CN105295976A - 煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统、该系统用于发电的应用以及利用该系统处理煤的方法。该煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统包括：煤热解反应器，煤粉锅炉和热解气处理装置，其中，所述煤热解反应器包括半焦出口和热解气出口，所述煤热解反应器通过所述半焦出口连接至所述煤粉锅炉的半焦入口，所述煤热解反应器通过所述热解气出口连接至所述热解气处理装置的热解气入口，其中，所述煤热解反应器是蓄热式下行床反应器，并且所述煤热解反应器内部设置有多层蓄热式辐射管。与现有的循环流化床发电机组相比，本发明系统中的煤热解反应器和煤粉锅炉能够相对独立地运行，互相干扰相对较小。当该系统用于发电时，能够确保发电系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统的应用，以及利用该煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法。
背景技术
煤热解后产生的半焦可以作为燃料用于发电。在现有技术中，煤热解拔头工艺主要是针对循环流化床发电机组。例如，利用循环流化床锅炉产生的热灰作为热载体，并利用热解反应器对煤进行热解，并将产生的油气回收，其中，热解反应器产生的半焦被送往循环流化床锅炉进行燃烧，由此产生蒸汽，用于发电。现有的煤热解发电系统大多采用的是循环流化床锅炉，这样的系统由于采取较复杂的固体热载体工艺，存在诸多缺陷。例如，现有的循环流化床发电机组要求循环流化床锅炉与煤热解反应器同时正常运转，如果一方系统发生改变，都会导致整个工艺无法稳定运行，这不符合我国对发电稳定的要求。此外，我国目前的发电系统中煤粉锅炉的使用占比很高。然而，煤粉锅炉燃烧对煤挥发分和粒径的要求较高，导致目前的煤热解拔头工艺产生的半焦并不能满足煤粉锅炉的燃烧要求，因此，目前还未见报道将煤热解拔头工艺与煤粉炉联用。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，该系统用于发电的应用以及利用该系统处理煤的方法。在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，煤热解反应器和煤粉锅炉能够相对独立地运行，与现有的煤热解拔头工艺-循环流化床发电机组联用的系统相比，本发明中的煤热解反应器和煤粉锅炉系统互相干扰相对较小。当本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统用于发电时，能够确保发电系统的稳定性。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，该系统包括：煤热解反应器，煤粉锅炉和热解气处理装置，其中，所述煤热解反应器包括半焦出口和热解气出口，所述煤热解反应器通过所述半焦出口连接至所述煤粉锅炉的半焦入口，所述煤热解反应器通过所述热解气出口连接至所述热解气处理装置的热解气入口，其中，所述煤热解反应器是蓄热式下行床反应器，并且所述煤热解反应器内部设置有多层蓄热式辐射管。
本发明人针对现有发电系统中常用的煤粉锅炉设计了一种新型的煤拔头工艺，从而获得了本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统。在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，蓄热式下行床反应器(即，煤热解反应器，在本文中，“煤热解反应器”与“蓄热式下行床反应器”可互换使用)与煤粉锅炉直接联用，无需对现有的煤粉锅炉进行改造，其中，由煤热解反应器产生的热半焦被送入煤粉锅炉进行燃烧产生高温烟气，所产生的高温烟气可用于发电。
在本发明的一个实施方案中，所述煤热解反应器包括具有原料入口、半焦出口和热解气出口。在一个实施方案中，原料入口设置在煤热解反应器的上部。在一个实施方案中，半焦出口设置在煤热解反应器的下部。在一个实施方案中，热解气出口设置在煤热解反应器的侧壁上。
在本发明的一个实施方案中，所述煤粉锅炉具有烟气出口、煤粉入口和半焦入口，其中，所述煤粉锅炉的半焦入口与煤热解反应器的半焦出口相连。
在本发明的一个实施方案中，所述热解气处理装置包括热解气入口和可燃气出口。所述热解气入口与所述煤热解反应器的热解气出口相连。
在本发明的一个实施方案中，所述热解气处理装置包括高温净化单元、焦油催化裂化单元和余热回收单元，其中所述煤热解反应器的热解气出口与所述高温净化单元连接，所述高温净化单元与所述焦油催化裂化单元连接，所述焦油催化裂化单元与所述余热回收单元连接。
在本发明的一个实施方案中，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管，且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管平行并且沿所述煤热解反应器的本体高度方向上错开分布。
在本发明的一个实施方案中，所述余热回收单元设置有第一可燃气出口，所述第一可燃气出口连接至所述煤热解反应器。
在本发明的一个实施方案中，所述煤热解反应器的所述半焦出口与所述煤粉锅炉的所述半焦入口之间设置有一次风机。
根据本发明的另一方面，本发明提供了前述煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统用于发电的应用。
根据本发明的又一方面，本发明提供了一种利用前述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法，该方法包括以下步骤：
利用煤热解反应器对碳基原料进行热解处理，得到半焦和热解气；
将所述半焦送往煤粉锅炉，使所述半焦与所述煤粉锅炉中的煤粉进行混合燃烧，得到烟气；以及
将所述热解气送往热解气处理装置从而对所述热解气进行处理，得到可燃气。
在本发明的一个实施方案中，供入煤热解反应器中的碳基原料的粒径不大于100微米。
在本发明的一个实施方案中，所述热解气处理装置包括高温净化单元、焦油催化裂化单元和余热回收单元，其中，使所述热解气依次经过所述高温净化单元、所述焦油催化裂化单元和所述余热回收单元，由此得到可燃气。
在本发明的一个实施方案中，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管平行并且沿反应器本体高度方向错开分布。
在本发明的一个实施方案中，该方法进一步包括：通过一次风机将所述半焦送至所述煤粉锅炉。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点通过结合下面的附图和对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统的结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统的结构示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统的结构示意图；
图4显示了根据本发明一个实施例的利用煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法的流程示意图；
图5显示了根据本发明一个实施例的利用煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统。
本发明人惊奇地发现，本发明的煤热解反应器能够与现有的煤粉锅炉直接联用，而无需对现有的煤粉锅炉进行改造，煤热解反应器中产生的热半焦被送入煤粉锅炉进行燃烧产生高温烟气，其中该系统产生的高温烟气可用于发电。特别是，在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，与现有的煤热解拔头工艺-循环流化床发电机组联用的系统相比，煤热解反应器和煤粉锅炉能够相对独立地运行，二者互相干扰相对较小。当本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统用于发电时，能够确保发电系统的稳定性。
此外，本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统还具有其他优点。例如，在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，煤热解反应器产生的热半焦被送入煤粉锅炉，使得半焦与煤粉混合燃烧，能够确保煤粉锅炉的燃烧稳定性，提高了能量利用率，提高了经济效益。
此外，在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，煤热解反应器是蓄热式下行床反应器，其使用多层蓄热式辐射管为热解过程提供热源，由此能够通过调整通入蓄热式辐射管的燃气的流量来实现对热解过程的精确控温。
此外，蓄热式辐射管可以通过在两端实现快速换向和蓄热式燃烧，从而能够保证温度场的均匀性，显著提高物料的快速热解效率，提高焦油的产率。
另外，与传统的使用气体热载体或固体热载体作为热解热源的热解反应装置相比，本发明的煤热解反应器不需要设置预热单元和载体分离单元，从而能够极大地简化快速热解反应工艺流程，显著降低装置的故障率，所得焦油中含尘率较低。
图1示出了本发明一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统。如图1所示，该系统包括：煤热解反应器100、煤粉锅炉200和热解气处理装置300。其中，煤热解反应器100包括半焦出口和热解气出口，该煤热解反应器100通过半焦出口连接至煤粉锅炉200的半焦入口，煤热解反应器100通过热解气出口连接至热解气处理装置300的热解气入口。在本发明的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统中，煤热解反应器100是蓄热式下行床反应器，并且煤热解反应器100内部设置有多层蓄热式辐射管。
根据本发明的一个实施例，热解气处理装置300设置有第一可燃气出口，所述第一可燃气出口连接至煤热解反应器100，由此，将可燃气的一部分输送至煤热解反应器100，为热解处理提供燃料，从而降低了煤热解反应器对外部能源的依赖，进一步降低生产成本，并且实现能源的综合合理利用。
图2示出了本发明另一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统。如图2所示，热解气处理装置300包括高温净化单元310、焦油催化裂化单元320和余热回收单元330，其中，煤热解反应器100的热解气出口与高温净化单元310的热解气入口连接，高温净化单元310与焦油催化裂化单元320连接，焦油催化裂化单元320与余热回收单元330连接。
其中，高温净化单元310用于对所述热解气进行净化处理，以便得到净化后的热解气，从而去除热解气中的灰尘，避免灰尘堵塞装置，同时降低产物可燃气中灰尘的含量，从而提高可燃气的品质。
焦油催化裂化单元320用于对所述热解气进行催化裂化处理，使焦油进行二次裂解，使得裂解产生的可燃气中甲烷含量显著提高；同时焦油被转化为经济价值更高的可燃气，所得可燃气的温度达到400-700℃。
余热回收单元330用于使可燃气与余热回收单元330内的给水进行换热，使得余热回收单元330内的给水被加热，变为水蒸汽，同时使可燃气降温。产生的水蒸汽也可供给到发电系统以补充发电系统中的水蒸汽。由此，余热回收单元330可以充分回收可燃气的热量，实现能源的综合、合理的利用，节约能源，降低生产成本。
根据本发明的一些实施例，由煤粉锅炉产生的烟气与煤粉锅炉内部的换热系统进行换热，产生水蒸汽，由此，利用产生的水蒸气进行发电。
根据本发明的一个实施例，余热回收单元330设置有第一可燃气出口，所述第一可燃气出口连接至煤热解反应器100，用于将降温后的可燃气的一部分输送至煤热解反应器100，为热解处理提供燃料，从降低了煤热解反应器对外部能源的依赖，进一步降低生产成本，并且实现能源的综合合理利用。
图3示出了本发明的一个实施例的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统。如图3所示，煤热解反应器100的半焦出口与煤粉锅炉200的半焦入口之间设置有一次风机，通过一次风将所述半焦送至所述煤粉锅炉。
根据本发明的另一方面，本发明提供了前述煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统用于发电的应用。由此，发电机利用煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统产生的烟气作为热源进行发电，实现能源的综合利用。
根据本发明的又一方面，本发明提供了一种利用前述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法。该方法包括以下步骤：
利用煤热解反应器对碳基原料进行热解处理，得到半焦和热解气；
将所述半焦送往煤粉锅炉，使所述半焦与所述煤粉锅炉中的煤粉进行混合燃烧，得到烟气；以及
将所述热解气送往热解气处理装置从而对所述热解气进行处理，得到可燃气；
任选的，通过设置在所述热解气处理装置上的第一可燃气出口，将所述可燃气送往所述煤热解反应器。
图4示出了本发明一个实施方案的处理煤的方法的工艺流程图。下文将结合图4，对本发明的处理煤的方法进行详细描述。
S100热解处理
根据本发明的一个实施例，利用煤热解反应器对碳基原料进行热解处理，得到半焦和热解气。由此，热解速度快，热解效果好。
根据本发明的一个实施例，热解气中含有焦油。
根据本发明的一个优选实施例，碳基原料的粒径不大于100微米。由此，经热解处理产生的半焦的粒径符合煤粉锅炉的要求，可以直接输送至煤粉锅炉进行燃烧处理。
根据本发明的一个实施例，碳基原料为煤。由此，热解效率高，半焦和热解气产率高。
S200混合燃烧
根据本发明的一个实施例，将半焦送往煤粉锅炉，使半焦与煤粉锅炉中的煤粉进行混合燃烧，得到烟气。将半焦与煤粉进行混合燃烧，有助于提高半焦的燃烧性能，同时，还有效地保障煤粉锅炉燃烧的稳定性，能量利用率高。
根据本发明的一个实施例，半焦与煤粉的混合比例不受特别的限制，只要能保证半焦在煤粉锅炉内稳定地燃烧即可。根据本发明的一个实施例，供入煤粉锅炉的半焦与煤粉的质量比在1-3:1范围内，优选为1-2：1，更优选0.3-0.5:1，由此，半焦的燃烧性好，煤粉锅炉燃烧的稳定性高，能量利用率进一步提高，生产成本低。
根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括：通过一次风机将所述半焦送至所述煤粉锅炉。
S300制备可燃气
根据本发明的一个实施例，将所述热解气送往热解气处理装置从而对所述热解气进行处理，得到可燃气。
图5示出了本发明一个实施方案的处理煤的方法的工艺流程图。如图5所示，热解气处理装置包括高温净化单元、焦油催化裂化单元和余热回收单元。
其中，高温净化单元用于对所述热解气进行净化处理，以便得到净化后的热解气，从而去除热解气中的灰尘，避免灰尘堵塞装置，同时降低产物可燃气中灰尘的含量，从而提高可燃气的品质。
焦油催化裂化单元用于对所述热解气进行催化裂化处理，使焦油进行二次裂解，使得裂解产生的可燃气中甲烷含量显著提高，由此充分利用焦油的热量；同时焦油被转化为经济价值更高的可燃气，所得可燃气的温度达到400-700℃。
余热回收单元用于使可燃气与余热回收单元内的给水进行换热，使得余热回收单元内的给水被加热，变为水蒸汽，同时使可燃气降温。产生的水蒸汽也可供给到发电系统以补充发电系统中的水蒸汽。由此，余热回收单元可以充分回收可燃气的热量，实现能源的综合、合理的利用，节约能源，降低生产成本。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为是对本发明的限制。
实施例
以煤为原料，利用煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统进行发电，煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统的结构如图3所示，发电流程如图5所示，利用该煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统进行发电的方法如下：
(1)将100吨煤进行粉碎处理，至粒径100微米以下，得到煤粉。
(2)将煤粉送入热解炉进行热解，该热解炉内设置了多层加热辐射管，热解得到半焦和热解气，产生的热解半焦达60吨，温度为505℃。
(3)通过一次风机经一次风将热解半焦直接送入煤粉炉，将60吨热解半焦与60吨原料煤进行混合燃烧，产生大量高温烟气。
(4)将高温烟气与煤粉锅炉中的换热系统进行换热，产生水蒸汽，由此利用产生的蒸汽进行发电。
(5)将在步骤(2)中获得的热解气经高温净化单元和焦油催化裂解单元处理，得到可燃气，可燃气中CH4含量高达42.5％。
(6)在步骤(5)获得的可燃气经余热回收单元换热处理后，一部分可燃气通过第一可燃气出口被输送至煤热解反应器作为辐射管的燃料，另一部分可燃气被收集储存，进行再利用。
比较例
本比较例与实施例相同，不同之处仅在于煤粉锅炉的燃料全部为原料煤(120吨)。
与比较例相比，实施例中整个系统能量利用效率提高了0.89％，把天然气的收益折算到发电成本中，发电成本降低了约5.7％。
| 项目 | 发电成本(元/kwh) | 能量效率(％) |
| 实施例 | 0.281 | 42.53％ |
| 比较例 | 0.298 | 42.16％ |
| 数据比较 | 节约0.017(5.7％) | 提高效率0.89％ |
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，包括：煤热解反应器，煤粉锅炉和热解气处理装置，其中，所述煤热解反应器包括半焦出口和热解气出口，所述煤热解反应器通过所述半焦出口连接至所述煤粉锅炉的半焦入口，所述煤热解反应器通过所述热解气出口连接至所述热解气处理装置的热解气入口，其中，所述煤热解反应器是蓄热式下行床反应器，并且所述煤热解反应器内部设置有多层蓄热式辐射管。
2.根据权利要求1所述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，其特征在于，所述热解气处理装置包括高温净化单元、焦油催化裂化单元和余热回收单元，其中所述煤热解反应器的热解气出口与所述高温净化单元连接，所述高温净化单元与所述焦油催化裂化单元连接，所述焦油催化裂化单元与所述余热回收单元连接。
3.根据权利要求1或2所述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，其特征在于，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管，且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管平行并且沿所述煤热解反应器的本体高度方向上错开分布。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，其特征在于，所述热解气处理装置设置有第一可燃气出口，所述第一可燃气出口连接至所述煤热解反应器；优选所述第一可燃气出口设置在所述余热回收单元上，所述第一可燃气出口连接至所述煤热解反应器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统，其特征在于，所述煤热解反应器的所述半焦出口与所述煤粉锅炉的所述半焦入口之间设置有一次风机。
6.权利要求1-5任一项所述煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统用于发电的应用。
7.一种利用权利要求1-5任一项所述的煤热解反应器-煤粉锅炉联用系统处理煤的方法，其特征在于，包括：
利用煤热解反应器对碳基原料进行热解处理，得到半焦和热解气；
将所述半焦送往煤粉锅炉，使所述半焦与所述煤粉锅炉中的煤粉进行混合燃烧，得到烟气；以及
将所述热解气送往热解气处理装置从而对所述热解气进行处理，得到可燃气，
任选的，通过设置在所述热解气处理装置上的第一可燃气出口，将所述可燃气的一部分输送至所述煤热解反应器。
8.根据权利要求7所述的处理煤的方法，其特征在于，所述热解气处理装置包括高温净化单元、焦油催化裂化单元和余热回收单元，其中，所述热解气依次经过所述高温净化单元、所述焦油催化裂化单元和所述余热回收单元，由此得到可燃气，
任选的，通过设置在所述余热回收单元上的第一可燃气出口，将所述可燃气的一部分送往所述煤热解反应器。
9.根据权利要求7所述的处理煤的方法，其特征在于，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管，且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管平行并且沿反应器本体高度方向错开分布。
10.根据权利要求7所述的处理煤的方法，其特征在于，进一步包括：
通过一次风机将所述半焦送至所述煤粉锅炉。
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