CN104357092A - 煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺，提供了一种煤基多联产工艺技术，主体部分包括煤热解、煤气化和活性炭制备三个工艺单元，以及第一蒸汽发生器和第二蒸汽发生器。所述煤气化单元产生的高温气化气依次作为第一蒸汽发生器和煤热解单元的热载体，煤热解单元产生的半焦作为活性炭制备单元的碳源及主体热量来源的燃料。第一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)，第二蒸汽发生器产生的水蒸气作为活性炭制备单元的部分活化剂使用，活性炭制备单元产生的高温尾气作为第二蒸汽发生器的热量来源。解决了传统热解工艺无法有效利用热解半焦的问题，实现活性炭、煤气和焦油三种煤基产品的联产技术路线。

Description

煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺
技术领域
本发明属于煤化工领域，具体涉及一种煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺。
背景技术
“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。煤热解是煤炭资源的一种清洁、高效地利用方式，是发展高附加值煤化工的有效途径之一。
许多国家均在开发与研究各有特色的煤炭热解工艺技术，然而，煤热解半焦的利用一直是困扰和制约煤热解工艺快速的一大问题，主要体现在以下几个方面：(1)半焦挥发分低，造成半焦反应活性下降，单独燃烧时不容易点燃；(2)半焦灰分含量高、硬度大，导致用半焦制成水煤浆或者干粉作为气化原料时易堵塞气化炉，提高了有效合成气的气化成本；(3)目前半焦市场价格高于烟煤，而且高炉喷吹、铁合金、电石行业以及合成氨等领域对半焦的需求量有限，市场销路窄。可见，在煤热解工艺中，如果半焦不能得到有效利用，即便产出焦油和燃气也无法真正做到煤的清洁、高效和环保地利用。
发明内容
本发明提出一种煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺，有机结合了煤气化、煤热解和煤热解半焦制备活性炭的三个工艺单元，解决了传统热解工艺无法有效利用热解半焦的问题，进一步实现活性炭、煤气和焦油三种煤基产品的联产技术路线。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤气化、热解联合生产活性炭系统，包括备煤系统、空分装置、煤热解单元、煤气化单元、活性炭制备单元、第一蒸汽发生器、第二蒸汽发生器和活性炭冷却单元；
其中，备煤系统的第一出煤口与煤热解单元的原料入口连接，煤热解单元的半焦出口与活性炭制备单元的原料入口和燃料入口均连接，活性炭制备单元的产品出口与活性炭冷却单元的入口连接，第二蒸汽发生器的水蒸气出口和活性炭制备单元的水蒸气入口连接；
备煤系统的第二出煤口与煤气化单元的原料入口连接，煤气化单元的气化气出口与第一蒸汽发生器的气体入口连接，第一蒸汽发生器的气化气出口与煤热解单元的气体入口连接；第一蒸汽发生器的水蒸气出口和煤气化单元的水蒸气连接；
空分装置的氮气出口与备煤系统的气体入口连接，其氧气出口与煤气化单元的氧气入口连接。
进一步，所述的活性炭冷却单元的水蒸气出口与活性炭制备单元的水蒸气入口连接。
进一步，所述的活性炭制备单元的尾气出口与第二蒸汽发生器的气体入口连接。
进一步，煤气化、热解联合生产活性炭系统，还包括回收分离系统，所述的回收分离系统包括旋风分离器、冷却装置和电捕焦油器；旋风分离器的入口和煤热解单元烟气出口连接，其气体出口与冷却装置的入口连接；冷却装置的液体出口与电捕焦油器的入口连接。
进一步，旋风分离器的粉焦出口与活性炭制备单元的燃料入口连接。
一种煤气化、热解联合生产活性炭工艺，包括以下步骤：
1)备煤系统在保护气的作用下，将原料煤破碎成尺寸为50mm以下的煤颗粒；其中，颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒输送给煤热解单元；颗粒尺寸<6mm的煤颗粒进一步破碎到0.1mm以下，输送给煤气化单元；
2)煤气化单元采用水蒸气和氧气作为气化剂，将颗粒尺寸<6mm的煤颗粒破碎到0.1mm以下后用于气化，产生气化气；所述的气化气进入第一蒸汽发生器进行换热与降温，直接作为第一蒸汽发生器的热源，将水转换为水蒸气后供给煤气化单元；而经第一蒸汽发生器降温后的气化气再进入煤热解单元，为煤热解反应提供热源和富氢气氛；
3)煤热解单元以备煤系统提供的颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒为原料，采用煤气化单元产生的且经过第一蒸汽发生器换热与降温后的气化气作为热载体，进行煤热解反应，生成热态的半焦；
4)活性炭制备单元以煤热解单元产生的一部分热态的半焦为原料，以另一部分半焦为热源燃料，采用水蒸气为活化剂，生产热态活性炭；
5)活性炭制备单元产出的热态活性炭用水冷却，得到活性炭产品和水蒸气；形成的水蒸气和第二蒸汽发生器产生的水蒸气混合后作为活性炭制备单元的活化剂使用。
进一步，空分装置从空气中分离出氮气和氧气，氮气用作步骤1)中的保护气，氧气进入步骤2)中的煤气化单元。
进一步，所述的第二蒸汽发生器以活性炭制备单元排出的尾气作为热源，将水转变为水蒸气。
进一步，步骤2)中煤气化单元产生气化气温度为1000～1200℃；所述第一蒸汽发生器使得气化气的温度降低到700℃左右。
进一步，步骤3)中煤热解反应是在常压、400～700℃的条件下进行的。
煤气化、热解联合生产活性炭工艺，还包括以下步骤：
煤热解单元产生的热烟气输送到旋风分离器，旋风分离器将煤热解单元产生的热烟气分离成粉焦和气体，将粉焦返回活性炭制备单元作为制备活性炭热源的部分燃料使用；旋风分离器分离出的气体经冷却装置冷却后形成煤气和液体混合物；冷却装置分离出的液体混合物经电捕焦油器分离成焦油和水。
与现有技术相比，本发明所提供的煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺具有以下有益效果：
本发明提供的煤气化、热解联合生产活性炭系统，主要包括煤气化、煤热解和活性炭制备三个工艺单元，采用煤气化产生的高温气化气作为煤热解的热载体，将煤热解产生的半焦作为活性炭制备的碳源及主体热量来源的燃料，就地解决煤热解半焦的利用问题，从而形成了一种煤基多联产工艺技术。本发明提供的煤气化、热解联合生产活性炭工艺技术操作简便、实用性强，便于工业化应用。
工艺具体优点如下：
1)原料：对煤种及煤的颗粒尺寸无限制，本发明将原料煤破碎成尺寸为50mm以下的煤颗粒后，将颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒作为煤热解反应的原料使用，将颗粒尺寸<6mm的煤颗粒进一步破碎后用于煤气化，实现了原料煤的全粒径使用。
2)煤热解系统热量来源：本发明将煤热解产生的一部分半焦用作燃料为活性炭制备单元提供热量来源，另一部分半焦作为制备活性炭的碳源，解决了煤热解半焦的利用问题；同时获得了高附加值的活性炭产品，可显著增强经济效益。
3)制备活性炭原料：本发明直接以热态的煤热解半焦为原料，用作制备活性炭的碳源及主体热量来源的燃料，减少了能量损失，提高了系统的热能利用率。
4)本发明提供的工艺技术中，煤热解单元以煤气化单元产生的气化气作为热载体，有利于使煤热解反应充分利用煤气化气的富氢气氛，进而提高煤焦油的收率，实现煤焦油的轻质化。
5)本发明提供的工艺技术非常重视系统热量的回收与利用，实现了高温气化气显热的梯级利用，回收了热态活性炭和活性炭制备单元出口尾气所携带的热量，有利于提高系统的热能利用率，进而降低成本。
6)产品：本发明提供的工艺技术可同时生产煤气、焦油和活性炭三种产品，开发出了一种煤基多联产的工艺技术路线，有利于降低成本、实现规模效益。
7)本发明提供的工艺技术路线中，将煤热解烟气中分离出的粉焦燃烧，以用作制备活性炭的部分热量来源，解决了煤热解粉焦的利用问题。
附图说明
图1是本发明的煤气化、热解联合生产活性炭系统示意图；
其中：1-备煤系统；2-空分装置；3-煤热解单元；4-煤气化单元；5-活性炭制备单元；6-第一蒸汽发生器；7-旋风分离器；8-第二蒸汽发生器；9-冷却装置；10-电捕焦油器；11-活性炭冷却单元。
具体实施方式
结合图1，对本发明的煤气化、热解联合生产活性炭系统及工艺路线进行详细描述如下：
本发明提出的煤气化、热解联合生产活性炭工艺技术，主要包括煤气化4、煤热解3和活性炭制备5三个工艺单元，采用煤气化产生的高温气化气作为煤热解的热载体，将煤热解产生的半焦作为活性炭制备的碳源及主体热量来源的燃料，就地解决煤热解半焦的利用问题，从而提供了一种煤基多联产工艺技术。
煤气化、热解联合生产活性炭系统，包括备煤系统1、空分装置2、煤热解单元3、煤气化单元4、活性炭制备单元5、第一蒸汽发生器6、第二蒸汽发生器8和活性炭冷却单元11；
其中，空分装置2设有空气入口，其氮气出口与备煤系统1的气体入口连接，其氧气出口与煤气化单元4的氧气入口连接。备煤系统1设有原煤入口，其第一出煤口与煤热解单元3的原料入口连接，煤热解单元3的半焦出口与活性炭制备单元5的原料入口和燃料入口均连接，活性炭制备单元5的产品出口与活性炭冷却单元11的入口连接，第二蒸汽发生器8的水蒸气出口和活性炭制备单元5的水蒸气入口连接；活性炭冷却单元11的水蒸气出口与活性炭制备单元5的水蒸气入口连接，活性炭制备单元5的尾气出口与第二蒸汽发生器8的气体入口连接。第二蒸汽发生器8设有进水口和尾气排除口。
备煤系统1的第二出煤口与煤气化单元4的原料入口连接，煤气化单元4的气化气出口与第一蒸汽发生器6的气体入口连接，第一蒸汽发生器6的气化气出口与煤热解单元3的气体入口连接；第一蒸汽发生器6的水蒸气出口和煤气化单元4的水蒸气连接；第一蒸汽发生器6设有进水口提供水源。
回收分离系统包括旋风分离器7、冷却装置9和电捕焦油器10；旋风分离器7的入口和煤热解单元3烟气出口连接，其气体出口与冷却装置9的入口连接；冷却装置9的液体出口与电捕焦油器10的入口连接。旋风分离器7的焦粉出口与活性炭制备单元5的燃料入口连接。冷却装置9设有排气口排除制备的煤气；电捕焦油器10设有焦油排出口和排水口，分别用于排出焦油和污水。
煤气化、热解联合生产活性炭的工艺如下：
备煤系统1采用空分装置2从空气中分离出的氮气作为保护气，将原料煤破碎成尺寸为50mm以下的煤颗粒。其中，颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒输送给煤热解单元3，作为煤热解反应的原料；颗粒尺寸<6mm的煤颗粒进一步破碎到0.1mm以下，输送给煤气化单元4，用于煤气化。
煤热解单元3以备煤系统1提供的颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒为原料，采用煤气化单元4产生的气化气作为热载体，在常压、温度区间为400～700℃的条件下进行热解反应。该气化气进入煤热解单元3前经过第一蒸汽发生器6的换热与降温，用于满足煤热解反应的温度要求。煤热解单元3产生的热烟气输送到旋风分离器7，煤热解单元3产生的一部分热态的半焦与旋风分离器7从热烟气中分离出的粉焦均用于燃烧，以便于给活性炭制备单元5提供热量；另一部分热态半焦作为活性炭制备单元5的原料用于制备活性炭产品。
煤气化单元4采用水蒸气和空分装置2提供的氧气作为气化剂，产生1000℃以上的高温气化气。煤气化单元4使用的水蒸气由第一蒸汽发生器6提供。煤气化单元4产生的高温气化气直接作为第一蒸汽发生器6的热源，将水转换为水蒸气，从而使得高温气化气的温度降低到700℃左右，之后再用作煤热解单元3的热载体，为煤热解反应提供热源和富氢气氛。
活性炭制备单元5以煤热解单元3产生的一部分热态的半焦为原料，以另一部分半焦和旋风分离器7从热烟气中分离出的粉焦燃烧后所释放出的热量为热源，采用水蒸气为活化剂，生产活性炭产品。活性炭制备单元5产出的热态活性炭用水冷却，形成的水蒸气和第二蒸汽发生器8产生的水蒸气混合后作为活性炭制备单元5的活化剂使用。而第二蒸汽发生器8以活性炭制备单元5排出的高温尾气作为热源，将水转变为水蒸气。
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，将粉焦作为活性炭制备单元5热源的部分燃料使用，而旋风分离器7分离出的气体经冷却装置9冷却后形成煤气和液体混合物；冷却装置9分离出的液体混合物经电捕焦油器10进一步分离成焦油和水。

Claims (10)

1.一种煤气化、热解联合生产活性炭系统，其特征在于：包括备煤系统(1)、空分装置(2)、煤热解单元(3)、煤气化单元(4)、活性炭制备单元(5)、第一蒸汽发生器(6)、第二蒸汽发生器(8)和活性炭冷却单元(11)；
其中，备煤系统(1)的第一出煤口与煤热解单元(3)的原料入口连接，煤热解单元(3)的半焦出口与活性炭制备单元(5)的原料入口和燃料入口均连接，活性炭制备单元(5)的产品出口与活性炭冷却单元(11)的入口连接，第二蒸汽发生器(8)的水蒸气出口和活性炭制备单元(5)的水蒸气入口连接；
备煤系统(1)的第二出煤口与煤气化单元(4)的原料入口连接，煤气化单元(4)的气化气出口与第一蒸汽发生器(6)的气体入口连接，第一蒸汽发生器(6)的气化气出口与煤热解单元(3)的气体入口连接；第一蒸汽发生器(6)的水蒸气出口和煤气化单元(4)的水蒸气连接；
空分装置(2)的氮气出口与备煤系统(1)的气体入口连接，其氧气出口与煤气化单元(4)的氧气入口连接。
2.根据权利要求1所述的煤气化、热解联合生产活性炭系统，其特征在于：所述的活性炭冷却单元(11)的水蒸气出口与活性炭制备单元(5)的水蒸气入口连接。
3.根据权利要求1所述的煤气化、热解联合生产活性炭系统，其特征在于：所述的活性炭制备单元(5)的尾气出口与第二蒸汽发生器(8)的气体入口连接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的煤气化、热解联合生产活性炭系统，其特征在于：还包括回收分离系统，所述的回收分离系统包括旋风分离器(7)、冷却装置(9)和电捕焦油器(10)；旋风分离器(7)的入口和煤热解单元(3)烟气出口连接，其气体出口与冷却装置(9)的入口连接；冷却装置(9)的液体出口与电捕焦油器(10)的入口连接。
5.根据权利要求4所述的煤气化、热解联合生产活性炭系统，其特征在于：旋风分离器(7)的粉焦出口与活性炭制备单元(5)的燃料入口连接。
6.一种煤气化、热解联合生产活性炭工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)备煤系统(1)在保护气的作用下，将原料煤破碎成尺寸为50mm以下的煤颗粒；其中，颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒输送给煤热解单元(3)；颗粒尺寸<6mm的煤颗粒进一步破碎到0.1mm以下，输送给煤气化单元(4)；
2)煤气化单元(4)采用水蒸气和氧气作为气化剂，将颗粒尺寸<6mm的煤颗粒破碎到0.1mm以下后用于气化，产生气化气；所述的气化气进入第一蒸汽发生器(6)进行换热与降温，其直接作为第一蒸汽发生器(6)的热源，将水转换为水蒸气后供给煤气化单元(4)；而经第一蒸汽发生器(6)降温后的气化气再进入煤热解单元(3)，为煤热解反应提供热源和富氢气氛；
3)煤热解单元(3)以备煤系统(1)提供的颗粒尺寸为6～50mm的煤颗粒为原料，采用煤气化单元(4)产生的且经过第一蒸汽发生器(6)换热与降温后的气化气作为热载体，进行煤热解反应，生成热态的半焦；
4)活性炭制备单元(5)以煤热解单元(3)产生的一部分热态的半焦为原料，以另一部分半焦为热源燃料，采用第二蒸汽发生器(8)产生的水蒸气为活化剂，生产热态活性炭；
5)活性炭制备单元(5)产出的热态活性炭用水冷却，得到活性炭产品和水蒸气；形成的水蒸气和第二蒸汽发生器(8)产生的水蒸气混合后作为活性炭制备单元(5)的活化剂使用。
7.根据权利要求6所述的煤气化、热解联合生产活性炭工艺，其特征在于：空分装置(2)从空气中分离出氮气和氧气，氮气用作步骤1)中的保护气，氧气进入步骤2)中的煤气化单元(4)。
8.根据权利要求6所述的煤气化、热解联合生产活性炭工艺，其特征在于：所述的第二蒸汽发生器(8)以活性炭制备单元(5)排出的尾气作为热源，将水转变为水蒸气。
9.根据权利要求6所述的煤气化、热解联合生产活性炭工艺，其特征在于：步骤2)中煤气化单元(4)产生气化气温度为1000～1200℃；步骤3)中煤热解反应是在常压、温度为400～700℃的条件下进行的。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的煤气化、热解联合生产活性炭工艺，其特征在于：还包括以下步骤：
煤热解单元(3)产生的热烟气输送到旋风分离器(7)，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，将粉焦返回活性炭制备单元(5)作为制备活性炭热源的部分燃料使用；旋风分离器(7)分离出的气体经冷却装置(9)冷却后形成煤气和液体混合物；冷却装置(9)分离出的液体混合物经电捕焦油器(10)分离成焦油和水。
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