流化床粉煤热解炉及热解方法

技术领域

本发明涉及低阶煤分质利用领域，具体地涉及一种流化床粉煤热解炉及热解方法。

背景技术

我国煤炭储量相对丰富，低阶煤约占储量的47％。因此，低阶煤利用副产的煤焦油潜在量很大，这对缓解我国石油对外依存能起很大作用。

目前，低阶煤利用技术比较落后，气化和燃烧工艺用到低阶煤，但大都不副产煤焦油。兰炭技术副产煤焦油，但同时产出大量兰炭，且原料必须是块煤，这与机械化采煤形成的粒度分布不匹配。此外，兰炭工艺比较落后，生产效率和环保水平也不符合现代化要求。

流化床热解以粉煤为原料，热解反应速率快，同时在合理工艺安排下，污染排放量大幅减少，可达到绿色工艺水平。

申请号201910905164.1，名称为：循环流化床粉煤热解-气化装置及粉煤热解-气化方法，其通过给料机、进料斜管与流化床热解炉相连；流化床气化炉通过热解斜管与流化床热解炉相连；快速床气化炉，其下部入口与流化床气化炉的上部出口相连；流化床燃烧室，其上部入口与流化床气化炉的下部出口相连；细粉沉降/汽提器，其设置于快速床气化炉的外部，并通过气化斜管与流化床热解炉相连。该循环流化床粉煤热解-气化装置及粉煤热解-气化方法具有碳转化率高、气化强度高、粉煤利用率高、气化煤种适应性广、能量利用合理以及装置运行稳定、高效的特点。

申请号CN202011377851.X，名称为：一种粉煤高效综合利用工艺系统及工艺方法，包括循环流化床锅炉、煤粉干燥机构、循环流化床热解炉、半焦气化机构、焦油回收机构及煤气净化单元，通过对工艺系统及工艺方法的合理设计，充分回收利用了粉煤热解过程中产生的热量，使半焦的燃烧、半焦的气化、粉煤的干燥、粉煤的循环流化床热解组成的联合系统达到稳定的运行，并达到节能、高效的综合利用。

综上可知，上述现有技术中的流化床热解炉均未提及入炉冷、热物料对流化床床层温度分布的影响，也没有提到冷、热入炉物料的上下位置关系的影响，使得煤焦油的产量无法得到进一步的提升。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的流化床热解炉中煤焦油的产量无法得到进一步提升的问题，提供一种流化床粉煤热解炉，该流化床粉煤热解炉用于低阶煤热解时能够高效、清洁地将低阶煤转化为半焦、煤焦油与煤气，提升煤焦油的产率。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种流化床粉煤热解炉，该流化床粉煤热解炉包括：热解炉炉体，所述热解炉炉体的底端设置为流化气入口，所述热解炉炉体的顶端设置为气体出口，所述热解炉炉体的下部设置有呈周向分布且通入热解炉床层的多个粉煤原料入口和呈周向分布且通入所述热解炉床层底部的多个高温半焦入口，所述热解炉炉体的上部设置有循环半焦出口。

优选地，所述高温半焦入口和所述粉煤原料入口均连通设置有进料机构；所述进料机构包括：进料管路和与所述进料管路相连通的多个进料短管，所述进料短管与相应的所述高温半焦入口或所述粉煤原料入口相连通。

优选地，与所述粉煤原料入口连通的所述进料管路包括：相连通的第一斜管和与所述热解炉炉体同心设置的第一圆环导管；与所述高温半焦入口连通的所述进料管路包括：相连通的第二斜管和与所述热解炉炉体同心设置的第二圆环导管；所述进料短管分别位于所述第一圆环导管和所述第二圆环导管的内侧呈辐射状连通设置有多个；所述第一斜管用于导入粉煤原料，所述第二斜管用于导入高温半焦物料。

优选地，所述进料短管沿朝向所述热解炉炉体的方向上斜向下设置，且与水平面形成30-60°的夹角。

优选地，所述第一圆环导管和所述第二圆环导管均由至少两段弧形导管组合形成，每段所述弧形导管上均设置有多个所述进料短管，每段所述弧形导管上均设置有所述第一斜管或第二斜管。

优选地，所述热解炉炉体的内径为2-20m，高径比为2-6，所述循环半焦出口与所述热解炉炉体的底部之间的垂直距离为5-30m，所述高温半焦入口位于所述粉煤原料入口的下方0.2-1.5m的位置。

优选地，所述流化气入口为椎体，且内部设置有气体分布板。

优选地，所述热解炉炉体的上端设置有沉降段，所述沉降段的下部设置为收缩的椎体结构，所述椎体结构的锥面与水平面的夹角为60-85°，所述沉降段的上部与所述热解炉炉体的内径之比为1.05-1.35。

优选地，所述热解炉炉体上位于所述循环半焦出口上方1-5m的位置还设置有外排半焦出口。

本发明第二方面提供一种热解方法，该热解方法使用所述流化床粉煤热解炉，所述热解方法包括：

1)将原料煤粉碎至直径为0.05-1.0mm的小颗粒；

2)将步骤1)中的小颗粒粉煤在松动气的带动下通过呈周向分布的多个粉煤原料入口流入热解炉床层；

同时，将温度为800-950℃的高温半焦在松动气的带动下通过呈周向分布的多个高温半焦入口流入热解炉床层底部；

同时，通过流化气入口向上输送流化气；

3)在流化气的作用下，冷热物料混合均匀，使床层温度维持在500-700℃之间，使得原料煤在0.05-0.5MPa的压力下发生热解反应。

通过上述技术方案，粉煤原料从多个粉煤原料入口分散进入热解炉床层，高温半焦从多个高温半焦入口分散进入热解炉床层底部，流化气从流化气入口进入热解炉炉体，通过流化气将分散进入的粉煤原料和高温半焦在热解炉炉体的下部充分混合、换热，通过高温半焦为粉煤原料进行供热，同时发生热解反应，通过所设置的循环半焦出口将半焦排出并经升温后变成高温进料，进而使得该流化床粉煤热解炉用于低阶煤热解时能够高效、清洁地将低阶煤转化为半焦、煤焦油与煤气，提升煤焦油的产率。

附图说明

图1是流化床粉煤热解炉的一种优选实施方式的结构示意图；

图2是流化床粉煤热解炉的另一种优选实施方式的结构示意图；

图3是进料机构的一种优选实施方式的结构示意图；

图4是进料机构的另一种优选实施方式的结构示意图。

附图标记说明

1-热解炉炉体；2-进料机构；3-流化气入口；4-气体出口；5-流化气；6-第一圆环导管；7-进料短管；8-第二斜管；9-循环半焦出口；10-外排半焦出口；11-第一斜管；12-第二圆环导管；13-沉降段；14-半环导管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1所示的流化床粉煤热解炉，该流化床粉煤热解炉包括：热解炉炉体1，所述热解炉炉体1的底端设置为流化气入口3，所述热解炉炉体1的顶端设置为气体出口4，所述热解炉炉体1的下部设置有呈周向分布且通入热解炉床层的多个粉煤原料入口和呈周向分布且通入所述热解炉床层底部的多个高温半焦入口，所述热解炉炉体1的上部设置有循环半焦出口9。

通过上述技术方案的实施，粉煤原料从多个粉煤原料入口分散进入热解炉床层，高温半焦从多个高温半焦入口分散进入热解炉床层底部，流化气5从流化气入口3进入热解炉炉体1，通过流化气5将分散进入的粉煤原料和高温半焦在热解炉炉体1的下部充分混合、换热，通过高温半焦为粉煤原料进行供热，同时发生热解反应，通过所设置的循环半焦出口9将半焦排出并经升温后变成高温进料，进而使得该流化床粉煤热解炉用于低阶煤热解时能够高效、清洁地将低阶煤转化为半焦、煤焦油与煤气，提升煤焦油的产率。

在该实施方式中，为了进一步提升高温半焦和粉煤原料的进料效果，所述高温半焦入口和所述粉煤原料入口均连通设置有进料机构2；所述进料机构2包括：进料管路和与所述进料管路相连通的多个进料短管7，所述进料短管7与相应的所述高温半焦入口或所述粉煤原料入口相连通。原料从进料管路进入，从进料短管7分散至周向方向上的各个位置后再进入热解炉床层。进料短管7的尺寸与数量取决于热解炉炉体1的大小。

进料管路的结构可以为多样的，如在一种实施方式中，与所述粉煤原料入口连通的所述进料管路包括：相连通的第一斜管11和与所述热解炉炉体1同心设置的第一圆环导管6；与所述高温半焦入口连通的所述进料管路包括：相连通的第二斜管8和与所述热解炉炉体1同心设置的第二圆环导管12；所述进料短管7分别位于所述第一圆环导管6和所述第二圆环导管12的内侧呈辐射状连通设置有多个；所述第一斜管11用于导入粉煤原料，所述第二斜管8用于导入高温半焦物料。

循环半焦通过第二斜管8送入至第二圆环导管12，再通过第二圆环导管12的内侧呈辐射状设置的多个进料短管7沿周向方向送入至热解炉炉体1内，可以增加物料输送的分散性，增加混合效果，当然，为了提升原料的混合均匀性，可以将多个进料短管7等间隔分布设置。

粉煤原料通过第一斜管11送入至第一圆环导管6，再通过第一圆环导管6的内侧呈辐射状设置的多个进料短管7沿周向方向送入至热解炉炉体1内，可以增加物料输送的分散性，增加混合效果，当然，为了提升原料的混合均匀性，可以将多个进料短管7等间隔分布设置。

采用分散进料方式，将入炉的高、低温物料分散到周向，然后通过进料短管7进入床层，避免了单股物料进入床层形成高温区或低温区，同时，规定了冷、热物料入炉的上下关系，让高温物料从下部进入，冷物料从其上方一定距离进入，使冷热物料混合均匀，有利于热质传递。

在该实施方式中，为了进一步增加原料的混合效果，所述进料短管7沿朝向所述热解炉炉体1的方向上斜向下设置，且与水平面形成30-60°的夹角。通过这样的设置使得流化气5的输送方向与原料的进料方向形成钝角，可以提升混合效果。进料短管7的尺寸与数量取决于热解炉炉体1的大小。

在另外一种实施方式中，所述第一圆环导管6和所述第二圆环导管12均由至少两段弧形导管组合形成，每段所述弧形导管14上均设置有多个所述进料短管7，每段所述弧形导管14上均设置有所述第一斜管11或第二斜管8。如图3和图4所示，弧形导管为半环导管14，分别为两种第一斜管11或第二斜管8与半环导管14之间的连接方式，第一斜管11或第二斜管8与水平面的夹角在40-75°范围。当然，为了能够将原料顺利送入热解炉炉体1内，可以在相应的第一斜管11或第二斜管8上设置松动气入口，该松动气可以是水蒸气，也可以是循环热解气。

在该实施方式中，热解炉炉体1可大可小，取决于对加工量的要求，如所述热解炉炉体1的内径为2-20m，工业炉内径一般在8-17m，高径比为2-6，所述循环半焦出口9与所述热解炉炉体1的底部之间的垂直距离为5-30m，所述高温半焦入口位于所述粉煤原料入口的下方0.2-1.5m的位置。当然，热解炉炉体1也可以根据需要设置成其他的尺寸和比例。

在该实施方式中，为了增加流化气5的流入效果，所述流化气入口3为椎体，且内部设置有气体分布板。高温半焦入口可以设置在热解炉炉体1底部椎体部位，粉煤原料入口则设置在管路上部0.2-1.5m处。气体分布板用于将流化气5进行均匀分布。

在该实施方式中，为了增加热解炉炉体1上端的沉降效果，如图2所示，所述热解炉炉体1的上端设置有沉降段13，所述沉降段13的下部设置为收缩的椎体结构，所述椎体结构的锥面与水平面的夹角为60-85°，所述沉降段13的上部与所述热解炉炉体1的内径之比为1.05-1.35。

在该实施方式中，为了能够将热解炉富余半焦进行合理处置，所述热解炉炉体1上位于所述循环半焦出口9上方1-5m的位置还设置有外排半焦出口10。其中，从所述循环半焦出口9流出的半焦物料进入气化炉或燃烧增热炉，升高温度后通过高温半焦入口进入热解炉炉体1；所述外排半焦出口10用于排出富余的半焦，当循环半焦气化时，所述外排半焦出口10不排出半焦。例如，热解炉炉体1中富余半焦从外排半焦出口10外排，如果热解炉炉体1与气化炉或燃烧增热炉通过循环半焦出口9耦合，则可以省掉外排半焦出口10或关闭外排半焦出口10，在与气化技术耦合的情况下，可同时将半焦转化为合成气。

本发明第二方面提供一种热解方法，该热解方法使用所述流化床粉煤热解炉，所述热解方法包括：

1)将原料煤粉碎至直径为0.05-1.0mm的小颗粒；

2)将步骤1)中的小颗粒粉煤在松动气的带动下通过呈周向分布的多个粉煤原料入口流入热解炉床层；

同时，将温度为800-950℃的高温半焦在松动气的带动下通过呈周向分布的多个高温半焦入口流入热解炉床层底部；

同时，通过流化气入口3向上输送流化气5；

3)在流化气5的作用下，冷热物料混合均匀，使床层温度维持在500-700℃之间，使得原料煤在0.05-0.5MPa的压力下发生热解反应。

具体的，将原料煤粉碎至0.05-1.0mm范围的小颗粒，也可以是该粒度范围中的一个较窄范围的小颗粒。通过加料斗、管线、阀门等与粉煤原料入口连通，同时向管线通入少量松动气，粉煤原料在气体带动下流向热解炉床层。

高温半焦来自燃烧炉或气化炉，温度在800-950℃范围，通过管线、阀门，与高温半焦入口连通，同时向管线通入少量松动气，高温半焦在气体带动下流向热解炉床层底部，在流化气5的作用下，冷热物料混合均匀，使床层温度维持在500-700℃之间，进一步优化在550-600℃之间，原料煤发生热解反应，释放出气体和煤焦油。

气体从气体出口4流出热解炉，在下游进行相应的处理，循环半焦从循环半焦出口9流出，通过导管流入燃烧炉或气化炉，温度升高后返回，热解炉富余半焦从外排半焦出口10外排，如果热解炉与气化炉耦合，则可以省掉外排半焦出口10。

实施例1(数据来源实验编号：120040-2021-10569-049)

热解炉炉体1采用冷模反应器，冷模试验床层内径0.5m，床高3m；

用于输送粉煤原料的进料管路的主体管径25mm，主体管绕冷模反应器一周长度1.75m，进料短管7直径10mm，长100mm，进料短管7数量90个且等间隔分布；

用于输送高温半焦的进料管路的主体管径60mm，绕冷模反应器下部椎体部一周长度1.2m，进料短管7直径15mm，长100mm，数量80个且等间隔分布；

循环半焦出口9与冷模反应器底部垂直距离1.7m，出口管径60mm，外排半焦出口10距离反应器底部3m，管径25mm；

冷模流化气5量235.5Nm

循环物料量在2-3t/h操作时床层物料稳定，可以维持稳态。

实施例2

与实施例1相同尺寸热态反应器操作，选用低阶煤为原料(分析数据见表1)。

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表1原料煤分析

粉煤进料流量0.5t/h，热解炉温度560℃，压力0.15MPa，燃烧炉温度850℃，循环流化气5体流量125.5Nm

对比例1

其它条件与实施例2相同，不同的是高温物料和冷物料分别从各自的单独入口进入床层。结果显示，热解气体产率为95.1Nm/t，煤焦油产率6.3％，半焦产率72.5％。可见热解不充分，煤焦油产率下降0.8个百分点。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。