一种煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化装置及方法

本发明属于煤化工领域，具体涉及一种煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化装置及方法。

背景技术：

1、煤炭在我国一次能源中占主导地位。煤炭的分级转化多联产技术是实现煤炭资源高效清洁利用的重要途径之一。目前已有的多联产技术大多以流化床或气流床的煤炭热解和气化为核心，将煤中较高价值的成分转化至挥发性产物(煤气和煤焦油)中用于进一步加工利用，而剩余的固态产物用于燃烧发电或供热，因而可以在一个工艺中联合生产多种高附加值的产品，提高煤炭的利用效率。

2、煤的热解是分级转化的基础，是指将煤在隔绝空气或惰性气氛下加热至较高温度下发生一系列物理和化学变化的过程。煤的气化是指煤(焦)在高温下与气化介质(水蒸气、o2、co2等)发生热化学反应，将煤(焦)中可燃组分转化至气体的过程。一般认为煤的热解是煤的气化的第一步反应，即煤的气化工艺中包含了煤在不断升温中的热解过程。

3、煤的热解和气化的产物受多种因素的影响，包括煤种自身的性质(如煤中水分、灰分、挥发分、发热量、元素含量等)和运行条件(如反应温度、反应气氛、操作压力、升温速率、颗粒粒度、添加剂等)。在煤的热解过程中，煤焦油的产生主要受温度控制，一般在300～600℃区间大量析出。

4、公开号为cn 101781583 a的专利文献公开了一种煤热解气化高值利用的方法及其装置，通过稀相输送床与密相流化床耦合的方式，将煤的热解和气化过程分离，在煤气化之前先进行部分或全部热解，实现热解气、气化生成气和热解油联产。

5、公告号为cn 103881761 b的专利文献公开了一种基于循环流化床的煤热解气化多联产装置及工艺，将循环流化床锅炉与移动床煤热解反应器和移动床煤气化炉有机耦合，利用循环流化床锅炉的高温循环灰作为热载体对来自煤斗的高挥发分煤在移动床热解反应器中进行热解，将热解产生的半焦分离出热解反应器，进入移动床气化炉气化，同时移动床气化炉作为热解煤气的净化装置，起到对热解煤气在线除尘的作用，气化后的活性焦作为副产物排出反应系统。该发明通过热解-气化-燃烧三个阶段的有机组合，实现了煤炭资源的分级优化利用。

6、在现有的热解或气化反应系统中，较多采用具有螺旋结构的给料器，通过螺杆的转速控制给煤速率。然而，在靠近反应炉的螺杆区域有着较高的温度，给煤在此区域有一定的停留时间，因而会初步发生热解反应，产生部分煤焦油，这些煤焦油黏结在螺杆和管壁处会阻碍后续给煤的连续性和稳定性。

7、在较多的情况下，煤直接热解得到的煤焦油中轻质组分(沸点低于360℃)含量较低，不利于深度加工制备精细化学品。重质煤焦油黏结性更强、易冷凝，无论是在装置的运行期间还是后续的运输和加工中，都容易导致管道堵塞的问题，这限制了煤炭热解气化相关领域的实验研究与工业应用。

技术实现思路

1、针对煤焦油重组分偏高、焦油堵塞给料器和管路的问题，本发明提供了一种煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化装置，该装置采用双级螺杆给料系统以提高给煤的可靠性，并通过原位气相反应减少煤热解气化过程中产生的重质焦油，能够在保障运行稳定性的同时提高煤热解气化的产物品质。

2、一种煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化装置，包括：给料系统、进气系统、流化床反应器、气固分离系统、固定床反应器和产物收集系统，

3、所述的给料系统包括依次连接的给料罐、一级螺旋输送器和二级螺旋输送器，二级螺旋输送器与流化床反应器的下部连接，连接处靠近流化床反应器的一端管道外布置有水冷套管，其中所述的一级螺旋输送器的转速为20-200rpm，所述的二级螺旋输送器的转速不低于300rpm；

4、所述的进气系统包括第一进气单元和第二进气单元，所述的第一进气单元连接流化床反应器的底部，所述的第二进气单元连接固定床反应器的顶部；

5、所述的流化床反应器上部与气固分离系统、固定床反应器、产物收集系统依次相连。

6、本发明采用双级螺杆结构的给料系统，一级螺旋输送器通过转速定量控制给煤速率，二级螺旋输送器全程保持高转速，一级螺旋输送器所输送的煤能够快速经过二级螺旋输送器送入流化床反应器内，二级螺旋输送器与流化床反应器相连的一端由水冷套管冷却，确保螺杆内温度低于煤焦油的析出温度，抑制煤焦油的黏结与堵塞管道。因此，在给料系统内，煤具有较低的温度和较短的停留时间，有效抑制了煤焦油在螺杆和管壁处的黏结，提升了给料系统的运行稳定性。

7、本发明将煤的流化床热解气化和挥发性产物的气相转化两个工艺进行耦合，极大的降低了过程能耗，实现重质焦油的加氢提质或二次裂解，并在源头上提高煤热解气化的产物品质。

8、优选地，所述的第一进气单元包括载气进口、质量流量计和螺旋预热器，所述的载气进口连接质量流量计的输入端，质量流量计的输出端与设置在流化床加热炉内壁与流化床反应器外壁之间的螺旋预热器的入口相连，螺旋预热器的出口与流化床反应器的底部入口相连。

9、本发明在流化床加热炉的内壁与流化床反应器的外壁之间布置螺旋预热器，使得第一进气单元的载气在进入流化床反应器之前能够加热至所需的温度。与常见的外置气体预热器相比，本发明的螺旋预热器节省了装置的整体空间，利用流化床加热炉本体的热量更易使气体充分预热，螺旋预热器出口的气体温度与流化床密相区温度更加接近。

10、优选地，所述的流化床反应器由流化床加热炉进行加热，操作温度为室温至1000℃。

11、优选地，所述的螺旋预热器由流化床加热炉进行加热，操作温度为室温至1000℃。

12、优选地，所述的第一进气单元还包括给水进口、计量泵和预热汽化器，所述的给水进口与计量泵的输入端相连，质量流量计和计量泵的输出端与预热汽化器的输入端相连，预热汽化器的输出端与螺旋预热器的入口相连。

13、本发明的第一进气单元的给水进口的启闭根据流化床反应条件决定。当运行条件为煤的水蒸气气化时，启用给水进口；当运行条件为煤的热解时，给水进口关闭。

14、优选地，所述的预热汽化器的输出端与螺旋预热器的入口之间的连接段设有伴热带。所述的伴热带用来保证预热汽化器出口的水蒸气在进入螺旋预热器之前不会冷凝在管路中。

15、优选地，所述的进气系统还包括第三进气单元，所述的第三进气单元的气体进口连接一级螺旋输送器的出口。

16、优选地，所述的第一进气单元通入流化气，所述的流化气为惰性气体，或者惰性气体与水蒸气的混合气。

17、优选地，所述的第三进气单元通入给料气，所述的给料气为惰性气体。

18、优选地，所述的给料气流量不超过流化气流量的20％。

19、本发明通过给第三进气单元通入给料气，用于保护给料系统并维持给料系统微正压状态。

20、优选地，所述的气固分离系统包括旋风分离器、金属网过滤器、一级粉尘收集罐和二级粉尘收集罐，其中，所述的旋风分离器底部连接一级粉尘收集罐，旋风分离器的上部出口连接金属网过滤器的上部入口；金属网过滤器底部连接二级粉尘收集罐，金属网过滤器的上部出口连接固定床反应器的上部入口。

21、优选地，所述的旋风分离器和金属网过滤器由保温段加热炉进行加热，操作温度为室温至600℃。

22、优选地，所述的固定床反应器的内径不小于流化床反应器内径的2倍，从而保证挥发性产物在固定床反应器内有较长的停留时间进行反应。

23、优选地，所述的固定床反应器内部布置支撑架，支撑架包括上部的多孔板、下部的圆台状框架和连接两者的耐高温直管。

24、优选地，所述的第二进气单元通入调质气，所述的调质气根据气相转化条件决定，当运行条件为焦油提质时，调质气为富氢气体；当运行条件为催化重整时，调质气为co2/h2o；当运行条件为二次裂解时，无需开启调质气。

25、优选地，所述的固定床反应器中放置有固定床床料，所述的固定床床料根据气相转化的条件决定，当运行条件为焦油提质时，固定床床料为含有过渡金属的负载型催化剂；运行条件为二次裂解时，固定床床料为碱金属、碱土金属或天然矿石填料；运行条件为空白对照时，不放入固定床床料。

26、优选地，所述的固定床反应器由固定床加热炉进行加热，操作温度为室温至1000℃。

27、本发明可通过改变固定床反应器的温度、气氛和床料等条件调控气相产物，实现重质焦油的加氢提质或二次裂解，并在源头上提高煤热解气化的产物品质。

28、优选地，所述的产物收集系统包括依次连接的冷凝器、焦油收集罐、冷却槽、电捕焦油器和气体收集与分析装置，其中，所述的焦油收集罐浸渍在冷却槽中，焦油收集罐和冷却槽不少于3级，冷却槽第一级的温度不低于0℃，最后一级的温度不高于-20℃。

29、本发明的产物收集系统采用了多级焦油回收装置，冷凝器内部为不锈钢直管，可以避免冷却的焦油在转弯处的堆积和堵塞。冷凝器和第一级焦油收集罐所用冷却水温度高于0℃，能够在初步收集液体同时避免产物中的水冷却至固态；最后一级冷凝温度低于20℃，以及布置电捕焦油器，使得液体产物得以充分收集，在保证运行稳定性的同时能够提高产品收率。

30、本发明还提供了一种煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化方法，采用所述的煤流化床热解气化耦合固定床原位气相转化装置实现，包括以下步骤：

31、(1)根据运行条件设置各进气单元气体、流化床和固定床床料以及给煤速率，将流化床反应器、气固分离系统、固定床反应器升温至设定温度，待温度稳定后，煤通过给料罐、一级螺旋输送器和二级螺旋输送器被送入流化床反应器的下部密相区，其中，在进入流化床反应器之前将煤通过水冷套管冷却；

32、(2)煤在流化床反应器中被快速热解或气化，产生的挥发性产物经气固分离系统进行除尘净化，经过净化后的挥发性产物与调质气共同进入固定床反应器进行二次反应后进入产物收集系统进行收集。

33、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

34、1、本发明采用具有双级螺杆结构的给料系统，能够大幅度提高给煤的可靠性与稳定性。本系统在运行过程中，二级螺旋输送器与流化床反应器相连的一端由水冷套管冷却，确保螺杆内温度低于煤焦油的析出温度。一级螺旋输送器通过转速定量控制给煤速率，二级螺旋输送器全程保持高转速，一级螺旋输送器所输送的煤能够快速经过二级螺旋输送器送入流化床反应器内。因此，在给料系统内，煤具有较低的温度和较短的停留时间，有效抑制了煤焦油在螺杆和管壁处的黏结，提升了给料系统的运行稳定性。

35、2、本发明将煤的流化床热解气化和挥发性产物的气相转化两个工艺进行耦合，极大降低了过程能耗，且可通过改变流化床反应器和固定床反应器的温度、气氛和床料等条件调控气相产物，实现重质焦油的加氢提质或二次裂解，并在源头上提高煤热解气化的产物品质。

36、3、本发明在流化床加热炉的内壁与流化床反应器的外壁之间布置螺旋预热器，使得通入的气体在进入流化床反应器之前能够加热至所需的温度。与常见的外置气体预热器相比，本发明的螺旋预热器节省了装置的整体空间，利用流化床加热炉本体的热量更易使气体充分预热，螺旋预热器出口的气体温度与流化床密相区温度更加接近。

37、4、本发明的产物收集系统采用了多级焦油回收装置，在保证运行稳定性的同时能够提高产品收率。冷凝器内部为不锈钢直管，而不是常见的蛇形管，可以避免冷却的焦油在转弯处的堆积和堵塞。冷凝器和第一级焦油收集罐所用冷却水温度高于0℃，能够在初步收集液体同时避免产物中的水冷却至固态；最后一级冷凝温度低于20℃，以及布置电捕焦油器，使得液体产物得以充分收集。