CN103687931A - 提质具有低油含量的低级煤的煤处理方法 - Google Patents

提质具有低油含量的低级煤的煤处理方法 Download PDF

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Abstract

一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法，该方法包括将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥煤。使干燥的煤经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，因此降低了煤中挥发物的含量并产生热解流出气体流。使热解流出气体经过分离处理，以将贫燃料气与液体和焦油分离，其中分离处理脱除了小于约20％的热解流出气体作为液体和焦油，剩余的是贫燃料气。将贫燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器。

Description

提质具有低油含量的低级煤的煤处理方法
发明人：Dennis W.Coolidge，Deane A.Horne，Ronn G.Smith
相关申请
无。
技术领域
本发明涉及一种处理煤(例如不粘结煤、不结焦煤)以形成提质型煤焦的方法。尤其是，本发明涉及一种处理可冷凝油含量低的低级煤的方法。
背景技术
煤提质的主要目的在于提高煤在后续燃烧过程中能够释放的热值或热能量。提高煤燃烧时释放的热能的一个方法是将煤进行干燥处理以降低其水分含量。人们普遍认为煤中的水分没有热值，尽管对环境无害，但会因为水分蒸发消耗一部分煤燃烧时释放的热能从而促进消耗。
另一个提高煤燃烧时释放的热能的已知方法是减少煤中挥发性物质的量，因此提高煤中固定碳的相应量。可将煤进行热解处理来降低煤中挥发性物质的量。煤在贫氧气氛下的热解能在加热过程中打断化学键，从而除去挥发性物质(例如，低沸点有机化合物和一些较重有机化合物)。在加热过程中打断煤中的化学键能提高单质碳的相对百分比，在煤燃烧时单质碳提供大部分热值。
热解步骤的副产品是挥发性气体流。有许多处理热解步骤中排放的挥发性物质的已知方法，将挥发性物质冷凝成液体以获得燃料和其他相关产物。然而，对于初始状态含少量油的原煤，很难生产大量的油和其他相关产物。因此，如果能开发出一种改进最初油含量低的低级煤的提质方法，那将是非常有利的。
发明内容
根据本发明，提供一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法。该方法包括将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥所述煤。干燥的煤经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，从而降低煤的挥发物含量并产生热解流出气体流。热解流出气体经过分离步骤，将从贫燃料气与液体和焦油分离，其中分离处理脱除小于约20％的热解流出气体作为液体和焦油，其他为贫燃料气。贫燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器。
根据本发明，还提供一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法。该方法包括将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥所述煤。干燥的煤经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，从而降低煤的挥发物含量并产生热解流出气体流。热解流出气体经过分离步骤，将贫燃料气与液体和焦油分离，其中进行分离处理的同时使热解流出气体的温度保持在热解流出气体的冷凝温度以上。燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器。
根据本发明，还提供一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法。该方法包括将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥所述煤。干燥的煤经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，从而降低煤的挥发物含量并产生热解流出气体流。热解流出气体经过分离步骤，将贫燃料气与液体和焦油分离，其中分离处理未实质冷却热解流出气体的条件下进行。燃料气返回干燥器燃烧器，热解器燃烧器或热解器。
当参考后面的附图阅读时，从下述优选实施方案的详细描述，本发明的各个优点对本领域技术人员而言是显而易见的。
附图说明
图1是煤提质工艺的示意图。
发明详述
本发明涉及处理低热或低级煤。在一个实施例中，低热煤具有约30％的水分，约20％的有机挥发物含量，以及约5％的灰分，其余是固定碳。成分的所有百分比均表示重量百分比。在此实施例中，低热煤的热含量低于或等于约8,000Btu／磅(18.6MJ／kg)，不过Btu含量可更高或更低。这种低热含量的煤不能胜任煤的许多潜在用途，需要处理低热煤以产生具有更高热含量的煤。此外，在煤必须经过长距离运输才能到达使用的最终目的地的情况下，在运输煤之前处理低级煤是有利的。
如图1所示，10表示处理低级煤的设备。12表示低热值原煤的供应。任选在尺寸调整装置(如煤破碎机(未示出))中处理低热煤，以将未经处理的原煤尺寸调整至用于本方法其他步骤的所需尺寸。可以使用破碎机和其他用于调整煤尺寸的设备(未示出)来确保碎煤的最大煤粒度不超过其他处理步骤的选定值。破碎和尺寸调整设备在本领域内是公知的。
煤被引入煤干燥器14，在此用热干燥器气体16加热煤以除去煤中的水分。煤干燥处理的流出物用18表示。煤加热器14是旋转干燥器，其中煤经螺旋路径从外缘到中心。干燥器14具有底部热气入口，该入口使得热干燥器气体进入与煤接触用于干燥。也可使用其他干燥器。煤在干燥器中的停留时间、热气流动路径，以及热干燥器气体的温度均可控制，从而对煤提供适当量和程度的加热。任何适合的干燥器设备均可用于煤加热步骤。未经处理的低级原煤中平衡湿度水平通常处于约15％至约35％的范围内，不过该量可更高或更低。因此，引入干燥器14的低级煤12的水分含量通常在此范围内。在干燥处理中，水分含量通常被降至约10％以下的水平，在一些实施方案中，降至约3％至约5％的范围内。
希望使干燥器热气16保持在足够低的温度以排除或防止煤中挥发性组分(例如一氧化碳和烃类)发生明显量的挥发。当挥发被阻止，干燥器流出物18就不需要大量的烧除处理，否则就需要烧除处理来防止排放不需要的气体。干燥器气体16的温度通常保持在约600°F以下的水平。在一个实施方案中，温度保持在约500°F以下。煤被干燥后，作为干燥煤流20离开干燥器14。
进一步如图1所示，干燥煤20被引入热解器22。热解器22是旋转热解器，其是控制物料和气体流入和流出的密闭容器。用24表示的用于热解的热气被引入热解器，并与干燥煤20接触。从热解器22放出或释放的气体是热解流出气体26。
热解器22可以是适用于使热解气体与煤发生反应的任何设备。例如，热解器可以是流化床设备。也可使用旋转热解器。热的热解气体24以一定温度引入，该温度使热解处理以温和热解处理方式进行。热的热解气体24是贫氧的，通常具有少于约0.5％的游离氧，通常具有检测不到的游离氧。热解气体的温度低于约1100°F，一般在约700°F至约900°F的范围内。在一个实施方案中，热解气体24的温度在约750°F至约850°F的范围内。在一个具体的实施方案中，热解器气体在约800°F的温度引入。
在该过程的温和热解步骤中，受控量的氢、氧和碳以H2、CH4、CO2、CO和H2O的形式从煤中汽提出来。其他化合物(例如在这些温度下挥发的煤焦液体)也从煤中脱除出来。严密控制热解器22中的温度、气体流速和停留时间这些热解条件，使得仅产生有限量的热解流出物气体26，产生的经处理的煤30含10％至20％挥发性物质，该挥发性物质用作锅炉燃料是理想的。本领域技术人员将会理解，热解流出气体具有如低热值燃料那样的热值。控制热解处理，使其实质上产生的热解气的量仅够供应后续加热步骤的能量需求。这些后续的加热步骤是加热煤干燥气体16、热解气体24和热解器燃烧器28。热解器22的温和热解产生了这样有限量的热解流出气体，而避免了产生大量的液体燃料产物。
热解器22中煤的提质产生了经提质的煤焦流，以30表示。煤焦在化学上被改变，因此它与原煤12的平衡水分水平相比，具有更低的平衡湿度水平。一般地，在干燥和热解处理中，平衡水分水平被减少到小于约10％的水平，在一个实施方案中，减少到约5％至约10％的范围内的水平。同样，离开热解器22的煤焦30被除去了很大部分的较轻挥发物。与引入的原煤12约8000Btu(18.6MJ／kg)的典型热值相比，煤焦30的热值被提质至Btu值大于约10000Btu／1b(23.2MJ／kg)。
离开热解步骤后，煤焦30经骤冷以快速降低煤焦温度并停止热解反应。骤冷步骤在骤冷台32中进行，该骤冷台可以是用于施用骤冷水或其他骤冷液体的流34的任何适合的设备。在一个实施方案中，骤冷台32是旋转设备。骤冷液可是由源(未示出)供应的任何适合的液体，一般为水。在骤冷台中产生蒸汽，离开的蒸汽用36表示。应该理解，任何适合的方法和设备均可用于骤冷经处理的煤。
经骤冷的煤焦38随后被送至另外的设备装置，进行冷却和稳定化，以减少煤焦自燃的趋势。在这些另外的步骤中处理的类型和数量取决于煤焦产品的最终用途。如表1所示，经骤冷的煤焦38任选可以进入旋转冷却器40或其他类似的设备以进一步冷却，并进入精制反应器42，其中煤焦38经过湿化和稳定化步骤，以确保得到的精制煤焦44已经就绪和稳定，适于船运和最终的燃烧过程。任选地，冷却和精制步骤可合并在单一设备中。与仅经过煤的热干燥获得的煤不同，由最初供应的原料煤12获得的煤焦产品44已被提质。与原料煤12的湿度性质相比，经提质的煤焦44的总湿度明显降低，平衡水分也更低。本领域技术人员将会理解，仅对煤热干燥不会降低煤的平衡水分。他们也会理解，干燥到平衡水分以下的值的煤会通过与大气接触而再水化至其平衡水分。此外，经提质的煤焦产品30具有明显提高的燃烧特性，一些不需要的组分(如硫)已减少。在一个具体的实施方案中，与未经处理的煤相比，得到的经处理的煤焦的硫含量降低了超过35％。硫含量的这一降低，连同热值的提高，使得二氧化硫排放减少了超过40％，从约0.9磅SO2／百万Btu(0.4g SO2／MJ)至约0.5磅SO2／百万Btu(0.2g SO2／MJ)。
再次参见离开煤干燥处理的流出物18，该流出物被引导至旋风分离器46以脱除煤细粉和其他颗粒物，然后流出物18被引导至任选的烟气处理系统48以除去另外的不需要的组分。从烟气处理系统48排出的气体排入大气。得到的颗粒物(主要为煤细粉)离开旋风分离器46，用50表示。煤细粉50可被转化为团聚产品，如下所述。
离开热解器22的热解流出气体26首先在一个气体旋风分离器52里净化以除去由热解流出气体26从热解处理携带出的煤细粉或粉尘。离开旋风分离器52的热解气体54然后被引导至分离罐56，其中重质焦油和煤浆从热解气体中分离出。仔细控制热解器22中的热解条件，但少量存在这些重质烃类是不可避免的。从分离罐流出的重质焦油和煤浆的流用58表示。分离罐56能将热解气体54分成两个物流：液体油和焦油58，以及气态贫燃料60。不要求冷却步骤，不过如果需要可以使用冷却步骤。离开分离罐56的气态贫燃料60的温度在550°F(288℃)至约650°F(343℃)的范围内，一般地为约600°F(316℃)。在其他实施方案中，温度能更高或更低。贫燃料60包含可燃烧组分(例如CH4和CO)，由于贫燃料60是在主要目的不是生产油类和焦类的工艺中制得的，与主要目的是制备油类和焦类的工艺获得的燃料相比，会更热(600°F(316℃)相对于约130°F(54℃)且可能更浓稠。
从分离罐56得到的贫燃料60可被供应至处理低热煤的设备10中至少三个不同的位置。一部分贫燃料60被引导至热解器燃烧器28燃烧，用于满足热解步骤的能量需求。一部分贫燃料60被引导至干燥器燃烧器64燃烧，以向工艺的干燥步骤供应能量。最后，控制部分的贫燃料被再循环并被引导与气流66共混成热的热解气体24，以控制热解反应的温度。
仔细控制干燥器燃烧器64，在非常接近化学计量条件的情况下，氧化贫燃料60中的大部分可燃化合物。因此燃烧是用氧稍微过量的混合物进行的。太多的氧会导致煤干燥器12中煤质量的下降。供入干燥器燃烧器64的空气或氧气可被预热，可在68处供应附加燃料以确保燃烧过程继续。氢、碳和硫是被氧化元素中的一些。
干燥器燃烧器64的操作温度为约1400°F(760℃)以上，通常为约1450°F(788℃)以上。因此，离开干燥器燃烧器64的燃烧气体70明显比煤干燥器14需要的热。为了控制煤干燥气体16的温度足够冷却到基本能阻止干燥器14中煤的挥发物挥发，通常不大于约500°F(260℃)，将燃烧气体与再循环自旋风分离器46的较冷气体的辅助流72混合，如图1所示。辅助流72的温度为约300°F(149℃)以下，通常为约200°F(93℃)。
贫燃料60的用途之一是将其供应至热解器燃烧器28与附加空气燃烧。有时也会需要附加燃料62，尤其在启动时。热解器燃烧器28中的温度必须为约1400°F(760℃)以上，通常为约1450°F(788℃)以上。离开热解器燃烧器28的得到的气体74对于直接引入热解器22而言过热。因此，一部分贫燃料60作为物流66被引导，与热解器燃烧气体74混合以产生所需的热解器气体24。由于热解器22中的过程是温和的过程，进入的热解器气体24的温度应该低于约1100°F(593℃)，通常在约700°F(371℃)至约900°F(482℃)的范围内。在一些实施方案中，进入的热解器气体可以高于1100°F。
干燥器旋风分离器46捕获的部分干燥的煤细粉流50和热解器气体旋风分离器52捕获的煤细粉流76与来自分离罐56的油类和煤焦58混合。该混合物在团聚器78中团聚成块或其他团聚形式，以80表示。团聚的颗粒或块80能以单独的高加热值产品出售，或加入经精制的煤焦流44中。在一个实施方案中，大约5wt％的原料煤最终以细粉形式在团聚器78中处理。也可使用不为油类和煤焦58的其他团聚物质，或者在油类和煤焦58外还使用其他团聚物质。
适用于上述工艺中的煤的重要参数包括煤的类型、进入的原煤的总水分、挥发性物质与固定碳的比值(燃料比)以及氢与碳的原子比。最适合的煤的类型是不粘结煤，其通常是亚烟煤或褐煤(lignite coal，brown coal)。适于使用的煤的一些重要参数包括水分含量大于约15％，燃料比小于约0.60，且氢碳原子比(H／C)小于约0.7。在一个实施方案中，进入的原煤的水分含量大于约20％，燃料比小于约0.55，且氢碳原子比(H／C)小于0.6。煤中的水分、挥发性物质和固定碳的百分比通过ASTM D3172“煤和焦近似分析”标准操作规程确定。煤的氢碳原子比(H／C)通过ASTM D3176“煤和焦元素分析”标准操作规程确定。
煤中的水分、挥发性物质和固定碳的百分比通过ASTM D3172“煤和焦近似分析”标准操作规程确定。在此方法中，水分含量被定义为原样材料的样品被加热至105℃一个小时的重量损失；挥发性物质被定义为干燥样品加热至950℃一个小时的重量损失。灰分就是样品在空气存在下燃烧后留下的物质。固定碳通过差额确定，因此水分加上挥发性物质加上灰分加上固定碳的百分比总和就是100％。煤的H／C原子比通过ASTM D3176煤和焦元素分析”标准操作规程确定。在此方法中，碳、氢、氮和硫的百分比通过燃烧分析确定。氧通过差额确定，因此水分的百分比加上灰分的百分比(来自近似分析)加上碳、氢、氮、硫和氧的百分比等于100%。
实施例I
研究了两种具有相对低燃料比(挥发性物质相对于固定碳的百分比低)的样品。通过ASTM近似分析和元素分析确定煤样品的特性，在表I中给出。然后，煤样品经过实验室规模的处理器确定油的产率。分析结果示于表II。油产率(AR)指按来样计，油产率(DB)指干基准。
表I-低液煤的煤特性
Figure BPA0000183089910000071
表II-油产率
实施例II
为了与表I中分析的煤样品进行比对，使用相同的标准对不符合上述所列标准但具有更高燃料比的其他煤样品进行分析。煤特性示于表III，液体分析的结果示于表IV。
表III-高液煤的煤特性
Figure BPA0000183089910000081
表IV-油产率
Figure BPA0000183089910000082
可以看出，与样品A和B所获得的油量相比，表III所列样品可获得的油含量更高。因此，从样品A煤和B煤中除去的油的值低。相应地，对于已知具有低油含量类型的煤，无需使用从该煤提取大量油的昂贵设备。
在一个实施方案中，从液体和焦油中分离贫燃料气的分离处理仅除去了一小部分热解流出气体，小于约20％的热解流出气体作为液体和焦油，剩余的是贫燃料气。在另一实施方案中，小于约10％的热解流出气体作为液体和焦油除去。在一个具体的实施方案中，小于约5％的热解流出气体作为液体和焦油除去，剩余的是贫燃料气。
在另一实施方案中，进行从液体和焦油中分离贫燃料气的分离处理，同时在使热解流出气体的温度保持在热解流出气体的冷凝温度以上。一般地，分离处理的操作温度在约600°F至约800°F(约315至约430℃)的范围内。在一个实施方案中，分离处理的操作温度在约600°F至约700°F(约315至约370℃)的范围内。在另一实施方案中，分离处理在未实质冷却热解流出气体的条件下进行。
本发明的原理和操作模式已在优选实施方案中加以描述。然而，应该注意本发明可以以不同于具体说明和描述的方式实现，而不背离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法，该方法包括：
操作干燥器燃烧器以产生用于干燥煤的气体；
将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥煤；
操作热解器燃烧器以产生用于热解的气体；
使干燥的煤在热解器中经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，由此降低煤中挥发物的含量并产生热解流出气体流；
使热解流出气体经过分离处理，以将贫燃料气与液体和焦油分离，其中分离处理脱除小于约20％的热解流出气体作为液体和焦油，剩余的是贫燃料气；和
将贫燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器中的一个或多个。
2.权利要求1的方法，其中分离处理脱除小于约10％的热解流出气体作为液体和焦油。
3.权利要求1的方法，其中未经处理的煤的燃料比小于约0.60。
4.权利要求1的方法，其中氢碳原子比(H／C)小于约0.65。
5.权利要求1的方法，其中未经处理的煤的挥发物含量小于约35％。
6.权利要求1的方法，其中以实现产出的煤焦的挥发性物质的量在约10％至约20％的范围内的方式进行热解处理。
7.权利要求1的方法，其中以在热解处理中，煤中至少25％的挥发物的至少20％被驱除的方式进行热解处理。
8.权利要求1的方法，其中处理未经处理的低热煤使热含量小于或等于约8,000Btu／磅(18.6MJ／kg)的低热煤的热值有效提高至热值为至少约11,000Btu／磅(25.6MJ／kg)的经处理的煤的产物流。
9.权利要求1的方法，其中与未经处理的煤相比，得到的经处理的煤焦的硫含量降低了超过35％。
10.一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法，该方法包括：
操作干燥器燃烧器以产生用于干燥煤的气体；
将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥煤；
操作热解器燃烧器以产生用于热解的气体；
使干燥的煤在热解器中经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，由此降低煤中挥发物的含量并产生热解流出气体流；
使热解流出气体经过分离处理，以将贫燃料气与液体和焦油分离，其中进行分离处理的同时使热解流出气体的温度保持在热解流出气体的冷凝温度以上；和
将贫燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器中的一个或多个。
11.权利要求10的方法，其中分离处理脱除小于约10％的热解流出气体作为液体和焦油。
12.权利要求10的方法，其中未经处理的煤的燃料比小于约0.60。
13.权利要求10的方法，其中氢碳原子比(H／C)小于约0.65。
14.权利要求10的方法，其中未经处理的煤的挥发物的含量小于约35％。
15.权利要求10的方法，其中以实现产出的煤焦的挥发性物质的量在约10％至约20％的范围内的方式进行热解处理。
16.权利要求10的方法，其中处理未经处理的低热煤使热含量小于或等于约8,000Btu／磅(18.6MJ／kg)的低热煤的热值有效提高至热值为至少约11,000Btu／磅(25.6MJ／kg)的经处理的煤的产物流。
17.一种处理含水分和有机挥发物的未经处理的低热煤的方法，该方法包括：
操作干燥器燃烧器以产生用于干燥煤的气体；
将未经处理的煤进料至干燥器，并干燥煤；
操作热解器燃烧器以产生用于热解的气体；
使干燥的煤在热解器中经过热解步骤，其中贫氧气体与煤接触，由此降低煤中挥发物的含量并产生热解流出气体流；
使热解流出气体经过分离处理，以将贫燃料气与液体和焦油分离，其中分离处理在未实质冷却热解流出气体的条件下进行；和
将贫燃料气返回干燥器燃烧器、热解器燃烧器或热解器中的一个或多个。
18.权利要求17的方法，其中未经处理的煤的燃料比小于约0.60，氢碳原子比(H／C)小于约0.65，未经处理的煤的挥发物含量小于约35％。
19.权利要求17的方法，其中以实现产出的煤焦的挥发性物质的量在约10％至约20％的范围内的方式进行热解处理。
20.权利要求17的方法，其中处理未经处理的低热煤使热含量小于或等于约8,000Btu／磅(18.6MJ／kg)的低热煤的热值有效提高至热值为至少约11,000Btu／磅(25.6MJ／kg)的经处理的煤的产物流。
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