一种流化床分级煤热解反应器和煤热解方法

摘要

本发明公开了一种流化床分级煤热解反应器，包括热解室、隔离墙、热解气余热回收装置、输煤装置、大颗粒料出口、混合料出口、输灰装置；热解室包括低温热解室和高温热解室。本发明还公开了利用该装置进行热解煤的方法，该方法产气率高、焦油产率低，有利于实现煤的高效、充分热解，可以较小的流化气流量，实现煤、半焦和循环灰的良好流化换热与输送，从而减少了流化气带来的能耗和热损失。本发明通过将低温热解煤气与高温热解煤气混合，实现了低温热解煤气中轻质焦油的二次热解，增加热解煤气的产量，减少焦油量；同时混合后的中温煤气温度比煤热解反应器的热解终温有所降低，可以减小热解气余热回收装置的容量和流动阻力，降低设备材料成本，提高设备的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及煤热解技术领域，具体涉及一种流化床分级煤热解反应器和煤热解 方法。

背景技术

当前的煤热解技术有着多种的应用目的，因而也采用不同的热解工艺。有的热 解就是利用煤燃烧的热将煤中的挥发份析出，仅仅为了直接得到焦炭或半焦；相比 较煤炭和焦炭而言，煤中的挥发份大多有更高的利用价值。以煤基能源化工为主的 热解工艺，主要为了生产焦油和加氢制燃料油，通常热解产生的热解气直接燃烧以 供热解热需要，这种工艺以低质煤利用领域的应用较为广泛。以燃烧发电利用为主 的多联产热解工艺，一般生产出焦油作为主产品，副产品热解气直接燃烧供产蒸汽 发电；另外一种煤热解是以提高发电效率为目的，热解过程以产生热解气为主，除 热解产生的半焦通过燃烧产生蒸汽发电外，产生的热解气还可通过燃气蒸汽联合循 环发电来提高整体的煤发电效率。

煤热解大多以挥发份较高的低变质煤为运用对象，低质煤的灰分大、灰熔点低， 热解后的半焦热值低，若热解后的高温半焦用于煤粉锅炉的燃烧，不仅需要将高温 半焦降温、增大制粉系统成本，也会带来稳定燃烧、燃烧区结渣和受热面磨损等严 重问题，同时煤粉炉配套的除尘器、灰输送处理系统的容量也需要大大提高。因而 对于要将热解产物半焦直接燃烧发电的系统，不宜采用单独的热解炉专门热解，而 是应当将热解系统和燃烧系统有机结合起来。

无论以气体作为热载体还是以固体作为热载体提供煤热解的热量，都需要热载 体和煤进行高效的换热，采用下行床、移动床、滚筒式和机械搅拌式混合加热器的 热解方案的换热能力较低，其它问题也较多，解决起来也不易。由于不同介质在流 化床层内的相互传热条件极佳，因而利用流化床热解的系统和设备较为简单，效益 较高。

对于要将热解产物半焦直接燃烧的系统，热解热可以由循环流化床锅炉温度达 800℃以上的高温循环灰提供，热解后的高温半焦直接随循环灰进入流化床锅炉燃 烧，减少半焦高温输送和余热利用的工艺，设备和流程较为简单。

传统流化床煤热解工艺都是以产生焦油为主要目的，通过产生更多优质焦油获 得较好的煤利用综合效益。该类工艺要求产生低温轻质焦油，因而热解温度不能太 高，通常控制在600℃以下。如果利用循环流化床锅炉的循环灰作为热载体，为了控 制流化床热解反应器内热解反应在合适的低温下进行，该热解工艺需要控制只将部 分高温循环灰进入流化床反应器，其它循环灰直接返回流化床锅炉。对于绝大多数 煤种，如果要充分利用煤的挥发份，需要在较高的温度下才能完成煤的充分热解， 同时产生更高比例的热解气。但是煤炭直接高温热解的热解气中甲烷含量少，而氢 含量多，这种热解煤气是不利于燃气轮机组处于经济和安全工况运行的。

发明内容

本发明的目的是通过采用流化床进行煤的分级热解工艺，既能保障生产出更多 适宜燃气轮机燃烧需要的较好质量的热解气，又能实现煤的充分热解，提高煤热解 利用的综合效益。

为了解决此技术问题，本发明的热解工艺核心是将热解用的流化床反应器分级 设置，煤首先在第一级流化床热解室内进行低温下的热解，然后再进入下一级流化 床热解室内进行较高温度下热解。热解热由循环流化床锅炉分离器出口的循环灰提 供，全部循环灰都进入流化床分级煤热解反应器参与热解。

所述的流化床反应器包括热解室、隔离墙5、输煤装置11、大颗粒料出口、混 合料出口；所述热解室包括低温热解室14和高温热解室4。

所述低温热解室14和高温热解室4通过隔离墙5分隔开，所述低温热解室14 和高温热解室4分别在隔离墙5的上部和下部相连通。

可选的，所述隔离墙5的高度高于两个热解室的密相区高度。

可选的，所述低温热解室14的底部布风板略高于高温热解室4的底部布风板， 可确保在较低的流化气流量下使低温热解室14产生的半焦和循环灰输送进高温热解 室4，从而减少流化气带来的能耗和热损失。

所述低温热解室的底部布风板用于低温热解室流化气的进气，所述高温热解室 的底部布风板用于高温热解室流化气的进气。

低温热解室14和高温热解室4的主体都为截面上大下小的锥形，可以在较小的 流化气流量下，保障热解室下部的气流流速较高，使较大粒径的煤和半焦在热解室 下部充分流化起来，同时可保障解热室上部的气流流速逐渐降低，加大颗粒流化的 内循环量，增加小粒径的煤、半焦和高温循环灰颗粒在密相区停留时间，以利于充 分换热和热解；通过（下部出料管上的料阀）控制底部大颗粒料2的排料时间，可 以控制大颗粒料的热解时间。

可选的，所述输煤装置11和热解气余热回收装置布置在流化床煤热解反应器热 解室内的上部，并通过其上运送的热解煤10的分隔封堵，使低温热解室14的上部 与热解气余热回收装置9不直接相联通。

可选的，所述的装置还包括热解气余热回收装置，其位于高温热解室4的上部， 并与高温热解室4上部相连通。

所述低温热解室14和高温热解室4的主体都为截面上大下小的锥形，低温热解 室14在料层密相区连接有高温循环灰12的进灰管。

可选的，该进灰管设置有输灰装置13，该输灰装置可起隔离密封作用，避免低 温热解室14的气流反串到进灰管。

所述高温热解室在料层密相区上部设置混合料出口，用于大部分高温循环灰和 粒径较小的热解产物半焦的混合料的出料，在料层密相区下部设有混合料出口，用 于少部分高温循环灰和粒径较大的热解产物半焦的混合料的出料。

利用上述装置进行煤热解的过程包括：

热解煤10先后经过热解气余热回收装置9和输煤装置11后进入低温热解室14； 来自循环流化床锅炉的高温循环灰12经由输灰装置13进入低温热解室14。

在由低温热解室下部布风板进入低温热解室14的低温热解室流化气15的作用 下，热解煤10与高温循环灰12在低温热解室14内进行低温流化混合，高温循环灰 12将部分热量传递给热解煤10，煤在300~650℃的较低温度下发生热解反应，产生 低温热解煤气7和半焦；低温热解煤气7从隔离墙5的上部进入高温热解室4的上 部，煤热解后的半焦与高温循环灰一同从隔离墙5的下部进入高温热解室4的下部；

在由高温热解室下部布风板进入高温热解室4的高温热解室流化气1的作用下， 煤热解后的半焦与高温循环灰在高温热解室4内进行高温流化混合，高温循环灰12 继续将更多热量传递给半焦，使半焦在600~950℃的较高温度下继续发生热解反应， 将半焦中的大部分挥发份析出，产生高温热解煤气6和挥发份含量很低的半焦。

该高温热解室产生的半焦中的底部大颗粒料2和少部分高温循环灰从高温热解 室4的下部出料管进入循环流化床锅炉的密相区下部，大部分高温循环灰和半焦组 成的混合料3从高温热解室4的上部出料管经流化床锅炉的返料阀进入循环流化床 锅炉的密相区上部；经高温热解室热解后的半焦最后在循环流化床内燃尽利用。

在该高温热解室4内产生的高温热解煤气6与前述进入高温热解室4内上部的 低温热解煤气7在高温热解室4内上部混合，成为温度在450~850℃的中温热解煤气 8；中温热解煤气8进入热解气余热回收装置与热解煤10换热，将显热传递给煤后， 该热解反应器产生的热解煤气进入热解气净化处理装置等后续系统供收集利用；煤 气净化装置收集的焦油也可循环返回到高温热解室进行二次热解。

本发明的低温热解室流化气15和高温热解室流化气1可以为蒸汽或本热解反应 器产生的煤气经过净化后的循环煤气；在低温热解室14内，通过控制低温热解室流 化气15的流量，可以控制低温热解室14内的流化气速，改变高温循环灰12在低温 热解室14内进入上部空间的循环灰的存量和停留时间，从而控制低温热解室14内 的温度以及热解煤10与高温循环灰12的混合换热强度，进而控制煤低温热解的反 应条件，使其可适应不同煤种，产生的热解煤气含有更多的甲烷和轻质烃类等，以 提高煤气的热值和品质；通常该室的流化气量越大，进入上部空间的循环灰越多， 热解反应温度越高。

可选的，低温热解室流化气和高温热解室流化气为高燃烧热值的可燃气体。

本发明通过热解气余热回收装置9来使热解反应器产生的热解煤气与进入热解 反应器的热解煤换热，即可以提高热解反应器的热效率和冷煤气效率，也可使煤预 热，增加反应器的热解能力；热解气余热回收装置9可采用多级移动床，使移动床 上的煤与热解气逆流换热，同时煤层可以吸附和过滤热解气中的焦油和尘粒，初步 净化煤气、回收循环灰，并使焦油随煤再次进入热解反应器反复热解，以提高热解 气的产率，降低焦油的产率。

本发明可以通过在热解煤中加入石灰石等脱硫剂，不仅可脱硫（还原性气氛下） 还有催化热解焦油的作用，可提高热解气的产率。

本发明具有如下优点：

1、将循环流化床锅炉的循环灰热量传递给煤来热解，采用流化床的方式传热能 力优于混合搅拌加热等方式，换热能力强，设备和系统简单。初步净化后的热解气 再循环作为热解室流化气体可提高热解气的热值，这点对于挥发份热值较低的低阶 煤很重要；

2、采用循环灰加热煤热解的工艺不同于独立运行的热解炉，因为热解热来自循 环灰的显热而非燃烧的半焦或煤炭，热解工艺的余热利用对热解的冷煤气效率没有 影响，因而采用循环灰热解回收的热解气等热量也可直接用于热力系统，不必考虑 将热量全部回收用于热解系统，余热回收的系统设计可以更为简单；

3、将煤直接在高温下热解，热解气中的甲烷含量少，氢气含量上升，这不利于 燃气轮机的运行。本发明采用流化床逐级加热的方式，可以使煤首先在低温下热解， 提高甲烷的含量，最后再在高温下实现充分热解，提高产气率。另外，本发明低温 阶段热解产生的轻质焦油又通过进入高温热解区进行二次热解，提高了产气率，降 低了焦油产率；

4、由于本发明的热解工艺可以使循环流化床锅炉的全部高温循环灰进入热解反 应器，从而可提高热解反应的热交换能力和反应终温，有利于实现煤的高效、充分 热解；

5、本发明通过使低温热解室的底部略高于高温热解室的底部，和采用热解室的 主体都为截面上大下小的锥形结构，可以较小的流化气流量，实现煤、半焦和循环 灰的良好流化换热与输送，从而减少了流化气带来的能耗和热损失；

6、本发明通过热解气余热回收装置来使热解煤气与热解煤换热，即可以提高热 解反应器的热效率和冷煤气效率，也可使煤预热，增加反应器的热解能力；热解气 余热回收装置还可初步净化煤气、回收循环灰，并使焦油随煤再次进入热解反应器 反复热解，以提高热解气的产率，降低焦油的产率；

7、本发明通过将低温热解煤气与高温热解煤气混合，可以实现低温热解煤气中 轻质焦油的二次热解，增加热解煤气的产量，减少焦油量；同时混合后的中温煤气 温度比煤热解反应器的热解终温有所降低，可以减小热解气余热回收装置的容量和 流动阻力，降低设备材料成本，提高设备的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流化床分级煤热解反应器的示意图。

附图标识

1、高温热解室流化气；2、底部大颗粒料；3、混合料；4、高温热解室；5、隔 离墙；6、高温热解煤气；7、低温热解煤气；8、中温热解煤气；9、热解气余热 回收装置；10、热解煤；11、输煤装置；12、高温循环灰；13、输灰装置；14、 低温热解室；15、低温热解室流化气

具体实施方式

以下为本发明的一个最优选的实施例，其仅用作对本发明的解释而不是限制。

一种用于煤热解的流化床反应器包括由低温热解室14和高温热解室4构成的热 解室、隔离墙5、热解气余热回收装置9、输煤装置11、大颗粒料出口、高温热解室 硫化气入口、混合料出口、输灰装置13。

其中，低温热解室14和高温热解室4通过隔离墙5分隔开，低温热解室14和 高温热解室4分别在隔离墙5的上部和下部相连通，隔离墙5的高度高于两个热解 室的密相区高度，低温热解室14的底部布风板略高于高温热解室4的底部布风板。 其中低温热解室的底部布风板用于低温热解室流化气的进气，高温热解室的底部布 风板用于高温热解室流化气的进气。

输煤装置11和热解气余热回收装置布置在流化床煤热解反应器热解室内的上 部，并通过其上运送的热解煤10的分隔封堵，使低温热解室14的上部与热解气余 热回收装置9不直接相联通，高温热解室4上部与位于其上部出口的热解气余热回 收装置9相连通.

低温热解室14和高温热解室4的主体都为截面上大下小的锥形，低温热解室14 在料层密相区连接有高温循环灰12的进灰管，该进灰管设置有输灰装置13，该输灰 装置可起隔离密封作用，避免低温热解室14的气流反串到进灰管。

高温热解室在料层密相区上部设置混合料出口，用于大部分高温循环灰和粒径 较小的热解产物半焦的混合料的出料，在料层密相区下部设有混合料出口，用于少 部分高温循环灰和粒径较大的热解产物半焦的混合料的出料。利用上述装置进行煤 热解的过程包括：

热解煤10先后经过热解气余热回收装置9和输煤装置11后进入低温热解室14； 来自循环流化床锅炉的高温循环灰12经由输灰装置13进入低温热解室14；

在由低温热解室下部布风板进入低温热解室14的低温热解室流化气15的作用 下，热解煤10与高温循环灰12在低温热解室14内进行低温流化混合，高温循环灰 12将部分热量传递给热解煤10，煤在300~650℃的较低温度下发生热解反应，产生 低温热解煤气7和半焦；低温热解煤气7从隔离墙5的上部进入高温热解室4的上 部，煤热解后的半焦与高温循环灰一同从隔离墙5的下部进入高温热解室4的下部；

在由高温热解室下部布风板进入高温热解室4的高温热解室流化气1的作用下， 煤热解后的半焦与高温循环灰在高温热解室4内进行高温流化混合，高温循环灰12 继续将更多热量传递给半焦，使半焦在600~950℃的较高温度下继续发生热解反应， 将半焦中的大部分挥发份析出，产生高温热解煤气6和挥发份含量很低的半焦；

该高温热解室产生的半焦中的底部大颗粒料2和少部分高温循环灰从高温热解 室4的下部出料管进入循环流化床锅炉的密相区下部，大部分高温循环灰和半焦组 成的混合料3从高温热解室4的上部出料管经流化床锅炉的返料阀进入循环流化床 锅炉的密相区上部；经高温热解室热解后的半焦最后在循环流化床内燃尽利用；

在该高温热解室4内产生的高温热解煤气6与前述进入高温热解室4内上部的 低温热解煤气7在高温热解室4内上部混合，成为温度在450~850℃的中温热解煤气 8；中温热解煤气8进入热解气余热回收装置与热解煤10换热，将显热传递给煤后， 该热解反应器产生的热解煤气进入热解煤气净化处理装置等后续系统供收集利用； 煤气净化装置收集的焦油也可循环返回到高温热解室进行二次热解。

本发明的低温热解室流化气15和高温热解室流化气1可以为蒸汽、天然气或本 热解反应器产生的煤气经过净化后的循环煤气；在低温热解室14内，通过控制低温 热解室流化气15的流量，可以控制低温热解室14内的流化气速，改变高温循环灰 12在低温热解室14内进入上部空间的循环灰的存量和停留时间，从而控制低温热解 室14内的温度以及热解煤10与高温循环灰12的混合换热强度，进而控制煤低温热 解的反应条件，使其可适应不同煤种，使产生的热解煤气含有更多的甲烷和轻质烃 类等，以提高煤气的热值和品质；通常该室的流化气量越大，进入上部空间的循环 灰越多，热解反应温度越高。

低温热解室14的底部布风板略高于高温热解室4的底部布风板，可确保在较低 的流化气流量下使低温热解室14产生的半焦和循环灰输送进高温热解室4，从而减 少流化气带来的能耗和热损失。

低温热解室14和高温热解室4的主体都为截面上大下小的锥形，可以在较小的 流化气流量下，保障热解室下部的气流流速较高，使较大粒径的煤和半焦在热解室 下部充分流化起来，同时可保障解热室上部的气流流速逐渐降低，加大颗粒流化的 内循环量，增加小粒径的煤、半焦和高温循环灰颗粒在密相区停留时间，以利于充 分换热和热解；通过（下部出料管上的料阀）控制底部大颗粒料2的排料时间，可 以控制大颗粒料的热解时间。

本发明通过热解气余热回收装置9来使热解反应器产生的热解煤气与进入热解 反应器的热解煤换热，即可以提高热解反应器的热效率和冷煤气效率，也可使煤预 热，增加反应器的热解能力；热解气余热回收装置9可采用多级移动床，使移动床 上的煤与热解气逆流换热，同时煤层可以吸附和过滤热解气中的焦油和尘粒，初步 净化煤气、回收循环灰，并使焦油随煤再次进入热解反应器反复热解，以提高热解 气的产率，降低焦油的产率。

本发明可以通过在热解煤中加入石灰石等脱硫剂，不仅可脱硫（还原性气氛下） 还有催化热解焦油的作用，可提高热解气的产率。