设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备技术

设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备，适合于粉煤的加工，由于氧气是爆炸或燃烧过程的氧化剂、焦油氧化热缩合生成粘稠大分子的氧化剂，使用脱气步骤降低或脱除固体热载体中的有害组分比如氧气、二氧化硫、三氧化硫等，降低了固体热载体携带的烧焦过程的含氧气气体数量，使粉煤热解过程涉及的热解反应过程、旋风分离过程、沉降过程、煤气处理过程(如脱尘过程、煤气换热过程、煤气油洗过程、煤气电捕焦油过程、煤气脱硫化氢过程等)的有害负反应如燃烧、爆炸、焦油氧化缩合得到有效降低，利于装置长周期安全运转，利于降低煤气中有效组分的损失量，是一种完善性工艺。

【技术实现步骤摘要】
设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备
本专利技术涉及设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备，适合于粉煤的加工，由于氧气是爆炸或燃烧过程的氧化剂、焦油氧化热缩合生成粘稠大分子的氧化剂，使用脱气步骤降低或脱除固体热载体中的有害组分比如氧气、二氧化硫、三氧化硫等，降低了固体热载体携带的烧焦过程的含氧气气体数量，使粉煤热解过程涉及的热解反应过程、旋风分离过程、沉降过程、煤气处理过程(如脱尘过程、煤气换热过程、煤气油洗过程、煤气电捕焦油过程、煤气脱硫化氢过程等)的有害负反应如燃烧、爆炸、焦油氧化缩合得到有效降低，利于装置长周期安全运转，利于降低煤气中有效组分的损失量，是一种完善性工艺。
技术介绍
本专利技术所述碳氢粉料，指的是在本专利技术所述热解反应过程可以产生含油蒸汽的含有碳元素、氢元素的粉料，比如挥发分含量高的低变质煤粉、油砂、油页岩、煤直接液化生成油减压分馏塔塔底含固含油残渣。现代化大型煤矿比如低变质煤矿通常采用机械化综采技术以提高采煤效率、降低成本，其煤炭采出品中的粉煤产率约为60～70％，成为主体产品，因此粉煤的深度转化和综合利用技术必将占据现代低变质煤炭利用技术的主体地位，粉煤加工的一个分支领域是“粉煤分质分级利用”，其中粉煤热解被视为有经济竞争力的技术途径。本专利技术所述粉煤FM即R10FS，通常为干燥后脱水粉煤，其水分重量通常低于10％、一般低于7％、较佳者低于5％。本专利技术所述粉煤FM即R10FS，其粒度通常为0.00001～6毫米、一般为0.0001～3.5毫米、较佳者为0.001～2毫米。本专利技术所述粉煤热解过程，指的是以多产煤焦油为工艺目标的在适宜的温度范围内操作的粉煤热解过程，可以是任意一种合适的形式。粉煤热解过程的主要产品是焦油、煤气、半焦，其中焦油被认为是潜在经济价值最大的产品，通常期望提高其产率和或氢含量。粉煤热解商业化技术的主要目标是：提高粉煤高价值组分提取率(或提高粉煤高价值产品收率)、提高单套装置加工量、降低单位能耗、提高技术的可靠性和可控性；因此，只有在上述一个或几个目标上取得显著突破，才能支撑工业技术的经济性，并最终成为主流的粉煤热解商业化技术。目前为止，多个工业国或大型商业公司对粉煤热解技术进行了研究开发，已经提出多种工艺如德国L-R工艺即鲁奇-鲁尔工艺、美国Toscoal工艺、美国COED工艺，但是尚无大型商业化装置的成功案例。上述典型粉煤热解技术，从工程技术角度讲，无法全面或大体消除下述缺陷，根源在于没有将实现不同目标的技术手段合理融合集成：①热解反应的热力学机制不清晰，单个热解反应过程的主体操作温度位于超过500℃的狭窄温度范围，不具备分级热解功能，无法兼顾粉煤不同温度阶段的热解反应的差异，缺乏煤热解过程的并行反应、串联反应的反应深度的选择性控制能力，导致焦油收率低、氢含量低；②热解反应工业过程的供热方式不合理、流体力学特性不合理及设备结构不合理，导致运转周期太短即可靠性差，不易实现大型化，导致单位加工量投资大；③热能回收系统集成度太低，导致系统热效率低；④热解步骤集成度太低，操作步骤多，系统复杂可靠性差。通常，挥发分含量高的煤的不同的热解反应存在于如380～680℃的较宽的热解温度范围内，就反应类型而言，粉煤热解过程存在众多的并行反应和串联反应，就指向不同目标产品的途径方向而言，主要有煤的大分子产生更小分子量产物(煤气和焦油)的热裂解反应(包括一次热裂解反应、热裂解产物的二次热裂解反应)和煤热解过程的2个或多个中间产物自由基缩合为大分子量产物的缩合反应，因此，为了提高焦油收率、提高焦油氢含量，一方面需要增加产生焦油的煤的热裂解反应，一方面需要抑制焦油产物的二次缩合反应。COED工艺采用的多段热解方法，分级热解反应条件符合煤的逐级升温分级热解要求，热解焦油的收率能达到18～22％且品质优良，但是，该方法包含的操作步骤太多、系统复杂、可靠性差；加之煤干馏过程供热方式仅使用了气体热载体而没有使用固体热载体，其热载体单位体积、单位质量的热容量较小，传热速度较低，反应空间体积必然庞大，不利于大型化。随着CN105602593A、CN105694933A方法的出现，上述情况被基本改变，其基本原理可以看作是在一定程度上将石油工业蜡油或渣油流态化催化裂化领域的反应再生系统技术的移植应用。在渣油流态化催化裂化的反应再生系统中，单程通过的原料是雾化的渣油、其产品是气态裂解油气，循环加工的物料是粉状固体催化剂，排出提升管催化热裂化反应器的催化剂为结焦后催化剂固体，结焦后催化剂经过沉降器内布置的旋风分离系统完成脱气、然后进入烧炭器或再生器进行烧炭再生，高温态的再生后催化剂粉料作为固体热载体和催化剂返回提升管反应器的下部入口，在提升气体作用下，与雾化的渣油混合接触进行流态化催化裂化反应，再生器产生的至少一部分热量被返回提升管催化热裂化反应器的再生后热态催化剂载入提升管催化热裂化反应器充当热裂化过程的热源。渣油流态化催化裂化的反应再生系统，已有超过50年的成功运转历史，其大型化单系列装置加工渣油量可达400～800万吨/年，催化剂循环量可达2000～4000万吨/年即2500～5000吨/时。与蜡油或渣油流态化催化裂化的反应再生系统相比，CN105602593A、CN105694933A方法，采用类似的提升管反应器进行粉煤热解反应，采用类似的旋风分离系统(布置于沉降器内)完成粉煤热解反应产物的气固分离，采用类似的烧炭器进行粉焦贫氧燃烧，烧炭器产生的热半焦的一部分作为固体热载体进入提升管反应器向煤热解反应过程供热并形成循环系统，多余的半焦排出系统和或氧化燃烧释放热量。在CN105602593A、CN105694933A所述系统中，单程通过的原料是新鲜固体粉煤，其热解产品是气态煤气和固体半焦，循环加工的物料是固体半焦(热解反应一次半焦产物或半焦循环料)，高温态的固体氧化半焦作为固体热载体返回提升管反应器的下部入口，在提升气体作用下，与新鲜煤粉混合接触进行流态化热解反应。从上述对比可以看出，二种技术的热解反应器、热解产物气固分离系统、热解固体产物沉降器、循环固体料烧炭器，其相同流程位置的气固流体的流动方式基本相同。由于二者上述的相似性，CN105602593A、CN105694933A方法，极大地简化了系统的结构和操作，极大地提高了系统的安全性，是深具大型工业化潜力的技术方法，具有以下优势：①热解反应的热力学机制清晰，使用自热式固体热载体，用提升气提供粉料的表面能和上行动能、位能，实现了固体粉料的离散化和快速聚分、强化了传热速度，实现了快速热解；②热解反应过程的供热方式合理(系统自热式，燃料为低价值半焦)、流体力学特性合理(提升管提供固体料位能、沉降器利用重力做功下行)及设备结构合理，可靠性高即运转周期长，易于实现大型化，可降低单位加工量投资；③热能回收系统高度集成，系统热效率高；④热解、供热步骤高度集成，操作步骤少，系统简单、可靠性高。然而，上述方法没有涉及固体热载体的脱气步骤，过多的烟气和或空气随半焦固体热载体进入热解反应系统，由于氧气是爆炸或燃烧的氧化剂、焦油氧化热缩合生成粘稠大分子的氧化剂，二氧化硫、三氧化硫是腐蚀性组分，会造成以下不良后果：①因为半焦属于低密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备，其特征在于包含以下步骤：在使用固体热载体R10KS的碳氢粉料R10FS热解烧焦系统UNIT中，在氧化半焦R50KS离开烧焦反应过程R50之后、进入热解反应过程之前进入脱气步骤V60，氧化半焦R50KS携带着来自烧焦反应过程R50的气体组分R50IG，至少一部分氧化半焦R50KS作为脱气原料V60FS使用，脱气原料V60FS中的气体组分R50IG的体积流量为V60FS‑R50IG‑W；所述气体组分R50IG包括氧气；在脱气步骤V60，脱气原料V60FS分离为可能含有固体颗粒的脱出气气体V60PV和可能含有气体的脱气后固体V60PS，脱气后固体V60PS中含有的气体组分R50IG的数量小于脱气原料V60FS中含有的气体组分R50IG的数量，气体V60PV中含有至少一部分来自脱气原料V60FS的气体组分R50IG；至少一部分脱气后固体V60PS作为脱气后固体热载体R10KS，进入碳氢粉料R10FS的热解反应过程中。

【技术特征摘要】
1.设置固体热载体脱气步骤的碳氢粉料热解烧焦方法及设备，其特征在于包含以下步骤：在使用固体热载体R10KS的碳氢粉料R10FS热解烧焦系统UNIT中，在氧化半焦R50KS离开烧焦反应过程R50之后、进入热解反应过程之前进入脱气步骤V60，氧化半焦R50KS携带着来自烧焦反应过程R50的气体组分R50IG，至少一部分氧化半焦R50KS作为脱气原料V60FS使用，脱气原料V60FS中的气体组分R50IG的体积流量为V60FS-R50IG-W；所述气体组分R50IG包括氧气；在脱气步骤V60，脱气原料V60FS分离为可能含有固体颗粒的脱出气气体V60PV和可能含有气体的脱气后固体V60PS，脱气后固体V60PS中含有的气体组分R50IG的数量小于脱气原料V60FS中含有的气体组分R50IG的数量，气体V60PV中含有至少一部分来自脱气原料V60FS的气体组分R50IG；至少一部分脱气后固体V60PS作为脱气后固体热载体R10KS，进入碳氢粉料R10FS的热解反应过程中。2.根据权利要求1所述方法及设备，其特征在于：至少一部分脱出气气体V60PV，返回烧焦反应过程R50的烧焦反应空间。3.根据权利要求1所述方法及设备，其特征在于：至少一部分脱出气气体V60PV，返回烧焦反应过程R50的稀相烧焦反应空间。4.根据权利要求1所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置气体置换步骤ZX，脱气原料V60FS与至少一路置换气V60XFV接触至少一次，分离为可能含有固体颗粒的脱出气气体V60PV和可能含有气体的脱气后固体V60PS，脱气后固体V60PS中含有的气体组分R50IG的数量小于脱气原料V60FS中含有的气体组分R50IG的数量，至少一部分置换气V60XFV进入脱出气气体V60PV中，气体V60PV中含有的气体组分R50IG的数量与脱气原料V60FS中的气体组分R50IG的体积流量V60FS-R50IG-W的比值为K600。5.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，K600≥50％。6.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，K600≥80％。7.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，K600≥90％。8.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，K600≥95％。9.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置气体置换步骤ZX，脱气原料V60FS与至少一路置换气V60XFV逆流接触至少一次，置换气V60XFV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下。10.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置一级气体置换步骤ZX，脱气原料V60FS与一路置换气V601FV逆流接触至少一次，置换气V60XFV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下。11.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置两级气体置换步骤ZX，脱气原料V60FS依次与第一路置换气V601FV、第二路置换气V602FV逆流接触，置换气V60XFV的主体流动方向向上，固体物料V60FS的主体流动方向向下；在第一置换区Z1，固体物料V60FS，在向下流动的过程中，首先与第一路置换气V601FV逆流接触至少一次，置换气V601FV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下，固体物料V60FS脱除至少一部分气体组分R50IG成为第一置换固体Z1PS，至少一部分第一置换固体Z1PS用作第二置换区Z2的固体进料Z2FS；在第二置换区Z2，固体进料Z2FS在向下流动的过程中，与第二路置换气V602FV逆流接触至少一次，置换气V602FV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下，固体进料Z2FS脱除至少一部分气体组分R50IG成为第二置换固体Z2PS；至少一部分第二置换固体Z2PS，作为脱气后固体热载体R10KS，进入碳氢粉料R10FS的热解反应过程中。12.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置三级气体置换步骤，脱气原料V60FS依次与第一路置换气V601FV、第二路置换气V602FV、第三路置换气V603FV逆流接触，置换气V60XFV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下；在第一置换区Z1，固体物料V60FS，在向下流动的过程中，首先与第一路置换气V601FV逆流接触至少一次，置换气V601FV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下，固体物料V60FS脱除至少一部分气体组分R50IG成为第一置换固体Z1PS，至少一部分第一置换固体Z1PS用作第二置换区Z2的固体进料Z2FS；在第二置换区Z2，固体进料Z2FS在向下流动的过程中，与第二路置换气V602FV逆流接触至少一次，置换气V602FV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下，固体进料Z2FS脱除至少一部分气体组分R50IG成为第二置换固体Z2PS，至少一部分第二置换固体Z2PS用作第三置换区Z3的固体进料Z3FS；在第三置换区Z3，固体进料Z3FS在向下流动的过程中，与第三路置换气V603FV逆流接触至少一次，置换气V603FV的主体流动方向向上，固体物料的主体流动方向向下，固体进料Z3FS脱除至少一部分气体组分R50IG成为第三置换固体Z3PS；至少一部分第三置换固体Z3PS，作为脱气后固体热载体R10KS，进入碳氢粉料R10FS的热解反应过程中。13.根据权利要求4所述方法及设备，其特征在于：在脱气步骤V60，设置气体置换步骤，置换气V60XFV选自下列物料中的一种或几种：①水蒸气；②氮气；③二氧化碳气；④烟道气；⑤其它不含对热解过程带来不利影响的组分的气体。14.根据权利要求1所述方法及设备，其特征在于：碳氢粉料R10FS的粒径为0～10毫米，碳氢粉料R10FS选自下列物料中的一种或几种：①低变质粉煤；②高变质粉煤；③油母页岩粉；④油砂；⑤其它在热解过程能够产生含油蒸汽的固体粉料。15.根据权利要求14所述方法及设备，其特征在于：碳氢粉料R10FS的粒径为0～6毫米。16.根据权利要求14所述方法及设备，其特征在于：碳氢粉料R10FS的粒径为0～2毫米。17.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14或15或16所述方法及设备，其特征在于：使用固体热载体R10KS的碳氢粉料R10FS热解烧焦系统UNIT，包含以下步骤：(1)在一级热解反应过程R10，使用流化床提升管热解反应器R10E，碳氢粉料R10FS、第一固体热载体R10KS自下部进入反应器R10E混合，在气体进料R10FV作用下通过提升管热解反应器R10E向上流动进行一级热解反应R10R转化为一级热解反应气固产物R10P；(2)在气固分离过程S10，一级热解反应气固产物R10P通过使用旋风分离器的分离系统分离为脱尘一级热解煤气R10PV和一级热解半焦R10PS；(3)在二级热解反应过程R20，一级热解半焦R10PS进入二级热解反应过程R20的反应空间，至少一部分路径的主体流向是自上而下流动，一级热解半焦R10PS进行第二热解反应R20R；二级热解半焦R20PS排出二级热解反应过程R20；(4)在气固分离过程S20，离开固体粉料主体床层后的含尘二级热解煤气，通过使用旋风分离器的分离系统S20分离为排出气固分离过程S20的脱尘二级热解煤气R20PV和可能返回二级热解反应空间的半焦S2PS；(5)在流化烧焦反应过程R50，基于二级热解半焦R20PS的最终热解半焦RCPS进入流化烧焦反应空间，与含氧气体接触，进行流化床烧焦反应R50R，产生高温氧化半焦R50PS和烟气YQ，烟气YQ自上部空间排出流化烧焦反应过程R50；高温半焦R50PS排出流化烧焦反应过程R50；(6)R50排出的第一高温氧化半焦R50KS用作脱气原料V60FS。18.根据权利要求17所述方法及设备，其特征在于：(1)在一级热解反应过程R10，气体进料R10FV提供流化动力，一级热解反应过程R10的至少大部分吸热量由第一固体热载体R10KS提供；(4)在气固分离过程S20，离开固体粉料主体床层后的含尘二级热解煤气，通过至少使用2级串联操作的旋风分离器的气固分离系统S20完成气固分离，所得脱尘二级热解煤气R20PV自二级热解反应过程R20反应空间上部排出，S20与S10至少部分共用。19.根据权利要求17所述方法及设备，其特征在于：(3)在二级热解反应过程R20，一级热解半焦R10PS进入二级热解反应过程R20的反应空间，至少一部分路径的主体流向是自上而下流动，一级热解半焦R10PS进行第二热解反应R20R产生二级热解煤气和二级解热解半焦，并完成气固分离；至少一部分二级热解反应过程R20的气固流动状态表现为散式流化床。20.根据权利要求17所述方法及设备，其特征在于：(3)在二级热解反应过程R20使用的二级热解反应器R20E的下部，通入气提气V22V以气提半焦颗粒中携带的焦油气和煤气，气提气向上流动最终进入脱尘二级热解煤气R20PV中。21.根据权利要求19或20所述方法及设备，其特征在于：气提气，选自煤气或氮气和或水蒸气和或无氧烟气。22.根据权利要求17所述方法及设备，其特征在于：(5)在流化烧焦反应过程R50，基于二级热解半焦R20PS的最终热解半焦RCPS进入流化烧焦反应空间，与含氧气体接触，发生流化床烧焦反应R50R，产生高温半焦R50PS和烟气YQ，烟气YQ自上部空间排出流化烧焦反应过程R50；高温半焦R50PS排出流化烧焦反应过程R50。23.根据权利要求22所述方法及设备，其特征在于：(5)在流化烧焦反应过程R50，流化烧焦反应空间的上部稀相段的器内含尘烟气R50E-YQ，经过布置于流化烧焦反应器内部的上部空间的旋风分离系统S50脱尘分离为烟气YQ和半焦粉尘R50-RS；烟气YQ自上部空间离开旋风分离系统S50排出流化烧焦反应过程R50。24.根据权利要求22所述方法及设备，其特征在于：(5)在流化烧焦反应过程R50，流化烧焦反应空间的上部稀相段的器内含尘烟气R50E-YQ，经过布置于流化烧焦反应器内部的上部空间的旋风分离系统S50脱尘分离为烟气YQ和半焦粉尘R50-RS；旋风分离系统S50的旋风分离器料腿排出的半焦粉尘R50-RS返回流化烧焦反应空间循环加工。25.根据权利要求22所述方法及设备，其特征在于：(5)在流化烧焦反应过程R50，设置外取热器R50-OUT-HX，排出流化烧焦反应过程R50的热半焦进入外取热器R50-OUT-HX与取热介质间接换热降低温度后，排出外取热器R30-OUT-HX，在取热器R50-OUT-HX内完成冷却步骤XH。26.根据权利要求22所述方法及设备，其特征在于：(5)在流化烧焦反应过程R50，设置外取热器R50-OUT-HX，来自流化烧焦反应过程R50的热半焦进入外取热器R50-OUT-HX与取热介质间接换热降低温度，排出外取热器R50...

【专利技术属性】
技术研发人员：何巨堂，
申请(专利权)人：何巨堂，
类型：发明
国别省市：河南,41