一種粉煤制取油品及合成氣的集成裝置及方法
【專利摘要】一種粉煤制取油品及合成氣的集成裝置及方法。該集成裝置由集成反應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)回料系統(tǒng)以及深度分離凈化系統(tǒng)構(gòu)成。集成反應(yīng)系統(tǒng)由氣化段、快速熱解段組成。氣化段為氧氣或空氣鼓風(fēng)湍流流化床氣化爐。床層的高度和密度不是通過低流化速度來維持，而是通過高氣流速度和高固體循環(huán)速度來維持。氣化段的碳來自快速熱解段。氣化段產(chǎn)生的合成氣與其所攜帶的固體顆粒同時(shí)作為快速熱解段的熱源?？焖贌峤舛问且粋€(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)器。熱解段內(nèi)的循環(huán)物料和氣化段的煤氣及固體顆?；旌虾?，兩股物流的溫度基本接近熱階段的溫度從而使剛加入的煤不會(huì)和來自氣化爐的高溫煤氣和顆粒在熱階段相接觸。
【專利說明】-種粉煤制取油品及合成氣的集成裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含碳原料制取油品及合成氣的集成裝置及方法，特別涉及一種粉 煤制取油品及合成氣的集成裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤制油是一種非常重要的化工工藝。迄今為止，雖然不斷有新增的石油探明儲(chǔ)量， 但作為常規(guī)的化石能源，煤炭的探明儲(chǔ)量依然比石油豐富，這一點(diǎn)對(duì)于煤炭?jī)?chǔ)量豐富但石 油儲(chǔ)量不足的國家而言，至關(guān)重要。直接或間接煤液化技術(shù)是一種資本密集型產(chǎn)業(yè)，且存在 著煤轉(zhuǎn)化效率低下、工藝復(fù)雜、相對(duì)可靠性低以及建設(shè)周期長(zhǎng)等的缺點(diǎn)。與其形成鮮明對(duì)比 的是，熱解技術(shù)卻可以分別從煤炭、生物質(zhì)中提取出30%、70%的焦油，工藝效率高且成本低 廉。
[0003] 將含碳原料轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品的有效方法之一便是快速熱解。由Martin A. Elliott 主編的 Chemistry of Coal Utilization Second Supplementary Volume 一書中，Howard 在P665-784中和其他文章表明，提高升溫原料的升溫速率，降低熱解操作壓力，減小進(jìn)料 煤粉的顆粒粒徑，增加惰性顆粒物的循環(huán)速率，縮短熱解產(chǎn)品的焦炭的接觸時(shí)間和減少熱 解時(shí)間，降低熱載體與原料的溫差都會(huì)改善焦油的產(chǎn)率。可惜的是迄今為止，還沒有一個(gè)熱 解裝置能包容多數(shù)這些有利條件。
[0004] Freel等人的專利US5, 961，786公布了一種生物質(zhì)熱解方法，該專利顯示，增加固 體循環(huán)量與新鮮進(jìn)料量之間的比例，避免循環(huán)半焦與進(jìn)料接觸可以使液收率由55%提高至 70%。在此專利中，生物質(zhì)在一個(gè)輸運(yùn)床中進(jìn)行熱解，但其本質(zhì)上屬于循環(huán)流化床反應(yīng)器。對(duì) 熟知流化床運(yùn)行(操作)的人而言，很容易就可以發(fā)現(xiàn)，專利US5, 961，786所涉及的輸運(yùn)床難 于運(yùn)行，因?yàn)橐患?jí)旋風(fēng)除塵器很難完全將熱解過程中產(chǎn)生的細(xì)焦粉捕獲。如果不將熱解氣 中的細(xì)焦粉去除，熱解產(chǎn)生的焦油中將含有大量的焦炭顆粒。而細(xì)焦粉與焦油一旦形成粘 漿，對(duì)二者實(shí)施分離的難度將非常大。更糟糕的是，這些焦粉與焦油相接觸，有助于焦油再 聚合成焦炭，從而減少焦油的收率，增加重質(zhì)焦油。因此，很好的分離焦油和焦粉是所有熱 解工藝必須解決的問題。實(shí)際上，這個(gè)發(fā)明的最大問題在于如何向熱裂解裝置供熱。專利 的數(shù)據(jù)是基于電加熱。一旦放大，加熱問題必須解決。雖然專利中提到可以用燃燒殘?zhí)嫉?方法，但沒有說明怎樣供熱，也沒有認(rèn)識(shí)到高溫?zé)彷d體和原料接觸會(huì)降低焦油的產(chǎn)率。Che 等人的文章就注意到電加熱裝置中焦油產(chǎn)率高于其他熱載體。顯然，電加熱的床內(nèi)溫度更 接近熱源溫度，可以避免讓煤和更高溫?zé)嵩唇佑|。當(dāng)固體作為熱載體時(shí)，熱載體的溫度往往 比新加入的原料高得多。高溫會(huì)使焦油裂解，從而降低焦油產(chǎn)率。
[0005] 實(shí)現(xiàn)熱解產(chǎn)物中氣-液-固三相的有效分離是Seglin與Bresler等人在 Chemistry of Coal Utilization Second Supplementary Volume 一書的第 13 章（P776) 中所列舉的熱解工藝面臨的眾多挑戰(zhàn)之一。Seglin與Bresler在Chemistry of Coal Utilization Second Supplementary Volume 一書中還對(duì)另外一種為人們所熟知的流化床 熱解工藝，COED工藝進(jìn)行了介紹。該工藝屬于一種氣相為熱載體的多段操作工藝，工藝流 程中包括了一個(gè)典型的四段式反應(yīng)系統(tǒng)：原料煤的顆粒小于3mm經(jīng)預(yù)處理段，兩段煤熱解 段及半焦焚燒段。在該體系中，半焦燃燒產(chǎn)生的煙氣為第二段煤熱解提供熱量，二段熱解爐 的所有氣體都為一段熱解爐提供熱量。熟知該工藝的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上只需將少量的煤進(jìn) 行燃燒便可以提供煤熱解所需的熱量（Seglin與Bresler給出的比例為5%)，該工藝中，煤 熱解產(chǎn)生的大量焦炭其實(shí)沒有被很好的加以利用。煤熱解過程產(chǎn)生的過量半焦是包括COED 工藝及US5, 961，786所公開的工藝在內(nèi)所有快速熱解技術(shù)都面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。為了防止過 量焦炭的產(chǎn)生，可以將該工藝流程延伸一步，即將熱解工藝與流化床氣化爐組合。另外，在 COED工藝以高溫氣體作為熱載氣，為防止粘結(jié)煤結(jié)焦，采用了多容器氣固逆流的方式來加 熱固體，在兩個(gè)熱解爐中，熱載氣的溫度與固體的溫差介于75到200°C之間。很可能由于這 個(gè)原因使COED的焦油產(chǎn)率在ll-22wt%。但由于氣體熱載體不會(huì)使物料快速升溫，此工藝的 焦油產(chǎn)率低于快速熱解所能達(dá)到的焦油產(chǎn)率。
[0006] 迄今為止，給熱解供熱的方法有兩種：用氣體作為熱載體和固體作為熱載體。用 氣體作為熱載體，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但加熱速度低，焦油產(chǎn)率也低。用固體作熱載體，加熱速度 快，焦油產(chǎn)率高，但操作困難。同時(shí)用固體作為熱載體，還要額外的氣體來流化熱解爐，從而 進(jìn)一步增加操作困難。不管用氣體還是固體做熱載體，只要熱載體的溫度高都會(huì)降低焦油 的產(chǎn)率。
[0007] 專利US4, 186, 079中，Roberts等人公開了一種對(duì)減壓浙青進(jìn)行熱解，以制取重質(zhì) 及輕質(zhì)液態(tài)產(chǎn)品、氣態(tài)烴與焦炭的工藝方法。這是一個(gè)典型的用固體作為熱載體的例子。該 工藝中包括熱解爐、氣化爐和焚燒爐。將重油加入到熱解爐中，將熱解爐產(chǎn)生的半焦投入焚 燒爐中進(jìn)行燃燒，分離出來的重質(zhì)油送到氣化爐，焚燒爐加熱的高溫?zé)峁腆w送到氣化爐的 作為熱源來氣化重質(zhì)油品。氣化爐中產(chǎn)生的高溫固體溫度高達(dá)1900°C，進(jìn)入熱解爐作為熱 載體，將所攜帶的熱量用于熱解反應(yīng)。雖則該工藝對(duì)減壓浙青的熱解在理論上和實(shí)踐中可 能行得通。由于浙青質(zhì)比固體物料容易裂解，熱解過程不會(huì)產(chǎn)生大量的焦炭，因此，焚燒爐 的熱量不會(huì)大量過剩。但是對(duì)固體物料而言，其實(shí)施的難度仍然較大。如果將該工藝用于 煤熱解，熱解爐大約會(huì)產(chǎn)生60?70%的焦炭，焚燒爐中燃燒這些焦炭所釋放的熱量將遠(yuǎn)大 于氣化爐用來氣化重質(zhì)焦油所需的熱量。當(dāng)然也會(huì)大于熱解爐所需的熱量。因此導(dǎo)致熱解 爐、氣化爐與焚燒爐三個(gè)反應(yīng)器的熱量平衡很難保持。和其他以固體作為熱載體的工藝一 樣，熱解爐也需要額外的流化氣，增加了操作的復(fù)雜性。同時(shí)，當(dāng)高溫?zé)彷d體和原料接觸也 會(huì)降低焦油產(chǎn)率。此專利沒有給出如何維持熱解爐、氣化爐與焚燒爐三個(gè)反應(yīng)器的熱量平 衡，而工業(yè)經(jīng)驗(yàn)普遍認(rèn)為煤熱解所需熱量約占焦炭燃燒釋放能量的5%?10%。在該集成裝 置中，涉及固體產(chǎn)物在三個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)：熱解爐中產(chǎn)生的半焦進(jìn)入焚燒爐，焚燒爐的熱 固體作為熱載體進(jìn)入氣化爐，氣化爐中產(chǎn)生的高溫固體又作為熱載體進(jìn)入熱解爐。要實(shí)現(xiàn) 固體物料在三個(gè)反應(yīng)器中的連續(xù)循環(huán)就要求每一個(gè)循環(huán)回路都有較高的固體顆粒捕集效 率。任一個(gè)顆粒捕集設(shè)備中捕獲顆粒的流失都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝循環(huán)難以實(shí)現(xiàn)。三個(gè)反應(yīng)器 間固體顆粒的循環(huán)還要求格外注意三個(gè)反應(yīng)器的壓力平衡。任一反應(yīng)器運(yùn)行狀況不佳，都 將導(dǎo)致整個(gè)集成反應(yīng)裝置體系的正常運(yùn)行陷入困境。這里還有一個(gè)潛在的問題，那就是在 大約1000°C的高溫及較高的固體物料循環(huán)流速條件下，通過任何一種價(jià)格合理的機(jī)械式閥 門來實(shí)現(xiàn)燃燒室及氣化爐中固體流量的精準(zhǔn)控制都是不現(xiàn)實(shí)的。另外一個(gè)更加嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí) 情況是，所有類似的集成工藝中的焚燒爐中都會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣?，F(xiàn)如今，出于環(huán)保要求， 焚燒爐中排放的煙氣中所含的亞微米級(jí)顆粒物、N0X、SOx、汞蒸汽、二噁英、游離態(tài)氯及氟都 要被去除。后續(xù)的污染物處理工序又會(huì)導(dǎo)致該集成裝置的經(jīng)濟(jì)性降低。專利US8, 217, 210 同樣因面臨這樣的缺陷而無法付諸實(shí)踐。實(shí)際上，基于環(huán)保要求，所有集成熱解裝置應(yīng)該盡 量避免污染性煙氣的產(chǎn)生。
[0008] Davis等人的專利US3, 988, 237是另外一個(gè)氣化熱解集成裝置的實(shí)例。此專利是 一個(gè)用氣體作為熱載體的加氫熱解裝置。雖然本專利沒有詳細(xì)介紹供熱方式，但建議用焚 燒爐的煙氣作為熱載體。實(shí)際上，這個(gè)建議很難實(shí)現(xiàn)。煙氣含氧，如果熱解爐的溫度低于氫 氣的燃點(diǎn)，會(huì)有安全隱患。煙氣含氮，稀釋熱解氣的氫氣，降低氫氣分壓。在他們的專利中， 煤在氣化產(chǎn)生的富氫氣氛中進(jìn)行干餾，煤熱解產(chǎn)生的半焦被送往氣化爐中進(jìn)行氣化，氣化 爐排出的未反應(yīng)半焦則被送進(jìn)焚燒爐中。但該專利仍然沒有說明如何在600°C下將熱解產(chǎn) 生的熱半焦輸送進(jìn)氣化爐，也沒有說明如何通過換熱器預(yù)熱進(jìn)料煤粉。雖然該氣化爐不能 將熱解產(chǎn)生的半焦全部氣化，但是該專利仍然公開了一種利用焚燒爐內(nèi)產(chǎn)生的熔聚熱灰作 為氣化反應(yīng)熱載體的方法。同樣的，焚燒爐所產(chǎn)生的煙氣仍然需要高昂的處理費(fèi)用，因此該 工藝在經(jīng)濟(jì)性上仍然不可行。
[0009] 專利US4, 578, 175公開了另一個(gè)以固體為熱載體的由流化床氣化爐與煤粉快速 熱解爐組成的裝置用來生產(chǎn)苯，甲苯和二甲苯。從而可以避免產(chǎn)生煙氣。氣化過程中產(chǎn)生 的高溫固體被用作煤干餾過程的熱源，熱解產(chǎn)生的半焦送到氣化爐作為氣化的原料，而熱 解爐的流化氣就是熱解本身產(chǎn)生的煤氣再循環(huán)。
[0010] 因?yàn)闊峤鈿庵泻写罅康腍2S與水蒸汽，二者共存時(shí)對(duì)設(shè)備具有非常強(qiáng)的腐蝕性， 故而循環(huán)氣需要先進(jìn)行復(fù)雜的凈化處理之后才能進(jìn)入循環(huán)氣壓縮機(jī)。因此，該熱解氣化集 成裝置具有兩個(gè)氣體凈化單元，一套裝置用來凈化氣化爐產(chǎn)生的煤氣，另一套裝置凈化熱 解氣，這無疑會(huì)增加其運(yùn)行成本及操作的復(fù)雜性。尤其是其操作的復(fù)雜性是該集成工藝技 術(shù)所面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另外，壓力平衡的控制也是一個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)熱解爐溫度 的有效控制，進(jìn)出氣化爐的循環(huán)固體量的變化范圍就很小，也就是說兩個(gè)反應(yīng)器間的壓差 控制要十分精準(zhǔn)。由于熱解爐與氣化爐間的壓力差是由兩個(gè)反應(yīng)器的氣體釋放速率來控制 的，而熱解爐中凈氣產(chǎn)量?jī)H為氣化爐的1/5?1/10,因?yàn)闊峤鉅t中氣體產(chǎn)生量較低，因此實(shí) 現(xiàn)其壓力的精準(zhǔn)控制的方法非常少，從而導(dǎo)致該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不大現(xiàn)實(shí)。
[0011] 專利US4, 578, 175中工藝技術(shù)存在的第三個(gè)問題是煤粉結(jié)焦問題較難處理。以含 氫的合成氣作為載氣的情況下，熱解爐中的煤粉很容易結(jié)焦。由于流化床返回管中循環(huán)固 體量與新鮮煤粉的比例僅為10?50:1，因而很難阻止進(jìn)料粉煤黏結(jié)在一起。較高的運(yùn)行成 本與操作難度致使該專利中所述的工藝仍需改進(jìn)。同樣，當(dāng)高溫?zé)彷d體與原料相接觸也會(huì) 降低焦油的產(chǎn)率。
[0012] 如上文所述，結(jié)焦問題是快速熱解技術(shù)所面臨的又一個(gè)難題，因?yàn)榻箟K有在熱解 器內(nèi)形成較大焦團(tuán)的可能性。而焦團(tuán)對(duì)熱解爐的正常運(yùn)行具有諸多負(fù)面影響。危害之一就 是焦團(tuán)會(huì)導(dǎo)致液收降低，這是由于熱解氣中的新鮮揮發(fā)份會(huì)與焦團(tuán)中的炭進(jìn)行聚合反應(yīng)， 生成更多的焦炭。焦團(tuán)形成的另外一個(gè)負(fù)面影響便是這些焦團(tuán)會(huì)沉積在流化床的底部，這 些焦團(tuán)是無法流化的，大量的焦團(tuán)積累可使整個(gè)流化床無法操作。解決因粘結(jié)而結(jié)焦的問 題最常用的方法就是在較低溫度下對(duì)粘結(jié)性煤進(jìn)行預(yù)處理。專利US3, 375, 175通過三段或 者多段熱解的方法進(jìn)行粘結(jié)性煤的熱解，以此來防止結(jié)焦的發(fā)生。但多段熱解會(huì)增加該工 藝的操作難度使其無法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
[0013] 專利US4, 341，598中，粘結(jié)性煤粉被噴注投入內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器，通過煤粉與 半焦在流化床中形成混合物來抑制煤的結(jié)焦。但是該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行中卻出現(xiàn)了很多問 題：由于腐蝕性氣體(如H 2S氣體)及固體顆粒的侵蝕與磨損作用，流化床內(nèi)部的任何構(gòu)件都 極有可能在短時(shí)間內(nèi)損毀。熱解器內(nèi)循環(huán)熱半焦與煤粉及熱解產(chǎn)生的揮發(fā)份直接接觸會(huì)促 進(jìn)二次反應(yīng)發(fā)生，因此同樣會(huì)導(dǎo)致液收減少。同時(shí)，熱解爐內(nèi)循環(huán)也難以控制。所以，業(yè)界 對(duì)徹底解決粘結(jié)性煤在熱解過程中的結(jié)焦問題的技術(shù)需求仍然很強(qiáng)烈。
[0014] 雖然有關(guān)煤的快速熱解及煤快速熱解-氣化-燃燒集成的專利很多，然而，業(yè)內(nèi)對(duì) 能夠生產(chǎn)出純凈合成氣、不含碳的灰渣，同時(shí)也有較高的液體收率而不產(chǎn)生污染性煙氣及 半焦等副產(chǎn)物的新型煤熱解技術(shù)的需求仍然很大。此外，快速熱解工藝還需要很好的解決 熱解過程中出現(xiàn)的結(jié)焦問題，要求熱解裝置運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中焦油及煤氣含塵量高、焦油產(chǎn)率 低以及環(huán)境污染大等問題，提供一種通過含碳原料的熱解及熱解產(chǎn)物的分離，生產(chǎn)高質(zhì)量 的液體產(chǎn)品及合成氣的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置及方法。
[0016] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括：包括集成反應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)回料系統(tǒng)以及深度 分離凈化系統(tǒng)；
[0017] 所述的集成反應(yīng)系統(tǒng)包括氣化段和快速熱解段，其中氣化段經(jīng)高溫煤氣管道和夾 帶顆粒管道與快速熱解段相連通，快速熱解段的原料入口經(jīng)進(jìn)煤管線與進(jìn)料系統(tǒng)相連通， 在氣化段上開設(shè)有固體循環(huán)通道，快速熱解段的一個(gè)出口經(jīng)循環(huán)顆粒管道與固體循環(huán)通道 相連通，氣化段下端還經(jīng)管路與氧氣、空氣及蒸汽的混合氣體相連通；
[0018] 所述的循環(huán)回料系統(tǒng)包括經(jīng)氣固混合物流管道與快速熱解段出口相連通的惰性 顆粒分離器，惰性顆粒分離器的分離出的惰性顆粒經(jīng)惰性顆粒管道與快速熱解段相連通， 惰性顆粒分離器的另一出口經(jīng)管道與含碳顆粒分離器的入口相連，含碳顆粒分離器分離出 的含碳顆粒經(jīng)含碳顆粒管道與氣化段相連通，經(jīng)含碳顆粒分離器分離出的初級(jí)凈化氣送入 深度分離凈化系統(tǒng)，經(jīng)分離后的油品、合成氣分別經(jīng)油品管道及合成氣管道送出。
[0019] 所述的氣化段的下端經(jīng)高溫灰渣管道與灰渣處理器相連通，灰渣處理器煙氣經(jīng)煙 氣管道與氣化段相連通，灰渣處理器的下端設(shè)置有冷卻器，且灰渣處理器還經(jīng)管道與氧氣、 空氣及蒸汽的混合氣體相連通。
[0020] 所述的循環(huán)顆粒管道上還安裝有料位控制器，且位于料位控制器后端的循環(huán)顆粒 管道還與吹掃氣相連。
[0021] 所述的固體循環(huán)通道的數(shù)量為1?16條。
[0022] 所述的快速熱解段為循環(huán)流化床熱解爐，快速熱解段的操作壓力為0. 12?IMPa， 操作溫度為450?850°C
[0023] 所述的氣化段為流化床氣化反應(yīng)爐，其操作溫度為950?1150°C。
[0024] 所述的惰性顆粒與來自氣化段的高溫煤氣和夾帶顆粒之和的質(zhì)量比為40?150。
[0025] 所述的混合物料入口在原料煤進(jìn)料口的下部至少1米處。
[0026] 所述的進(jìn)煤管線噴注進(jìn)料線速度為50?150m/s，同時(shí)進(jìn)料口有一個(gè)向上的與堅(jiān) 直方向呈小于45°的傾角。
[0027] 本發(fā)明的方法如下：
[0028] 經(jīng)過磨煤系統(tǒng)之后的原料煤由進(jìn)料系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)煤管線進(jìn)入快速熱解段的提升管內(nèi)， 快速熱解段以循環(huán)流化床的模式運(yùn)行，從氣化段來的氣固混合載體與快速熱解段內(nèi)部的顆 粒物料在快速熱解段的底部相混合，隨后，惰性顆粒分離器分離所得的惰性固體循環(huán)進(jìn)入 快速熱解段的提升管從而在內(nèi)循環(huán)中形成一個(gè)閉合回路，惰性顆粒分離器分離出的半焦的 固體顆粒經(jīng)含碳顆粒分離器分離后回流至氣化段與氧氣或空氣和蒸汽組成的氣化劑進(jìn)行 反應(yīng)，產(chǎn)生高溫煤氣及夾帶顆粒進(jìn)入快速熱解段，快速熱解段的循環(huán)顆粒在重力的作用下， 通過固體循環(huán)通道從快速熱解段進(jìn)入到氣化段并均勻分布在氣化爐中，高溫灰渣從氣化段 排出，進(jìn)入灰渣處理器，高溫灰渣中殘余碳組分轉(zhuǎn)化為煙氣再次送入氣化段，含碳顆粒氣固 分離器中進(jìn)行氣、固分離所得到的初級(jí)凈化氣再經(jīng)深度分離凈化系統(tǒng)進(jìn)行深度除塵凈化處 理得到油口和合成氣。
[0029] 所述的惰性顆粒分離器分離所得的惰性固體循環(huán)量對(duì)原料煤的質(zhì)量循環(huán)倍率比 為200?500,對(duì)高溫煤氣及夾帶顆粒的質(zhì)量循環(huán)倍率為50?300。
[0030] 所述的質(zhì)量循環(huán)倍率保證了快速熱解段是一個(gè)幾乎等溫的反應(yīng)器，從而保證了來 自氣化段的高溫煤氣及夾帶顆粒在接近熱解反應(yīng)溫度450?850°C下相接觸，而不是在氣 化段的溫度下相接觸。
[0031] 所述的質(zhì)量循環(huán)倍率使原料煤的加熱速率為10, 000?100, 〇〇〇°C /s。
[0032] 所述的惰性固體用來與原料煤相混合，避免粘結(jié)性煤顆粒相互接觸，用來加工粘 結(jié)性煤不用預(yù)處理。
[0033] 本發(fā)明能從含碳原料中提取高產(chǎn)率的輕質(zhì)焦油并生產(chǎn)合成氣，此裝置及方法能達(dá) 到碳轉(zhuǎn)化率98%以上。。
[0034] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了原料的快速熱解，進(jìn)料煤粉的最大粒徑小于1mm，增加惰性顆粒物對(duì) 原料的循環(huán)倍率，縮短熱解產(chǎn)品與焦炭的接觸時(shí)間和減少熱解時(shí)間，第一次實(shí)現(xiàn)了熱載體 和熱解爐的固體近等溫。
[0035] 本發(fā)明的氣化段為流化床氣化反應(yīng)爐，接納來自快速熱解段產(chǎn)生的含碳顆粒，并 與氧氣或空氣和水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生高溫煤氣。
[0036] 氣化段和快速熱解段之間還設(shè)置有固體固體循環(huán)通道，用來將循環(huán)顆粒從快速熱 解段在重力的作用下送到氣化段并均勻分布在氣化爐中。
[0037] 快速熱解段為循環(huán)流化床熱解爐，接納進(jìn)料系統(tǒng)通過進(jìn)煤管線輸送的原料煤，以 惰性顆粒分離器而來的惰性顆粒及氣化段而來的高溫煤氣及夾帶顆粒作為熱載體，實(shí)現(xiàn)原 料煤與熱載體的高效、快速傳熱及傳質(zhì)，進(jìn)行快速熱解反應(yīng)。
[0038] 來自氣化段的高溫煤氣和夾帶顆粒與快速熱階段的惰性顆粒在熱解爐提升管的 底部相混和，混合物料的溫度與快速熱階段的操作溫度之差小于KTC，從而避免氣化段的 高溫煤氣和夾帶顆粒與新加入的原料煤直接接觸，在近等溫?zé)彷d體的混合物料的作用下會(huì) 增加煤焦油的產(chǎn)率。
[0039] 所述的惰性顆粒與來自氣化段的高溫煤氣和夾帶顆粒之和的質(zhì)量比為40?150。
[0040] 所述的高溫煤氣和夾帶顆粒組成的氣固混合物流在快速熱階段至含碳顆粒分離 器之間的停留時(shí)間小于2秒。
[0041] 所述的惰性顆?？捎脕頊p少焦炭和熱解氣相產(chǎn)物的接觸。
[0042] 所述的快速熱解段的操作壓力為0? 12?IMPa，操作溫度為450?850°C。
[0043] 灰渣處理器還設(shè)有冷卻器，可以將高溫灰渣冷卻至100?150°C。
[0044] 所述的高溫灰漁的粒度大于0. 5?1mm，小于0. 5?Imm的高溫灰漁顆粒被煙氣帶 入氣化段，從而提高碳轉(zhuǎn)化率。
[0045] 所述的灰渣處理器的正常操作溫度范圍為1000?1200°C，比氣化段的操作溫度 高50°C以上。
[0046] 所述的灰渣處理器接納氣化段排出的高溫灰渣，在氧氣或空氣和少量蒸汽的作用 下，對(duì)高溫灰渣進(jìn)行深度轉(zhuǎn)化處理，去除其所含的碳組分。
[0047] 所述的惰性顆粒分離器從氣固混合物流中分離出的惰性顆粒返回快速熱解段的 原料注入口的下部。
[0048] 所述的含碳顆粒分離器分離出的含碳顆粒輸往氣化段進(jìn)行氣化，以產(chǎn)生同時(shí)作為 流化氣與熱載體的高溫煤氣及夾帶顆粒。
[0049] a、氣化段是一個(gè)穩(wěn)態(tài)或湍流流化床，床層中氣體表觀速度大小范圍為0. 3?2m/ s ；
[0050] b、氣化段的反應(yīng)溫度主要通過快速熱解段與氣化段的循環(huán)顆粒的循環(huán)速率進(jìn)行 控制；
[0051] c、通過向氣化段注入蒸汽或?qū)庀嘌h(huán)至密相區(qū)上層來控制氣化段的氣體表觀 床層密度；
[0052] d、快速熱解段的溫度主要通過氣化段的高溫煤氣的溫度及夾帶顆粒的質(zhì)量流量 來控制；
[0053] e、原料煤通過時(shí)煤管線加入到快速熱解段的提升管內(nèi)。
[0054] f、快速熱解段中心提升管中固體顆粒的平均床層堆積密度范圍為200?500kg/ m3 ；
[0055] g、進(jìn)入快速熱解段的惰性顆粒與原料煤質(zhì)量流量比范圍為200?500 ;
[0056] h、原料煤進(jìn)入快速熱解段之后，在10, 000?100, 000°C /s的加熱速率下被快速加 熱至熱解所需的溫度。此快速升溫是通過原料煤與高循環(huán)物料相混合來實(shí)現(xiàn)的。
[0057] i、快速熱解段進(jìn)料原料煤的平均粒徑范圍為80?300 ym，惰性顆粒和循環(huán)顆粒 的平均粒徑范圍為60?110 ii m。
[0058] j、從快速熱解段至氣化段的循環(huán)顆粒的循環(huán)量可通過吹掃氣的量來控制；
[0059] k、快速熱解段的位置高于氣化段，從而循環(huán)顆?？梢岳弥亓目焖贌峤舛窝h(huán) 到氣化段；
[0060] 1、循環(huán)顆粒從快速熱解段到氣化段可以通過固體循環(huán)通道來循環(huán)。固體循環(huán)通道 中循環(huán)顆粒的流動(dòng)及停止由吹掃氣的關(guān)停來控制，也可以通過料位控制器來控制；
[0061] m、從氣化段到快速熱解段的夾帶顆粒是通過高溫煤氣的攜帶來完成；
[0062] n、氣化段中加入的蒸汽有助于提高熱解爐中的焦油產(chǎn)率；
[0063] 〇、通過控制惰性顆粒高的循環(huán)速率可使本裝置適用于粘結(jié)性原料煤而不需熱處 理。
[0064] 本發(fā)明的快速熱解段實(shí)質(zhì)上屬于循環(huán)流化床反應(yīng)器，且其提升管中顆粒堆積密度 也較大?？焖贌峤舛翁嵘苤袣怏w表觀速度大小范圍為7?40m/s，該表觀速度大小是由進(jìn) 料的性質(zhì)決定的。提升管中固體顆粒的平均床層密度范圍為200?500kg/m3,具體大小取 決于輸送顆粒的真密度。此處要特別強(qiáng)調(diào)的是，提升管中輸送相的氣含率為0. 8?0. 85。 [0065] 對(duì)非粘性含碳原料如褐煤與生物質(zhì)進(jìn)行熱解時(shí)，提升管中循環(huán)固體顆粒與進(jìn)料的 質(zhì)量比范圍為200?300 ;對(duì)粘性煤進(jìn)行熱解時(shí)，提升管中循環(huán)固體顆粒與進(jìn)料的質(zhì)量比范 圍為200?500。要提高固體顆粒的比循環(huán)量，可以通過提高快速熱解段氣相表觀速度與返 回管中固體料位高度得以實(shí)現(xiàn)。
[0066] 循環(huán)回路中固體顆粒的平均粒徑范圍是60?IlOii m，床層中的顆粒物料全部來 自粉煤氣化反應(yīng)。為了產(chǎn)生最終的平衡顆粒尺寸，進(jìn)料顆粒的尺寸要進(jìn)行調(diào)整，由此一來， 進(jìn)料煤粉平均尺寸的最佳范圍為80?300 ii m。
[0067] 快速熱解段的最佳操作壓力為0? 12?IMPa，快速熱解段的操作溫度為450? 850°C，氣化段的操作溫度范圍為950?1150°C，灰渣處理器的操作溫度范圍為1000? 1200。。。
[0068] 本發(fā)明的特點(diǎn)是含碳物質(zhì)的加熱速率高，焦油產(chǎn)率高，近于完全碳轉(zhuǎn)化，該集成裝 置產(chǎn)生的合成氣可用于下游化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0069] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0070]圖中：1、原料煤；2、進(jìn)料系統(tǒng)；3、進(jìn)煤管線；4、快速熱解段；5、高溫煤氣管道；6、 夾帶顆粒管道；7、氣化段；8、灰渣處理器；9、高溫灰渣管道；10、煙氣管道；11、冷卻器；12、 低溫灰渣；13、氣固混合物流管道；14、惰性顆粒分離器；15、惰性顆粒管道；16、循環(huán)顆粒管 道；17、料位控制器；18、固體循環(huán)通道；19、含碳顆粒管道；20、氧氣；21、蒸汽；22、含碳顆 粒分離器；23、初級(jí)凈化氣管道；24、深度分離凈化系統(tǒng)；25、油品管道；26、合成氣管道；27、 吹掃氣；28、空氣。

【具體實(shí)施方式】
[0071] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。。
[0072] 參見圖1，包括集成反應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)回料系統(tǒng)以及深度分離凈化系統(tǒng)24 ;
[0073] 所述的集成反應(yīng)系統(tǒng)包括氣化段7和快速熱解段4,其中氣化段7經(jīng)高溫煤氣管 道5和夾帶顆粒管道6與快速熱解段4相連通，快速熱解段4的原料入口經(jīng)進(jìn)煤管線3與 進(jìn)料系統(tǒng)2相連通，在氣化段7上開設(shè)有固體循環(huán)通道18,快速熱解段4的一個(gè)出口經(jīng)循環(huán) 顆粒管道16與固體循環(huán)通道18相連通，氣化段7下端還經(jīng)管路與氧氣20、空氣28及蒸汽 21的混合氣體相連通；
[0074] 所述的循環(huán)回料系統(tǒng)包括經(jīng)氣固混合物流管道13與快速熱解段4出口相連通的 惰性顆粒分離器14,惰性顆粒分離器14的分離出的惰性顆粒經(jīng)惰性顆粒管道15與快速熱 解段4相連通，惰性顆粒分離器14的另一出口經(jīng)管道與含碳顆粒分離器22的入口相連，含 碳顆粒分離器22分離出的含碳顆粒經(jīng)含碳顆粒管道19與氣化段7相連通，經(jīng)含碳顆粒分 離器22分離出的初級(jí)凈化氣23送入深度分離凈化系統(tǒng)24,經(jīng)分離后的油品、合成氣分別經(jīng) 油品管道25及合成氣管道26送出。
[0075] 所述的氣化段7的下端經(jīng)高溫灰渣管道9與灰渣處理器8相連通，灰渣處理器8 煙氣經(jīng)煙氣管道10與氣化段7相連通，灰渣處理器8的下端設(shè)置有冷卻器11，且灰渣處理 器8還經(jīng)管道與氧氣、空氣及蒸汽的混合氣體相連通。
[0076] 所述的循環(huán)顆粒管道16上還安裝有料位控制器17,且位于料位控制器17后端的 循環(huán)顆粒管道16還與吹掃氣27相連。
[0077] 所述的固體循環(huán)通道18的數(shù)量為1?16條。
[0078] 所述的快速熱解段4為循環(huán)流化床熱解爐，快速熱解段4的操作壓力為0. 12? IMPa，操作溫度為450?850°C
[0079] 所述的氣化段7為流化床氣化反應(yīng)爐，其操作溫度為950?1150°C。
[0080] 所述的惰性顆粒15與來自氣化段7的高溫煤氣5和夾帶顆粒6之和的質(zhì)量比為 40 ?150。
[0081] 所述的混合物料入口在原料煤1進(jìn)料口的下部至少1米處。
[0082] 所述的進(jìn)煤管線3噴注進(jìn)料線速度為50?150m/s，同時(shí)進(jìn)料口有一個(gè)向上的與堅(jiān) 直方向呈小于45°的傾角。
[0083] 經(jīng)過磨煤系統(tǒng)之后的原料煤1由進(jìn)料系統(tǒng)2經(jīng)進(jìn)煤管線3依進(jìn)入快速熱解段4的 提升管內(nèi)。最佳的進(jìn)料粉煤平均粒度范圍為80?300 ym。對(duì)低階含碳原料，如褐煤而言， 進(jìn)料的含水率最好小于20%，對(duì)生物質(zhì)而言，進(jìn)料的含水率要小于5%。進(jìn)料含水率對(duì)快速熱 解段4及氣化段7的正常運(yùn)行影響不顯著，但對(duì)進(jìn)料系統(tǒng)2有一定影響。
[0084] 進(jìn)料系統(tǒng)2輸出的原料煤1經(jīng)由進(jìn)煤管線3進(jìn)入快速熱解段4。在實(shí)際運(yùn)行過 程中，原料煤1沿著進(jìn)煤管線3高速噴注進(jìn)入快速熱解段4中，噴注進(jìn)料線速度高達(dá)50? 150m/s，同時(shí)進(jìn)料口最好要有一個(gè)向上的與堅(jiān)直方向呈小于45°的傾角。在快速熱解段4 上安裝一個(gè)向上流的進(jìn)料噴嘴對(duì)于防止原料煤1在快速熱解段4中停留時(shí)間過長(zhǎng)至關(guān)重 要。
[0085] 在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，快速熱解段4將會(huì)以循環(huán)流化床的模式運(yùn)行。其提升管中氣 體表觀速度范圍是6?40m/s。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，循環(huán)流化床快速熱解段4的具體結(jié) 構(gòu)卻千差萬別。與專利US7, 771，585所公開的內(nèi)容相類似，典型的循環(huán)流化床熱解爐由提 升管、旋風(fēng)分離器及直立管料腿等部分構(gòu)成。此外，根據(jù)需求，快速熱解段4也可以設(shè)計(jì)成 一個(gè)類似于專利申請(qǐng)US20040100902中所公布的內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器。在內(nèi)循環(huán)流化床反 應(yīng)器中，含碳物料、載氣和來自氣化段7的循環(huán)固體都被輸進(jìn)快速熱解段4的中心提升管。 從氣化段7來的氣固混合載體與熱解爐內(nèi)部的顆粒物料在熱解爐的底部相混合，混合物料 入口在原料煤1進(jìn)料口的下部至少1米處。此混合物的溫度與熱解爐的溫差不大于KTC。 這股物料和原料煤1混和后會(huì)使原料煤1的溫度迅速達(dá)到操作溫度，因?yàn)檠h(huán)顆粒15對(duì)原 料煤1的質(zhì)量比在200?500。隨后，分離器中分離所得的惰性固體跌落進(jìn)中心管外壁與熱 解爐內(nèi)壁之間的環(huán)隙中，中心管底部的固體顆粒將循環(huán)進(jìn)入提升管從而在內(nèi)循環(huán)中形成一 個(gè)閉合回路?？焖贌峤舛?中產(chǎn)生的主要成份為半焦的固體顆粒經(jīng)含碳顆粒分離器22分 離后進(jìn)入氣化段7中進(jìn)行氣化。
[0086] 一旦原料煤1進(jìn)入快速熱解段4的提升管以后，新進(jìn)入反應(yīng)體系中的粉煤顆粒周 圍將會(huì)發(fā)生一些非常重要的現(xiàn)象，一個(gè)現(xiàn)象是提升管中的固體顆粒從噴射口入口下部被卷 入高速運(yùn)動(dòng)的射流流體，從而形成粉煤顆粒與惰性顆粒在提升管中的第一次混合。第二個(gè) 現(xiàn)象是進(jìn)料粉煤射流與惰性固體顆粒流體的整體混合。雖然提升管中的氣體與惰性固體顆 粒的速度范圍為6-40m/s，遠(yuǎn)低于粉煤射流50-150m/s的速度，但是由于提升管的直徑遠(yuǎn)大 與粉煤噴射入口直徑，因此提升管中顆粒的質(zhì)量流量與速度乘積即提升管中物料的動(dòng)量比 噴射入口處的粉煤動(dòng)量大很多。由此導(dǎo)致動(dòng)量較大的物料將吸收動(dòng)量較小者的動(dòng)量，二者 融合以后進(jìn)一步混合。快速混合與大量的高溫惰性固體顆粒的存在保證了粉煤顆粒瞬間就 被加熱升溫。粉煤顆粒很快被加熱到熱解所需溫度，其加熱速率大小要大于10, 〇〇〇°C /s， 甚至?xí)哌_(dá)100, 〇〇〇°C /s,此快速升溫是通過原料煤1與高循環(huán)物料相混合來實(shí)現(xiàn)的。而 眾所周知，快速升溫有利于提高焦油產(chǎn)率。
[0087] 快速熱解段4提升管內(nèi)的氣流主要來自于氣化段7,氣化段7中所產(chǎn)生的高溫煤 氣5組成為CO :30?45%，CO2 :6?18%，H2 :20?40%，H2O : 10?15%。高溫煤氣5中的組 分H2、H20、CO2可以有效抑制半焦與原料煤1初始階段脫除揮發(fā)份后所得產(chǎn)物之間的反應(yīng)， 即可以提高整個(gè)熱解工藝的焦油收率。
[0088] 快速熱解段4提升管最適宜的操作溫度為450?850°C，操作壓力為0? 12?IMPa。 低溫?zé)峤鈱?duì)象生物質(zhì)、年輕褐煤等原料比較適用，其液體產(chǎn)物收率在450?550°C下達(dá)到最 高。在550?650°C條件下進(jìn)行煤熱解時(shí)當(dāng)煤焦油為目的產(chǎn)物時(shí)其產(chǎn)率最高，對(duì)煤焦油進(jìn)行 深加工可以得到輕質(zhì)的汽油、柴油及煤油等石化產(chǎn)品。在650?850°C適合煙煤的熱解，用 于生產(chǎn)苯，甲苯，二甲苯及其他的烯烴等碳?xì)浠衔?。本發(fā)明提供了一種在適宜的實(shí)驗(yàn)條件 下使進(jìn)料快速升溫以在較高的溫度下熱解含碳原料生產(chǎn)輕組份的工藝方法。
[0089] 快速熱解段4屬于循環(huán)流化床反應(yīng)器，其提升管中顆粒堆積密度也較大?？焖贌?解段4提升管中氣體表觀速度大小范圍為6?40m/s，該表觀速度大小是由進(jìn)料的性質(zhì)決定 的。提升管中固體顆粒的平均床層密度范圍為200?500kg/m 3,具體大小取決于輸送顆粒 的真密度。此處要特別強(qiáng)調(diào)的是，提升管中輸送相的氣含率為〇. 8?0. 85。
[0090] 自快速熱解段4提升管頂部出裝置的氣固混合物流13隨即進(jìn)入惰性顆粒分離器 14,實(shí)現(xiàn)氣體與惰性顆粒15的分離。惰性顆粒15可用來減少焦炭和熱解氣相產(chǎn)物的接觸。 惰性顆粒分離器14若采用旋風(fēng)分離器，則其氣固分離效率將大于99. 5%。當(dāng)然，惰性顆粒分 離器14可以采用已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的任何一種氣-固分離設(shè)備。不過最適宜的分離設(shè)備仍 然是粗旋風(fēng)分離器，因?yàn)樗饕都氖嵌栊灶w粒15,而含碳顆粒19基本沒有被捕獲，因 此惰性顆粒15中的固體顆粒含碳量小于0. 1%。顆粒中碳含量較低的主要原因是惰性顆粒 15與進(jìn)料原料煤1質(zhì)量流量比值高達(dá)200?500,且這一比值會(huì)根據(jù)熱解原料的具體性質(zhì) 加以調(diào)整,惰性顆粒15和循環(huán)顆粒16的平均粒徑范圍為60?110 ii m。
[0091] 惰性顆粒15進(jìn)入快速熱解段4的提升管會(huì)立即與來自氣化段7的熱載體混合。由 于惰性顆粒15對(duì)高溫煤氣5和夾帶顆粒6組成的熱載體加和之比為40?150,混合物流與 熱解爐的最大溫差應(yīng)小于KTC。高溫煤氣5和夾帶顆粒6組成的氣固混合物流13在快速 熱階段4至含碳顆粒分離器22之間的停留時(shí)間小于2秒?；旌衔锪髟倥c新加入的原料煤 1混合后達(dá)到熱解爐的操作溫度。以小溫差、快速混合的辦法來實(shí)現(xiàn)快速熱解，從而提高焦 油的產(chǎn)率。
[0092] 循環(huán)顆粒16在重力的作用下，通過固體循環(huán)通道18從快速熱解段4進(jìn)入到氣化 段7并均勻分布在氣化爐中。循環(huán)環(huán)通道18的數(shù)量根據(jù)操作條件的不同可設(shè)置為1?16 條。固體循環(huán)通道18中循環(huán)顆粒16的流動(dòng)及停止由吹掃氣27的關(guān)停來控制，也可以通過 料位控制器17來控制。對(duì)非粘性煤或者生物質(zhì)進(jìn)行熱解時(shí)，惰性顆粒15循環(huán)物流與原料煤 1的質(zhì)量流量比范圍為200?300,對(duì)粘性煤進(jìn)行熱解時(shí)，此質(zhì)量流量比范圍為300?500。 惰性顆粒15與進(jìn)料原料煤1質(zhì)量流量比如此之高，就保證了含碳顆粒19與惰性顆粒15混 合物中含碳顆粒19的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0. 2%到0. 5%?；旌衔镏休^低的碳含量對(duì)于提高快速熱 解段4最終的焦油收率至關(guān)重要。另外，通過控制惰性顆粒15高的循環(huán)速率可使本裝置適 用于粘結(jié)性原料煤1而不需熱處理。
[0093] 攜帶少量細(xì)焦粉顆粒的氣體將進(jìn)入含碳顆粒氣固分離器22,含碳顆粒19將與熱 解氣實(shí)現(xiàn)有效分離。含碳顆粒氣固分離器22分離得到的含碳顆粒19將回流至氣化段7與 氧氣20或空氣28和蒸汽21組成的氣化劑進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生高溫煤氣5及夾帶顆粒6。氣化 段7中加入的蒸汽21還有助于提高快速熱解段4中的焦油產(chǎn)率。氣化反應(yīng)產(chǎn)生的含碳量 為30%的高溫灰渣9從氣化段7排出，進(jìn)入灰渣處理器8。在灰渣處理器8內(nèi)，高溫灰渣9 繼續(xù)與另一股由蒸汽21和氧氣20或空氣28組成的氣化劑進(jìn)行反應(yīng)，將高溫灰渣9中殘余 碳組分轉(zhuǎn)化為煙氣10。高溫灰渣9的粒度大于0? 5?1mm，小于0? 5?Imm的高溫灰渣9 顆粒被煙氣10帶入氣化段7,從而提高碳轉(zhuǎn)化率?；以幚砥?實(shí)質(zhì)上是一個(gè)焚燒爐，其 產(chǎn)生的煙氣10中氧的含量將小于2%。最終從灰渣處理器8外排的低溫灰渣12中將不含 碳?；以幚砥?的另外一個(gè)作用就是將高溫灰渣9溫度降至100?150°C?；以幚砥?8設(shè)置了一個(gè)冷卻器11，安裝在灰渣處理器8的靠下位置，可以將高溫灰渣9冷卻至100? 150°C。除了冷卻灰渣以外還可以作為控制低灰分高碳含量的顆粒在燃燒器中燃燒溫度的 一種方法?；以幚砥?的操作溫度范圍是1000?1200°C，比氣化段7的操作溫度高50°C 以上。由于灰渣處理器8是在氧化性氣氛下運(yùn)行的，因此要將灰分中所含的碳全部轉(zhuǎn)化為 CO2將十分容易實(shí)現(xiàn)。
[0094] 雖然從表面上看，此灰渣處理器8與常規(guī)的焚燒爐有相似之處，那就是都用氧氣 與碳反應(yīng)產(chǎn)生以CO 2為主的煙氣。但所不同的是，此灰渣處理器8將大部分碳在氣化段7和 灰渣處理器8的連接管內(nèi)反應(yīng)掉，連接管內(nèi)氣體的表觀速度在10?30m/s之間。在氣流的 作用下，任何小于〇. 5?Imm的顆粒是不可能進(jìn)入灰渣處理器8的。因?yàn)樵厦?的最大 顆粒也只有1_，而大多數(shù)碳經(jīng)過熱解爐的處理后都集中在小顆粒中，因此所有進(jìn)入此灰 渣處理器8顆粒的必須是團(tuán)聚的灰。
[0095] 含碳顆粒氣固分離器22中進(jìn)行氣、固分離所得到的初級(jí)凈化氣23中仍然含有少 量的細(xì)灰顆粒，因此含碳顆粒氣固分離器22輸出的初級(jí)凈化氣23物流將繼續(xù)進(jìn)入深度分 離凈化系統(tǒng)24進(jìn)行深度除塵凈化處理。此處需要注意的是，深度分離凈化系統(tǒng)24包括熱 解氣深度除塵，在最佳的實(shí)施方案中，深度除塵應(yīng)該有兩級(jí)除塵。第一級(jí)是另一個(gè)氣固分離 裝置，例如多管式旋風(fēng)分離，機(jī)械驅(qū)動(dòng)的旋風(fēng)分離器。在這級(jí)分離中，熱解氣中的含塵量小 于500ppm，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明可以小于200ppm。第二級(jí)除塵包括用重油在一個(gè)洗滌塔內(nèi)除塵， 在這級(jí)除塵過程中煤氣也得到初步冷卻。這級(jí)除塵后的煤氣溫度應(yīng)該在300?450°C之間。 [0096] 這個(gè)階段的凈化應(yīng)包括至少一級(jí)文丘里冷凝器及隨后的噴淋冷凝器。分離出來的 焦油可以通過蒸餾塔來分離出油品25。最終，深度分離凈化系統(tǒng)24輸出的合成氣26組分 輸出后進(jìn)入后系統(tǒng)。合成氣26可用來合成化工產(chǎn)品或用來作為燃料。冷凝分離所得的焦 油組分進(jìn)入后續(xù)的深度加氫及蒸餾塔。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定量的高溫蒸汽。
[0097] 氣化段7可以是穩(wěn)態(tài)或者湍流流化床。根據(jù)快速熱解段4操作溫度的需求，氣化 段7由氣化反應(yīng)產(chǎn)生的同時(shí)作為循環(huán)氣注入快速熱解段4的高溫煤氣5的表觀流速范圍在 0. 3?2m/s之間。通過向氣化段7注入蒸汽21或?qū)庀嘌h(huán)至密相區(qū)上層來控制氣化段 7的氣體表觀床層密度。具體而言：低階煤與生物質(zhì)進(jìn)行熱解時(shí)，氣體表觀速度將在0. 3? lm/s范圍內(nèi)變化，煙煤熱解時(shí)，表觀氣速在0. 5?1. 2m/s范圍內(nèi)變化，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)品以焦油為 主時(shí)，表觀氣速在0. 8?2m/s范圍內(nèi)變化。調(diào)節(jié)氣化段7中物料的表觀速度的主要目的是 為了通過控制從氣化段7中進(jìn)入快速熱解段4的高溫煤氣5及其夾帶顆粒6的量來實(shí)現(xiàn)對(duì) 快速熱解段4反應(yīng)溫度的調(diào)整。因?yàn)闅饣?中物料的溫度通常要高于快速熱解段4,因?yàn)?一旦由氣化段7進(jìn)入快速熱解段4,會(huì)與惰性顆粒15相混合，混合物的溫度會(huì)接近與熱解爐 的操作溫度。但熱載體的總量還是可以改變熱解爐的溫度。
[0098] 換言之，如果出于生產(chǎn)輕質(zhì)產(chǎn)品如苯、甲苯、二甲苯或者熱解產(chǎn)物中要得到較高的 氣體產(chǎn)量，而允許快速熱解段4在較高溫度下運(yùn)行，則氣化段7中輸出的氣-固混合物質(zhì)量 流量就要高于快速熱解段4在低溫下運(yùn)行時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣化段7輸出物流的流量。因此，通 過調(diào)整氣化段7進(jìn)入快速熱解段4的物料流量大小來實(shí)現(xiàn)快速熱解段4溫度的調(diào)節(jié)也是本 發(fā)明的優(yōu)勢(shì)之一。
[0099] 簡(jiǎn)單的從物質(zhì)及能量平衡的角度講，對(duì)煤熱解氣化技術(shù)非常熟悉的人就會(huì)意識(shí)到 本發(fā)明提供的快速熱解氣化集成裝置不會(huì)產(chǎn)生過剩的焦炭或者半焦。根據(jù)工業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， Ikg煤熱解后可產(chǎn)生0. 6?0. 7kg半焦。在純氧氣化爐中，對(duì)熱解生成的半焦進(jìn)行氣化，可 以生產(chǎn)1. 2?I. 4kg合成氣。反過來，即使Ikg上述半焦氣化產(chǎn)生的合成氣量達(dá)到最大值 1. 4kg，氣體溫度為1000°C，要通過這些合成氣將Ikg冷煤粉加熱至600°C也是不大可能的。 此外，熱解爐本身還有熱損耗，且原料煤1還需要使用CO 2或者循環(huán)合成氣進(jìn)行輸送，顯然 這些熱量是不夠的，就需要向氣化段7中額外供應(yīng)少量的氧氣20或空氣28,而額外供應(yīng)的 氧氣20或空氣28與焦炭進(jìn)行反應(yīng)，又會(huì)提高氣化段7的爐溫，這種操作是不允許的，因?yàn)?氣化段7的溫度不能過高，通常要求爐溫要比灰渣的融化溫度低30?130°C，或許繼續(xù)向 氣化段7中增加蒸汽21的供應(yīng)量可以解決這個(gè)問題。但是僅僅為了控制爐溫而向氣化段 7中通入蒸汽21將是不明智的做法。因?yàn)轭~外通入的蒸汽21仍然需要通過后續(xù)的冷凝處 理從油氣混合物中分離出來，這無疑又增加了油水分離的負(fù)擔(dān)。另外，在本工藝中，氣化段7 輸出的油氣混合物中分離得到的含水冷凝液也不能重復(fù)使用，因?yàn)樗羝诶淠^程中已 經(jīng)受到油類及灰塵的污染，而這無疑也會(huì)增加鍋爐水的處理成本，進(jìn)而抬高煤化工工藝所 產(chǎn)生廢水的處理成本。
[0100] 本發(fā)明提供了一種通過將循環(huán)顆粒16循環(huán)進(jìn)氣化段7來解決其爐溫控制問題的 切實(shí)可行的方案。循環(huán)顆粒16溫度與快速熱解段4的爐溫相當(dāng)，并且這些顆粒上的碳含量 也比較低。絕大多數(shù)的含碳顆粒19將從惰性顆粒分離器14中逃逸，主要原因是含碳顆粒 19的密度約是循環(huán)顆粒16密度的一半，且含碳顆粒19外形比循環(huán)顆粒16要不規(guī)則并且含 碳顆粒的粒徑也比較小。由此一來，溫度較低的循環(huán)顆粒16進(jìn)入氣化段7后將會(huì)使氣化段 7溫度明顯下降，而這些循環(huán)顆粒16又會(huì)作為熱載體將熱量帶回?zé)峤鉅t。
[0101] 當(dāng)對(duì)低變質(zhì)煤或者生物質(zhì)等揮發(fā)份含量較高的物料進(jìn)行熱解時(shí)，所產(chǎn)生的半焦量 較少，不足以提供氣化所需熱量，在此情況下，就需要向氣化段7中額外補(bǔ)充煤粉或者其他 的含碳物料，以產(chǎn)生足夠多的高溫合成氣，進(jìn)入快速熱解段4中為原料煤1的熱解提供熱 量。
[0102] 氣化段7中產(chǎn)生的高溫煤氣5將作為熱源物質(zhì)進(jìn)入快速熱解段4。由氣化段7進(jìn) 入快速熱解段4的高溫煤氣5所攜帶的夾帶顆粒6也是熱載體，因?yàn)楦邷孛簹?所攜帶的 顯熱不足以提供熱解所需的熱量。本發(fā)明與已有的技術(shù)存在著明顯的不同。如前所述，在 現(xiàn)有技術(shù)中，以焚燒爐中的高溫固體或者氣化段7中的高溫煤氣5作為快速熱解段4熱源 物質(zhì)已經(jīng)有很多詳細(xì)的闡述。以高溫煤氣5作為熱源，顯熱不足以提供熱解所需的熱量，如 此一來，熱解氣化集成也就名不副實(shí)。也就是說，為了實(shí)現(xiàn)熱量平衡，集成裝置需要配備一 個(gè)巨大的氣化設(shè)備而熱解裝置則要小很多。只有約25?40%的煤用于熱解，其余的煤和熱 解半焦都要進(jìn)入氣化爐以維持煤氣化與煤熱解之間的熱量平衡。而本發(fā)明中，通過向灰渣 處理器8加一定的氧氣20,與含碳顆粒進(jìn)行反應(yīng)，通過氣化反應(yīng)所釋放出的熱量將出自快 速熱解段4進(jìn)入氣化段7的含碳顆粒19加熱至氣化所需溫度。從而真正意義上實(shí)現(xiàn)了熱 解與氣化的集成集成。
[0103] 本發(fā)明與單獨(dú)用氣體作為熱載體或單獨(dú)以固體作為熱載體的工藝有本質(zhì)的區(qū)別。 以氣體作為熱載體的工藝，當(dāng)氣體和煤接觸時(shí)，在稀相氣流輸送過程中進(jìn)行熱解，由于氣體 和固體顆粒的傳熱、傳質(zhì)速率都相對(duì)較低，煤顆粒的加熱速率低，因此焦油產(chǎn)率低，半焦產(chǎn) 率高。以固體作為熱載體的工藝，需要大量的流化氣體來實(shí)現(xiàn)流化床的熱解過程，這些氣體 幾乎必須來自循環(huán)氣。如前所述，這些循環(huán)氣必須通過凈化處理，這樣無疑會(huì)增加運(yùn)行成 本。與此同時(shí)，這些合成氣一般進(jìn)入熱解爐的溫度較低，需要另外的熱固體來加熱，從而需 要加大固體循環(huán)量。當(dāng)固體循環(huán)在兩個(gè)反應(yīng)器之間進(jìn)行，并且高溫物流不能用任何閥門來 控制，兩個(gè)反應(yīng)器的壓力控制是個(gè)大問題。同時(shí)，固體熱載體的高溫物流與原料相接觸也會(huì) 造成焦油二次裂解，從而降低焦油產(chǎn)率。本發(fā)明采用氣-固兩相的混合物作為熱載體，并且 快速熱解段4內(nèi)部有大量固體循環(huán)，從而達(dá)到快速熱解的目的。
[0104] 欲實(shí)現(xiàn)快速熱解段4爐溫在較寬范圍內(nèi)的有效控制，就要很好的控制自氣化段7 循環(huán)回流進(jìn)快速熱解段8中的固體顆?？偭?。而控制進(jìn)入快速熱解段8中所夾帶的夾帶顆 粒6量的大小主要是通過調(diào)節(jié)熱解循環(huán)流化床床層高度來實(shí)現(xiàn)的。增大循環(huán)氣體表觀速 度，就可以增大熱解循環(huán)流化床的流化速度，進(jìn)而增加自氣化段7進(jìn)入快速熱解段4的夾帶 顆粒6的質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)熱解爐爐溫的小幅調(diào)整。
[0105] 自氣化段7循環(huán)回?zé)峤鉅t的氣固混合流體質(zhì)量流量與熱解爐中新鮮含碳進(jìn)料的 質(zhì)量流量比范圍為2?6,這個(gè)比值范圍取決于快速熱解段4及氣化段7的操作溫度。
[0106] 氣化段7的最佳操作溫度范圍為950?1150°C，氣化段7的反應(yīng)溫度還可以通過 快速熱解段4與氣化段7的循環(huán)顆粒16的循環(huán)速率進(jìn)行控制。低溫適用于熱解低階煤和 生物質(zhì)，高溫適用于熱解粘性煤如煙煤。氣化段7氣化的最終目的不是將自熱解爐而來的 物料中所含的碳全部轉(zhuǎn)化，而是為了生產(chǎn)具有較高CO與H 2含量的合成氣。為了保證氣化 爐中有一定的固體物料持料量，需要從快速熱解段4中引出一條物料線，將快速熱解段4中 的固體半焦輸入氣化段7中。從快速熱解段4中抽取固體可以通過很多方式來實(shí)現(xiàn)。
[0107] 方法之一就是從熱解爐提升管中引出物料線，由于快速熱解段4的位置高于氣化 段7,因而循環(huán)顆粒16可以依靠自身重力從快速熱解段4進(jìn)入氣化段7,相應(yīng)的，側(cè)線分離 所得的氣體將在熱解爐上部或者由氣固分離器入口處重新進(jìn)入熱解爐提升管。
[0108] 含有小部分半焦粉顆粒的氣體還要進(jìn)入深度分離凈化系統(tǒng)24,深度分離凈化系統(tǒng) 24通常都包含了一個(gè)深度分離單元，該深度分離單元一般由多級(jí)旋風(fēng)分離系統(tǒng)組成，在深 度處理單元中實(shí)現(xiàn)氣體中大多數(shù)焦粉的分離，具體方法如專利US7, 547, 427所述。含有更 細(xì)的灰塵的合成氣繼續(xù)進(jìn)入以熱解油為冷凝液的冷凝分離段。設(shè)置冷凝分離段的主要目的 有兩個(gè)：一是去除仍然留在氣相中的細(xì)焦粉，另一個(gè)作用是對(duì)350?400°C高溫的合成氣進(jìn) 行冷卻，以終止氣相中半焦粉與焦油的二次反應(yīng)。經(jīng)過上述處理之后，氣相中幾乎只剩輕組 分及碳?xì)浠衔?，這些組分接著進(jìn)入蒸餾塔中進(jìn)行深度分離。冷凝分離所得的液體中主要 是含少量粉塵的重油，在較長(zhǎng)運(yùn)行周期內(nèi)，液相產(chǎn)物的沸點(diǎn)都會(huì)低于冷卻塔的操作溫度。當(dāng) 操作條件控制得當(dāng)時(shí)，重油中粉塵含量將小于3%。
[0109] 在本發(fā)明的最佳實(shí)施方案中，所得的重油需要進(jìn)入加氫反應(yīng)器中進(jìn)行深度處理以 制取輕質(zhì)的碳?xì)浠衔?。加氫處理后所得的液體產(chǎn)品仍然需被輸送進(jìn)分離塔，分離后獲取 不同的產(chǎn)品。分離所得的固體物質(zhì)將被送入灰渣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，以去除固體顆粒上吸 附的油，細(xì)灰顆粒則會(huì)吸附聚集在較大的粗灰顆粒表面而加以去除。
【權(quán)利要求】
1. 一種粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：包括集成反應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)回 料系統(tǒng)以及深度分離凈化系統(tǒng)（24); 所述的集成反應(yīng)系統(tǒng)包括氣化段（7)和快速熱解段（4)，其中氣化段（7)經(jīng)高溫煤氣管 道（5 )和夾帶顆粒管道（6 )與快速熱解段（4)相連通，快速熱解段（4)的原料入口經(jīng)進(jìn)煤管 線（3 )與進(jìn)料系統(tǒng)（2 )相連通，在氣化段（7 )上開設(shè)有固體循環(huán)通道（18 )，快速熱解段（4 ) 的一個(gè)出口經(jīng)循環(huán)顆粒管道（16 )與固體循環(huán)通道（18 )相連通，氣化段（7 )下端還經(jīng)管路與 氧氣（20)或空氣（28)及蒸汽（21)的混合氣體相連通； 所述的循環(huán)回料系統(tǒng)包括經(jīng)氣固混合物流管道（13)與快速熱解段（4)出口相連通的 惰性顆粒分離器（14)，惰性顆粒分離器（14)的分離出的惰性顆粒經(jīng)惰性顆粒管道（15)與 快速熱解段（4)相連通，惰性顆粒分離器（14)的另一出口經(jīng)管道與含碳顆粒分離器（22)的 入口相連，含碳顆粒分離器（22)分離出的含碳顆粒經(jīng)含碳顆粒管道（19)與氣化段（7)相連 通，經(jīng)含碳顆粒分離器（22)分離出的初級(jí)凈化氣（23)送入深度分離凈化系統(tǒng)（24)，經(jīng)分離 后的油品、合成氣分別經(jīng)油品管道（25)及合成氣管道（26)送出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的氣 化段（7 )的下端經(jīng)高溫灰渣管道（9 )與灰渣處理器（8 )相連通，灰渣處理器（8 )煙氣經(jīng)煙氣 管道（10)與氣化段（7)相連通，灰渣處理器（8)的下端設(shè)置有冷卻器（11)，且灰渣處理器 (8)還經(jīng)管道與氧氣、空氣及蒸汽的混合氣體相連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的循 環(huán)顆粒管道（16)上還安裝有料位控制器（17)，且位于料位控制器（17)后端的循環(huán)顆粒管 道（16)還與吹掃氣（27)相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的固 體循環(huán)通道（18)的數(shù)量為1?16條。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的快 速熱解段（4)為循環(huán)流化床熱解爐，快速熱解段（4)的操作壓力為0. 12?IMPa，操作溫度 為 450 ?850 °C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的氣 化段（7)為流化床氣化反應(yīng)爐，其操作溫度為950?1150°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的惰 性顆粒（15)與來自氣化段（7)的高溫煤氣（5)和夾帶顆粒（6)之和的質(zhì)量比為40?150。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的混 合物料入口在原料煤（1)進(jìn)料口的下部至少1米處。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤制取油品及合成氣的集成裝置，其特征在于：所述的進(jìn) 煤管線（3)噴注進(jìn)料線速度為50?150m/s，同時(shí)進(jìn)料口有一個(gè)向上的與堅(jiān)直方向呈小于 45°的傾角。
10. -種粉煤制取油品及合成氣的集成方法，其特征在于： 經(jīng)過磨煤系統(tǒng)之后的原料煤（1)由進(jìn)料系統(tǒng)（2)經(jīng)進(jìn)煤管線（3)進(jìn)入快速熱解段（4)的 提升管內(nèi)，快速熱解段（4)以循環(huán)流化床的模式運(yùn)行，從氣化段（7)來的氣固混合載體與快 速熱解段（4)內(nèi)部的顆粒物料在快速熱解段（4)的底部相混合，隨后，惰性顆粒分離器（14) 分離所得的惰性固體循環(huán)進(jìn)入快速熱解段（4)的提升管從而在內(nèi)循環(huán)中形成一個(gè)閉合回 路，惰性顆粒分離器（14)分離出的半焦的固體顆粒經(jīng)含碳顆粒分離器（22)分離后回流至 氣化段（7 )與氧氣（20 )或空氣（28 )和蒸汽（21)組成的氣化劑進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生高溫煤氣（5 ) 及夾帶顆粒（6)進(jìn)入快速熱解段（4)，快速熱解段（4)的循環(huán)顆粒在重力的作用下，通過固 體循環(huán)通道（18 )從快速熱解段（4 )進(jìn)入到氣化段（7 )并均勻分布在氣化爐中，高溫灰渣（9 ) 從氣化段（7 )排出，進(jìn)入灰渣處理器（8 )，高溫灰渣（9 )中殘余碳組分轉(zhuǎn)化為煙氣（10 )再次 送入氣化段（7)，含碳顆粒氣固分離器（22)中進(jìn)行氣、固分離所得到的初級(jí)凈化氣（23)再 經(jīng)深度分離凈化系統(tǒng)（24)進(jìn)行深度除塵凈化處理得到油口（25)和合成氣（26)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種粉煤制取油品及合成氣的集成方法，其特征在于，所 述的惰性顆粒分離器（14)分離所得的惰性固體循環(huán)量對(duì)原料煤（1)的質(zhì)量循環(huán)倍率比為 200?500,對(duì)高溫煤氣（5)及夾帶顆粒（6)的質(zhì)量循環(huán)倍率為50?300。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種粉煤制取油品及合成氣的集成方法，其特征在于，所 述的質(zhì)量循環(huán)倍率保證了快速熱解段（4)是一個(gè)幾乎等溫的反應(yīng)器，從而保證了來自氣化 段（7)的高溫煤氣（5)及夾帶顆粒（6)在接近熱解反應(yīng)溫度450?850°C下相接觸，而不是 在氣化段（7)的溫度下相接觸。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種粉煤制取油品及合成氣的集成方法，其特征在于，所 述的質(zhì)量循環(huán)倍率使原料煤（1)的加熱速率為10, 〇〇〇?100, 〇〇〇°C /s。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種粉煤制取油品及合成氣的集成方法，其特征在于，所 述的惰性固體用來與原料煤（1)相混合，避免粘結(jié)性煤顆粒相互接觸，用來加工粘結(jié)性煤不 用預(yù)處理。
【文檔編號(hào)】C10G1/02GK104212495SQ201410131033
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】劉國海, 李大鵬, 王寧波 申請(qǐng)人:劉國海, 李大鵬, 王寧波