一种制备无焦油富氢气体的热解气化方法及热解气化装置

摘要

本发明涉及固体燃料能源化工技术领域，具体地，本发明涉及一种制备无焦油富氢气体的热解气化方法及热解气化装置。本发明的制备无焦油富氢气体的热解气化方法，包括以下步骤：1）将含碳固体原料通过供料装置送入上游热解反应器内进行有氧热解，产生热解气相产物及固体产物；2）将步骤1）产生的热解气相产物及固体产物通入下游焦油裂解反应器内，通过高温热裂解、部分氧化及热解半焦催化裂解反应除去焦油；同时热解半焦发生部分气化，获得热解气和热解半焦。本发明避免了传统工艺中的燃料燃烧提供热量的同时将挥发分一并燃烧，致使热解气体中H2、CH4含量低，后续气体组成重整反应处理量大等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及固体燃料能源化工技术领域，具体地，本发明涉及一种制备无焦油 富氢气体的热解气化方法及热解气化装置。

背景技术

含碳固体燃料（煤，生物质及其他含碳固体废弃物等）的气化是其利用过程中 的一种重要方式。目前工业运行的气化工艺一般采用自热法，即气化反应过程中所 需的热量由燃烧部分气化原料来提供。由于整个气化过程中的反应温度较高，因此 需要燃烧40%以上的含碳原料以维持反应所需的温度（1000℃以上）。在该过程中不 仅部分气化原料被燃烧，同时产生的H₂，CH₄等有用气体组分也被燃烧，致使所得 气体中H₂/CO比例大大下降。而H₂作为一种高效、清洁的气体资源，在后续如：合 成甲烷，合成氨等工艺中有大量需求。以合成甲烷为例：在实际生产中要求原料气 中H₂/CO=3.0，而现行气化工艺出口气体组成中H₂/CO比例最高的鲁奇炉工艺也仅 仅为1.6左右。因此为了满足后续工业生产的需要必须对所得的气氛进行重整反应， 以调节气体的组成。整个过程操作繁琐复杂，并伴有大量能耗。煤制兰炭工艺虽然 所得气体中的H₂含量大大增加，但与此同时所得干馏煤气中伴生大量焦油，致使气 体净化工艺复杂，设备运行稳定性差。为解决以上问题，一些研究已经进行，如专 利：CN101045525提出，在高压条件下喷动床或流化床反应器内，以水蒸气为气化 气体，通过添加二氧化碳吸收剂将二氧化碳全部吸收从而实现提高氢气产率的目的。 但该工艺是在高压条件下进行，其中的二氧化碳吸收剂KOH或Ca(OH)₂结块现象严 重，影响工艺的正常运行。同时在整个过程中的焦油产生情况及其处理方式并未提 及。

由以上分析可以看出气化工艺急需解决的问题：一是尽量提高气化气中的高品 质气体如：H₂，CH₄等的含量，以提高H₂/CO比例，减少后续重整反应的负荷；二 是最大限度脱除所得气化气中的焦油。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，提供一种制备无焦油富氢气体的热解气 化方法。

本发明的另一目的在于，提供一种基于上述制备无焦油富氢气体的热解气化方 法的热解气化装置。

本发明的制备无焦油富氢气体的热解气化方法，包括以下步骤：

1）将含碳固体原料通过供料装置送入上游热解反应器内进行有氧热解，产生热 解气相产物及固体产物；

2）将步骤1）产生的热解气相产物及固体产物通入下游焦油裂解反应器内，通 过高温热裂解、部分氧化及热解半焦催化裂解反应去除焦油，同时热解半焦发生部 分气化反应，获得热解气和热解半焦。

根据本发明的热解气化方法，所述含碳固体原料为煤、生物质或其它含碳固体 废弃物等。

根据本发明的热解气化方法，所述上游热解反应器内反应温度为700-1000℃， 热量既可采用外热式获得，即通过在上游热解反应器外燃烧燃料或者通入热烟气来 提供反应所需的热量，又可采用自热方式获得，即利用向反应器内通入部分氧气/空 气等与反应原料进行反应放出的热量来维持；所述下游焦油裂解反应器内反应温度 为900-1300℃，通过来自上游的溢流物料自身所带热量和含氧气化气氛与半焦反应 所放出的热量来维持。上述具体反应温度可根据不同反应原料进行调整。

根据本发明的热解气化方法，对步骤2）获得的热解气进行气固分离；对步骤2） 获得的热解半焦熄焦后，进行废热回收。具体地，可以同时在半焦排出过程中与熄 焦装置8相连，通过热量交换产生高温高压蒸汽，回收半焦所携带的热量，同时将 半焦温度降低。

根据本发明的热解气化方法，可以在热解原料内加入适量钙基矿物质或其它具 有焦油裂解能力的矿物质或催化剂。

本发明的制备无焦油富氢气体的热解气化方法即可在常压下进行又可在加压条 件下进行。

本发明的基于上述制备无焦油富氢气体的热解气化方法的热解气化装置，包括 供料装置1、溢流管3，还包括上游热解反应器2和下游焦油裂解反应器4，二者通 过溢流管3连通，所述供料装置1与上游热解反应器2连通。

根据本发明的热解气化装置，所述上游热解反应器优选为回转窑、流化床或稀 相输送床；所述下游焦油裂解反应器优选为回转窑、稀相输送床、沉降炉或固定床。

根据本发明的热解气化装置，还可以包括旋风分离器5、料腿6、排焦管7和熄 焦装置8，所述排焦管7分别与下游焦油裂解反应器4与熄焦装置8相连通，所述旋 风分离器5上部物料入口通过管道与熄焦装置8相连通，旋风分离器5底部固体产 物出口通过料腿6与固体产物收集装置连通。

基于上述热解气化装置，可以优选以下几种方式：

所述上游热解反应器可以为第一回转窑反应器13，所述下游焦油裂解反应器为 第二回转窑反应器14。

所述上游热解反应器可以为流化床10，所述下游焦油裂解反应器为第二回转窑 反应器14。进一步，所述流化床10还可以与若干第二回转窑反应器14相连形成装 置组。

所述上游热解反应器可以为稀相输送床11，所述下游焦油裂解反应器为第二回 转窑反应器14。

在上述包括旋风分离器5、料腿6、排焦管7和熄焦装置8装置的基础上，还可 以仅包括旋风分离器5、料腿6、熄焦装置8，所述旋风分离器5上部物料入口通过 管道与下游焦油裂解反应器4相连通，旋风分离器5底部固体产物出口通过料腿6 与熄焦装置8连通。

基于上述热解气化装置，可以优选以下几种方式：

所述上游热解反应器为流化床10，所述下游焦油裂解反应器可以为稀相输送床 11。

所述上游热解反应器为流化床10，所述下游焦油裂解反应器可以为沉降炉12。

进一步地，可以优选为，所述沉降炉12的侧壁下部气体出口与旋风分离器5的 入口相连通，沉降炉12的底部直接与熄焦装置8相连通。

在上述的制备无焦油富氢气体的热解气化方法以及热解气化装置中，所述供料 装置1优选为螺旋进料装置。

本发明的主体思想是先将含碳固体燃料中的挥发分通过热解的方式提取出来， 然后进一步将热解气体中焦油的脱除，半焦的部分气化，热解气氛组成的调整转化 反应耦合在一起，以提高热解气体中的高品质组分（H₂,CH₄等）含量，减少后续转 化处理工艺的负荷。整个反应所需的热量可由副产的热解半焦燃烧提供。本发明避 免了传统工艺中的燃料燃烧提供热量的同时将挥发分一并燃烧，致使热解气体中H₂、 CH₄含量低，后续气体组成重整反应处理量大等问题。

附图说明

图1为本发明热解气化装置示意图

图2为本发明两级回转窑相结合的热解气化装置示意图；

图3为本发明两级回转窑相结合的以热烟气为热源的热解气化装置示意图；

图4为本发明流化床与回转窑相结合的热解气化装置示意图；

图5为本发明流化床与多个回转窑相结合的热解气化装置示意图；

图6为本发明稀相输送床与回转窑相结合的热解气化装置示意图；

图7为本发明流化床与稀相输送床相结合的热解气化装置示意图；

图8为本发明流化床与沉降炉相结合的热解气化装置示意图；

附图标识

1、供料装置               2、上游热解反应器           3、溢流管

4、下游焦油裂解反应器     5、旋风分离器               6、料腿

7、排焦管                 8、熄焦装置                 9、燃烧器

10、流化床                11、稀相输送床              12、沉降炉

13、第一回转窑反应器      14、第二回转窑反应器

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的制备无焦油富氢气体的热解气化方法，包括以下步骤：

1）将含碳固体原料通过供料装置送入上游热解反应器内进行热解，产生热解气 相产物及固体产物；

2）将步骤1）产生的热解气相产物及固体产物通入下游焦油裂解反应器内，通 过高温热裂解、部分氧化及热解半焦催化裂解反应去除焦油，获得热解气和热解半 焦。

上游热解反应器可以为回转窑、流化床或稀相输送床。上述下游焦油裂解反应 器可以为回转窑、稀相输送床、沉降炉或固定床。

所述含碳固体原料为煤、生物质或其它含碳固体废弃物等。

所述上游热解反应器内反应温度为700-1000℃，所述下游焦油裂解反应器内反 应温度为900-1300℃。

进一步地优选地，对步骤2）获得的热解气进行气固分离；对步骤2）获得的热 解半焦采用干法熄焦，并进行废热回收。

本发明的基于上述制备无焦油富氢气体的热解气化方法的热解气化装置，如图1 所示，包括供料装置1、溢流管3，还包括上游热解反应器2和下游焦油裂解反应器 4，二者通过溢流管3连通，所述供料装置1与上游热解反应器2连通。

上述上游热解反应器优选为回转窑、流化床或稀相输送床；上述下游焦油裂解 反应器优选为回转窑、稀相输送床、沉降炉或固定床。

含碳固体燃料经供料装置1加入到上游热解反应器2内，进行热解。产生的热 解半焦随热解气相产物一同经溢流管3，进入到下游焦油裂解反应器4内，在下游焦 油裂解反应器4内，热解焦油在高温热裂解，部分氧化以及热解半焦催化裂解的共 同作用下得以去除，从而得到大量高品质热解气体。

优选地，上述热解气化装置还可以包括旋风分离器5、料腿6、排焦管7和熄焦 装置8，所述排焦管7分别与下游焦油裂解反应器4与熄焦装置8相连通，所述旋风 分离器5上部物料入口通过管道与熄焦装置8相连通，旋风分离器5底部固体产物 出口通过料腿6与固体产物收集装置连通。

含碳固体燃料经供料装置1加入到上游热解反应器2内，进行热解。产生的热 解半焦随热解气相产物一同经溢流管3，进入到下游焦油裂解反应器4内，在下游焦 油裂解反应器4内，热解焦油在高温热裂解，部分氧化以及热解半焦催化裂解的共 同作用下得以去除，从而得到大量高品质热解气体。产生的气体经旋风分离器5进 行气固分离，所得半焦经排焦管7，进入到熄焦装置8内进行熄焦处理。

进一步地，在上述包括旋风分离器5、料腿6、排焦管7和熄焦装置8装置的基 础上，还可以仅包括旋风分离器5、料腿6、和熄焦装置8，所述旋风分离器5上部 物料入口通过管道与下游焦油裂解反应器4相连通，旋风分离器5底部固体产物出 口通过料腿6与熄焦装置8连通。

含碳固体燃料经供料装置1加入到上游热解反应器2内，进行热解。热解半焦 随热解气相产物一同经溢流管3，进入到下游焦油裂解反应器4内进行反应。产生的 气固混合物进入旋风分离器5进行气固分离，所得热解半焦进入熄焦装置8内进行 熄焦处理。

实施例1

本实施例的两级回转窑反应器相结合的热解气化装置示意图如图2所示，包括 供料装置1、第一回转窑反应器13、第二回转窑反应器14、熄焦装置8、旋风分离 器5和料腿6等。

使用该热解气化装置制备无焦油富氢气体时，将粒径<20mm的含碳固体燃料（例 如煤）经供料装置1（如螺旋进料器）送入到上游的第一回转窑反应器13内在 700-900℃下进行热解，产生的混合气以及固体产物经溢流管3进入到下游的第二回 转窑反应器14。向第二回转窑反应器14内通入一定量的氧气，水蒸汽等气体并维持 在1100℃。在第二回转窑反应器14内主要发生热解焦油的热裂解，部分氧化，以及 半焦对热解焦油的催化裂解等作用从而去除焦油；同时发生热解焦炭的部分气化， 从而得到大量高品质热解气体。反应后的产品气体和热解半焦经过排焦管7进入到 熄焦装置8中，所得半焦进行熄焦处理后可用于工业生产。产品气体经旋风分离器5 进行气固分离后得到的气化气体用于工业生产和民用。经旋风分离器5分离出的固 体产物通过料腿6进入固体产物收集装置。

以粒径小于5mm的锡林浩特煤为原料，实验处理量为50kg/h的实验装置上进行 研究，所的气体中H₂/CO=2.3，焦油含量达到30mg/Nm³。气体热值达到2300kcal/Nm³。

实施例2

本实施例的热解气化装置示意图如图3所示，本实施例在实施例1中的所述的 上游的第一回转窑反应器13外部增设燃烧器9，以热烟气为第一回转窑反应器13的 热源，其它同实施例1。

实施例3

本实施例的流化床与回转窑反应器相结合的热解气化装置示意图如图4所示， 包括供料装置1、流化床10、第二回转窑反应器14、熄焦装置8、旋风分离器5和 料腿6等。

使用该热解气化装置制备无焦油富氢气体时，将粒径<20mm的含碳固体燃料经 供料装置1送入到流化床反应器10内在700-1000℃下进行热解，产生的混合气以及 固体产物经溢流管3进入到下游的第二回转窑反应器14内。向第二回转窑反应器14 内通入一定量的氧气，水蒸汽等气体并维持在1300℃。在第二回转窑反应器14内主 要发生热解焦油的热裂解，部分氧化，以及半焦对热解焦油的催化裂解等作用从而 去除焦油；同时发生热解焦炭的部分气化，从而得到大量高品质热解气体。反应后 的产品气体和热解半焦经过排焦管7进入到熄焦装置8中，所得半焦进行熄焦处理 后可用于工业生产。产品气体经旋风分离器5进行气固分离后得到的气化气体用于 工业生产和民用。经旋风分离器5分离出的固体产物通过料腿6进入固体产物收集 装置。

实施例4

本实施例的流化床与多个回转窑反应器相结合的热解气化装置示意图如图5所 示，包括由供料装置1、流化床10、第二回转窑反应器14、熄焦装置8、旋风分离 器5和料腿6。其具体处理反应物料过程和实施例3相似，只是将多个第二回转窑反 应器14与流化床10相连形成装置组，增加了处理量，提高了处理效率。

实施例5

本实施例的稀相输送床与回转窑反应器相结合的热解气化装置示意图如图6所 示，包括由供料装置1、稀相输送床11、第二回转窑反应器14、熄焦装置8、旋风 分离器5和料腿6等。

使用该热解气化装置制备无焦油富氢气体时，将粒径<5mm的含碳固体燃料几个 供料装置1送入到稀相输送床11内在700-900℃下进行热解，产生的混合气以及固 体产物经溢流管3进入到下游的第二回转窑反应器14内。向第二回转窑反应器14 内通入一定量的氧气，水蒸汽等气体并维持在1100℃。在第二回转窑反应器14内主 要发生热解焦油的热裂解，部分氧化，以及半焦对热解焦油的催化裂解等作用从而 去除焦油；同时发生热解焦炭的部分气化，从而得到大量高品质热解气体。反应后 的产品气体和热解半焦经过排焦管7进入到熄焦装置8中，所得半焦进行熄焦处理 后可用于工业生产。产品气体经旋风分离器5进行气固分离后得到的气化气体用于 工业生产和民用。经旋风分离器5分离出的固体产物通过料腿6进入固体产物收集 装置。

实施例6

本实施例的流化床与稀相输送床相结合的热解气化装置示意图如图7所示，包 括供料装置1、流化床10、稀相输送床11、熄焦装置8、旋风分离器5和料腿6等。

使用该热解气化装置制备无焦油富氢气体时，将粒径<20mm的含碳固体燃料经 供料装置1送入到流化床10内，在700-900℃下进行热解，产生的混合气以及固体 产物经溢流管3进入到稀相输送床11内。向稀相输送床11内通入一定量的氧气， 水蒸汽等气体并维持在1100℃。在稀相输送床11内主要发生热解焦油的热裂解，部 分氧化，以及半焦对热解焦油的催化裂解等作用从而去除焦油；同时发生热解焦炭 的部分气化，从而得到大量高品质热解气体。反应后的产品气体和热解半焦经旋风 分离器5进行气固分离后得到的气化气体和热解半焦可用于工业生产和民用。经旋 风分离器5分离出的固体产物通过料腿6进入熄焦装置8内，进行熄焦处理后可用 于工业生产。

以粒径为0.5-1.5mm的锡林浩特煤为原料，实验处理量为50kg/h的实验装置上 进行研究，所的气体中H₂/CO=2，焦油含量达到50mg/Nm³。气体热值达到1500kcal/ Nm³。

实施例7

本实施例的流化床与沉降炉反应器相结合的热解气化装置示意图如图8所示， 包括由供料装置1、流化床10、沉降炉12、熄焦装置8、旋风分离器5和料腿6等。

使用该热解气化装置制备无焦油富氢气体时，将粒径<20mm的含碳固体燃料经 螺旋进料器1送入到流化床10内在700-900℃下进行热解，产生的混合气以及固体 产物经溢流管3进入到沉降炉12内。向沉降炉12内通入一定量的氧气，水蒸汽等 气体并维持在1100℃。在沉降炉12内主要发生热解焦油的热裂解，部分氧化，以及 半焦对热解焦油的催化裂解等作用从而去除焦油；同时发生热解焦炭的部分气化， 从而得到大量高品质热解气体。反应后的热解半焦由沉降炉12直接进入到熄焦装置 8中，所得半焦进行熄焦处理后可用于工业生产。产品气体经旋风分离器5进行气固 分离后得到的气化气体用于工业生产和民用。经旋风分离器5分离出的固体产物通 过料腿6进入熄焦装置8内，进行熄焦处理后可用于工业生产。

需要指出的是，对于本发明具体实施方法，如反应器的不同组织形式，反应气 氛等均可根据具体的实际需要进行改进；整套反应装置即可在常压下进行，又可在 加压条件下进行；反应原料中可以加入一定量的钙基矿物质或其它具有焦油裂解能 力的矿物质或催化剂，所有这些均不违背本发明的主体思想。