CN104355310B - 一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法，主体部分包括煤热解单元、煤气化单元和热解半焦的碳化单元三个工艺单元，以及蒸汽发生器。所述煤气化单元产生的高温气化气依次作为热解半焦的碳化单元、蒸汽发生器和煤热解单元的热源载体，实现了高温气化气显热的梯级利用；所述热解半焦的碳化单元就地将煤热解单元产生的热态半焦转化为活性炭，利用了热态半焦的显热；蒸汽发生器为煤气化单元提供水蒸气作为一种气化剂或氧化剂。本发明实现了煤气、焦油和活性炭多联产的工艺技术路线，并且设计简单、能源利用率高、实用性强，便于工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于煤化工领域，具体涉及一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法。
背景技术
我国“富煤、贫油、少气”的能源状况决定了我国在今后相当长的时间内仍将以煤炭作为能源消费的主体。煤热解技术可实现煤炭资源清洁、高效地转化，能够同时生产煤气、焦油和半焦三种产品，是发展高附加值煤化工的有效途径之一。
然而，煤热解半焦还存在利用方面的问题，概括起来主要体现在以下几个方面：①半焦灰分含量高、硬度大，无论制成水煤浆还是干粉气化，都易堵塞气化炉，且有效合成气的气化成本较高，这限制了煤热解半焦用作气化原料的发展路径；②半焦已经将挥发分脱除，挥发分低会导致反应活性下降，单独燃烧不容易点燃；③半焦的市场需求有限：高炉喷吹、铁合金、电石行业以及合成氨等领域对半焦的需求量有限，现有的粉煤锅炉或循环流化床锅炉多按照烟煤设计，如果使用半焦还需要对现有设备、控制程序进行改造、调整，这无疑会增加成本，再加上目前半焦市场价格高于烟煤，因此电厂使用的半焦也十分有限。综上所述，煤热解半焦自身的性质使得其不利于气化和燃烧等利用路径，这一状况严重制约着煤热解工艺的快速发展。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法，该系统及方法适用于煤热解，且可直接将热解半焦就地转化为活性炭，实现了煤气、焦油和活性炭多联产的工艺技术路线，并且设计简单、能源利用率高、实用性强，便于工业化应用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤热解联合生产活性炭的系统，包括备煤与供气系统、活性炭生产系统和热烟气分离系统，活性炭生产系统包括煤热解单元、煤气化单元、热解半焦的碳化单元和蒸汽发生器，备煤与供气系统的氧气出口与煤气化单元的氧气入口相连，备煤与供气系统的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元和煤气化单元的煤颗粒入口相连；
煤热解单元的半焦出口和煤气化单元的气化气出口分别与热解半焦的碳化单元的半焦入口和气化气入口相连，热解半焦的碳化单元的气体出口与蒸汽发生器的气体入口相连，热解半焦的碳化单元上还设有活性炭出口和二氧化碳入口，蒸汽发生器的气体出口和水蒸气出口分别与煤热解单元气体入口和煤气化单元的水蒸气入口相连，蒸汽发生器上还设有进水口；
煤热解单元的热烟气出口与热烟气分离系统的入口相连，热烟气分离系统的粉焦出口与煤气化单元的粉焦入口相连。
进一步地，蒸汽发生器的进水口通有水，热解半焦的碳化单元的二氧化碳入口通有二氧化碳，所述二氧化碳为对热解半焦的碳化单元产生的活性炭冷却处理后的二氧化碳。
进一步地，备煤与供气系统包括备煤装置，备煤装置的原煤入口通有原煤，备煤装置的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元和煤气化单元的煤颗粒入口相连。
进一步地，备煤与供气系统还包括空分装置，空分装置的空气入口通有空气，空分装置的氧气出口与煤气化单元的氧气入口相连，空分装置的氮气出口与备煤装置的氮气入口相连。
进一步地，热烟气分离系统包括旋风分离器、冷却装置和电捕焦油器，煤热解单元的热烟气出口与旋风分离器的入口相连，旋风分离器的粉焦出口与煤气化单元的粉焦入口相连，旋风分离器的气体出口与冷却装置的入口相连，冷却装置上设有煤气出口，冷却装置的液体混合物出口与电捕焦油器的入口相连，电捕焦油器上设有焦油出口和水出口。
一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法，原煤经过备煤与供气系统得到两种煤颗粒，煤热解单元中通入的煤颗粒与经蒸汽发生器换热后的气体作用得到半焦，煤气化单元中通入的煤颗粒与蒸汽发生器产生的水蒸气及备煤与供气系统提供的氧气作用得到气化气，气化气作为热源载体依次通过热解半焦的碳化单元、蒸汽发生器和煤热解单元，煤热解单元产生的半焦直接以热态形式通入热解半焦的碳化单元与通入的气化气和二氧化碳进行碳化和活化反应得到活性炭，煤热解单元产生的热烟气通过热烟气分离系统得到煤气、焦油和水，热烟气分离系统产生的粉焦通入煤气化单元进行气化。
进一步地，原煤经过备煤与供气系统得到两种煤颗粒分别为颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒和颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒，颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒通入煤热解单元，颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒进一步破碎到颗粒尺寸＜0.1mm后通入煤气化单元。
进一步地，煤热解单元的反应条件为：常压，温度450～700℃。
进一步地，所述二氧化碳与活性炭充分换热后才进入热解半焦的碳化单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1.本发明采用煤气化产生的高温气化气依次作为热解半焦的碳化单元、蒸汽发生器和煤热解单元反应的热源载体，实现了高温气化气显热的梯级利用，提高了系统热能的利用率，同时，煤热解单元以煤气化单元产生的气化气作为热载体，可充分利用气化气的富氢气氛，从而提高煤焦油收率，实现煤焦油的轻质化，进而提高经济效益。
2.本发明将热态的热解半焦就地转化为活性炭，回避了常规操作中将热解半焦冷却后再加热气化或碳化的利用方式，有效地解决了热解半焦的利用问题，减少了能量损失，提高了系统的能源利用率。
3.本发明整合了煤热解、煤气化和热解半焦的碳化三个工艺单元，实现了煤气、焦油和活性炭多联产的工艺技术路线，可实现规模效益、降低成本。
4.本发明中煤气化单元以温室气体CO2为活化剂，满足环保和经济性的工业化要求；所述CO2活化剂在进入热解半焦的碳化单元之前，作为热态活性炭的冷却气体使用，可有效回收热态活性炭产品携带的热量，减少了系统热量损失。
5.本发明中煤气化单元可同时处理从煤热解烟气中分离出的粉焦，解决了煤热解粉焦的利用问题。
6.本发明将颗粒尺寸>5mm的煤颗粒用于煤热解单元，将≤5mm的煤颗粒进一步破碎后用于气化，实现了原料煤的全粒径使用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
其中，1.备煤装置，2.空分装置，3.煤热解单元，4.煤气化单元，5.蒸汽发生器，6.热解半焦的碳化单元，7.旋风分离器，8.冷却装置，9.电捕焦油器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，一种煤热解联合生产活性炭的系统，包括备煤与供气系统、活性炭生产系统和热烟气分离系统，活性炭生产系统包括煤热解单元3、煤气化单元4、热解半焦的碳化单元6和蒸汽发生器5，备煤与供气系统的氧气出口与煤气化单元4的氧气入口相连，备煤与供气系统的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元3和煤气化单元4的煤颗粒入口相连；备煤与供气系统包括备煤装置1和空分装置2，备煤装置1的原煤入口通有原煤，备煤装置1的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元3和煤气化单元4的煤颗粒入口相连，空分装置2的空气入口通有空气，空分装置2的氧气出口与煤气化单元4的氧气入口相连，空分装置2的氮气出口与备煤装置1的氮气入口相连。
煤热解单元3的半焦出口和煤气化单元4的气化气出口分别与热解半焦的碳化单元6的半焦入口和气化气入口相连，热解半焦的碳化单元6的气体出口与蒸汽发生器5的气体入口相连，热解半焦的碳化单元6上还设有活性炭出口和二氧化碳入口，蒸汽发生器5的气体出口和水蒸气出口分别与煤热解单元3气体入口和煤气化单元4的水蒸气入口相连，蒸汽发生器5上还设有进水口，蒸汽发生器5的进水口通有水，热解半焦的碳化单元6的二氧化碳入口通有二氧化碳，所述二氧化碳为对热解半焦的碳化单元6产生的活性炭冷却处理后的二氧化碳。
煤热解单元3的热烟气出口与热烟气分离系统的入口相连，热烟气分离系统的粉焦出口与煤气化单元4的粉焦入口相连，热烟气分离系统包括旋风分离器7、冷却装置8和电捕焦油器9，煤热解单元3的热烟气出口与旋风分离器7的入口相连，旋风分离器7的粉焦出口与煤气化单元4的粉焦入口相连，旋风分离器7的气体出口与冷却装置8的入口相连，冷却装置8上设有煤气出口，冷却装置8的液体混合物出口与电捕焦油器9的入口相连，电捕焦油器9上设有焦油出口和水出口。
一种煤热解联合生产活性炭的方法，原煤经过备煤与供气系统得到两种煤颗粒，分别为颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒和颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒，颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒通入煤热解单元3，颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒进一步破碎到颗粒尺寸＜0.1mm后通入煤气化单元4，煤热解单元3中通入的煤颗粒与经蒸汽发生器5换热后的气体在常压、450～700℃的温度下作用得到半焦，煤气化单元4中通入的煤颗粒与蒸汽发生器5产生的水蒸气及备煤与供气系统提供的氧气作用得到气化气，气化气作为热源载体依次通过热解半焦的碳化单元6、蒸汽发生器5和煤热解单元3，煤热解单元3产生的半焦直接以热态形式通入热解半焦的碳化单元6与通入的气化气和二氧化碳进行碳化和活化反应得到活性炭，二氧化碳与活性炭充分换热后才进入热解半焦的碳化单元6，煤热解单元3产生的热烟气通过热烟气分离系统得到煤气、焦油和水，热烟气分离系统产生的粉焦通入煤气化单元4进行气化。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
本发明一种煤热解联合生产活性炭的系统及方法，采用煤气化单元4产生的高温气化气依次作为热解半焦的碳化单元6、蒸汽发生器5和煤热解单元3反应的热源载体，就地将热态的热解半焦转化为活性炭；其特征主要体现在工艺装置的有机组合上，同时包括煤热解单元3、煤气化单元4和热解半焦的碳化单元6三个工艺单元，提供了一种煤气、焦油和活性炭多联产的工艺生产路线。
备煤装置1将原煤破碎、筛分成两部分，颗粒尺寸>5mm的煤颗粒用于热解，输送到煤热解单元3；而颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒进一步破碎，通常达到0.1mm以下后用于气化，输送到煤气化单元4，这样即实现了原料煤的全粒径使用。空分装置2将空气的各组分分离，为备煤装置1提供氮气保护气；并为煤气化单元4提供氧气，以作为煤气化的气化剂或氧化剂。
煤热解单元3以备煤装置1提供的颗粒尺寸>5mm的煤颗粒为原料，采用经蒸汽发生器5换热后的气体作为热载体，在常压、温度区间为450～700℃的条件下进行热解反应。煤热解单元3产生的热烟气经旋风分离器7分离成粉焦和气体；煤热解单元3产生的热解半焦直接以热态形式输送到热解半焦的碳化单元6进行碳化和活化反应，用于制备活性炭。
煤气化单元4采用空分装置2提供的氧气和蒸汽发生器5提供的水蒸气作为气化剂或氧化剂，将颗粒尺寸<5mm的煤颗粒进一步破碎达到0.1mm以下气化，产生1000℃以上的高温气化气。煤气化单元4产出的高温气化气直接作为热解半焦的碳化单元6的热源，经过热量交换及与新生或引进的气体混合后，变成温度为850℃左右的气体。煤气化单元4同时用于气化和处理旋风分离器7从煤热解单元3产生的热烟气中分离出的粉焦。
蒸汽发生器5以热解半焦的碳化单元6产生的气体为热源，将原料水转换为水蒸气，而热解半焦的碳化单元6产生的气体经换热、降温后转变为700℃左右的气体。蒸汽发生器5产生的水蒸气作为煤气化单元4的气化剂或氧化剂使用，而经蒸汽发生器5换热后700℃左右的气体作为煤热解单元3的热载体使用。
热解半焦的碳化单元6以煤热解单元3产生的热态半焦为原料，以CO2为活化剂，以煤气化单元4产生的高温气化气为热源载体，生产活性炭产品。CO2活化剂在进入热解半焦的碳化单元6之前，作为热态活性炭的冷却气体，即CO2活化剂经过与热态活性炭充分换热后进入热解半焦的碳化单元6。
旋风分离器7将煤热解单元3产生的热烟气分离成粉焦和气体，所分离出的粉焦作为煤气化单元4的部分原料使用，而分离出的气体经冷却装置8冷却后形成煤气和液体混合物。冷却装置8分离出的液体混合物经电捕焦油器9进一步分离成焦油和水。
本发明采用煤气化产生的高温气化气依次作为热解半焦的碳化单元6、蒸汽发生器5和煤热解单元3反应的热源载体，通过将热态的热解半焦就地转化为活性炭，整合了煤热解单元3、煤气化单元4和热解半焦的碳化单元6三个工艺单元，实现了煤气、焦油和活性炭多联产的工艺生产路线。本发明设计简单、能源利用率高、实用性强，便于工业化应用。
Claims (9)
1.一种煤热解联合生产活性炭的系统，其特征在于，包括备煤与供气系统、活性炭生产系统和热烟气分离系统，活性炭生产系统包括煤热解单元(3)、煤气化单元(4)、热解半焦的碳化单元(6)和蒸汽发生器(5)，备煤与供气系统的氧气出口与煤气化单元(4)的氧气入口相连，备煤与供气系统的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元(3)和煤气化单元(4)的煤颗粒入口相连；
煤热解单元(3)的半焦出口和煤气化单元(4)的气化气出口分别与热解半焦的碳化单元(6)的半焦入口和气化气入口相连，热解半焦的碳化单元(6)的气体出口与蒸汽发生器(5)的气体入口相连，热解半焦的碳化单元(6)上还设有活性炭出口和二氧化碳入口，蒸汽发生器(5)的气体出口和水蒸气出口分别与煤热解单元(3)气体入口和煤气化单元(4)的水蒸气入口相连，蒸汽发生器(5)上还设有进水口；
煤热解单元(3)的热烟气出口与热烟气分离系统的入口相连，热烟气分离系统的粉焦出口与煤气化单元(4)的粉焦入口相连。
2.如权利要求1所述的一种煤热解联合生产活性炭的系统，其特征在于，蒸汽发生器(5)的进水口通有水，热解半焦的碳化单元(6)的二氧化碳入口通有二氧化碳，所述二氧化碳为对热解半焦的碳化单元(6)产生的活性炭冷却处理后的二氧化碳。
3.如权利要求1所述的一种煤热解联合生产活性炭的系统，其特征在于，备煤与供气系统包括备煤装置(1)，备煤装置(1)的原煤入口通有原煤，备煤装置(1)的两个煤颗粒出口分别与煤热解单元(3)和煤气化单元(4)的煤颗粒入口相连。
4.如权利要求3所述的一种煤热解联合生产活性炭的系统，其特征在于，备煤与供气系统还包括空分装置(2)，空分装置(2)的空气入口通有空气，空分装置(2)的氧气出口与煤气化单元(4)的氧气入口相连，空分装置(2)的氮气出口与备煤装置(1)的氮气入口相连。
5.如权利要求1所述的一种煤热解联合生产活性炭的系统，其特征在于，热烟气分离系统包括旋风分离器(7)、冷却装置(8)和电捕焦油器(9)，煤热解单元(3)的热烟气出口与旋风分离器(7)的入口相连，旋风分离器(7)的粉焦出口与煤气化单元(4)的粉焦入口相连，旋风分离器(7)的气体出口与冷却装置(8)的入口相连，冷却装置(8)上设有煤气出口，冷却装置(8)的液体混合物出口与电捕焦油器(9)的入口相连，电捕焦油器(9)上设有焦油出口和水出口。
6.一种使用权利要求1所述系统进行煤热解生产活性炭的方法，其特征在于，原煤经过备煤与供气系统得到两种煤颗粒，煤热解单元(3)中通入的煤颗粒与经蒸汽发生器(5)换热后的气体作用得到半焦，煤气化单元(4)中通入的煤颗粒与蒸汽发生器(5)产生的水蒸气及备煤与供气系统提供的氧气作用得到气化气，气化气作为热源载体依次通过热解半焦的碳化单元(6)、蒸汽发生器(5)和煤热解单元(3)，煤热解单元(3)产生的半焦直接以热态形式通入热解半焦的碳化单元(6)与通入的气化气和二氧化碳进行碳化和活化反应得到活性炭，煤热解单元(3)产生的热烟气通过热烟气分离系统得到煤气、焦油和水，热烟气分离系统产生的粉焦通入煤气化单元(4)进行气化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，原煤经过备煤与供气系统得到两种煤颗粒分别为颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒和颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒，颗粒尺寸＞5mm的煤颗粒通入煤热解单元(3)，颗粒尺寸≤5mm的煤颗粒进一步破碎到颗粒尺寸＜0.1mm后通入煤气化单元(4)。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，煤热解单元(3)的反应条件为：常压，温度450～700℃。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳与活性炭充分换热后才进入热解半焦的碳化单元(6)。
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