[发明专利]一种热解气化装置和工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种热解气化装置和工艺，特别是一种基于半焦的催化活性和自热携带能力的三塔式高通量半焦循环流化床煤或煤和生物质的混合物热解气化工艺。属于低阶煤或煤和生物质的混合物热解-气化-燃烧耦合的热化学转化分级利用领域。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，在未来相当长的时期内，仍将在我国的能源结构中占主导地位，其中，以褐煤和低变质烟煤为代表的低阶煤储量占煤资源总量的55%以上。随着高变质煤种越来越少，低阶煤的优化利用日显重要。而低阶煤煤化程度低、含水量高，直接燃烧或气化效率低、污染物和碳排放量大，无法充分利用其资源价值，导致了煤炭资源的巨大浪费。

低阶煤热解是其高效利用的重要方法之一。根据低阶煤的组成和结构特征，把煤的热解、气化、燃烧及其它过程有机结合已取得了一定的成功经验，但现有热解耦合技术存在着工艺流程长、设备多、能耗高以及操作控制复杂等缺点。中国发明专利CN 102504842A根据煤中不同组分在不同转化阶段反应性不同的特点，以高温循环灰为固体热载体，热解-气化-燃烧三流化床为核心装置，旨在提高煤转化效率和利用效率，减小投资、降低成本。但该工艺存在如下不足：首先，由于高温循环灰粒度小，存在热解煤气含尘量高，容易造成管路堵塞和粉尘-焦油难以分离等问题，而且采用高温循环灰作为热载体，灰的热值低、密度低，传热效率不高；其次，该工艺所用的热解装置为鼓泡流化床热解器，该床型中低阶煤颗粒停留时间分布较广，不同煤颗粒所处反应阶段存在显著差异，降低了对目标产物焦油的选择性和热解效率，不利于高品质焦油的生成。因此，该工艺存在出油率低、重油组分含量高、焦油提纯困难以及热能利用率低等不足。中国发明专利CN201410077858.8提出了一种包括循环流化床锅炉、移动床热解反应器和气化炉的煤热解气化多联产装置，将移动床气化炉作为热解煤气的净化装置对热解煤气在线除尘。该工艺利用循环流化床锅炉的高温循环灰作为热载体，同样存在高温循环灰热载体的缺陷，且采用移动床热解器和气化炉反应效率低、无法实现快速热解，且难以控制热解焦油品质。日本东京大学（Chemical Engineering Science, 66(18)(2011)4212-4220；Chemical Engineering Journal, 164 (2010) 221-229；Advanced Powder Technology, 25(1)(2014)379-388）基于自热再生理论提出了“新型高密度三塔式循环流化床气化工艺”，该工艺创新性的将热解器调整为下行床型，实现了对热解反应时间的精确调控；同时在热解半焦颗粒进入气化器前将热解产物分离，避免了热解挥发份的存在对热解半焦气化生成合成气的抑制作用。但该工艺采用石英砂作为固体载热颗粒，导致该装置存在动力消耗大、设备磨损严重等问题；同时载热介质与煤颗粒密度差较大，运行过程容易产生偏析现象，不利于传热过程的进行，进而影响快速热解的效率。中国发明专利CN201210064139.3采用高温半焦作为载热体在流化床热解炉和流化床半焦加热炉之间循环，可实现煤气、焦油、半焦和蒸汽联产。但该工艺采用的热解炉和半焦加热炉均为传统的鼓泡流化床型，热解及燃烧效率低，无法对热解时间精确控制获得高品质热解油，且缺少气化工序以致半焦产品得不到充分利用。上述工艺均未考虑利用高温半焦颗粒的催化活性和多孔吸附性能来增加出油率和油品品质，高温半焦自身携带的热量也未得到充分利用。

生物质能是一种可再生新能源，在化石能源日渐枯竭的背景下开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机，而且可以减轻环境污染，同时节省能源。因此，生物质热解、气化作为大规模利用生物质能的技术手段也越来越得到人们的重视，但生物质的能量密度低，单独用于热解或气化时温度较低、过程不易控制、设备易腐蚀、生成焦油多，不仅降低其利用效率，而且会造成二次污染，使单独热解或气化的规模受到限制。与燃料煤相比，生物质形成的时间短，其结构疏松，热解、气化和燃烧过程具有自己的特点。生物质与煤混和燃烧能够减少硫氧化物和氮氧化物的排放，生物质与煤的混合热解过程中两者会有不同程度的协同作用，如生物质热解产生的富氢气体可以作为煤加氢热解的氢源。而且生物质的反应活性一般高于煤，大多数生物质气化后生成的半焦往往具有更高的催化活性，对煤或生物质热解都有不同程度的催化促进作用。因此将生物质与煤共热解或气化，既克服了生物质单独热解或气化过程中的各种问题，又可弥补煤炭资源的短缺，而且无论从生态学还是经济学的角度分析，都是最可行的利用方式之一。

发明内容