CN102147379A - 煤种评价方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤种评价方法和系统。方法包括用于提供干燥和热解煤的气体的加热和流量控制的步骤；用于干燥、热解煤的干燥、热解反应步骤；用于处理干燥、热解所得气体或固体产物的气体处理和低温煤焦油收集步骤；在进行上述步骤的同时包括对煤干燥、热解的工艺参数的自动控制和数据实时监测的步骤。系统包括加热和流量控制的装置；干燥、热解装置；气体处理和低温煤焦油收集装置；工艺自动控制和数据实时监测装置。本发明能够准确模拟并测得产品产率和工艺参数，评价煤种的性质用途，并预测放大后的工业化流程可能出现的问题。

Description

煤种评价方法和系统

技术领域

本发明涉及煤种评价方法和系统。

背景技术

我国是以煤为主要能源的国家，煤炭占中国能源结构70％以上，也是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，而石油和天然气相对短缺。有关专家预测未来50年，煤炭作为我国主要能源的格局不会改变。大力发展煤化工行业是我国未来能源发展的主要趋势。煤化工涉及煤的焦化、气化、液化以及煤的化工制品等多个领域，以冶金焦炭生产、合成氨造气和城市燃气工程为主要行业特征。20世纪后半叶，随着我国经济的快速发展，煤化工也得到长足的发展。在煤的洁净化、高效燃烧、联合循环发电、干熄焦、炼焦过程自动化、煤炭气化以及环保型洁净能源为主的煤化工能源技术等都得到广泛的重视和应用。

但是，由于不同的煤种性质差异较大，给煤的有效、合理利用带来巨大的困难。随着新技术和新设备的日益出现，煤化工发展的盲目性也日益突出，经常出现煤种没有经过评价便应用于某项技术，导致煤化工产品的质量往往达不到要求，造成了煤炭资源得不到充分、合理的利用，因此，发展一种煤种应用评价装置对于煤化工的健康发展及其综合利用具有重要的战略意义。

国家标准GB/T 480-2000公开了一种煤种评价方法—煤的铝甑低温干馏实验方法。铝甑实验主要通过电加热的方式，使铝甑的侧面和底部同时加热，甑体各部温度保持均匀。在最初15-20min内应使温度升到260℃，达到260℃以后，控制温度以5℃/min的速度上升。到达510℃时，保温20min，停止加热。试验中煤样受热后产生的焦油、水蒸气和煤气经导出管进人锥形瓶，焦油和水蒸气在锥形瓶中冷凝，不可冷凝煤气则由胶管导出，并用排水法收集到集气瓶中，热解后的半焦留在铝甑内。铝甑实验能较准确的对不同煤种热解所产生的焦油产率、半焦产率及热解气热值等进行评估，但是铝甑装置样品量小，流程简单，因此不能准确的模拟工业装置，导致其数据可信度低，只能对煤种做初步的评价，不能对工程建设起到明显的指导作用。

公开号为CN101619222A的专利公开了“一种干馏器”，这种干馏气可以用于煤拔头工艺，其主要包括空心滚筒和固定轴，在固定轴上有进口和出口，空心滚筒与加热装置连接。在工作过程中，加热装置为空心滚筒提供热量，在空心滚筒内的煤可以被加热，空心滚筒上带有翘片，空心滚筒和翘片一起转动，可以将煤扬起，煤与空心滚筒之间、煤与煤之间形成良好的传热，可以实现对煤的均匀加热。本发明的优点在于能够对煤进行均匀、充分的加热，能很好的应用于煤拔头工艺，但是此装置只能得到半焦产品，没有焦油收集系统，所以不能对煤进行有效评价。

公开号为CN101608126A公开了一种煤热解提质装置，该装置包括一个回转干燥器，用于接受干燥粒度小于30mm的原料煤，回转干燥炉设有套筒结构，使得原煤在与热烟道气直接换热的同时与热半焦间接换热。一个热解器，通过固体物料进料管线接受干燥后的原煤及半焦的混合物，并使它们直接换热发生热解。一个加热回转窑，用于接受来自热解器的热半焦，并对其进行升温处理。该热解提质装置有较好的操作灵活性，所生成的半焦及焦油质量也比较好，但该装置工艺比较复杂，操作难度高，不适于作为煤种评价装置。

综上所述，现有的煤种评价技术按型式主要有两种，一种是小型实验，这种评价方式由于所用样品量小，流程简单，加热及收集系统过于理想化，因此不能准确的模拟工业装置。另外一种就是大型工业装置，这种评价方式能够很好的模拟工业化生产装置，所得数据也比较具有说服力，但是这种大型工业装置评价周期长、投资大、风险大，造成人力、物力的极大浪费。

发明内容

本发明的目的在于准确模拟工业煤热解装置，并且准确获得焦油产率及半焦产率，以及干燥、热解最佳工艺参数，从而对煤种的性质用途作出准确评价，并对放大后的工业化装置工艺流程可能出现的问题进行预测。

为达到上述发明目的，本发明提供了一种煤种评价方法，包括：

用于提供干燥和热解煤的气体的加热和流量控制的步骤；

用于干燥、热解煤的干燥、热解反应步骤；

用于处理干燥、热解所得气体或固体产物的气体处理和低温煤焦油收集步骤；以及

其中，在进行上述步骤的同时包括对煤干燥、热解的工艺参数的自动控制和数据实时监测的步骤。

本发明还提供了一种煤种评价系统——SPU(sample production unit，是指低阶煤转化提质LCC技术的煤种评价样品精制单元)，包括：

用于对干燥和热解煤的干燥气和热解气进行加热和流量控制的装置；

用于干燥、热解煤的干燥、热解反应装置；

用于处理干燥、热解所得气体或固体产物的气体处理和低温煤焦油收集装置；

用于测定、控制煤干燥、热解的工艺参数的工艺自动控制和数据实时监测装置。

所述干燥、热解反应步骤的干燥温度为150～300℃。

所述干燥、热解反应步骤的热解温度为500～800℃。

所述的干燥和热解过程中煤样的停留时间，干燥气和热解气的流量和温度需要根据具体煤的性质进行调节。

所述的干燥过程完成的判断条件为：水分小于6％。

所述的热解过程完成的判断条件为：挥发份除去60％以上。

所述工艺自动控制和数据实时监测装置包括计量以及控制各工艺参数的仪表、开关和计算机软件。

所述工艺自动控制和数据实时监测步骤所使用的工艺自动控制和数据实时监测装置包括计量以及控制各工艺参数的仪表、开关和计算机软件。

所述流量控制装置包括流量计，电动调节阀，其中流量计，电动调节阀的数量为多个。

所述加热和流量控制步骤所使用的流量控制装置包括流量计，电动调节阀，其中流量计，电动调节阀的数量为多个。

所述的流量控制装置是通过流量计反馈信号至控制系统，控制系统根据所需气体流量大小，控制电动调节阀的开度实现对流量的控制的。

所述加热和流量控制的步骤的流量控制装置是通过流量计反馈信号至控制系统，控制系统根据所需气体流量大小，控制电动调节阀的开度实现对流量的控制的。

本发明的SPU系统的工艺过程如图1所示。

附图说明

图1为本发明的SPU系统的工艺流程图。

具体实施方式

下面，通过详细说明本发明的SPU系统的结构及其操作方法来说明本发明的煤种评价方法和系统。具体来说，SPU工艺流程主要包括以下几个部分：

1、煤干燥和热解的气体的加热装置及其操作方法

煤干燥和煤热解的气体可用多种惰性气体，如氩气、氮气等，由于氮气的成本较低，并且容易获得，因此，本发明选用氮气作为煤干燥和热解的气体。作为煤干燥和热解气体的氮气的加热装置包括两个电加热的气体预热器，预热器采用内加热。气体预热器分干燥和热解两组运行。根据干燥器和热解器对温度和气量的不同要求将它分为两组，一组供煤干燥使用(干燥器进口氮气温度达到150～300℃)，一组用于煤热解使用(热解器进口氮气温度达到500～800℃)，每组电加热器的功率能够将工艺气体从室温加热到800℃。

2、干燥、热解反应装置及其操作方法：

该装置包括原煤斗、干燥器、干燥煤储罐、热解器、半焦收集罐和煤粉收集罐。

干燥器为管式反应器，在通入干燥气体的条件下，将原煤排入该装置中进行干燥，干燥完成后排入干煤储罐供热解器使用，干煤储罐位于干燥器的下方。干燥器上方连接一旋风除尘器，在旋风除尘器下方，设置一煤粉收集罐，目的在于收集干燥过程中由于煤料之间摩擦或煤料与烟气之间摩擦形成的煤粉。干燥器每小时可以处理褐煤8～10kg。

热解器为管式反应器，在热解气体的存在下，将干煤储罐中的经干燥处理的煤排入热解器，进行热解反应，热解完成之后产生的气体进入后续的气体收集装置，而半焦产品排入半焦收集罐。该过程根据反应器尺寸、样品产量要求，一小时处理干燥煤5～7kg。

3、气体处理和低温煤焦油收集装置及其操作方法

热解器热解干燥煤的同时排出的气体通过旋风除尘器除去煤粉后进入烟气冷凝系统，另外在旋风除尘器的下方安置一煤粉收集罐，收集热解过程中由于煤料之间摩擦或煤料与烟气之间摩擦形成的煤粉。冷凝系统由上部的列管式冷凝器和下部的气液分离器构成，下部的气液分离器连接焦油收集罐。此过程将析出大部分热解水和部分焦油，焦油通过焦油收集罐收集，剩余的气体夹带的油雾再经电捕焦油器收集，电捕焦油器再连接一个焦油收集罐，收集另一部分焦油产品。尾气排入焚烧炉燃烧。干燥器干燥时产生的气体同样经过旋风除尘器除尘后排空。

4、工艺自动控制和数据实时监测装置及其操作方法

工艺自动控制和数据实时监测装置包括计量以及控制各工艺参数的仪表、开关和计算机软件。

该些参数包括：氮气装置中输出的用于干燥的氮气流量、氮气装置中输出的用于热解的氮气流量、干燥器进口氮气温度、干燥器内各个煤层的温度、干燥器内煤的停留时间、热解器进口氮气温度、热解器内各个煤层的温度、热解器内煤的停留时间。

该些仪表包括：测量氮气装置输出氮气流量的两个涡街流量计、温度计若干个、计时器两个。

该些开关包括：控制测量氮气装置输出氮气流量的两个电动调节阀、设置在干燥器上下的电动阀控制的限料位开关两个、设置在热解器上下的电动阀控制的限料位开关两个。

工艺自动控制和数据实时监测装置与氮气的加热和流量控制装置，干燥、热解反应装置以及气体处理和低温煤焦油收集装置的各个需要控制的部分相连。

如图1的流程示意图所示，该自动控制和实时监测装置控制的过程为：

1)氮气首先经氮气贮罐出口减压和稳压后通过电动调节阀和涡街流量计，流量计反馈信号至控制系统，例如PLC控制系统(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，控制系统根据煤种性质确定所需气体流量的大小，控制电动调节阀的开度来控制气体流量，从而控制流量的大小。无论是流量还是停留时间，都是与原煤的性质相关的，应当根据原煤干燥、热解所需的热量，对气体流量及加热时间进行调整，一般固定加热时间，调整气体流量来满足煤干燥及热解的要求，气体流量调整合适后进入气体预热器，采用内加热方式的预热器的升温速率主要是根据煤的性质及不同产品的产率调整来定。工艺自动控制和数据实时监测装置将从控制用计算机通过一测算单元计算得来的控制信号输入到氮气预热器和电动调节阀中用于温度和气体流量的精确控制。

2)将煤加入原煤斗内，将干燥器进口氮气温度升高至设定温度(150～300℃)，然后将煤加入干燥器，煤层纵向每160mm高度设有一个测温点。通入预热气体，原煤开始干燥，通过在干燥炉上的取样孔在一定时间内取样分析，判断干燥过程完成(水分小于6％)后，电动阀控制限料位开关打开，将煤排入干煤储罐供热解器使用。在系统调试时根据不同产品的产率及品质情况找到最佳停留时间、温度、气速。

3)将热解器进口氮气温度升至设定温度(500～800℃)，打开排料电动阀将煤从干煤储罐加入热解器内，料位开关和电动阀联动，煤到达上料位开关时，电动阀自动关闭，然后通入500～800℃的预热气体，煤开始热解。热解过程中，通过调节煤样停留时间和热解器不同煤层的温度来调解煤热解的程度，例如，当延长停留时间或升高热解器温度，煤热解会更加完全，煤热解程度则更高。然后通过测定挥发份的含量来判断煤热解程度，通过在热解炉上的取样孔在一定时间内取半焦样分析，具体的，取半焦样通过测定挥发份的含量，待达到要求后，即挥发份除去60％以上时，打开电动阀排入半焦收集罐，根据分析结果最终确定反应时间，一般煤中挥发份除掉60％以上时的时间为最佳反应时间。一般在其他条件相同的情况下，提高温度还会影响焦油的产率，因此在其他条件固定的条件下，在试验时优选可通过固定其他参数，进一步提高温度的方法，选择焦油产量较高的温度为最佳温度。测定焦油产率是通过本领域常规的方法测定，焦油的产率会随温度升高呈现先高后低的变化趋势，因此能够找到最高值，其对应的温度则为最佳温度。该过程根据反应器尺寸、样品产量要求，一小时处理干燥煤5～7kg。

SPU装置不但能很好地模拟工业装置，而且具有评价周期短、投资小等优势，从而可以节省大量的资源及人力、物力，是一种准确、高效的煤种评价技术。它通过改变工艺参数，可以获得不同的煤气产率、焦油产率及半焦产率，并可对放大后的工业化装置工艺流程可能出现的问题进行预测，由于SPU装置是模拟的工业装置，在SPU出现的问题必将在以后放大的工业装置中出现，比如焦油在管道中的堵塞问题。SPU装置对煤种的利用途径做出有效评价，从而解决了煤种盲目利用和小型实验装置模拟程度不高、评价可信度低的问题。

本发明提供的煤种评价方法，它主要具有以下几方面的特点及作用：

1、采用气载体，分步进行干燥、热解。

2、可以准确的获得焦油产率及半焦产率。

3、可以获得一定量的半焦及焦油产品，对其性质用途做出评价。

4、可以获得干燥、热解最佳工艺参数。

5、通过对产品产率及品质的考察，对煤种的利用途径做出评价。

6、通过对不同煤种在SPU装置中的热解情况分析，对放大后的工业化装置工艺流程可能出现的问题进行预测。

下面通过实施例进一步说明本发明所提供的煤种评价方法。

实施例1：

内蒙古霍林河煤矿煤种评价实施例：

将内蒙古霍林河矿区煤样10kg装入本发明的煤种评价系统的原煤斗内，首先根据该煤的性质，控制系统确定所需气体流量的大小，先依次在SPU系统的控制用计算机中输入干燥气体流速15m³/h、16m³/h、18m³/h、20m³/h，干燥气体温度150℃、180℃、200℃、220℃、250℃，待涡街流量计测定气体流速达到设定流速，干燥器进口的温度计测定的温度达到设定温度时，控制打开原煤斗下的限料位开关，将煤样卸入本发明的煤种评价系统的干燥器内进行干燥，在干燥时间为80min、90min、100min、110min、120min、130min分别通过在干燥炉上的取样孔取样，测定煤样水分的含量，得到在干燥气体温度200℃，干燥氮气流量为18m³，干燥时间为110min时，测定煤样水分含量为5.9％(6％以下)，确定其对应参数为最佳干燥实验参数。控制打开干燥器下的限料位开关，将最佳干燥参数干燥的煤样送入干煤储罐中储存。

又依次在控制用计算机中输入热解气体流速8m³/h、10m³/h、12m³/h、14m³/h、16m³/h，热解气体温度500℃、550℃、580℃、600℃、650℃，待涡街流量计测定的气体流速达到设定流速，热解器进口的温度计达到设定温度时，控制打开干煤储罐下的限料位开关，将利用最佳干燥参数干燥的煤样卸入热解器中，热解器的在热解时间分别为40min、50min、60min、70min、80min时，通过在热解炉上的取样孔取样，测定半焦样的挥发份的含量，得到在热解气体温度580℃，热解气流速为12m³/h，热解时间为60min时，挥发份达到61％(脱除挥发份60％以上)，确定其对应参数为最佳热解实验参数。

把约100kg粒度为6-13mm的该内蒙古矿区煤装入本发明的煤种评价系统，用于SPU评价实验，将干燥氮气温度设定为200℃，干燥氮气流量为18m³/h，热解氮气温度分别设为580℃、660℃和710℃，热解氮气流量为12m³/h，干燥时间为110min，热解时间为60min，热解结束时，控制打开热解器下的限料位开关的电动调节阀，使半焦产品排入半焦收集罐，同时焦油产品通过旋风除尘器除尘，除去煤粉，以及通过冷凝系统冷凝得到一部分焦油产品，气体油雾则通过电捕焦油器收集得到另一部分焦油产品。将得到半焦油和焦油产品进行测定，测定结果如下表所示，由焦油含量，最终选定660℃为最佳温度。

除以下叙述外，以下实施例的设备和工艺与实施例1相同。

实施例2：

陕西小南沟煤矿煤种评价实施例：

将陕西小南沟矿区煤样10kg装入本发明的煤种评价系统，首先根据该煤的性质，先依次设定气体流速15m³/h、16m³/h、18m³/h、20m³/h，干燥气体温度150℃、180℃、200℃、230℃、250℃，在干燥时间为80min、90min、100min、110min、120min、130min时分别测定水分的含量，得到当氮气干燥温度为230℃，干燥氮气流速为16m³/h，干燥时间为100min时的煤样水分含量为5.8％(6％以下)，确定其对应参数为最佳干燥实验参数。又设定气体流速13m³/h、14m³/h、15m³/h、16m³/h，热解气体温度550℃、590℃、620℃、650℃，分别在热解时间为40min、50min、60min、70min、80min时测定半焦样的挥发份的含量，得到当热解气体温度590℃，热解气流速为15m³/h，热解时间为70min时，挥发份达到60.5％(脱除挥发份60％以上)，确定其对应参数为最佳热解实验参数。

把约100kg粒度为6-13mm的该矿区煤用于SPU评价实验，干燥氮气温度设定为230℃，干燥氮气流量为16m³/h，热解氮气温度分别设为590℃、650℃和750℃，热解氮气流量为15m³/h，干燥时间为100min，热解时间为70min。测定结果如下表所示，由焦油含量，最终选定650℃为最佳温度。

实施例3：

云南永丰煤矿煤种评价实施例：

首先根据该煤的性质，先依次设定气体流速12m³/h、15m³/h、16m³/h、18m³/h干燥气体温度150℃、180℃、200℃、220℃、250℃，将云南永丰煤矿煤样10kg装入本发明的煤种评价系统，在干燥时间分别为100min、110min、120min、130min、140min、150min使测定煤样水分的含量，得到在干燥气体温度180℃，干燥氮气流量为15m³，干燥时间为130min时，测定煤样水分含量为5.9％(6％以下)，确定其对应参数为最佳干燥实验参数。又依次设定气体流速8m³/h、10m³/h、12m³/h、14m³/h、16m³/h，热解气体温度580℃、600℃、660℃，680℃、700℃，在热解时间分别为50min、60min、70min、80min、90min时测定半焦样挥发份的含量，得到在热解气体温度660℃，热解气流速为10m³/h，热解时间为80min时，挥发份达到60.9％(脱除挥发份60％以上)，确定其对应参数为最佳热解实验参数。

把约100kg粒度为6-13mm的云南该矿区煤用于SPU评价实验，干燥氮气温度设定为180℃，干燥氮气流量为15m³/h，热解氮气温度分别设为660℃、690℃和770℃，热解氮气流量为10m³/h，干燥时间为130min，热解时间为80min。测定结果如下表所示，由焦油含量，最终选定660℃为最佳温度。

注：以上各产率均是根据产品的质量比原料的质量得到的。

通过以上试验，可以看出，使用该SPU设备与现有技术相比具有以下优势：

1、SPU设备评价实验为两步法实验，干燥、热解分步进行，因此这种评价方法能分步测定干燥和热解产品的产率及干燥和热解的工艺参数，这一点其它评价方法是无法做到的。

2、SPU设备可以通过试验得出特定煤的各产品产率，以及干燥和热解的工艺参数，由于SPU设备处理量较大，因此得到的产率、工艺参数等比一般小型评价装置(如铝甑)更接近于工业化水平。

3、利用该SPU设备可以制备足够量的半焦及焦油产品，从而可以用来评价该半焦及焦油产品的性质和用途，例如该半焦产品可以用作优质燃料及水煤浆、活性焦等的优质原料，煤焦油产品可以用做工业原料、制备汽油柴油等。

4、该SPU设备也可以预测放大后的工业化工艺流程可能出现的问题，例如①在工艺过程中煤粉量比较大，需要增加煤粉收集装置及处理装置。②焦油易在管道中冷凝，造成管路堵塞，需增加保温装置保证管路的温度。③产品半焦易自燃，如需长距离输送，需对半焦产品进行钝化处理。

Claims (10)

1.一种煤种评价方法，其特征在于，包括：

用于提供干燥和热解煤的气体的加热和流量控制的步骤；

用于干燥、热解煤的干燥、热解反应步骤；

用于处理干燥、热解所得气体或固体产物的气体处理和低温煤焦油收集步骤；

其中，在进行上述步骤的同时包括对煤干燥、热解的工艺的自动控制和数据实时监测的步骤。

2.如权利要求1所述的煤种评价方法，其特征在于，所述干燥、热解反应步骤的干燥温度为150～300℃。

3.如权利要求1所述的煤种评价方法，其特征在于，所述干燥、热解反应步骤的热解温度为500～800℃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥和热解过程中的煤样的停留时间，干燥气和热解气的流量和温度需要根据具体煤的性质进行调节。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥过程完成的判断条件为：水分小于6％。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热解过程完成的判断条件为：挥发份除去60％以上。

7.一种煤种评价系统，其特征在于，包括：

用于对干燥和热解煤的干燥气和热解气进行加热和流量控制的装置；

用于干燥、热解煤的干燥、热解反应装置；

用于处理干燥、热解所得气体或固体产物的气体处理和低温煤焦油收集装置；

用于测定、控制煤干燥、热解的工艺参数的工艺自动控制和数据实时监测装置。

8.如权利要求1所述的方法或权利要求7所述的系统，其特征在于，工艺自动控制和数据实时监测装置包括计量以及控制各工艺参数的仪表、开关和计算机软件。

9.如权利要求1所述的方法或权利要求7所述的系统，其特征在于，所述流量控制装置包括流量计，电动调节阀。

10.如权利要求9所述的方法或系统，所述的流量控制的装置是通过流量计反馈信号至控制系统，控制系统根据所需气体流量大小，控制电动调节阀的开度实现对流量的控制的。

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