CN107760346A - 一种多段式快速热解反应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种多段式快速热解反应系统及方法，包括：进料系统、热解炉和半焦处理系统，其中，所述进料系统包括：依次相连的粉煤贮仓、粉煤锁斗和粉煤给料罐；所述热解炉与所述粉煤给料罐的给料出口相连，包括：变径炉体和蓄热式辐射管，其中，所述变径炉体包括：直径不同的相连的上段炉体与下段炉体，所述半焦处理系统包括：制粉系统和煤粉锅炉，其中，所述制粉系统与所述热解炉底部设置的半焦锁斗相连，所述煤粉锅炉与所述制粉系统相连。本发明能够减少煤的结焦与磨损；能够提高处理不同粒径粉煤；此外，对高温半焦采用与煤粉锅炉联用的形式，提高发电能源的利用率，节能环保。
Description
技术领域
本发明属于煤化工、化石燃料中低温热解处理技术领域，涉及一种含碳燃料的快速热解反应工艺，具体涉及一种多段式快速热解反应系统及方法。
背景技术
我国的能源结构现状是富煤、贫油、少气，当今世界油气资源逐渐减少，日渐匮乏，我国油气资源短缺尤为严重，大量的油气资源依赖进口。油气资源匮乏严重制约着我国经济和社会发展，同时大量化石燃料的燃烧，又带来严重的环境问题，如粉尘，PM2.5、酸雨、温室气体等。大力发展煤制油、煤制气技术、热解、气化、液化技术等，一方面能有效地缓解我国油气资源短缺，严重依赖进口的窘迫局面；另一方面减少煤等化石燃料的利用，可有效的解决环境污染问题。
目前，为实现低阶煤等含碳燃料的高效清洁转化利用，已开发出多种综合煤化工技术，粉煤快速热解技术就是其中之一。粉煤快速热解技术较已有的热解技术相比，解决了粉状物料无法利用的难题，粉煤快速热解技术主要有气体热载体和固体热载体两种加热方式，但以气体为热载体的炉型，因冷凝回收系统庞大，热解气热值低，焦油收率低等问题，难以进一步推广示范；以固体为热载体的炉型，则存在原料和热载体均匀混合，分离等问题，而限制了其进一步发展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种多段式快速热解反应系统及方法，系统结构简单，安装方便，能够减少煤的结焦与磨损；能够提高处理不同粒径粉煤；解决了原料和热载体混料问题，并且采用蓄热式高压快速热解炉，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺流程，降低设备和工艺造价；并且采用独特的进料方式，提高了工艺效率，此外，对高温半焦采用与煤粉锅炉联用的形式，提高发电能源的利用率，节能环保。
为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：
本发明提出了一种多段式快速热解反应系统，包括：进料系统、热解炉和半焦处理系统，其中，所述进料系统包括：依次相连的粉煤贮仓、粉煤锁斗和粉煤给料罐，所述粉煤贮仓常压向所述粉煤锁斗输入粉煤，所述粉煤锁斗加压后向所述粉煤给料罐输入粉煤，使所述粉煤给料罐与热解炉形成稳定压差，所述粉煤连续进入所述热解炉；所述热解炉与所述粉煤给料罐的给料出口相连，所述热解炉包括：变径炉体和蓄热式辐射管，其中，所述变径炉体包括：直径不同的相连的上段炉体与下段炉体，处理不同粒径的粉煤；所述半焦处理系统包括：制粉系统和煤粉锅炉，其中，所述制粉系统与所述热解炉底部设置的半焦锁斗相连，所述煤粉锅炉与所述制粉系统相连，将热解产生的高温半焦与原煤混合制粉后，送入煤粉锅炉燃烧发电。
进一步的，所述蓄热式辐射管包括：中心蓄热式辐射管和圆周层蓄热式辐射管，其中，所述中心蓄热式辐射管贯穿所述变径炉体且位于所述变径炉体的内腔中部，所述圆周层蓄热式辐射管围绕所述中心蓄热式辐射管呈圆周布置，包括：第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管，所述第一圆周层蓄热式辐射管竖直贯穿所述上段炉体的内腔，所述第二圆周层蓄热式辐射管竖直设置于所述下段炉体的内腔，所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管均包括：多根蓄热式辐射管，相邻两根蓄热式辐射管具有15°-60°的圆心夹角。
进一步的，所述热解炉还包括：圆台形连接体，其两端分别与所述上段炉体和下段炉体相连通，形成所述变径炉体。
进一步的，所述热解炉还包括：物料进口、第一热解气出口、第二热解气出口和半焦出口，其中，所述物料进口设置于所述热解炉的顶部，所述第一热解气出口设置于所述上段炉体的中部侧壁上，所述第二热解气出口设置于所述下段炉体的中部侧壁上，所述半焦出口设置于所述炉体的底部，且与所述半焦锁斗相连。
进一步的，所述中心蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端位于所述半焦出口处；所述第一圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端贯穿所述连接体延伸至所述上段炉体的外部；所述第二圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述连接体的落料口处，另一端位于所述半焦出口处。
进一步的，所述第一圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r1，所述第二圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r2，所述上段炉体的半径为R，其中，2/5< r1/R<4/5，2/5<r2/ r1<4/5。
进一步的，所述进料系统还包括：原煤贮仓、磨煤机、粉煤过滤器和惰性气体发生器，其中，所述原煤贮仓、磨煤机、粉煤过滤器依次相连，所述粉煤过滤器的底部出口与所述粉煤贮仓的贮仓入口相连，所述惰性气体发生器分别与所述粉煤过滤器的侧部出口和所述磨煤机的惰性气体入口相连。
进一步的，还包括：热解气处理系统，其包括：油气分离系统、热解气净化系统和焦油收集器，其中，所述油气分离系统分别与所述第一热解气出口和第二热解气出口相连，所述热解气净化系统与所述油气分离系统的气体出口相连，所述焦油收集器与所述油气分离系统的焦油出口相连。
在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的多段式快速热解反应系统热解的方法，包括以下步骤：
（1）磨煤干燥处理：将原煤磨制成煤粉，经所述惰性气体发生器产生的高温惰性气体烘干输送至粉煤过滤器中，高温惰性气体和粉煤进行分离，得到的粉煤送入粉煤贮仓，得到的高温惰性气体再次送入磨煤机使用；
（2）粉煤加压输送处理：将粉煤贮仓内的粉煤常压送入粉煤锁斗中，所述粉煤锁斗加压后将粉煤送入粉煤给料罐内，使粉煤给料罐与热解炉形成稳定压差，粉煤连续送入所述热解炉；
（3）热解处理：粉煤依次经过上段炉体和下段炉体被所述蓄热式辐射管热解，得到热解油气和高温半焦；
（4）热解气处理：将热解油气进行油气分离处理，得到热解气和焦油，所述热解气送入热解气净化系统净化，所述焦油送入焦油收集器中；
（5）半焦处理：将高温半焦经半焦锁斗排出，与原煤混合送入制粉系统制粉后，送入煤粉锅炉燃烧发电。
进一步的，所述步骤（3）中，所述蓄热式辐射管的管壁温度为600-1200℃，粉煤在所述热解炉中自上而下停留时间为2-10s，被加热至550-110℃。
本发明至少包括以下有益效果：
1）本发明采用合理的竖管布置，降低粉煤对辐射管的磨损量，减少设备维护成本，增加设备使用寿命；
2）本发明热解炉设计成承压容器，气体压力升高，体积减少，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺流程，降低了设备和工艺造价；
3）本发明采用多段变径式炉体，能针对不同粒径的粉煤都能迅速完成热解反应，在保证热解效果的同时，降低炉体高度；
4）在热解处理前设置的进料系统，利用惰性气体输送干燥进行循环利用，利用粉煤锁斗和粉煤给料罐实现了热解炉给料的连续性，保证系统稳定运行；
5）利用高温半焦送入煤粉锅炉，充分利用资源，提供发电能源的利用率，节能环保。
附图说明
图1为本发明多段式快速热解反应系统结构简图。
图2为本发明多段式快速热解反应系统结构示意图。
图3为粉煤加压输送单元原理图。
图4为本发明热解炉结构示意图。
图5为本发明热解炉的俯视图。
其中，原煤贮仓1、磨煤机2、惰性气体发生器3、粉煤过滤器4、气固入口401、底部出口402、侧部出口403、粉煤贮仓5、贮仓入口501、贮仓出口502、第一空气入口503、粉煤锁斗6、锁斗入口601、第一充压口602、第二充压口603、第三充压口604、第一空气出口605、第二空气入口606、锁斗出口607、过滤器608、粉煤给料罐7、给料进口701、给料出口702、第二空气出口703、热解炉8、物料进口801、第一热解气出口802、第二热解气出口803、半焦出口804、上段炉体805、连接体806、下段炉体807、中心蓄热式辐射管808、第一圆周层蓄热式辐射管809、第二圆周层蓄热式辐射管810、半焦锁斗9、油气分离系统10、气体出口101、焦油出口102、焦油收集器11、热解气净化系统12、制粉系统13、第二原煤入口1301、煤粉锅炉14、单阀15、双阀16。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
根据本发明的实施例，图1为本发明多段式快速热解反应系统结构简图，参照图1所示，本发明所述多段式快速热解反应系统包括：进料系统、热解炉、热解气处理系统和半焦处理系统，其中，所述进料系统包括：磨煤干燥单元和粉煤加压输送单元。
根据本发明的实施例，参照图1所示，本发明所述磨煤干燥单元包括：原煤贮仓、磨煤机、粉煤过滤器和惰性气体发生器，其中，所述磨煤机与所述原煤贮仓的原煤出口相连，所述粉煤过滤器的气固入口与所述磨煤机的气固出口相连，所述惰性气体发生器分别与所述粉煤过滤器的侧部出口和所述磨煤机的惰性气体入口相连，将原煤磨制成煤粉，经所述惰性气体发生器产生的高温惰性气体形成的气流烘干输送至粉煤过滤器中，将高温惰性气体和粉煤进行分离，得到的粉煤送入粉煤贮仓，得到的高温惰性气体再次送入磨煤机循环使用。
根据本发明的实施例，图3为粉煤加压输送单元原理图，参照图1和3所示，本发明所述粉煤加压输送单元包括：粉煤贮仓、粉煤锁斗和粉煤给料罐，其中，所述粉煤贮仓的贮仓入口与所述粉煤过滤器的底部出口相连，所述粉煤锁斗的锁斗入口经双阀与所述粉煤贮仓的贮仓出口相连，所述粉煤锁斗的第一空气出口经单阀与所述粉煤贮仓的第一空气入口相连，根据本发明的一些实施例，本发明所述粉煤锁斗经单阀与过滤器相连，在所述粉煤锁斗上设有多个充压口，分别通过单阀外接充压管道，对所述粉煤锁斗进行充压，本发明充压口优选为三个，分别为：第一充压口602、第二充压口603、第三充压口604，其中，所述第一充压口设置在所述粉煤锁斗的上部，外接一根充压管道，所述第二充压口设置在所述粉煤锁斗的中部，外接三根充压管道，所述第三充压口设置在所述粉煤锁斗的下部，外接一根充压管道；所述粉煤给料罐的给料进口经双阀与所述粉煤锁斗的锁斗出口相连，所述粉煤给料罐的第二空气出口经双阀与所述粉煤锁斗的第二空气入口相连。
为了更好的理解与描述，本发明将所述粉煤锁斗的锁斗入口与所述粉煤贮仓的贮仓出口相连管路中的双阀描述为上双阀，将所述粉煤给料罐的给料进口与所述粉煤锁斗的锁斗出口相连管路中的双阀描述为下双阀。
根据本发明的具体实施例，参照图3所示，加煤的过程是一个间歇的过程，当所述粉煤贮仓中有粉煤，先将所述下双阀关闭，打开所述上双阀，由于是常压，粉煤下落至所述粉煤锁斗内，所述粉煤锁斗内的气体通过控制所述粉煤锁斗与所述粉煤贮仓相连管路中的单阀排出到所述粉煤贮仓中，多余的气体通过所述过滤器过滤，通过待接收到的粉煤已经到达上料位的信号时，关闭所述上双阀，由于粉煤给料罐与所述热解炉相连通，热解炉内部具有压力，因此，粉煤若要从所述粉煤锁斗下落至所述粉煤给料罐内，则需要对所述粉煤锁斗进行充压，即通过本发明的三个充压口进行充压，首先，先经过所述第一充压口充压，使煤粉物料上方充好气压，此时煤粉会被压实，无法落下，然后分别经过所述第二充压口和所述第三充压口依次进行充压，当所述粉煤锁斗的压力与粉煤给料罐中的压力相当时，打开下双阀，使粉料下落至所述粉煤给料罐内，当所述粉煤锁斗排空后，关闭所述下双阀，打开冲压管道中的单阀，此处可以理解为泄压阀，将所述粉煤锁斗的压力降到常压，然后打开上双阀，开始下一个加煤循环，所述粉煤给料罐内的气体经所述粉煤给料罐的第二空气出口排入所述粉煤锁斗中。
可以理解的是，本发明采用所述粉煤给料罐和粉煤锁斗相配合使用的方式，通过所述粉煤锁斗连通常压的所述粉煤贮仓和粉煤给料罐，粉煤锁斗常压进料，加压向粉煤给料罐放料，实现了向所述热解炉进料的连续性，提高了整个工艺流程的处理效率，避免了单独使用粉煤锁斗的间歇式供料导致的效率低下的缺点。
根据本发明的一些实施例，本发明所述粉煤给料罐另外还设有气体进口和出口，根据炉内压力和物料位计的具体情况，适当进气与排气，维持所述粉煤给料罐内的压力稳定，与所述热解炉之间保持稳定的压差，使煤粉进料连续稳定运行。
根据本发明的实施例，图4为本发明热解炉结构示意图，图5为本发明热解炉的俯视图，参照图4和5所示，本发明所述热解炉包括：变径炉体和蓄热式辐射管。
根据本发明的实施例，参照图4和5所示，所述变径炉体包括：依次相连通的上段炉体、连接体和下段炉体，通过所述连接体对所述炉体进行变径，使得所述上段炉体的直径大于所述下段炉体的直径，处理不同粒径的粉煤；根据本发明的一些实施例，所述上段炉体与下段炉体均为圆柱形，连接体为圆台形。
根据本发明的实施例，参照图1和图4所示，本发明所述热解炉还包括：物料进口、第一热解气出口、第二热解气出口和半焦出口，其中，所述物料进口设置于所述变径炉体的顶部，即所述上段炉体的顶部，且与所述粉煤给料罐的给料出口相连；所述第一热解气出口设置于所述上段炉体的中部侧壁上，所述第二热解气出口设置于所述下段炉体的中部侧壁上，用于排出热解产生的热解油气，所述半焦出口设置于所述炉体的底部，且与所述半焦锁斗相连，即所述下段炉体的底部，用于将热解产生的半焦排出。
根据本发明的一些实施例，所述半焦出口优选为锥形，排料速度快，避免了产生的半焦在炉内堆积，造成堵塞。
根据本发明的一些实施例，所述变径炉体的高度为5-20m，物料在所述热解炉内的停留时间在5s以上，本发明充分考虑了物料在高压下的反应效果，将炉体的横截面设置成圆形，并且本发明所述炉体的横截面也可为方形，优选为圆形横截面能承受更大压力，本装置的可承受压力为小于0.4MPa，但是根据材料要求，可适当提高承受压力；在常压下，气体密度不变，设置成加压装备后，气体压力升高，体积减少，相当于常压下气体体积的1/4，所以在相同的处理量下，可以做到装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺的流程，降低设备和工艺造价。
根据本发明的一些实施例，炉内压力对煤的热解产率有影响，压力增大焦油产率减少，半焦和气态产物产率增加，较多的半焦可选择气力输送方式送入电厂锅炉作为原料，用于锅炉燃烧发电，解决了热解半焦的去路难题；同时压力增加，不仅半焦产率增多，而且其强度也提高，这是因为挥发物析出困难，使液相产物之间作用加强，发展了热缩聚反应，这更加有利于半焦的气力输送或制成型煤外售。
根据本发明的实施例，参照图4和5所示，本发明所述蓄热式辐射管包括：中心蓄热式辐射管和圆周层蓄热式辐射管，其中，所述圆周层蓄热式辐射管围绕所述中心蓄热式辐射管呈圆周布置，包括：第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管。
根据本发明的实施例，参照图4和5所示，本发明所述中心蓄热式辐射管贯穿所述炉体的顶部和底部，且位于所述炉体的内腔的中部，更具体的，位于所述炉体的正中心处，所述中心蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端位于所述半焦出口处，所述中心蓄热式辐射管的直径为10-45cm。
根据本发明的实施例，参照图4和5所示，本发明所述第一圆周层蓄热式辐射管竖直贯穿所述上段炉体的内腔，更具体的，所述第一圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端贯穿所述连接体延伸至所述上段炉体的外部，所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径为10-30cm。
根据本发明的一些实施例，所述中心蓄热式辐射管采取较大直径，其直径为所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径的1-1.5倍，使所述第一圆周层蓄热式辐射管周围的温度场更接近所述中心蓄热式辐射管表面的温度，可以使沿圆周向的温度梯度减少，利于温度场的均匀稳定。
根据本发明的实施例，参照图4和5所示，本发明所述第二圆周层蓄热式辐射管竖直设置于所述下段炉体的内腔，更具体的，所述第二圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述连接体的落料口处，另一端位于所述半焦出口处，所述第二圆周层蓄热式辐射管的直径为5-15cm，安装时，使其直径小于所述第一圆周层蓄热式辐射管的直径，由于所述下段炉体的体积小，热量更加集中。
根据本发明的实施例，参照图4所示，本发明所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管的层数均至少为一层，每层均包括：多根蓄热式辐射管，且相邻两根蓄热式辐射管具有相同的圆心夹角α为15°-60°，所述圆心夹角α过小不仅会使蓄热式辐射管数量增加，而且易造成局部温度升高，引起温度场不均，所述圆心夹角α取值过大又会造成温度场不够的现象发生，本发明很好地解决了该技术问题，采用合理的蓄热式辐射管布置方式，有效的保证了炉内的温度场均匀。
根据本发明的一些实施例，为了增加物料处理量，在保持所述圆心夹角α不变的条件下，进行所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管的层数的增加，且保持每层之间的间隔距离相等，例如：当所述层数为两层时，对于所述第一圆周层蓄热式辐射管：第二层所述第一圆周层蓄热式辐射管与第一层所述第一圆周层蓄热式辐射管之间的间隔距离等于第一层所述第一圆周层蓄热式辐射管与所述中心蓄热式辐射管之间的间隔距离，同样的，对于所述第二圆周层蓄热式辐射管：第二层所述第二圆周层蓄热式辐射管与第一层所述第二圆周层蓄热式辐射管之间的间隔距离等于第一层所述第二圆周层蓄热式辐射管与所述中心蓄热式辐射管之间的间隔距离，当层数为三层以上时，以此类推。
根据本发明的实施例，参照图2所示，所述第一圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r1，所述第二圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r2，所述上段炉体的半径为R，其中，2/5< r1/R<4/5，2/5< r2/ r1<4/5，r1/R优选为1/2，r2/ r1优选为1/2，本发明采取合适的比例，使得所述炉内的温度场更加均匀。
根据本发明的一些实施例，本发明所述蓄热式辐射管采用直型蓄热式辐射管，每根蓄热式辐射管可以通过燃气调节阀单独控温。
根据本发明的一些实施例，本发明通过合理的角度与参数控制，有利于保证蓄热式辐射管提供的热量分布均匀，并能减少蓄热式辐射管的数量，增大处理量，参数过大与过小都会使蓄热式辐射管的局部区域过热，造成热量分布不均。
根据本发明的实施例，参照图2所示，本发明所述热解气处理系统包括：油气分离系统、热解气净化系统和焦油收集器，其中，所述油气分离系统分别与所述第一热解气出口和第二热解气出口相连，所述热解气净化系统与所述油气分离系统的气体出口相连，所述焦油收集器与所述油气分离系统的焦油出口相连。
根据本发明的实施例，参照图2所示，本发明所述半焦处理系统包括：制粉系统和煤粉锅炉，其中，所述制粉系统与所述热解炉底部设置的半焦锁斗相连，所述煤粉锅炉与所述制粉系统相连，将热解产生的高温半焦与经所述制粉系统的第二原煤入口排入的原煤混合制粉后，送入煤粉锅炉燃烧发电，充分利用资源，提供发电能源的利用率，节能环保。
在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的多段式快速热解反应系统热解的方法，参照图2所示，具体包括以下步骤。
（1）磨煤干燥处理：来自原煤贮仓的原煤经称重给煤机计量后进入磨煤机，将原煤磨制成煤粉，经所述惰性气体发生器产生的高温惰性气体烘干输送至粉煤过滤器中，高温惰性气体和粉煤进行分离，得到的粉煤由螺旋输送机送入粉煤贮仓，得到的高温惰性气体则再次送入磨煤机继续循环使用。
（2）粉煤加压输送处理：将合格符合要求的粉煤储藏在粉煤贮仓内，粉煤常压送入粉煤锁斗中，所述粉煤锁斗加压后将粉煤送入粉煤给料罐内，使粉煤给料罐与热解炉形成稳定压差，粉煤连续送入所述热解炉，此处粉煤加压输送的原理见上述，此处不再赘述。
（3）热解处理：粉煤依次经过上段炉体和下段炉体被所述直型蓄热式辐射管热解，管壁温度利用燃气调节阀控制在600-1200℃，在炉内中自上而下停留2-10s，粉煤在热解炉内被加热到550-1100℃，完成热解过程，得到热解油气和高温半焦。
根据本发明的一些实施例，在热解过程中温度场的温度可通过多种方式调节，例如，调整蓄热式辐射管的根数；蓄热式辐射管的层数；蓄热式辐射管彼此之间的间距；各蓄热式辐射管本身的温度。
本本发明所述热解炉采用的煤种为<1mm的粉煤，减轻磨煤机的压力，煤种来源广泛；在高温条件下，由于小粒径的粉煤比大粒径的粉煤在炉内停留时间更长，热解炉体在相同高度的条件下，小粒径的粉煤热解更充分，在运行中，小粒径的粉煤先热解完全，炉内停留时间长，首先停留在上段炉体内，而相对大粒径的粉煤由于重力原因，在上段炉体反应时间较短，热解不完全，再经所述连接体的落料口进入到下段炉体继续进行热解，由于大粒径的粉煤先行落入到下段，与小粒径粉煤在下落过程中形成时间差，因此，在小直径的下段炉体内不会产生堵料现象。
根据本发明的一些实施例，本发明系统能够高效处理大小粒径混合的细粉煤种，拓宽了煤种的适应性，尤其适应于高温条件下的热解，例如将辐射管温度加热到1200℃以上时，炉内温度会达到1100℃左右，结焦现象的产生原因是熔化状态下的灰沉积在受热面上，优质原料煤的灰熔点一般在1250-1500℃，而劣质煤种的灰熔点则低于1100℃，这种种在热解过程中就非常容易结焦；而结焦易成灰渣大块，结焦若熔合成大块时，因重力从上部落下，会下落砸到下方布置的辐射管，不仅会影响到已有的温度场均匀性，还会造成加剧辐射管的冲击磨损，长时间运行，容易使辐射管漏气，带来安全隐患。而本装置采用竖直布置辐射管方式，即使正常结焦也不会对下面的辐射管道进行冲击，能保证长时间安全运行。
更具体的，在长时间运行过程中，物料从顶部到底部下行的过程中，速度越来越大，当蓄热式辐射管横向布置时，对辐射管的冲击磨损很大，实验表明，在材料介质为Cr28Ni48w5钢材下，3-5mm的颗粒在900℃以上，长时间连续运行时，对钢材的磨损量将达到1-2.3mm每年，造成了具大经济损失，本发明采用竖管布置，很好地解决了该技术问题，将对下端辐射管的磨损量降低几乎为零，减少了设备维护成本。
根据本发明的实施例，本发明热解炉对黏结性煤的适应性强，煤的黏结性是煤粒在隔绝空气受热后能否粘结其本身或惰性物质（即无粘结力的物质）成焦块的性质；煤在热解过程中，一般要经过软化、熔合、膨胀、固化和收缩几个阶段。当温度等于或高于煤的软化点（一般为315-350℃）时，煤都软化成胶质体，对于黏结性煤，在此范围内极易黏结自身或其他物质出现结焦，导致炉内出现蓬料、堵塞、半焦产品无法下料等问题，对于横向的辐射管布置方式，由于物料下落过程中，物料直接与辐射管进行接触，大面积的结焦现象会使物料下料受阻，引起炉内压力升高，容易造成热解气体外漏等现象，而采用本发明的竖管方式布置后，减少了与物料的接触面积，黏结性引起的结焦现象得到大大改善。
（4）热解气处理：将产生的的热解油气送入油气分离系统，进行油气分离处理，得到热解气和焦油，所述焦油送入焦油收集器中，所述热解气送入热解气净化系统净化，经过净化后的热解气可直接作为热值燃料外售或做下游产品。
（5）半焦处理：将产生的高温半焦经半焦锁斗排出，与发电使用的原煤混合送入制粉系统，制得的煤粉粒度为100μm以下，经一次风送入煤粉锅炉的燃烧器中燃烧发电。
实施例：本工艺以陕西榆林煤矿厂区的煤为原料，粒径为如表1所示，利用热解炉对其进行热解过程，预先将粉煤进行干燥处理，经过干燥后粉煤的榆林煤基础数据如表2所示，气体成分分析见表3。
表1：榆林煤粒径分布
表2：榆林煤基础数据
热解炉高度为6米，处理量为15kg/h，为配合煤粉锅炉80%负荷运行5000小时，炉内压力0.4MPa；蓄热式辐射管的温度设置成1000度，最终得到的半焦43.5吨，热解气24吨，热解油水共7.5吨；较常压下相同操作条件相比，半焦与热解气总产率提高了12.5%。试验顺利进行至结束，并未发生黏结堵料憋压等问题。
表3：气体成分分析
与煤粉锅炉的燃烧全部为发电原料煤的情况相比，从热解炉排出的热态半焦占煤粉锅炉总量的58%时，整个系统能量利用效率提高了2.2%，把净煤气和煤焦油的收益折算到发电成本中，发电成本降低了约3%。
发明人发现，根据本发明所述的多段式快速热解反应系统及方法，采用合理的竖管布置，降低粉煤对辐射管的磨损量，减少设备维护成本，增加设备使用寿命；本发明热解炉设计成承压容器，气体压力升高，体积减少，使得装置小型化，极大地减少了后续的尾气净化工艺流程，降低了设备和工艺造价；本发明采用多段变径式炉体，能针对不同粒径的粉煤都能迅速完成热解反应，在保证热解效果的同时，降低炉体高度；在热解处理前设置的进料系统，利用惰性气体输送干燥进行循环利用，利用粉煤锁斗和粉煤给料罐实现了热解炉给料的连续性，保证系统稳定运行；利用高温半焦送入煤粉锅炉，充分利用资源，提供发电能源的利用率，节能环保。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
Claims (10)
1.一种多段式快速热解反应系统，包括：进料系统、热解炉和半焦处理系统，其特征在于，其中，
所述进料系统包括：依次相连的粉煤贮仓、粉煤锁斗和粉煤给料罐，所述粉煤贮仓常压向所述粉煤锁斗输入粉煤，所述粉煤锁斗加压后向所述粉煤给料罐输入粉煤，使所述粉煤给料罐与热解炉形成稳定压差，所述粉煤连续进入所述热解炉；
所述热解炉与所述粉煤给料罐的给料出口相连，所述热解炉包括：变径炉体和蓄热式辐射管，其中，所述变径炉体包括：直径不同的相连的上段炉体与下段炉体，处理不同粒径的粉煤；
所述半焦处理系统包括：制粉系统和煤粉锅炉，其中，所述制粉系统与所述热解炉底部设置的半焦锁斗相连，所述煤粉锅炉与所述制粉系统相连，将热解产生的高温半焦与原煤混合制粉后，送入煤粉锅炉燃烧发电。
2.根据权利要求1所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述蓄热式辐射管包括：中心蓄热式辐射管和圆周层蓄热式辐射管，其中，所述中心蓄热式辐射管贯穿所述变径炉体且位于所述变径炉体的内腔中部，所述圆周层蓄热式辐射管围绕所述中心蓄热式辐射管呈圆周布置，包括：第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管，所述第一圆周层蓄热式辐射管竖直贯穿所述上段炉体的内腔，所述第二圆周层蓄热式辐射管竖直设置于所述下段炉体的内腔，所述第一圆周层蓄热式辐射管和第二圆周层蓄热式辐射管均包括：多根蓄热式辐射管，相邻两根蓄热式辐射管具有15°-60°的圆心夹角。
3.根据权利要求1所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述热解炉还包括：圆台形连接体，其两端分别与所述上段炉体和下段炉体相连通，形成所述变径炉体。
4.根据权利要求3所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述热解炉还包括：物料进口、第一热解气出口、第二热解气出口和半焦出口，其中，所述物料进口设置于所述热解炉的顶部，所述第一热解气出口设置于所述上段炉体的中部侧壁上，所述第二热解气出口设置于所述下段炉体的中部侧壁上，所述半焦出口设置于所述炉体的底部，且与所述半焦锁斗相连。
5.根据权利要求4所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述中心蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端位于所述半焦出口处；所述第一圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述物料进口处，另一端贯穿所述连接体延伸至所述上段炉体的外部；所述第二圆周层蓄热式辐射管的一端位于所述连接体的落料口处，另一端位于所述半焦出口处。
6.根据权利要求5所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述第一圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r1，所述第二圆周层蓄热式辐射管形成的圆的半径为r2，所述上段炉体的半径为R，其中，2/5< r1/R<4/5，2/5< r2/ r1<4/5。
7.根据权利要求3所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，所述进料系统还包括：原煤贮仓、磨煤机、粉煤过滤器和惰性气体发生器，其中，所述原煤贮仓、磨煤机、粉煤过滤器依次相连，所述粉煤过滤器的底部出口与所述粉煤贮仓的贮仓入口相连，所述惰性气体发生器分别与所述粉煤过滤器的侧部出口和所述磨煤机的惰性气体入口相连。
8.根据权利要求4所述的多段式快速热解反应系统，其特征在于，还包括：热解气处理系统，其包括：油气分离系统、热解气净化系统和焦油收集器，其中，所述油气分离系统分别与所述第一热解气出口和第二热解气出口相连，所述热解气净化系统与所述油气分离系统的气体出口相连，所述焦油收集器与所述油气分离系统的焦油出口相连。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的多段式快速热解反应系统热解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）磨煤干燥处理：将原煤磨制成煤粉，经所述惰性气体发生器产生的高温惰性气体烘干输送至粉煤过滤器中，高温惰性气体和粉煤进行分离，得到的粉煤送入粉煤贮仓，得到的高温惰性气体再次送入磨煤机使用；
（2）粉煤加压输送处理：将粉煤贮仓内的粉煤常压送入粉煤锁斗中，所述粉煤锁斗加压后将粉煤送入粉煤给料罐内，使粉煤给料罐与热解炉形成稳定压差，粉煤连续送入所述热解炉；
（3）热解处理：粉煤依次经过上段炉体和下段炉体被所述蓄热式辐射管热解，得到热解油气和高温半焦；
（4）热解气处理：将热解油气进行油气分离处理，得到热解气和焦油，所述热解气送入热解气净化系统净化，所述焦油送入焦油收集器中；
（5）半焦处理：将高温半焦经半焦锁斗排出，与原煤混合送入制粉系统制粉后，送入煤粉锅炉燃烧发电。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述蓄热式辐射管的管壁温度为600-1200℃，粉煤在所述热解炉中自上而下停留时间为2-10s，被加热至550-110℃。
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