CN103173233B - 两段提升管煤干馏、气化工艺及装置 - Google Patents

两段提升管煤干馏、气化工艺及装置 Download PDF

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本发明公开了一种两段提升管煤干馏、气化工艺，该工艺将粒度为200目的煤粉与质量相等的850-1150℃高温煤气混合，煤粉温度瞬间上升至430-450℃，发生热解，挥发份完全气化。由于煤干馏制油发生的过程仅耗时2-3秒，即急冷至200℃以下，气化后的煤挥发份来不及进一步裂解；故煤挥发份没有发生焦化反应。煤挥发份经过冷凝，得到煤（焦）油，所述油品的收率及性质与在实验室里采用溶剂萃取得到的油品的收率及性质相比较，收率高、性质相同。

Description

两段提升管煤干馏、气化工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种煤干馏、气化技术，具体涉及一种两段提升管煤干馏、气化工艺及装置。
背景技术
煤制油有两条工艺路线，即煤直接液化和间接液化。
煤直接液化以蒽油为溶剂，无论是否加氢，其机理都是萃取过程。目前，仅在南非有煤加氢直接液化工业化装置，我国神华有一套小试装置，催化萃取煤制油间歇式小试装置有4套。因为要保证煤液化生成的煤半焦在与生成的油品及蒽油（溶剂）分离后，仍具有一定的流动性，不能把生成的油品完全与生成的煤半焦分离，生成的煤半焦分离仍含有部分油品。
煤直接液化生成的油品的收率很低，煤直接液化生成的煤半焦通常做动力煤。
由于煤直接液化过程中，溶剂循环消耗能量，煤直接液化的生成单位油品能耗非常高，设备效率亦低下。
煤间接液化即所谓的费托合成。中国科学院山西煤化所与中国寰球工程公司辽宁分公司共同完成了伊泰、神华、潞安等项目。费托合成就是将煤造气，再用煤气合成油的过程。所得到的油品质量极高。约3.5吨煤合成1吨油，其余以二氧化碳形式排入大气。从绿色经济的角度来看，煤间接液化是全部工业中最不绿色的。
煤造气分为固定床和流化床两种形式。
以鲁奇炉为代表的固定床工艺。床层高4000mm，煤粒度20-40mm。氧气与水蒸气混合从床层底部进入炉内，床层上部发生煤干馏，挥发分要从20-40mm粒度的煤中气化、释放，过程耗时较长，导致挥发分受热分解、焦化。煤焦油产量较低、且品质差。燃烧与反应同时进行，导致煤气中残氧、含水量高，煤灰中残碳含量高。
以恩德炉为代表的流化床工艺。炉子内部是一个空腔。煤粉从上部喷下，氧气与水蒸气混合从下部往上喷。燃烧与反应同时进行，导致煤气中残氧、含水量高。少量来不及燃烧的煤粉直接落到炉子底部导致，煤灰中残碳含量高。不产煤焦油。
无论固定床工艺，还是流化床工艺均采用水直冷，产生大量灰水，即污水。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种产品收率高、品质好的两段提升管煤干馏、气化工艺及装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种两段提升管煤干馏、气化工艺，包括以下步骤：
（1）将煤粉与850-1150℃的高温煤气充分混合，煤粉发生分解，挥发份气化达到煤干馏的目的；
（2）煤干馏的干馏产物与煤气的混合物进行气固分离，气体产物煤焦油的油气和煤气在急冷油的作用下，温度降至120℃-180℃，煤焦油液化，进行油气分离，得到煤焦油；
（3）煤干馏的固体产物煤半焦粉在氧气及水蒸气的作用下燃烧，发生煤燃烧反应；
（4）煤半焦粉与水蒸汽发生水煤气反应，生成煤气，煤气经气固分离后产生的气体回到步骤（1）中使用，煤灰经冷却后排入灰池。
优选的是：步骤（1）中所述煤粉为200目。
优选的是：步骤（1）中所述高温煤气为1000℃。
优选的是：步骤（2）中所述的煤焦油的油气在急冷前经过二级、三级、四级气固分离。
一种两段提升管煤干馏、气化装置，包含：原料罐、干馏段提升管、气化段提升管、煤半焦沉降器、初级旋风分离器、涡喷室、旋风分离器、外取热器、煤灰沉降器及煤灰冷却器，其中：
原料罐：煤粉在原料罐与高温煤气混合后，喷入到干馏段提升管；
干馏段提升管：煤粉发生分解，煤干馏的气体产物进入到煤半焦沉降器，干馏产物与煤气混合物进入初级旋风分离器；
初级旋风分离器：用于分离煤干馏产物与煤气的混合物，分离出的干馏产物煤半焦粉进入到煤半焦沉降器；
涡喷室：煤半焦粉与纯氧剧烈燃烧，产生的一氧化碳及氢气裹挟煤半焦粉，喷入气化段提升管；
气化段提升管：气化段提升管侧壁喷入的水蒸气与煤半焦粉发生反应，生产的煤气进入煤灰沉降器；
煤灰沉降器：产生的气体去往旋风分离器，产生的煤灰进入外取热器；
旋风分离器：分离煤灰沉降器来的煤气，分离出的气体去往原料罐；
外取热器：发生蒸汽，冷却从煤灰沉降器来的煤灰，冷却后的煤灰去往煤灰冷却器；
煤灰冷却器：煤灰被氮气冷却，冷却后的煤灰排入灰池。
优选的是：所述的涡喷室的温度为1400-1800℃。
本发明的有益效果在于：能同时生产两种产品，产品收率高、品质好，单位产品能耗低、零污染。本发明的煤干馏工艺将200目煤粉与质量相等的850-1150℃的煤气混合，导致煤粉温度瞬间上升至430-450℃。煤粉发生热解，挥发份完全气化。由于煤干馏制油发生的过程仅耗时2-3秒，即急冷至200℃以下，气化后的煤挥发份来不及进一步裂解；故煤挥发份没有发生焦化反应。煤挥发份经过冷凝，得到煤（焦）油。该油品的收率及性质与在实验室里采用溶剂萃取得到的油品的收率及性质相比较，收率高、性质相同。
本发明的煤干馏工艺完全利用煤半焦气化过程中产生的余热。煤干馏能耗为零。煤干馏过程仅耗时2-3秒。这是除该工艺技术外，任何工艺技术都无法实现的。
本发明的煤气化工艺先将430-450℃的煤半焦与氧气燃烧。煤半焦与氧气燃烧的目的是为水煤气反应提供充足的反应热。水煤气反应是吸热反应，且温度在800℃以上。由于煤半焦与氧气燃烧之前，温度已达到430-450℃，与直接用煤气化相比较，可节省超过20%的氧气。同时，亦可多产出与节省氧气摩尔数相同的氢气。煤半焦与氧气燃烧与水煤气反应是在不同的区域进行的，燃烧与水煤气反应进行的非常充分；煤气中残留氧气和碳几乎为零。煤气中水蒸气可控制在痕量水平。煤灰中的热量充分被回收，排灰温度小于100℃。
本发明煤气化工艺产生的煤气与煤挥发份的混合物被急冷油冷却、冷凝；避免了用水直接冷却、冷凝，产生污水。煤挥发份经过冷凝，得到煤（焦）油。
本发明的工艺，产品收率高、单位产品能耗低、零污染。其它工艺，单炉最大年加工煤量为300000吨/年。该工艺装置最大年加工煤量为10000000吨/年。
附图说明
图1示出了本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
参考图1，用制粉机将煤粉碎至200目，装入原料罐10。煤粉与850-1150℃优选为1000℃的高温煤气（H2+CO）在文丘里管颈部混合，喷入到干馏段提升管3中。煤粉温度瞬间上升至430-450℃，发生热解，挥发份完全气化，耗时2-3秒。因为煤粉的熔点在1200℃左右，在煤粉不熔化的前提下，煤气温度越高，煤气与煤粉混合后的最终温度越高，煤干馏后，得到的煤（焦）油越多。反之，煤干馏深度不够。
本发明中采用加热的可以是任何适当的气体，都能使煤发生干馏；优选的是，采用煤气，其为本发明干馏后的煤半焦粉与氧气不充分燃烧，炽热的碳微粒与水蒸气反应生成的，干馏利用了煤气的余热。.
在干馏段提升管3内，煤粉与高温煤气（H2+CO）充分混合，煤粉温度瞬间上升至430-450℃，煤粉发生分解，挥发份气化达到煤干馏的目的；耗时2-3秒，主要分解如下：
①a.含氧官能团脱除，如-COOH，碳氧络合物等；b．含氧结构的缩聚、重排；c．由电子自旋共振测量可见煤中自由基浓度缓慢增加。
②a.-CH2-CH2-、-CH2-O-等键能较低的桥键断裂，生成“自由基碎片”；b.氢化芳环发生脱氢反应，对“自由基碎片’供氢；c.部分含氧、含氮和含硫裂解，产生CO、CO2、H2O、NH3和H2S等；d.烷基官能团和脂环结构裂解，产生以CH4为主的气态烃等；e．半焦中自由基浓度增加，氢含量降低。
③a.芳香结构通过缩聚放出H2，分子量增加；b．芳香结构中的氢化芳环脱氢，放出H2，芳香结构空间排列有序化，向假石墨结构过渡；c．烷基侧键断裂产生CH4和其他烃类；d．羰基、醚键和含氧杂环裂解放出CO，其他含硫、含氮结构发生相应变化产生小分子量的含硫、含氮化合物。
例如苯、甲苯、奈、蒽、菲、酚等几十种成分的干馏产物与煤气（H2+CO）的混合物在干馏段提升管3的末端的温度在380-450℃。质量相同的高温煤气与常温煤粉混合，及煤粉中挥发份的气化吸热后，温度下降。
煤干馏的气体产物进入到煤半焦沉降器2，经过旋风分离器，400℃左右的煤干馏的气体产物—煤（焦）油的油气（超低温煤焦油，主要为苯、甲苯、奈、蒽、菲、酚等几十种成分）随煤气（H2+CO）进入急冷器。在急冷器内，煤（焦）油的油气和煤气在急冷油的作用下，温度降至120℃-180℃之间，煤（焦）油液化；去油气分离罐。在煤焦油油气进入到急冷器之前还可以经过二级、三级、四级旋风分离器。
来自干馏段提升管3的干馏产物与煤气（H2+CO）的混合物进入用于气固分离的初级旋风分离器21。在初级旋风分离器21内，煤干馏的固体产物煤半焦粉进入煤半焦沉降器2。煤半焦粉在文丘里管颈部与纯氧及少量水蒸汽混合进入涡喷室1。在涡喷室1内，煤半焦粉与纯氧剧烈燃烧。涡喷室1内温度在1400℃-1800℃，产生的一氧化碳及少量氢气裹挟着炽热的煤半焦粉（象沙尘暴）喷入气化段提升管4。此处，水蒸汽的作用是使煤半焦粉雾化，从而使煤半焦粉与氧气充分混合。如果不加水蒸汽则会使煤半焦粉与氧气不能充分混合，从而不能充分、均匀地燃烧；甚至煤半焦粉与煤灰结块（因为燃烧是在氧不足的条件下进行的）。
炽热的煤半焦粉与气化段提升管4侧壁喷入的水蒸汽发生水煤气反应。生成煤气（H2+CO）。水煤气反应是吸热反应。煤气（H2+CO）离开气化段提升管4进入煤灰沉降器8时，温度在1000℃左右。此后，煤气经旋风分离器81，去原料罐10底部的文丘里管，与煤粉混合，一起去干馏段提升管3进行煤干馏。
进入煤灰沉降器8的煤灰，去外取热器11。在外取热器11发生蒸汽的同时，煤灰被冷却。从外取热器11出来，来到煤灰冷却器9。煤灰在下落的过程中，与氮气相遇，煤灰被进一步冷却，冷却后的煤灰排入灰池，热氮气去煤干燥系统。
本发明的煤气化工艺先将430-450℃的煤半焦与氧气燃烧。煤半焦与氧气燃烧得目的是为水煤气反应提供充足的反应热。水煤气反应是吸热反应，且温度在800℃以上。由于煤半焦与氧气燃烧之前，温度已达到430-450℃，与直接用煤气化相比较，可节省超过20%的氧气。同时，亦可多产出与节省氧气摩尔数相同的氢气。煤半焦与氧气燃烧与水煤气反应是在不同的区域进行的，燃烧与水煤气反应进行的非常充分，煤气中残留氧气和碳几乎为零。煤气中水蒸气可控制在痕量水平。煤灰中的热量充分被回收，排灰温度小于100℃。
本发明煤气化产生的煤气与煤挥发份的混合物被急冷油冷却、冷凝；避免了用水直接冷却、冷凝，产生污水。煤挥发份经过冷凝，得到煤（焦）油。
采用本发明的工艺，产品收率高、单位产品能耗低、零污染。其它工艺，单炉最大年加工煤量为300000吨/年。该工艺装置最大年加工煤量为10000000吨/年。

Claims (2)

1.一种两段提升管煤干馏、气化装置，其特征在于：包含：原料罐、干馏段提升管、气化段提升管、煤半焦沉降器、初级旋风分离器、涡喷室、旋风分离器、外取热器、煤灰沉降器及煤灰冷却器，其中：
原料罐：煤粉在原料罐与高温煤气混合后，喷入到干馏段提升管；
干馏段提升管：煤粉发生分解，煤干馏的气体产物进入到煤半焦沉降器，干馏产物与煤气混合物进入初级旋风分离器；
初级旋风分离器：用于分离煤干馏产物与煤气的混合物，分离出的干馏固体产物煤半焦粉进入到煤半焦沉降器；
涡喷室：煤半焦粉与纯氧剧烈燃烧，产生的一氧化碳及氢气裹挟煤半焦粉，喷入气化段提升管；
气化段提升管：气化段提升管侧壁喷入的水蒸气与煤半焦粉发生反应，生产的煤气进入煤灰沉降器；
煤灰沉降器：产生的气体去往旋风分离器，产生的煤灰进入外取热器；
旋风分离器：分离煤灰沉降器来的煤气，分离出的气体去往原料罐；
外取热器：发生蒸汽，冷却从煤灰沉降器来的煤灰，冷却后的煤灰去往煤灰冷却器；
煤灰冷却器：煤灰被氮气冷却，冷却后的煤灰排入灰池。
2.根据权利要求1所述的两段提升管煤干馏、气化装置，其特征在于：所述的涡喷室的温度为1400-1800℃。
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