[发明专利]具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统及其工艺

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种包括快速混合、高热转移率、准确控制短而均匀的停留时间的快速热解碳质材料的新方法和新装置，更具体地说，本发明涉及一种具有下行混合器和催化热载体再热器的固态或高粘度碳质材料热解反应器系统和使用该反应器系统的方法。 

背景技术

产生热、化学产物、或燃料的碳质材料热解可伴随有一系列热化学反应过程。常规热化学反应过程，如热解、气化和液化典型地是平衡反应过程，并产生一系列价值较低的平衡产物，包括数量占大多数的固体，如焦、半焦等；液体，如重质焦油、含水溶液等；和气体，如CO₂、CO、CH₄等。例如，气化通常产生应用受限的低级燃料气体，而常规热解所形成的有价值液态或气态产物的产率又较低。此外，液态产物经常需要二次提质。 

热解的特征在于在相对缺氧，既氧的含量明显少于完全燃烧所需要的量，的条件下热分解材料。一般，热解在习惯上仅是指常规慢热解。然而，许多热解的研究和实验出人意料地表明：对碳质材料进行快速热解或闪解可以生产不良慢热解产物的成本获得高产率的包含有价值化学品、化学中间产物、石化品和燃料的初级、非平衡液体和气体。换句话说，通过快速热解工艺所体现的方法可避免常规慢热解的低价值产物的出现。 

快速热解可用涵盖以下各种方法的任何方式定义：即在极短的时间内快速赋予材料相对高的温度，随后在达到化学平衡状态之前迅速将原始产物的温度降低。通过这种方式，碳质材料的复杂结构被分解为有活性的最初通过解聚和脱挥发分反应形成、但存在时间极短的化学分子碎片。因此，如果非平衡产物可被保留下来，将可以生产低价值固体产物和重质有机液体产物的 成本有选择地获得高价值的化学中间体、轻质初级有机液体产物、石化品和/或高品质燃料气体等产物，并使其产率最大化。 

快速热解可在各类反应器中进行。这些反应器最显著的共同特征是：极快地加热物料并通过快速冷却将反应限制在较短的时间内以在高价值的中间产物退化为低价值的最终产物之前终止化学反应。因此，快速热解反应器系统的特征在于要求非常快的物料加热速率，提升可控的反应温度，可控但很短的混合、反应和/或停留时间，以及产物的快速激冷等。 

事实上，另一方面，一个为了液体产物产率而被优化的真正快速的热解反应器系统，其特征在于：油/焦油产率较高，而焦和气体产物产率较低。 

一般来说，在快速热解所属的现有技术中公开了四种基本类型的反应器系统，根据工作方式和结构的不同，他们被分别定义为流化床反应器、输送型反应器、气旋烧蚀反应器和真空热解反应器。有关这四种基本类型的反应器系统的细节可参见美国专利US5,792,340，该专利的公开内容在此全文引入以作参考。 

到目前为止，针对快速热解各种碳质材料以获得包括气、液和固产物的高价值化学产物的有效方式，人们已进行了大量的尝试和实验。 

例如，US5,792,340公开了一种碳质材料快速热解的新方法及装置，该方法包括在一个固体热载体循环的上流式气流床输送型反应器中快速混合、快速传热、精确控制短而均匀的停留时间，以及快速激冷初级产物等步骤。碳质入料、非氧化性输送气体和无机颗粒状供热材料在反应器底部混合，并随后被向上输送穿过气流床管式反应器。气旋式热固体循环系统从非可冷凝气体和初级产物蒸汽中分离出固体并随后将之送回混合器中。蒸汽产物被迅速激冷以使液体、石化产物、高价值的气体和选择性的有价值化学品的产率最大化。在US5,792,340中所公开的上述方法和装置是通过一个上流式气流床输送反应器发挥功能的，因而对碳质材料和固体热载体的粒径的限制非常严格，结果其大规模应用也因此受到限制。 

US7,901,568公开了一种将固态或高粘性碳基载能材料转化成液态和气态反应产物的方法，该方法包括以下步骤：(a)使碳基载能材料与颗粒状催化剂材料接触；(b)在200～450℃间，优选为250～350℃之间的反应温度下，将碳基载能材料转变为气相反应产物。在其一个优选的实施方式中，该方法还包括步骤：(c)在前述蒸汽相反应产物生成后的10秒之内将其与颗粒状催 化剂材料分离；在其又一个优选的实施方式中，在步骤(c)之后有步骤(d)：即将反应产物激冷到200℃以下。US7,901,568所公开的上述方法使用了下行床、流化床或提升管反应器，并且碳基载能材料与颗粒状催化剂材料的混合分两步进行，但该专利并未公开如何快速均匀地混合所述碳基载能材料与颗粒状催化剂材料的具体细节。