本發明專利技術公開了一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統以及使用該反應器系統的方法。所述系統包括：碳質材料熱解爐；至少一個用于充分混合碳質材料和催化熱載體、并將熱從催化熱載體快速轉移至碳質材料中的下行混合器；至少一個固-固分離器或固-液分離器；至少一個催化熱載體再熱器；和與所述熱解爐相連的冷凝器。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術通常涉及一種包括快速混合、高熱轉移率、準確控制短而均勻的停留時間的快速熱解碳質材料的新方法和新裝置，更具體地說，本專利技術涉及一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統和使用該反應器系統的方法。
技術介紹
產生熱、化學產物、或燃料的碳質材料熱解可伴隨有一系列熱化學反應過程。常規熱化學反應過程，如熱解、氣化和液化典型地是平衡反應過程，并產生一系列價值較低的平衡產物，包括數量占大多數的固體，如焦、半焦等；液體，如重質焦油、含水溶液等；和氣體，如C02、CO、CH4等。例如，氣化通常產生應用受限的低級燃料氣體，而常規熱解所形成的有價值液態或氣態產物的產率又較低。此外，液態產物經常需要二次提質。熱解的特征在于在相對缺氧，既氧的含量明顯少于完全燃燒所需要的量，的條件下熱分解材料。一般，熱解在習慣上僅是指常規慢熱解。然而，許多熱解的研究和實驗出人意料地表明對碳質材料進行快速熱解或閃解可以生產不良慢熱解產物的成本獲得高產率的包含有價值化學品、化學中間產物、石化品和燃料的初級、非平衡液體和氣體。換句話說，通過快速熱解工藝所體現的方法可避免常規慢熱解的低價值產物的出現。快速熱解可用涵蓋以下各種方法的任何方式定義即在極短的時間內快速賦予材料相對高的溫度，隨后在達到化學平衡狀態之前迅速將原始產物的溫度降低。通過這種方式，碳質材料的復雜結構被分解為有活性的最初通過解聚和脫揮發分反應形成、但存在時間極短的化學分子碎片。因此，如果非平衡產物可被保留下來，將可以生產低價值固體產物和重質有機液體產物的成本有選擇地獲得高價值的化學中間體、輕質初級有機液體產物、石化品和/或高品質燃料氣體等產物，并使其產率最大化。快速熱解可在各類反應器中進行。這些反應器最顯著的共同特征是極快地加熱物料并通過快速冷卻將反應限制在較短的時間內以在高價值的中間產物退化為低價值的最終產物之前終止化學反應。因此，快速熱解反應器系統的特征在于要求非常快的物料加熱速率，提升可控的反應溫度，可控但很短的混合、反應和/或停留時間，以及產物的快速激冷等。事實上，另一方面，一個為了液體產物產率而被優化的真正快速的熱解反應器系統，其特征在于油/焦油產率較高，而焦和氣體產物產率較低。一般來說，在快速熱解所屬的現有技術中公開了四種基本類型的反應器系統，根據工作方式和結構的不同，他們被分別定義為流化床反應器、輸送型反應器、氣旋燒蝕反應器和真空熱解反應器。有關這四種基本類型的反應器系統的細節可參見美國專利US5, 792，340，該專利的公開內容在此全文引入以作參考。到目前為止，針對快速熱解各種碳質材料以獲得包括氣、液和固產物的高價值化學產物的有效方式，人們已進行了大量的嘗試和實驗。例如，US5，792，340公開了一種碳質材料快速熱解的新方法及裝置，該方法包括在一個固體熱載體循環的上流式氣流床輸送型反應器中快速混合、快速傳熱、精確控制短而均勻的停留時間，以及快速激冷初級產物等步驟。碳質入料、非氧化性輸送氣體和無機顆粒狀供熱材料在反應器底部混合，并隨后被向上輸送穿過氣流床管式反應器。氣旋式熱固體循環系統從非可冷凝氣體和初級產物蒸汽中分離出固體并隨后將之送回混合器中。蒸汽產物被迅速激冷以使液體、石化產物、高價值的氣體和選擇性的有價值化學品的產率最大化。在US5，792，340中所公開的上述方法和裝置是通過一個上流式氣流床輸送反應器發揮功能的，因而對碳質材料和固體熱載體的粒徑的限制非常嚴格，結果其大規模應用也因此受到限制。US7, 901，568公開了一種將固態或高粘性碳基載能材料轉化成液態和氣態反應產物的方法，該方法包括以下步驟(a)使碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料接觸；(b)在200 450°C間，優選為250 350°C之間的反應溫度下，將碳基載能材料轉變為氣相反應產物。在其一個優選的實施方式中，該方法還包括步驟(c)在前述蒸汽相反應產物生成后的 10秒之內將其與顆粒狀催化劑材料分離；在其又一個優選的實施方式中，在步驟(c)之后有步驟(d):即將反應產物激冷到200°C以下。US7，901，568所公開的上述方法使用了下行床、流化床或提升管反應器，并且碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料的混合分兩步進行，但該專利并未公開如何快速均勻地混合所述碳基載能材料與顆粒狀催化劑材料的具體細節。US4, 404，083和US4，511，434都公開了一種干餾固態含烴材料、例如油頁巖、煤和油砂的流化床系統和方法，其中固態含烴材料和熱載體材料被給入一混合腔中混合后由提升氣沿提升管被快速向上輸送到一個含固體的容器中以干餾含烴材料，并使自由烴熱裂解達到最小以增加可冷凝烴的回收。干餾后的材料被輸送到一個稀釋相提升管及燃燒器容器中，干餾后的材料中的殘余碳在燃燒器中發生燃燒，留下可被送到混合腔內作為固體熱載體材料的熱廢料。US4，404，083和US4，511，434所公開的流化床系統和方法使用提升氣提升和混合固體含烴材料及熱載體材料，并且熱解后的固體產物在燃燒器容器中被燒掉，留下熱廢料做熱載體。與前面US5, 792，340相同，在US4，404，083和US 4，511，434所公開的流化床系統和方法中，對固態含烴材料和固體熱載體的粒徑的限制也非常嚴格，并因此導致其大規模應用受限。綜上所述，對于將之有效應用于碳質材料快速熱解的帶熱載體循環機制的熱解反應器系統來說，現有技術仍然存在許多需要解決或克服的缺點和問題。例如，需要顯著改善至少以下幾個方面或特性(I)可冷凝氣相產物在熱解爐和/或混合器內極短、均勻，但可控的停留時間；(2)入料在混合器中極快但徹底的混合以確保非常高的傳熱速率；(3)僅通過顆粒狀熱載體材料的循環就能將熱從熱載體顆粒中有效供應給和轉移至碳質材料中；(4)具有便于提供大量熱的高熱容和有助于有效裂解可冷凝氣相產物中重質部分的催化性能的熱載體材料；(5)允許熱載體與碳質材料比率足夠聞的反應器構造；(6)入料在進料系統中預熱解的預防；(7)有效分離可冷凝氣相產物而不損失其產率。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種快速熱解碳質材料的新方法和新裝置，其旨在克服上述缺點或解決上述問題的至少一部分甚至全部，更具體地說，本專利技術提供了一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料熱解反應器系統和使用該反應器系統的方法。根據本專利技術第一個方面，提供一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或聞粘度碳質材料熱解反應器系統，包括碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位于上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載 體在其中被迫做緊密接觸并被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用于將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)；至少一個經上述固-固分離器或固-液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(31本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具有下行混合器和催化熱載體再熱器的固態或高粘度碳質材料的熱解反應器系統，包括：碳質材料熱解爐(200)，具有所述碳質材料和催化熱載體入口(210)，提升氣入口(202)，熱解的固態或液態產物和廢催化熱載體出口(204)，和熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)；至少一個位于上述入口(210)處的下行混合器(100)，所述碳質材料和催化熱載體在其中被迫做緊密接觸并被充分混合，從而形成從所述熱解爐(200)的上部向下移動到下部的所述碳質材料和催化熱載體的均勻混合物，同時將熱從所述催化熱載體中快速和均勻地轉移至所述碳質材料中；至少一個用于將熱解的固態或液態產物與所述廢催化熱載體相分離的固?固分離器或固?液分離器(300和/或400)；至少一個經上述固?固分離器或固?液分離器(300和/或400)，廢催化熱載體輸送管道(312和/或407)、和再熱的催化熱載體輸送管道(102)而與所述熱解爐(200)相連通的催化熱載體再熱器(500)，其中在所述熱解爐(200)中產生的廢催化熱載體經其輸送管道(312和/或407)進入所述再熱器(500)中，并在其中通過被引入到所述再熱器(500)中的一部分熱解的固態或液態產物或外源燃料和被輸入到所述再熱器(500)中的含氧氣流之間的燃燒而被再次加熱，隨后再熱的催化熱載體通過其輸送管道(102)被循環回所述下行混合器(100)中，而無氧或耗氧后的燃燒氣體被從所述再熱器(500)中排出；和經所述熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(205)和/或另一熱解的氣態或蒸汽產物出口管道(208)而與所述熱解爐(200)相連通的冷凝器(600)，其中氣態焦油或油在此處經冷凝變為液態焦油或油，并與所述熱解的氣態產物相分離。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉科，吳昌寧，苗強，
申請(專利權)人：北京低碳清潔能源研究所，
類型：發明
國別省市：
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