CN103980949B - 一种无排放高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置 - Google Patents

一种无排放高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置，以CO2、纯氧气和过热蒸汽为气化剂在煤气化热解炉内与高挥发份原料煤生成的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气与低温热解段生成的轻油组分、高温热解段生成的重油组分混合组成粗煤气；粗煤气相继进入旋风除尘器被离心除尘；再进入焦油回收器脱除重油组分和轻油组分；继而进入间冷器进行循环冷却水间接冷却、洗涤分离出酚水，最终进入电捕轻油器再一次脱除微量轻油组分，最终得到高品质的合成气。本发明的合成气中CO和H2含量可达到80％以上，经过变换、净化等工艺可制取油、LNG等化工产品，分离出的重油组分、轻油组分、酚水均可被回收利用，是一种煤分段热解分质利用无排放新能源技术。

Description

一种无排放高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置
技术领域
本发明属于煤热裂解技术领域，具体涉及一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置。
背景技术
目前，现有纯氧连续气化工艺一般是以二级冶金焦、二氧化碳、纯氧为气化原料，在高温下，炽热的碳与二氧化碳发生氧化还原反应来制取粗煤气(CO：68～70％、CO2：28～29％，H2+N2：1～1.2％)，再经净化、变换制备合格的合成气合成相关下游产品。但是，此工艺使用的原料要求相当高(挥发份1％左右，固定碳82.5％左右，国家二级焦标准)，成本也高(二级焦市场价1800-2000元/吨，而低阶煤内地500-700元/吨)，重要的是现有制取煤气工艺过程中无法得到重油组分、轻油组分，使其不能被回收利用，从而使原料不能得到充分的利用。
现阶段我国低阶煤/劣质煤等原料煤的利用率仍比较低，现有技术仅解决了可利用的问题。而且，目前低阶煤/劣质煤的利用主要还是燃烧，只对其燃烧产生的热量进行利用，伴随燃烧过程产生的大量CO2均没有回收，而是排放到大气中，造成了环境污染，这也正是造成目前环境污染的主要因素。也就是说，在目前现有的气化工艺中，任何一种煤气化技术在气化过程中都会伴随有CO2生成，最终都会有部分废气CO2排入大气，污染环境。
由于只对低阶煤/劣质煤的燃烧热能进行利用，所以低阶煤/劣质煤的轻油组分和重油组分也只能是以燃烧的方式转化为CO2，排入大气，这是对能源的严重浪费。随着环境问题的突出，CO2减排工作尤为重要，CO2减排及利用是我国环境技术的重要发展方向之一。低阶煤/劣质煤的合理利用，对解决能源问题和环境问题是致关重要的，对解决全球变暖等重大问题也都具有现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法及装置，得到CO和H2含量达到80％以上的高品质天燃气和合成气，并回收高挥发份原料煤中的重油组分、轻油组分、酚水，实现重油组分、轻油组分、酚水与粗煤气的分离，以达到热解分质利用低阶煤、劣质煤等高挥发份煤的目的。
本发明的设计思路是：以高挥发份的低阶煤、劣质煤等为原料煤，以CO2、纯氧和过热蒸汽为气化剂，具体是利用CO2、纯氧与过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉的新型纯氧连续气化工艺来热解、气化高挥发份原料煤，得到粗煤气，再经除尘、分离等实现原料煤的分级利用，不仅扩宽了原料来源，而且本发明采用CO2为气化剂，突破了纯氧气化工艺成本高的弊端，还可从粗煤气中分离并回收重油组分、轻油组分、酚水，使得高挥发份原料煤得到了更充分的利用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
(1)将高挥发份原料煤加入煤气化热解炉，在炉内分层分段进行热解、气化；煤气化热解炉包括低温热解段、高温热解段、气化段；高挥发份原料煤在低温热解段内被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；
将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组份与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气移出煤气化热解炉；
(2)步骤(1)得到的粗煤气被离心除尘，除尘后粗煤气的温度≤550℃；
(3)经步骤(2)除尘的粗煤气利用循环水喷淋洗涤的方法脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分+轻油组分脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分随循环水一起进入焦油槽回收利用；
(4)步骤(3)得到的脱除重油组分、轻油组分的粗煤气被循环冷却水间接冷却至≤40℃；同时，利用洗涤泵闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水进入酚水槽回收利用；
(5)将步骤(4)经冷却、脱除酚水得到的煤气经过电捕轻油器脱油、除尘，脱除其中微量轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，得到高品质的合成气，分离出的轻油组分进入轻焦油槽回收利用。
另外，步骤(1)中原料用量为：高挥发份原料煤730～850kg/kNm3(CO+H2)(每生成1000Nm3(CO+H2)有效气体需要730～850kg高挥发份原料煤，下同)，过热蒸汽250～285kg/kNm3(CO+H2)，纯氧气330～360Nm3/kNm3(CO+H2)，CO2135～145Nm3/kNm3(CO+H2)。
又，步骤(1)中煤气化热解炉炉内压力为10～20KPa，炉内分层分段进行热解、气化，低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃。
再，步骤(1)中所述高挥发份原料煤的发热量≥5500Kcal/kg，挥发份≥25％。
优选地，步骤(1)中所述高挥发份原料煤为低阶煤或劣质煤。
一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用装置，包括：
煤气化热解炉，其设有位于底部的气化剂进口和与炉内低温热解段连通的排放口，其中，气化剂进口通过管道连接CO2、纯氧和过热蒸汽混合物的气源；
旋风除尘器，其进气口通过管道连接煤气化热解炉的排放口；
焦油回收器，其设有煤气入口、净化气出口及位于底部的焦油出口，焦油回收器的煤气入口通过管道与旋风除尘器的出气口连接；
间冷器，其下部设有酚水出口；所述间冷器的入口通过管道与焦油回收器的净化气出口连接，所述间冷器的塔釜通过管道与一洗涤泵连接成循环回路；
电捕轻油器，其设有煤气入口、煤气出口及位于底部的轻焦油出口，电捕轻油器的煤气入口与间冷器的出口连接，电捕轻油器的煤气出口连接输送管道。
优选地，所述煤气化热解炉为分层分段式煤气化热解炉。
进一步，所述焦油回收器为喷淋式洗涤塔，用低温循环水对粗煤气进行喷淋洗涤，首要作用是降低粗煤气温度，保证99％以上的轻油组分液化；其次利用喷淋洗涤的方式将出旋风除尘器的气固态物质进行分离，以脱除粗煤气中的轻油组分、重油组分及少量的固体粉尘。
本发明的工作过程如下：从原料预处理工序来的块状高挥发份原料煤经皮带传送机从煤气化热解炉上部入料仓，定时通过液压程控阀控制将原料煤加入煤气化热解炉，在低温热解段原料煤被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段；将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成焦炭和重油组分，重油组份与气化煤气一并进入低温热解段；最终重油组分、轻油组分和气化煤气一并移出煤气化热解炉。
煤气化热解炉生成的粗煤气从煤气化热解炉的排放口排出后，进入旋风除尘器进行除尘，主要分离出热解气化炉的排出粗煤气中的煤粉等固体颗粒物；被除尘后的粗煤气通过焦油回收器的煤气入口进入焦油回收器利用循环水喷淋洗涤的方法进行脱油、除尘，然后从焦油回收器的净化气出口排出并进入间冷器，焦油回收器分离出的重油组分和轻油组分由位于底部的焦油出口进入焦油槽回收利用；粗煤气进入间冷器后被循环冷却水间接冷却至≤40℃，同时，通过闭路循环洗涤将其中的酚水分离出，并经电捕轻油器回收微量轻油组分，进而得到本发明的高品质的合成气。
本发明制备出的高品质的合成气成份为：CO≥35％，H2≥45％，CO2≤18％，CO和H2含量可达到80％以上，经过变换、净化等工艺进一步合气制取油、LNG等化工产品。
本发明首次以CO2为气化剂，与纯氧一并进入煤气化热解炉，在气化段发生还原反应，生成有效气体CO，反应方程式：CO2+C＝2CO-165KJ，在极大地减少CO2排放的同时，实现了资源综合利用，变废为宝，保护了环境。
本发明合理利用气化显热，实现了煤气化热解炉内的分层分段热解分质，在分质过程中最大限度地保护了轻油组分和重油组分的分子结构，使轻油组分和重油组分的分质利用最大化，从而达到高挥发份煤的综合利用、高附加值的目的。从粗煤气中分离得到的重油组分和轻油组分经简单加氢提质便可满足市场需求。本发明经过闭路循环洗涤从粗煤气中分离出的酚水，进入酚水槽即可再回收利用。可见，本发明无废物废气排放，避免了污染环境，减少了单独建尾气处理装置增加投资等不利因素，是一种环境友好型煤炭综合利用、气化多联产工艺。
本发明所述无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用装置中煤气化热解炉和后续除尘装置、焦油回收器等设计紧凑，均可采用市售设备，材料易购，即可实现粗煤气中提取重油组分、轻油组分、分离出酚水、气固分离等功能，实现低阶煤、劣质煤等高挥发份原料煤的分质利用，实现高附加价值，达到节能高效、综合利用有效能源的目的。
本发明的有益效果：
1.本发明以CO2、纯氧与蒸汽混合物为气化剂，采用纯氧连续气化技术，蒸汽分解率高，生成物数量大于其他的常压固定床气化工艺，形成合理的显热载体数量，满足了合理分散热量、合理建立各个反应层区的作用，使煤气化热解炉内各属区热量分布处于中下部温度高、两端温度低的合理布局，这极有利于强化气化生产粗煤气，也形成了蒸汽在高温条件下分解和二氧化碳快速还原的气化条件，同时提高了煤气化热解炉生产的热效率；
2.相对于传统的焦炭气化生产线，本发明在低压条件(10～20KPa)下纯氧气化高挥发份性的低阶煤或劣质煤是一个创新，反应过程中能耗低、具有流程短，无环境污染，原料利用率高，高产出，品质好，综合利用率高等优点，这在煤炭的综合利用上是一种先进工艺；
3.本发明采用99.6％纯氧，大大提高了原料煤气化率，使煤气化热解炉排放的灰渣残碳量≤2％，大幅度的降低了原料消耗，提高了原料转化利用率；
4.有效的降低了潜热损失和显热损失，提高煤气化热解炉热量转化利用率，冷煤气效率达80～82％，保护环境；
5.本发明拓宽了煤炭气化技术的原料路线，采用高挥发份的低阶煤或劣质煤为气化原料煤，对原料煤没有特殊质量要求；
6.本发明实现了对高挥发份的低阶煤/劣质煤的一次加工综合利用，实现了煤油分离综合利用，且在生产过程中无废气排放、洗涤酚水的洗涤水采用闭路循环，实现了三废的零排放，是一种环境友好型新工艺，属于清洁煤气化技术，完全符合国家低碳环保产业政策和循环经济战略发展思路。
7.本发明将CO2做为气化剂进行气化，并转化为CO有效气体，具有显著的环境效益和经济效益，属于碳减排技术。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的内容并不限于此。下列实施例中未标明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
参见图1，本发明的无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用装置，包括：
煤气化热解炉1，其设有位于底部的气化剂进口11和与炉内热解段连通的排放口12，其中，气化剂进口11通过管道连接CO2、纯氧和过热蒸汽混合物的气源；
旋风除尘器2；所述旋风除尘器2的进气口21通过管道连接煤气化热解炉1的排放口12；
焦油回收器3，其设有煤气入口31、净化气出口32及位于底部的焦油出口33，焦油回收器的煤气入口31与旋风除尘器2的出气口22连接；
间冷器4，其下部设有酚水出口41；所述间冷器4的入口通过管道与焦油回收器3的净化气出口32连接；所述间冷器4的塔釜通过管道及阀门与一洗涤泵5连接成一循环回路；
电捕轻油器6，所述电捕轻油器6设有煤气入口61、煤气出口62及位于底部的轻焦油出口63，电捕轻油器6的煤气入口61与间冷器4的出口连接，电捕轻油器6的煤气出口62连接输送管道。
本实施例中，所述煤气化热解炉1为分层分段式煤气化热解炉。
所述焦油回收器为喷淋式洗涤塔。
本实施例所用的设备条件如下：
1、煤气化热解炉1为分层分段式煤气化热解炉：
设备参数：
直径：Φ2740mm
设备总高度：12750mm
低温热解段高度：2000mm
低温热解段隔热方式：可塑浇筑料
高温热解段高度：2500mm
高温热解段隔热方式：中压水冷壁
气化段高度：4000mm
气化段隔热方式：中压水冷壁
低温与高温热解段设备连接方式：焊接式
结构形式：直筒式
支承方式：上部支承
排渣方式：固体连续排渣
工艺参数：
工作压力：20KPa
气化温度：1050-1300℃
原料煤处理量：3080Kg/h
蒸汽温度：250℃
蒸汽用量：1140Kg/h
CO2温度：100℃
CO2用量：580m3/h
2、旋风除尘器2：
设备参数：
直径：Φ1600mm
高度：9430mm
分离筒直径：Φ1000mm
分离筒高度：1200mm
设备进口直径：Φ1000mm
设备出口直径：Φ800mm
工艺参数：
进口粗煤气温度：550℃
出口粗煤气煤粉浓度：80mg/Nm3
3、焦油回收器3为喷淋式洗涤塔：
设备参数：
直径：Φ3600mm
高度：12500mm
喷头分布层数：6层
喷头形式：马蹄形
喷头布置方式：错综式
除雾方式：旋片式
工艺参数：
处理气量：8000Nm3/h
煤气出口温度：50℃
进水温度：32℃
回水温度：40℃
塔体阻力降：5KPa
4、间冷器4：
设备参数：
直径：Φ2800mm
高度：12000mm
喷头分布层数：3层
喷头形式：马蹄形
喷头布置方式：错综式
换热管直径：Φ25mm
工艺参数：
处理气量：6000Nm3/h
煤气出口温度：30℃
进水温度：15℃
回水温度：25℃
塔体阻力降：2KPa
5、电捕轻油器6：
设备参数：
直径：Φ2800mm
高度：13000mm
极板长度：6000mm
工艺参数：
处理气量：6000Nm3/h
煤气出口温度：30℃
反冲洗时间间隔：24h
塔体阻力降：40Pa
电压：380V
本发明的无排放的煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
本实施例所用煤气化热解炉具体为一台同时具有低温热解、高温热解和煤气化功能的分层分段式煤气化热解炉。煤气化热解炉从上而下包括低温热解段、高温热解段和气化段。低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃。
(1)从原料预处理工序来的3080Kg/h低阶煤经皮带传送机从煤气化热解炉1上部入料仓，定时通过液压程控阀控制加煤入炉气化，煤气化热解炉炉内压力为20KPa。
低阶煤典型煤质：含碳量：70％～85％，挥发份：25％～32％，热值约5500～8000Kcal/kg。
低阶煤在低温热解段被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；来自空分工序的1440Nm3/h99.6％纯氧、后工段来的580Nm3/hCO2和1140Kg/h锅炉过热蒸汽混合后从煤气发生1底部的气化剂进口11连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的高温热解段所生成的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组份与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气从煤气化热解炉1的排放口12排出。
(2)粗煤气进行煤气净化处理：从煤气化热解炉1排出的粗煤气由所述旋风除尘器2的进气口21进入旋风除尘器2进行离心除尘，除尘后的煤气经22出口送出。
(3)经除尘的粗煤气再进入焦油回收器3的煤气入口31进入焦油回收器3利用循环水喷淋洗涤的方法进行脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分+轻油组分脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分从焦油回收器3底部的焦油出口33排入焦油槽301回收利用，脱除重油组分、轻油组分的粗煤气从焦油回收器3的净化气出口32进入间冷器4。
(4)进入间冷器4的粗煤气被循环冷却水间接冷却至40℃以下；同时，利用洗涤泵5闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水从间冷器的酚水出口41流出，进入酚水槽401回收利用。
(5)本实施例中，打开控制阀100，关闭控制阀200，将经间接冷却和脱除酚水后的煤气从间冷器4排出由电捕轻油器6的煤气入口61进入电捕轻油器6，再一次脱除微量的轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，得到本发明的高品质的合成气，从煤气出口62经管道输送至用户使用。分离出的轻油组分从轻焦油出口63排入轻焦油槽601回收利用。
本实施例所得的高品质合成气成份为：CO：35％，H2：45％，CO2：18％，单炉产气5000Nm3/h。
本发明得到的高品质合成气经过变换、净化等工艺进一步合气制取油、LNG等化工产品。
步骤(3)、(5)中从粗煤气中分离得到的重焦油、轻焦油经简单加氢提质便可满足市场需求。步骤(3)得到的粗煤气进入间冷器，在洗涤泵的作用下，经过闭路循环洗涤从粗煤气中分离出的酚水，进入酚水槽即可再回收利用，具体可采用现有的酚水蒸发系统，单台煤气化热解炉配置一套酚水蒸发系统，采用酚水蒸发换热器蒸发酚水生成酚水蒸汽，在实现换热功能的情况下，可蒸发煤气化热解炉产生的酚水，既利用下段煤气的余热，又避免污染环境。

Claims (4)

1.一种无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
1)将高挥发份原料煤加入煤气化热解炉，在炉内分层分段进行热解、气化；煤气化热解炉包括低温热解段、高温热解段、气化段；高挥发份原料煤在低温热解段内被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；
将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组分与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气移出煤气化热解炉；
其中，煤气化热解炉炉内压力为10～20KPa，低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃；
2)步骤1)得到的粗煤气被离心除尘，除尘后粗煤气的温度≤550℃；
3)经步骤2)除尘的粗煤气利用循环水喷淋洗涤的方法脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分+轻油组分脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分随循环水一起进入焦油槽回收利用；
4)步骤3)得到的脱除重油组分、轻油组分的粗煤气被循环冷却水间接冷却至≤40℃；同时，利用洗涤泵闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水进入酚水槽回收利用；
5)将步骤4)经冷却、脱除酚水得到的煤气经过电捕轻油器脱油、除尘，脱除其中微量轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，得到高品质的合成气，分离出的轻油组分进入轻焦油槽回收利用。
2.根据权利要求1所述的无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法，其特征在于，步骤1)中原料用量为：高挥发份原料煤730～850kg/kNm3(CO+H2)，过热蒸汽250～285kg/kNm3(CO+H2)，纯氧气330～360Nm3/kNm3(CO+H2)，CO2135～145Nm3/kNm3(CO+H2)。
3.根据权利要求1所述的无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法，其特征在于，步骤1)中所述高挥发份原料煤的发热量≥5000Kcal/kg，挥发份≥25％。
4.根据权利要求1或2或3所述的无排放的高挥发份原料煤分段热解分质利用方法，其特征在于，步骤1)中所述高挥发份原料煤为低阶煤或劣质煤。
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