阅读说明：本技术 一种热解-气化一体化装置及工艺 (Pyrolysis-gasification integrated device and process ) 是由 孙鸣 袁童童 李曦 朱路路 么秋香 马晓迅 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：一种热解-气化一体化装置及工艺,包括相连通的热解炉气化炉,热解炉与气化炉之间设置带有横管冷凝的半焦分布器；热解炉顶端开设有进料口,进料口一侧开设有热解炉煤气出口；热解炉煤气出口与旋风分离器相连；旋风分离器顶端出口经间接恒冷器与蒸馏塔相连；气化炉上开设有气化气出口,气化气出口与脱硫装置相连；气化炉上设置有与气化炉内部相连通的气化喷嘴。本发明在一个炉体中实现上部热解下部气化的功能。热解炉和气化炉能够同时进料,在高温高压的操作条件下,即提高了热解和气化的效率,极大地增强了设备单位产气能力,又提升了煤气和气化气的品质。本发明采用高温加压操作条件,热效率高；进料粉煤粒度小,气化反应进行充分,副产物少。(A pyrolysis-gasification integrated device and a process thereof comprise a pyrolysis furnace communicated with each other, and a semicoke distributor with a transverse pipe for condensation is arranged between the pyrolysis furnace and the gasification furnace; a feed inlet is formed in the top end of the pyrolysis furnace, and a pyrolysis furnace gas outlet is formed in one side of the feed inlet; a gas outlet of the pyrolysis furnace is connected with the cyclone separator; the top outlet of the cyclone separator is connected with the distillation tower through an indirect constant cooler; a gasified gas outlet is formed in the gasification furnace and is connected with a desulfurization device; the gasification furnace is provided with a gasification nozzle communicated with the interior of the gasification furnace. The invention realizes the function of upper pyrolysis and lower gasification in a furnace body. The pyrolysis furnace and the gasification furnace can be simultaneously fed, so that the pyrolysis and gasification efficiency is improved under the operating conditions of high temperature and high pressure, the gas production capacity of a unit of equipment is greatly enhanced, and the quality of coal gas and gasified gas is improved. The invention adopts high-temperature pressurizing operation conditions, and has high thermal efficiency; the granularity of the fed pulverized coal is small, the gasification reaction is fully carried out, and the byproducts are few.)

一种热解-气化一体化装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种热解-气化一体化装置及工艺，属于煤气化技术领域。

背景技术

我国“缺油、少气、相对富煤”的能源赋存状态决定了煤在我国经济发展中具有不可替代的地位。发展煤化工尤其是煤热解和煤气化技术，因其是煤深度加工利用的基础，而且具有高效、环保等特点，在我国对煤热解和煤气化技术的研究受到了广泛关注。

随着对煤热解和煤气化技术研究的不断深入，根据煤的组成和结构特点，将煤进行热解炼焦、气化、液化等技术已经有广泛报道，但是我国低阶煤储量较大，以劣质煤为原料将煤进行热解、气化等技术存在工艺流程长、设备多、能耗高且操作复杂等不利因素。

目前的煤热解技术中，灰融聚粉煤干馏会加大生成半焦的燃烧量，要求燃烧单元的设备尺寸更大，增大设备投资；以高温水煤气作为热解原料的流化介质和热载体的粉煤热解技术，对气体压缩机的材质和高苛刻环境下稳定、长周期运行有更高的要求，严重制约了该技术的发展；以循环流化床燃烧为基础，高温循环灰作为热载体的热解技术，存在热解煤气含尘量高，易造成管路堵塞和含尘焦油难利用等问题，且高温循环灰作为热载体，灰热值低、密度低、传热效率低。煤气化技术主要有水煤浆气化技术和粉煤气化技术，其中粉煤气化技术应用较广，气化炉多为激冷操作流程，造成生产过程产生的高温显热难以有效利用，造成热能的浪费，而且生产过程中产生的煤气夹带飞灰的含碳量较高，造成能源的浪费。

中国发明专利CN 108893130A提出的一种粉煤干馏装置及粉煤干馏方法，该发明无烟气的排放，焦炭气化生成气能进一步合成甲醇及轻质油品，但是产物中有难以利用的焦油及气体，且生成油品的品质难以控制、收率不高。

中国发明专利CN 103881761A提出的一种基于循环流化床的煤热解气化多联产装置及工艺，该发明旨在通过将移动床气化炉作为热解含尘煤气的净化装置，解决热解含尘煤气堵塞管路及含尘焦油的问题，但是该工艺采用的移动床热解器和气化炉无法实现煤的快速热解，焦油品质难以有效控制，且热解气化效率低。

中国发明专利CN 104789245A提出的一种热解气化装置和工艺，该发明通过高温循环半焦将上行床氧化燃烧器、下行床快速热解器和鼓泡床气化器三个主反应器连接起来，实现了反应过程的有机耦合，但依然存在传热效率低，处理量小，工艺繁杂等缺点。

中国发明专利CN 109233907A提出了一种煤与生物质混合制气系统及其制气方法，该发明在同一炉体中实现煤气化和生物质热解，具体为炉体下部气化反应区实现煤气化，上部热解区实现生物质热解，该装置大大简化了工艺流程，并且避免了高温灰和热解焦带来的低传热效率，有利于反应物的热解和气化过程，但是该发明煤气反应炉操作温度/压力较低，生产能力较小，并且反应炉上部热解区的管路设计易受生物质原料性质影响而发生堵塞，使系统稳定性变差。

发明内容

为了解决目前现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种热解-气化一体化装置及工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种热解-气化一体化装置，包括相连通的热解炉气化炉，热解炉与气化炉之间设置带有横管冷凝的半焦分布器；

热解炉顶端开设有进料口，进料口一侧开设有热解炉煤气出口；热解炉煤气出口与旋风分离器相连；旋风分离器顶端出口经间接恒冷器与蒸馏塔相连；

气化炉上开设有气化气出口，气化气出口与脱硫装置相连；

气化炉上设置有与气化炉内部相连通的气化喷嘴。

本发明进一步的改进在于，带有横管冷凝的半焦分布器与耐火砖衬相连，带有横管冷凝的半焦分布器包括均匀分布的横管；横管为上尖下宽的三棱柱结构，分布为纵横交叉均匀分布，横管之间形成方形孔洞；横管内部设置有冷凝管。

本发明进一步的改进在于，旋风分离器底端出口与气化喷嘴相连；气化炉内壁设置有耐火砖衬，耐火砖衬内部设有水冷壁。

本发明进一步的改进在于，耐火砖衬内部的水冷壁和横管内部的冷凝管相连通。

本发明进一步的改进在于，热解炉内设置有旋转分布器，进料口与旋转分布器相连通。

本发明进一步的改进在于，间接恒冷器包括第一间接恒冷器和第二间接恒冷器，第一间接恒冷器和第二间接恒冷器内部的顶部均设置有喷淋装置；

蒸馏塔的侧壁上部出口与第一间接恒冷器和第二间接恒冷器顶部的入口相连。

本发明进一步的改进在于，蒸馏塔顶端出口和底端出口均与焦油收集槽相连；焦油收集槽自上至下包括轻质焦油收集槽和重质焦油收集槽；

气化炉底端设置有循环冷却装置，循环冷却装置内设置有排渣装置，排渣装置位于气化炉底部出口处，循环冷却装置底部设置有灰渣槽；

所述气化喷嘴为四个，并且沿气化炉周向均匀分布。

一种热解-气化一体化工艺，包括以下步骤：

(1)进行气化过程：

将煤粉与气化剂混合后，进入气化炉中进行气化，得到以一氧化碳和氢气为主的高温气化气及熔渣；气化过程中产生的熔渣进入循环冷却装置进行熄渣，气化炉内温度为1100-1500℃；气化过程中产生的高温气化气一部分向上进入热解炉中参与热解过程，另一部分经气化气出口进入脱硫装置进行脱硫净化，得到气化气；

(2)进行热解过程：

将煤粉加入热解炉中，煤粉在热解炉内受到气化炉内发生的气化过程产生的高温气化气的加热作用发生热解，产生热解炉煤气和热解半焦；热解过程中，热解炉内温度为500-800℃；热解半焦经过带有横管冷凝的半焦分布器进入气化炉参与气化过程，实现热解气化一体化；

热解炉煤气进入旋风分离器进行除尘净化后经旋风分离器出口进入间接恒冷器进行降温冷凝，再经蒸馏塔蒸馏，得到中质焦油。

本发明进一步的改进在于，间接恒冷器包括第一间接恒冷器和第二间接恒冷器，第一间接恒冷器和第二间接恒冷器内部的顶部均设置有喷淋装置；第一间接恒冷器和第二间接恒冷器内的喷淋装置对热解炉内煤气冷凝的焦油进行冲洗，然后蒸馏，得到轻质焦油和重质焦油。

本发明进一步的改进在于，第一间接恒冷器的温度为30-50℃，第二间接恒冷器的温度为10-20℃；

热解炉的热解温度为500-800℃，气化炉的气化温度为1100-1500℃，热解炉和气化炉内压力为2-4MPa；

气化剂包括水蒸气和氧气，水蒸气与氧气的摩尔比为100:(1-10)。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明在一个炉体中实现上部热解下部气化的功能。热解炉和气化炉能够同时进料，在高温高压的操作条件下，即提高了热解和气化的效率，极大地增强了设备单位产气能力，又提升了煤气和气化气的品质。

2、原料种类选择性宽。本发明可使任何煤种有效转化，它能够处理无烟煤、石油焦、烟煤及褐煤等各种煤，并且本发明所用原料不限于煤，也可使用油、生物质以及包括煤在内它们的两两混合物。

3、能源利用率高，环境效益好。本发明采用高温加压操作条件，热效率高；进料粉煤粒度小，气化反应进行充分，副产物少。

附图说明

本发明所绘制的附图，均仅用于配合说明书内容，不对本发明作限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系或大小的调整，在不影响本发明所产生的功效的情况下，均应落入本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的一种热解-气化一体化装置示意图；

图2为带有横管冷凝的半焦分布器的俯视图；

图3为横管分布结构示意图；

图4为横管截面示意图；

图中，1-进料口；2-旋转分布器；3-带有横管冷凝的半焦分布器；4-水冷壁；5-气化气出口；6-耐火砖衬；7-气化喷嘴；8-循环冷却装置；9-排渣装置；10-灰渣槽；11-热解炉煤气出口；12-旋风分离器；13-喷淋装置；14-第一间接恒冷器；15-第二间接恒冷器；16-蒸馏塔；17-焦油收集槽；18-第一废热锅炉；19-第二废热锅炉；20-脱硫装置；21-气化气储罐；22-横管；23-冷凝管；24-热解炉；25-气化炉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步阐述。

本说明书中所用如“上部”、“下部”、“顶端”、“底端”等用语，仅为便于叙述的明了。而非限定本发明可实施的范围，对其相对关系的改变或调整，在无实质技术变更的情况下，当视作本发明可实施的范畴。

参见图1和图2，本发明的一种热解-气化一体化装置包括：热解炉24、气化炉25、进料口1；旋转分布器2；带有横管冷凝的半焦分布器3；水冷壁4；气化气出口5；耐火砖衬6；气化喷嘴7；循环冷却装置8；排渣装置9；灰渣槽10；热解炉煤气出口11；旋风分离器12；喷淋装置13；第一间接恒冷器14；第二间接恒冷器15；蒸馏塔16；焦油收集槽17；第一废热锅炉18；第二废热锅炉19；脱硫装置20；气化气储罐21；横管22与冷凝管23。

具体的，参见图1，热解-气化一体化装置自上至下包括热解炉24、气化炉25、循环冷却装置8与灰渣槽10；热解炉24与气化炉25之间设置带有横管冷凝的半焦分布器3；循环冷却装置8设置在气化炉25底部并与气化炉25相连通，循环冷却装置8与气化炉25之间设置有排渣装置9，灰渣槽10设置在循环冷却装置8底部。

热解炉24顶端开设有进料口1，进料口1一侧开设有热解炉煤气出口11；热解炉24内设置有旋转分布器2，进料口1与旋转分布器2相连通；热解炉煤气出口11与旋风分离器12相连；旋风分离器12顶端出口与第一间接恒冷器14底部进口相连，第一间接恒冷器14顶端出口与第二间接恒冷器15底端进口相连；第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15的底端出口与蒸馏塔16进口相连；第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15内部的顶部均设置有喷淋装置13，蒸馏塔16的侧壁上部出口与第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15顶部的入口相连；蒸馏塔16顶端出口和底端出口均与焦油收集槽17相连。焦油收集槽17自上至下包括轻质焦油收集槽和重质焦油收集槽。

气化炉25的侧壁上部开设有气化气出口5，气化炉25的侧壁下部开设有气化喷嘴7，底端设置有循环冷却装置8，排渣装置9位于气化炉25底部出口处，循环冷却装置8底部设置有灰渣槽10；气化气出口5与第一废热锅炉18和第二废热锅炉19依次串联，具体的，气化气出口5与第一废热锅炉18的底部入口相连，第一废热锅炉18的顶部出口与第二废热锅炉19的底部入口相连，第二废热锅炉19的顶部出口与脱硫装置20的底部入口相连，脱硫装置20的顶部出口与气化气储罐21的入口相连；原料与气化剂经气化喷嘴7进入气化炉25，旋风分离器12底端出口与气化喷嘴7相连；气化炉25内壁设置有耐火砖衬6，耐火砖衬6内设有水冷壁4。

所述气化喷嘴7为四个沿气化炉25周向均匀分布的喷嘴。

参见图2，带有横管冷凝的半焦分布器3与耐火砖衬6相连，带有横管冷凝的半焦分布器3包括若干均匀分布的横管22；参见图3和图4，横管22为三棱柱结构，横管22内部设置有冷凝管23，若干冷凝管23为纵横交叉均匀分布，形成方形孔洞。

所述横管22材质与耐火砖衬6相同。

参见图1和图2，耐火砖衬6内部的水冷壁4与横管22内部的冷凝管23相连通。

本发明的热解-气化一体化工艺，包括以下步骤：

(1)处理原料

原料煤干燥后，进行破碎、研磨、筛分得到粒径小于和大于75μm的煤粉，分别称为煤粉-1和煤粉-2。

(2)气化工艺过程

将煤粉-1与气化剂混合后，一并通过气化喷嘴7进入气化炉25，煤粉-1与气化剂在气化炉25内受到耐火砖衬6的高温辐射作用，迅速经历预热、干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，得到以一氧化碳和氢气为主的高温气化气及熔渣；气化过程中，通过控制原料及气化剂的加入量和水冷壁4的冷却效率等将气化炉25内温度维持在1100-1500℃。气化过程中产生的熔渣经排渣装置9进入循环冷却装置8进行熄渣，冷却后的熔渣排入灰渣槽10。气化过程中产生的高温气化气一部分向上进入热解炉24参与热解过程，一部分经气化气出口5依次进入第一废热锅炉18和第二废热锅炉19冷却，进行热量的回收；冷却后的高温气化气进入脱硫装置20进行脱硫净化，净化后的气化气进入气化气储罐21收集储存。

(3)热解工艺过程

将煤粉-2通过进料口1经旋转分布器2均匀加入热解炉24，煤粉-2在热解炉24内受到气化炉25内发生的气化过程产生的高温气化气的加热作用发生热解，产生热解炉煤气和热解半焦；热解过程中，通过控制煤粉-2的加入量和气化工艺过程将热解炉24温度维持在500-800℃。热解过程产生的热解半焦向下经过带有横管冷凝的半焦分布器3进入气化炉25参与气化过程，实现热解气化一体化操作。

热解过程中产生的热解炉煤气经热解炉煤气出口11进入旋风分离器12进行除尘，除尘产生高温灰和除尘后的热解炉煤气，得到的高温灰向下经过旋风分离器12的底端出口与煤粉-2及气化剂一并经喷嘴7进入气化炉25，除尘后的热解炉煤气经旋风分离器12顶端出口依次进入第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15进行降温冷凝，冷凝后得到的焦油经第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15进入蒸馏塔16中进行蒸馏，蒸馏得到的中质焦油经蒸馏塔16上部出口通过第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15内上部的喷淋装置13对热解炉煤气冷凝的焦油进行冲洗，蒸馏得到的轻质焦油和重质焦油分别经蒸馏塔16上部出口和下部出口收集于轻质焦油收集槽和重质焦油收集槽中。

经过上述步骤，实现煤的热解和气化反应，获得焦油和气化气。根据实际需要，可调节装置工艺流程，比如，气化气出口可选择性关闭，只生产焦油；

第一间接恒冷器14的温度控制在30-50℃，第二间接恒冷器15的温度控制在10-20℃。

热解-气化一体化装置运行过程中，热解炉24的热解温度控制在500-800℃，气化炉25的气化温度控制在1100-1500℃，炉体压力控制在2-4MPa。

所述热解-气化一体化工艺中原料以煤为例进行阐述，但是原料不限于煤，可为煤、油、生物质或它们两两的混合物；其中煤种不限，油可为重质煤焦油，生物质可为农林废弃物、生产生活垃圾；

所述气化剂包括水蒸气和氧气，该气化剂为本领域常用气化剂，本领域技术人员可根据现场作业实际情况，调节气化剂成分配比；气化剂的水蒸气与氧气的摩尔比控制在100:(1-10)。

为了说明本发明的效果，以下实施例采用低变质烟煤和生物质为原料进行热解-气化一体化工艺。

实施例1

a、将低变质烟煤进行破碎、研磨、筛分，得到粒径分别小于和大于75μm的煤粉，分别称为煤粉-1和煤粉-2；

b、煤粉-1与气化剂作为气化炉25的原料通过气化喷嘴7一并进入热解-气化一体炉的气化炉25，煤粉-1、气化剂在气化炉25内受到耐火砖衬6的高温辐射作用，迅速经历预热、干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，得到以一氧化碳和氢气为主的高温气化气及熔渣；气化炉25的温度控制在1100-1500℃；

c、步骤b气化炉25中产生的熔渣向下通过排渣装置9进入循环冷却装置8进行熄渣，熔渣经过循环冷却装置8淬冷、固化后被截留在水中落入灰渣槽10，定时排放；

d、步骤b气化炉25中产生的高温气化气一部分向上进入热解炉24，参与热解反应；一部分经气化气出口5进入第一废热锅炉18和第二废热锅炉19回收热量，冷却的气化气进入脱硫装置20进行脱硫，脱硫后的气化气进入气化气储罐21进行收集储存；

e、煤粉-2通过进料口1经旋转分布器2加入热解炉24，进入热解炉24的高温气化气作为热载体对煤粉-2进行加热使其热解，产生热解炉煤气和热解半焦；热解炉24的温度控制在500-800℃；

f、步骤e中产生的热解半焦经带有横管冷凝的半焦分布器3向下进入气化炉25参与气化反应；

g、步骤e中产生的热解炉煤气经热解炉煤气出口11进入旋风分离器12进行除尘，分离得到的高温灰与煤粉-1、气化剂一并进入气化炉25，除尘后的热解炉煤气经第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15降温冷凝产生焦油，得到的焦油进入蒸馏塔16进行蒸馏，中质馏分经蒸馏塔16上部出口通过第一间接恒冷器14和第二间接恒冷器15上部喷淋装置13冲洗热解炉煤气冷凝的焦油，轻质焦油和重质焦油分别经蒸馏塔16顶端和底端出口收集于轻质焦油收集槽和重质焦油收集槽；

f、热解-气化一体炉炉体内压力控制在2-4MPa。

所述步骤中，气化炉25出来的气化气的有效成分CO和H₂高达90％以上，甲烷含量低。

实施例2

本实施例提供以低变质烟煤和生物质为原料，在实施例1的基础上将热解炉24加入的原料更改为研磨筛分过的生物质，炉体内部的压力和温度保持不变。本实施例的具体操作步骤与实施例1步骤相同。

所述实施例2，气化炉25出来的气化气的有效成分包含CO、H₂和CH₄，其中CH₄体积含量在8％左右。

本发明所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，而非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形或改进，均应落入本发明的保护范围。