一种碳质材料热解装置、包括该热解装置的热解系统、和热解碳质材料的方法

摘要

本发明公开了一种碳质材料热解装置、含该热解装置的热解系统、和热解碳质材料的方法。所述热解装置包括：热解炉，碳质材料在其中进行热解；和从热解炉上部或顶部延伸到下部或底部的物料分布器，当所述碳质材料和固体热载体的混合物自上而下移动时，所述物料分布器使所述混合物沿热解炉的径向均匀分布。所述物料分布器包括：多个叶片和/或锥状物，所述叶片和/或锥状物交替对称分布在所述热解炉的内部空间中，从而自上而下形成多个在纵向上间隔一定距离，在水平方向上相互交错的布料层。本发明热解装置可使碳质材料和固体热载体实现更加均匀的混合和/或分布，从而有效防止了碳质材料和固体热载体混合物的分层或偏析，使得传热更加均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳质材料热解装置、包括该热解装置的热解系统、和热解碳质材料的方法，尤其涉及一种物料自均匀混合和自均匀分布的热解装置、含该物料自均匀混合和自均匀分布的热解装置的热解系统、和用该热解系统热解碳质材料的方法。 

背景技术

一直以来，低阶煤、尤其是褐煤，因具有水分高、灰分高、挥发分高、热值低、灰熔点低、和稳定性差等特点，而不宜进行长距离运输，目前，低阶煤主要被用作局部地区动力燃料，因而未能得以充分开采和利用。然而，随着人们对全球能源枯竭以及环境恶化的关注和担忧，如何合理、清洁地利用相对高阶煤种储量更为丰富的低阶煤炭资源已成为能源应用领域的一个重要课题。 

煤热解提质是一种将低阶煤转化为高阶煤的有效方式。通过煤热解提质，可将占我国煤炭资源大多数的褐煤、长焰煤、不粘煤和弱粘煤等低阶煤转化为便于长距离运输、并且热值更高的焦或半焦。与运输同等热量的褐煤相比，半焦可节省运力25-30％以上。借助低阶煤热解提质技术能有效克服煤质和煤种局限，使低级煤转变为高质量的气化原料，同时煤热解提质还可回收高热值的热解气和高附加值的焦油产品，实现低阶煤资源利用价值的最大化。 

碳质材料中低温热解是煤热解提质技术的一个核心步骤。热解工艺按照热载体类型可分为气体热载体热解工艺和固体热载体热解工艺。采用气体热载体热解工艺热解时，使用热气体传递热量给碳质材料；采用固体热载体热解工艺热解时，使用热固体传递热量给碳质材料。与气体热载体热解工艺相 比，固体热载体热解工艺产生较多的油品，生产的焦油质量较好；热解气的纯度和热值也较高，可用作城市煤气、工业燃料以及化工原料。 

图6是一个典型的固体热载体热解工艺流程图。其主要流程包括：干煤粉在提升管2中用来自瓷球加热器5的热烟道气预热，预热煤粉在热解旋转炉6中和热瓷球接触、受热并发生热解，产生半焦和热解气，半焦在回转筛7中与瓷球分离并排出，瓷球与半焦分离后进入提升管10中被提升，在被提升到提升管10的顶端后进入瓷球加热器5中再加热，加热器5的燃料为该工艺过程产生的煤气或燃料油，热瓷球再加热后进入热解旋转炉6中循环使用。通常，热解旋转炉6中反应温度应在400-700℃之间，干煤粉与热瓷球通过热解旋转炉6的旋转进行强制混合，进而通过固-固接触完成热量传递，使干煤粉转化为气、液、固热解产物。 

为使干煤粉与固体热载体在尽量短的时间内充分混合并完成热量传递，业界对热解炉的结构设计、固体热载体的选择、混合器的结构设计、热解工艺参数等进行了各种各样的尝试和改进。 

CN201632202U揭露了一种用于固体有机物热解的静态混合进料器。煤粉和高温炉灰从进料口进入圆通内，受重力作用垂直下落，分别经历弧形挡板的聚集作用以及圆锥形挡板的分散作用进行混合，二者经过混合器混合后落入置于该混合器下方的热解反应器中发生热解反应。在弧形挡板和圆锥形挡板的上表面上设有半球形凸起，部分半球形凸起处还设置有圆形开孔，以使物料通过开孔落入反应器中。然而该静态混合进料器在实际使用中仍存在需要克服的问题。首先，弧形挡板和圆锥形挡板上设有凸起，而且并非所有凸起上均设置开孔，经过长时间运行后，必然会在凸起周围形成堆积角。其次，一定量煤粉和固体热载体尚未进行充分混合就通过凸起上的圆形开孔落入了下方的热解反应器中，影响了物料的混合效果。再者，受限于弧形挡板的横向宽度，必须经过两组弧形挡板和圆锥形挡板才能使全部物料经历一个聚集-分散过程，这使得混合器必须有足够的高度来设置多组弧形挡板和圆锥形挡板，进而保证物料在落入热解反应器之前达到预定的混合均匀度。最后，由于弧形挡板和圆锥形挡板上设有凸起和开孔，使得设备制作工艺复杂化，而多组挡板设计使得混合器的处理量受限、并且占用较大空间。 

不同固体物料之间的混合装置和混合方法在现有技术中已有报道，例如，US3664638、US3583678、和US3239197就公开了这样的混合装置和方法。然而，碳质材料和固体热载体在热解的整个过程中是运动的而非静止的，在进入热解反应器前可能是混合和分布均匀的碳质材料和固体热载体，在进入下行固定热解反应器后，由于它们比重、粒径、和/或运动轨迹的差异，仍然有可能在热解反应器中产生新的分层、离析、或偏析，从而造成因颗粒混合物呈正态非线性堆积所产生的混合和分布原本均匀的碳质材料和固体热载体在进入热解反应器后重新产生分布和混合不均匀的局面，这将导致碳质材料热解质量和效率大幅下降的问题，然而，遗憾的是：这一问题长时间并未引起业界重视，至今，现有技术也未公开解决这一问题的办法。 

上述文献的公开内容在此全文引入以作参考。 

基于以上对现有技术中存在的问题的描述和分析，本发明旨在对现有碳质材料热解反应器的结构进行改进和完善，以解决上述悬而未决的技术难题。 

发明内容

本发明目的是提供一种具有物料自均匀分布和/或自均匀混合功能的碳质材料热解装置、包括该热解装置的热解系统，和用该热解系统热解碳质材料的方法。本发明热解装置和热解系统克服了上述现有技术中碳质材料和固体热载体在进入热解反应器后重新产生分布和混合不均匀的不足。 

根据本发明第一个方面，提供一种碳质材料热解装置，包括： 

热解炉，碳质材料或干燥的碳质材料在其中进行热解；和 

物料分布器，在所述热解炉内，从所述热解炉上部或顶部延伸到所述热解炉下部或底部，其中，所述碳质材料和固体热载体的混合物沿所述分布器自上而下移动时，所述物料分布器使所述混合物沿所述热解炉的径向均匀分布，所述物料分布器包括： 

多个叶片和/或锥状物，所述叶片和/或锥状物交替对称分布在所述热解炉的内部空间中，从而自上而下形成多个在纵向上间隔一定距离、在水平方向上相互交错的布料层。 

通常，对上述物料分布器的结构不作任何限制，因为其有很多无法穷尽的等同物，然而，在本发明优选实施方式中，所述物料分布器位于同一布料层的叶片和/或锥状物在其所在的水平面上围绕所述热解装置的中心轴对称布置，更优选地，在彼此相邻的两个布料层中，下层叶片和/或锥状物的水平投影面与上层相邻叶片和/或锥状物之间空隙的水平投影面至少部分重叠。 

所述物料分布器还包括多个支撑柱，其竖直安装在所述热解炉中，用于支撑所述多个叶片和/或锥状物，其中，优选地，至少一个或全部所述支撑柱为耐高温金属杆。 

更优选地，至少一个所述支撑柱为吹气管，所述吹气管的壁上设有至少一个与所述热解炉实现气相连通的气体通道，来源于所述热解炉外的吹扫气体经所述吹气管壁上的气体通道被送入所述热解炉中，用于吹扫在热解炉中形成的热解气体，使其迅速离开热解炉。其中，被支撑在所述吹气管上的叶片和/或锥状物的垂直投影面覆盖所述气体通道。最优选地，所述气体通道沿轴向均匀分布在所述吹气管的壁上，并且所述气体通道的尺寸由上而下逐渐增大。 

在本发明优选的实施方式中，所述物料分布器的叶片和/或锥状物为底径和/或高度相同或不同、尖端向上的圆锥形挡板。 

在本发明优选的另一个实施方式中，所述热解装置还包括至少部分在所述热解炉内、位于所述物料分布器上方的物料混合器，所述碳质材料和固体热载体在其中被迫做紧密接触、并被充分混合后，直接落入所述物料分布器中。 

优选地，所述物料混合器包括上下交替设置、使所述碳质材料和固体热载体的混合物集聚的聚拢叶片和/或锥状物和使所述碳质材料和固体热载体的混合物散开的分散叶片和/或锥状物。作为示范性的实例，所述聚拢锥状物 为大口向上的锥形漏斗，所述分散锥状物为小口向上的的锥形漏斗和/或尖端向上的圆锥体。在上述混合器的广义定义中，对所述混合器的结构不作任何具体限定，然而优选的是：经所述混合器混合的碳质材料与固体热载体的混合均匀度大于或等于70％；所述混合器横向尺寸小于所述分布器横向尺寸。 

任选地，向所述具有物料混合器和物料分布器的热解装置中通入吹扫气体，优选地，所述吹扫气体经上述吹气管壁上的气体通道进入热解装置中。同样优选地，所述吹扫气体选自惰性气体、烟气、冷凝前或冷凝后的气态热解产物、和它们的混合物。更优选地，所述吹扫气体在进入所述热解炉前被预热或与固态热解产物进行热交换。所述吹扫气体也可是为所述碳质材料热解提供热量的气体热载体。最优选地，所述吹扫气体由下而上运行与所述碳质材料和固体热载体的混合物逆流接触。 

同样优选地，所述热解装置进一步包括至少一个自所述热解炉内表面向下倾斜延伸的围挡，所述围挡填补所述物料分布器的水平投影面与所述热解炉内表面之间的间隙，从而避免所述碳质材料和固体热载体的混合物经所述间隙直接落入所述热解炉的出口。 

根据本发明第二个方面，提供一种热解碳质材料反应器系统，包括： 

任选地，干燥炉，用于干燥碳质材料； 

热解炉，任选地与干燥炉相连通，碳质材料或干燥后的碳质材料在其中进行热解，产生粗热解气和固态热解产物； 

物料分布器，在所述热解炉内，从所述热解炉上部或顶部延伸到所述热解炉下部或底部，所述碳质材料和固体热载体的混合物沿所述分布器自上而下移动时，所述物料分布器使所述混合物沿所述热解炉的径向均匀分布，所述物料分布器包括多个叶片和/或锥状物，所述叶片和/或锥状物交替对称分布在所述热解炉的内部空间中，从而自上而下形成多个在纵向上间隔一定距离、在水平方向上相互交错的布料层； 

固体热载体再热器，与热解炉相连通，用于将固体热载体或用过的固体热载体加热或再热后，使之回到或重新循环回热解炉中； 

冷凝装置，气相连通所述热解炉，接收所述热解炉中产生的粗热解气，并对所述粗热解气进行冷凝，以获得液态油和净热解气； 

固-固分离器，连通所述热解炉，用于接收所述固态热解产物和分离固体热载体和固态热解产物；和 

任选地，固态热解产物冷却、钝化装置，用于对固态热解产物进行失活和冷却处理，以降低所述固态热解产物的活性。 

优选地，所述热解炉使用固体热载体为所述碳质材料热解提供热量，所述固体热载体选自对热解反应、裂解反应、和/或加氢反应具有催化活性的无机活性材料、或对上述反应没有催化活性的无机惰性材料。更优选地，所述无机活性材料选自阳离子粘土、阴离子粘土、天然粘土、层状材料、水合滑石或类似物、矿石或其废弃物、矿物或其尾矿、工业固体废弃物、或它们的混合物；所述无机惰性材料选自石英砂、锆英石沙、陶瓷砂、惰性矿石尾砂、或它们的混合物。 

作为本发明一个示范性的示例，上述热解系统还包括将所述固体热载体或用过的固体热载体提升到一定高度的机械式提升机。优选地，所述热解系统进一步包括至少一个热交换器和/或至少一个气-固分离器，以从系统中回收余热和/或从产物气流和/或废气流中回收固体细颗粒和/或粉尘。 

进一步优选地，所述热解系统还包括燃烧装置，富氧气流、固态热解产物、和/或回收的固体细颗粒和/或粉尘在其中进行燃烧，产生加热或再热所述固体热载体的热烟气。通常，上述热交换器包括热交换介质流经其间的盘管式或直管式热交换器；上述气-固分离器包括旋风机、旋风机级联、吸尘器、过滤网、和/或过滤膜等。优选地，上述热烟气在加热或再热所述固体热载体后被引入所述干燥炉中，用于干燥所述碳质材料，并产生干燥废气，其中，用气-固分离器从粗热解气和/或干燥废气中回收固体细颗粒和/或粉尘，所述固体细颗粒和/或粉尘的部分或全部被送至所述燃烧装置中，和所述富氧气流一起燃烧，产生所述热烟气。 

同样优选地，向所述热解炉中引入来自所述热解炉外的吹扫气体，用于将在所述热解炉中产生的气态热解产物迅速吹扫出所述热解炉；所述吹扫气体选自惰性气体、烟气、粗热解气、净热解气、和它们的混合物；更优选地，所述吹扫气体经至少一个吹气管被送入所述热解炉中；最优选地，所述吹气管为支撑所述物料分布器叶片和/或锥状物的中空支撑柱。 

优选地，经上述热交换器，净热解气与从所述热解炉中排出的固态热解产物和固体热载体的混合物实现部分或全部换热后作为吹扫气体被循环回所述热解炉中。 

根据本发明第三个方面，提供一种热解碳质材料的方法，包括： 

将碳质材料和固体热载体引入到热解炉中，在固体热载体的热作用下，使碳质材料在相对缺氧的条件下进行热解； 

所述碳质材料和固体热载体的混合物在所述热解炉中自上而下移动时，使所述混合物沿所述热解炉的径向均匀分布； 

冷凝热解产生的粗热解气，以获得液态油和净热解气；和 

将热解产生的固态热解产物从固态热解产物和固体热载体的混合物中分离出来； 

加热固体热载体或再热用过的固体热载体，并将之循环回热解装置中，和 

任选地，对固态热解产物进行钝化和/或冷却处理。 

优选地，所述方法还进一步包括：在所述热解装置中，使所述碳质材料和固体热载体充分混合和紧密接触。 

更优选地，在上述方法中，所述碳质材料和固体热载体混合物的混合均匀度大于或等于70％。 

同样优选地，上述方法进一步包括：机械提升从所述热解炉中排出的固体热载体；利用热烟气加热所述被提升的固体热载体；使用加热完所述固体热载体后的热烟气干燥所述碳质材料并产生干燥废气；和分离所述粗热解气和干燥废气中的固体细颗粒和/或粉尘，随后至少部分燃烧所述固体细颗粒和/或粉尘，以产生所述热烟气。 

更优选地，上述方法进一步包括将部分所述固体细颗粒和/或粉尘压制成型和/或引入吹扫气体至所述热解炉中。最优选地，上述方法还包括使所述净热解气与所述固态热解产物和固体热载体的混合物进行换热，以加热所述净热解气，冷却所述固态热解产物，随后将加热的净热解气作为吹扫气体引入到所述热解炉中。 

在本说明书中，碳质材料是一个宽泛的概念，其可包括：煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。 

附图说明

从下面参考附图的描述中可更明显地看出本发明上述和其它特征和优点，其中： 

图1为本发明热解反应器系统的示意图； 

图2为应用在图1所示热解反应器系统中的本发明热解装置的一个实施方式的示意图； 

图3为图2所示的热解装置最上面三层布料层的俯视示意图； 

图4为图2所示的热解装置沿吹扫气体入口横向切开的吹气管示意图； 

图5为图2所示的热解装置吹气管的示意性局部放大图；和 

图6为一个现有固体热载体热解工艺流程图。 

具体实施方式

通过下面参考附图的描述进一步详细解释本发明，其中附图中所示的相对应或等同的部件或特征用相同的标记数表示，同时以下描述仅用于使本发 明所属技术领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的原理和精髓，不意味着对本发明进行任何形式的限制。 

如图1所示，本发明热解反应器系统100可主要包括：任选的碳质材料干燥器1、热解炉2、物料混合器3、物料分布器4、固-固分离单元5、固体热载体再热单元6、冷凝单元7、和用于回收干燥废气中固体细颗粒和/或粉尘的气-固分离器8。 

粒径约为10-60mm、优选为30-60mm碳质材料颗粒被送入干燥器1中干燥。干燥器1优选为旋转干燥炉，在其中，碳质材料颗粒温度由室温升至约120℃，含水量减少至不高于15％、优选小于10％。干燥器1的温度为100℃～200℃，以保证碳质材料颗粒在去除水分时不会产生热解和化学变化。可采取任何已知的方式为干燥器1提供热量，以保持干燥器的温度，优选地，使用来源于再热单元6的热烟气作为干燥碳质材料颗粒的热源。干燥器1排出温度约为100℃干燥气，通过耐酸、防腐、耐高温管道12进入气-固分离器8中。气-固分离器8优选为旋风机或旋风机级联，其作用是去除干燥气中的固体细颗粒和/或粉尘，例如细煤粉。分离出固体细颗粒和/或粉尘的干燥气经水洗、过滤后可作为废气排空。气-固分离器8收集的固体细颗粒和/或粉尘优选地被送至再热器6中燃烧，为干燥碳质材料颗粒和加热固体热载体提供热源。对于大规模热解系统而言，还可以选择将部分收集的固体细颗粒和/或粉尘压制成型，形成例如型煤的固体。 

如图2所示，在本发明一个实施方式中，热解炉2包括：顶部进料口20、物料混合区21，底部排料区23，排料区23的底端出口24，在物料混合区21和排料区23之间的热解区22，和在热解区22顶部或上部的气态热解产物出口25。物料混合器3安装在热解炉2的混合区21中，物料分布器4安装在物料混合器3下方，纵向贯穿整个热解区22。典型地，热解炉2、物料混合器3、和物料分布器4内优选只存在非常少量氧气，以便使碳质材料在其中不发生例如燃烧的氧化反应。热解炉优选为固定床热解炉。 

经干燥器1干燥的碳质材料颗粒和来自于再热器6、温度约为600-1100℃、例如900℃固体热载体经不同管道由进料口20进入热解炉2中。碳质材料颗粒与固体热载体充分混合以及热开始向碳质材料颗粒中转移主要在物料 混合器3中进行。在物料混合器3中，碳质材料颗粒被迫与固体热载体紧密接触，热开始从固体热载体中转移到碳质材料颗粒中，同时二者实现充分混合。物料混合器3可选择为任何已知的固体物料混合器，只要能够在10～20秒内使碳质材料颗粒与固体热载体的混合均匀度大于或等于70％即可。如图2所示，作为物料混合器3的一个具体实施方式，物料混合器3可包括使所述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物集聚的聚拢叶片和/或锥状物31和使所述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物散开的分散叶片和/或锥状物32。进一步地说，所述聚拢叶片和/或锥状物31为大口向上的锥形漏斗，所述分散叶片和/或锥状物32为小口向上的锥形漏斗或尖端向上的圆锥体。聚拢叶片和/或锥状物31和分散叶片和/或锥状物32沿热解炉2的混合区21上下交替排布，使碳质材料和固体热载体的颗粒经历数个聚拢-分散的混合过程、优选为2～7级聚拢-分散混合过程后，达到要求的混合均匀度度。聚拢叶片和/或锥状物31和分散叶片和/或锥状物32的轴线与热解炉2的中心线基本重合，所述叶片和/或锥状物的轴截面顶角为30°～80°，所述锥形漏斗的母线与上底面的夹角为40°～65°。特别是，聚拢叶片和/或锥状物31大直径一端的外边缘大体上应当与混合区21的内表面相贴，从而避免未经混合的碳质材料和固体热载体颗粒漏到下面热解区22中，影响热解效果。此外，为增强混合效果和传热效率，混合区21或物料混合器3的宽度或内径小于热解区22的横向尺寸或内径，如此设计具有两个优点：1)内径较小的混合区21使得物料混合器3可以采用高度较小、轴截面顶角较小的漏斗形聚拢叶片31和分散叶片32，因而固体热载体和碳质材料颗粒可以较快的速度向下流动，进而有利于减少碳质材料在热解炉2中的停留时间；2)迫使碳质材料与固体热载体在物料混合器3中发生紧密的固-固接触，提高传热效率。举例来说，热解区22的宽度或内径是物料混合器3宽度或内径的1.5～2倍。需要说明的是，碳质材料颗粒和固体热载体颗粒在物料混合器3中的停留时间应不大于20秒，优选不大于10秒，以避免碳质材料颗粒在混合区21中发生明显热解反应。显然，若采用气体热载体热解工艺或外热式间接传热热解工艺等，不通过固-固接触提供热量，则不需要在热解炉2顶部或上方设置物料混合器3。 

流过物料混合器3最下端的聚拢叶片和/或锥状物31的碳质材料与固体热载体的颗粒混合物进入热解区22中。物料分布器4安装在热解区22中， 并且纵向贯穿整个热解区22，即物料分布器4的上端大体上与热解区22的最上端对齐，下端大体上与热解区22的最下端对齐。在热解区22中安装物料分布器4旨在避免碳质材料和固体热载体的颗粒从热解区22上端向下端移动过程中出现偏析、离析、或分层现象，导致热解炉2中局部区域因物料不均匀分布或堆积出现温度偏高或偏低，从而影响传热和热解。 

如图2所示，作为物料分布器4的一个具体实施方式，物料分布器4包括：多个叶片和/或锥状物41，所述叶片和/或锥状物41交替对称分布在所述热解炉2的内部空间中，从而自上而下形成多个上下交错布置的布料层L1～L8。在本实施方式中，物料分布器4还包括支撑叶片和/或锥状物41的支撑柱40。众多支撑柱40通过设在热解区22上下两端的龙骨45平行竖立在热解区22中。优选地，支撑柱40由高强度、耐高温金属材料制成，叶片和/或锥状物41通过螺纹连接或焊接等方式有序安装到相应支撑柱40上。优选地，如图3所示，叶片和/或锥状物41与支撑柱40基本同轴。 

如图2和图3所示，在本实施方式中，叶片和/或锥状物41优选为底部直径和/或高度相同或不同、例如底部直径和高度大体相同、尖端向上的圆锥形挡板，优选地，圆锥形挡板的轴截面顶角大约为30°～80°。在布料层L1～L8中，位于同一布料层的叶片和/或锥状物41沿热解炉2的径向或水平方向对称布置，而彼此相邻的两个布料层中，下层叶片和/或锥状物41的水平投影面与上层相邻叶片和/或锥状物41之间空隙的水平投影面至少部分重叠，换句话说，上下相邻的布料层在水平方向上相互交错排布。上下相邻两个布料层的叶片和/或锥状物41的数量可是相同或不相同的，叶片和/或锥状物41的数量和排布方式取决于热解区22的内径和叶片和/或锥状物41的水平投影面积。叶片和/或锥状物41排布的基本原则是使碳质材料和固体热载体的颗粒混合物尽可能均匀地分布和扩散到物料分布器4的四周、即热解炉2的内部空间中。以布料层L1～L3为例，布料层L1由1个叶片和/或锥状物41a组成；布料层L2由4个叶片和/或锥状物，即叶片和/或锥状物41b～41e组成；布料层L3由9个叶片/或锥状物，即叶片和/或锥状物41f～41j，42a～42d构成。因叶片和/或锥状物41j位于叶片和/或锥状物41a的正下方，叶片和/或锥状物41h的正后方，故未在图2和图3中示出。 

具体地说，叶片和/或锥状物41a位于物料分布器4的最上层，并与热解炉2的中心轴同轴设置；叶片和/或锥状物41b～41e位于一个在纵向上与叶片和/或锥状物41a隔开一定距离的水平面上，并围绕热解炉2的中心轴相对和对称设置；叶片和/或锥状物41f～41j，42a～42d位于另一个在纵向上与叶片和/或锥状物41b～41e所在的水平面隔开一定距离的水平面上，叶片和/或锥状物41j设在中间，叶片和/或锥状物41f～41i相对和对称设置在叶片和/或锥状物41j的四周。特别是，叶片和/或锥状物41b～41e的中心轴与叶片和/或锥状物41a的中心轴之间的距离小于或等于叶片和/或锥状物41a的宽或直径，使叶片和/或锥状物41b～41e的投影面与叶片和/或锥状物41a的投影面无重叠或边缘有部分重叠。类似地，叶片和/或锥状物41f～4li和41j的中心轴与上层叶片和/或锥状物41b～41e的中心轴之间的距离小于或等于对应的上层叶片和/或锥状物41b～41e的宽或直径，从而使叶片和/或锥状物41f～41j和42a～42d的投影面与叶片和/或锥状物41b～41e的投影面无重叠或边缘有部分重叠。经由布料层L1～L3，上述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物将依次沿以下路径向下移动：由物料混合器3送出的碳质材料和固体热载体的颗粒混合物下落，与布料层L1上的叶片和/或锥状物41a发生碰撞，部分颗粒混合物沿布料层L1上的叶片和/或锥状物41a的外表面落到布料层L2的中心区域和/或叶片和/或锥状物41b～41e上，另一部分颗粒混合物则落到布料层L2的外围区域、甚至是直接落到布料层L3的叶片和/或锥状物41f～41i上，经与布料层L2的叶片和/或锥状物41b～41e的碰撞，又有部分颗粒混合物与之前由布料层L1的叶片和/或锥状物41a上落到布料层L2外围区域的颗粒混合物一起从布料层L2的外围落到布料层L3的叶片和/或锥状物41f～41i和41j上，由于布料层L3包含有9个叶片和/或锥状物，即叶片和/或锥状物41f～41j和叶片和/或锥状物42a～42d，从布料层L2的中心区域、叶片和/或锥状物41b～41e、和/或外围区域落到布料层L3上的混合物被进一步均匀地混合和均匀分布在热解炉2的水平方向上。 

如本领域普通技术人员所容易理解的，布料层L4，L6和L8的叶片和/或锥状物的数量和排布与布料层L2的叶片和/或锥状物的数量和排布可相同或不同，例如、均包含4个围绕中心轴相对和对称布置的叶片和/或锥状物41，布料层L5和L7的叶片和/或锥状物的数量和排布与布料层L3的叶片和/或锥状物的数量和排布可相同或不同，例如、都包含5个叶片和/或锥状物 41和4个叶片和/或锥状物42。与布料层L1～L3相似，布料层L4～L8将向下移动的碳质材料和固体热载体的颗粒混合物沿水平方向逐渐均匀分布到外围(即中心区域摊簿、边缘区域增厚)后再稍稍聚拢，再将稍稍聚拢后的碳质材料和固体热载体的颗粒混合物均匀地分布到外围(即中心区域摊簿、边缘区域增厚)，如此反复多次，使得原本在外围区域的颗粒混合物得以到达中心区域，原本中心区域的颗粒混合物也有机会被分散到外围区域。这样得以避免现有技术中碳质材料和固体热载体的颗粒混合物在向下移动、并逐渐堆积的过程中，因颗粒混合物的偏析、离析、和/或分层导致颗粒物料混合物堆积呈正态非线性分布，即中间高两边低的现象。如本领域普通技术人员所理解的，正态非线性堆积将导致热解炉2中心区域温度过高，靠近炉壁的外围区域温度过低。此外，一般情况下，固体热载体的引入量大于碳质材料颗粒，但仍有可能部分碳质材料颗粒因无法持续直接接触到固体热载体颗粒而缺少进行充分热解所需的热量，但碳质材料和固体热载体的颗粒混合物经过与物料分布器4的叶片和/或锥状物41或42等的碰撞，有助于提高碳质材料颗粒与固体热载体颗粒的接触机率，进而改善传热效率，达到均匀传热和均匀热解的目的。 

通常，促使碳质材料发生热解的热量还包括位于热解炉2壁外的伴热(间接传热，未示出)，伴热可通过电加热、换热等方式提供。在采用伴热的情形下，物料分布器4的设置就显得尤为重要，借助物料分布器4可使热解炉2中的碳质材料在下落堆积的过程中有更多接受伴热热量辐射的机会，进而使碳质材料受热均匀。 

如本领域普通技术人员所容易理解的，虽然图2和图3中给出的物料分布器4包括8个布料层，这8个布料层中的一部分含有相同数量的叶片和/或锥状物41，并且叶片和/或锥状物41的排布方式也相同，但这仅是物料分布器4的一种示范性实施方式。布料层的数量以及布料层中叶片和/或锥状物的尺寸、数量和排列方式可根据热解区22的高度、热解时间、热解区22的横截面积、碳质材料颗粒和固体热载体颗粒的比重、粒径、混合比、流速等参数进行调整。叶片和/或锥状物41的形状也不限于圆锥形，其可是其它任何合适的形状，例如螺旋下降的环面、三角锥形、或多角锥形等。再者，虽然碳质材料和固体热载体的颗粒混合物在物料分布器4中也存在聚拢-分散-再 聚拢-再分散的过程，但因叶片和/或锥状物41和42的排布形式，物料分布器4对混合均匀度提高的贡献有限，经物料分布器4处理，混合均匀度仅提高3％～10％左右。事实上，由于物料混合器3已将固体热载体颗粒和碳质材料颗粒混合到混合均匀度达70％～80％的程度，物料分布器4的主要功能是在不进一步破碎碳质材料和固体热载体的颗粒的情况下，改变碳质材料和固体热载体的颗粒物料流在重力作用下的下落路径和/或轨迹，使部分碳质材料颗粒能在下落过程中被碰撞到热解炉2靠近炉壁的外围区域，从而形成料面形状接近线性的堆积。也就是说，如此设计的物料分布器4可以避免碳质材料和固体热载体的颗粒混合物在热解炉2中形成正态分布曲线的堆积，进而使之更加均匀地受热。 

热解炉2的内表面上优选设有多个向下倾斜的围挡44，所述围挡44至少填补所述物料分布器4的水平投影面与所述热解炉2内表面之间的间隙，从而避免所述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物经所述间隙直接落到出口24处。 

优选地，如图1至图5所示，在本发明实施方式中，热解装置还包括至少一个吹气管43。其中，两根进气管45从设在热解炉2的两个相对侧壁上的进气口26水平延伸到热解区22的下部，并通过相对设置的直角弯管46连通四个竖直向上的吹气管43。吹气管43的壁上有至少一个贯穿所述壁的气体通道430，用于使吹气管43和热解炉2实现气相连通。来源于热解炉2外部的吹扫气体经两根进气管45、两根直角弯管46、和四根吹气管43壁上的气体通道430被送入热解炉2的内部空间中，并将热解炉2中的气态热解产物迅速吹扫到气态热解产物出口25附近，同时，吹扫气体也有助于增强固体热载体颗粒和碳质材料颗粒之间的热量传递。更优选地，在吹气管43上间隔设置的气体通道430的尺寸从上到下逐渐增大，以确保在碳质材料和固体热载体的颗粒混合物在热解炉2中堆积到预定高度后，热解炉2上部和下部的压力大体保持相等。同样优选地，每一个气体通道430上方有一个安装在壁外表面上、自壁外表面向外和向下延伸的挡料板(如图5所示)，用于防止固体热载体或碳质材料的颗粒进入吹气管43的内部或堵塞对应的气体通道430。更优选地，每隔一段距离，吹气管43壁上设有一圈气体通道430，在该圈气体通道430的上方有一个用作所述物料分布器4的叶片和/或锥状物 41的尖端向上的圆锥形挡板42。由于吹气管43的直径可大于支撑柱40的直径，所以圆锥形挡板42的高度可略低于其它叶片和/或锥状物41，呈小口向上的漏斗形。吹气管43优选由金属或其它耐高温材料制成，其横截面可为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形、和/或任何规则形状。贯穿的气体通道430可为孔、槽、和/或任何规则形状的贯穿开口。吹气管43的数量、尺寸和排布方式可根据热解炉2的尺寸和热解参数进行调整。也可以全部使用吹气管43来支撑物料分布器4的叶片和/或锥状物41和/或42。为进一步提高液态热解产物的收率，用于送入吹扫气体的吹气管43可经进气口26与泵(未示出)相连通，以便在吹气管43中形成正压，这样做的好处是气态热解产物在正压力的作用下能更快地被吹扫出热解炉2。所述吹扫气体选自惰性气体、烟气、粗热解气、净热解气、和它们的混合物。优选地，所述吹扫气体是经冷凝分离出液态热解产物后的净热解气。 

碳质材料和固体热载体的颗粒混合物流经物料分布器4后，在热解炉2中呈均匀分布和堆积，并进行充分热解，碳质材料在热解炉2中的总停留时间约为20～60分钟，产生的粗热解气随吹扫气体一道迅速离开热解炉2，并进入冷凝单元7，同时，固体热载体和固态热解产物、如焦或半焦一同被排出热解炉2外，并被送入固-固分离单元5中，实现固体热载体和固态热解产物的分离。 

固-固分离单元5可包括热交换器50和固-固分离器52。热交换器50在此处也可看作是熄焦装置。在热交换器50中，固态热解产物和固体热载体的颗粒混合物与来自于冷凝单元7的净热解气实现换热，用于钝化和冷却固态热解产物，降低所述固态热解产物的活性，以便于后续的存储和长途运输。换热后，温度约为450℃～600℃的热净热解气被通入进气管45中，并作为吹扫气体经吹气管43壁上的气体通道430被送入热解炉2中。降温后的固态热解产物和固体热载体的颗粒混合物被送到固-固分离器52中实现分离。作为一个具体实例，固-固分离器52可是筛式分离器，利用固体热载体和固态热解产物颗粒的粒径差实现固体热载体和固态热解产物颗粒的分离。 

分离所得到的固体热载体颗粒随后被引入固体热载体再热单元6中，从而实现固体热载体再热后的循环利用。作为一个具体的实例，固体热载体再 热单元6包括高温斗式机械提升机60、燃烧器64和再热器66。分离所得到的固体热载体被送到机械提升机60底部的收集料斗62中，通过机械力传送到提升机60的顶部。提升机60的顶部高度应大于热解炉2的顶部高度。收集料斗62中的固体热载体颗粒被提升后，紧接着被引入到再热装置66中。向燃烧器64中通入空气等富氧气流和从气-固分离器8和72中收集的碳质材料固体细颗粒和/或粉尘，使它们在燃烧器64中进行燃烧，以产生热烟气。从再热器66底端引入上述热烟气，以将固体热载体加热或再热至约600-1100℃、例如900℃。从再热器66上端排出的废热烟气随后被送到干燥器1中干燥其中的碳质材料颗粒。这样设计使得工艺气携带的热量和可燃碳质材料细颗粒和/或粉尘被收集和加以利用，提高了系统的热效率和排空气体的质量，尤其是，对热烟气的多级利用有利于提高能源利用率。固体热载体再热单元6也可以被替换为任何其它已知形式的加热或再热设备或装置，例如流化床式燃烧提升管等气动式提升加热或再热装置。 

含有吹扫气体、可冷凝气态热解产物、不可冷凝气态热解产物、和固体细颗粒和/或粉尘的粗热解气从热解炉2的气态热解产物出口25被排出，随后被引入到冷凝单元7中。在一个示范性实施方式中，冷凝单元7包括气-固分离器、例如旋风机或除尘装置72和一级或多级冷凝器70。气-固分离器72用于除尘和收集上述粗热解气夹裹的固体细颗粒和/或粉尘，上述固体细颗粒和/或粉尘包含相当比例的固态热解产物细颗粒和/或粉尘，该细颗粒和/或粉尘随后被送到燃烧器64中燃烧和/或被压制成块状型煤。在冷凝器70中，除尘后的热解气中可冷凝气态热解产物被冷却和凝结为液态焦油后，被送到储油罐等存储设备中，不可冷凝的气态热解产物作为净热解气或煤气被送入储气罐中备用。 

在实施图1所示的本发明系统时，原煤、生物质、市政垃圾等各种固态碳质材料首先被破碎成直径约为10-60mm、优选约为30-60mm的颗粒物。破碎后的碳质材料可随后被送入干燥器1中被干燥至预定含水量。接下来，干燥后的碳质材料颗粒和热固体热载体颗粒从热解炉2的上方被引入到位于热解炉2顶部的物料混合器3中。本发明无意对所用固体热载体做特殊限制，只要是具有载热功能的无机材料即可，例如氧化锆陶瓷球。上述碳质材料颗粒与固体热载体颗粒在物料混合器3中经例如2～7级聚-散混合达到70％以 上的混合均匀度。混合充分的碳质材料和固体热载体的颗粒混合物经物料分布器4缓慢向下移动并在热解炉2中逐渐堆积。由于物料分布器4的叶片和/或锥状物41和42有规律地改变了颗粒混合物的移动轨迹，使得颗粒混合物在堆积过程中其料面形状始终接近线性，因而避免了因离析、偏析/偏行、和/或分层现象导致颗粒分布不均或颗粒混合物堆积呈正态非线性分布，进而提高了传热和/或热解的均匀度，改善了热解质量和效率。上述颗粒混合物在热解炉2中的停留时间约为20～60分钟，固态热解产物随固体热载体一起经固态热解产物出口24被排出，粗热解气经气态热解产物出口25被排出。热解炉2可为固定床型热解炉。任选地，固态热解产物和固体热载体的颗粒混合物与冷凝粗热解气所得的净热解气进行换热，从而冷却和钝化固态热解产物，加热净热解气。温度约为300-600℃、例如570℃的净热解气可优选作为吹扫气体经吹气管43被循环回热解炉2中。任选地，所述吹气管43用来支撑物料分布器4的叶片和/或锥状物42。吹扫气体的来源也不局限于上述纯净热解气，还可选用惰性气体、烟气、合成气、焦炉煤气、荒煤气、和它们的混合物。但无疑上述纯净热解气是最优选的，因为无需再进行热解气和吹扫气体的分离。冷却至约400℃的固态热解产物与固体热载体在固-固分离器52中实现分离，固态热解产物被送去存储或燃烧，固体热载体则被回收到固体热载体再热单元6中，并被斗式机械提升机60提升至一定高度后在再热器66中再热。任选地，在燃烧器64中燃烧从干燥废气和粗热解气中分离出的固体细颗粒和/或粉尘，以产生再热固体热载体的热烟气，优选地，向再热器66中通入所述热烟气先再热固体热载体，再将热烟气废气从再热器66中引入到干燥器1中，干燥碳质材料颗粒。温度例如约为900℃的再热固体热载体随后被送入热解炉2上方的物料混合器3中，与碳质材料颗粒进行混合和接触，为热解碳质材料提供热量。任选地，在热解炉2的侧壁上提供伴热，作为热解碳质材料的补充热量。 

上述热解装置、热解系统、以及热解工艺至少可以实现以下部分或全部优点：1用燃烧固态热解产物的细颗粒和/或粉尘产生的热烟气提供再热固体热载体和干燥碳质材料的热量，实现热量的充分合理利用，提高了热效率；2碳质材料和固体热载体在热解炉入口处就基本被充分混合，在热解炉中又被二次混合和均匀分布，所以其堆积角被消除，传热和热解更加均匀，从而克服了传统热解炉内物料混合和分布不均导致传热不均的问题；3通入吹扫气 体，同时实现固-固热量传递和气-固热量传递，并减少了粗热解气在热解炉中的停留时间，从而降低了焦油等液态热解产物在热解炉内发生二次裂解的可能，提高了收油率；4通过净热解气与固态热解产物的换热，实现了固态热解产物的钝化和/或冷却，减少了工艺的整体能耗；5回收了工艺气中的固态热解产物的细颗粒和/或粉尘，既减少了环境污染，又增加了固态热解产物的利用率；和6使用机械式提升机提升固体热载体，相对于流化床燃烧气态提升管节能效果更显著。 

本发明热解装置、热解系统、以及热解工艺可被用于热解或干馏各种固态碳质材料，例如煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质材料废料或尾矿、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政工业废料、沥青、和它们的混合物，而优选地被用于热解含水量高、挥发分也高的低阶煤种，例如含水量大于15重量％和挥发分大于25重量％的低阶煤，而特别优选地被用于热解或干馏褐煤或长焰煤。 

需要说明的是：本发明热解装置、热解系统、以及热解工艺可以有多种不违背本发明原理和实质的变通和改进。例如，布料层中，叶片和/或锥状物可不通过支撑柱来固定，而是通过连接件被固定在热解炉的内壁和/或顶部；上下相邻两个布料层中，物料分布器的叶片和/或锥状物的结构和形状可采用如物料混合器的结构，即采用包括使所述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物集聚的聚拢叶片和/或锥状物和使所述碳质材料和固体热载体的颗粒混合物散开的分散叶片和/或锥状物的结构、特别是采用其中使所述聚拢锥状物为大口向上的锥形漏斗、所述分散锥状物为小口向上的锥形漏斗和/或尖端向上的圆锥体的结构。 

在本说明书中，混合均匀度按以下方式定义和测量：在同一取料口每隔相等的时间抽取一定量的碳质材料和固体热载体的颗粒混合物，测量碳质材料在该颗粒混合物中的比例或浓度，其中，提取颗粒混合物的次数为n次，每次测量的碳质材料在该颗粒混合物中的比例或浓度为x_i，i为小于或等于n的整数，按以下数式(1)计算抽取次数为n的碳质材料颗粒在该颗粒混合物中的平均比例或平均浓度X： 

$X=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i---\left(1\right)$

之后，按以下数式(2)计算碳质材料颗粒在该颗粒混合物中的比例或浓度的标准偏离值S： 

$S=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_i-X)}^2}---\left(2\right)$

随后，按以下数式(3)计算表征比例或表征浓度的标准偏离值R： 

$R=\left(\frac{S}{X}\right)\times 100\%---\left(3\right)$

最后，按以下数式(4)得出碳质材料颗粒在该颗粒混合物中的混合均匀度H： 

H＝1O0％-R    (4) 

实施例 

实施例1 

用以下入料和工艺参数，在下述操作条件下，运行具有图2-4所示的物料混合器和物料分布器的图1所示的本发明热解反应器系统。本实施例中所用的碳质材料是一种典型的中国褐煤，其工业分析和元素分析如表1和表2所示。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。 

表1 

表2 

热解反应器系统的工艺参数和操作条件如下： 

反应器系统的压力为常压，干燥器温度为120℃，热解炉温度为650℃，再热器温度为900℃。采用规模为1000吨/天的小试固定床热解炉，该热解炉内径4m，物料入口口径1.5m，高20m，在热解炉中共安装9根支撑柱，4根吹气管，吹气管内径均为0.1m。物料混合器包括三个聚拢叶片和两个分散叶片，聚拢叶片为轴截面顶角50°、高0.5m、大口朝上的锥形漏斗挡板，分散叶片为轴截面顶角30°、底部半径0.4m、高0.8m、尖端朝上的圆锥体挡板。物料分布器的叶片为轴截面顶角30°、底部半径0.4m、高0.8m，尖端朝上的圆锥体挡板。物料分布器共包含8个布料层，所述布料层纵向间隔设置，上下相邻的两个布料层中，下层叶片的水平投影面与上层相邻叶片之间空隙的水平投影面重叠，以使上下层叶片在水平方向上相互交错排布。 

褐煤颗粒平均粒径为35mm，氧化锆瓷球固体热载体平均粒径为3mm；褐煤颗粒与固体热载体重量比为1∶5，褐煤和热载体在上述热解炉中总停留时间为35分钟。吹扫气体流速为5吨/小时。 

热解所得焦油产率、半焦产率、煤气产率、和水产率、以及系统热效率分别表示在下面表3中。 

对比实施例1 

从上述热解炉中拆除物料布料器，在上述工艺参数和操作条件不变的情况下重复实施例1的过程，热解所得焦油产率、半焦产率、煤气产率、和水产率、以及热效率也分别表示在下面表3中。 

表3 

比较表3的实验数据发现：与未采用本发明物料分布器的热解反应器系统相比，本发明热解反应器系统提供了较高的焦油收率和热效率以及较低的净热解气(煤气)产率。 

本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。 

尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本发明所属技术领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。