CN107083249A - 一种粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉，其包括炉膛(3)和设于所述炉膛(3)上面的入口腔(1)，所述炉膛(3)顶部和所述入口腔(1)之间通过隔板(2)隔开，所述隔板(2)上均匀分布有分散孔，所述入口腔(1)旁侧设有气体热载体进口(7)，所述入口腔(1)内部设有筒状的工艺烧嘴(4)。本发明还公开了粉煤制备富含甲烷热解气的系统和方法，该系统包括所述气流床热解炉，以及气化炉或氧化炉。工作时，气体热载体与粉煤可在所述炉膛中并流向下流动，直接接触换热，能够有效提高粉煤颗粒与热源之间的传热效率，使粉煤发生快速热解反应和二次裂化，可有效增加热解产物中小分子烃类的产率。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备富含甲烷热解气的装置，具体涉及一种粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉、系统及方法。
背景技术
天然气是工业过程和民用过程的重要原料，以煤为原料制备天然气有利于缓解我国目前面临的天然气供需紧张。在传统的气化工艺中，煤首先被水蒸气-氧气气化为合成气，然后经净化、变换、甲烷化和分质提质，才能得到天然气。此工艺最重要和最基本的单元是气化炉的选择。
常见的煤制天然气工厂一般采用Lurgi移动床块煤加压气化技术生产高甲烷含量的合成气作为制备合成天然气的原料。以Lurgi气化炉为代表的移动床碎煤加压气化的粗煤气中甲烷含量高，这部分甲烷约占最终产品合成天然气中甲烷的一半，对于煤制天然气而言具有很大的优势。然而该技术具有以下缺点：单炉气化规模小；直径<5mm的煤不能进入气化炉；鲁奇炉蒸汽分解率低；气化废水量大，成分复杂，含有焦油、萘和酚等污染物，废水处理困难。
气流床气化无论干粉气化还是水煤浆气化，都有很好的工业应用，投煤量大，技术成熟稳定，有长期稳定运行的经验。但是气化炉出口合成气温度很高，其中几乎不含有甲烷，并且H2/CO比低，对于后续的合成气冷却以及甲烷化装置投资巨大。
煤热解是一个非常复杂的过程，以化学反应类型，可将其分为裂解和缩聚两大类反应。煤热解是煤加工转化，如燃烧、气化、液化等工艺极为重要的中间过程。在煤的热解过程中，温度和升温速率对煤热解产物的组成影响很大，当加热的终温较低(约500～600℃)时，增加升温速率，可以提高挥发分产率并增加其中液体产物与气体产物的比例；当加热的终温较高(约800～1100℃)时，增加升温速率，挥发分的产率会进一步提高，然而其中液体产物与气体产物的比例反而会降低。煤的热解过程会产生CH4，在500～700℃热解温度范围内，惰性气氛条件下，CH4的形成主要来源于煤热解过程中产生的五种前驱体：煤中甲氧基的断裂、烷基侧链的断裂、芳香环上甲基的断裂、挥发分的二次热解、芳烃杂环的还原反应。上述五种前驱体主要在500～700℃内产生。当用一些还原性气体，例如H2、CO等气体，来代替惰性气氛后，会促进煤热解自由基的裂解过程，影响煤结构中甲基和亚甲基链的断裂，从而促进CH4的形成。气体停留时间的增长，有利于焦油分子的二次裂化，生成CH4、C2H4等烃类组分。现有的煤炭粉热解炉中，热解温度一般在470～900℃，为提高热解速率多采用流化床的形式，为提高热效率多采用内热式的方法的高温条件需要消耗大量的热量来维持，由于热载体(烟气、半焦、循环灰、空气等)本身的限制，热解产物与热载体分离困难，往往导致热解产物纯度不够。当采用惰性气氛作为热载体时，由于不能提供足量的氢自由基来稳定煤热解产生的碎片基团，从而会降低热解产物中烃类气体和轻质焦油的产率。另外，当采用氢气作为热载体时，虽然会提高热解产物中烃类气体和轻质焦油的产率但也会大大增加工艺成本。本领域技术人员一直致力于开发一种用于煤粉热解装置，以制备富含甲烷的热解气提高其中甲烷的产量，满足后续的甲烷转化过程。
发明内容
因此，针对现有技术中煤粉热解炉制备的热解气中CH4、C2H4等烃类含量较低的技术问题，本发明的目的在于提供一种粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉，用于使粉煤快速热解，制备富含甲烷的热解气。
本发明的气流床热解炉包括竖立的炉膛(3)和设于所述炉膛(3)上面的入口腔(1)，所述炉膛(3)中间段为直筒型，所述炉膛(3)底部设有出口(5)，所述炉膛(3)顶部和所述入口腔(1)之间通过隔板(2)隔开，所述隔板(2)上均匀分布有分散孔，所述入口腔(1)顶部设有烧嘴法兰(6)，所述入口腔(1)旁侧设有气体热载体进口(7)，所述入口腔(1)内部设有筒状的工艺烧嘴(4)，所述工艺烧嘴(4)上端穿过所述烧嘴法兰(6)，下端穿过所述隔板(2)。
所述气流床热解炉工作时，以主要成分为还原性气体(H2、CO等)的高温混合气体为气体热载体(气体热源)，将气体热载体依次通过所述气体热载体进口(7)、入口腔(1)、隔板(2)的分散孔引入炉膛(3)；同时，将待热解的粉煤通过工艺喷嘴(4)引入炉膛(3)。气体热载体与粉煤在炉膛(3)中并流向下流动，在流动过程中，气体热载体与粉煤直接接触换热，能够有效提高粉煤颗粒与热源之间的传热效率，增加粉煤的升温速率，该过程的升温速率大于100K/s，在快速热解和闪速热解范围内，可使粉煤发生快速热解反应。由于气体热源以还原性气体为主，粉煤快速热解的产物将在高温还原性环境下，进一步发生热裂解反应，热解产物(焦油等大分子烃类)的二次转化，可有效增加热解产物中小分子烃类(CH4、C2H4等)的产率。另外通过调节气体热载体的体积流量，可以控制粉煤在炉内的停留时间，以促进煤热解过程中CH4的生成，提高煤热解中CH4的产率，从而制备富甲烷含量的热解气。粉煤热解后可得到气固相产物，气固相产物从所述出口(5)排出，其中气体为富含甲烷的热解气，固体为半焦，半焦粒度在100μm以下，气化活性好。因此，所述气流床热解炉可以和现有的气流床气化炉或者氧化炉配合使用，连接形成循环系统。气固相产物中的气体可经氧化炉部分氧化，得到的高温气体作为气体热载体送回所述气流床热解炉。气固相产物中的半焦可经气化炉气化，得到的高温合成气也可作为气体热载体送回所述气流床热解炉。
较佳的，所述炉膛(3)、所述工艺烧嘴(4)和所述入口腔(1)共轴线。
较佳的，所述炉膛(3)和所述入口腔(1)的侧壁设有耐火衬里，所述耐火衬里为耐火砖衬里或水冷壁。
较佳的，所述工艺烧嘴(4)外附有用于通烧嘴冷却水的冷却层，所述冷却层外部附有硅铝酸保温棉。所述冷却层和所述硅铝酸保温棉可起到隔热的效果，避免气体热载体和粉煤混合前进行热交换。
较佳的，所述炉膛(3)直筒段内径(D1)与所述炉膛(3)直筒段长度(H1)的比值为D1:H1＝0.05～0.2。将所述炉膛(3)直筒段的长径比设置为上述范围，有利于延长粉煤和气体热载体在所述炉膛(3)中的停留时间，有利于焦油分子的二次裂化，进而提高CH4、C2H4等烃类组分的产率。
较佳的，所述炉膛(3)下部呈锥形，锥形侧壁的倾角(α)为30～60°；所述出口(5)的内径(D2)与所述炉膛(3)直筒段内径(D1)的比值为D2:D1＝0.1～0.5。所述炉膛(3)下部设置呈锥形便于沉积的固体流出；控制所述出口(5)的内径(D2)，可以控制气固产物的流量，同时也可以控制粉煤和气体热载体在所述炉膛(3)中的停留时间。
本发明的另一目的在于提供一种粉煤制备富含甲烷热解气的系统，其包括所述的气流床热解炉，其还包括气体热载体供给装置，所述气体热载体供给装置为：
气化炉，所述气化炉设有热解固体入口和气化出口，所述炉膛(3)底部的出口(5)排出的气固相产物中的热解固体可通过所述热解固体入口加入所述气化炉，所述气化出口通过管道与所述气体热载体进口(7)接通；所述气化炉可选用现有的用于粉末、焦炭等气化用的气流床气化炉；
或者氧化炉，所述氧化炉设有热解气入口和燃烧气出口，所述炉膛(3)底部的出口(5)排出的气固相产物中的热解气通过所述热解固体入口加入所述氧化炉，所述燃烧气出口通过管道与所述气体热载体进口(7)接通。所述氧化炉用于将热解气部分氧化(不完全燃烧)；所述氧化炉可选用现有的燃烧炉。
本发明的再一目的在于提供一种粉煤制备富含甲烷热解气的方法，所述方法使用了所述的气流床热解炉，具体为：
将主要成分为还原性气体的气体热载体依次通过气体热载体进口(7)、入口腔(1)、隔板(2)的分散孔引入炉膛(3)；同时，将粉煤通过工艺喷嘴(4)引入炉膛(3)；气体热载体与粉煤在炉膛(3)中直接换热接触，粉煤发生快速热解反应，由于气体热载体以还原性气体为主，粉煤快速热解的产物在高温还原性环境下，进一步发生热裂解反应，从而生成更小分子的烃类物质；最终热解得到的气固相产物从出口(5)排出。
优选的，所述粉煤为粒径小于100μm的干粉态的粉煤，引入时用载气输送通过工艺喷嘴(4)进入，所述载气可以是氮气、CO2、热解气、合成气等。
所述气体热载体为含碳化合物的气化或氧化后的高温气体。温度优选1000～130℃。含碳化合物优选煤、石油焦、生物质、垃圾以及其他含碳固体废弃物。
优选的，所述气体热载体为出口(5)排出的气固相产物中的固体(半焦)经气化炉气化产生的高温合成气。
或者优选的，所述的气体热载体为出口(5)排出的气固相产物中的部分热解气经氧化炉不完全燃烧产生的高温气体。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的粉煤制备富甲烷热解气的气流床热解炉包括直筒型的炉膛和入口腔，工作时，还原性的气体热载体可经所述气体热载体入口(7)进入所述入口腔(1)，所述入口腔(1)可起到气体缓冲的作用，然后气体热载体通过所述隔板(2)的分散孔进入所述炉膛(3)中，同时待热解的粉煤通过所述工艺烧嘴(4)引入，气体热载体与粉煤在所述炉膛(3)中并流向下流动。一方面，在流动过程中，气体热载体与粉煤直接接触换热，能够有效提高粉煤颗粒与热源之间的传热效率，增加粉煤的升温速率，可使粉煤发生快速热解反应和二次裂化，有效增加热解产物中小分子烃类(CH4、C2H4等)的产率。另一方面，以气体热载体作为热源热，可使炉膛温度分布均匀，有利于热解产物发生二次热解反应形成小分子烃类化合物。另外通过调节气体热载体的体积流量，可以控制粉煤在炉内的停留时间，以促进煤热解过程中CH4的生成，提高煤热解中CH4的产率，从而制备富甲烷含量的热解气。
2、粉煤热解后可得到气固相产物中的气体为富含甲烷的热解气，可经氧化炉部分氧化，得到的高温气体作为气体热载体送回所述气流床热解炉。气固相产物中的半焦粒度在100μm以下，气化活性好，可经气化炉气化，得到的高温合成气也可作为气体热载体送回所述气流床热解炉。因此，所述气流床热解炉可以和现有的氧化炉或气化炉组成循环系统，可有效解决气体热载体的供给问题，不需要另外的原料来制备高温的还原性气体，大大节约能源和设备成本。
附图说明
图1为本发明的制备富含甲烷热解气的气流床热解炉的示意图。
附图标记
1-入口腔；2-隔板；3-炉膛；4-工艺烧嘴；5-出口；6-烧嘴法兰；7-气体热载体进口；
S1-气体热载体；S2-粉煤；S3-烧嘴冷却水；S4-气固相产物。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉
图1所示为本发明一较佳实施例的可用于粉煤快速热解制备富含甲烷热解气的气流床热解炉，其包括炉膛3和入口腔1，入口腔1设于炉膛3上面，炉膛3和入口腔1的侧壁内衬有耐火材料(耐火砖)，炉膛3为直筒型且下部设有出口5，炉膛3和入口腔1之间通过隔板2隔开，隔板2上均匀分布有分散孔，入口腔1顶部设有烧嘴法兰6，入口腔1旁侧设有气体热载体进口7，入口腔1内部设有筒状的工艺烧嘴4，工艺烧嘴4上端穿过烧嘴法兰6，下端穿过隔板2。其中炉膛3、工艺烧嘴4与入口腔1共轴线。工艺烧嘴4外附有冷却层，冷却层外部附有硅铝酸保温棉。
较佳的，炉膛3直筒段内径D1与炉膛3直筒段长度H1的比值为D1:H1＝0.05～0.2。
较佳的，炉膛3下部呈锥形，锥形侧壁的倾角α为30～60°；出口5的内径D2与炉膛3直筒段内径D1的比值为D2:D1＝0.1～0.5。
实际工作时，将气体热载体S1自气体热载体7依次通过入口腔1、隔板2的分散孔引入炉膛3；同时，将粉煤S2通过工艺喷嘴4引入炉膛3；工艺烧嘴4外附的冷却层中通烧嘴冷却水S3，避免粉煤S2与气体热载体S1提前热接触。气体热载体S1与粉煤S2在炉膛(3)中并流向下流动，在流动过程中，气体热载体S1与粉煤S2直接接触换热，能够有效提高粉煤颗粒与气体热载体S1之间的传热效率，增加粉煤S2的升温速率，该过程的升温速率大于100K/s，在快速热解和闪速热解范围内，可使粉煤发生快速热解反应。由于气体热载体S1以还原性气体为主，粉煤S2快速热解的产物将在高温还原性环境下，进一步发生热裂解反应，热解产物(焦油等大分子烃类)的二次转化，可有效增加热解产物中小分子烃类(CH4、C2H4等)的产率。粉煤S2热解后最终的气固相产物S4从炉膛3下部的出口5排出，进入后续工段中进行处理。气固相产物S4中的固体为半焦，半焦粒度在100μm以下，气化活性好，可加入气化炉中气化后得到高温合成气，作为气体热载体进口7反送入气流床热解炉中使用(见实施例2)。气固相产物S4中的气体为富含甲烷的热解气，可通过氧化炉部分氧化得到高温气体，同样可作为气体热载体通过气体热载体进口7反送入气流床热解炉中，实现循环(见实施例3)。
实施例2神木烟煤的热解(热源为半焦气化产物)
粉煤原料：神木烟煤，工业分析和元素分析如表1所示。
表1神木烟煤的工业分析和元素分析
热解系统：实施例1的气流床热解炉(日处理2200吨煤干基)、现有的气流床气化炉。
气流床热解炉相关的参数：粉煤通过载气(氮气)输送，粉煤进料量为90926kg/h，温度80℃，压力4.3MPa；载气(氮气)进气量9864.4kg/h，温度80℃，压力4.3MPa；热解炉出口温度700℃，热解炉内压力4.3MPa；气体热载体(热源)：粉煤经热解后自出口5排出的气固相产物中S4中的半焦经气化炉气化的高温合成气。
气化炉相关的参数：水蒸气进气量20080kg/h，温度350℃，压力5.0MPa；氧气的进料量60170kg/h，温度25℃，压力4.3MPa；气化含碳原料为粉煤经热解后自出口5排出的气固相产物中S4中的全部半焦，温度为350℃；气化炉出口温度为1300℃，气化炉炉内压力4.3MPa。
表2给出了气化炉出炉气体组成及气流床热解炉出炉气体组成。粉煤经热解炉快速热解产生的所有半焦，经气化炉气化产生高温合成气，其中约16.32％的高温合成气进入气流床热解炉内，就可以满足粉煤快速热解所需要的热量。热解气中甲烷的产率接近10％，H2/CO接近1。
表2出炉气体组成
实施例3神木烟煤的热解(热源为循环热解气)
粉煤原料：同实施例2
热解系统装置：实施例1的热解炉(日处理2200吨煤干基)、现有的氧化炉
气流床热解炉相关的参数：气体热载体为气流床热解炉中煤热解产生的热解气部分氧化后的高温气体，即气流床热解炉产生的热解气，部分通入氧化炉中，给氧使其出口气体温度达到1000℃，该高温气体随后通过气体热载体入口7返回到气流床热解炉中，作为粉煤热解的热源。其余参数同实施例2。
氧化炉相关的参数：氧气的进料量2288.754kg/h，温度25℃，压力4.3MPa；氧化原料为气流床热解炉产出的部分热解气，温度为350℃；氧化炉出口温度为1000℃，氧化炉炉内压力4.3MPa。
表3给出了以循环热解气为热源的气流床热解炉出炉气体组成。粉煤快速热解产生的热解气，其中只需约1.82％的热解气进入氧化炉内燃烧升温产生高温气体，就可以满足粉煤快速热解所需要的热量。热解气中甲烷的产率接近13％，H2/CO接近2.5。
表3气体组成
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创新的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种粉煤制备富含甲烷热解气的气流床热解炉，其特征在于，其包括竖立的炉膛(3)和设于所述炉膛(3)上面的入口腔(1)，所述炉膛(3)中间段为直筒型，所述炉膛(3)底部设有出口(5)，所述炉膛(3)顶部和所述入口腔(1)之间通过隔板(2)隔开，所述隔板(2)上均匀分布有分散孔，所述入口腔(1)顶部设有烧嘴法兰(6)，所述入口腔(1)旁侧设有气体热载体进口(7)，所述入口腔(1)内部设有筒状的工艺烧嘴(4)，所述工艺烧嘴(4)上端穿过所述烧嘴法兰(6)，下端穿过所述隔板(2)。
2.根据权利要求1所述的气流床热解炉，其特征在于，所述炉膛(3)、所述工艺烧嘴(4)和所述入口腔(1)共轴线。
3.根据权利要求1所述的气流床热解炉，其特征在于，所述炉膛(3)和所述入口腔(1)的侧壁设有耐火衬里，所述耐火衬里为耐火砖衬里或水冷壁。
4.根据权利要求1所述的气流床热解炉，其特征在于，所述工艺烧嘴(4)外附有用于通烧嘴冷却水的冷却层，所述冷却层外部附有硅铝酸保温棉。
5.根据权利要求1所述的气流床热解炉，其特征在于，所述炉膛(3)直筒段内径(D1)与所述炉膛(3)直筒段长度(H1)的比值为D1:H1＝0.05～0.2。
6.根据权利要求1所述的气流床热解炉，其特征在于，所述炉膛(3)下部呈锥形，锥形侧壁的倾角(α)为30～60°；所述出口(5)的内径(D2)与所述炉膛(3)直筒段内径(D1)的比值为D2:D1＝0.1～0.5。
7.一种粉煤制备富含甲烷热解气的系统，其特征在于，其包括如权利要求1～6任一项所述的气流床热解炉，其还包括气体热载体供给装置，所述气体热载体供给装置为：
气化炉，所述气化炉设有热解固体入口和气化出口，所述炉膛(3)底部的出口(5)排出的气固相产物中的热解固体可通过所述热解固体入口加入所述气化炉，所述气化出口通过管道与所述气体热载体进口(7)接通；
或者氧化炉，所述氧化炉设有热解气入口和燃烧气出口，所述炉膛(3)底部的出口(5)排出的气固相产物中的热解气可部分通过所述热解固体入口加入所述氧化炉，所述燃烧气出口通过管道与所述气体热载体进口(7)接通。
8.一种粉煤制备富含甲烷热解气的方法，其特征在于，所述方法使用了如权利要求1～6任一项所述的气流床热解炉，所述方法具体为：
将主要成分为还原性气体的气体热载体依次通过气体热载体进口(7)、入口腔(1)、隔板(2)的分散孔引入炉膛(3)；同时，将粉煤通过工艺喷嘴(4)引入炉膛(3)；气体热载体与粉煤在炉膛(3)中直接换热接触，粉煤发生快速热解反应，由于气体热载体以还原性气体为主，粉煤快速热解的产物在高温还原性环境下，进一步发生热裂解反应，从而生成更小分子的烃类物质；最终热解得到的气固相产物从出口(5)排出。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的气体热载体为出口(5)排出的气固相产物中的固体经气化炉气化产生的高温合成气。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的气体热载体为出口(5)排出的气固相产物中的部分热解气经氧化炉不完全燃烧产生的高温气体。
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