一种适用于高灰固体碳氢原料的热解装置及其工艺方法

本发明涉及一种热解装置及其工艺方法，特别是涉及一种适用于高灰固体碳氢原料的热解装置及其工艺方法。

背景技术：

1、中国油气资源供给严重不足，大量依赖进口，致使任何替代原油、天然气资源的非常规油气资源的利用都意义重大。典型的非常规（化石）油气资源包括油页岩、煤层气、页岩油、油砂、致密砂岩气、天然气水合物等，油页岩是潜在产量最大的非常规油资源，潜在油总产量达470多亿吨。

2、油页岩经过热解或干馏生产页岩油。目前世界上应用最广的油页岩干馏技术是基于移动床反应器，如抚顺干馏炉，但其处理颗粒较大的油页岩原料。现有大规模机械开采和破碎油页岩会产生20-40%的粒径小于15mm的小颗粒油页岩，使用移动床干流技术，造成大量小颗粒油页岩丢弃堆积。澳大利亚和德国联合研发atp干馏炉技术，可处理小颗粒油页岩原料，在中国的抚顺矿业集团的应用表明，油收率仍然低于70%，且其过程中伴随回转窑反应器内颗粒的剧烈运动，热解油气的粉尘夹带严重，为下游的油回收以及连续稳定运行形成挑战，通常数月必须停车清理检修。同时，atp干馏装备的结构复杂，投资高、运行能耗偏高。总体上，国内外在用的油页岩干馏技术，几乎都未能实现对热解反应的精准调控，页岩油收率低于铝甄收率的70%。抚顺炉的油收率通常是铝甄收率的65%左右，不但只能适用大颗粒原料，而且单台反应炉的原料处理量100吨级每天，采用湿法冷渣，开放式操作难以完全克服，污染重、炉渣处理难。

3、从化学反应角度分析，热解反应过程包括燃料颗粒初级热解和挥发分二次反应。初级热解反应决定挥发分的总收率，二次反应是最终挥发分产物分布的决定因素。为获得高收率和高品质的热解油，应最大化初级热解的产物生成率，同时调控初级热解产物的二次反应，实现热解油收率和品质的同时提升。热解产物携带粉尘方面，小颗粒或粉末颗粒原料在反应器内剧烈运动，如流化床、回转炉，易形成粉尘随热解气相产物携带出反应器，造成热解油中的高尘含量。在热解气相产物收集和分离过程通常设置除尘，利用旋风分离器、颗粒床过滤等方法，不仅使流程复杂、操作难度大，除尘效果也难以完全保障，且热解油气在该过程中会发生二次反应，导致油收率显著降低，对于颗粒过滤床，还可能导致堵塞。因此，为解决小颗粒原料热解制油技术的油收率、油品质、粉尘携带等问题，理想的热解模式可能为：在颗粒层次，谋求对原料颗粒的快速升温，快速实施大分子弱供价键断裂，以最大化初次热解产物的生成；在反应器层次，通过匹配初次热解产物流动与反应器内温度场、浓度场特性，定向热解反应，实现对重质组分的选择性裂解、避免对轻质组分的破坏，从而最大化热解油收率和油中的轻质组分油含量；进而，采用避免颗粒剧烈运动的径向移动床反应器，缩短反应器内气相热解产物的流径，减少流程压降、使反应器适应小颗粒原料的同时，实现对挥发分产物中所含尘的过滤。

4、中国专利，如cn102703097b[1]、cn102212378b[2]公开了一种用于宽粒径分布煤的干馏装置及方法，通过在移动床反应器中设置内构件，强化传热、定向调控热解产物在反应器内的流动（从高温区向低温区流动，形成热流物流同向并行），构筑径向热解反应器，实现反应及产物生成的定向调控。实验及中试结果都证明了：该思路提供了目前唯一可在 1000℃以上高温操作条件下同时获得高收率和高品质的热解油和热解气的技术。新反应器不但油收率明显提高，而且在试验的温度范围内，随着加热反应器的温度升高、油收率逐渐增大，这与在传统固定床反应器中的结果截然相反，致使新技术干馏的油收率可达到理论铝甄收率的90%左右[3-5]。

5、为实施新技术的工业放大，专利cn116286041a[6]公开了一种碳基燃料列管式热解反应器装置和工艺方法，该反应器由1个或多个管式热解反应器按照列管方式排列组成，其受热段置于一个加热室内，原料在列管式反应器中热解形成的热解气或外供燃气按照蓄热燃烧流程在加热室内燃烧，为热解反应提供热量。但是，针对一些高灰碳基燃料，如油页岩，热解气产率低，所含热值极大可能无法满足热解要求的能量，而外加燃气必定导致系统复杂或成本增加。另一方面，高灰半焦极难独立利用，否则造成包括其显热在内的能源浪费。因此，一种能利用半焦所含能量的高灰固体碳氢原料定向热解，实现高收率制备热解油的装置和工艺方法具有重要意义。

6、参考文献：

7、[1] 许光文, 韩江则, 武荣成, 张纯, 高士秋. 一种用于宽粒径分布煤的干馏装置及方法:cn102703097b [p]. 2014-09-24.

8、[2] 许光文, 武荣成, 汪印. 一种含碳物质热解的强化方法及热解装置:cn102212378b[p]. 2014-09-24.

9、[3] lin l, zhang c, li h, lai d, xu g. pyrolysis in indirectly heatedfixed bed with internals: the first application to oil shale. fuel processingtechnology 2015;138:147-55.

10、[4] lin l, lai d, guo e, zhang c, xu g. oil shale pyrolysis inindirectly heated fixed bed with metallic plates of heating enhancement. fuel2016;163:48-55.

11、[5] lin l, lai d, shi z, han z, xu g. distinctive oil shale pyrolysisbehavior in indirectly heated fixed bed with internals. rsc advances 2017;7(35):21467-74.

12、[6] 许光文，赖登国，韩振南，贾鑫，宋兴飞，程继光. 一种固体碳氢原料的热解装置及其工艺方法 （cn 202211600410.0, 2022-12-14; pct/cn2023/074202, 2023-2-2.）。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于高灰固体碳氢原料的热解装置及其工艺方法，本发明调控热解气相产物径向流动穿过颗粒床层，由外部高温区向内部低温区的流动，显著降低气相产物的二次反应，并实现主要对重质组分的选择性裂解和原位控尘，最终同时提升热解油的收率和品质。此外，本发明热解技术实现了在高温下高收率制备热解油，热解时间大幅降低，提高了处理量。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种适用高灰固体碳氢原料的热解装置，所述装置包括：碳氢原料供给器、热解反应器、集气内构件、加热腔、挥发分收集管、热解气供给/燃烧口、半焦燃烧室、布气内构件、空气供给管、颗粒导流件、热灰冷却器、卸料器；热解反应器由1个或多个热解反应单元排列组成，每个热解单元中心设置挥发分产物收集的集气内构件，集气内构件设有允许气相产物通过的孔道或孔隙，集气内构件上部与挥发分收集管相连、将热解的气相产物（挥发分）导出热解反应器，下部开口于颗粒床层；热解反应器置于烟气加热的加热腔内；加热腔设有热解气供给/燃烧口，燃气与半焦燃烧烟气中的氧气作用在加热腔内燃烧，进一步提升半焦燃烧烟气温度，共同充分加热各热解反应单元；热解反应器和加热腔的下侧为半焦燃烧室，各热解反应单元形成的半焦在重力作用下移入所述的半焦燃烧室中，形成半焦床层，在半焦燃烧室的半焦床层中设置多个布气内构件，该布气内构件设有允许空气流入半焦床层的孔道或孔隙，下部开口于半焦床层；布气内构件与空气供给管相连通，空气通过各布气内构件分布流入半焦床层，使半焦燃烧形成高温烟气，进入加热腔；布气内构件上端设置颗粒导流件，用于支撑热解单元的半焦物料、并引导半焦颗粒均匀流入半焦燃烧室。

4、所述的适用高灰固体碳氢原料的热解装置，所述半焦燃烧室的布气内构件之下床层中设置热灰冷却器，用于冷却燃烧灰并回收热量，半焦燃烧室底端与具有控制排料功能的卸料器相连。

5、所述的适用高灰固体碳氢原料的热解装置，所述加热腔、半焦燃烧室一体化形成热解装置，外加装耐火材料和保温材料，连接原料供料和燃烧灰的冷却及排卸部件或系统，构造形成应用规模的热解装置。

6、所述的适用高灰固体碳氢原料的热解装置，所述集气内构件和布气内构件之间的颗粒床层具有通道，形成颗粒层防止热解气与烟气的串流。

7、一种适用于高灰固体碳氢原料的热解工艺方法，所述方法包括如下步骤：

8、a. 高灰固体碳氢原料通过碳氢原料供给器分别给入各个定向热解反应单元，原料在定向热解单元内向下移动过程中被加热腔加热升温发生热解反应；

9、b. 热解产生的气相产物（挥发分产物）向集气内构件的方向穿过温度更低的颗粒床层，并通过孔隙或孔道进入集气内构件中，通过集气内构件汇集到挥发分收集管，一并导出反应器实施挥发分产物冷却分离，得到的热解气可通过热解气供给/燃烧口进入加热腔内燃烧，提升高温烟气温度；

10、c. 在热解反应单元中形成的热态半焦顺重力流经集气内构件下的半焦层，再通过颗粒导流件进入半焦燃烧室内，与通过布气内构件流入的空气作用，发生燃烧反应，形成半焦燃烧烟气进入加热腔，空气供给管为各布气内构件分配空气；

11、d. 经热解气供给/燃烧口将热解气或其它燃气供入加热腔的下部、且半焦燃烧室的半焦颗粒层之上的位置，利用半焦燃烧烟气的温度和所含氧气，发生燃气燃烧进一步为烟气补充热量、提升温度，为热解反应单元提供充分加热；

12、e. 半焦燃烧室中形成的燃烧灰在布气内构件之下形成高温燃烧灰床层，经其中设置的热灰冷却器的作用降温，在通过卸灰器依据热解反应的调控规律可控性排灰。

13、所述的一种适用于高灰固体碳氢原料的热解工艺方法，所述高灰固体碳氢原料指各类灰含量高、热值低，但挥发分较高的含碳氢原料，包括但不限于油页岩、油砂，所述高灰固体碳氢原料通常为小颗粒原料，优先地粒径小于15 mm。

14、本发明的优点与效果是：

15、本发明热解装置及热解方法不仅实现热解过程高收率定向制备高品质热解油（低重质组分、低灰含量），而且解决半焦碳含量及燃烧值低难以利用、热解气所含能量难以独立支撑热解反应所需能量的技术难题，突破现有移动/固定床反应器热解及燃烧过程只能使用大颗粒的技术弊端。

16、其显著特点如下：

17、1.本发明使用的定向热解装置和方法，调控热解气相产物径向流动穿过颗粒床层，由外部高温区向内部低温区的流动，可显著降低气相产物的二次反应，并实现主要对重质组分的选择性裂解和原位控尘，最终同时提升热解油的收率和品质。此外，本发明热解技术实现了在高温下高收率制备热解油，相较于传统低温热解制油，本方法热解时间大幅降低，提高了处理量。

18、2.本发明技术使用小颗粒原料，克服常规移动/固定床反应器在热解、燃烧等过程只能使用大颗粒原料的短板，此外有效利用了半焦的潜热，解决了低劣原料燃烧难的问题。

19、3.本发明解决高灰低碳原料热解过程的热解气热量难以满足热解反应热量需要的难题。现有技术间接供热的方法主要源于热解气燃烧，然而对于如油页岩的低劣燃料，其热解气收率低，热量无法满足热解需求。本发明充分利用了半焦和热解气的热量，灵活调配，视半焦热值情况，可单独燃烧半焦，也可添加部分乃至全部热解气燃烧。

20、4.本发明装置一体化集成多个热解反应单元，热解器整体结构紧凑、热效率高、易于放大、适合大规模工业应用，是具有高油收率的大型小颗粒原料热解先进技术装备。