CN103084271A - 一种调控煤气化工艺中煤质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控煤气化工艺中煤质的方法。调控煤气化工艺中煤质的方法是：原料煤送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，从精煤收集槽得到精煤，精煤输送至气化装置反应，从尾煤收集槽得到尾煤，尾煤回收再利用或经摩擦荷电静电分离装置进行进一步的分选，当煤粉的灰含量小于8%时，将气化装置出来的飞灰和/或灰渣与原料煤混配，送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，循环使用。本发明适用于单一煤种煤质的调控，对煤种的要求低，适用范围广，可以显著提高煤气化工艺运行的稳定性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及调控煤质的方法，尤其涉及一种调控煤气化工艺中煤质的方法。
背景技术
煤是有机物和矿物质的复杂混合体。干粉煤气化工艺气化炉中的煤灰呈熔融状态，部分熔融的矿物质以液态熔渣型式排出，其余部分由合成气夹带并作为飞灰回收。以Shell粉煤气化工艺为例，其通过在气化炉水冷壁内侧形成一层均匀分布的熔渣层，达到“以渣抗渣”的目标，以抵御高温熔渣对水冷壁的腐蚀。
煤质稳定对煤气化工艺的稳定生产具有重要意义。首先，需要保持煤中灰分含量的稳定。灰分含量高，则产气量低，经济性差，为了达到相同产气量所需的煤耗、氧耗高，气化炉及灰渣处理装置负担越重，严重时会影响气化炉的正常运行；灰分含量过低，会引起气化炉壁面固态渣层变薄，不能实现“以渣抗渣”。其次，需要保持煤渣粘度的稳定。粘度过低会引起气化炉壁面固态渣层变薄，不能实现“以渣抗渣”，煤灰渣对气化炉壁面腐蚀加剧，在煤灰渣冲击下容易发生垮渣；粘度过高会引起煤灰渣流动性降低，不利于煤灰渣的顺利排放，煤灰渣在气化炉会聚壁堆积，导致大块渣形成。煤灰渣的主要成分是二氧化硅和氧化铝，次要成分是钙、镁、铁、钾、钠、磷、钛等的氧化物。其中，酸性氧化物如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛等可以提高煤灰渣熔融温度，碱性氧化物如氧化铁、氧化钙、氧化镁等可以降低煤灰渣熔融温度，有助熔作用。工业生产中通过石灰石等助熔剂来调节煤中的硅比（SR=SiO2/[ SiO2+ Fe2O3+ CaO +MgO]），进而调节熔渣的流动性。再次，需要控制煤中的硫含量。煤中的硫含量过高不仅对设备和管道造成严重的腐蚀，而且会给煤气净化装置及脱硫装置带来负担，直接影响煤气净化装置的投资及运行成本。
煤质不稳定是国内粉煤气化用户普遍存在的问题。这是由于中国煤种的煤质变化较大，运输储存过程中的二次污染等因素所致。目前，国内生产厂家多采用配煤来解决煤质变化引起的波动问题。即通过将两种或几种不同种类、不同性质的煤种混配在一起得到一种符合煤气化工艺煤质要求的混煤。混配的煤种必须要做到就近或者就地取材，这对于煤矿较少，或煤种单一的工业区，将会加大煤的运输成本。同时，如果在配煤的时候混合不均匀，将导致煤质的波动，影响煤气化运行。而且有些煤的某种组分过高或过少，即使通过配煤也无法达到煤气化工艺煤质的要求。因此，需要开发一种调控煤气化工艺中煤质的方法，通过对煤中特定组分的分选和调配，解决煤质波动的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种调控煤气化工艺中煤质的方法。
调控煤气化工艺中煤质的方法是：原料煤经破碎后送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，摩擦荷电静电分离装置包括相接的摩擦荷电器、静电分离室，静电分离室包括喷嘴、接地金属件、正高压金属件、正高压发生器、分隔板、精煤收集槽、尾煤收集槽，静电分离室顶端插有喷嘴，喷嘴下方对称设有接地金属件、正高压金属件，接地金属件、正高压金属件下方设有分隔板，分隔板一侧下方为精煤收集槽，分隔板另一侧下方为尾煤收集槽，正高压金属件与正高压发生器相连，当煤粉中的灰含量大于30%时，摩擦荷电器采用铜，当煤粉中的全硫分含量大于5.3%时，摩擦荷电器采用铜、不锈钢、尼龙66、PVC或聚四氟乙烯，静电分离室中接地金属件和正高压金属件的间距为0.1~10m，接地金属件和正高压金属件之间的电压为10~29×106V，从精煤收集槽得到符合干粉煤气化工艺灰含量为8%~30%，全硫分含量小于5.3%的煤质要求的精煤，精煤输送至气化装置反应，从尾煤收集槽得到尾煤，尾煤回收再利用或经摩擦荷电静电分离装置进行进一步的分选，当煤粉中的灰含量小于8%时，将气化装置出来的飞灰和/或灰渣与原料煤混配，送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，循环使用。
所述的摩擦荷电静电分离装置为一个或多个。所述的摩擦荷电器是细直管、螺旋管、不规则管、流化床、旋风分离器中的一种或其组合。所述的接地金属件、正高压金属件是两个直径不同的同轴金属圆筒。所述的接地金属件、正高压金属件是两块金属板，两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~80°，喷嘴插入两块金属板之间1~10cm，喷嘴在水平方向上位于两块金属板之间的中心轴处，或者位于中心轴两侧距离为小于等于两块金属板上端间距1/3的范围内。所述的两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~30°。所述的接地金属件和正高压金属件的间距为0.1~5m。所述的接地金属件和正高压金属件之间的电压为10~20×106V。所述的接地金属件(4)和正高压金属件(5)之间的电压与间距的比值为100~2.9×106V/m。所述的原料煤为泥煤、烟煤、无烟煤、贫煤、褐煤、瘦煤、焦煤或肥煤的一种或多种。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1）使用本发明提供的方法对单一煤种的煤质进行调控即可满足煤气化工艺的要求，对煤种的要求低，适用范围广，可以显著提高煤气化工艺运行的稳定性；
2）可以回收煤种有价值的组分，提高煤气化工艺的经济性。
附图说明
图1是调控煤气化工艺中煤质的方法原理框图；
图2是本发明采用多个摩擦荷电静电分离装置原理框图；
图3是本发明的摩擦荷电静电分离装置结构示意图；
图4是本发明的两块金属板放置方式示意图。
具体实施方式
如图所示，调控煤气化工艺中煤质的方法是：原料煤经破碎后送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，当原煤被磨到74μm以下时，其中的灰分（矿物质）大部分能从煤中解离出来，有利于后续的分选。磨煤机中同时用热风烘干煤粉，可以使煤粉在后续的摩擦荷电器中增加荷电量，提高分选效率，输送至摩擦荷电静电分离装置，摩擦荷电静电分离装置包括相接的摩擦荷电器1、静电分离室2，静电分离室2包括喷嘴3、接地金属件4、正高压金属件5、正高压发生器6、分隔板7、精煤收集槽8、尾煤收集槽9，静电分离室2顶端插有喷嘴3，喷嘴3下方对称设有接地金属件4、正高压金属件5，接地金属件4、正高压金属件5下方设有分隔板7，分隔板7一侧下方为精煤收集槽8，分隔板7另一侧下方为尾煤收集槽9，正高压金属件5与正高压发生器6相连，当煤粉中的灰含量大于30%时，摩擦荷电器1采用铜，当煤粉中的全硫分含量大于5.3%时，摩擦荷电器1采用铜、不锈钢、尼龙66、PVC或聚四氟乙烯，静电分离室2中接地金属件4和正高压金属件5的间距为0.1~10m，接地金属件4和正高压金属件5之间的电压为10~29×106V，从精煤收集槽8得到符合干粉煤气化工艺灰含量为8%~30%，全硫分含量小于5.3%的煤质要求的精煤，精煤输送至气化装置反应，从尾煤收集槽9得到尾煤，尾煤回收再利用或经摩擦荷电静电分离装置进行进一步的分选，当煤粉中的灰含量小于8%时，将气化装置出来的飞灰和/或灰渣与原料煤混配，送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，循环使用。
原料煤为泥煤、烟煤、无烟煤、贫煤、褐煤、瘦煤、焦煤或肥煤的一种或多种。
摩擦荷电器1的作用是让煤粉带电。采用气力输送的方式将煤粉输送至摩擦荷电器。气力输送过程中，煤粉的浓度为1~40wt.%。煤粉在摩擦荷电器中碰撞摩擦时，煤粉中功函数大于摩擦荷电器功函数的组分将带上负电，煤粉中功函数小于摩擦荷电器功函数的组分将带上正电。所述的功函数是把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。
摩擦荷电器1是细直管、螺旋管、不规则管、流化床、旋风分离器中的一种或其组合。细直管、螺旋管、不规则管可以增加煤粉在摩擦荷电器中的碰撞概率，从而增加煤粉荷电量。所述的流化床高径比较大（>10），当煤粉在其中流化时，煤粉和流化床壁面的摩擦效应要远大于煤粉颗粒和颗粒之间的摩擦效应，煤粉的摩擦荷电效率较高。旋风分离器内的颗粒在气体的带动下沿旋风分离器内壁面运动，同时摩擦荷电。优选的旋风分离器型式为细长型，煤粉在旋风分离器内运动的距离较长，有利于增加荷电量，提高分离效率。
通过改变摩擦荷电器的材质，可以选择性地分离煤中的特定组分。所述的特定组分是含量不符合煤气化工艺煤质要求的组分。摩擦荷电器所选材质的功函数要介于碳和特定组分的功函数值之间。
例如，如果需要降低煤中灰分的含量，所选摩擦荷电器的材质功函数值必须介于碳和所有灰分组分的功函数值之间，铜符合要求。
黄铁矿是煤中硫的主要来源，通过分选降低黄铁矿的含量可以降低硫含量。碳的功函数值为3.93eV，黄铁矿（FeS2）的功函数值为5.4 eV。所以摩擦荷电器的材质可选铜（4.38 eV）、不锈钢（4.4eV）、尼龙66（4.5 eV）或PVC（4.85 eV）。
石英是灰分中含量最大的矿物质，也是煤中SiO2的主要来源。通过分选降低SiO2的含量以降低硅比，从而可以降低灰熔点。碳的功函数值为3.93eV，石英的功函数值为5.0eV。所以摩擦荷电器的材质可选铜（4.38eV）、不锈钢（4.4eV）、尼龙66（4.5eV）或PVC（4.85eV）。
所述的接地金属件4、正高压金属件5是两个直径不同的同轴金属圆筒。所述的接地金属件4、正高压金属件5是两块金属板，两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~80°，两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~30°，喷嘴3插入两块金属板之间1~10cm，喷嘴3在水平方向上位于两块金属板之间的中心轴处，或者位于中心轴两侧距离为小于等于两块金属板上端间距1/3的范围内。
接地金属件4和正高压金属件5的间距为0.1~5m。接地金属件4和正高压金属件5之间的电压为10~20×106V。所述的接地金属件(4)和正高压金属件(5)之间的电压与间距的比值为100~2.9×106V/m。
从摩擦荷电器出来的荷电煤粉经喷嘴进入高压电场。喷嘴优选采用扁平口，扁平口的长轴和电场方向垂直。喷嘴插入高压电场1~10cm，优选5cm。带不同极性电荷的颗粒在高压电场中受到不同方向的库仑力，其中带正电荷的颗粒吸引至带负电的金属件方向，而带负电荷的物料颗粒被吸引至带正电的金属件的方向。分离后的颗粒分别收集到精煤收集槽和尾煤收集槽。收集槽用分隔板隔开。
所述的摩擦荷电静电分离装置为一个或多个。摩擦荷电静电分离装置根据需要既可以并联使用也可以串联使用。例如原煤首先经过一个脱硫的摩擦荷电静电分离装置，得到一股硫含量降低的物流和一股硫含量升高的物流。硫含量降低的物流再经过一个可以降低石英含量的摩擦荷电静电分离装置。硫含量升高的物流则再经过一个脱硫的摩擦荷电静电分离装置，可以得到一股富含黄铁矿的物流，然后对其中的黄铁矿进行回收。
实施例1
通过实施例对本发明做进一步说明，选择一种灰含量偏高（42.34%）的煤，主要的化学成分及含量分布如表1。分选目标是使得到的精煤要符合Shell煤气化工艺灰含量8%~30%的煤质要求。
表1 原煤的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 |
| 含量%（原煤） | 57.66 | 42.34 | 21.32 | 8.33 | 5.39 | 3.86 |
将原煤在磨煤机中磨成粒径小于74μm的煤粉并用热风进行干燥。用氮气将煤粉输送至摩擦荷电静电分离装置。煤粉浓度选为25wt.%。摩擦荷电静电分离装置的个数选为1个。摩擦荷电器的形式选为螺旋管，材质选为铜。煤粉从螺旋管的一端进入在螺旋管中带上电。荷电煤粉从螺旋管另一端出来并通过喷嘴进入高压电场。接地金属件和正高压金属件是两块金属板，两块金属板平行竖直放置，极板间距选为0.3m，板间电压为30kV。喷嘴位于两极板的中心轴线上，插入高压电场5cm。荷电煤粉在高压电场中产生分层流，并在分隔板的作用下分成精煤和尾煤。
分选得到的精煤和尾煤主要的化学成分及含量分布如表2。
表2精煤和尾煤的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 |
| 含量%（精煤） | 75.64 | 24.36 | 12.56 | 5.94 | 2.36 | 2.78 |
| 含量%（尾煤） | 47.78 | 52.22 | 28.33 | 12.49 | 7.12 | 3.90 |
可见分选得到的精煤灰含量为24.36%，符合Shell煤气化工艺灰含量8%~30%的煤质要求。
实施例2
选择一种硫含量偏高（7.62%）的煤，主要的化学成分及含量分布如表3。分选目标是使得到的精煤符合Shell煤气化工艺全硫分含量小于5.3%的煤质要求。
表3原煤的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 | 全硫含量 |
| 含量%（原煤） | 65.61 | 34.39 | 16.03 | 6.51 | 9.52 | 2.33 | 7.62 |
将原煤在磨煤机中磨成粒径小于74μm的煤粉并用热风进行干燥。用氮气将煤粉输送至摩擦荷电静电分离装置。煤粉浓度选为30wt.%。摩擦荷电静电分离装置的个数选为2个。其中一个摩擦荷电静电分离装置的摩擦荷电器选为细直管，材质选为PVC。另外一个摩擦荷电静电分离装置的摩擦荷电器也选为细直管，材质选为铜。煤粉先进入上述第一个摩擦荷电静电分离装置进行分选。荷电煤粉从摩擦荷电器出来并通过喷嘴进入高压电场。接地金属件和正高压金属件是两块金属板，两块金属板平行竖直放置，极板间距选为0.2m，电压选为25kV。喷嘴位于两极板的中心轴线上，插入高压电场5cm。荷电煤粉在高压电场中产生分层流，并在分隔板的作用下分成精煤和尾煤。尾煤再进入上述第二个摩擦荷电静电分离装置进行分选，静电分离室的操作条件和第一个静电分离室相同。尾煤经分选后得到精煤1和尾煤1。
精煤、尾煤、精煤1、尾煤1主要的化学成分及含量分布如表4。
表4精煤、尾煤、精煤1、尾煤1的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 | 全硫含量 |
| 含量%（精煤） | 80.22 | 19.78 | 9.12 | 7.68 | 4.03 | 2.02 | 3.11 |
| 含量%（尾煤） | 50.95 | 49.05 | 23.64 | 3.26 | 14.74 | 5.13 | 9.87 |
| 含量%（精煤1） | 66.98 | 33.02 | 15.62 | 6.37 | 8.66 | 2.01 | 5.65 |
| 含量%（尾煤1） | 41.37 | 58.63 | 26.85 | 2.14 | 18.39 | 8.56 | 15.64 |
可见分选得到的精煤全硫分含量为3.11%，符合Shell煤气化工艺全硫分含量小于5.3%的煤质要求。同时得到的尾煤1中黄铁矿的含量较高（18.39%），可对其中的铁进行回收。
实施例3
选择一种灰含量偏低（7.92%）、硫含量偏高（5.44%）的煤，主要的化学成分及含量分布如表5。目标是通过分选及飞灰、煤渣与原煤的混配以调控煤质，使得到的精煤符合煤气化工艺灰含量8%~30%、全硫分含量小于5.3%的煤质要求。
表5原煤的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 | 全硫含量 |
| 含量%（原煤） | 92.08 | 7.92 | 2.35 | 0.30 | 5.16 | 0.11 | 5.44 |
将飞灰和灰渣按飞灰：灰渣：原煤质量比为0.1:0.1:1的比例经皮带输送至磨煤机与原煤混配。将原煤在磨煤机中磨成粒径小于74μm的煤粉并用热风进行干燥。用氮气将煤粉输送至摩擦荷电静电分离装置。煤粉浓度选为20wt.%。摩擦荷电静电分离装置的个数选为1个。摩擦荷电器的形式选为螺旋管，材质选为不锈钢。煤粉从螺旋管的一端进入，在螺旋管中碰撞摩擦带上电。荷电煤粉从螺旋管另一端出来并通过喷嘴进入高压电场。接地金属件和正高压金属件是两块金属板，两块金属板平行竖直放置，极板间距选为0.12m，电压选为25kV。喷嘴位于两极板的中心轴线上，插入高压电场5cm。荷电煤粉在高压电场中产生分层流，并在分隔板的作用下分成精煤和尾煤。精煤送至气化炉，尾煤回收利用。精煤和尾煤的主要化学成分及含量分布如表6。
表6精煤和尾煤的主要化学成分及含量分布
| 组分 | 净煤 | 灰含量 | 石英 | 高岭土 | 黄铁矿 | 方解石 | 全硫含量 |
| 含量%（精煤） | 84.37 | 15.63 | 1.63 | 0.12 | 1.98 | 0.16 | 2.12 |
| 含量%（尾煤） | 67.43 | 32.57 | 3.22 | 0.56 | 3.14 | 0.29 | 5.34 |
表中只列出煤中的主要组分，没有列出飞灰和灰渣的主要组分。其中，灰含量也包含了飞灰和灰渣的含量。
可见分选得到的精煤灰分含量为15.63%，全硫含量为2.12%，符合Shell煤气化工艺灰含量8%~30%、全硫分含量小于5.3%的煤质要求。
Claims (10)
1.一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：原料煤经破碎后送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，摩擦荷电静电分离装置包括相接的摩擦荷电器(1)、静电分离室(2)，静电分离室(2)包括喷嘴(3)、接地金属件(4)、正高压金属件(5)、正高压发生器(6)、分隔板(7)、精煤收集槽(8)、尾煤收集槽(9)，静电分离室(2)顶端插有喷嘴(3)，喷嘴(3)下方对称设有接地金属件(4)、正高压金属件(5)，接地金属件(4)、正高压金属件(5)下方设有分隔板(7)，分隔板(7)一侧下方为精煤收集槽(8)，分隔板(7)另一侧下方为尾煤收集槽(9)，正高压金属件(5)与正高压发生器(6)相连，当煤粉中的灰含量大于30%时，摩擦荷电器(1)采用铜，当煤粉中的全硫分含量大于5.3%时，摩擦荷电器(1)采用铜、不锈钢、尼龙66、PVC或聚四氟乙烯，静电分离室(2)中接地金属件(4)和正高压金属件(5)的间距为0.1~10m，接地金属件(4)和正高压金属件(5)之间的电压为10~29×106V，从精煤收集槽(8)得到符合干粉煤气化工艺灰含量为8%~30%，全硫分含量小于5.3%的煤质要求的精煤，精煤输送至气化装置反应，从尾煤收集槽(9)得到尾煤，尾煤回收再利用或经摩擦荷电静电分离装置进行进一步的分选，当煤粉中的灰含量小于8%时，将气化装置出来的飞灰和/或灰渣与原料煤混配，送至磨煤装置磨成煤粉并干燥，输送至摩擦荷电静电分离装置，循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的摩擦荷电静电分离装置为一个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的摩擦荷电器(1)是细直管、螺旋管、不规则管、流化床、旋风分离器中的一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的接地金属件(4)、正高压金属件(5)是两个直径不同的同轴金属圆筒。
5.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的接地金属件(4)、正高压金属件(5)是两块金属板，两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~80°，喷嘴3插入两块金属板之间1~10cm，喷嘴3在水平方向上位于两块金属板之间的中心轴处，或者位于中心轴两侧距离为小于等于两块金属板上端间距1/3的范围内。
6.根据权利要求5所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的两块金属板与垂直方向的夹角θ是0.1~30°。
7.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的接地金属件(4)和正高压金属件(5)的间距为0.1~5m。
8.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的接地金属件(4)和正高压金属件(5)之间的电压为10~20×106V。
9.根据权利要求7或8所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的接地金属件(4)和正高压金属件(5)之间的电压与间距的比值为100~2.9×106V/m。
10.根据权利要求1所述的一种调控煤气化工艺中煤质的方法，其特征在于：所述的原料煤为泥煤、烟煤、无烟煤、贫煤、褐煤、瘦煤、焦煤或肥煤的一种或多种。
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