CN108485690B - 一种粉煤低温静态热解提取油气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种粉煤低温静态热解提取油气的装置及方法，热解箱顶部设有预热煤斗、挥发物排出管，与预热煤斗相对的另一端热解箱底部设有半焦排出与余热回收机构，热解箱内顶部均匀分布有撞击棒、中部设有螺旋输送器，螺旋输送器的结构为中空螺杆上缠绕有螺旋叶片，中空螺杆一端通过传动机构与电机相连，且该端端部与烧嘴的一端相连通，烧嘴的另一端通过管道与热解箱相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管与风机相连通，风机通过管道与设有原煤料斗的回转加料器相连通，回转加料器通过管道与旋风分离器相连通，旋风分离器位于预热煤斗的正上方。本发明具有所产焦油含尘率低、占地面积小、安全系数高、节能减排效果好的优点。
Description
技术领域
本发明属于石油、煤气及炼焦工业技术领域，具体涉及到一种粉煤低温静态热解提取油气的装置及方法。
背景技术
我国“多煤、缺油、少气”的能源禀赋特点决定了目前以煤炭为主的能源消费结构，加之煤炭单位热值的价格远低于石油和天然气等其他能源，使煤炭在我国的消费比例始终高于60％，并且在未来50年内煤炭仍然是我国的重要基础能源，短期内难以被全面替代。然而，对煤炭的粗放式利用也带来了严重的环境污染问题，譬如雾霾形成、酸雨、温室效应以及土壤水体污染。因此，煤炭不论是以能源亦或是资源使用，开发洁净高效的加工利用技术是我国能源技术革命的必由之路，也是优化我国能源结构、促进能源生产和消费革命的关键环节，对于保障能源安全和治理雾霾具有重要意义。
煤炭洁净高效利用技术主要包括热解、气化、直接液化和燃烧等，相比之下煤炭热解技术具有投资省、能源转化效率高、无三废排放和过程简单等诸多优势。然而，目前较为成熟的煤炭热解方法都是以块煤原料的固定床热解工艺，存在生产效率低、油气品质差和污染等问题。目前大规模粉煤热解技术还未工业化，尚处在开发阶段，主要原因是粉煤热解过程中油气含尘问题不能有效解决，导致生产过程堵塞管路而不能长周期运行。油气中夹杂的惰性尘粒主要为残炭、半焦细颗粒和煤中的矿物质，其中残炭是热解挥发物间缩聚形成的物质，含量较少；半焦细颗粒和煤中的矿物质在热解过程会随挥发物油气组分一起夹带出反应***，因其在为固态组分容易与挥发物中的重质组成发结合而沉积在管道中或带入焦油中。因此，如何控制半焦细颗粒和煤中矿物质在热解过程中夹带进入挥发物中是解决粉煤热解技术所面临难题的关键。
控制粉煤热解焦油中半焦细颗粒和煤中矿物质的含量有两条途径，其一为在热解过程控制使其夹带量减少，其二为在反应后从高温热解挥发物中除去惰性尘粒。由于目前缺乏有效的高温除尘方法，使挥发物后除尘的效率极低，不能有效降低热解油气中的杂质。因此，在热解反应过程控制半焦细颗粒和煤中的矿物质进入热解油气中是比较可行的策略。目前处在研发阶段的粉煤热解技术按照反应方式主要有气流床热解反应技术、流化床热解反应技术、下行床固体热载体热解反应技术、回转炉热解技术以及蓄热式旋转床热解技术等。前四种粉煤热解过程中煤颗粒之间的相对运动都较为强烈，致使半焦细颗粒和煤中的矿物质容易被热解挥发物夹带而出；蓄热式旋转床热解技术虽然可确保煤颗粒之间基本不发生相对运动，但其辐射传热方式使热解的热效率较低，生产规模难以增加。此外，处在研发阶段的以气体为热源的热解技术还因稀释作用使热解所得燃气的热值降低、品质变差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有粉煤热解装置的缺点，提供一种设计合理、工作效率高、所产焦油含尘率低、热解气热值高的粉煤低温静态热解提取油气的装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案为：热解箱顶部设置有预热煤斗、挥发物排出管，与预热煤斗相对的另一端热解箱的底部设置有半焦排出与余热回收机构，热解箱内顶部均匀分布有撞击棒、中部设置有螺旋输送器，螺旋输送器与热解箱内侧壁的间隙为5～10mm，螺旋输送器的结构为中空螺杆上缠绕有螺旋叶片，中空螺杆一端通过传动机构与电机相连，且该端端部通过密封转接头与烧嘴的一端相连通，烧嘴的另一端通过管道与热解箱相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管与风机的进风口相连通，风机的出风口通过管道与设有原煤料斗的回转加料器相连通，回转加料器通过管道与旋风分离器的进风口相连通，旋风分离器位于预热煤斗的正上方。
作为一种优选的技术方案，所述的热解箱的结构为：圆筒侧壁上设置有梯形箱，圆筒与梯形箱连为一体且相连通，圆筒为隔热筒。
作为一种优选的技术方案，所述的梯形箱一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为30°～60°，另一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为50°～80°，所述圆筒的内径为3～5m。
作为一种优选的技术方案，所述的螺旋叶片为中空结构，螺旋叶片与中空螺杆相连通。
作为一种优选的技术方案，所述的螺旋叶片螺旋角为75°～85°、螺距为螺旋叶片宽度的1.6～1.2倍。
作为一种优选的技术方案，所述的撞击棒竖直分布在热解箱内顶部，所述撞击棒的直径为10mm，相邻两撞击棒之间的距离为20～35mm。
作为一种优选的技术方案，所述的半焦排出与余热回收机构为：回收筒倾斜设置在热解箱底部且与热解箱相连通，回收筒由内筒和外筒连为一体构成中空筒体，内筒与外筒之间的距离为50～70mm，回收筒外筒上端设置有蒸汽出口、下端设置有进水口，回收筒内设置有均匀分布的导热棒，导热棒一端位于在内筒和外筒之间、另一端位于内筒中。
作为一种优选的技术方案，所述的回收筒的中心线与热解箱底部之间的夹角为45°～70°。
作为一种优选的技术方案，所述的导热棒的直径为10～20mm，导热棒中心线与回收筒中心线之间的夹角为40°～55°，导热棒伸入回收筒中空腔内的长度为3～5mm、位于回收筒内筒的长度为回收筒内径的0.5～0.7倍。
一种用上述的粉煤低温静态热解提取油气的装置提取油气的方法，其包括以下步骤：
(1)粉煤脱水预热
从外部引入甲烷在烧嘴处燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气充满整个螺旋输送器并通过烟气排出管排出，风机从烟气排出管抽入300℃～350℃的高温烟气经压缩后将原煤料斗中的粉煤输送至旋风分离器，旋风分离器对粉煤干燥脱水预热至150℃～350℃，并将预热煤粉排入预热煤斗中，完成粉煤干燥脱水预热；
(2)粉煤进行热解反应
电机通过传动机构带动螺旋输送器转动而将预热粉煤从进料端推送至半焦出口处，与此同时粉煤热解产生的热解气输出到烧嘴，并代替甲烷燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气从烧嘴进入中孔螺杆并充盈至整个螺旋片，对移动的粉煤进行传热升温至500℃～600℃以发生热分解反应生成挥发物；
(3)热解挥发物除尘、提取热解气和煤焦油
挥发物向上移动撞击到撞击棒，夹杂在挥发物中尘粒分离下来又进入热解箱，冷却分离出的高热值热解气和高品质低温煤焦油从挥发物排出管排出；
(4)半焦排出与余热回收
粉煤热解后形成的半焦经由回收筒排出热解箱，同时与回收筒中空腔内的水换热回收半焦中的热量，使半焦温度降低至200℃～250℃排出。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用高温烟气作为热源气力输送粉煤到预热煤斗，一方面对高温烟气中热量进行回收，提高***热利用效率，另一方面可对原煤进行干燥预处理脱除其中水分，最终可控制焦油中的含水量在较低水平；
2、本发明采用螺旋输送器推进粉煤，使粉煤在接近静止状态下移动，可有效降低半焦细颗粒和煤中的矿物质混入挥发物中，解决了焦油含尘的问题；同时最终利用热解自身产生的高热值燃气燃烧生成高温炙热烟气进入中空结构的螺旋输送器间接加热粉煤，不稀释挥发物，极大地提升了油气产品质量，确保整个热解***具有较高的热效率。
3、本发明的热解箱为圆筒侧壁上设置有梯形箱，且梯形箱侧壁上均匀分布有撞击棒，用于挥发物除尘，当半焦细颗粒和煤中的矿物质刚混入挥发物后便可在惯性撞击作用下除去尘粒，确保不堵塞后续管路，有效降低焦油中的含尘量；
4、本发明的半焦排出与余热回收机构用于回收半焦中的显热并产生蒸汽，首先，回收筒上设置了导热棒，可有效增加固态热半焦与回收筒中空腔中水的换热效率，其次，采用水与固态热半焦间接换热的方式可避免熄焦污水产生，最终可极大地提高整个热解装置的热效率和生产环保性。
5、本发明具有结构简单、占地面积小、安全系数高、节能减排效果好的优点，适用于粉煤低温热解提取高品质油气，应用前景广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的粉煤低温静态热解提取油气的装置由烟气排出管1、风机2、挥发物排出管3、原煤料斗4、回转加料器5、旋风分离器6、预热煤斗7、烧嘴8、齿轮传动机构9、电机10、热解箱11、螺旋输送器12、导热棒13、回收筒14、撞击棒15连接构成。
热解箱11为圆筒侧壁上设置有梯形箱，圆筒与梯形箱连为一体且相连通，圆筒为隔热筒、内径为4m，梯形箱右侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为50°，左侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为60°，热解箱11的圆筒一端安装有预热煤斗、梯形箱顶部安装有挥发物排出管3，热解箱11的梯形箱内侧壁上竖直安装有均匀分布的撞击棒15，撞击棒的直径为10mm，相邻两撞击棒之间的距离为30mm，撞击棒15用于将挥发物中的尘粒分离出来，热解箱11另一端底部安装有半焦排出与余热回收机构，热解箱11的圆筒内安装有螺旋输送器12，螺旋输送器12与热解箱11内壁之间的间隙为8mm，螺旋输送器12的结构为中空螺杆上缠绕有中空结构的螺旋叶片，螺旋叶片与中空螺杆相连通，螺旋叶片螺旋角为80°、螺距为螺旋叶片宽度的2倍，中空螺杆右端穿出热解箱11通过齿轮传动机构9与电机10相连，电机带动螺旋输送器缓慢平稳的向左端输送粉煤，中空螺杆右端端部通过密封转接头与烧嘴8的一端相连通，烧嘴8的另一端通过管道与热解箱11相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管1与风机2的进风口相连通，风机2的出风口通过管道与回转加料器5相连通，回转加料器5上安装有原煤料斗4，回转加料器5通过管道与旋风分离器6的进风口相连通，旋风分离器位于预热煤斗7的正上方。
本实施例的半焦排出与余热回收机构由导热棒13和回收筒14连接构成，回收筒14倾斜安装在热解箱11底部且与热解箱11相连通，回收筒14的中心线与热解箱11底部之间的夹角为60°，回收筒14由内筒和外筒连为一体构成中空筒体，内筒与外筒之间的距离为60mm，回收筒14外筒上端安装有蒸汽出口、下端安装有进水口，回收筒14的中空腔内流通有水，回收筒14内安装有均匀分布的导热棒13，用于加快热量传递，导热棒13的直径为15mm，导热棒13中心线与回收筒14中心线之间的夹角为50°，导热棒13一端位于中空腔内、另一端位于内筒中，导热棒伸入回收筒中空腔内的长度为4mm、位于回收筒内筒的长度为回收筒内径的0.6倍。本发明的半焦排出与余热回收机构有效回收半焦所携带的显热，采用热交换回收热能可避免产生大量废水，有效地提高了粉煤热解过程的热效率和环保性。
用上述的粉煤低温静态热解提取油气的装置提取油气的方法，包括如下步骤：
(1)粉煤脱水预热
从外部引入甲烷在烧嘴8处燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气充满整个螺旋输送器12并通过烟气排出管1排出，风机2从烟气排出管1抽入300℃～350℃的高温烟气经压缩后将原煤料斗4中的粉煤输送至旋风分离器6，旋风分离器6对粉煤干燥脱水预热至150℃～350℃，并将预热煤粉排入预热煤斗7中，完成粉煤干燥脱水预热；
(2)粉煤进行热解反应
在热解箱11内，电机2通过齿轮传动机构9带动螺旋输送器12转动而将预热粉煤从进料端推送至半焦出口处，与此同时粉煤热解产生的热解气从热解箱输出到烧嘴8，并代替甲烷燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气从烧嘴8进入中孔螺杆并充盈至整个螺旋片，对移动的粉煤进行传热升温至500℃～600℃以发生热分解反应生成挥发物；
(3)热解挥发物除尘，提取热解气和煤焦油
挥发物向上移动撞击到撞击棒15，夹杂在挥发物中尘粒分离下来又进入热解箱，冷却分离出的高热值热解气和高品质低温煤焦油从挥发物排出管3排出；
(4)半焦排出与余热回收
粉煤热解后形成的半焦经由回收筒排出热解箱，同时与回收筒14中空腔内的水换热回收半焦中的热量，使半焦温度降低至200℃～250℃排出。
实施例2
热解箱11为圆筒侧壁上设置有梯形箱，圆筒与梯形箱连为一体且相连通，圆筒为隔热筒、内径为3m，梯形箱一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为30°、另一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为50°，热解箱11的圆筒一端安装有预热煤斗、梯形箱顶部安装有挥发物排出管3，热解箱11的梯形箱内侧壁上竖直安装有均匀分布的撞击棒15，撞击棒的直径为10mm，相邻两撞击棒之间的距离为20mm，撞击棒15用于将挥发物中的尘粒分离出来，热解箱11的底部安装有半焦排出与余热回收机构，热解箱11的圆筒内安装有螺旋输送器12，螺旋输送器12与热解箱11内壁之间的间隙为5mm，螺旋输送器12的结构为中空螺杆上缠绕有螺旋叶片，螺旋叶片为中空结构，螺旋叶片与中空螺杆相连通，螺旋叶片螺旋角为75°、螺距为螺旋叶片宽度的1.6倍，中空螺杆右端穿出热解箱11通过齿轮传动机构9与电机10相连，且该端端部通过密封转接头与烧嘴8的一端相连通，烧嘴8的另一端通过管道与热解箱11相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管1与风机2的进风口相连通，风机2的出风口通过管道与回转加料器5相连通，回转加料器5上安装有原煤料斗4，回转加料器5通过管道与旋风分离器6的进风口相连通，旋风分离器位于预热煤斗7的正上方。
本实施例的半焦排出与余热回收机构由导热棒13和回收筒14连接构成，回收筒14倾斜安装在热解箱11底部且与热解箱11相连通，回收筒14的中心线与热解箱11底部之间的夹角为45°，回收筒14由内筒和外筒连为一体构成中空筒体，内筒与外筒之间的距离为50mm，回收筒14外筒上端安装有蒸汽出口、下端安装有进水口，回收筒14的中空腔内流通有水，回收筒14内安装有均匀分布的导热棒13，导热棒13的直径为10mm，导热棒13中心线与回收筒14中心线之间的夹角为40°，导热棒13一端位于中空腔内、另一端位于内筒中，导热棒伸入回收筒中空腔内的长度为3mm、位于回收筒内筒的长度为回收筒内径的0.5倍。
实施例3
热解箱11为圆筒侧壁上设置有梯形箱，圆筒与梯形箱连为一体且相连通，圆筒为隔热筒、内径为5m，梯形箱一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为60°，另一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为80°，热解箱11的圆筒一端安装有预热煤斗、梯形箱顶部安装有挥发物排出管3，热解箱11的梯形箱内侧壁上竖直安装有均匀分布的撞击棒15，撞击棒的直径为10mm，相邻两撞击棒之间的距离为35mm，撞击棒15用于将挥发物中的尘粒分离出来，热解箱11的底部安装有半焦排出与余热回收机构，热解箱11的圆筒内安装有螺旋输送器12，螺旋输送器12与热解箱11内壁之间的间隙为10mm，螺旋输送器12的结构为中空螺杆上缠绕有螺旋叶片，螺旋叶片为中空结构，螺旋叶片与中空螺杆相连通，螺旋叶片螺旋角为85°、螺距为螺旋叶片宽度的2.4倍，中空螺杆右端穿出热解箱11通过齿轮传动机构9与电机10相连，且该端端部通过密封转接头与烧嘴8的一端相连通，烧嘴8的另一端通过管道与热解箱11相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管1与风机2的进风口相连通，风机2的出风口通过管道与回转加料器5相连通，回转加料器5上安装有原煤料斗4，回转加料器5通过管道与旋风分离器6的进风口相连通，旋风分离器位于预热煤斗7的正上方。
本实施例的半焦排出与余热回收机构由导热棒13和回收筒14连接构成，回收筒14倾斜安装在热解箱11底部且与热解箱11相连通，回收筒14的中心线与热解箱11底部之间的夹角为70°，回收筒14由内筒和外筒连为一体构成中空筒体，内筒与外筒之间的距离为70mm，回收筒14外筒上端安装有蒸汽出口、下端安装有进水口，回收筒14的中空腔内流通有水，回收筒14内安装有均匀分布的导热棒13，导热棒13的直径为20mm，导热棒13中心线与回收筒14中心线之间的夹角为50°，导热棒13一端位于中空腔内、另一端位于内筒中，导热棒伸入回收筒中空腔内的长度为4mm、位于回收筒内筒的长度为回收筒内径的0.7倍。
试验1
为了验证本发明的有益效果，发明人以伊春长焰煤和神木高挥发分烟煤为原料，在实施例1的装置上进行试验，煤样性质、试验条件与操作参数和试验结果如表1、表2和表3所示：
表1煤样性质
表2试验条件与操作参数
表3试验结果
| 煤样 | 燃气热值 | 燃气量 | 焦油量 | 半焦量 | 热解水量 | 焦油含尘 | 焦油密度 | 焦油热值 | 热效率 |
| 伊春煤 | 24.7Mj/Nm3 | 11.2kg/h | 14.4kg/h | 70.2kg/h | 1.3kg/h | 0.89％ | 0.90g/cm3 | 41.1Mj/kg | 87.2％ |
| 神木煤 | 26.5Mj/Nm3 | 12.5kg/h | 12.5kg/h | 72.9kg/h | 1.5kg/h | 0.94％ | 0.92g/cm3 | 39.0Mj/kg | 85.8％ |
由试验结果可知利用本发明装置可生产出高品质热解煤气和焦油，并且焦油含尘率较低、密度更小，整个热解***的热效率也较高。
Claims (7)
1.一种粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：热解箱（11）顶部设置有预热煤斗（7）、挥发物排出管（3），与预热煤斗（7）相对的另一端热解箱（11）底部设置有半焦排出与余热回收机构，热解箱（11）内顶部均匀分布有撞击棒（15）、中部设置有螺旋输送器（12），螺旋输送器（12）与热解箱（11）内壁之间的间隙为5～10 mm，螺旋输送器（12）的结构为中空螺杆上缠绕有螺旋叶片，中空螺杆一端通过传动机构与电机（10）相连，且该端端部通过密封转接头与烧嘴（8）的一端相连通，烧嘴（8）的另一端通过管道与热解箱（11）相连通，中空螺杆另一端通过烟气排出管（1）与风机（2）的进风口相连通，风机（2）的出风口通过管道与设有原煤料斗（4）的回转加料器（5）相连通，回转加料器（5）通过管道与旋风分离器（6）的进风口相连通，旋风分离器（6）位于预热煤斗（7）的正上方；
所述的半焦排出与余热回收机构为：回收筒（14）倾斜设置在热解箱（11）底部且与热解箱（11）相连通，回收筒（14）由内筒和外筒连为一体构成中空筒体，内筒与外筒之间的距离为50～70 mm，回收筒（14）外筒上端设置有蒸汽出口、下端设置有进水口，回收筒（14）内设置有均匀分布的导热棒（13），导热棒（13）一端位于中空腔内、另一端位于内筒中；所述的热解箱（11）的结构为：圆筒侧壁上设置有梯形箱，圆筒与梯形箱连为一体且相连通，圆筒为隔热筒；
所述的撞击棒（15）竖直分布在热解箱（11）内顶部，所述撞击棒（15）的直径为10mm，相邻两撞击棒（15）之间的距离为20～35 mm。
2.根据权利要求1所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：所述的梯形箱一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为30°～60°，另一侧壁与圆筒中心线之间的内夹角为50°～80°，所述圆筒的内径为3～5m。
3.根据权利要求1所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：所述的螺旋叶片为中空结构，螺旋叶片与中空螺杆相连通。
4.根据权利要求3所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：所述的螺旋叶片螺旋角为75°～85°、螺距为螺旋叶片宽度的1.6～2.4倍。
5.根据权利要求1所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：所述的回收筒的中心线与热解箱（11）底部之间的夹角为45°～70°。
6.根据权利要求1所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置，其特征在于：所述的导热棒（13）的直径为10～20 mm，导热棒（13）中心线与回收筒（14）中心线之间的夹角为40°～55°，导热棒（13）伸入回收筒（14）中空腔内的长度为3～5 mm、位于回收筒（14）内筒的长度为回收筒（14）内径的0.5～0.7倍。
7.根据权利要求1所述的粉煤低温静态热解提取油气的装置提取油气的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）粉煤脱水预热
从外部引入甲烷在烧嘴（8）处燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气充满整个螺旋输送器（12）并通过烟气排出管（1）排出，风机（2）从烟气排出管（1）抽入300℃～350℃的高温烟气经压缩后将原煤料斗（4）中的粉煤输送至旋风分离器（6），旋风分离器（6）对粉煤干燥脱水预热至150℃～350℃，并将预热煤粉排入预热煤斗（7）中，完成粉煤干燥脱水预热；
（2）粉煤进行热解反应
电机（10）通过传动机构带动螺旋输送器（12）转动而将预热粉煤从进料端推送至半焦出口处，与此同时粉煤热解产生的热解气输出到烧嘴（8），并代替甲烷燃烧产生900℃～1000℃的高温炙热烟气从烧嘴（8）进入中孔螺杆并充盈至整个螺旋片，对移动的粉煤进行传热升温至500℃～600℃以发生热分解反应生成挥发物；
（3）热解挥发物除尘、提取热解气和煤焦油
挥发物向上移动撞击到撞击棒（15），夹杂在挥发物中尘粒分离下来又进入热解箱（11），冷却分离出的高热值热解气和高品质低温煤焦油从挥发物排出管（3）排出；
（4）半焦排出与余热回收
粉煤热解后形成的半焦经由回收筒（14）排出热解箱，同时与回收筒（14）中空腔内的水换热回收半焦中的热量，使半焦温度降低至200℃～250℃排出。
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