本发明属于可再生能源技术领域，具体涉及一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法。适用于各类低阶煤在不同条件下的热解制高品质油气。
背景技术：
我国煤炭资源储量巨大，但煤炭质量参差不齐，其中低阶煤占我国煤炭资源蕴藏总量和产量中分别占据55％和30％以上，其能源地位极其重。近年来，由于社会的发展和人们物资生活的提高，人民日益增长的对石油和天然气的需求，加剧了有限的石化资源的消耗；而洁净煤技术近些年取得了较大进步，加之我国“富煤贫油”的资源现状，因而未来较长时间内，煤炭在我国一次能源结构中地位还会进一步增强和提高低阶煤热解技术是一种热化学转化技术，可以实现低阶煤的高值化利用，且产生的热解油可以有效缓解我国石油短缺的现状，具有重要的战略意义。
传统外热式加热炉中煤热解气相产物流动，热解过程中，靠近加热墙壁的煤首先热解，形成疏松的半焦，且孔隙率有所增加。因而，热解后的气体更多的从靠近加热墙的半焦层逸出，；少部分热解气死向上穿过煤料层。由于靠近加热壁的温度高，初焦油经过该高温区域时发生剧烈的二次热解反应，降低了焦油产率，增加了焦油中重质组分。
定向强化流场下低阶煤热解固定床装置，通过采用石英砂与煤分层进料，有效强化了热解气流向低温煤层，减少了焦油气的二次裂解，提高了焦油产率，增加了焦油中轻质组分含量，对低阶煤的高值化、工业化应用具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决背景技术提到的问题，提出一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法，提高热解焦油的产率和品质。本发明对于科学研究和生产实践都具有重要意义。
所述的一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法，其中所述的碳氢原料热解炭化方法，选用低阶煤为主要热解原料，将煤和石英砂分层入料。首先装入煤料，留出40mm高度，装入石英砂，然后盖上反应器密封。然后氮气小流量吹扫，采用肥皂水对已经装入生物质、连接好手机系统的反应器进行气密性检查。在系统气密性良好的情况下，设置电炉一侧加热，一侧保温，并同步计时。热解气逸出后，经过冷凝系统在收集瓶内收集到油和水混合物，未冷却的热解气进一步在冰水浴的丙酮中收集。每隔5min采用湿式流量计计量气体量，并取气样，用在线气相色谱分析气体组成。当反应器中心温度达到设定温度后，将电炉断电，并将电炉滑动至导轨左侧。反应器中的生物炭冷却至室温后，打开反应器，对生物炭进行称重、取样。
为了验证所述方法效果，搭建了压降测试装置(图2)，通过在反应器(1)中放入煤或石英砂，然后设置好气瓶(6)的气速，记录压力表(3)的示数变化。当装入105mm煤样时，压力表示数110pa；当装入105mm半焦时，压力表示数5pa；当装入40mm石英砂时，压力表示数280pa。结果表明，气体穿过105mm煤样的阻力远远小于穿过40mm的石英砂层阻力。
因而，图1装置中，通过装入石英砂层，热解气更多的横向穿过煤层，逸出反应器，因而减少了焦油气的二次裂解，提高了焦油产率和品质。图3表明了没有装入石英砂时热解气流动路径示意图，热解气相产物更多流向加热壁高温半焦层，然后逸出反应器。图4表明了装入石英砂时热解气流动路径示意图，热解气相产物更多流向低温煤层，逸出反应器。
所述的一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法，所述装置见图1，包括气瓶(1)、气体预热器(3)、电加热炉(4,6)、反应器(5)、热电偶(7)、压力表(8)、冷凝系统(9)、收集瓶(10)、丙酮冰水浴(11,12,13)、过滤器(14)、放空瓶(17)、真空泵(18)、流量计(19)、碳酸氢钠洗瓶(20)、硅胶洗瓶(22)和在线色谱仪(24)等，可以实现热解产物油和气的分离和净化，且在线色谱仪可以对热解气组分进行实时监测，最终可以计算出热解气平均组成和热解气产率。本装置也可以实现不同气氛气体条件下热解试验。
本发明具有以下优点或积极效果：
所述实验方法在所述装置上，实现了强化热解气向低温煤层流动，减少了热解初焦油的二次裂解，提高了焦油产率和焦油轻质组分含量；也加快了热解气相产物的显热传递给低温煤层，加快了热解速率。此外，热解气相产物穿过低温煤层，逸出反应器，显著减少了焦油中粉尘含量，有效降低后续焦油处理成本。
附图说明：
图1为一种定向强化流场下碳氢原料热解装置流程示意图。
图2为一种压降测试装置流程示意图。
图3为未装石英砂条件下定向强化流场反应器内热解气流动路径示意图。
图4为装入石英砂条件下定向强化流场反应器内热解气流动路径示意图。
图1中，1.气瓶；2.气阀；3.气体预热器；4.电炉；5.定向强化流场热解反应器；7.热电偶；8.压力表；9.冷凝系统；10.收集瓶；11,12,13.丙酮洗瓶；14.过滤器；15,16,21,23.阀门；17.放空瓶；18.真空泵；19.流量计；20.碳酸氢钠洗瓶；22.硅胶洗瓶；24.在线色谱仪。
图2中，1.石英管反应器；2.物料；3.压力表；4.质量流量计；5.阀门；6.气瓶。
具体实施方式：
本实施例为一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法，下面结合附图对本发明的实施例进行具体描述。
如图1所述定向强化流场热解装置流程示意图，具体包括气瓶(1)、气体预热器(3)、电加热炉(4,6)、反应器(5)、热电偶(7)、压力表(8)、冷凝系统(9)、收集瓶(10)、丙酮冰水浴(11,12,13)、过滤器(14)、放空瓶(17)、真空泵(18)、流量计(19)、碳酸氢钠洗瓶(20)、硅胶洗瓶(22)和在线色谱仪(24)等。其特征在于气瓶(1)和气体预热器(3)位于反应器(5)前端，末端裂解热解气冷凝、收集和测试系统。电加热炉(4)用于试验加热，电加热炉(6)用于保温。热电偶(7)用于探测煤层温度；压力表(8)用于记录反应压力；冷凝系统(9)用于热解产物冷凝，冷凝产物在收集瓶(10)中收集；未冷凝的热解气相产物在丙酮冰水浴(11,12,13)中进一步收集。真空泵(18)用于维持系统反应压力常压；流量计(19)用于记录气体产气量；碳酸氢钠(20)和硅胶洗瓶(22)用于热解气样品的除杂和干燥；在线色谱仪(24)对热解气组成进行分析。
如图2所述一种压降测试装置流程示意图，用于验证实验方法可靠性。实验前将测试样品(煤、半焦或石英砂)装入石英管反应器(1)中，并提前设定好固定气体流速。然后打开阀门，记录稳定状态下压力表(3)示数变化。
一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法，其中所述的低阶煤热解炭化方法如下：首先将煤装入图1反应器(2)中；然后装入40mm高度石英砂填满反应器，然后密封，将反应器(2)装入电炉(4,6)中。打开气瓶(1)进行氮气吹扫，然后用肥皂水进行气密性检查。在系统气密性良好的情况下，设置电炉(4)加热，电炉(6)保温，并同步计时。由于图2装置证明，气体穿透40mm石英砂层阻力远远大于穿过105mm煤层阻力，因而所述方法定向强化了热解气横向穿过低温煤层。热解气逸出后，经过冷凝系统(9)在收集瓶(10)内收集到油和水混合物，未冷却的热解气进一步在冰水浴的丙酮(11,12,13)中收集。采用真空泵(18)维持反应常压，每隔5min采用湿式流量计(19)计量气体量，并取气样，用在线气相色谱(24)分析气体组成。当反应器低温煤层温度达到设定温度后，将电炉(4,6)断电，。反应器中的半焦冷却至室温后，打开反应器，对半焦进行称重、取样。图1装置中，将锥形瓶(6)中的油水混合物缓慢倒入分液漏斗中，静置一段时间后，用倾倒法分出水和焦油，并分别计量。反应器出口管路、冷凝器及冷凝瓶用丙酮清洗，得到的液体经过滤后与丙酮吸收瓶(7,8,9)中溶液合并，用减压旋转蒸发器蒸出溶剂，得到的油品与之前冷凝瓶中的焦油合并称重、加甲苯进行共沸分水处理，根据分出的水量计算无水焦油产量，并合并计算总产水量。
试验结果表明，一种定向强化流场热解装置及碳氢原料热解方法可以有效提高低阶长焰煤的焦油产率和轻组分含量，降低热解水产率。采用所述热解方法，焦油产率从5.31wt.％增加到6.26wt.％，可达格金焦油收率的(干燥基格金焦油收率69.87wt.％)，半焦产率从76.32wt.％增加到77.21wt.％，热解水产率从8.58wt.％降低到7.90wt.％，焦油中轻质组分含量从70.3wt.％增加到72.7wt.％，焦油灰分含量小于0.5wt.％。该结果也表明，采用所述方法有效强化了热解气横向穿过低温煤层，逸出反应器，详见图4。本发明显著提高了生物质热解的油气品质和产率，显示出了良好的应用前景。本发明潜力较大，对于科学研究和生产实践都具有重要意义。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。