CN102660347B

CN102660347B - 高钠煤除钠工艺及其系统

Info

Publication number: CN102660347B
Application number: CN 201210139478
Authority: CN
Inventors: 张宗飞; 唐凤金; 章卫星; 赵涛; 徐建民
Original assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Current assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102660347A

Abstract

本发明涉及一种高钠煤除钠工艺技术，解决了目前高钠煤无专门的脱除工艺，造成对后续工艺及设备严重影响的问题。本发明利用高温高压下使钠化合物溶解，再经黑水处理系统的澄清及离心分离使钠元素与煤固体颗粒分离开来的原理使煤中钠元素得到脱除，可同时得到除钠除灰后的煤颗粒以及清洁水，对环境友好，具有工艺简单、除钠效率高、节能降耗的优点，适用于含钠煤的净化开发利用，尤其适用于将高含钠煤除钠后用于煤气化及IGCC发电等技术。

Description

高钠煤除钠工艺及其系统

技术领域

本发明涉及一种燃料净化领域，具体的说是一种高钠煤除钠工艺及其系统。

背景技术

我国低阶煤资源低阶煤资源丰富，可以通过热解和气化等方式使低阶煤得到有效利用，然而低阶煤如褐煤中存在大量水溶性盐，离子交换阳离子，对煤热解、气化过程均有一定的影响。例如，碱金属盐可降低灰熔点，引起结渣；碱金属挥发进入气相可导致废热锅炉管路腐蚀及堵塞。对煤燃烧利用而言，煤中钠是有害成分，通常它与锅炉高温受热面积灰相关，直接造成燃烧和燃气利用设备的积灰与腐蚀。作为新一代洁净煤发电技术的IGCC以其高的发电效率和对环境的低污染，受到了世界各国的极大关注，但碱金属(主要是钠)蒸汽的存在是影响IGCC技术发展的一个重要因素。

存在于煤中的钠化合物是由含盐（即钠的氯化物）的地面水，渗透到煤床的裂缝和煤空隙中形成。同时钠也是煤中粘土的组成部分，例如伊里石和高岭土。氯化钠是煤中钠的主要形式，在燃烧与气化过程中会挥发出来。在流化床燃烧的温度范围内，氯化钠具有较高的蒸汽压，例如在1173 ℃，氯化钠的蒸汽压为0.4 kPa，因而氯化钠蒸汽同样存在于加压流化床燃烧的烟气中。热力学计算表明，蒸汽状态的氯化钠是流化床烟气中钠的主要载体，反应床内生成的钠金属蒸汽可冷凝在固体表面上，从而可引起燃烧器、气化炉下游热能回收系统设备的腐蚀。同时钠也可以以氧化钠的形式存在于原料煤或粗煤气中，而氧化钠也属于易挥发物质，在高温下挥发后，易凝结在受热面上形成烧结或粘结的灰沉积，这类沉积多发生在屏式过热器和对流过热器等受热面上，影响锅炉传热，并形成结渣源。钠金属蒸汽冷凝在热交换器表面上，这本身就是一种污垢，又因为冷凝物经常是粘稠状熔融物，它会捕集气体中的固体颗粒，从而加剧了形成污垢的程度，这样形成的腐蚀性沉淀层，大大降低了设备的利用率，清除它们不但成本很高，而且效果还很差。

煤在气化或燃烧等利用过程产生的热气体中存在钠金属化合物，它们在高温下形成的钠金属蒸汽易造成设备严重的热腐蚀。因此化工、电力等用煤设备对煤气中钠元素的含量要求一般较高。以燃气轮机为例，钠金属蒸汽会引起燃气轮机叶片材料的热腐蚀，燃气轮机生产商规定，为了防止燃气透平叶片热腐蚀，碱金属蒸汽（主要为钠金属蒸汽）的浓度不得超过0.024×10^-6。因此，为了确保燃气轮机等化工、电力行业用煤设备的安全运行，必须设法脱除煤中的钠元素。

通过对洗煤工艺技术的检索发现，目前国内还没有相关专利对洗煤除钠工艺技术进行过阐述。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、除钠效率高、节能降耗的高钠煤除钠工艺。

本发明还提供一种用于上述高钠煤除钠工艺的系统。

所述工艺包括下述步骤：

（1）将高钠煤在搅拌槽内加水制成水煤浆，水煤重量比为1：0.4－3；

（2）将步骤（1）中得到的水煤浆送入加热炉加热至200～380℃，然后送入高压釜加压至80～280barg；

（3）将步骤（2）中得到的水煤浆送入闪蒸罐中闪蒸后送入增稠器静置分层，为上层澄清液、中层悬浊液及下层煤浆；

（4）将下层煤浆送入离心分离机分离出黑水及固体颗粒的除钠煤。

所述步骤（3）中，所述闪蒸出的闪蒸汽及上层澄清液送入汽包，汽包中产生的含钠蒸汽排出，冷凝液回送至搅拌槽中。

所述步骤（2）中，所述闪蒸汽经换热器回收余热后再送入汽包，水煤浆在换热器中与来自闪蒸罐的闪蒸汽换热后再送入加热炉中加热。

所述步骤（2）中的换热包括两级换热，所述步骤（3）中的闪蒸包括高压闪蒸和低压闪蒸。

所述水煤浆先进行高压闪蒸，然后再进行低压闪蒸，控制高压闪蒸的压力为20～80barg，低压闪蒸的压力为1～20barg，且高压闪蒸的压力应大于低压闪蒸的压力。

所述步骤（4）中的黑水及步骤（3）中的中层悬浊液送入灰水槽，然后经吸附填料塔吸附后排出清洁水。

发明人仔细研究了高钠煤的的除钠方案，由于原料煤不可通过燃烧或气化的方式除钠，只能在低于煤的燃点及气化点下除钠，但仅依靠高温使煤内少量的水份蒸发带走部分钠无法满足高效除钠的目的，发明人经过深入研究，付出创造性劳动，考虑先将原料煤加水形成水煤浆的形式，在煤以水煤浆的状态下进行高温及高压处理，使钠由煤中溶出，此时，考虑节能及脱钠效率因素，温度维持在200～380℃，压力控制在80～280barg即可，实验表明在200～270℃、80～160barg的操作条件下，煤中钠元素脱除率在50%～75%，在320～380℃、220～280barg的操作条件下，煤中钠元素脱除率可达99%以上，温度和压力过低，则煤中的钠难以溶出，温度和压力过高，则易造成能耗过大，甚至使煤发生自燃或对装置耐高压要求高，带来安全隐患以及设备成本高的问题。

进一步的，通过闪蒸的方式，使水煤浆中的水变成水蒸汽闪蒸出来，溶解在水中的大部分钠也随水蒸汽的一同蒸发分离，一般地，闪蒸级数越多，设备投资及操作维护费用越高，但热量回收率会有一定幅度提高。因此，优选进行两级闪蒸，先进行高压闪蒸，然后进行低压闪蒸。闪蒸汽送换热器与进加热炉前的水煤浆换热以回收余热，回收余热后的含水闪蒸汽回到汽包，汽包中产生的含钠蒸汽排出，得到的冷凝液含钠量极少，可回送入搅拌槽中用于制造水煤浆，以减少新鲜水的使用量同时也减少了含钠水的外排量。由于设置了两级闪蒸，也可相应对应设置两个换热器回收余热。

经过闪蒸后的水煤浆中还含有少量钠元素，再经过增稠器，在增稠器中由于重力作用，可使水煤浆出现分层，即上层澄清液、中层悬浊液（主要成份为含有细小煤粉颗粒及灰尘的黑水）及下层煤浆，上层澄清液也可回送汽包，下层浓稠的煤浆则进心离心分离，根据后续煤原料的进料要求，通过控制离心分离机的功率可分离出要求水含量的煤的固体颗粒，通过该步骤进一步使溶解在水中的钠元素随着固水分离而降低，脱除煤中的钠，即：使溶解出来的钠以能够随蒸汽以及水的分离排出，达到高钠煤除钠的目的。

离心分离后的黑水及增稠器中引出的中层悬浊液经灰水槽再进行吸附处理，吸附填料塔可为一级或并联的或多级吸附填料塔，填料塔内的吸附剂可在现有范围内合理选择，如包括分子筛、硅胶、活性炭、硅藻土、活性矾土等中的一种或多种，所述吸附剂经再生后可循环利用，进一步节能降耗。经吸附后的清洁水含钠量较少，也可循环利于其它工序中。

本发明高钠煤除钠系统，包括制浆系统、升温加压系统和分离系统，所述制浆系统包括搅拌槽，所述升温加压系统包括加热炉和高压釜，所述分离系统包括闪蒸罐、增稠器和离心分离机，所述搅拌槽、加热炉、高压釜、闪蒸罐、增稠器以及离心分离机依次连接。

所述升温加压系统还包括有换热器，所述搅拌槽出口经换热器与加热炉连接，所述闪蒸器的蒸汽出口经换热器与外界连通。

所述换热器包括依次连接的一级换热器及二级换热器，所述闪蒸罐包括依次连接的高压闪蒸罐和低压闪蒸罐。

所述制浆系统还包括有汽包，所述闪蒸汽的蒸汽出口经换热器与汽包进口连接，所述汽包的冷凝液出口与搅拌槽连接，汽包的蒸汽出口与外界连通。

还包括有黑水处理系统，所述黑水处理系统包括依次连接的灰水槽及吸附填料塔，灰水槽进口与离心分离机的黑水出口连接；所述增稠器出口包括澄清液出口、悬浊液出口和煤浆出口，所述煤浆出口与离心分离机进口连接，所述悬浊液出口与灰水槽进口连接，所述澄清液出口与汽包进口连接。

有益效果：

（1）本发明工艺先将煤加水变为水煤浆形式，然后利用高温高压下使钠元素由煤中溶解出来，再经闪蒸蒸发及离心分离使钠元素与煤固体颗粒得到分离，除钠效果好、脱除率高，得到煤的固体颗粒中钠元素脱除率最高可达99%以上，还具有脱除煤中灰分的附加作用，大大提高了煤的品质，减少了煤原料在后续使用过程中对设备腐蚀问题。

（2）本工艺黑水处理系统的吸附填料塔吸附黑水后，塔底得到的清洁水可循环利用，具有降低运行成本的优点，同时可达到节水的目的。

（3）本发明工艺步骤简单，设备投资低，得到的煤可经简单处理或直接用于煤气化或IGCC发电等工艺，而无需作进一步处理，简化了工艺步骤、进一步降低了生产成本，缩短了生产周期、延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1为本发明工艺流程暨系统结构图。

其中：1-锁斗、2-搅拌槽、3-冷凝液泵、4-汽包、5-高压泵、6、一级换热器、7-二级换热器，8-加热炉、9-高压釜、10-高压闪蒸罐、11-低压闪蒸罐、12-增稠器、13-灰水槽、14-离心分离机、15-高压灰水泵、16-吸附填料塔。

具体实施方式

参照图1，本发明系统包括制浆系统、升温加压系统、分离系统和黑水处理系统，所述制浆系统包括搅拌槽2和汽包4，所述升温加压系统包括一级换热器6、二级换热器7、加热炉8和高压釜9，所述分离系统包括高压闪蒸罐10、低压闪蒸罐11、增稠器12和离心分离机14，所述黑水处理系统包括灰水槽13及吸附填料塔16，所述搅拌槽2出口连接高压泵5后再分别经一级换热器6及二级换热器7的管程（或壳程）、加热炉8、高压釜9、高压闪蒸罐10、低压闪蒸罐11与增稠器12的进口连接，增稠器12设有澄清液出口、悬浊液出口和煤浆出口，所述增稠器12底部的煤浆出口与及离心分离机14的进口连接、离心分离机14包括煤出口及黑水出口，所述黑水出口经灰水槽13、高压灰水泵15与吸附填料塔16（本实施例中为并联的两个吸附填料塔）连接。所述高压闪蒸罐10和低压闪蒸罐11的闪蒸汽出口经对应的二级换热器7和一级换热器6的壳程（或管程）与汽包4进口连接，所述增稠器12的澄清液出口也经澄清液泵17与汽包4进口连接，所述汽包4出口包括蒸汽出口和冷凝液出口，冷凝液出口经冷凝液泵3与搅拌槽2连接，蒸汽出口与外界连通。所述增稠器12的悬浊液出口与灰水槽13的进口连接。

工艺实施例1：

原料煤的主要指标如下：

全水含量31.9 wt%，干燥基灰含量8.92 wt%，Na₂O的含量高达12.78wt%。

（1）高钠煤经锁斗1送入搅拌槽2内加水（包括新鲜水及由汽包循环而来的冷凝液）搅拌制成水煤浆，水煤重量比为2.5：1～1：3，搅拌速度为500～1500 rpm；

（2）将步骤（1）中得到的水煤浆经高压泵5、一级换热器6及二级换热器7的管程与来自低压闪蒸罐11和高压闪蒸罐12的闪蒸气预热至130～170℃后，送入加热炉8加热至200～270℃，然后送入高压釜9加压至80～160barg；

（3）将步骤（2）中得到的水煤浆依次送入高压闪蒸罐10及低压闪蒸罐11中闪蒸后送入增稠器12，控制高压闪蒸的压力为20～80barg，低压闪蒸的压力为1～20barg，且高压闪蒸的压力应大于低压闪蒸的压力。闪蒸后的闪蒸汽送入一级换热器6及二级换热器7的壳程与水煤浆换热后再送入汽包4；闪蒸后的水煤浆在增稠器12静置后分层为上层澄清液、中层悬浊液及下层煤浆，上层澄清液经增稠器12的澄清液出口也回送至汽包4内，汽包4产生的蒸汽经蒸气出口外排，冷凝液由凝液出口回送至搅拌槽2中与新鲜水一起加入煤中搅拌制水煤浆；

（4）将下层煤浆经增稠器12的煤浆出口送入离心分离机14分离出黑水及固体颗粒的除钠煤（除钠煤的水含量及颗粒度可根据下游工序的需要合理控制），除钠煤由底部煤出口排出，黑水经由黑水出口送入灰水槽13，且在增稠器12中分层得到的中层悬浊液也经由悬浊液出口送入灰水槽13中，然后一起经高压灰水泵15送入吸附填料塔16吸附处理，经吸附处理后由塔底排出的清洁水可循环用于其它工序。

经上述除钠工艺方法得到的除钠煤中含水量为约6.1 wt%，干燥基灰含量3.71 wt%，Na₂O的含量为6.57wt%。

得到的清洁水中水含量≥ 99.9 wt%，灰含量≤ 20 ppm，Na₂O含量≤ 1 ppm。

工艺实施例2：

原料煤的主要指标如下：

全水含量25.4 wt%，干燥基灰含量7.35 wt%，Na₂O的含量6.53wt%。

除将步骤（2）中水煤浆的加热温度改为320～380℃、压力改为220～280barg外，其余同实施例1。

经上述除钠工艺方法得到的除钠煤中含水量为约2.8 wt%，干燥基灰含量2.8 wt%，Na₂O的含量为0.2 wt%。

得到的清洁水中水含量≥ 99.9 wt%，灰含量≤ 20 ppm，Na₂O含量≤ 2.5 ppm。

Claims

1.一种高钠煤除钠工艺，其特征在于，包括下述步骤：

2.如权利要求1所述的高钠煤除钠工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，所述闪蒸出的闪蒸汽及上层澄清液送入汽包，汽包中产生的含钠蒸汽排出，冷凝液回送至搅拌槽中。

3.如权利要求1或2所述的高钠煤除钠工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，所述闪蒸汽经换热器回收余热后再送入汽包，水煤浆在换热器中与来自闪蒸罐的闪蒸汽换热后再送入加热炉中加热。

4.如权利要求3所述的高钠煤除钠工艺，其特征在于，所述步骤（2）中的换热包括两级换热，所述步骤（3）中的闪蒸包括高压闪蒸和低压闪蒸。

5.如权利要求4所述的高钠煤除钠工艺，其特征在于，所述水煤浆先进行高压闪蒸，然后再进行低压闪蒸，控制高压闪蒸的压力为20～80barg，低压闪蒸的压力为1～20barg，且高压闪蒸的压力应大于低压闪蒸的压力。

6.如权利要求1所述的高钠煤除钠工艺，其特征在于，其特征在于，所述步骤（4）中的黑水及步骤（3）中的中层悬浊液送入灰水槽，然后经吸附填料塔吸附后排出清洁水。