一种直接利用粉煤高温热解红焦的方法
技术领域
本发明涉及一种直接利用粉煤高温热解红焦的方法,特别是能够充分利用劣质低阶粉煤高温热解红焦直接生产蒸汽、发电和气化的工艺,可以以煤焦化为煤基多联产工艺的核心,通过整合国内过剩焦化产能,优化工业燃煤锅炉、电厂燃煤锅炉、煤气化用于发电、生产化工产品和冶炼还原,可以耦合成为煤化工多联产综合园区,属于能源综合利用技术领域。
技术背景
据统计,截止2009年底,在中国有锅炉59. 52万台,其中工业锅炉58.48万台;每年锅炉用煤约21.5亿t,其中电站锅炉用煤约15亿t,工业锅炉用煤约6.5亿t,几乎所有的燃煤锅炉都是直接燃烧劣质原煤。原煤燃烧发电由于煤中含有一定水分,水的比热容是4.2 kJ/(kg·K),在常压0.1MPa,100℃下,水的汽化潜热为2257.2kJ/kg,水蒸汽的比热容是2.1kJ/(kg·K),原煤的热值是20934kJ/kg,煤中每增加1%的水分,把1%的水从20℃加热到300℃消耗的热量会占原煤热值的0.14%,目前用于动力锅炉的原煤平均水分约为5-8%,在燃烧过程中因其不可逆热损失会损耗0.7%-1.12%的煤燃烧热能,即全国锅炉用煤量中约有0.15-0.24亿吨煤用于煤自身水分的加热消耗损失。
2013年我国焦炭总产量达4.76亿吨,产能约6.5亿多吨,独立焦化企业产能严重过剩,焦化陷入全行业亏损状态,在相当长一段时间内,焦化行业整体运行状况难以好转。据估算,国内焦化行业过剩产能资产规模近600亿元,如何使这部分固定资产能够充分利用和盘活保值,实现全行业扭亏为盈,是焦化行业发展的重要课题,而本发明的研究和开发为解决焦化过剩产能转型发展提供了新技术和新途径。
现有公开的国内外常规燃煤锅炉工艺和煤气化工艺,无论是固定床、移动床、还是流化床燃煤锅炉或气化炉,在常规燃烧过程中除了煤自身水分要消耗掉部分热量外,还存在煤自身升温热解也需要消耗一部分热量,因此在煤燃烧做功前要损失部分热量,形成不可逆热损失,降低资源利用效率。目前还没有带显热的粉煤高温热解红焦直接燃烧利用的报道。
公开号为CN103007371A的发明专利公开了 “一种利用红焦加热直接还原铁中还原气的方法”,该方法以干熄焦炉代替铁矿煤球团生产直接还原铁中还原气加热炉,以还原气代替干熄焦的循环氮气。
公开号为CN101334156A的发明专利公开了 “一种红焦余热锅炉”,该红焦余热锅炉所采用工艺是一种熄焦简单,产生高温高压蒸汽的一体式干熄焦锅炉。
上述公开的现有技术都是对现有焦化生产中红焦干熄焦技术进行的改进,所生产的焦炭产品也都是冶金焦,要求有一定的块度和强度,用于高炉炼铁,红焦的显热都是用间接换热的方式产生蒸汽用于发电,没有带显热的粉煤高温热解红焦直接用于燃烧和气化的报道。
浙江大学开发的循环流化床热电气及焦油多联产是利用流化床的方式来生产半焦、中低温煤气和中低温煤焦油,并把半焦用于循环流化床锅炉的直接燃烧产生蒸汽,其热解温度在500-650℃左右(中国电机工程学报,2010,30(29):9-15;广东电力,2011,24(9):1-7)。
随着煤炭工业现代化的发展,综采设备的大量使用,原煤中含粉煤率约80%。粒径小于10mm的粉煤随着原煤产量的增加所占的比例越来越大,煤矿的煤质变差、灰分增加,如何使粉煤尤其是高灰、高硫、高挥发分、高灰熔点等低阶粉煤得到有效利用,并使利用过程环境友好,是关系到能源与环境的重要课题。本发明有效解决了粉煤利用效率低下、环境污染及利用和盘活国内过剩焦化产能的问题,并在高温热解提质过程中大大地提高了劣质低阶粉煤的经济价值。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是如何在传统粉煤热、电、化多联产工艺的基础上,充分利用和盘活国内过剩焦化产能,进一步提高热、电、化多联产使用劣质低阶粉煤的效率,即直接将粉煤高温热解的红焦作为气化原料用于气化炉气化或作为锅炉燃料用于锅炉燃烧,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧,解决目前国内外煤在常规燃烧中存在的不可逆热损失的问题,实现一种粉煤特别是劣质低阶粉煤高温热解产物红焦直接燃烧利用的发电、气化工艺。
本发明所要解决的上述问题是通过以下技术方案实现的。
一种直接利用粉煤高温热解红焦的方法,其特征在于,所述方法是以粉煤高温热解产物红焦在600℃-900℃起始温度条件下直接作为动力燃料用于锅炉生产蒸汽、发电或作为气化原料用于气化炉气化生产合成气;所述方法包括以下步骤:(1)粉煤高温热解生产红焦;(2)红焦高温输送、破碎、筛分和预存;(3)红焦锅炉燃烧生产蒸汽、发电或者红焦气化炉气化生产合成气。
进一步地,附加技术方案如下。
粉煤高温热解生产红焦步骤是将红焦原料配煤经高密度捣固成型,采用捣固焦炉进行高温热解提质或者将配煤直接采用顶装焦炉进行高温热解提质,按照焦化的生产工艺回收煤料高温热解过程中的化工产品焦油、粗苯、硫铵,同时得到热解煤气。
粉煤采用捣固焦炉高温热解生产红焦步骤中用于流化床锅炉和流化床气化炉的红焦控制高温热解干馏温度为900℃-1100℃,热解干馏时间为14-22个小时;用于移动床锅炉和常压、加压固定床气化炉的红焦控制高温热解干馏温度为950℃-1150℃,热解干馏时间为16-24个小时;采用顶装焦炉高温热解生产红焦的具体步骤中控制高温热解干馏温度为950℃-1050℃,热解干馏时间为12-20个小时。
红焦高温输送、破碎、筛分和预存的工艺是将焦炉推出的红焦在950℃-1050℃温度下注入红焦罐中,并充入0.1MPa的热N2进行保温,红焦在热N2保温密闭系统35分钟内持续保温温度>900℃完成其循环输送过程,将系统内红焦料仓得到的红焦经高温破碎筛分至粒径为1-10mm或 7-60mm后送至系统内红焦预存室,用于流化床锅炉或流化床气化炉或者是用于移动床锅炉或固定床气化炉。
红焦锅炉燃烧生产蒸汽、发电工艺或红焦气化炉气化生产合成气工艺是将红焦预存室得到的粒径1-10mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至流化床锅炉燃烧室后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或者将粒径1-10mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至流化床气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
红焦锅炉燃烧生产蒸汽、发电工艺或红焦气化炉气化生产合成气工艺是将红焦预存室得到的粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至移动床锅炉燃烧室后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或者将粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至常压、加压固定床气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
实现上述本发明所提供的一种粉煤的高温热解红焦直接燃烧发电、气化工艺,与现有技术相比,本发明大大地拓宽了劣质低阶粉煤的应用范围,并将粉煤高温热解红焦所带的显热热能直接做功使燃烧热效率大大提高,红焦燃烧锅炉燃烧产生的蒸汽带动蒸汽轮机实现发电过程,同时产生工业用蒸汽;红焦气化炉因红焦直接燃烧气化,碳元素得到了最大利用,红焦挥发分低,产出的粗煤气中污染物少,需要的净化过程和污水处理比用原煤气化产生的粗煤气要简单得多,投资运行成本低。同时,红焦气化由于气化反应温度比原煤气化高,煤气产率增加,且煤气中有效成分(CO+H2)含量高,有利于后续的煤气净化和化工产品合成。本发明将粉煤高温热解装置转变成为热、电、化多联产工艺的备煤原料车间,避免了水熄焦的环境污染,同时又提质回收了粉煤中挥发分产生的化工产品,做到了梯级利用,极大地提高了煤的能源利用效率,节省了燃煤锅炉和煤炭气化炉的煤炭物流成本。
焦炭在100-1000℃的平均比热容为1.465kJ/(kg. K),1kg红焦从1000℃到100℃可以放出1318.5kJ的热量,相当于0.045kg标准煤的热值和0.063kg原煤的热值,再加上焦炭的热值是原煤的1.36倍。由于热、电、化多联产系统用㶲损失主要发生在发电和气化两个单元过程,损失量分别占输入㶲值的24.347%和10.370%,其原因是燃烧过程的不可逆㶲损失较大造成的,红焦的直接燃烧利用使化学能的梯级利用更加合理,也就是化学能梯级利用下的热量集成增大,进而达到燃烧㶲损失减少的过程。如将1000℃的红焦直接用于全国的燃煤锅炉作燃料,总计可节约目前用煤量的9%左右,达1.9亿多吨,减排二氧化碳5亿多吨,具有极强的经济效益和环保效益。
附图说明
图1 是本发明所提出的粉煤高温热解产物红焦直接燃烧发电、气化工艺流程示意图。
具体实施方式
实施本发明上述所提供的一种粉煤特别是劣质低阶粉煤的高温热解红焦直接燃烧发电、气化工艺,能够充分利用和盘活国内过剩焦化产能,实现广泛地利用粉煤高温热解产物红焦为龙头的热、电、化煤基多联产工艺,红焦可以作为无粘结清洁燃料直接燃烧做功,提高了燃料热效率。也可以作气化原料带热直接燃烧进入气化过程,提高了气化产率,增加了有效气体的成分,降低了系统能量损耗,节约了水资源。以年产能100万吨高温热解生产装置为基准,按照本发明所述工艺方法如下:
1、针对采用捣固焦炉生产红焦用于循环流化床红焦燃烧锅炉和流化床红焦气化炉,本发明具体实施方式为:
首先、选择经济可行的劣质低阶粉煤,干燥无灰基挥发分Vdaf>30%,粘结指数G≤35。
其次、将劣质低阶粉煤粉碎为粒度1-8mm,调节水分含量为12-14%,然后采用高密度捣固方法进行捣固成型,配煤堆密度≥1.17t/m3,成型煤饼的高度为4.0m。
第三、将高密度捣固成型的煤饼装入4.3m高炭化室炼焦炉进行高温热解干馏,高温热解干馏的温度为900℃-1100℃,热解干馏时间为16个小时,获得M25>40%的高温热解红焦产品,反应性>65%,反应后强度<20%。
第四、将炼焦炉推出的红焦在950℃-1050℃温度下注入红焦罐中,并充入0.1MPa的热N2进行保温,红焦输送在热N2保温密闭系统35分钟内持续保温温度为>900℃完成其循环输送过程。红焦输送工艺流程主要由红焦N2保温罐、电机车、红焦罐台车、水平输送轨道、提升机、红焦高温破碎筛分装置料仓,红焦预存室,红焦排焦闸和自动控制部分组成。红焦在红焦料仓经高温破碎筛分装置破碎至1-10mm后送至红焦预存室。
第五、将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒度1-10mm的红焦经充热N2保温密闭输送至循环流化床红焦燃烧锅炉燃烧室后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径1-10mm的红焦经热N2保温密闭装入装置设备输送至流化床红焦气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
2、针对采用捣固焦炉生产红焦用于移动床红焦燃烧锅炉和常压、加压固定床红焦气化炉,本发明具体实施方式为:
首先、选择经济可行的劣质低阶粉煤,干燥无灰基挥发分为Vdaf>30%,粘结指数G≤45。
其次、将劣质低阶粉煤粉碎为粒度0.4-5mm,调节水分含量为13-15%,然后采用高密度捣固方法进行捣固成型,配煤堆密度≥1.17t/m3,煤饼高度为4.0m。
第三、将高密度捣固成型的煤饼装入4.3m高炭化室炼焦炉进行高温热解干馏,热解干馏温度为900℃-1100℃,高温热解干馏时间为20个小时,获得M25>80%的高温热解红焦产品,反应性>55%,反应后强度<25%。
第四、将炼焦炉推出的红焦在950℃-1050℃温度下注入红焦罐中,并充入0.1MPa的热N2进行保温,红焦在热N2保温密闭系统35分钟内持续保温温度为>900℃完成其循环输送过程。红焦输送工艺流程主要由红焦N2保温罐、电机车、红焦罐台车、水平输送轨道、提升机、红焦高温破碎筛分装置料仓,红焦预存室,红焦排焦闸和自动控制部分组成。红焦在红焦料仓经高温破碎筛分装置破碎至7-60mm后送至红焦预存室。
第五、将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭输送至移动床红焦燃烧锅炉燃烧室,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至常压、加压固定床红焦气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
3、针对采用顶装焦炉高温热解生产红焦用于移动床、流化床红焦燃烧锅炉和红焦气化炉,本发明具体实施方式为:
首先、选择干燥无灰基挥发分Vdaf>30%、粘结指数G≤55的劣质低阶粉煤。
其次、将劣质低阶粉煤粉碎为粒度1-8mm,调节水分含量为6-8%,采用4.3m顶装焦炉高温热解生产红焦,高温热解干馏温度为950℃-1050℃,热解干馏时间为15个小时,获得M25>75%的高温热解红焦产品,反应性>50%,反应后强度<30%。
第三、将炼焦炉推出的红焦在950℃-1050℃温度下注入红焦罐中,并充入0.1MPa的热N2进行保温,红焦在热N2保温密闭系统35分钟内持续保温温度为>900℃完成其循环输送过程。红焦输送工艺流程主要由红焦N2保温罐、电机车、红焦罐台车、水平输送轨道、提升机、红焦高温破碎筛分装置料仓,红焦预存室,红焦排焦闸和自动控制部分组成。红焦在红焦料仓经高温破碎筛分装置破碎至1-10mm或7-60mm后送至红焦预存室。
第四、将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒度1-10mm的红焦经充热N2保温密闭输送至循环流化床红焦燃烧锅炉燃烧室后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径1-10mm的红焦经热N2保温密闭装入装置设备输送至流化床红焦气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
第五、将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭输送至移动床红焦燃烧锅炉燃烧室,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电或将红焦预存室温度为600℃-900℃、粒径7-60mm的红焦经热N2保温密闭设备输送至常压、加压固定床红焦气化炉炉内后,红焦在600℃-900℃的起始温度条件下开始燃烧与水蒸气和氧气或空气发生气化反应生产合成气。
在上述的实施技术方案中,所采用的粉煤是长焰煤、不粘煤、气煤、弱粘煤、中粘煤、次烟煤、洗中煤和褐煤等劣质低阶粉煤中的一种或者多种的任意混合配煤。
上述本发明所实施的一种粉煤高温热解红焦直接燃烧发电、气化工艺,能充分利用和盘活国内现有过剩焦化产能,实现了广泛地利用粉煤特别是低阶劣质粉煤高温热解红焦为龙头的热、电、化煤基多联产工艺,红焦可以作为无粘结清洁燃料直接燃烧做功,提高了燃料热效率;也可以作气化原料带热直接进入气化过程,提高了煤气产率,增加了有效气体的成分,降低了系统能量损耗,节约了水资源。
实施例1
下面以年产能100万吨焦化生产装置为基准,按照本发明上述所提供的技术方案,具体实施这一工艺的红焦-电力-气化多联产的方法如下:
(1)确定以红焦产能建立年工作日按300天计算,年发电量14.4亿kW·h,年产气化煤气12.51亿m3为主要目标产品及副产品焦油、粗苯等。
(2)按照捣固焦炉红焦配煤指标,见表1和表2,完成燃料红焦和气化红焦的配煤加工。
(3)把燃料红焦配煤和气化红焦配煤按其高密度捣固堆密度的要求(≥1.17t/m3)捣固成型,高度4.0m,通过4.3m高炭化室炼焦炉生产加工,按照焦化的生产工艺回收煤炭高温热解过程中的焦油、粗苯、硫铵,同时产出达到环保要求的洁净的热解煤气。控制燃料红焦的高温热解干馏时间为16个小时,气化红焦的高温热解干馏时间为20个小时。
(4)高温热解提质完成后,燃料红焦和气化红焦的质量指标分别见表3和表4,将炼焦炉中推出的红焦在950℃-1050℃温度下注入热N2保温焦罐,焦罐由焦罐台车经水平运输至焦罐立式输送井架底部,提升机挂着焦罐垂直运送至井架顶部红焦料仓,焦罐与红焦料仓装入装置在连为一体的同时由电动缸将仓盖自动打开,将红焦送入红焦料仓后,提升机将空置的焦罐接送返回输送系统,此循环输送过程30分钟内完成,红焦在红焦料仓经高温破碎筛分装置加工工序处理后,将满足红焦燃烧锅炉、红焦气化炉工况要求品质的红焦送入热N2保温密封红焦预存室。
(5)将红焦预存室1-10mm、850℃的燃料红焦作为无粘结清洁燃料经接受红焦设备直接送入红焦循环流化床燃烧锅炉进行燃烧发电;将红焦预存室7-25mm占15%、25-60mm占80%的750℃气化红焦作为无粘结清洁气化原料直接送入红焦加压固定床熔渣气化炉进行气化生产合成气。整个工艺产品及消耗见表5。
(6)劣质粉煤高温热解红焦燃烧气化与劣质粉煤燃烧气化利用价值经济性比较如下:
A、劣质粉煤高温热解红焦燃料与同煤质劣质粉煤按当前吨产品原料价格(不含税)成本比较如下:
a.生产1吨劣质粉煤高温热解红焦燃料需1.45吨原料煤,其中配煤(4600大卡)价格为290元/吨,红焦原料成本价为290元/吨×1.45=420.5元/吨,生产成本为65元/吨,副产回收价值(高温热解煤气300m3为120元;焦油48kg为130元;粗苯12kg为80元)计330元/吨,实际燃料红焦折算成本价格为420.5元/吨-330元/吨+65元/吨 =155.5元/吨,吨红焦发电量为2300度,每度电红焦成本价格为0.067元/度;
b.劣质粉煤(4600大卡)价格为270元/吨,吨劣质粉煤发电量为1980度,每度电劣质粉煤成本价格为0.136元/度;
c、和红焦发电相比,每度电原料成本差价为0.069元/度,100万吨/年焦化可生产红焦燃料61.5万吨,每年红焦燃料发14.4亿度电,利用劣质粉煤高温热解红焦比劣质粉煤每年可节约燃料成本0.9936亿元。
B、劣质粉煤高温热解气化红焦与同煤质气化原料块煤按目前吨产品原料价格不含税成本比较如下:
a.生产一吨劣质粉煤高温热解气化红焦需1.4吨原料煤,其中配煤(5100大卡)价格为365元/吨,气化原料红焦成本价为365元/吨×1.4=511元/吨,生产成本为75元/吨,副产回收价值(高温热解煤气230m3为92元;焦油41kg为110元;粗苯10kg为65元)计267元/吨,实际气化原料红焦折算成本价格为511元/吨-267元/吨+75元/吨 =319元/吨,气化红焦吨煤气产量为2580m3/吨,每立方米煤气成本价格为0.124元/m3;
b.烟煤块煤煤气化原料(5700大卡)价格为430元/吨,吨煤气产量为1850m3/吨,每立方米煤气气化原料块煤成本价格为0.232元/吨;
c、劣质粉煤高温热解气化红焦与同煤质气化原料块煤所产每立方米煤气成本差价为0.108元/m3。100万吨/年焦化产能每年生产气化红焦59万吨,煤气产量为12.51亿m3,利用劣质粉煤高温热解气化红焦可比用气化原料块煤气化每年节约气化原料成本1.3543亿元。
(7)粉煤高温热解红焦直接燃烧发电、气化对低阶粉煤的不同成分进行分质利用,可以做到物尽其用,提高了能源利用率,本发明实施例用流程模拟软件Aspen Plus从元素利用的角度建立了红焦直接燃烧发电、气化为主要目标的多联产系统,并进行了验证,热能利用率大大高于同质粉煤常规发电的热能利用率。符合当前国家焦化行业转型发展、结构调整主动适应经济发展新常态的政策要求,能够充分利用和盘活国内过剩焦化产能,延伸产业链条,加快由焦向化的转变,具有极好的经济效益和环境效益,极具推广价值。