流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置

本发明属于能源化工领域，具体涉及流化床-下行床热解-气化一体化利用小颗粒油页岩实现页岩油和合成气联产的方法及装置。

背景技术：

1、油页岩是一种储量巨大的非常规化石能源，又被成为“固体石油”，其中的主要有机质—干酪根被称为“油气之母”。油页岩热解与气化产生的产品气可在部分领域替代天然气，油页岩热解产生的页岩油与原油成分类似。中国的油页岩资源十分丰富，但是多为陆相油页岩，大规模机械化开采虽然可以提升开采效率，但却导致小颗粒油页岩占比大大增加，同时存在运输困难、利用率低等问题。目前我国的油页岩加工多采用固定床热解技术，其主要以粒径在60 mm以上的颗粒为原料，存在小颗粒油页岩难以利用的问题，造成小颗粒油页岩长期大量堆积。颗粒尺寸对油页岩性质基本无影响，但目前市场上的大颗粒油页岩原料的价格往往是小颗粒油页岩的价格的十倍之多，对于煤等其他固体化石燃料也是如此。此外存在小颗粒油页岩长期大量露天堆积会引起自燃、水土污染等问题，不仅造成大量经济损失，还会对环境造成极大的危害。

2、针对小颗粒油页岩利用困难的问题，发明专利cn200810204396.6公开了一种油页岩流化床干馏系统，该系统可以有效利用小颗粒油页岩，但存在碳转化率低、热解半焦余热难以利用的问题。发明专利cn201210189395.5公开了一种气固组合式载热油页岩流化床干馏系统，发明专利cn201210219096.1公开了一种油页岩流化床蒸气低温干馏方法及系统，现有的油页岩流化床干馏系统可以有效利用半焦中的有机成分，但依然存在半焦余热难以有效利用、流化床热解需要大量外加热载气的问题。研究表明流化床反应器确实适用于小颗粒油页岩热解，但在流化床热解过程中，往往难以直接控制原料的停留时间导致热解不充分，另外由于不同颗粒流化性质的不同，流化床热解过程中会有大量小颗粒粉尘飞出，这些粉尘主要是小颗粒半焦与粉状油页岩原料，这些粉尘有大量的有机物残留且有较高的温度，如果直接填埋不仅浪费能源，还会造成污染，另外流化床热解所需大量热载气，这大大提高了热解成本。

3、发明专利cn201410158250.8公开了一种油页岩干馏和半焦气化综合利用的系统及工艺，该工艺通过半焦气化为油页岩热解提供高温热载体，但热解半焦的余热并未得到有效利用，发明专利cn202311512794.5等公开的煤热解气化耦合装置也存在同样问题。现有的油页岩热解-气化一体化技术虽在一定程度上改善了传统小颗粒油页岩清洁利用的缺点，但能源利用率仍有提升空间。本发明提出的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置使高温热解半焦直接进行气化，在有效利用小颗粒原料的同时具有碳转化率高、不需要外加热载体等优点。。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的小颗粒油页岩原理难以利用以及半焦中残余的有机物、残余热量难以利用等问题，通过流化床热解炉与下行床气化炉组合，提出了一种新型的油页岩热解气化一体化的方法及相关装置。

2、为实现上述目的，本发明提供了流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：包括流化床热解炉（1）、布风板（2）、气固分离器（3）、冷凝装置（4）、下行床气化炉（5）、灰斗（6）；流化床热解炉（1）下端设有原料（a）的进口、下行床气化炉（5）上部设有气化剂（b）的进口，流化床上部与气固分离器相连，气固分离器（3）顶部气体出口与冷凝装置（4）相连接、气固分离器（3）底部固体出口与下行床气化炉（5）上部进料口相连接，下行床气化炉（5）下端设有气化产品气出口（c）， 下行床气化炉（5）底部连接灰斗（6）；气固分离器（3）顶部气体出口通往冷凝装置（4），冷凝装置（4）可以将高温气体冷凝得到不可冷凝气体以及焦油（e），其中不可冷凝气体一部分经过进一步净化处理作为产品气（d），另一部分经加热后作为热载气（f）与气化产品气混合后通往流化床热解炉中。

3、流化床热解过程中会有大量的细小油页岩颗粒与半焦被热解气吹出，这些细小颗粒不仅有大量有机物残留，还有较高的温度，为高效的利用这些能量，本发明引入了下行床气化炉（5）对这些细小颗粒中有机物进行二次利用，并采用自由落体的连接方式有效利用颗粒的余热。

4、为防止下行床气化炉（5）中的气化剂（b）反窜至旋风分离器内影响分离效果，本发明在下行床气化炉（5）的气化产品气出口（c）加装出口阀门调节床内压力，保证下行床压力小于旋风分离器（3）内部压力，并且大于旋风分离器出口压力，从而使气化剂（b）向下流动，流化床热解炉（1）中产生的热解气向上流动。

5、为保证装置运行的稳定性，本发明利用流化床连续进料的特性，通过调节产品气（f）的流量保持热载气流量恒定，这会使气固分离器分离出的固体颗粒的总量大致恒定。

6、本发明还提供来了一种流化床-下行床热解-气化一体化方法，该方法使用前述流化床-下行床热解-气化一体化装置，具体如下：

7、a.将原理进行干燥、筛分。得到颗粒与粉末状原料；

8、b.将原料通入流化床热解炉（1）中进行热解反应，产生半焦以及热解气；较大颗粒原料在热解后自床体下端排渣口排出，粉状原料以及小颗粒半焦被气体带出，自床体上端进入气固分离器（3），经气固分离后，固相落入下行床气化炉（5），气相进入冷凝装置（4），其中不可冷凝气体一部分经过进一步净化处理作为产品气（d），另一部分经加热后作为热载气（f）通往流化床热解炉中，而可冷凝气体经冷却后成为焦油（e）；

9、c. 气固分离器（3）中的固体颗粒自由下落至下行床气化炉（5），与从下行床床体上端通入的高温的气化剂气体（b）接触，发生剧烈的气化反应，产生还原性气体的高温气化产品气（c）以及被充分利用的气化残渣，气化产品气（c）与产品气（f）直接混合通入流化床热解炉（1）中作为热载气，气化残渣由于重力作用落入至灰斗（6）中被收集；

10、d.气化残渣可用于加热冷水产生水蒸气或预热气化剂（b）。

11、进一步地，步骤a中，所述原料为干燥后的灰分低于80%的油页岩、低阶煤、生物质等及其两种或两种以上的混合物。

12、进一步地，步骤a中，油页岩原料（a）的粒径应小于30 mm。

13、进一步地，步骤b中，流化床热解炉（1）中热解温度根据控制在300-600 ℃之间。

14、进一步地，步骤c中，下行床气化炉（5）中气化温度根据控制在700-1400 ℃之间。

15、本发明可达到以下技术效果：

16、（1）将热解与气化耦合为一体，气化后的产品气作为热解反应的热载体，热解气吹出的高温热解半焦与粉状油页岩作为气化原料，系统能耗低，能源利用率高。（2）整个系统结构简单，油气产率高，适用原料范围广，有效利用了热解半焦与粉状油页岩中的有机成分，避免了热解半焦与粉状油页岩有机物质对环境的污染。

技术特征：

1.流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：包括流化床热解炉（1）、布风板（2）、气固分离器（3）、冷凝装置（4）、下行床气化炉（5）、灰斗（6）；流化床热解炉（1）下端设有原料（a）的进口、下行床气化炉（5）上部设有气化剂（b）的进口，流化床上部与气固分离器相连，气固分离器（3）顶部气体出口与冷凝装置（4）相连接、气固分离器（3）底部固体出口与下行床气化炉（5）上部进料口相连接，下行床气化炉（5）下端设有气化产品气出口（c），下行床气化炉（5）底部连接灰斗（6）；气固分离器（3）顶部气体出口通往冷凝装置（4），其中不可冷凝气体一部分经过进一步净化处理作为产品气（d），另一部分经加热后作为热载气（f）与气化产品气混合后通往流化床热解炉中，而可冷凝气体经冷却后成为焦油（e）。

2.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：流化床热解炉（1）距布风板1/50-1/5处设置原料（1）的进口。

3.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：流化床热解炉（1）距炉顶部1/30-1/5处设置与气固分离器（3）的连接口。

4.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：半焦自气固分离器（3）采用自由落体的方式进入下行床气化炉（5）。

5.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：下行床气化炉（5）距炉顶部1/30-1/5处设置气化剂（b）的进口。

6.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：下行床气化炉（5）距灰斗1/10-1/3处设置气化产品气（c）的出口。

7.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：可利用气化产品气出口（c）处气体出口阀门调节床内压力，保证下行床压力小于旋风分离器内部压力，避免气体反窜。

8.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：气化剂(b)的入口于气流床气化炉(5)侧面垂直或斜向下设置，且与气流床气化炉(5)侧面夹角大小在30 °-90 °之间。

9.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：气化产品气(c)的出口垂直于气流床气化炉(5)侧面设置，且出口前端设置除尘器，除尘器采用滤芯或沉降器中任意一种或多个组合。

10.根据权利要求1所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：气固分离器（3）采用一组或多组旋风分离器串联。

11.下行床-气流床热解-气化一体化方法，采用权利要求1-5所述的任意一种下行床-气流床热解-气化一体化装置，其特征在于，包括以下步骤：

12.b. 下行床气化炉（5）中的反应：气固分离器（3）中的固体颗粒自由下落至下行床气化炉（5），与从下行床床体上端通入的高温的气化剂气体（b）接触，发生剧烈的气化反应，产生富含co、h2等还原性气体的高温气化产品气（c）以及被充分利用的气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至灰斗(6)中被收集。

13.根据权利要求11所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：所述原料为干燥后的灰分低于80%的油页岩、低阶煤、生物质等及其两种或两种以上的混合物。

14.根据权利要求11所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：原料（a）的粒径小于30 mm。

15.根据权利要求11所述的流化床-下行床热解-气化一体化方法及装置，其特征在于：流化床热解炉(1)运行温度为300-600 ℃，下行床气化炉(5)的运行温度为700-1400 ℃。

技术总结本发明涉及流化床‑下行床热解‑气化一体化方法及装置。本发明通过流化床热解炉与下行床气化炉组合，提出了一种油页岩热解气化一体化的方法及相关装置，其包括以下步骤：原料自流化床下段进料口进入，在流化床热解炉中热解产生气体及半焦；通过气固分离器将半焦分离自由下落至下行床气化炉，半焦气化后的高温气体作为热载气通往流化床热解炉中；热解气体产物送往冷凝装置快速冷却，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油，而不可冷凝气体一部分经过进一步净化处理作为产品气，另一部分经加热后作为热载气通往流化床热解炉中。该流化床‑下行床热解‑气化一体化方法及装置可有效利用小颗粒油页岩，同时还有效利用了流化床热解半焦及气化炉气体产物的残余热量，降低了整个循环系统的能耗。技术研发人员：刘洋,李泰志,代正华,钟梅,张显显,亚力昆江·吐尔逊,李建受保护的技术使用者：新疆大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6