CN106336907B - 一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺。该装置包括上升管半焦氧化燃烧反应器、旋风热解反应器和鼓泡床气化反应器；工艺包括：低阶煤或煤/生物质混合颗粒通过原料入口进入旋风热解反应器内，与从高温载体入口进入的高温循环半焦颗粒、烟气旋转混合，原料颗粒被迅速加热以实现快速热解，同时气、固态反应产物被快速分离，气态的焦油、热解煤气和高温烟气从旋风热解反应器上部的排气管流出，固态的半焦颗粒与热载体颗粒从旋风热解反应器下部的排尘口经料腿进入鼓泡床气化反应器，并与气化剂发生部分气化反应制取合成气。本发明减少了循环***中单元设备的数量，提高了整个***的可操作性；削减了设备投资，增加了装置的生产能力。

Description

一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺
技术领域
本发明公开了一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺，具体涉及一种具备自热携带能力和催化活性的高通量半焦循环流化床低阶煤或煤/生物质混合颗粒旋风热解气化工艺。
背景技术
煤炭在未来相当长的时期内仍会在我国的能源结构中占据相当大的比重。目前煤炭的利用方式主要是燃烧。煤的成分非常复杂，其中蕴含的挥发分能够生产高附加值的化工产品，仅将其作为燃料不仅浪费还会造成很大的环境污染。对于低阶煤/生物质而言这一问题尤其突出。因此，开发能够清洁利用煤炭的工艺，特别是低阶煤的工艺***意义重大。
目前将煤的热解、气化、燃烧及其它过程耦合已取得了一定的成功经验，但现有的耦合工艺存在着流程长、设备多、能耗高以及操作复杂等缺点。中国发明专利CN102504842A提出了一种煤热解气化燃烧多级利用方法。将煤热解、气化、燃烧三种反应分别置于三个流化床中，燃烧产生的高温灰作为固体热载体将热量输送至热解炉，高温烟气用于生产气化炉所需要的水蒸汽。与之类似，中国发明专利CN201410077858.8提出了一种包括循环流化床锅炉、移动床热解反应器和移动床气化炉的煤热解气化多联产装置，实现煤的分级优化利用，该工艺同样利用燃烧产生的高温灰作为热载体。上述两个专利存在以下缺陷：第一，高温循环灰粒度小，存在粉尘-焦油，粉尘-合成气难以分离的问题，还容易造成管路堵塞；第二，煤的灰分中含一定量的碱金属，在高温下，碱金属会腐蚀钢材，以高温灰作为固体热载体会使大量的碱金属集聚在整个***中，容易造成安全隐患；第三，热载体在循环过程中要经过三个反应器以及与之配套的分离设备和管道，循环半焦颗粒的循环速度和循环量都会受***复杂程度的限制，进而制约整套***的生产能力。这些问题的存在会阻碍技术设想的实现；第四，上述两个工艺的热解部分均未能满足热解反应的理想条件，比如停留时间短，分布均匀等。日本东京大学（Chemical Engineering Science, 66(18) (2011) 4212-4220；Chemical Engineering Journal, 164 (2010) 221-229；Advanced PowderTechnology, 25(1)(2014)379-388）基于自热再生理论提出了“新型高密度三塔式循环流化床气化工艺”，实现煤的热解—气化—燃烧分级利用，石英砂作为固体循环热载体颗粒在***内循环流动，依次经过燃烧器—旋风分离器—热解器—快速分离器—气化炉—气封床以及连接各个设备的管道。中国发明专利CN104789245A类似提出了一种基于半焦的催化活性和自热携带能力的三塔式高通量半焦循环流化床煤（生物质）热解气化工艺，采用半焦作为固体循环半焦颗粒，充分利用半焦自有的催化活性和自热携带能力，实现焦油、煤气和合成器的联产。以上两个工艺过程均较为复杂，致使颗粒的循环通量受到很多制约，同时多个设备之间的协调比较困难，操作难度较大。
华南理工大学（化学工业与工程，10(3) (1992) 58-62）总结了近年来国内外旋风反应器的研究进展，目前大部分旋风反应器只有一个入口，主要通过器壁与气体、颗粒热传导的方式供热，此种旋风反应器在高通量进料的情况下容易出现传热不充分的情况，同时不能应用于两股颗粒同时进料的情况。中国发明专利CN103534021A公布了一种特殊结构的旋风反应器，该旋风反应器目标反应温度较高，针对性的设计出了包含两个反应区的结构，设备结构复杂；同时主要通过辐射传热的方式传热，不适用于较低温度的反应。
发明内容
本发明旨在提供一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺，并减少循环***中单元设备的数量，其优势有两点：一是降低了***的复杂程度，提高整个***的可操作性；二是降低了装置的整体高度，削减了设备投资，更重要的是为提高半焦颗粒循环通量提供了改进***的空间，有助于增加装置的生产能力。
本发明提供的一种旋风热解高通量循环气化装置，包括上升管半焦氧化燃烧反应器、旋风热解反应器和鼓泡床气化反应器；
上升管半焦氧化燃烧反应器主体为圆柱型结构，顶部设有出口，与旋风热解反应器的高温载体入口连接，反应器下部连接鼓泡床气化反应器，反应器底部设有氧气（空气）入口；
旋风热解反应器的上部为圆柱型筒体，下部为圆锥型筒体，圆柱上部一侧设有原料入口，另一侧设有高温热载体入口，两个入口均与圆柱筒体相切，呈180度排列，圆柱筒体顶部设有排气管，排气管与圆柱形筒体同轴，并***其内部，圆锥型筒体的锥口连接料腿，料腿底部***鼓泡床气化反应器内；旋风热解反应器顶部的排气管依次连接第一旋风分离器、第一布袋除尘器、第一冷却器；
鼓泡床气化反应器底部设有气化剂入口，上部设有合成气出口，鼓泡床气化反应器左侧溢流管连接上升管半焦氧化燃烧反应器；鼓泡床气化反应器上部的合成气出口依次连接第二旋风分离器、第二布袋除尘器、第二冷却器。
所述高温热载体是指半焦颗粒。
所述气化剂为水蒸气和少量氧气。
本发明提供了一种旋风热解高通量循环气化工艺，采用上述装置，包括以下内容：
（1）旋风热解：在旋风热解反应器内，低阶煤或煤/生物质混合颗粒通过原料入口进入旋风热解反应器内，与从高温载体入口进入的高温循环半焦颗粒、烟气旋转混合，低阶煤或煤/生物质混合颗粒被迅速加热，发生快速催化热解反应同时实现快速的气、固分离；
气态的焦油、热解煤气和高温烟气从旋风热解反应器上部的排气管流出，依次经过第一旋风分离器、第一布袋除尘器、第一冷却器，析出的挥发份和高温烟气进行除尘与降温处理，冷凝部分即为液态焦油，未冷凝部分包括中高热值的热解煤气和烟气，经分离、除尘与换热处理，热解煤气可用作化工原料；
旋风热解反应器中生成的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒从旋风热解反应器下部的排尘口经料腿进入鼓泡床气化反应器；
（2）气化：在鼓泡床气化反应器内，来自旋风热解反应器的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒进一步换热，并与气化剂发生部分气化反应制取合成气，合成气通过分离器分离后，经除尘与降温处理用作化工原料；
未被气化的半焦颗粒通过溢流管进入上升管半焦氧化燃烧反应器；
（3）在上升管半焦氧化燃烧反应器内，半焦颗粒在上升气流（氧气或空气）作用下沿上升管向上流动并发生部分氧化燃烧，从而获得大量高温循环半焦颗粒。
上述工艺中，在上升管半焦氧化燃烧反应器内发生燃烧反应，所产生的热量主要通过循环半焦颗粒提供给热解和气化过程，
上述工艺中，旋风热解反应器的运行温度为850-900℃，运行压力为0.1-2 MPa。
上述工艺中，鼓泡床气化反应器的运行温度为800-850℃，运行压力为0.1-5 MPa。
上述工艺中，上升管半焦氧化燃烧反应器的运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3 MPa。
本发明的有益效果：
（1）利用旋风热解反应器一个设备代替原来的流化床热解炉及与之配套的多个分离器，降低了***设备的制造成本。
（2）所述***由较少的单元设备组成，复杂程度更低，便于维持固体热载体的顺畅循环，减小了操作难度，降低了操作成本。
（3）单元设备数量的减少降低了装置***的总体高度，为提高半焦颗粒的循环通量提供了改进***的空间。例如：可以将鼓泡流化床反应器的位置抬高，增加鼓泡流化床反应器颗粒溢流口与上升管颗粒入口之间的高度差，这样可以大大提高颗粒循环推动力，从而增加***的生产能力。
（4）在现有的技术中，半焦燃烧产生的热量有一部分在高温烟气的携带下流出燃烧-热解-气化***，仅有高温循环半焦颗粒为热解反应供热；改进后，高温烟气部分的热量也被应用于热解反应，能量分配和利用更合理。
（5）现有技术中，热解产生的焦油在热解煤气等气体的携带下进入后续的处理流程，这些输送气体的流量较少，温度较低，焦油中的高沸点组分容易凝结在管道中，既浪费又容易堵塞管道造成安全隐患；改进后，半焦燃烧产生的大流量高温烟气携带焦油，抑制了焦油在管道中的凝结，提高收益，保证安全。
附图说明
图1为本发明旋风热解高通量循环气化装置和工艺的示意图。
图2为本发明旋风热解反应器的结构示意图。
图3为图2的俯视图。
图中：1为原料入口，2为旋风热解反应器，3为第一旋风分离器，4为第一布袋除尘器，5为第一冷却器，6为料腿，7为鼓泡床气化反应器，8为气化剂入口，9为第二旋风分离器，10为第二布袋除尘器，11为第二冷却器，12为氧气（空气）入口，13为上升管半焦氧化燃烧反应器， 14为上升管出口，15为高温载体入口，16为排气管，17为合成气出口。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1~2所示，一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺，包括上升管半焦氧化燃烧反应器13、旋风热解反应器2和鼓泡床气化反应器7；
上升管半焦氧化燃烧反应器13主体为圆柱型结构，顶部设有出口14，与旋风热解反应器2的高温载体入口15连接，反应器下部连接鼓泡床气化反应器7，反应器底部设有氧气（空气）入口12；
旋风热解反应器2的上部为圆柱型筒体，下部为圆锥型筒体，圆柱上部一侧设有原料入口1，另一侧设有高温热载体入口16，两个入口均与圆柱筒体相切，呈180度排列；圆柱筒体顶部设有排气管17，排气管与圆柱形筒体同轴，并***其内部；圆锥型筒体的锥口连接料腿6，料腿底部***鼓泡床气化反应器7内；旋风热解反应器2顶部的排气管17依次连接第一旋风分离器3、第一布袋除尘器4、第一冷却器5；
鼓泡床气化反应器7底部设有气化剂入口8，上部设有合成气出口17，鼓泡床气化反应器7左侧溢流管连接上升管半焦氧化燃烧反应器13；鼓泡床气化反应器7上部的合成气出口17依次连接第二旋风分离器9、第二布袋除尘器10、第二冷却器11。
如图2所示，选择旋风热解反应器圆柱结构的直径为基准尺寸，其余部件尺寸比例关系如下：Dx/D=0.4～0.6，Dd/D=0.3～0.5，a/D=0.25～0.75，b/D=0.085～0.37，S/D=0.4～1.5，H/D=3～7，Hc/D=1.5～4。基准尺寸D根据实际处理量而调整。
本发明的原理：旋风热解反应器既作为热解反应器，又发挥分离高温气体与固体颗粒的功能。旋风热解反应器设置两个入口，上升管半焦氧化燃烧反应器中产生的高温循环半焦颗粒和高温烟气从高温载体入口进入，惰性输送气体携带低阶煤或煤/生物质混合颗粒从原料入口进入，低阶煤或煤/生物质混合颗粒与高温循环半焦颗粒、高温烟气旋转混合、换热后，发生快速热解反应。释放出的焦油和热解煤气呈气态，与燃烧产生的高温烟气共同从旋风热解反应器顶部的排气管排出，经后续的分离等单元操作得到焦油及中高热值的热解煤气。热解生成的新鲜高温半焦与循环半焦颗粒由旋风热解反应器的排尘口进入料腿，输送至下方的鼓泡流化床气化炉，与水蒸汽等气化剂发生部分气化反应，制取合成气，合成气排出后依次经除尘与降温处理后用作化工原料。未被气化的半焦颗粒经溢流管进入上升管半焦氧化燃烧反应器，在上升气流（氧气或空气）作用下沿上升管向上流动并发生部分氧化燃烧，从而获得大量高温循环半焦颗粒。由此，通过这一套单元设备更少的装置同时得到了高品质焦油、煤气和合成气等产物，利用旋风热解反应器的快速热解和高效气、固分离性能一步完成热解与气固分离，实现半焦热载体的高通量循环并降低整个***的操作难度。
本发明的工艺工程具体包括以下内容：
（1）旋风热解：在旋风热解反应器2内，低阶煤或煤/生物质混合颗粒通过原料入口1进入旋风热解反应器2内，与从高温载体入口15进入的高温循环半焦颗粒、高温烟气混合，低阶煤或煤/生物质混合颗粒被迅速加热，发生快速催化热解反应同时实现快速的气、固分离；
气态的焦油、热解煤气和高温烟气从旋风热解反应器2上部的排气管16流出，依次经过第一旋风分离器3、第一布袋除尘器4、第一冷却器5，析出的挥发份和高温烟气进行除尘与降温处理，冷凝部分即为液态焦油，未冷凝部分包括中高热值的热解煤气和烟气，经分离、除尘与换热处理，热解煤气可用作化工原料；
热解反应生成的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒从旋风热解反应器2下部的排尘口经料腿6进入鼓泡床气化反应器7；
所述的热载体是指半焦颗粒。
（2）气化：在鼓泡床气化反应器7内，来自旋风热解反应器2的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒进一步换热，并与气化剂发生部分气化反应制取合成气，合成气通过分离器分离后，经除尘与降温处理用作化工原料；
未被气化的半焦颗粒通过溢流管进入上升管半焦氧化燃烧反应器13；
所述的气化剂为水蒸气和少量氧气。
（3）在上升管半焦氧化燃烧反应器13内，半焦颗粒在上升气流（氧气或空气）作用下沿上升管向上流动并发生部分氧化燃烧，从而获得大量高温循环半焦颗粒。
低阶煤或煤/生物质混合颗粒由氮气输送进入旋风热解反应器，上升管半焦氧化燃烧反应器产生的高温循环半焦颗粒和高温烟气提供煤热解所需要的足够热量，旋风热解反应器的运行温度为850-900 ℃，运行压力为0.1-2 MPa。鼓泡床气化反应器采用水蒸气和少量氧气作为流化气和气化剂，半焦颗粒在此进行部分气化，床内气化器温度800-850 ℃，运行压力为0.1-5 MPa。上升管半焦氧化燃烧反应器中通入氧气（空气），作用有二，一是将下部进入的颗粒输送到顶部流出，二是用于氧化燃烧部分半焦从而获得高温循环半焦颗粒，运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3 MPa。
本发明提出的一种旋风热解高通量循环气化装置和工艺，耦合了原料分级利用中的燃烧-快速热解与分离-气化过程，并利用半焦颗粒自有的催化活性和自热携带能力，实现了高品质焦油、煤气和合成气的联产；利用旋风热解反应器的快速热解和高效气、固分离性能一步完成热解与气固分离，实现半焦热载体的高通量循环并降低整个***的操作难度。

Claims (5)

1.一种旋风热解高通量循环气化工艺，其特征在于包括以下内容：
（1）旋风热解：在旋风热解反应器内，低阶煤或煤/生物质混合颗粒通过原料入口进入旋风热解反应器内，与从高温载体入口进入的高温循环半焦颗粒、烟气旋转混合，低阶煤或煤/生物质混合颗粒被迅速加热，发生快速催化热解反应同时实现快速的气、固分离；
气态的焦油、热解煤气和高温烟气从旋风热解反应器上部的排气管流出，依次经过第一旋风分离器、第一布袋除尘器、第一冷却器，析出的挥发份和高温烟气进行除尘与降温处理，冷凝部分即为液态焦油，未冷凝部分包括中高热值的热解煤气和烟气，经分离、除尘与换热处理，热解煤气用作化工原料；
旋风热解反应器中生成的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒从旋风热解反应器下部的排尘口经料腿进入鼓泡床气化反应器；
（2）气化：在鼓泡床气化反应器内，来自旋风热解反应器的新鲜半焦颗粒与高温循环半焦颗粒进一步换热，并与气化剂发生部分气化反应制取合成气，合成气通过分离器分离后，经除尘与降温处理用作化工原料；
未被气化的半焦颗粒通过溢流管进入上升管半焦氧化燃烧反应器；
（3）在上升管半焦氧化燃烧反应器内，半焦颗粒在上升气流作用下沿上升管向上流动并发生部分氧化燃烧，从而获得大量高温循环半焦颗粒；
所述工艺采用旋风热解高通量循环气化装置进行，该装置包括上升管半焦氧化燃烧反应器、旋风热解反应器和鼓泡床气化反应器；
上升管半焦氧化燃烧反应器主体为圆柱型结构，顶部设有出口，与旋风热解反应器的高温载体入口连接，反应器下部连接鼓泡床气化反应器，反应器底部设有氧气或空气入口；
旋风热解反应器的上部为圆柱型筒体，下部为圆锥型筒体，圆柱上部一侧设有原料入口，另一侧设有高温热载体入口，两个入口均与圆柱筒体相切，呈180度排列，圆柱筒体顶部设有排气管，排气管与圆柱形筒体同轴，并***其内部，圆锥型筒体的锥口连接料腿，料腿底部***鼓泡床气化反应器内；旋风热解反应器顶部的排气管依次连接第一旋风分离器、第一布袋除尘器、第一冷却器；
鼓泡床气化反应器底部设有气化剂入口，上部设有合成气出口，鼓泡床气化反应器左侧溢流管连接上升管半焦氧化燃烧反应器；鼓泡床气化反应器上部的合成气出口依次连接第二旋风分离器、第二布袋除尘器、第二冷却器；
所述高温热载体是指半焦颗粒；所述气化剂为水蒸气和少量氧气。
2.根据权利要求1所述的旋风热解高通量循环气化工艺，其特征在于：在上升管半焦氧化燃烧反应器内发生燃烧反应，所产生的热量通过高温循环半焦颗粒提供给热解和气化过程。
3.根据权利要求1所述的旋风热解高通量循环气化工艺，其特征在于：旋风热解反应器的运行温度为850-900℃，运行压力为0.1-2 MPa。
4.根据权利要求1所述的旋风热解高通量循环气化工艺，其特征在于：鼓泡床气化反应器的运行温度为800-850℃，运行压力为0.1-5 MPa。
5.根据权利要求1所述的旋风热解高通量循环气化工艺，其特征在于：上升管半焦氧化燃烧反应器的运行温度为950-1100℃，运行压力为0.1-3 MPa。
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