一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，屬于可再生能源利用技術(shù)領(lǐng)域。包括：內(nèi)管、外管、支撐套管、環(huán)形布風板、圓形布風板、緩沖套管、載氣均布器和螺旋板換熱器，上述部件由上而下同軸安裝。本發(fā)明的快速熱裂解裝置利用流化床與容器壁面?zhèn)鳠嵝矢叩奶攸c，將內(nèi)管中流化床作為反應(yīng)區(qū)，外圍增加環(huán)形流化床作為加熱區(qū)，用燃燒后高溫煙氣作為流化載氣，提高反應(yīng)器綜合傳熱，以補充生物質(zhì)熱裂解吸收的熱量，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時加入了逆流式螺旋板換熱器以充分利用燃燒煙氣余熱。通過改變裝置中兩個支路的流量，可以實現(xiàn)保證反應(yīng)區(qū)流化氣速不變的前提下調(diào)節(jié)溫度，以適應(yīng)不同工藝條件下的生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)。
【專利說明】
一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，屬于可再生能源利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]快速熱裂解是生物質(zhì)能源利用的重要技術(shù)之一，可將低品質(zhì)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有工業(yè)附加值的液態(tài)產(chǎn)品。反應(yīng)器是生物質(zhì)熱裂解工藝中最核心的部分，為滿足工藝要求，需具備加熱速率高、氣相停留時間短等特點，目前普遍應(yīng)用的是流化床反應(yīng)器。由于生物質(zhì)熱裂解是強吸熱反應(yīng)，連續(xù)生產(chǎn)時會導(dǎo)致流化床內(nèi)局部溫度迅速下降，雖然可以提高載氣入口溫度以維持反應(yīng)器內(nèi)平均溫度，但過大溫差使得熱裂解產(chǎn)物控制非常困難。為維持相對均勻的反應(yīng)溫度，通常在反應(yīng)器外側(cè)配備電加熱以及溫控設(shè)備。中國專利CN200910009082.5公開了一種分段控溫流化床式生物質(zhì)快速熱解反應(yīng)器，在反應(yīng)器主體不同高度上分別設(shè)置電加熱以及溫控裝置，以實現(xiàn)不同位置精準的溫度控制，避免不必要的能耗。但電加熱方式能源利用率較低，降低了生物質(zhì)熱裂解生產(chǎn)效益。中國專利CN200810024526.8公開了一種單床自熱式熱解氣化燃燒反應(yīng)器，內(nèi)含分隔板和導(dǎo)向管，將反應(yīng)器主體分成上部熱裂解床和下部燃燒床兩部分，兩個床之間依靠惰性熱載體進行熱量傳遞，以提供生物質(zhì)所需熱量，但該裝置的兩個床是連通的，雖然采用顆粒密封法，但扔存在竄氣現(xiàn)象，并且會燃燒掉部分反應(yīng)產(chǎn)物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是提供一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，對已有的快速熱解裝置的結(jié)構(gòu)作出改進，以提高傳熱效率，而且使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0004]本發(fā)明提出的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，包括:內(nèi)管、外管、支撐套管、環(huán)形布風板、圓形布風板、緩沖套管、載氣均布器和螺旋板換熱器，所述的內(nèi)管、外管、支撐套管、環(huán)形布風板、圓形布風板、緩沖套管和螺旋板換熱器依次由上而下同軸安裝;所述的外管和內(nèi)管之間形成環(huán)形空腔，外管和內(nèi)管之間的環(huán)形空腔為加熱區(qū)，內(nèi)管中的空間為反應(yīng)區(qū)，加熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)中分別填充有床料，外管側(cè)壁設(shè)有加熱區(qū)卸料管，外管上部的側(cè)壁設(shè)有熱煙氣出口，外管的下端部通過法蘭與支撐套管相對固定，所述的環(huán)形布風板同軸安裝在支撐套管內(nèi)，所述的支撐套管上設(shè)有切向連接的高溫煙氣入口；所述的內(nèi)管的下部伸出外管，伸出外管后的內(nèi)管側(cè)壁上開有進料管和反應(yīng)區(qū)卸料管，進料管外圍設(shè)有冷卻水套，冷卻水套上設(shè)有冷卻水入口和冷卻水出口，內(nèi)管的底部通過法蘭分別與支撐套管和緩沖套管相連接，緩沖套管內(nèi)安裝有載氣均布器;所述的螺旋板換熱器與緩沖套管相對固定，螺旋板換熱器內(nèi)設(shè)有不可冷凝氣通道和熱煙氣通道，不可冷凝氣的入口置于螺旋板換熱器的側(cè)壁上，不可冷凝氣的出口位于螺旋板換熱器的頂端，不可冷凝氣的出口與緩沖套管相連通，熱煙氣入口置于螺旋板換熱器的底部中央位置，熱煙氣入口通過回煙管與外管上部的熱煙氣出口相連，熱煙氣排空口位于螺旋板換熱器的側(cè)壁，熱煙氣排空口與大氣連通，所述緩沖套管側(cè)壁上設(shè)有第二不可冷凝氣入口，并與載氣均布器連通。
[0005]上述套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置中，所述的環(huán)形布風板為階梯形，包括固定段、階梯段和開孔段，固定段用于與外管和支撐套管相對固定，開孔段上均布有氣孔，使從支撐套管的高溫煙氣入口進入的高溫煙氣進入加熱區(qū)。
[0006]上述套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置中，所述的載氣均布器由進氣管、布風環(huán)和支管構(gòu)成，使不可冷凝氣從進氣管進入，從四個支管均勻排出，起到使從第二不可冷凝氣入口進入的氣體與從螺旋板換熱器的不可冷凝氣出口排出的氣體充分混合的作用。
[0007]本發(fā)明提出的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其優(yōu)點是:
[0008]1、本發(fā)明的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，由于流態(tài)化狀態(tài)下床料與容器壁面有較高的傳熱系數(shù)，當容器壁面兩側(cè)均形成流化床時，總的傳熱系數(shù)依然很高。將圓柱體流化床反應(yīng)器外圍增加一套管，并在環(huán)形區(qū)填入床料，形成套管式結(jié)構(gòu)的流化床，若環(huán)形區(qū)溫度高于內(nèi)管的反應(yīng)區(qū)，其熱量可以高效傳遞到反應(yīng)區(qū)，以補充生物質(zhì)吸收的熱量。利用燃燒生成的高溫煙氣流化環(huán)形區(qū)內(nèi)床料，可在很大程度上提高平均溫差，促進傳熱。
[0009]2、本發(fā)明的快速熱裂解裝置，其中的螺旋板換熱器，以逆流工作方式利用加熱區(qū)排出的煙氣加熱常溫下不可冷凝氣體，充分利用了燃料的燃燒熱，并且螺旋板換熱器由于其自身結(jié)構(gòu)特點使其具有“自凈”功能，可以在一定程度上過濾掉流體中雜質(zhì)，比較適用于生物質(zhì)熱裂解這一領(lǐng)域，此外螺旋板換熱器相比其它形式換熱器傳熱效率較高，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0010]3、本發(fā)明的快速熱裂解裝置，工作過程中不可冷凝氣體分為兩路進入到反應(yīng)區(qū)，其中一路經(jīng)過螺旋板換熱器加熱到較高溫度，另一路則不經(jīng)過加熱，在緩沖區(qū)混合后進一同入反應(yīng)區(qū)，通過改變兩個支路的流量可以實現(xiàn)保證反應(yīng)區(qū)流化氣速不變的前提下調(diào)節(jié)溫度，以適應(yīng)不同工藝條件下的生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明提出的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1所示的快速熱裂解裝置下部的局部放大圖。
[0013]圖3是快速熱裂解裝置中環(huán)形布風板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是快速熱裂解裝置中載氣均布器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖1-圖4中，I是熱裂解氣出口，2是內(nèi)管，3是外管，4是支撐套管，5是環(huán)形布風板，6是進料管，7是冷卻水套，8是圓形布風板，9是緩沖套管，10是螺旋板換熱器，11是熱煙氣入口，12是不可冷凝氣出口，13是載氣均布器，14是反應(yīng)區(qū)卸料管，15是高溫煙氣入口，16是回煙管，17是熱煙氣出口，18是加熱區(qū)卸料管，19是第二不可冷凝氣入口，20是不可冷凝氣入口，21是冷卻水入口，22是熱煙氣排空口，23是冷卻水出口，24是固定段，25是階梯段，26是開孔段，27進氣管，28是布風環(huán)，29是支管。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明提出的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:內(nèi)管2、外管3、支撐套管4、環(huán)形布風板5、圓形布風板8、緩沖套管9、載氣均布器13和螺旋板換熱器10。內(nèi)管2、外管3、支撐套管4、環(huán)形布風板5、圓形布風板8、緩沖套管9和螺旋板換熱器10依次由上而下同軸安裝。
[0017]如圖1所示，外管3和內(nèi)管2之間形成環(huán)形空腔，外管3和內(nèi)管2之間的環(huán)形空腔為加熱區(qū)，內(nèi)管中的空間為反應(yīng)區(qū)，加熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)中分別填充有床料，外管3的側(cè)壁設(shè)有加熱區(qū)卸料管18，外管3上部的側(cè)壁設(shè)有熱煙氣出口 17，外管3的下端部通過法蘭與支撐套管4相對固定。環(huán)形布風板5同軸安裝在支撐套管4內(nèi)，支撐套管4上設(shè)有切向連接的高溫煙氣入口15ο
[0018]內(nèi)管2的下部伸出外管3，伸出外管3后的內(nèi)管2側(cè)壁上開有進料管6和反應(yīng)區(qū)卸料管14，進料管6的外圍設(shè)有冷卻水套7，冷卻水套7上設(shè)有冷卻水入口 21和冷卻水出口 23，內(nèi)管2的底部通過法蘭分別與支撐套管4和緩沖套管9相連接，緩沖套管9內(nèi)安裝有載氣均布器13ο
[0019]螺旋板換熱器10與緩沖套管9相對固定，螺旋板換熱器10內(nèi)設(shè)有不可冷凝氣通道(如圖中的實線箭頭所示)和熱煙氣通道(如圖中的虛線箭頭所示)，如圖2所示。不可冷凝氣入口 20置于螺旋板換熱器10的側(cè)壁上，不可冷凝氣出口 12位于螺旋板換熱器10的頂端，不可冷凝氣出口 12與緩沖套管9相連通，熱煙氣入口 11置于螺旋板換熱器10底部中央位置，熱煙氣入口 11通過回煙管與外管3上部的熱煙氣出口 17相連，熱煙氣排空口 22位于螺旋板換熱器10的側(cè)壁，熱煙氣排空22 口與大氣連通。緩沖套管9側(cè)壁上設(shè)有第二不可冷凝氣入口19，第二不可冷凝氣入口 19與載氣均布器13相連通。
[0020]上述套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其中的環(huán)形布風板5為階梯形，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括固定段24、階梯段25和開孔段26，固定段24用于與外管3和支撐套管4相對固定，開孔段26上均布有氣孔，使從支撐套管4的高溫煙氣入口 15進入的高溫煙氣進入加熱區(qū)。
[0021]上述套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其中的載氣均布器13的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由進氣管27、布風環(huán)28和支管29構(gòu)成，使不可冷凝氣從進氣管27進入，從四個支管29均勻排出，起到使從第二不可冷凝氣入口 19進入的氣體與從螺旋板換熱器10的不可冷凝氣出口 12排出的氣體充分混合的作用。
[0022]本發(fā)明提出的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置的工作原理為:燃燒爐中產(chǎn)生的高溫煙氣直接通過煙氣入口進入加熱區(qū)，使該區(qū)域床料流化，由于流化作用，熱量會高效通過內(nèi)管壁面進入反應(yīng)區(qū)，補充生物質(zhì)熱裂解能量消耗;此后煙氣排出加熱區(qū)，通過回煙管進入到螺旋板換熱器，并與常溫下的不可冷凝氣體換熱，將其預(yù)熱到一定溫度后排空；同時，生物質(zhì)通過進料管進入反應(yīng)區(qū)，被內(nèi)部傳熱介質(zhì)迅速加熱到450_550°C并發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成的熱裂解氣和固體產(chǎn)物與流化載氣一起從熱裂解氣出口排出。此外，理論上流化床的流化氣速與傳熱系數(shù)呈一定的函數(shù)關(guān)系，改變流化氣速必然導(dǎo)致反應(yīng)溫度的改變，為實現(xiàn)反應(yīng)區(qū)溫度可調(diào)同時不改變反應(yīng)區(qū)以及加熱區(qū)流化氣速，在螺旋板換熱器上端的不可冷凝氣緩沖區(qū)邊上設(shè)置第二不可冷凝氣入口，使得一部分不可冷凝氣不經(jīng)過換熱直接進入反應(yīng)區(qū)，通過改變兩個不可冷凝氣入口流量，可達到在流化氣速不變的前提下調(diào)節(jié)反應(yīng)區(qū)溫度的目的。
[0023]以下結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明裝置的工作原理和工作過程:
[0024]如圖1所示，內(nèi)管2所包含空間為生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)區(qū)，有床料填充，作為傳熱介質(zhì)，由熱裂解產(chǎn)物中的不可冷凝氣流化，工作溫度為450-550°C。進料管6位于內(nèi)管2的側(cè)壁靠近圓形布風板8上表面位置，使生物質(zhì)進入反應(yīng)區(qū)后可充分與傳熱介質(zhì)接觸，其反應(yīng)產(chǎn)物隨流化載氣一同通過熱裂解氣出口 I排出內(nèi)管2。在內(nèi)管2另一側(cè)設(shè)有略微向下傾斜的反應(yīng)區(qū)卸料管14，用以更換床料。外管3與內(nèi)管2之間環(huán)形空腔為加熱區(qū)，由環(huán)形布風板5承載床料，工作溫度為700-800°C，為反應(yīng)區(qū)流化床補充生物質(zhì)吸收的熱量。燃燒后的高溫煙氣進入到加熱區(qū)，作為流化載氣，并與內(nèi)管2中流化床進行換熱，隨后從頂端的熱煙氣出口 17排出，并通過回煙管16進入到螺旋板換熱器10，與常溫下不可冷凝氣體換熱后排空。為避免進料管6穿過加熱區(qū)，從而引起生物質(zhì)提前碳化，環(huán)形布風板5高于圓形布風板8—段距離，使進料管位于兩個布風板之間的位置;外管3底部連接有支撐套筒4，同時支撐套筒4也通過法蘭與內(nèi)管2相連，將環(huán)形布風板5包裹在其內(nèi)部，形成煙氣緩沖空間。在支撐套筒4一側(cè)有一切向、水平連接的高溫煙氣入口 15，切向連接的目的在于避免高溫煙氣直接沖刷環(huán)形布風板5，減小煙氣壓力損失。加熱區(qū)頂端密封，在其一側(cè)有一水平熱煙氣出口 17。
[0025]圖2顯示了套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置靠近底端的結(jié)構(gòu)，其中螺旋板換熱器10由不可冷凝氣通道和熱煙氣通道構(gòu)成，使低溫的不可冷凝氣與高溫的煙氣進行逆流式換熱，其中熱煙氣入口 11位于螺旋板換熱器10底部中央位置，熱煙氣排空口 22位于螺旋板換熱器10側(cè)壁上，使煙氣換熱后排空，而不可冷凝氣入口 20和不可冷凝氣出口 12則分別位于螺旋板換熱器10側(cè)壁上另一端和其頂端的中央位置。不可冷凝氣出口 12與緩沖套管9連通，緩沖套管9又通過法蘭與內(nèi)管2相連，使加熱后的不可冷凝氣經(jīng)緩沖后進入到反應(yīng)區(qū)。緩沖套管9側(cè)壁上設(shè)有第二不可冷凝氣入口 19，同樣通入常溫的不可冷凝氣體，與加熱后的不可冷凝氣體混合后一起進入反應(yīng)區(qū)，起到調(diào)節(jié)反應(yīng)區(qū)溫度的作用，其流量可根據(jù)所需溫度進行調(diào)節(jié);緩沖套管9內(nèi)部設(shè)有載氣均布器13，使從第二不可冷凝氣入口 19進入的氣體分布均勻。在外管低3端設(shè)有加熱區(qū)卸料管18，用于更換加熱區(qū)床料。冷卻水套7設(shè)有入水口 21和出水口 23，利用循環(huán)水為進料管6降溫。
[0026]如圖3所示，環(huán)形布風板5為階梯狀，由固定段24、階梯段25和開孔段26組成，其中固定段25上開有螺栓孔，用于與外管3和支撐套管4固定，階梯段25為與外管3直徑相同圓筒，其加入的目的在于減小環(huán)形布風板5和圓形布風板8的距離，增加兩流化床換熱面積;開孔段26為環(huán)形平板，上開有發(fā)散式的流化孔。環(huán)形布風板5的這種結(jié)構(gòu)使之可拆卸，以便定期清理。
[0027]如圖4所示，載氣均布器13由進氣管27、布風環(huán)28和支管29構(gòu)成，使不可冷凝氣從進氣管27進入，從四個支管29均勻排出，起到使從第二不可冷凝氣入口 19進入的氣體與從螺旋板換熱器10的不可冷凝氣出口 12排出的氣體充分混合的作用。
[0028]試驗結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)工況下，在反應(yīng)區(qū)和加熱區(qū)均有一定高度石英砂填充，流化氣速滿足鼓泡式流化，煙氣入口溫度800 °C時，反應(yīng)區(qū)床料溫度可上升到550 °C左右，且熱裂解氣出口與加熱區(qū)出口溫度幾乎相等，煙氣排空溫度低于100°C，可滿足生物質(zhì)熱裂解工藝要求，且實現(xiàn)了較高的內(nèi)部傳熱效率和能源利用率。
【主權(quán)項】
1.一種套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其特征在于包括:內(nèi)管、外管、支撐套管、環(huán)形布風板、圓形布風板、緩沖套管、載氣均布器和螺旋板換熱器，所述的內(nèi)管、外管、支撐套管、環(huán)形布風板、圓形布風板、緩沖套管和螺旋板換熱器依次由上而下同軸安裝； 所述的外管和內(nèi)管之間形成環(huán)形空腔，外管和內(nèi)管之間的環(huán)形空腔為加熱區(qū)，內(nèi)管中的空間為反應(yīng)區(qū)，加熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)中分別填充有床料，外管側(cè)壁設(shè)有加熱區(qū)卸料管，外管上部的側(cè)壁設(shè)有熱煙氣出口，外管的下端部通過法蘭與支撐套管相對固定，所述的環(huán)形布風板同軸安裝在支撐套管內(nèi)，所述的支撐套管上設(shè)有切向連接的高溫煙氣入口 ； 所述的內(nèi)管的下部伸出外管，伸出外管后的內(nèi)管側(cè)壁上開有進料管和反應(yīng)區(qū)卸料管，進料管外圍設(shè)有冷卻水套，冷卻水套上設(shè)有冷卻水入口和冷卻水出口，內(nèi)管的底部通過法蘭分別與支撐套管和緩沖套管相連接，緩沖套管內(nèi)安裝有載氣均布器； 所述的螺旋板換熱器與緩沖套管相對固定，螺旋板換熱器內(nèi)設(shè)有不可冷凝氣通道和熱煙氣通道，不可冷凝氣的入口置于螺旋板換熱器的側(cè)壁上，不可冷凝氣的出口位于螺旋板換熱器的頂端，不可冷凝氣的出口與緩沖套管相連通，熱煙氣入口置于螺旋板換熱器的底部中央位置，熱煙氣入口通過回煙管與外管上部的熱煙氣出口相連，熱煙氣排空口位于螺旋板換熱器的側(cè)壁，熱煙氣排空口與大氣連通，所述緩沖套管側(cè)壁上設(shè)有第二不可冷凝氣入口，并與載氣均布器連通。2.如權(quán)利要求1所述的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其特征在于其中所述的環(huán)形布風板為階梯形，包括固定段、階梯段和開孔段，固定段用于與外管和支撐套管相對固定，開孔段上均布有氣孔，使從支撐套管的高溫煙氣入口進入的高溫煙氣進入加熱區(qū)。3.如權(quán)利要求1所述的套管式雙側(cè)流化床快速熱裂解裝置，其特征在于其中所述的載氣均布器由進氣管、布風環(huán)和支管構(gòu)成，使不可冷凝氣從進氣管進入，從四個支管均勻排出，起到使從第二不可冷凝氣入口進入的氣體與從螺旋板換熱器的不可冷凝氣出口排出的氣體充分混合的作用。
【文檔編號】C10B53/02GK106010604SQ201610509095
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】司慧, 王霄, 常建民, 李永浩, 吳煜
【申請人】北京林業(yè)大學