CN102952553A - 碳质材料热解装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种碳质材料热解装置，包括：炭化室，其包括至少一个热解气体出口；碳质材料容器，放置在炭化室中，其至少一个侧壁上具有至少一个热解气体透气口；程序化温控仪；加热室，位于炭化室的底部或下方附近；和密封盖，其中所述热解气体出口位于所述炭化室侧壁顶部附近；所述碳质材料容器的侧壁和/或顶部外表面与所述炭化室的侧壁和/或顶部内表面之间形成夹层间隙，该夹层间隙被用作与所述热解气体透气口和热解气体出口相连通的热解气体流动通道，气态热解产物通过所述热解气体透气口、热解气体流动通道和热解气体出口被快速排出所述炭化室。上述热解装置避免了可冷凝热解产物的二次裂解，因此大幅度提高了液态热解产物的收率。

Description

碳质材料热解装置和系统

技术领域

本发明涉及一种碳质材料热解或干馏装置和系统，尤其涉及一种小型或试验用碳质材料中低温热解或干馏装置和系统。

背景技术

碳质材料的中低温热解以及从中分离和提取高附加值的油气成分的干馏技术作为符合清洁能源要求的碳质材料转化和利用技术，对我国煤炭和其它碳质材料资源的合理利用具有重要的意义。

热解或干馏装置对于上述碳质材料转化和利用技术至关重要，同时性质或种类不同的碳质材料需要结构不同的热解或干馏装置，人们总是试图建立一种特定种类的碳质材料与特定结构的热解或干馏装置之间相互对应的最佳关系，并为此做了很多尝试。

例如，为了评价煤炭的炼焦性质、选择炼焦用煤以及预测焦炭质量，生产企业通常需要建立试验焦炉来模拟生产焦炉炼焦，以掌握焦炉结构和焦炭及其衍生品或副产物的产量和/或质量之间的内在关系，从而指导具体生产。

CN200720014625.9公开了一种300kg电加热自动控制升温试验焦炉。该焦炉在炭化室两侧分别设有三个立火道，每个立火道垂直安放两组U型硅碳棒。焦炉炉体包括固定墙和活动墙两部分，活动墙砌筑在活动小车上，活动小车位于轨道上；固定墙砌筑在固定墙底座上。上述试验焦炉为半工业型试验焦炉，其适宜的装煤量为300kg，若将其直接用于小型试验，例如10kg以下装煤量，则利用硅碳棒从两侧对炭化室进行加热会使得焦炭的成焦过程因加热速度过快和/或炉内温差太小而发生改变，进行影响焦炭形貌和质量的真实性，无法反映真实的煤焦性质。再者，由于采取两侧火道电加热，炭化室中从下到上无法形成合理的温差，焦油收率会因热解煤气在上升过程中仍然承受高温导致发生二次裂解而大大降低，从而无法反映出真实的焦油产率。

CN201686656公开了一种单侧加热式试验焦炉，其主要由炉体、装煤箱组成，在装煤箱的底面或一个侧面设置有密布排列的硅碳棒，以保证炼焦煤加热面均匀受热，装煤箱中形成的热解气体从顶部排出。上述试验焦炉采用单侧加热，炼焦煤受热从加热面至中心逐步结焦。然而，上述试验焦炉仍未克服实际焦油收率低的问题，因为在上述试验焦炉结构中，没有足够的热解气体流动通道，热解气体只能从炉顶排出，这样很容易造成热解气体长期滞留在装煤箱中，因持续承受高温而使其中的气态焦油发生二次裂解，导致实际所得的焦油产率大大低于理论值，无法反映真实的焦油产率。

上述所有文献在此全文引入以作参考。

基于以上对现有技术的描述和分析，需要对现行的小型或试验用碳质材料、特别是煤中低温热解或干馏装置和系统进行改进，以克服现有技术中的不足，使得在炭化室或热解室中产生的含气态焦油的热解气体流动通畅，并在形成后迅速离开热解或干馏环境，从而避免其二次热裂解，这样所获得的焦油收率不会因各种不良原因而损失，从而使其尽量接近理论值。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服上述现有技术不足、并大幅度提高液态热解产物-焦油收率的新型热解或干馏装置和系统，特别是提供一种克服现有技术缺点的小型或试验用碳质材料中低温热解或干馏装置和系统。

根据本发明第一个方面，提供一种碳质材料热解装置，包括：炭化室，其包括至少一个热解气体出口；碳质材料容器，放置在所述炭化室中，其至少一个侧壁上具有至少一个热解气体透气口；程序化温控仪，用于控制炭化室的温度或温度分布；加热室，位于上述炭化室的底部或下方附近；密封盖，用于在将装有碳质材料的上述容器放入所述炭化室中后密封所述炭化室，和任选地，炭化室保温层和保温盖。

上述热解装置区别于现有技术的实质性特征在于：所述热解气体出口位于所述炭化室侧壁顶部附近；和所述碳质材料容器的侧壁和/或顶部的外表面与所述炭化室的侧壁和/或顶部的内表面之间形成夹层间隙，该夹层间隙被用作与所述热解气体透气口和热解气体出口相连通的热解气体流动通道，其中在所述碳质材料容器中形成的气态热解产物通过所述热解气体透气口、上述热解气体流动通道和所述热解气体出口被快速排出所述炭化室。

通常，含有气态焦油的所述气态热解产物在形成后在上述热解装置中停留时间优选不大于10秒，更优选不大于8秒，最优选不大于5秒，例如3秒或4秒。

在上述热解装置中，所述热解气体出口经导管可与单级或多级冷凝装置相连通，以便冷凝和分离所述气态热解产物中所含的气态焦油或油，优选地，上述冷凝装置为多级冷凝装置，特别是为四级或以上冷凝装置，例如四级冷凝管。位于炭化室底部或下方附近的加热室包括至少一个硅碳棒和/或硅钼棒，优选包括多个分布均匀的硅碳棒和/或硅钼棒，以便使碳质材料受热面均匀受热。

优选地，在上述热解装置中，炭化室的热解气体出口向下倾斜和向外延伸穿过炭化室的侧壁和保温层，与其下方的炭化室侧壁形成一锐角夹角，例如上述出口向下倾斜与水平面成5°的夹角，这样的结构可保证在该出口附近冷凝的液态热解产物不会重新回流到炭化室中而被二次裂解，从而提高了液态热解产物的实际产率。

同样优选地，所述碳质材料容器为网状或筛状、并由耐热材料、例如Cr/Ni耐高温合金或不锈钢制成，网孔或筛孔可用作所述热解气体透气口；更优选地，所述碳质材料容器进一步包括至少两个物料单元以及至少一个夹在所述至少两个物料单元中间的间隙单元，每一物料单元的侧壁上都具有至少一个与所述间隙单元相连通的热解气体透气口，上述间隙单元也被用作所述热解气体流动通道。

而最优选地，在上述热解装置中，所述炭化室侧壁或下部附近进一步包括至少一个用来吹扫热解气体的吹扫气体入口，所述吹扫气体入口与所述热解气体流动通道相连通，特别是，上述吹扫气体入口可是布置为一排的多个入口，所述吹扫气体优选是冷凝分离液态热解产物后的热解气体。

为节省搬运时间，上述热解装置可进一步包括用来将所述碳质材料容器移入和/或移出所述炭化室的机械手。为了提高所述热解装置的热效率，减少不必要的能量损失，同样优选地，在所述炭化室除所述热解气体出口处的外表面上覆盖一层或多层保温层和保温盖。

通常，上述热解装置可进一步包括至少一个热电偶，用于监测炭化室不同部位的温度和/或在不同位置处的热解气体的温度，以便使热解过程或热解程度可控。

根据本发明第二个方面，提供一种碳质材料热解系统，包括：

炭化室，包括至少一个热解气体出口；程序化温控仪，用于控制炭化室的温度或温度分布；热解气体导出管，与上述热解气体出口相连通，以便将在所述炭化室中形成的气态热解产物导出所述炭化室；碳质材料容器，放置在所述炭化室中，其至少一个侧壁上具有至少一个热解气体透气口；加热室，位于上述炭化室的底部或下方附近；密封盖，用于在将装有碳质材料的上述容器放入所述炭化室中后密封所述炭化室；任选地，炭化室保温层和保温盖；单级或多级冷凝装置，与上述热解气体导出管相连通，以便冷凝气态热解产物中所含的气态焦油和/或油；和熄焦容器，用于钝化在所述炭化室中形成的固态热解产物、或使其失活。

上述热解系统区别于现有技术的实质性特征在于：所述热解气体出口位于所述炭化室侧壁顶部附近；和所述碳质材料容器的侧壁和/或顶部外表面与所述炭化室的侧壁和/或顶部内表面之间形成夹层间隙，该夹层间隙被用作与所述热解气体透气口和热解气体出口相连通的热解气体流动通道，其中在所述碳质材料容器中形成的气态热解产物通过所述透气口、热解气体流动通道、和热解气体出口被快速排出所述炭化室，并经所述热解气体导出管进入上述冷凝装置中，上述气态热解产物中所含的气态焦油或油在所述冷凝装置中被冷凝为液态热解产物，并与所述热解气体相分离。

优选地，所述热解气体出口向下倾斜和向外延伸穿过所述炭化室的侧壁和保温层，与其下方的炭化室侧壁形成一锐角夹角，例如上述出口向下倾斜与水平面成5°的夹角，这样的结构可保证在该出口附近冷凝的液态热解产物不会重新回流到炭化室中而被二次裂解，从而提高了液态热解产物的实际收率。

同样优选地，在所述热解气体导出管外表面的至少一部分上布置至少一个换热冷却器，换热冷却器通常可为多管式或盘管式冷却器，冷却介质流经所述管的内部，所述冷却介质是冷凝后的热解气体、水、氮气、惰性气体、和/或它们的混合物。更优选地，若采用冷凝后的热解气体作为所述冷却介质，其经过所述冷却器后可作为吹扫热解气体的吹扫气体由泵和/或鼓风机引入所述炭化室中。

在本说明书中，碳质材料是一个宽泛的概念，其可包括：煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。

附图说明

图1为包括本发明热解装置的热解系统一个实施方式的示意图；

图2为图1所示系统中所用熄焦容器的一个实施方式的示意图；

图3为图1所示系统中所用碳质材料容器的一个实施方式的示意图；

图4为图1所示系统中所用碳质材料容器另一个实施方式的示意性透视图；和

图5为包括本发明热解装置的热解系统另一个实施方式的示意图。

具体实施方式

通过下面参考附图的描述进一步详细解释本发明，其中附图中所示的相对应或等同的部件或特征用相同的标记数表示，同时以下描述仅用于使本发明所属技术领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的原理和精髓，不意味着对本发明进行任何形式的限制。

如图1所示，本发明热解系统可优选包括以下单元：加热温控装置、热解炉、冷凝装置9、热解气体导出管10和物料处理装置。加热温控装置可包括程序化温控仪3和由程序化温控仪3控制的加热器7。热解炉可包括：加热室5、炭化室2、密封盖14和设在炭化室2侧壁顶部附近的热解气体出口13。冷凝装置9可包括至少一个冷凝管，用于冷凝从热解气体出口13排出的气态热解产物中的气态焦油，并使之与热解气体相分离。煤料处理装置可包括碳质材料容器(装料筐)4、熄焦容器(熄焦箱)18和物料运输机械手1，使用本发明热解系统热解碳质材料之前，装有碳质材料的上述容器4可预先通过上述机械手1被放入炭化室2中，并在热解后通过上述机械手1将固态热解产物-焦或半焦放入上述熄焦容器18中以使其钝化或失活，从而提高其化学稳定性以便于其运输和储存。

本发明热解装置可优选包括：上述加热温控装置、热解炉、碳质材料容器和任选的机械手。

本发明热解装置和系统可用于热解各种碳质材料，例如煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。

加热温控装置的加热器7、例如硅碳棒或硅钼棒被放在位于炭化室2底部或下方附近的加热室5中，加热器7可为多组、例如三组大功率的硅碳棒和/或硅钼棒，优选地，所述硅碳棒和/或硅钼棒被间隔和均匀地排列在炭化室2的底部或下方附近，以保证炭化室2中的待热解碳质材料加热面均匀受热。更优选地，在热解炉、尤其是炭化室的不同部位处放置至少一个热电偶以便监测不同测温点的温度，可通过在热解炉底部测温点6、热解气体出口13两端的热解气体测温点11，12、和热解炉顶部测温点15放置上述热电偶来测定热解炉不同部位的温度和不同位置处的热解气体的温度，并将温度信息反馈至加热温控装置的程序化温控仪3中，从而通过停止或继续加热来控制上述测温点的温度。热解炉底部测温点6可位于炭化室2和碳质材料容器(装料筐)4的底部中间位置，知道该位置的温度有助于了解和控制炭化干馏升温过程。含有气态焦油的热解气体在其出口附近的温度是反映焦油质量的关键指标，所以有必要对热解气体在其出口处的温度做更为详尽的记录。优选地，一个热解气体测温点11设在热解气体出口13外端靠近任选的保温层8外表面附近，另一个热解气体测温点12设在热解气体出口13内端附近，两根热电偶的位置可优选相距约15厘米，这样所测出的温差能够大体反映热解气体在其导出管10中的温度变化。热解炉顶部测温点15位于碳质材料容器(装料筐)4的中心，该位置的温度可以反映整个热解或干馏过程的进行程度。

炭化室2位于加热室5的上方，可由不锈钢板或其它耐热性和导热性良好的材料焊接而成。热解炉的炉盖可包括里层密封盖14和外层翻板式保温盖17。碳质材料容器(装料筐)4优选为网状或筛状，并由耐热材料制成，更优选地，如图2所示，其可由钢丝网焊接而成，这样的结构在保证热量均匀传递的同时，也使热解产生的气态热解产物可快速和通畅地通过所述网孔或筛孔而逸出所述碳质材料容器4。装有碳质材料的容器(装料筐)4放入炭化室2中后，可用经沙封16密封处理的里层密封盖14封闭炭化室2，以便保证热解气体完全从位于炭化室2侧壁顶部附近的热解气体出口13处排出，并随后经热解气体导出管10进入冷凝装置9中进行冷凝。任选地，可在里层密封盖14的上面再加设翻板式外层保温盖17，外层保温盖17与设在热解炉外表面上的任选保温层8一起将炭化室2以及布置有加热器7的加热室5包裹在内，以保证炭化室2内的热解温度，并减少不必要的热损失。由于加热器7安装于热解炉底部，底部碳质材料受热均匀，炭化室2内形成底部高温上部低温的合理温度场或温度差，这样就能够保证热量单方向向上传递，从而达到对热解所需温度的准确控制。

在本发明热解系统的一个实施方式中，碳质材料容器(装料筐)4由顶部放入炭化室2中，使其底壁置于加热室5之上。所述碳质材料容器(装料筐)4的网孔或筛孔可作为供气态热解产物逸出的透气口，然而，所述碳质材料容器(装料筐)4并非仅为网状或筛状，也可在碳质材料容器(装料筐)4的侧壁上设置至少一个供气态热解产物逸出的透气口。优选地，碳质材料容器(装料筐)4是如图2所示的敞口方形筐/箱，可在所述筐/箱的每个侧面上都设置至少一个透气口；若碳质材料容器(装料筐)4是桶状筐/箱，也可在所述桶状筐/箱的侧壁上设置至少一个供气态热解产物逸出的的透气口。一般来说，碳质材料容器(装料筐)4的透气口尺寸、筛孔和/或网孔的直径应不大于待热解的碳质材料颗粒的平均直径，以保证绝大多数碳质材料颗粒在运输和热解过程中不会离开所述碳质材料容器(装料筐)4。特别是，所述碳质材料容器(装料筐)4的尺寸应小于炭化室2的尺寸，以使得碳质材料容器(装料筐)4在放入炭化室2中后，所述碳质材料容器(装料筐)4的侧壁和/或顶部外表面与所述炭化室2的侧壁和/或顶部内表面之间形成与所述热解气体透气口和热解气体出口13相连通的夹层间隙，该夹层间隙可作为热解气体或气态热解产物的流动通道23，在所述碳质材料容器(装料筐)4中形成的气态热解产物可经所述透气口、上述气体流动通道23，和所述热解气体出口13快速离开炭化室2，从而避免气态热解产物中所含的气态焦油因长时间滞留在高温热解环境中而被二次热裂解。根据图1所示，含有碳质材料容器(装料筐)4的炭化室2被里层密封盖14密封，所以在碳质材料容器(装料筐)4中形成的气态热解产物无法从顶部逸出。本发明所属技术领域的普通技术人员应当明白：碳质材料容器(装料筐)4侧壁上的透气口/孔的数量、尺寸和位置取决于碳质材料容器(装料筐)4的装载量、碳质材料的性质和颗粒大小、以及碳质材料颗粒在容器(装料筐)4内的堆积密度等因素。在实际使用中，若碳质材料容器(装料筐)4不采用网状或筛状，则技术人员可根据实验调整透气口和/或孔的数量、尺寸和位置，直至焦油产或收率达到最大为止。

特别是，上述热解气体的透气口、流动通道设计有利于碳质材料容器(装料筐)4中形成的气态热解产物及时和顺畅地从碳质材料容器(装料筐)4中逸出或排出，这样就减少了热解形成的气态产物中所含的气态焦油在高温热解环境中停留的时间，从而降低了其发生二次热裂解的可能，最后经冷凝得到的液态热解产物-焦油的实际收率会明显提高。相反，若碳质材料容器(装料筐)4的侧壁和/或顶部外表面与炭化室2的侧壁和/或顶部内表面之间没有上述夹层间隙，即没有所述热解气体流动通道23，二者而是紧密地贴在一起，则热解产生的气态产物只能从底部向上经碳质材料颗粒之间的细微孔隙缓慢到达热解气体出口13，这样就使得热解气体在高温热解环境中的停留时间大大增加，而无法及时和顺畅地被排出炭化室2，结果是滞留在碳质材料容器(装料筐)4中的气态热解产物或被其中的碳质材料颗粒所吸附或其中的气态焦油因持续承受高温而发生二次热裂解，从而大大地降低焦油的实际收率。

更优选地，如图3所示，为进一步提高热解气体的逸出速度，可对碳质材料容器(装料筐)4的结构做进一步的改进或优化，例如其可包括至少两个物料单元40以及至少一个设在上述两个物料单元40之间的间隙单元41。所述物料单元40用来装待热解的碳质材料，而所述间隙单元41则被用作热解过程中从相邻的物料单元40的侧壁透气口和/或孔中逸出的热解气体的流动通道。间隙单元41与前述热解气体流动通道23相连通，因而热解气体可如此更加顺畅和快速地经热解气体出口13被排出炭化室2，并随后进入热解气体导出管10中。

如图1所示，热解气体导出管10的一端与位于炭化室2侧壁顶部附近的热解气体出口13进行气密性连通，另一端与冷凝装置9进行气密性连通。本发明人经过大量试验发现：由于热解气体导出管10的一部分可位于保温层8内，该部分的温度在干馏过程恒温后大致为350℃，而热解气体导出管10内的温度相对于炭化室2内的温度较低。这样将导致热解气体或气态热解产物流经热解气体出口13而进入热解气体导出管10时，温度将会明显地降低，致使其中所含的气态焦油的一部分在该热解气体出口10附近因冷却而出现冷凝，如果冷凝后的液态焦油被重新回流到炭化室2中，其会因为重新进入高温热解环境中而发生二次热裂解，从而导致液态热解产物-焦油的实际收率降低，为了避免这种情况发生，优选地，所述热解气体出口13和/或与其相连通的导出管10的一端向下倾斜和向外延伸穿过所述炭化室的侧壁和保温层，与其下方的炭化室侧壁形成一锐角夹角，例如上述热解气体出口13和/或与其相连通的导出管10的一端向下倾斜与水平面成5°的夹角，这样的结构可保证在该出口13附近冷凝的液态热解产物不会重新回流到炭化室中而被二次裂解，从而提高了液态热解产物-焦油的实际收率。

冷凝装置9可为单级或多级冷凝装置，优选地，如图1所示，其可包括四个冷凝管，以便完全冷凝热解气体中所含的气态焦油。用红外测温仪对上述冷凝管管壁进行测量，发现从第一根冷凝管的进口处到其下方约40厘米的区域内温度变化较快，其底端就接近室温了。冷凝装置9的后三根冷凝管管壁均接近室温。冷凝后的热解气体可经火炬点燃或如图4所示通过热交换作为吹扫气体返回热解炉的炭化室2中。

热解完成后，在600℃～300℃的温度区间内，碳质材料容器(装料筐)4中的固态热解产物-焦或半焦的降温速率较大，但到300℃以下降温速率就变得较小。为了及时降温，节省时间，本热解系统可任选地提供机械手1。当温度降至300℃后，用机械手1从炭化室2中取出碳质材料容器(装料筐)4，并立即将其放入如图2所示的熄焦容器(熄焦箱)18中进行冷却，以便钝化在所述炭化室2中形成的固态热解产物-焦或半焦、或使其失活。熄焦容器(息焦箱)18可带有沙封盖。机械手1可以左右转动，上下移动，以便将装有碳质材料的容器(装料筐)4放入炭化室2中，或将之从炭化室2中取出。

图4为本发明热解系统另一个实施方式的示意图。与图1所示的热解系统相比，图4所示的热解系统增加了热解气体循环功能。具体地说，在热解气体导出管10外表面的至少一部分上设置至少一个换热冷却器19，而在炭化室2侧壁底部或下部设置至少一个吹扫热解气体的吹扫气体入口22，优选地，多个上述吹扫气体入口22被均匀地布置成一排。冷却器19可是多管式或盘管式冷却器，冷却介质流经所述管的内部。所述冷却介质优选为冷凝分离液态焦油后的热解气体、水、氮气、惰性气体、和/或它们的混合物，例如液氮。在本发明的一个具体实施方式中，如果冷却介质是冷凝后的热解气体，冷凝装置9排出的尾气(冷凝分离液态焦油后的热解气体)通过导管20作为冷却介质被引入到冷却器19中，换热后的上述尾气随后优选地作为吹扫炭化室2中的热解气体或气态热解产物的吹扫气体而被引入到炭化室2中，即冷凝和换热后的热解气体借助导管21经吹扫气体入口22进入炭化室2中的热解气体流动通道23中。如前所述，热解气体流动通道23供在炭化室2中形成的气态热解产物或热解气体快速流动，并经热解气体出口13迅速离开炭化室2，如果上述吹扫气体被引入到热解气体流动通道23中，在所述吹扫气体吹扫力的作用下，气态热解产物或热解气体离开炭化室2的过程会更快，热解气体在炭化室2中的停留时间会更短，例如小于5秒，甚至3秒，这样气态焦油发生二次热裂解的机率就被进一步降低，实际焦油收率会得到进一步的提高。当然，为进一步提高吹扫力或吹扫效果，上述尾气可在进入炭化室2之前被加压处理，例如，炭化室2可为常压，而吹扫气体可加压至1个大气压以上、例如1.5或2个大气压。通常上述吹扫气体由泵和/或鼓风机(未示出)送入炭化室2中。

为了不影响炭化室2中所进行的热解或干馏过程，进入炭化室2中的上述吹扫气体的温度不应过低，一般来说，其温度以300℃以上、例如350℃-450℃为宜，如果上述冷凝尾气经冷却器或换热器19加热后仍然达不到上述温度要求，就需要一个附加的加热器或换热器将其加热到上述温度范围内。

当然，如果来自于冷凝装置9的冷凝尾气作为吹扫气体数量不足，也可使用一部分外源热解气体作为补充，并将冷凝尾气与外源热解气体的混合物作为吹扫气体引入到炭化室2中。

使用如图4所示的本发明热解系统时，首先将装满碳质材料的容器(装料筐)4放入热解炉的炭化室2中，盖上里层密封盖14，对里层密封盖14做沙封处理，再盖上外层翻板式保温盖17，通过程序化温控仪3控制加热器7、例如硅碳棒使炭化室升温至500-700℃，保持恒温一段时间，例如0.5-2小时。容器(装料筐)4中的碳质材料随着温度的上升而发生热解，气态热解产物从碳质材料容器(装料筐)4侧壁上的透气口或其顶部逸出并进入热解气体流动通道23中，由吹扫气体入口22引入的吹扫气体对热解气体流动通道23中的热解气体进行吹扫，迫使在炭化室2中形成的热解气体或气态热解产物经热解气体出口13快速离开炭化室2，并进入热解气体导出管10中。气态热解产物在进入热解气体导出管10后通过其外表面上设置的冷却器19与来自冷凝装置9的尾气进行换热，温度被初步降低的气态热解产物接着沿优选向下倾斜的热解气体导出管10进入冷凝装置9中进行一级或多级冷凝，以便从中分离和回收液态热解产物-焦油。从冷凝装置9中排出的尾气通过冷却器19进行换热，并在任选地加压后作为前述吹扫气体由吹扫气体入口22进入炭化室2中。碳质材料热解完成后，通过机械手1或其它提取装置将装有固态热解产物-焦或半焦的容器(装料筐)4从炭化室2中取出，并将其立即放入熄焦容器(熄焦箱)18中进行冷却，，以便钝化在所述炭化室2中形成的固态热解产物-焦或半焦、或使其失活。前述碳质材料热解装置或系统可采用间歇法进行生产，为提高效率，可以准备两个容器(装料筐)4，以便轮换着放入炭化室2中进行碳质材料热解。

需要说明的是：图1和图4所示的碳质材料热解装置和系统仅为本发明的两个具体或特定的实施方式，在实际应用中，本发明所属技术领域的普通技术人员可根据试验需求或结果对之进行任何修改或变通，例如，在热解炉炭化室2侧壁底部或下部设置多排吹扫气体入口22，每排由多个吹扫气体入口22组成；或使热解气体导出管10自热解气体出口13的外端向外水平延伸，并向下弯折以与作为冷凝装置9的冷凝管相连通。

实施例

实施例1

用图1所示的本发明热解系统对其工业分析和元素分析表示在下面表1和表2中的呼伦贝尔褐煤(I)进行低温热解。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。

表1

表2

将5.57公斤空气干燥并被粉碎到2mm的褐煤(I)装入由钢丝网制成的装料筐4中，再将其放入炭化室2中，盖上里层密封盖14，并对里层密封盖14做沙封处理，随后盖上外层翻板式保温盖17，并使热解气体导出管10的两端分别与热解气体出口13和冷凝装置9进行气密性连通。

上述热解的工艺参数和操作条件如下：从室温开始加热，以5℃/min的升温速率加热到500℃，恒温2小时，之后停止加热。热解所得的实际焦油收率、水产率和半焦产率分别表示在下面的表3中。

对比实施例1

将5.86公斤空气干燥并被粉碎到2mm的褐煤(I)装入装料筐4中，除了使装料筐4的侧壁和顶部外表面紧贴炭化室2的侧壁和顶部内表面外，重复实施例1的实验过程。

上述热解的工艺参数和操作条件与实施例1中完全相同。热解所得的实际焦油收率、水产率和半焦产率也分别表示在下面的表3中。

表3

实施例2

用图4所示的本发明热解系统对其工业分析和元素分析表示在下面表4和表5中的呼伦贝尔褐煤(II)进行低温热解。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。

表4

表5

将5.68公斤空气干燥并被粉碎到2mm的褐煤(II)装入由钢丝网制成的装料筐4中，再将其放入炭化室2中，盖上里层密封盖14，并对里层密封盖14做沙封处理，随后盖上外层翻板式保温盖17，并使热解气体导出管10的两端分别与热解气体出口13和冷凝装置9进行气密性连通。

在本实施例中，在炭化室2与热解气体出口13相对的侧壁底部设置3个吹扫热解气体的吹扫气体入口22，3个入口22排列成一排，流经冷却器或换热器19的冷凝尾气-即冷凝分离液态焦油后的热解气体被加热至300℃以上，之后经上述3个入口22被均匀地重新引入到炭化室2中。

上述热解的工艺参数和操作条件如下：从室温开始加热，以5℃/min的升温速率加热到600℃，恒温2小时，之后停止加热。热解所得的实际焦油收率、水产率和半焦产率分别表示在下面的表6中。

对比实施例2

将5.66公斤空气干燥并被粉碎到2mm的褐煤(II)装入装料筐4中，除了使装料筐4的侧壁和顶部外表面紧贴炭化室2的侧壁和顶部内表面、并取消吹扫气体入口22外，重复实施例2的实验过程。

上述热解的工艺参数和操作条件与实施例2中完全相同。热解所得的实际焦油收率、水产率和半焦产率分别表示在下面的表6中。

表6

上述实施例和对比实施例结果表明：在碳质材料容器(装料筐)4的侧壁和顶部外表面与炭化室2的侧壁和顶部内表面之间设置热解气体流动通道23和在炭化室2侧壁底部设置吹扫气体入口22使得焦油实际收率得到了显著提高。

本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。

尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本发明所属技术领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims (20)

1.一种碳质材料热解装置，包括：

炭化室，包括至少一个热解气体出口；

碳质材料容器，放置在上述炭化室中，其至少一个侧壁上具有至少一个热解气体透气口；

程序化温控仪，用于控制炭化室的温度或温度分布；

加热室，位于上述炭化室的底部或下方附近；

密封盖，用于在将装有碳质材料的上述容器放入所述炭化室中后密封所述炭化室，和任选地

炭化室保温层和保温盖，

其特征在于：

所述热解气体出口位于所述炭化室侧壁顶部附近；和

所述碳质材料容器侧壁和/或顶部外表面与所述炭化室侧壁和/或顶部内表面之间形成夹层间隙，该夹层间隙被用作与所述透气口和热解气体出口相连通的热解气体流动通道，

其中在所述碳质材料容器中形成的气态热解产物通过所述透气口、热解气体流动通道和热解气体出口被快速排出所述炭化室。

2.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，其中所述气态热解产物在形成后在上述热解装置中停留时间不大于10秒。

3.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，其中所述热解气体出口经导管与单级或多级冷凝装置相连通，以便冷凝和分离所述气态热解产物中所含的气态焦油或油。

4.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，其中所述加热室包括至少一个硅碳棒和/或硅钼棒。

5.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，所述热解气体出口向下倾斜和向外延伸穿过炭化室的侧壁和保温层，与其下方的炭化室侧壁形成一锐角夹角。

6.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，其中所述碳质材料容器为网状或筛状。

7.如权利要求1-6任何之一所述的碳质材料热解装置，其中所述碳质材料容器进一步包括至少两个物料单元和至少一个夹在所述两个物料单元中间的间隙单元，所述每一物料单元的侧壁上具有至少一个与所述间隙单元相连通的热解气体透气口，上述间隙单元也被用作所述热解气体流动通道。

8.如权利要求1-6任何之一所述的碳质材料热解装置，其中所述炭化室侧壁下部和/或底部附近进一步包括至少一个用来吹扫热解气体的吹扫气体入口，所述吹扫气体入口与所述热解气体流动通道相连通。

9.如权利要求8所述的碳质材料热解装置，其中所述吹扫气体是冷凝分离液态热解产物后的热解气体。

10.如权利要求1-6任何之一所述的碳质材料热解装置，进一步包括用来将所述碳质材料容器移入和/或移出所述炭化室的机械手。

11.如权利要求1-6任何之一所述的碳质材料热解装置，进一步包括覆盖所述炭化室除所述热解气体出口处的外表面的保温层和保温盖。

12.如权利要求1所述的碳质材料热解装置，进一步包括至少一个热电偶，用于监测炭化室不同部位的温度和/或在不同位置处的热解气体的温度。

13.一种碳质材料热解系统，包括：

炭化室，包括至少一个热解气体出口；

程序化温控仪，用于控制炭化室的温度或温度分布；

热解气体导出管，与上述热解气体出口向连通，以便将在所述炭化室中形成的气态热解产物导出所述炭化室；

碳质材料容器，放置在所述炭化室中，其至少一个侧壁上具有至少一个热解气体透气口；

加热室，位于上述炭化室的底部或下方附近；

密封盖，用于在将装有碳质材料的上述容器放入所述炭化室中后密封所述炭化室；

任选地，炭化室保温层和保温盖；

单级或多级冷凝装置，与上述热解气体导出管相连通，以便冷凝气态热解产物中所含的气态焦油和/或油；和

熄焦容器，用于钝化在所述炭化室中形成的固态热解产物、或使其失活，

其特征在于：

所述热解气体出口位于所述炭化室侧壁顶部附近；和

所述碳质材料容器的侧壁和/或顶部外表面与所述炭化室的侧壁和/或顶部内表面之间形成夹层间隙，该夹层间隙被用作与所述热解气体透气口和热解气体出口相连通的热解气体流动通道，

其中在所述碳质材料容器中形成的气态热解产物通过所述透气口、热解气体流动通道和热解气体出口被快速排出所述炭化室，并经所述热解气体导出管进入上述冷凝装置中，上述气态热解产物中所含的气态焦油或油在所述冷凝装置中被冷凝为液态热解产物，并与所述热解气体相分离。

14.如权利要求13所述的碳质材料热解系统，其中所述热解气体出口向下倾斜和向外延伸穿过所述炭化室的侧壁和保温层，与其下方的炭化室侧壁形成一锐角夹角。

15.如权利要求13或14所述的碳质材料热解系统，进一步包括至少一个设置在所述热解气体导出管外表面的至少一部分上的冷却器。

16.如权利要求15所述的碳质材料热解系统，其中所述冷却器是多管式或盘管式冷却器，冷却介质流经所述管的内部。

17.如权利要求16所述的碳质材料热解系统，其中所述冷却介质是冷凝后的热解气体、水、氮气、惰性气体、和/或它们的混合物。

18.如权利要求17所述的碳质材料热解系统，其中所述冷凝后的热解气体经过所述冷却器后作为吹扫热解气体的吹扫气体被引入所述炭化室中。

19.如权利要求13、14、16-18任何之一所述的碳质材料热解系统，其中所述碳质材料选自于煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。

20.如权利要求18所述的碳质材料热解系统，其中由泵和/或鼓风机将所述吹扫气体送入所述炭化室中。

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