CN105733687A - 多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法 - Google Patents

多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法。该装置和方法利用煤、生物质、固体废弃物等固体燃料制取热解气、焦油、合成气和热量。该装置主要由多层流化床、旋风分离器和返料器组成，其中，多层流化床主要由热解层、气化层和燃烧层构成。固体燃料先在热解层中热解，以焦油和热解气的形式提取挥发分，热解剩余半焦进入气化层，与氧气和水蒸汽发生部分气化反应，生成合成气并输出，部分气化后半焦再进入燃烧层与空气燃烧并释放热量，燃烧后的热灰经旋风分离器分离后由返料阀送回热解层，提供固体燃料热解所需的热量。本发明采用一体化装置对固体燃料进行热解气化燃烧分级转化，装置运行难度较小。

Description

多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种固体燃料热解气化燃烧制取油、气、热领域，特别涉及一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法。
背景技术
我国的煤和生物质资源储量丰富，煤和生物质在我国能源消费中占有重要地位，且将在较长一段时间内仍保持主导地位。而我国的废旧塑料、废旧轮胎和废旧纺织物等固体废弃物每年的产量也十分巨大，且急需得到有效利用。若从煤、生物质、固体废弃物等固体燃料中通过热解提取焦油，同时采用气化和燃烧的方法生产热解气、合成气和热量等产品，不但可以有效利用各种固体燃料，还可以提高产品价值。焦油可通过加氢改性生产燃料油，或提取酚类等多种高价值化合物，热解气和合成气可用于化工合成或燃气，热量可用于生产蒸汽以供热或发电。
国家发明专利CN201110090600.8公开了一种固体燃料双流化床热解气化分级转化装置及方法，该装置主要由一个鼓泡流化床热解炉和一个循环流化床气化炉构成。固体燃料在流化床热解炉内进行热解，析出挥发分，挥发分经净化、冷却后分离出焦油和热解气，热解剩余的半焦送入流化床气化炉内在氧气和水蒸汽气氛下完全气化，生产合成气。该装置和方法对热解半焦采用的是完全气化的转化工艺，只能同时生产焦油、热解气和合成气，且半焦完全气化的转化难度较大，价格昂贵的氧化剂的消耗量也较大，合成气的有效成分也较低。
国家发明专利CN201210181304.3公开了一种低阶粉煤分级转化与热电联产项目结合的方法。该方法将低阶煤通过热解提取液体燃料和有机化工原料，剩余的半焦分成两部分，一部分送至燃煤发电锅炉燃烧发电，另一部分送至半焦气化炉进行气化。在该方法中，半焦是分别进行完全燃烧和完全气化，而非先部分气化再燃烧，因此并未对半焦进行分级利用，且半焦完全气化的转化难度也较大。此外，采用的炉型也非流化床，固体燃料适应性较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置及方法，以制取焦油、热解气、合成气和热量。
为解决上述问题，本发明提供一种多层流化床固体燃料热解气化分级转化装置，包括固体燃料给料机、多层流化床、旋风分离器、立管、返料器；所述的多层流化床由外向内被隔成共轴的热解层、气化层、燃烧层，其中，热解层与气化层之间设有联通热解层、气化层的第一料腿层；所述的第一料腿层靠近热解层的外壁中部设有半焦溢流口，第一料腿层底部的半焦出口处设有气化层返料阀；在气化层与燃烧层之间设有联通气化层、燃烧层的第二料腿层；所述的燃烧层上部出口与旋风分离器进口相连接，旋风分离器上部设有烟气出口，旋风分离器下部出口与立管相连接，立管与返料阀进料室相连接，返料阀出料室与固体燃料给料机均连接热解层的外壁。
进一步的，热解层底部设有热解层风室，热解层风室上连接有循环热解气进口，且在热解层风室顶部安装有热解层风帽且开设热解层放灰口。热解层的顶部设置有热解层气固分离器，所述的热解层气固分离装置上部为挥发分出口，下部出口与第一料腿层相连接。
进一步的，气化层底部包括气化层风室、气化层返料阀气室，气化层风室顶部上布置有气化层风帽和气化层放灰口，气化层风室底部设气化剂进口；所述的气化层返料阀气室底部开有气化层反料风进口，气化层返料阀气室上部开有与第一料腿层的半焦出口相连的气化层返料阀充气口，气化层顶部设置有气化层气固分离装置，所述的气化层气固分离装置上部为合成气出口，下部出口与第二料腿层相连接。
在本发明中的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置中，多层流化床的外壳截面为圆形、方形、或其他多边形，其中，优选为圆形，则多层流化床各层截面呈环形，整体为空心圆柱结构。
优选的，本装置的固体燃料给料机至少设置为两个，并以多层流化床中心轴为中心呈环式布置在热解层的外壁。
优选的，多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的的半焦溢流口至少设置为两个，并以多层流化床中心轴为中心呈布置在第一料腿层靠近热解层的外壁中部。
为解决上述问题，本发明提供固体燃料热解气化分级转化方法的解决方案为：
固体燃料通过固体燃料给料机加至多层流化床的热解层，与返料器输送回的热灰混合，固体燃料被热灰加热后升温，并发生热解，析出挥发分，挥发分夹带颗粒进入热解层气固分离装置，颗粒被分离后进入第一料腿层，挥发分由挥发分出口送出，进入后续净化、冷却装置，得到焦油和热解气，其中，热解气循环回循环热解气进口，作为热解层的流化气；固体燃料热解后生成的半焦通过半焦溢流口，进入第一料腿层，然后通过气化层返料阀送入气化层，该半焦在气化层中与氧气和水蒸汽进行部分气化，生成合成气；合成气夹带着部分气化后半焦进入气化层气固分离装置，其中的合成气经分离后由合成气出口送出，而部分气化后半焦经分离后进入第二料腿层，在第二料腿层底部被松动风气室喷出的松动风吹入燃烧层，部分气化后半焦在燃烧层中与氧化剂发生燃烧反应，放出热量，燃烧产生的烟气和热灰进入旋风分离器，分离后的烟气由烟气出口排出，循环热解气可作为返料器的充气；热解层的运行温度在450-750℃之间，气化层的运行温度为850-1000℃，燃烧层的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，运行时压力范围为0.1-5.0MPa。
本发明相对于现有技术相比具有以下显著优点：
1、本发明提供的装置可实现煤、生物质、固体废弃物等固体燃料的热解气化燃烧分级转化，同时生产出热解气、焦油、合成气和热量，其中焦油可用于生产燃料油或提取高价值化工产品，热解气和合成气可用于化工合成或燃气，热量可用于生产蒸汽以供热或发电，可实现固体燃料多重利用，具有极高的经济价值；
2、本发明提供的多层流化床从内向外依次为燃烧层、气化层和热解层，运行温度从高到低，而热量的传递方向也是从核心区向外传递，因此，多层流化床内各层的布置与热量传递方向一致，热量的利用效果较好，散热损失较小；
3、多层流化床将热解炉、气化炉、燃烧炉三位一体，整体性较好，且装置易于操作运行；
4、本发明的转化方法对热解半焦进一步实施气化燃烧分级转化，相较传统的分级转化技术中半焦完全气化方案，价格昂贵的氧化剂消耗量较少，且合成气有效成分也较高。
附图说明
图1是一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的结构示意图；
图2是本发明中采用圆形外壳截面的多层流化床截面示意图；
图3是本发明中采用管式料腿层的多层流化床截面示意图；
其中：1-固体燃料给料机、2-多层流化床、3-热解层、4-热解层气室、5-热解层风帽、6-半焦溢流口、7-热解层气固分离装置、8-第一料腿层、9-气化层返料阀、10-气化层返料阀喷口、11-气化层返料阀气室、12-气化层、13-气化层气室、14-气化层风帽、15-气化层气固分离装置、16-第二料腿层、17-松动风喷口、18-松动风气室、19-燃烧层、20-燃烧层气室、21-燃烧层风帽、22-旋风分离器、23-立管、24-返料器、25-循环热解气进口、26-热解层放灰口、27-挥发分出口、28-气化层放灰口、29-合成气出口、30-燃烧层放灰口、31-烟气出口、32-气化层反料风进口、33-燃烧层松动风进口、34-氧化剂进口、35-气化剂进口。
具体实施方式
如图1所示，一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置包括固体燃料给料机1、多层流化床2、旋风分离器22、立管23、返料器24；所述的多层流化床2由外向内被隔成共轴的热解层3、气化层12、燃烧层19，其中，热解层3与气化层12之间设有联通热解层3、气化层的第一料腿层8；所述的第一料腿层8靠近热解层3的外壁中部设有半焦溢流口6，第一料腿层8底部的半焦出口处设有气化层返料阀9；在气化层12与燃烧层19之间设有联通气化层12、燃烧层19的第二料腿层16；所述的燃烧层19上部出口与旋风分离器22进口相连接，旋风分离器22上部设有烟气出口31，旋风分离器22下部出口与立管23相连接，立管23与返料阀24进料室相连接，返料阀24出料室与固体燃料给料机1均连接热解层3的外壁。
热解层3底部设有热解层风室4，热解层风室4的侧壁上连接有循环热解气进口25，且在热解层风室4顶部安装有热解层风帽5且开设热解层放灰口26，热解层3的顶部设置有热解层气固分离器7，所述的热解层气固分离装置7上部为挥发分出口27，下部出口与第一料腿层8相连通。
气化层12底部包括气化层风室13、气化层返料阀气室11，气化层风室13顶部上布置有气化层风帽14和气化层放灰口28，气化层风室13底部设气化剂进口35；所述的气化层返料阀气室11底部开有气化层反料风进口32，气化层返料阀气室11上部开有与第一料腿层8的半焦出口相连的气化层返料阀充气口10，气化层12顶部设置有气化层气固分离装置15，所述的气化层气固分离装置15上部为合成气出口29，下部出口与第二料腿层16相连通。
燃烧层19底部包括燃烧层气室20、松动风气室18，燃烧层气室20底部连接有空气进口34，燃烧层气室20顶部布置燃烧层风帽21和燃烧层放灰口30；所述的松动风气室18上部开有与第二料腿层16相连接的松动风喷口17，松动风气室18的底部设有松动风进口33。
本发明中提供一种采用多层流化床2的外壳截面为圆形，如图2所示，多层流化床各层截面呈环形，整体为空心圆柱结构，热解层3、气化层12为环形空腔，燃烧层19为圆柱形空腔。采用此种形式的布置与热量传递方向一致，热量的利用效果较好，散热损失较小。则上述各层底部设置的热解层风室4、气化层风室13、气化层返料阀气室11、松动风气室18、燃烧层气室20均相应的采用环状结构。
除多层流化床外壳截面为圆形结构外，本发明还提供了方形及其他多边形的形式，其腔体及各个风室做相应改变，为常规的替换形式，故本发明不做详述。
上述各形式的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的固体燃料给料机1至少设置为两个，并以多层流化床2中心轴为中心呈环式布置在热解层3的外壁，为保证热解层内物料和温度均匀。
多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的的半焦溢流口6至少设置为两个，并以多层流化床2中心轴为中心呈环式布置在第一料腿层8靠近热解层3的外壁中部，以保证进入第一料腿层8内的物料和温度均匀。
本发明中提供的第一料腿层8与第二料腿层16为设置在热解层3与气化层12及气化层12与燃烧层19之间层状结构的环形空隙，如图2所示，故其进口处的热解层气固分离装置7和气化层气固分离装置15可设置为环状结构；另外热解层气固分离装置7和气化层气固分离装置15还可以以多层流化床2轴心线为轴，根据分离效率要求环形设置多个。其中，热解层气固分离装置7和气化层气固分离装置15可采用迷宫式惯性分离器或其他各种撞击式惯性分离器。
除上述形式外，本发明还提供另一种料腿层形式，如图3所示，即热解层3与气化层12及气化层12与燃烧层19之间设置多个管式的料腿的结构，料腿数至少为两个，则在料腿的进料口处对应设置气固分离装置即可。则热解层气固分离器7至少设置为两个，并以多层流化床2中心轴为中心呈环式布置在热解层3的顶部；所述的多层流化床2的气化层气固分离装置15至少设置为两个，并以多层流化床2中心轴为中心呈环式布置在气化层12的顶部。
一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化方法中，固体燃料通过固体燃料给料机1加至多层流化床2的热解层3，与返料器24输送回的热灰混合，固体燃料被热灰加热后升温，并发生热解，析出挥发分，挥发分夹带颗粒进入热解层气固分离装置7，颗粒被分离后进入第一料腿层8，挥发分由挥发分出口27送出，进入后续净化、冷却装置，得到焦油和热解气，其中，部分热解气循环回循环热解气进口25作为热解层3的流化气，另一部分热解气作为返料器24的充气；固体燃料热解后生成的半焦通过半焦溢流口6，进入第一料腿层8，然后通过气化层返料阀9送入气化层12，该半焦在气化层12中与氧气和水蒸汽进行部分气化，生成合成气；合成气夹带着部分气化后半焦进入气化层气固分离装置15，其中的合成气经分离后由合成气出口29送出，而部分气化后半焦经分离后进入第二料腿层16，在第二料腿层16底部被松动风气室18喷出的松动风吹入燃烧层19，部分气化后半焦在燃烧层19中与空气发生燃烧反应，放出热量，燃烧产生的烟气和热灰进入旋风分离器22，分离后的烟气由烟气出口31排出，分离下来的热灰经立管23进入返料器24，然后再被输送回多层流化床热解层3，以提供固体燃料热解所需要的热量。
一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化方法中，热解层流化气25和返料器24的充气均采用循环热解气，气化层返料阀充气32采用水蒸汽，气化层流化气35采用氧气和水蒸汽，松动风充气33采用空气，燃烧层流化气34采用空气；热解层3的运行温度为450-750℃，气化层12的运行温度为850-1000℃，燃烧层19的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，运行时压力范围为0.1-5.0MPa。
本发明提供的装置及方法可同时生产热解气、焦油、合成气和热量，可根据固体燃料不同组分的反应性和经济价值开展分级转化利用，尤其是对热解半焦进一步实施气化燃烧分级转化。故气化剂消耗较完全气化要少，合成气有效成分含量也较高。这是由于本发明所设置的多层流化床2工作时采用了半焦部分气化，只气化半焦中反应活性较高的无序化结构的碳，而对于反应活性较差的石墨化结构的碳采用燃烧进行转化。因此，不需要通入大量的气化剂，也不需要提高气化温度来气化活性较差的石墨化碳，故部分气化反应中，半焦的燃烧份额较小，生成的二氧化碳较少，合成气有效成分含量较高。

Claims (10)

1.一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，包括固体燃料给料机(1)、多层流化床(2)、旋风分离器(22)、立管(23)、返料器(24)；所述的多层流化床(2)由外向内被隔成共轴的热解层(3)、气化层(12)、燃烧层(19)，其中，热解层(3)与气化层(12)之间设有连通热解层(3)、气化层的第一料腿层(8)；所述的第一料腿层(8)靠近热解层(3)的外壁中部设有半焦溢流口(6)，第一料腿层(8)底部的半焦出口处设有气化层返料阀(9)；在气化层(12)与燃烧层(19)之间设有连通气化层(12)、燃烧层(19)的第二料腿层(16)；所述的燃烧层(19)上部出口与旋风分离器(22)进口相连接，旋风分离器(22)上部设有烟气出口(31)，旋风分离器(22)下部出口与立管(23)相连接，立管(23)与返料阀(24)进料室相连接，返料阀(24)出料室与固体燃料给料机(1)均连接热解层(3)的外壁。
2.根据权利要求1所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的热解层(3)底部设有热解层风室(4)，热解层风室(4)上连接有循环热解气进口(25)，且在热解层风室(4)顶部安装有热解层风帽(5)且开设热解层放灰口(26)，热解层(3)的顶部设置有热解层气固分离器(7)，所述的热解层气固分离装置(7)上部为挥发分出口(27)，下部出口与第一料腿层(8)相连通。
3.根据权利要求1所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的气化层(12)底部包括气化层风室(13)、气化层返料阀气室(11)，气化层风室(13)顶部上布置有气化层风帽(14)和气化层放灰口(28)，气化层风室(13)底部设气化剂进口(35)；所述的气化层返料阀气室(11)底部开有气化层反料风进口(32)，气化层返料阀气室(11)上部开有与第一料腿层(8)的半焦出口相连的气化层返料阀充气口(10)，气化层(12)顶部设置有气化层气固分离装置(15)，所述的气化层气固分离装置(15)上部为合成气出口(29)，下部出口与第二料腿层(16)相连通。
4.根据权利要求1所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的燃烧层(19)底部包括燃烧层气室(20)、松动风气室(18)，燃烧层气室(20)底部连接有空气进口(34)，燃烧层气室(20)顶部布置燃烧层风帽(21)和燃烧层放灰口(30)；所述的松动风气室(18)上部开有与第二料腿层(16)相连接的松动风喷口(17)，松动风气室(18)的底部设有松动风进口(33)。
5.根据权利要求1-4所述的任意一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，上述任一种多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的多层流化床(2)的外壳截面为圆形、方形或其它多边形。
6.根据权利要求5所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，外壳截面为圆形的多层流化床(2)的第一料腿层(8)、第二料腿层(16)设置为环形空腔。
7.根据权利要求5所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，外壳截面为圆形的多层流化床(2)的第一料腿层(8)、第二料腿层(16)设置为管道结构。
8.根据权利要求5所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的固体燃料给料机(1)至少设置为两个，并以多层流化床(2)中心轴为中心呈环式布置在热解层(3)的外壁。
9.根据权利要求5所述的多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的的半焦溢流口(6)至少设置为两个，并以多层流化床(2)中心轴为中心呈环式布置在第一料腿层(8)靠近热解层(3)的外壁中部。
10.一种基于多层流化床固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的转化方法，其特征在于，固体燃料通过固体燃料给料机(1)加至多层流化床(2)的热解层(3)，与返料器(24)输送回的热灰混合，固体燃料被热灰加热后升温，并发生热解，析出挥发分，挥发分夹带颗粒进入热解层气固分离装置(7)，颗粒被分离后进入第一料腿层(8)，挥发分由挥发分出口(27)送出，进入后续净化、冷却装置，得到焦油和热解气，其中，部分热解气循环回循环热解气进口(25)作为热解层(3)的流化气，另一部分热解气作为返料器(24)的充气；固体燃料热解后生成的半焦通过半焦溢流口(6)，进入第一料腿层(8)，然后通过气化层返料阀(9)送入气化层(12)，该半焦在气化层(12)中与氧气和水蒸汽进行部分气化，生成合成气；合成气夹带着部分气化后半焦进入气化层气固分离装置(15)，其中的合成气经分离后由合成气出口(29)送出，而部分气化后半焦经分离后进入第二料腿层(16)，在第二料腿层(16)底部被松动风气室(18)喷出的松动风吹入燃烧层(19)，部分气化后半焦在燃烧层(19)中与氧化剂发生燃烧反应，放出热量，燃烧产生的烟气和热灰进入旋风分离器(22)，分离后的烟气由烟气出口(31)排出；热解层(3)的运行温度在450-750℃之间，气化层(12)的运行温度为850-1000℃，燃烧层(19)的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，运行时压力范围为0.1-5.0MPa。
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