本發(fā)明涉及化工技術領域，尤其涉及一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

煤熱解是在一定的溫度、絕氧環(huán)境下對煤進行加熱，從而使煤中的揮發(fā)份分解，產(chǎn)生熱解固體、熱解氣和焦油的過程，是實現(xiàn)煤炭分質梯級利用的關鍵步驟。但是，目前大多數(shù)處理粉煤的熱解爐型，均以獲得油品為目的，且熱解油中含有大量的塵，造成熱解油難以有效利用、價值不高；同時，熱解產(chǎn)生的高溫半焦和熱解氣中攜帶的熱量也未得到充分利用，造成能量浪費。由此，現(xiàn)有技術存在熱解氣攜帶熱量利用不充分、焦油利用困難以及半焦利用效率低的問題。

技術實現(xiàn)要素：

面臨上述技術問題，本發(fā)明旨在設計一種集煤熱解、生物質熱解和焦油催化裂解產(chǎn)生合成氣為一體的熱解裝置，并將其與氣體凈化分離及混合半焦活化耦合，形成一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的方法和系統(tǒng)，以充分利用熱解氣所攜帶的熱量，解決焦油利用困難問題，實現(xiàn)高溫熱解半焦的高效綜合利用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)，包括分段式熱處理單元、氣體凈化分離單元以及混合半焦活化單元；其中，

所述分段式熱處理單元使用的裝置為蓄熱式下行床反應器；所述蓄熱式下行床反應器被隔熱墻劃分為左側的煤熱解區(qū)，以及右側的焦油催化裂解區(qū)和生物質熱解區(qū)；該反應器右側被隔熱插板閥劃分為上部的所述焦油催化裂解區(qū)以及下部的所述生物質熱解區(qū)；所述煤熱解區(qū)設置有粉煤入口和半焦出口，所述生物質熱解區(qū)設置有生物質入口和生物質焦出口，所述焦油催化裂解區(qū)設置有熱解混合氣出口；

所述氣體凈化分離單元包括熱解混合氣入口、合成氣出口、飛灰出口以及二氧化碳出口，所述熱解混合氣入口和所述熱解混合氣出口相連；

所述混合半焦活化單元包括高溫混合半焦入口、二氧化碳入口、活性炭出口以及活化后二氧化碳出口，所述高溫混合半焦入口和所述半焦出口、所述生物質焦出口、所述飛灰出口均相連，所述二氧化碳入口與所述二氧化碳出口相連。

進一步地，所述系統(tǒng)還包括原煤預處理單元，所述原煤預處理單元包括依次連接的中低階煤破碎裝置、中低階煤中間儲倉和中低階粉煤螺旋輸送裝置，所述中低階粉煤螺旋輸送裝置與所述粉煤入口相連。

具體地，所述蓄熱式下行床反應器設置有多層蓄熱式輻射管，所述輻射管位于所述煤熱解區(qū)和所述焦油催化裂解區(qū)。任一層所述輻射管沿所述反應器水平方向均勻分布，且所述多層蓄熱式輻射管沿所述反應器的豎直方向上下分布。

進一步地，所述煤熱解區(qū)還設置有防爆口。

具體地，所述隔熱墻設置在所述蓄熱式下行床反應器橫向寬度的2/3處并垂直貫穿于該反應器內(nèi)。所述隔熱插板閥設置在所述蓄熱式下行床反應器右側區(qū)垂直方向的1/3處。

具體地，所述隔熱墻設置有連通構件，所述連通構件設置在所述隔熱墻縱向下部。所述隔熱插板閥上設置有連通件，所述連通件設置在所述隔熱插板閥的中間。

具體地，所述生物質入口設置在隔熱插板閥下方的側壁上。

進一步地，所述焦油催化裂解區(qū)設置有催化床層，所述催化床層設置有生物質焦入口和催化劑出口，所述生物質焦入口和所述生物質焦出口相連。

具體地，所述氣體凈化分離單元包括旋風分離器和psa吸附分離裝置，所述旋風分離器和psa吸附分離裝置連接。其中，所述熱解混合氣入口和所述飛灰出口均設置在所述旋風分離器上，所述合成氣出口以及所述二氧化碳出口均設置在所述psa吸附分離裝置上。

本發(fā)明還提供了一種制備還原氣和活性炭的方法，其特征在于，包括步驟：

a.煤粉與生物質分段式熱處理：在所述煤熱解區(qū)將原料煤粉進行熱解處理產(chǎn)生高溫荒煤氣和高溫半焦；所述高溫荒煤氣進入所述生物質熱解區(qū)熱解生物質，產(chǎn)生生物質焦和混合熱解氣；所述混合熱解氣進入所述焦油催化裂解區(qū)進行裂解，得到氣態(tài)烴類物質；

b.氣體凈化分離：在所述氣體凈化分離單元將所述氣態(tài)烴類物質凈化分離后，得到飛灰、合成氣和二氧化碳；

c.半焦活化：利用所述二氧化碳對分段式熱處理后得到的所述高溫半焦和所述生物質焦，以及凈化分離后得到的所述飛灰在所述混合半焦活化單元進行活化，形成活性炭。

優(yōu)選地，所述步驟a中，將所述煤熱解區(qū)的熱解溫度控制在750-850℃。熱解時間即物料由爐頂落至爐底的時間被控制在6s-12s。

進一步地，所述步驟a中，將所述生物質熱解區(qū)的熱解溫度控制在650-750℃。

更進一步地，所述步驟a中，將焦油催化裂解區(qū)的溫度控制在800-900℃。

優(yōu)選地，所述步驟a中，將原料煤粉破碎至小于3mm。所述生物質的長度≤5mm。

更優(yōu)選地，所述步驟a中，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為0.5-1.0:1。

具體地，所述步驟b中，所述氣態(tài)烴類物質通過旋風分離器凈化，得到飛灰，通過活化處理形成所述活性炭。凈化后得到的熱解氣進入psa吸附分離裝置，經(jīng)過分離得到所述合成氣和所述二氧化碳。

優(yōu)選地，所述步驟e中，將所述活化溫度控制在800-950℃。

進一步地，所述方法還包括，在生產(chǎn)過程中間歇時，將所述生物質熱解區(qū)產(chǎn)生的一部分所述生物質焦作為催化劑輸至所述焦油催化裂解區(qū)。

采用本發(fā)明的技術方案有如下優(yōu)點：

(1)充分利用煤熱解與生物質熱解的溫度差，采取分段式熱處理方式，將煤熱解產(chǎn)生的荒煤氣作為生物質熱解的熱源，在冷卻煤熱解產(chǎn)物的同時完成生物質熱解，不僅充分利用荒煤氣的熱量，而且使得生物質變廢為寶，獲取油氣產(chǎn)品；

(2)采用分段式蓄熱式下行床作為煤粉與生物質的熱解裝置，采用內(nèi)置外熱的加熱方式，輻射管置于爐膛內(nèi)部，而加熱載體與熱解物料隔絕，所得油氣與加熱介質隔離，熱解氣品質高；

(3)將生物質熱解產(chǎn)生的生物質焦進行自循環(huán)，作為焦油裂解的催化劑，降低催化劑成本且不摻入其它物質，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理配置，

(4)充分利用混合半焦比表面積大的優(yōu)勢，將粉煤熱解與生物質熱解產(chǎn)生的混合半焦用作制備活性炭的原料，實現(xiàn)混合半焦的綜合高效利用；

(5)將煤與生物質熱解產(chǎn)生的熱解混合氣進行分離獲得富氫還原氣及二氧化碳，并將二氧化碳用作混合半焦制備活性炭的活化劑，實現(xiàn)自身系統(tǒng)的資源整合利用；

(6)熱解產(chǎn)生的半焦及熱解混合氣均在高溫下直接利用，充分利用了氣固產(chǎn)物所攜帶的熱量，提高整個系統(tǒng)的熱效率。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)示意圖；

1-原煤預處理單元，2-分段式熱處理單元，3-氣體凈化分離單元，4-混合半焦活化單元；

11-中低階煤破碎裝置，12-中低階煤中間儲倉，13-中低階粉煤螺旋輸送裝置；

21-隔熱墻，22-連通構件，23-隔熱插板閥，24-連通件，25-催化床層，26-煤熱解區(qū)，27-生物質熱解區(qū)，28-焦油催化裂解區(qū)；200-防爆口，201-粉煤入口，202-半焦出口，203-生物質入口，204-生物質焦出口，205-生物質焦入口，206-熱解混合氣出口；

31-熱解混合氣入口，32-合成氣出口，33-飛灰出口，34-二氧化碳出口，35-旋風分離器，36-psa吸附分離裝置；

41-高溫混合半焦入口，42-二氧化碳入口，43-活性炭出口，44-活化后二氧化碳出口。

圖2為本發(fā)明的煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案及其各個方面的優(yōu)點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明旨在設計一種集煤熱解、生物質熱解和焦油催化裂解為一體的熱解裝置，并根據(jù)熱解產(chǎn)品的特性，將上述熱解技術與半焦活化制備活性炭技術耦合，形成一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的方法和系統(tǒng)，以實現(xiàn)熱解焦油的催化裂解及高溫熱解半焦的高效綜合利用。為此，本發(fā)明提出了一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的的系統(tǒng)，參見圖1，該系統(tǒng)包括分段式熱處理單元2、氣體凈化分離單元3以及混合半焦活化單元4；其中，

所述分段式熱處理單元2使用的裝置為蓄熱式下行床反應器；所述蓄熱式下行床反應器被隔熱墻21劃分為左側的煤熱解區(qū)26，以及右側的焦油催化裂解區(qū)28和生物質熱解區(qū)27；該反應器右側被隔熱插板閥23劃分為上部的所述焦油催化裂解區(qū)28以及下部的所述生物質熱解區(qū)27；所述煤熱解區(qū)26設置有粉煤入口201和半焦出口202，所述生物質熱解區(qū)27設置有生物質入口203和生物質焦出口204，所述焦油催化裂解區(qū)28設置有熱解混合氣出口206；

所述氣體凈化分離單元3包括熱解混合氣入口31、合成氣出口32、飛灰出口33以及二氧化碳出口34，所述熱解混合氣入口31和所述熱解混合氣出口206相連；

所述混合半焦活化單元4使用的裝置是活化室，其包括高溫混合半焦入口41、二氧化碳入口42、活性炭出口43以及活化后二氧化碳出口44，所述高溫混合半焦入口41通過保溫密閉輸送系統(tǒng)分別與和所述半焦出口202、所述生物質焦出口204、所述飛灰出口33均相連，所述二氧化碳入口42與所述二氧化碳出口34相連。

進一步地，所述系統(tǒng)還包括原煤預處理單元1，所述原煤預處理單元1包括依次連接的中低階煤破碎裝置11、中低階煤中間儲倉12和中低階粉煤螺旋輸送裝置13，所述中低階粉煤螺旋輸送裝置13與所述粉煤入口201相連。

具體地，所述蓄熱式下行床反應器設置有多層蓄熱式輻射管，多層蓄熱式輻射管作為反應器的加熱裝置，所述輻射管位于所述煤熱解區(qū)26和所述焦油催化裂解區(qū)28。任一層所述輻射管沿所述反應器水平方向均勻分布，且所述多層蓄熱式輻射管沿所述反應器的豎直方向上下分布。

進一步地，所述煤熱解區(qū)26還設置有防爆口200，以避免熱解區(qū)內(nèi)壓力過高引發(fā)安全事故。

具體地，所述隔熱墻21設置在所述蓄熱式下行床反應器橫向寬度的2/3處并垂直貫穿于該反應器內(nèi)。所述隔熱插板閥23設置在所述蓄熱式下行床反應器右側區(qū)垂直方向的1/3處。

具體地，所述隔熱墻21設置有連通構件22，所述連通構件22設置在所述隔熱墻21縱向下部。所述隔熱插板閥23上設置有連通件24，所述連通件24設置在所述隔熱插板閥23的中間。所述連通構件22以及所述連通件23保證了熱解產(chǎn)物從煤熱解區(qū)26到生物質熱解區(qū)27以及焦油催化裂解區(qū)28的逸出。

具體地，所述生物質入口203設置在隔熱插板閥23下方的側壁上。

進一步地，所述焦油催化裂解區(qū)28設置有催化床層25，所述催化床層設置有生物質焦入口205和催化劑出口(圖未示出)。所述生物質焦入口205和所述生物質焦出口204相連，用于催化床層25中的生物質焦催化劑在生產(chǎn)過程中間歇更換。

具體地，所述氣體凈化分離單元3包括旋風分離器35和psa吸附分離裝置36，所述旋風分離器35和psa吸附分離裝置36連接。其中，所述熱解混合氣入口31和所述飛灰出口33均設置在所述旋風分離器上，所述合成氣出口32以及所述二氧化碳出口34均設置在所述psa吸附分離裝置36上。

本發(fā)明還提供了一種制備還原氣和活性炭的方法，其工藝參見圖2，該方法包括步驟：

a.煤粉與生物質分段式熱處理：在所述煤熱解區(qū)對原料煤粉進行熱解處理產(chǎn)生高溫荒煤氣和高溫半焦；高溫半焦經(jīng)密閉保溫輸送裝置直接送至活化室，高溫荒煤氣從反應器下端的連通構件氣孔進入所述生物質熱解區(qū)，與加入的生物質進行直接接觸，利用荒煤氣的熱量促使生物質熱解，產(chǎn)生生物質焦和混合熱解氣；生物質焦從底端輸出送入活化室，混合熱解氣經(jīng)保溫隔熱插板閥上的連通件進入所述焦油催化裂解區(qū)后，在高溫及生物質焦催化作用下進行裂解，得到氣態(tài)烴類物質；

b.氣體凈化分離：在所述氣體凈化分離單元將所述氣態(tài)烴類物質凈化分離后，得到飛灰、合成氣(富氫還原氣)和二氧化碳；

c.半焦活化：利用所述二氧化碳對分段式熱處理后得到的所述高溫半焦和所述生物質焦，以及凈化分離后得到的所述飛灰在所述混合半焦活化單元進行活化，形成活性炭。

優(yōu)選地，所述步驟a中，將所述煤熱解區(qū)的熱解溫度控制在750-850℃。熱解時間即物料由爐頂落至爐底的時間被控制在6s-12s。

進一步地，所述步驟a中，將所述生物質熱解區(qū)的熱解溫度控制在650-750℃。

更進一步地，所述步驟a中，將焦油催化裂解區(qū)的溫度控制在800-900℃。

優(yōu)選地，在熱處理之前，通過破碎裝置將原料煤粉破碎至小于3mm。

更優(yōu)選地，所述步驟a中，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為0.5-1.0:1。所述生物質的長度≤5mm。

具體地，所述步驟b中，所述氣態(tài)烴類物質通過旋風分離器凈化，得到飛灰，通過活化處理形成所述活性炭。凈化后得到的熱解氣進入psa吸附分離裝置，經(jīng)過分離得到所述合成氣和所述二氧化碳。

優(yōu)選地，所述步驟e中，將所述活化溫度控制在800-950℃。

進一步地，所述方法還包括，在生產(chǎn)過程中間歇時，將所述生物質熱解區(qū)產(chǎn)生的一部分所述生物質焦作為催化劑輸至所述焦油催化裂解區(qū)，以實現(xiàn)催化床層中的生物質焦催化劑在生產(chǎn)過程中間歇更換。催化劑更換時，需開啟催化床的下部出口，同時開啟隔熱插板閥。

下面結合具體實施例對本發(fā)明制備還原氣和活性炭的工藝作進一步地具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術進行。

實施例1

將粒度≤3mm的粉狀中低階煤粉送入蓄熱式下行床反應器，從下行床的頂端入口依靠重力作用向下運行，并在下行過程中在蓄熱式輻射管的加熱下發(fā)生熱解，熱解溫度為750℃，從而獲得荒煤氣和高溫半焦；高溫半焦經(jīng)密閉保溫輸送裝置直接送至混合半焦活化室；高溫荒煤氣從隔熱墻下端的連通構件進入生物質熱解區(qū)，與長度≤5mm的生物質進行直接接觸，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為0.6:1，熱解溫度被控制在650℃，生物質熱解得到熱解氣與生物質焦；產(chǎn)生的生物質焦從底端輸出送入混合半焦活化室，而混合熱解氣經(jīng)隔熱插板閥的連通件進入焦油催化裂解區(qū)，使焦油在900℃高溫及生物質焦催化作用下裂解為小分子的氣態(tài)烴類，從而獲得混合熱解氣；該混合熱解氣經(jīng)過旋風分離器凈化后在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到合成氣和二氧化碳，合成氣被收集待用，而二氧化碳被輸送至活化室，在850℃下對活化室內(nèi)的混合半焦進行活化，制得活性炭。

實施例2

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度≤3mm的粉狀中低階煤粉送入蓄熱式下行床反應器，從下行床的頂端入口依靠重力作用向下運行，并在下行過程中在蓄熱式輻射管的加熱下發(fā)生熱解，熱解溫度為850℃，從而獲得荒煤氣和高溫半焦；高溫半焦經(jīng)密閉保溫輸送裝置直接送至混合半焦活化室；高溫荒煤氣從隔熱墻下端的連通構件進入生物質熱解區(qū)，與長度≤5mm的生物質進行直接接觸，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為1:1，熱解溫度被控制在700℃，生物質熱解得到熱解氣與生物質焦；產(chǎn)生的生物質焦從底端輸出送入混合半焦活化室，而混合熱解氣經(jīng)隔熱插板閥的連通件進入焦油催化裂解區(qū)，使焦油在850℃高溫及生物質焦催化作用下裂解為小分子的氣態(tài)烴類，從而獲得混合熱解氣；該混合熱解氣經(jīng)過旋風分離器凈化后在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到合成氣和二氧化碳，合成氣被收集待用，而二氧化碳被輸送至活化室，在800℃下對活化室內(nèi)的混合半焦進行活化，制得活性炭。

實施例3

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度≤3mm的粉狀中低階煤粉送入蓄熱式下行床反應器，從下行床的頂端入口依靠重力作用向下運行，并在下行過程中在蓄熱式輻射管的加熱下發(fā)生熱解，熱解溫度為850℃，從而獲得荒煤氣和高溫半焦；高溫半焦經(jīng)密閉保溫輸送裝置直接送至混合半焦活化室；高溫荒煤氣從隔熱墻下端的連通構件進入生物質熱解區(qū)，與長度≤5mm的生物質進行直接接觸，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為0.8:1，熱解溫度被控制在750℃，生物質熱解得到熱解氣與生物質焦；產(chǎn)生的生物質焦從底端輸出送入混合半焦活化室，而混合熱解氣經(jīng)隔熱插板閥的連通件進入焦油催化裂解區(qū)，使焦油在800℃高溫及生物質焦催化作用下裂解為小分子的氣態(tài)烴類，從而獲得混合熱解氣；該混合熱解氣經(jīng)過旋風分離器凈化后在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到合成氣和二氧化碳，合成氣被收集待用，而二氧化碳被輸送至活化室，在950℃下對活化室內(nèi)的混合半焦進行活化，制得活性炭。

實施例4

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度≤3mm的粉狀中低階煤粉送入蓄熱式下行床反應器，從下行床的頂端入口依靠重力作用向下運行，并在下行過程中在蓄熱式輻射管的加熱下發(fā)生熱解，熱解溫度為850℃，從而獲得荒煤氣和高溫半焦；高溫半焦經(jīng)密閉保溫輸送裝置直接送至混合半焦活化室；高溫荒煤氣從隔熱墻下端的連通構件進入生物質熱解區(qū)，與長度≤5mm的生物質進行直接接觸，所述生物質與所述原料煤粉的質量比為0.5:1，熱解溫度被控制在700℃，生物質熱解得到熱解氣與生物質焦；產(chǎn)生的生物質焦從底端輸出送入混合半焦活化室，而混合熱解氣經(jīng)隔熱插板閥的連通件進入焦油催化裂解區(qū)，使焦油在900℃高溫及生物質焦催化作用下裂解為小分子的氣態(tài)烴類，從而獲得混合熱解氣；該混合熱解氣經(jīng)過旋風分離器凈化后在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到合成氣和二氧化碳，合成氣被收集待用，而二氧化碳被輸送至活化室，在900℃下對活化室內(nèi)的混合半焦進行活化，制得活性炭。

根據(jù)以上實施例可知，本發(fā)明的蓄熱式下行床反應器能夠集煤熱解、生物質熱解和焦油催化裂解的功能為一體，并根據(jù)熱解產(chǎn)品的特性，將該熱解技術與半焦活化制備活性炭技術耦合，形成一種煤粉和生物質熱解制備還原氣和活性炭的方法和系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱解焦油的催化裂解及高溫熱解半焦的高效綜合利用，解決了熱解氣攜帶熱量利用不充分、焦油利用困難以及半焦利用效率低的問題。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。