣體廢氣與被夾雜在其中的熱解的固態產物和/或廢催化熱載體的細顆粒或粉塵分離；將來自固-固分離器或固-液分離器(400)的分離氣體廢氣與被夾雜在其中的熱解的固態或液態產物和/或廢催化熱載體的細顆粒或粉塵分離；和/或將來自所述再熱器(500)的無氧或耗氧的燃燒氣體與被夾雜在其中的再熱催化熱載體和燃燒殘餘物的細顆粒或粉塵分離。其中，當來自固-固分離器或固-液分離器(400)的所述分離氣體是氮氣和/或水蒸氣時，其廢氣的至少一部分或全部被用作用於將所述熱解的氣態或蒸汽產物提升至所述熱解爐(200)的頂部的所述提升氣的至少一部分或全部。


從下述參考附圖的描述中可更明顯地看出本發明上述和其它特徵和優點，其中圖I是本發明具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統的代表性示意圖；圖2A是被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的一個實施方式的示意圖； 圖2B是圖2A所示的下行混合器沿圖2A所示的A-A線切開的剖面圖；圖2C是沿圖2A所示的A-A線切開的另一種下行混合器的剖面圖，其中所述傾斜擋板或葉片被一圓形傾斜擋板或葉片所取代，在所述傾斜擋板或葉片的周邊與所述縱向柱狀壁內表面之間形成一月偏食形或規則形狀的狹縫。圖2D是圖2B所示的傾斜擋板或葉片或圖2C所示的圓形傾斜擋板或葉片沿圖2B和圖2C所示的B-B線切開的剖面圖；圖2E是被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的另一個實施方式中、被安裝在所述縱向柱狀壁內表面上的向心傾斜擋板或葉片的透視圖；圖2F是圖2E所示的下行混合器沿圖2E所示的A-A線切開的剖面圖；圖2G是圖2E所示的下行混合器沿圖2E所示的B-B線切開的剖面圖；圖2H是被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的再一個實施方式中、被安裝在所述中心縱向軸上的向心傾斜擋板或葉片的透視圖；圖21是圖2E所示的下行混合器沿圖2H所示的A-A線切開的剖面圖；圖2J是圖2E所示的下行混合器沿圖2H所示的B-B線切開的剖面圖；圖3A是被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的另一個實施方式的示意圖；圖3B是圖3A所示的下行混合器的俯視圖；圖3C是沿圖3A所示的A-A線切開的所述下行混合器的剖面圖；圖4A是被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的再一個實施方式的示意圖；圖4B是圖4A所示的下行混合器的俯視圖；圖4C是圖4A所示的下行混合器中碳質材料和/或催化熱載體下行流經內傾斜環面帶和外傾斜環面帶的流向示意圖；圖4D是沿圖4A所示的A-A線切開的所述下行混合器的剖面圖；圖5A是在被用在圖I所示的熱解反應器系統中的下行混合器的又一個實施方式中，被安裝在所述中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片的透視圖；圖5B是安裝在所述中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片的豎剖面；圖5C是安裝在所述縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片的透視圖；圖是安裝在所述縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片的豎剖圖；圖5E是下行混合器中碳質材料和/或催化熱載體下行流經圖5A和圖5B所示的內傾斜螺旋擋板或葉片以及圖5C和圖所示的外傾斜螺旋擋板或葉片的流向示意圖；圖5F是圖5A-5E所示的下行混合器的正視圖。
具體實施例方式在下面的描述中，各圖中相對應或等同的部位或部件將採用相同的標記數來表
/Jn ο依據本發明的具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統(以下簡稱為「具有下行混合器和催化熱載體再熱器的熱解反應器系統」)的主要部件用於在最短時間內使碳質材料達到較高溫度，並且使所述碳質材料入料在該溫度下實現有效快速熱解的停留時間較短。優選地，對反應產物進行快速冷卻或激冷，以便保留或提高有價值的非平衡產物的產率。圖I表示了引入下行混合器和催化熱載體再熱器的熱解反應器系統的主要部件。所述主要部件有熱解爐(200)、至少一個下行混合器(100)、至少一個固-固分離器或 固-液分離器(300和/或400)、至少一個與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，以及一個與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器(600)。用來驅動熱解反應器系統的熱主要通過在再熱器(500)內進行燃燒而被加熱的循環的催化熱載體被轉移至下行混合器(100)和熱解爐(200)中。典型地，下行混合器(100)和熱解爐(200)內優選只存在非常少量的氧氣，以便使其中不發生例如燃燒的氧化反應，從而提供直接工藝熱。再循環和/或再熱催化熱載體顆粒在進入下行混合器(100)之前可採用焦或氣體的直接或間接燃燒，或者外源燃料的加熱對其進行加熱。因此，少量的殘氧可能存在於下行混合器(100)之內。作為熱解固體產物的一部分的焦的直接燃燒可以發生在下行混合器(100)和熱解爐(200)之外的再熱器(500)的提升管中，所述提升管含有積儲的顆粒狀催化熱載體和從再熱器(500)底部注入的含氧氣流。顆粒狀催化熱載體和碳質材料入料的快速混合以及熱向碳質材料入料中的轉移在下行混合器(100)中進行。在下行混合器(100)中，熱從顆粒狀催化熱載體中轉移到所述碳質材料入料中。充分混合和快速傳熱典型地在少於入料在下行混合器(100)中的總停留時間的十分之一內發生。因此，混合時間一般要小於I秒，優選為0.1-0.3秒。入料的加熱速率應該大於1000攝氏度/秒，同時碳質材料和/或催化熱載體在下行混合器(100)內的平均停留時間應該小於10秒，一般要小於5秒，尤其應小於2或3秒。與氣體或有機熱載體、如焦相比，本發明採用顆粒狀催化熱載體固體，顯著改善了傳熱效果，因為(單位質量)固體的載熱能力高，而且固體具有機械燒蝕碳質材料反應表面的能力。此外，碳質材料入料固-固直接接觸的傳熱速度可比間接傳熱的傳熱速度高許多。如圖I到圖5F所示，在下行混合器(100)內物料的快速混合/傳熱操作非常不同於通常的反應器系統，在通常的反應器系統中，例如現有技術中任何類型的熱解爐中，物料混合、傳熱和熱解都發生在同一個裝置中。發生快速混合/傳熱的下行混合器(100)和發生主要熱解的熱解爐(200)之間的分離設計使得可對混合時間和總的熱解停留時間進行精確控制，因為用於傳熱/混合的時間是物料在反應器系統中淨停留時間的很小一部分。物料在反應器系統中的總停留時間，即在下行混合器(100)和熱解爐(200)中停留的總時間可為5-50分鐘，通常為15到45分鐘。碳質材料入料從下行混合器(100)的頂部被注入後，其快速熱解被在下行混合器(100)中發生的熱傳遞所引發，並在進入熱解爐(200)中後繼續進行。熱解氣態產物隨提升氣一道離開熱解爐(200)並進入冷凝器(600)中，在冷凝器(600)中，熱解氣態產物所含的氣態焦油或油經冷凝變為液態焦油或油並從熱解氣態產物中分離出來，同時，用過的催化熱載體顆粒和熱解固體產物如焦和半焦、或不可冷凝的液體產物一同被排出熱解爐(200)夕卜，並被送入固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)中。在固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)中，大部分的熱解固體或不可冷凝的液體產物與用過的廢催化熱載體顆粒相分離。回收的廢催化熱載體顆粒隨後與少量熱解固體或不可冷凝的液體產物一起進入再熱器(500)的下端部位中以被再次加熱。所述少量熱解固體或不可冷凝的液體產物與前述從再熱器(500)下端引入的含氧氣流發生燃燒，從而再次加熱用過的廢催化熱載體顆粒，並且該含氧氣流將用過的廢催化熱載體顆粒提升至再熱器(500)的頂部。這樣，顆粒狀催化熱載體被再次加熱並通過其循環管道(102)返回反應器系統的下行混合器(100)中。必須注意被提升氣提升至位於熱解爐(200)的頂部的出口處的含有氣態焦油的熱解氣態產物在其生成後，需在10秒、優選5秒、更優選3秒，例如1-2秒內離開熱解爐 (200)，這樣做的目的旨在快速降低熱解氣態產物的溫度，以避免其中所含的氣態焦油發生二次裂解，從而提高焦油的產率。更優選地，用至少一個激冷裝置，比如熱交換器、水槽、和/或一個或多個高壓水噴嘴激冷離開熱解爐(200)但還沒有進入冷凝器(600)的熱解氣態產物。只要熱解氣態產物的溫度被激冷到250°C以下，焦油的二次裂解和/或熱解反應就會立即被終止。熱解固體或非冷凝液體產物和廢催化熱載體離開熱解爐(200)到固-固分離器或固-液分離器系統(300和/或400)的出口(204)處於能夠達到所要求的輸送最小停留時間、而又不會衝擊分離系統/再熱器(500)的位置。該位置取決於由壓力參數所決定的壓力平衡狀況、物料流量以及分離器的物理尺寸。熱解爐(200)的最佳高度由所要求的停留時間、物理空間受限程度和所選定的分離效率來決定。通常，一個多孔旋轉爐篦(209)(也被稱為轉盤)被安裝在熱解爐(200)的下部，以便繼續混合或攪拌碳質材料和催化熱載體，並繼續將熱從催化熱載體中轉移到熱解爐(200)中的碳質材料中，從而使碳質材料入料充分完成熱解反應。來自任選分離器(206)的包括可凝和不可凝成分的熱解氣態產物流立即被主冷凝器￠00)、典型為直接接觸式冷凝塔中的冷卻循環液體、如液態產物或其他合適的液體溶劑激冷和冷凝。用一個任選的泵將冷凝的溫暖液體從主冷凝器￠00)的底部抽出，並被優選地送往一個任選換熱塔(未示出)中，以便進行進一步冷卻和熱回收。冷卻後的液體隨後再被噴入主冷凝器(600)的頂部以便用於冷凝。在主冷凝器(600)中未被冷凝的氣態產物的殘餘物可任選地在次冷凝器(未示出)、典型為直接接觸式冷凝塔中被進一步冷卻。冷卻後的冷凝液態產物例如水被從次冷凝塔的底部抽出，並經次換熱塔(未示出)循環。從次冷凝塔頂部離開的氣流在一個任選的換熱器(未圖示)中經歷最後冷卻。一般來說，本發明對於所述固-固分離器或固-液分離器的工作方式沒有具體限制，在現有技術中為本領域普通技術人員所熟知的任何類型的常規固-固分離器或固-液分離器均可用於本發明反應器系統中，但優選的是固-固分離器或固-液分離器依靠熱解固體或不可冷凝液體產物和廢催化熱載體的粒徑差和/或密度差工作或發揮功能，如圖I所示的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)。依靠熱解固體產物和廢催化熱載體的粒徑差工作或發揮功能的固-固分離器(300)優選為一個或多個串聯的其孔徑大於廢催化熱載體所有顆粒的粒徑、但小於大多數熱解固體產物顆粒的粒徑的傾斜篩，以便使絕大多數熱解固體產物顆粒與廢催化熱載體和/或量非常少的熱解固體產物顆粒實現物理分離。依靠熱解固體或不可冷凝液體產物和廢催化熱載體的密度差工作或發揮功能的固-固分離器或固-液分離器(400)優選為流化床式的固-固分離器或固-液分離器，其中從底部注入的分離氣體使廢催化熱載體的所有顆粒和量非常少的熱解固體產物顆粒或不可冷凝液體實現物理分離。當該分離氣體是氮氣和/或水蒸氣時，其可作為至少部分或全部上述提升氣被引入到熱解爐(200)的下部或底部中。分離後的廢催化熱載體通過其循環管道進入再熱器(500)的底部，同時少量熱解固體或不可冷凝液體產物和/或任何外 源燃料也被單獨地或與廢催化熱載體一起被引入到再熱器(500)的底部中，以與從再熱器(500)底部輸入的含氧氣流發生燃燒，以便再次加熱再熱器(500)中的廢催化熱載體。作為一個具體例子，在熱解爐(200)中生成的熱解固體產物、如熱半焦和廢催化熱載體經出口(204)被引入位於熱解爐(200)下方的所述傾斜篩式分離器(300)中。熱解固體產物和廢催化熱載體的混合物在重力作用下沿傾斜篩表面(301)往下移動，同時吹拂氣體(302)、如氮氣和/或水蒸氣在傾斜篩表面(301)的底部自下往上吹拂以改善所說混合物的流動性。由此，粒徑小的廢催化熱載體顆粒和熱解固體產物的細顆粒和/或粉塵通過篩式分離器(300)實現與粒徑大的熱解固體產物的絕大多數顆粒相分離。篩後所得含廢催化熱載體顆粒、熱解固體產物細顆粒和/或粉塵的固體混合物(312)隨後被引入另一個固-固分離器或固-液分離器、如圖I所示的流化床分離器(400)中，以便從篩後的固體混合物中完全回收廢催化熱載體顆粒。在傾斜篩表面(301)的末端，溫度為100 300°C的吹拂氣體(302)與一點點空氣混合，以便進一步降低熱解固體產物絕大多數顆粒的溫度並使之鈍化，從而便於運輸和儲存。在流化床式固-固分離器或固-液分離器(400)中，藉助溫度為300 700°C的分離氣體(401)自下而上的吹拂力，篩後的固體混合物(312)被流化和分割成位於頂部區域的低密度固體(402)、位於中部區域的中密度固體(405和406)、和位於底部區域的高密度固體(407)。低密度固體(402)被旋風機(403)進一步處理，旋風機(403)主要輸出粉塵產物(404)和可任選被送往熱解爐(200)中的熱廢氣。中密度固體產物(405)主要包括熱解固體產物細顆粒、如焦粉。另一也主要包括熱解固體產物細顆粒、如焦粉的中密度固體產物(406)、或任意外源燃料任選地被輸送到再熱器(500)的提升管底部用於燃燒。高密度固體產物(407)主要包括廢催化熱載體顆粒。中密度固體產物(406)、即熱解固體產物的細顆粒的一部分如焦粉、或外源燃料、和含氧氣流(502)如空氣開始在再熱器(500)的提升管的底部區域中燃燒，以便產生再次加熱廢催化熱載體顆粒所需的熱能，同時高密度固體產物(407)、即被再次加熱的廢催化熱載體顆粒在如空氣或惰性氣的200 400°C提升氣流(501)的向上吹拂力作用下被提升至提升管的頂部區域。來自提升管頂部出口(503)的溫度達600 1200°C的熱氣-固混合物被旋風機(504)分離，該熱氣-固混合物包含再熱的催化熱載體顆粒、廢提升氣、以及無氧或失氧廢氣流(502)和燃燒殘留物，而旋風機(504)輸出經其循環管路(102)返回熱解爐(200)中的分離的再熱催化熱載體顆粒、和任選被送往水(507)流經其間、並產生高溫水蒸氣(508)的換熱器(509)中，而冷卻後的廢氣(506)可任擇地送往固體入料乾燥器(未圖示)中作熱源用。用於提升熱解氣態產物的溫度為400 700°C的熱提升氣(202)被引入到熱解爐(200)的下部中，並向上穿過旋轉爐篦(209)到達熱解爐(200)的頂部。熱解氣態產物被所述熱提升氣(202)提升至熱解爐(200)頂部的出口(205)處，並隨後被旋風機(206)處理，旋風機(206)輸出可任選被循環回熱解爐(200)中的碳質材料和/或催化熱載體的細顆粒(207)、以及熱解氣態產物(208)。熱解氣態產物(208)隨後在上述主冷凝塔(600)或油回收罐(未圖示)中被分離成不可凝性產物(601)和可凝性液體產物￠02)。在上述篩式固-固分離器(300)中，旋風機(305)被用於從廢吹拂氣流(304)中回收廢催化熱載體和/或熱解固體產物的細顆粒(306)、和/或粉塵，這些細顆粒和/或粉塵隨後又被送回篩式固-固分離器(300)中。淨化後的廢吹拂氣流(307)用水(310)流經其間、並生成高溫水蒸汽(311)的換熱器(308)進行熱回收後被進一步清除。一般而言，整 個反應器系統可在O. I I. IMPa、優選為常壓 O. 5MPa的壓力下操作，熱解爐和/或下行混合器也可採用上述壓力範圍。總的來說，如前所述，可用現有技術中為本領域普通技術人員所熟知的任意類型的常規熱交換器從本發明反應器系統所產生的任何工藝氣流中回收熱。同樣，如前所述，可用現有技術中為本領域普通技術人員所熟知的任意類型的常規氣-固分離器或氣-液分離器從本發明反應器系統所產生的任何工藝氣流中分離其所攜帶的固體細顆粒和/或粉塵。催化熱載體與碳質材料入料的質量流量比取決於反應器系統的熱需求，而熱需求又取決於碳質材料入料和催化熱載體的屬性，以及所要求的熱解反應溫度。碳質材料與催化熱載體的重量比通常為10/1-1/100、優選為5/1-1/50、更優選為2/1-1/10，為了使傳熱效率達到最大、並增加碳質材料與催化熱載體的接觸面積。碳質材料與催化熱載體的平均粒徑比一般為2500/1-3/1，優選為250/1-5/1，更優選為100/1-10/1，例如，碳質材料的平均粒徑為l_50mm，而催化熱載體的平均粒徑為20-300 μ m。為了提高依靠熱解固體產物和廢催化熱載體之間的比重差工作或發揮功能的固-固分離器或固-液分離器(400)的效率，碳質材料的平均密度一般為600-1200kg/m3，而催化熱載體的平均密度一般為1200-2500kg/m3。可被安裝在固體或氣體輸送管線上的流動控制裝置(未示出)，如擋板閥、截閥、L型閥和/或J型閥被用於控制工藝中固體和/或氣體的流量或質量比，例如控制被引入到下行混合器(100)中的碳質材料和/或再熱催化熱載體的流量或質量比，同時防止所述固體和/或氣流回流。理論上，不打算對本發明反應器系統所用的下行混合器(100)進行任何限制，但為了簡化結構並使效率最大化，本發明的反應器系統優選採用下述幾種下行混合器(100)。如圖2A所示，下行混合器(100)為一柱狀壁或者垂直腔體狀混合器，其包括縱向柱狀壁(110)；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的傾斜擋板或葉片(104)，其中所說傾斜擋板或葉片和所說縱向柱狀壁內表面之間的角度任選大於90度；和其中所說傾斜擋板或葉片在垂直方向上彼此相對地布置，以便使沿垂直方向相鄰的傾斜擋板或葉片的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。圖2B是下行混合器(100)沿圖2A所示的A-A線切開的剖面圖；如圖2C所示，前述傾斜擋板或葉片(104)可被一圓形、橢圓形、或其它規則形狀的傾斜擋板或葉片所取代，在所述傾斜擋板或葉片的周邊與所述縱向柱狀壁內表面之間形成一月偏食形或規則形狀的狹縫，以便使所述碳質材料和/或催化熱載體順利下行流動通過所述狹縫。圖2D是圖2B所示的傾斜擋板或葉片(104)或圖2C所示的圓形傾斜擋板或葉片沿圖2B和圖2C所示的B-B線切開的剖面圖。如圖2D所示，所述擋板或葉片可彎成弧形，以控制下行混合器(100)中碳質材料和催化熱載體的下行流動方向，優選地，所說弧面的弧度小於30度，更優選小於15度，例如10度或者5度。
如圖I所示，碳質物料和催化熱載體分別由各自的輸送管道或循環管道(101，102)被引入到下行混合器(100)的頂部，輸送或循環管道(101，102)優選地被設置在它們入口的相對兩側。這樣，碳質物料(或催化熱載體)首先下滑至第一道擋板或葉片(104)上，而催化熱載體(或碳質材料)下滑至第二道擋板或葉片(104)上，所述碳質物料(或催化熱載體)隨後繼續下滑，並從第一道擋板或葉片(104)上降落到第二道擋板或葉片(104)上，並實現與其上的催化熱載體(或碳質物料)緊密接觸/快速傳熱和充分混合。在第二道擋板或葉片(104)上形成的碳質物料與催化熱載體的混合物不斷繼續下滑通過被安裝在縱向柱狀壁內表面上的所有擋板或葉片(104)，同時實現徹底混合和快速、高效的傳熱，並最終從其出口(103)離開下行混合器(100)進入熱解爐(200)中。如圖2E所示，上述多個檔板或葉片可位於同一水平面上，並繞縱向柱狀壁內表面的中心縱向軸形成一向心結構。在此情況下，所述向心檔板或葉片(108)可前後或左右傾斜，只要能使碳質物料和催化熱載體通過所述向心檔板或葉片(108)向下滑動，並實現彼此間緊密接觸/快速傳熱和充分混合就行。圖2F和2G是在圖2E中所示的下行混合器(100)沿圖2E所示的A-A線和B-B線切開的剖面圖。當然，如圖2H所示，上述向心傾斜檔板或葉片(109)也可被安裝在一個中心縱向軸(107)上。圖21和2J是在圖2H中所示的下行混合器(100)沿圖2H所示的A-A線和B-B線切開的剖面圖。如圖3A和4A所示，本發明可採用的另一種下行混合器(100)也是柱狀混合器，其包括中心縱向軸(107)；縱向柱狀壁(110)；多個被安裝在所說中心縱向軸上的內向心傾斜擋板或葉片(109)、或內傾斜環面帶(109)，其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說中心縱向軸之間的角度大於90度；多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外向心傾斜擋板或葉片(108)、或外傾斜環面帶(108)，其中所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶與所說縱向柱狀壁之間的角度大於90度；和其中所說內向心傾斜擋板或葉片(109)、或內傾斜環面帶(109)與所說外向心傾斜擋板或葉片(108)、或外傾斜環面帶(108)在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使彼此相鄰的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶和所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁(110)內部空間的橫截面。圖3B和圖4B分別是圖3A和4A所示下行混合器(100)的俯視圖。如圖3B和圖4B所示，所述下行混合器的頂部(100)包括至少一個緊靠所述中心縱向軸(107)垂直表面的水平環面狹縫(106)，其用於將所述碳質材料(或催化熱載體)裝入所述下行混合器(100) 中，並使其首先落在第一道所述內向心傾斜擋板或葉片(109)、或內傾斜環面帶(109)上面；和至少一個緊靠所述縱向柱狀壁(110)內表面的水平環面狹縫(105)，其用於將所述催化熱載體(或碳質材料)裝入所述下行混合器中，並使其首先落在第一道所述外向心傾斜擋板或葉片(108)、或外傾斜環面帶(108)上面；或所述下行混合器(100)的頂部也可以包括一個中心圓水平開口(106』)，其用於將所述碳質材料(或催化熱載體)裝入所述下行混合器(100)中，並使其首先落在第一道所述內向心傾斜擋板或葉片(109)、或內傾斜環面帶(109)上面；和至少一個緊靠所述縱向柱狀壁(110)內表面的水平環面狹縫(105)，其用於將所述催化熱載體(或碳質材料)裝入所述下行混合器中，並使其首先落在第一道所述外向心傾斜擋板或葉片(108)、或外傾斜環面帶(108)上面。圖3C和圖4D分別是沿圖3A和圖4A所示的A-A線切開的所述下行混合器(100)的剖面圖。圖4C示意了碳質材料和/或催化熱載體通過圖4A所示的內傾斜環面帶(109)和外傾斜環面帶(108)而向下流動的方向。如圖3A、4A和4C所示，所述碳質材料和催化熱載體分別從其各自的入口(105，和106或106』)被引入到所述下行混合器(100)的頂部。這樣，碳質材料(或催化熱載體)首先下滑並降落到第一道內向心傾斜擋板或葉片(109)、或第一道內傾斜環面帶(109)上，同時催化熱載體(或碳質材料入料)下滑並降落到第一道外傾斜擋板或葉片(108)，或第一道外傾斜環面帶(108)上；所述碳質材料(或催化熱載體)隨後繼續下滑，並從第一道內向心傾斜擋板或葉片(109)、或第一道內傾斜環面帶(109)上降落到第一道外向心傾斜擋板或葉片(108)或第一道外傾斜環面帶(108)上，從而實現與其上的催化熱載體(或碳質材料入料)緊密接觸/快速傳熱和充分混合。在第一道外向心傾斜擋板或葉片(108)或第一道外傾斜環面帶(108)上形成的碳質物料入料和催化熱載體的混合物料不斷繼續下滑，並通過被安裝在中心縱向軸上和縱向柱狀壁內表面上的所有內、外向心傾斜擋板或葉片(108，109)或內、外傾斜環面帶(108，109)，同時實現徹底混合和快速、高效的傳熱，並最終離開所述下行混合器(100)進入熱解爐(200)中。如圖5A-5F所示，本發明可採用的又一種下行混合器(100)仍然是柱狀混合器，其包括中心縱向軸(107)；縱向柱狀壁(110)；
被安裝在所說中心縱向軸(107)上的內傾斜螺旋擋板或葉片(109』)，其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片(109』)與所說中心縱向軸(107)之間的角度沿垂直方向大於90度；被安裝在所說縱向柱狀壁(110)內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片(108』)，其中所說外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )與所說縱向柱狀壁(110)內表面之間的角度沿垂直方向大於90度；和其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片(109』 )與所說外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使內傾斜螺旋擋板或葉片(109』 )和所說外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )彼此相鄰部分的水平投影表面沿垂直方向彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁(110)內部空間的橫截面。與圖3B和圖4B所示相似，圖5A-5F所示的下行混合器(100)的頂部也可以包括一個中心圓水平開口或至少一個緊靠所述中心縱向軸(107)垂直表面的水平環面狹縫，其用於將所述碳質材料(或催化熱載體)裝入所述下行混合器(100)中，並使其落在所述內 傾斜螺旋擋板或葉片(109』 )上面；和至少一個緊靠所述縱向柱狀壁(110)內表面的水平環面狹縫，其用於將所述催化熱載體(或碳質材料)裝入所述下行混合器(100)中，並使其落在所述外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )上面。圖5A和圖5B分別是安裝在所述中心縱向軸(107)上的內傾斜螺旋擋板或葉片(109』)的透視圖和豎剖圖；而圖5C和圖分別是安裝在所述縱向柱狀壁(110)內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )的透視圖和豎剖圖。圖5E示意了碳質材料和/或催化熱載體通過圖5A和圖5B所示的內傾斜螺旋擋板或葉片(109』 )和圖5C和圖所示的外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )而向下流動的方向；同時圖5F是圖5A-5E所示的下行混合器(100)的正視圖。如圖5A-5F所示,碳質材料和催化熱載體分別由各自的中心圓水平開口和/或至少一個水平環面狹縫被引入到下行混合器(100)的頂部。這樣，碳質材料(或催化熱載體)首先下滑並降落到內傾斜螺旋擋板或葉片(109』 )的上部，而催化熱載體(或碳質材料入料)首先下滑並降落到外傾斜螺旋擋板或葉片(108』)的上部；所述碳質材料(或催化熱載體)隨後繼續下滑，並從內傾斜螺旋擋板或葉片(109』)的上部降落到外傾斜螺旋擋板或葉片(108』)的上部，從而實現與其上的催化熱載體(或碳質材料入料)緊密接觸/快速傳熱和充分混合。在外傾斜螺旋擋板或葉片(108』 )的上部形成的碳質物料入料和催化熱載體的混合物料不斷繼續下滑，並通過安裝在中心縱向軸(107)上和縱向柱狀壁(110)內表面上的內、外傾斜螺旋擋板或葉片(108』，109』 )的所有其他部位，同時實現徹底混合和快速、高效的傳熱，並最終離開下行混合器(100)進入熱解爐(200)中。應該清楚的是，應用於本發明的下行混合器是可旋轉或可震動的，特別是，在優選用於本發明的前述下行混合器中，所述中心縱向軸可以是固定或旋轉的，或縱向柱狀壁內部空間含有所述傾斜擋板或葉片、內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、所述向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜螺旋擋板或葉片的部分，包括下行混合器本身，都是可旋轉和/或可振動的。這樣的做法或設計有利於防止下行混合器被高粘度碳質材料、例如減壓渣油或油砂所堵塞。在碳質物料入料和/或催化熱載體向下流經下行混合器的過程中，碳質物料入料和催化熱載體之間最好能夠發生一定程度的碰撞，以便有助於使二者實現更充分的混合和更緊密的接觸/更快速的傳熱。為此，有時候要求或需要彼此相鄰的所述傾斜擋板或葉片、內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、所述向心傾斜擋板或葉片；或所述內和外傾斜螺旋擋板或葉片彼此相鄰的部分沿垂直方向形成60-120度、優選90度的夾角。事實上，本發明無意對所應用的催化熱載體做特殊限制，只要是具有載熱功能和/或催化功能的無機材料即可。一般而言，本發明優選使用的催化熱載體可選自被用作分子篩的粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物，其中所述粘土類礦物質可選自沸石、硅藻土、蒙脫石、凸凹棒粘土或它們的混合物；所述金屬氧化物中的金屬可以選自Al, Ti, Zr, Y, Si, La, Sr, Fe, Cu, Ni, Sn, Co,V, Zn，Mn 和 / 或 Mo ;所述金屬可以選自 Fe，Cu，Ni，Sn，Co，V, Zn，Mn，Pt，Cr, Ca，Mg 和 / 或Mo。所述催化熱載體也可以是經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷顆粒；或者所述催化熱載體可以是經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷和廢流化催化裂解催化劑(FCC)和/或矽和鈦的碳化物的混合物。 更優選地，所述催化熱載體含有至少一種催化劑，例如裂解催化劑和/或加氫處理催化劑。任選地，所述催化熱載體可以被造粒成為具有特定粒徑分布(PSD)的顆粒，其中向所述催化熱載體中加入耐高溫膠結劑以便於造粒，並且所述耐高溫膠結劑可選自於氧化鋁溶膠糊、矽酸鈉溶液、鋁酸鹽水泥和/或鐵鋁酸鹽水泥等。如上所述，在碳質材料的熱解過程中，如果催化熱載體含例如裂解催化劑和/或加氫催化劑成分，則熱解氣態產物中包含的氣態焦油或油在所述催化劑的作用下會進一步裂解或加氫裂解，結果，使得焦油或油中的重質組分被轉變為輕質組分，這將有利於提高液態焦油或油的質量或性能，甚至增加焦油或油的產率。實施例實施例I用下面給出的入料和工藝參數，在下述操作條件下，運行本發明具有圖4A和扣所示的下行混合器的圖I所示的熱解反應器系統。下面也給出了所形成的液體以及氣體的總產率。本實施例中所用的碳質材料是一種來自內蒙古呼倫貝爾寶日希勒的煤，其性能如表I和表2所不。表I呼倫貝爾原料煤的工業分析
I分比重/% 基準或單位
—水分—14.25空氣乾燥
_固定碳_40.87空氣乾燥
揮發分__30. 96__空氣乾燥
_灰分 _13.93 空氣乾燥 '總計 _ 99.98 空氣乾燥 高位發熱量(Qgr, ad)__20. 05__MJ/kg_表2呼倫貝爾原料煤的元素分析
權利要求
1.一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料的熱解反應器系統，包括 碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)； 至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中； 至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)； 至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和 經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離。
2.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 中心縱向軸； 縱向柱狀壁； 多個被安裝在所說中心縱向軸上的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶，其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說中心縱向軸之間的角度大於90度； 多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶，其中所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶與所說縱向柱狀壁之間的角度大於90度；和 其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使彼此相鄰的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶和所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
3.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 縱向柱狀壁； 多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片，其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片和所說縱向柱狀壁內表面之間的角度任選地大於90度；和 其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片在垂直方向上彼此相對地布置，以便使沿垂直方向相鄰的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
4.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 中心縱向軸； 縱向柱狀壁； 被安裝在所說中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說中心縱向軸之間的角度沿垂直方向大於90度； 被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說外傾斜螺旋擋板或葉片與所說縱向柱狀壁內表面之間的角度沿垂直方向大於90度；和 其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說外傾斜螺旋擋板或葉片在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使內傾斜螺旋擋板或葉片和所說外傾斜螺旋擋板或葉片相鄰部分的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
5.根據權利要求2或4所述的熱解反應器系統，其中所述中心縱向軸是固定的或可旋轉的。
6.根據權利要求2-4任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述縱向柱狀壁內部空間含有所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜螺旋擋板或葉片的部分是可旋轉的和/或可振動的。
7.根據權利要求2-4任何之一所述的熱解反應器系統，其中彼此相鄰的所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、彼此相鄰的所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片、或所述內和外傾斜螺旋擋板或葉片彼此相鄰的部分沿垂直方向形成60-120度的角度。
8.根據權利要求7所述的熱解反應器系統，其中彼此相鄰的所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或內和外傾斜環面帶、彼此相鄰的所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片、或所述內和外傾斜螺旋擋板或葉片彼此相鄰的部分沿垂直方向進一步形成90度的角度。
9.根據權利要求2或3所述的熱解反應器系統，其中所述內和外向心傾斜擋板或葉片、或所述傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片的橫截面形成弧面，從而控制所述碳質材料和催化熱載體在所述下行混合器中向下移動的方向。
10.根據權利要求9所述的熱解反應器系統，其中所說弧面的弧度小於30度。
11.根據權利要求10所述的熱解反應器系統，其中所說弧面的弧度進一步小於15度。
12.根據權利要求2-4任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述碳質材料或催化熱載體分別從所述下行混合器的頂部落在第一個內或第一個外向心傾斜擋板或葉片、或第一個內或第一個外傾斜環面帶、第一個或第二個所述傾斜擋板或葉片、或第一個或第二個向心傾斜擋板或葉片、或所述內或外傾斜螺旋擋板或葉片的頂部上面。
13.根據權利要求2所述的熱解反應器系統，其中所說下行混合器的頂部包括 中心圓水平開口或至少一個緊靠所述中心縱向軸垂直表面的水平環面狹縫，用於將所述碳質材料或催化熱載體裝入所述下行混合器中，並使其落在所述內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶上面； 至少一個緊靠所述縱向柱狀壁內表面的水平環面狹縫，用於將所述催化熱載體或碳質材料裝入所述下行混合器中，並使其落在所述外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶上面。
14.根據權利要求4所述的熱解反應器系統，其中所說下行混合器的頂部包括 中心圓水平開口或至少一個緊靠所述中心縱向軸垂直表面的水平環面狹縫，用於將所述碳質材料或催化熱載體裝入所述下行混合器中，並使其落在所述內傾斜螺旋擋板或葉片上面； 至少一個緊靠所述縱向柱狀壁內表面的水平環面狹縫，用於將所述催化熱載體或碳質材料裝入所述下行混合器中，並使其落在所述外傾斜螺旋擋板或葉片上面。
15.根據權利要求2-4任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述縱向柱狀壁內部空間的橫截面是方形、圓形、多邊形或任何規則形狀。
16.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所說固-固分離器(300)依靠熱解的固態產物和廢催化熱載體之間的粒徑差工作或發揮功能。
17.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所說固-固分離器或固-液分離器(400)依靠熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體之間的比重差工作或發揮功能。
18.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所說的熱解爐(200)進一步包括一個位於所述熱解爐(200)下部的旋轉爐篦(209)，以便進一步攪拌所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，從而更有效地將熱從所述催化熱載體中轉移至所述碳質材料中。
19.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，進一步包括 至少一個氣-固分離器或氣-液分離器(206,305,403和/或504),用於實現熱解的氣態或蒸汽產物和所述提升氣與被夾雜在其中的熱解的固態或液態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；用於實現吹拂氣體(302)與被夾雜在其中的熱解的固態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；用於實現分離氣體(401)與被夾雜在其中的熱解的固態或液態產物和/或催化熱載體細顆粒或粉塵之間的分離；和/或用於實現再熱的催化熱載體與無氧或耗氧的燃燒氣體之間的分離。
20.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述的氣-固分離器或氣-液分離器是旋風機、旋風機級聯、過濾器和/或過濾膜。
21.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，進一步包括 至少一個熱交換器，用於從來自於所述熱解爐(200)、固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)、再熱器(500)和/或氣-固分離器或氣-液分離器(206，305，403和/或504)的廢氣中回收熱量。
22.根據權利要求21所述的熱解反應器系統，其中所說的熱交換器是高壓鍋爐進水流經其間、並產生高壓水蒸汽的盤管式或多管式熱交換器。
23.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，進一步包括 用於提高液化焦油或油產率的、靠近所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物出口的急冷單元(211)。
24.根據權利要求23所述的熱解反應器系統，其中所述的急冷單元(211)是一個熱交換器、水槽、和/或一個或多個高壓水噴嘴。
25.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述再熱器(500)是一個提升管式再熱器。
26.根據權利要求I所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體選自被用作分子篩的粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物。
27.根據權利要求26所述的熱解反應器系統，其中所述粘土類礦物質選自沸石、硅藻土、蒙脫石、凸凹棒粘土或它們的混合物。
28.根據權利要求26所述的熱解反應器系統，其中所述金屬氧化物中的金屬選自Al，Ti, Zr, Y, Si, La, Sr, Fe, Cu, Ni, Sn, Co, V, Zn, Mn 和 / 或 Mo。
29.根據權利要求26所述的熱解反應器系統，其中所述金屬選自Fe，Cu，Ni,Sn，Co，V，Zn, Mn, Pt, Cr, Ca, Mg 和 / 或 Mo。
30.根據權利要求26所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體是經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬、矽和鈦的碳化物、廢流化催化裂解催化劑(FCC)或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷顆粒。
31.根據權利要求26-29任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體是經過燒結上述粘土類礦物質、金屬氧化物、金屬或它們的混合物而獲得的耐高溫多孔陶瓷和廢流化催化裂解催化劑(FCC)和/或矽和鈦的碳化物的混合物。
32.根據權利要求26所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體含有至少一種裂解催化劑和/或加氫處理催化劑。
33.根據權利要求26-30任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體被造粒成為具有特定粒徑分布(PSD)的顆粒。
34.根據權利要求33所述的熱解反應器系統，其中向所述催化熱載體中加入耐高溫膠結劑以便於造粒。
35.根據權利要求33所述的熱解反應器系統，其中所述耐高溫膠結劑選自於氧化鋁糊、矽酸鈉溶液、鋁酸鹽水泥和/或鐵鋁酸鹽水泥。
36.一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料的熱解反應器系統，包括 碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)； 至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中； 至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)； 至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和 經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離； 其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 中心縱向軸； 縱向柱狀壁； 多個被安裝在所說中心縱向軸上的內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶，其中所說內向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與所說中心縱向軸之間的角度大於90度； 多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶，其中所說外向心傾斜擋板或葉片、或外傾斜環面帶與所說縱向柱狀壁之間的角度大於90度；和 其中所說內向心傾斜擋板或葉片與所說外向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與外傾斜環面帶在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使彼此相鄰的內向心傾斜擋板或葉片與所說外向心傾斜擋板或葉片、或內傾斜環面帶與外傾斜環面帶的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
37.一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料的熱解反應器系統，包括 碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)； 至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中； 至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)； 至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和 經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離； 其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 縱向柱狀壁； 多個被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片，其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片和所說縱向柱狀壁內表面之間的角度任選地大於90度；和 其中所說傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片在垂直方向上彼此相對地布置，以便使沿垂直方向相鄰的傾斜擋板或葉片、或向心傾斜擋板或葉片的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
38.一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料的熱解反應器系統，包括 碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)； 至少一個位於上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸並被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中； 至少一個用於將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)； 至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，並在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨後再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧後的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和 經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器￠00)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，並與所述熱解的氣態產物相分離； 其中所述的下行混合器是柱狀混合器，其包括 中心縱向軸； 縱向柱狀壁； 被安裝在所說中心縱向軸上的內傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說中心縱向軸之間的角度沿垂直方向大於90度； 被安裝在所說縱向柱狀壁內表面上的外傾斜螺旋擋板或葉片，其中所說外傾斜螺旋擋板或葉片與所說縱向柱狀壁內表面之間的角度沿垂直方向大於90度；和 其中所說內傾斜螺旋擋板或葉片與所說外傾斜螺旋擋板或葉片在垂直方向上彼此交錯和相對地布置，以便使內傾斜螺旋擋板或葉片和所說外傾斜螺旋擋板或葉片相鄰部分的水平投影表面彼此至少部分重疊並覆蓋所說縱向柱狀壁內部空間的橫截面。
39.根據權利要求1，36-38任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述下行混合器(100)的大部分位於所述熱解爐(200)的外面。
40.根據權利要求1，36-38任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述熱解爐(200)的操作溫度和壓力分別為常壓-I. IMPa和250-750°C。
41.根據權利要求40所述的熱解反應器系統，其中所述的操作溫度和壓力分別進一步為常壓-O. 5PMPa 和 450-650°C。
42.根據權利要求1，36-38任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述催化熱載體離開所述再熱器(500)時的溫度為600-1200°C。
43.根據權利要求3或37所述的熱解反應器系統，其中所說的傾斜擋板或葉片被圓形、橢圓形或其它規則形狀的擋板或葉片所取代，在所述擋板或葉片的周邊與所述縱向柱狀壁內表面之間形成至少一個月偏食形狀的狹縫或規則形狀的狹縫，以便使所述碳質材料和/或催化熱載體順利通過所述狹縫向下移動。
44.根據權利要求1，36-38任何之一所述的熱解反應器系統，其中所述碳質材料選自於煤、煤直接液化殘渣、重質渣油、焦、石油焦、油砂、頁巖油、碳質工業廢料或尾礦、生物質、合成塑料、合成聚合物、廢輪胎、市政工業廢料、浙青、和它們的混合物。
45.一種用根據權利要求1-44任何之一所述的熱解反應器系統快速熱解碳質材料的方法包括 a)在相對缺氧的條件下，將所述碳質材料和催化熱載體引入到所述下行混合器(100)中，以使它們從所述下行混合器的頂部向下移動時，在下行混合器中作緊密接觸並被充分混合，從而形成所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物、並迅速將熱從所述催化熱載體中轉移至所述碳質材料中，進而由上述熱轉移引發所述碳質材料的熱解； b)將上述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物從所述下行混合器(100)中引入到所述熱解爐(200)中，所說的均勻混合物在所述熱解爐(200)中被進一步混合或攪拌，同時進一步將熱從所述催化熱載體中轉移到所述碳質材料中，從而經熱解使所述碳質材料轉變為包括熱解的氣態或蒸汽產物和熱解的固態或液態產物的產物流； c)上述熱解的氣態或蒸汽產物被從所述熱解爐(200)的下部輸入的提升氣提升至所述熱解爐(200)的頂部，並經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)離開所述熱解爐(200)； d)所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的混合物經所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的出口(204)離開所述熱解爐(200)； e)含有氣態焦油或油的上述熱解的氣態或蒸汽產物進入所述冷凝器￠00)中，氣態焦油或油在所述冷凝器中經冷凝變為液態焦油或油，並與上述熱解的氣態產物相分離； f)所述熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體的混合物進入上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，所述熱解的固態或液態產物在其中與所述廢催化熱載體相分離； g)分離後的廢催化熱載體和一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料進入所述再熱器(500)的底部，所述廢催化熱載體被上述那部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和從底部輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒再次加熱，並在被加熱其間被提升至所述再熱器(500)的頂部； h)再熱的催化熱載體從頂部離開所述再熱器(500)，隨後與無氧或耗氧的燃燒氣體分離，接著隨所述碳質材料再次進入所述下行混合器(100)中。
46.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述碳質材料和/或催化熱載體在所述下行混合器(100)中的停留時間小於10秒。
47.根據權利要求46所述的快速熱解碳質材料的方法，其中，所述碳質材料和/或催化熱載體在所述下行混合器(100)中的停留時間進一步小於5秒。
48.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述含有氣態焦油或油的熱解的氣態或蒸汽產物在其形成後在所述下行混合器(100)和/或所述熱解爐(200)中的 停留時間小於10秒。
49.根據權利要求48所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述含有氣態焦油或油的熱解的氣態或蒸汽產物在其形成後在所述下行混合器(100)和/或所述熱解爐(200)中的停留時間進一步小於5秒。
50.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳質材料與催化熱載體之間的重量比為10/1-1/100。
51.根據權利要求50所述的快速熱解碳質材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳質材料與催化熱載體之間的重量比進一步為5/1-1/50。
52.根據權利要求51所述的快速熱解碳質材料的方法，其中被引入到所述下行混合器(100)中的所述碳質材料與催化熱載體之間的重量比進一步為2/1-1/10。
53.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法,其中所述碳質材料與催化熱載體之間的平均粒徑比為2500/1-3/1。
54.根據權利要求53所述的快速熱解碳質材料的方法,其中所述碳質材料與催化熱載體之間的平均粒徑比進一步為250/1-5/1。
55.根據權利要求54所述的快速熱解碳質材料的方法,其中所述碳質材料與催化熱載體之間的平均粒徑比進一步為100/1-10/1。
56.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述碳質材料的平均粒徑為1-50毫米，而所述催化熱載體的平均粒徑為20-300微米。
57.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述碳質材料的平均密度為600-1200kg/m3，而所述催化熱載體平均密度為1200_2500kg/m3。
58.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述碳質材料在所述下行混合器(100)中的平均加熱速度大於1000°C /秒。
59.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，進一步包括 將離開所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物急冷至200°C以下。
60.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述提升氣是氮氣和/或水蒸氣。
61.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中所述熱解的固態產物被吹拂氣體失活和冷卻以增加其便於輸送和儲存的化學穩定性。
62.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中從所述工藝氣體中回收熱量，所述工藝氣體包括用於使所述熱解的固態產物失活的吹拂氣體廢氣，來自再熱器(500)的無氧或耗氧燃燒氣體，來自所述熱解爐(200)的熱解的氣態或蒸汽產物、和/或來自固-固分離器或固-液分離器(400)的分離氣體廢氣。
63.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，進一步包括 將所述熱解的氣態或蒸汽產物和提升氣與被夾雜在其中的所述碳質材料、熱解的固態或液態產物和/或催化熱載體的細顆粒或粉塵分離； 將用於使所述熱解的固態產物失活的吹拂氣體廢氣與被夾雜在其中的熱解的固態產物和/或廢催化熱載體的細顆粒或粉塵分離； 將來自固-固分離器或固-液分離器(400)的分離氣體廢氣與被夾雜在其中的熱解的固態或液態產物和/或廢催化熱載體的細顆粒或粉塵分離；和/或 將來自所述再熱器(500)的無氧或耗氧的燃燒氣體與被夾雜在其中的再熱催化熱載體和燃燒殘餘物的細顆粒或粉塵分離。
64.根據權利要求45所述的快速熱解碳質材料的方法，其中當來自固-固分離器或固-液分離器(400)的所述分離氣體是氮氣和/或水蒸氣時，其廢氣的至少一部分或全部被用作用於將所述熱解的氣態或蒸汽產物提升至所述熱解爐(200)的頂部的所述提升氣的至少一部分或全部。
全文摘要
本發明公開了一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統以及使用該反應器系統的方法。所述系統包括碳質材料熱解爐；至少一個用於充分混合碳質材料和催化熱載體、並將熱從催化熱載體快速轉移至碳質材料中的下行混合器；至少一個固-固分離器或固-液分離器；至少一個催化熱載體再熱器；和與所述熱解爐相連的冷凝器。
文檔編號B01J8/10GK102949969SQ20111024954
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者劉科, 吳昌寧, 苗強 申請人:北京低碳清潔能源研究所