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CN108048140B - 一种热解与气化耦合联产油气的方法和装置 - Google Patents

一种热解与气化耦合联产油气的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热解与气化耦合联产油气的方法及装置。方法实现过程为：原料煤与载气在下行床热解反应段中并行下落发生热解反应，并与后续加入的生物质或载气进行共热解，使生物质中的氢转移到煤中，在下行床热解反应段底部得到半焦和热解气；半焦继续下落经过竖式气体混合段最终落入流化床气化反应段，不经冷却与气化剂逆向接触发生气化反应，生成气化气和灰渣；气化气向上流动与热解气在竖式气体混合段混合后进入横式重整反应段进行焦油重整反应，经冷却分离后得到焦油和煤气。本发明公开了一种实现高品质焦油、煤气的联产技术，具有操作简单，结构紧凑、热效率高等优点，对现代煤化工产业发展具有重要的意义。

Description

一种热解与气化耦合联产油气的方法和装置
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，涉及一种煤和生物质分级分质高效清洁转化技术，特别是涉及一种以煤和生物质为原料的热解与气化耦合联产油气的方法和装置。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，在未来相当长时间内，煤炭在我国一次能源消费中依然占主导地位。随着高变质煤资源的减少，低阶煤的利用越来越受到重视。但是低阶煤在燃烧或气化利用过程中不仅效率低下，而且其中的油气资源被白白浪费了。以煤热解为基础、耦合其他工艺的多联产技术可把煤热解、气化和燃烧有机结合起来，生产出煤气、油品、清洁半焦、电和蒸气等多种产品，实现了煤炭资源的利用价值最大化。但现有技术存在着工艺流程长、设备多、操作复杂以及油品质量差，管道易堵塞等问题。
生物质能源由于具备总量丰富、分布广泛、氢碳比高以及可再生等优点受到各国的广泛关注。但是生物质季节性强、不易长期储存、能量密度低，如果进行单独利用，很容易出现原料供应不稳定的问题。针对煤富碳、生物质富氢的特点，将煤和生物质共利用，不仅可促进化石燃料的可持续利用和可再生能源的充分发掘，同时还可减少环境污染，生产出高品质的产品，实现煤和生物质的高效、清洁利用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种以煤和生物质为原料的热解与气化耦合联产油气的方法和装置，旨在提供一种能够实现高品质焦油、煤气联产的方法，将煤的低温干馏工艺与气化工艺有机结合起来，提高了煤炭资源的综合利用效率，实现了煤炭资源的梯级、清洁、高附加值转化利用，具有操作简单，结构紧凑、热效率高等优点，对现代煤化工产业发展具有重要的意义。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明公开了一种以煤和生物质为原料的热解与气化耦合联产油气的方法，原料煤与载气在下行床热解反应段中并行下落进行热解反应，并与后续加入的生物质或载气进行共热解，使生物质中的氢转移到煤中，在下行床热解反应段底部得到半焦和热解气；半焦继续下落经过竖式气体混合段最终落入流化床气化反应段，不经冷却与气化剂逆向接触发生气化反应，生成气化气和灰渣；气化气向上流动与热解气在竖式气体混合段混合得到热解气化混合煤气，热解气化混合煤气进入横式重整反应段发生焦油重整反应，经旋风除尘器除去飞灰，冷却分离后得到焦油和煤气。
作为一种优选实施方式，所述原料煤为低阶煤，所述生物质为农林废弃物。
为了达到更好地效果，所述原料中煤与生物质质量比为1:0.25~0.5; 载气与原料（煤和生物质）比为: 0.6 Nm3／kg ；气化剂与原料（煤和生物质）比为0.8 Nm3／kg。
作为一种优选实施方式，所述载气为热解气化混合煤气，所述气化剂是由氧气和水蒸气按1：2的体积比混合而成。
作为一种优选实施方式，所述下行床热解反应段的温度为500-800℃，所述流化床气化反应段的温度为900-1000℃，所述横式重整反应段的温度为400-600℃，所述竖式气体混合段温度为400-600℃，所述旋风除尘器温度为300-350℃；较佳地，所述下行床热解反应段的温度范围自上而下设置为三级梯级温度，分别为上段:600-800℃、中段：500-600℃、下段：400-500℃，其中，三个梯度温度的温区大小及起止位置依据所用原料的性质决定。
此外，为了提高重整反应的选择性和重整效率可以在横式重整反应段中加入催化剂。
另一方面，本发明还公开了一种用于实现上述以煤和生物质为原料的热解与气化耦合联产油气的装置，包括耦合反应器和冷却分离单元，所述耦合反应器是由相互连通的下行床热解反应段、竖式气体混合段、流化床气化反应段和横式重整反应段构成的；在所述下行床热解反应段的顶部和中部分别设有第一进料器和第二进料器，并在所述第一进料器上设有第一进料口和第一载气入口，在所述第二进料器上设有第二进料口和第二载气入口；所述竖式气体混合段分别与所述下行床热解反应段底部的物料出口、所述流化床气化反应段的顶部端口、以及所述横式重整反应段的混合气入口端连通，并通过竖式气体混合段与流化床气化反应段连通；在所述流化床气化反应段的下部设有气体分布板、以及预分布气化剂的气体风室，在所述风室侧壁上设有气化剂入口，在所述风室底部设有排灰口；所述横式重整反应段的混合气出口与冷却分离单元相连；其中分离冷却单元可以是石油化工领域中能够实现分离、冷却功能的任意一种或多种设备组合。所述分离冷却单元是由除尘器、冷却器和分离器组成的，所述横式管焦油重整反应段的混合气出口端依次与除尘器、冷却器和分离器连接。
作为一种优选实施方式，所述第一进料器和第二进料器为星型进料器，且所述第一载气入口位于第一进料口的下方，所述第二载气入口位于第二进料口的下方。较佳地，在所述第一星型进料器的顶部设有开口作为第一进料口，在第一星型进料器下端第一载气入口，在所述第二星型进料器的顶部设有开口作为第二进料口，在第二星型进料器下端第二载气入口。
优选地，所述除尘器为旋风除尘器，所述的冷却器为夹套式冷却器，所述的分离器为重力气液分离器。
本发明的有益技术效果为：
（1）在一个反应器中耦合了原料的分质利用，即为热解-气化-焦油重整过程，具有操作简单、热效率高的优点，实现了高品质焦油、煤气的联产；
（2）下行床热解反应段从上到下分为三段，优选地设置梯级温度场进行分级热解，调控热解挥发分的二次反应，提高焦油产率、改善焦油品质；
（3）煤和生物质进行快速共热解，使生物质中的氢自由基参与到煤的热解过程中，提高焦油产率和改善焦油品质；
（4）热解产生的半焦不经过冷却直接气化，提高了气化效率，避免了半焦冷却再加热气化的能量损耗；
（5）煤焦和生物质焦进行共气化，生物质焦中富含的碱金属和碱土金属对气化反应起到催化作用，提高半焦气化反应性，降低气化反应温度，从而节省了能耗，减少了焦油在反应器中的分解；
（6）气态焦油在未冷凝前利用热解气化混合气对其进行重整，改善焦油品质；
（7）得到的煤气为热解煤气和气化煤气的混合气，结合了气化煤气富碳和热解煤气富氢的双重优点；可利用气化煤气与热解煤气共制合成气技术，经过CH4和CO2重整后制备合成气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为热解与气化耦合联产油气装置的结构示意图。
图中：1.第一星型进料器，2.第一载气入口，3.第一进料口，4.第二星型进料器，5.第二载气入口，6.第二进料口，7.下行床热解反应段，8.热解产品出口，9.竖式气体混合段，10.流化床气化反应段，11.气体分布板，12.风室，13.气化剂入口，14.排灰口，15.横式管焦油重整反应段，16.混合气出口端，17.旋风除尘器，18.夹套式冷却器，19.重力气液分离器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示的一种以煤和生物质为原料的热解与气化耦合联产油气的装置，包括耦合反应器和冷却分离单元；其中，所述冷却分离单元是由依次连接的旋风除尘器17、夹套式冷却器18和重力气液分离器19组成的，所述耦合反应器是由相互连通的下行床热解反应段7、竖式气体混合段9、流化床气化反应段10和横式重整反应段15构成的；在所述下行床热解反应段7的顶部和中部分别设有第一星型进料器1和第二星型进料器4，并在所述第一星型进料器1的底部设有开口作为第一进料口3，以及第一载气入口2，在所述第二星型进料器4的底部设有开口作为第二进料口6，以及第二载气入口5；所述竖式气体混合段9分别与所述下行床热解反应段7的底部的热解产品出口8、所述流化床气化反应段10顶部的端口、以及所述横式重整反应段15的混合气进口端连通，形成“T”字型；在所述流化床气化反应段10的下部设有气体分布板11、预分布气化剂的气体风室12，在所述风室12侧壁上设有气化剂入口13，在所述风室12底部设有排灰口14；所述横式重整反应段15的混合气出口端依次与旋风除尘器17、夹套式冷却器18和重力气液分离器19连接。
下面结合图1 对热解与气化耦合联产油气的方法进行说明：
（1）由第一星型进料器1进入的原料低阶煤颗粒与被由第一载气入口2进入的载气（本方法所产热解气化混合煤气）带入下行床热解反应段7，下落的同时进行热解反应；原料生物质颗粒通过第二星型进料器4进入，被从第二载气入口5进入的载气（本方法所产热解气化混合煤气）带入下行床热解反应段7，使原料低阶煤颗粒和原料生物质颗粒在下行床热解反应段7内下落过程中被快速加热到500-800℃进行共热解，并使生物质热解产生的含氢自由基转移到煤热解挥发分中，在下行床热解反应段7底部得到半焦和热解气；半焦和热解气继续向下运动进入温度为400-600℃的竖式气体混合段9；
（2）进入竖式气体混合段9的半焦继续下落，进入流化床气化反应段10不经冷却直接与由氧气和水蒸气混合而成的气化剂逆向接触在900-1000℃下发生气化反应，生成气化气和灰渣；气化灰渣从底部排灰口14排出；生成的气化气向上运动进入竖式气体混合段9与热解气混合得到热解气化混合煤气，热解气化混合煤气进入横式重整反应段15；热解气化混合气中含有气态焦油，气态焦油与热解气化混合气中的其它气体在400-600℃下发生重整反应；
（4）从重整反应段15中出来的热解气化混合气通过温度为300-350℃的旋风除尘器17除去飞灰，经过夹套式冷却器18对气态焦油进行冷却，再经过重力气液分离器19分离得到焦油和煤气。
当然，为了提高重整反应的选择性和重整效率在横式重整反应段15中可加入催化剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：煤与载气在下行床热解反应段中并行下落发生热解反应，并与后续加入的生物质和载气进行共热解，使生物质中的氢转移到煤中，在下行床热解反应段底部得到半焦和热解气；半焦继续下落经过竖式气体混合段最终落入流化床气化反应段，不经冷却与气化剂逆向接触发生气化反应，生成气化气和灰渣；气化气向上流动与热解气在竖式气体混合段混合得到热解气化混合煤气，混合煤气进入横式重整反应段进行焦油重整反应，通过旋风除尘器除去飞灰，冷却分离后得到焦油和煤气；所述下行床热解反应段的温度为500-800℃，所述流化床气化反应段的温度为900-1000℃，所述横式管焦油重整反应段的温度为400-600℃，所述竖式气体混合段温度为400-600℃，所述旋风除尘器温度为300-350℃；
用于实现热解与气化耦合联产油气的装置，包括耦合反应器和冷却分离单元，所述耦合反应器是由相互连通的下行床热解反应段、竖式气体混合段、流化床气化反应段和横式重整反应段构成的；在所述下行床热解反应段的顶部设有第一进料器，在所述下行床热解反应段的中部设有第二进料器，并在所述第一进料器上设有第一进料口和第一载气入口，在所述第二进料器上设有第二进料口和第二载气入口；所述竖式气体混合段分别与所述下行床热解反应段底部的物料出口、所述流化床气化反应段的顶部端口、以及所述横式重整反应段的混合气入口端连通，在所述流化床气化反应段的下部依次设有气体分布板、预分布气化剂的气体风室，在所述风室侧壁上设有气化剂入口，在所述风室底部设有排灰口；所述横式重整反应段的混合气出口与冷却分离单元相连。
2.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述煤为低阶煤。
3.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：
煤与生物质的质量比为1:0.25~0.5; 载气与煤和生物质的质量和之比为0.6 Nm3／kg ；气化剂与煤和生物质的质量和之比为0.8 Nm3／kg。
4.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述载气为热解气化混合煤气，所述气化剂是由氧气和水蒸气按1：2的体积比混合而成。
5.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述下行床热解反应段的温度自上而下设置为三级梯级温度。
6.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述冷却分离单元是由除尘器、冷却器和分离器组成的，所述横式管焦油重整反应段的混合气出口端依次与除尘器、冷却器和分离器连接。
7.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述第一进料器和第二进料器为星型进料器，所述第一载气入口位于第一进料口的下方，所述第二载气入口位于第二进料口的下方。
8.如权利要求1所述热解与气化耦合联产油气的方法，其特征在于：所述除尘器为旋风除尘器，所述的冷却器为夹套式冷却器，所述的分离器为重力气液分离器。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Kong Jiao

Inventor after: Wang Meijun

Inventor after: Yu Yanxu

Inventor after: Li Ting

Inventor after: Chang Liping

Inventor after: Bao Weiren

Inventor before: Wang Meijun

Inventor before: Kong Jiao

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Inventor before: Li Ting

Inventor before: Chang Liping

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GR01 Patent grant
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