CN105754618A - 一种气相化学还原法熄焦工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种气相化学还原法熄焦工艺方法，红焦输送单元，熄焦炉单元，出焦及筛焦单元，其技术要点是：熄焦炉单元下部的蒸气入口与水蒸气输送单元的蒸气出口相连接，水蒸气输送单元的蒸气入口则与水蒸气发生单元蒸气出口相连通；熄焦炉单元的高温气体出口依次通过换热单元、净化单元与冷却单元的混合气体入口相连通；所述冷却单元的水煤气出口与煤气收集单元相连通，冷却单元的废水出口与污水回收单元相连通。该工艺方法是通过炽热的焦炭与水蒸气发生化学反应，将焦炭显热一部分转化为混合气体显热，另一部分转化为化学能，提高了熄焦过程中能源的利用效率，达到降低焦化企业综合生产成本、节约能源以及实现CO2减排的目的。

Description

一种气相化学还原法熄焦工艺方法
技术领域
本发明属于熄焦技术领域，具体地说是一种利用水蒸汽实现的气相化学还原法熄焦工艺方法。
背景技术
目前我国焦化企业的熄焦方式主要有两种，分别为湿法熄焦和干法熄焦两种。
湿法熄焦工艺相对较为简单，主要由熄焦车、熄焦塔和晾焦台三部分组成。焦炉产生的焦炭经拦焦车导入熄焦车后，在电机车的牵引下进入熄焦塔下部，与塔顶上部喷淋下来的水逆流接触，熄灭红焦，经进一步晾焦后送筛焦装置。熄焦废气经塔顶上部的木制折流板除尘后排放。
干法熄焦的焦炭由炭化室推入焦罐车，由电机车牵引运至干熄焦装置提升机井架中心。由提升机把焦罐吊至干熄槽上部，将焦炭装入干熄焦预存室内，经预存室向下至熄焦室，在此与逆流的闭路循环惰性气体接触，使焦炭由1000℃冷却至200℃以下。经振动给料器和氮气保护的转动密封阀排出，运入筛焦装置。惰性气体则由130℃上升至900℃左右，经重力沉降槽捕集粗焦粉后进入废热锅炉，产生高温蒸汽。出废热锅炉的气体经多管旋风分离器除去细粉尘后,再经循环风机吸气管由风机送到干熄槽底部循环使用。
传统熄焦工艺优缺点：
1、投资与技术方面
常用的湿法熄焦是将赤热的红焦直接喷水熄灭，其投资较省，且技术简单、操作容易；而干法熄焦在我国未能广泛推广，究其原因，除了干熄焦装置本身设备机型大、投资大、运行费用高、安全保证难度大等原因外，对于我国独立焦化企业来说，运用干熄焦技术经济效益并不乐观，干熄焦是通过废热锅炉将焦炭显热转化为蒸汽，产生的蒸汽在独立焦化企业只能应用部分蒸汽于蒸氨和脱苯工序中，用量少，效益低，而且保存惰性气体也需要投入大量资金、设备以及人员，后期成本也较高。另外，虽然干熄焦提高了焦炭质量，但对独立焦化企业的经济效益影响不大。
2、节能降耗方面
炼焦结束后从焦炉中推出的红焦温度在900～1100℃，红焦所含显热相当于炼焦生产消耗总热量的38％～45％。传统湿法熄焦，一方面红焦显热使水变成蒸汽散失而白白地浪费掉，另一方面在湿法熄焦过程中，水很容易在炭层中发生“短路”效应，即水容易直接通过炭层中堆放密度较小的地方通过，使大量水直接从炭层中流失，没有达到有效熄焦的目的，经计算现有湿法熄焦企业平均熄1吨红焦需要0.45~1.00吨水。而干法熄焦，虽然每吨焦炭可产生压力4.5MPa的蒸汽0.5t，回收能源折标准煤40～45kg，但通过调查发现，大多数企业干法熄焦后的热量去向很难找到。
3、保护环境方面
传统湿法熄焦每熄lt红焦炭将要消耗0.45~1.00t水，大量的水蒸汽直接排空，其中夹带着大量的粉尘及酚、氰硫化物等有毒、有害气体，严重污染大气及周围环境，同时腐蚀设备，采用干法熄焦虽然在一定程度上减少了这种污染问题，但在熄焦及运送过程也会产生粉尘。
4、焦炭质量方面
湿法熄焦，由于红焦被水急剧冷却，使焦炭的内部产生很大的热应力，从而形成了许多的网状收缩裂纹，致使焦炭强度降低。而采用干法熄焦，由于红焦要在干熄槽内停留4~5h，其中高温区2h左右，焦炭在高温区等于还在热闷。使焦炭别状裂纹减少；并且焦炭在干熄槽内由于往下运动互相摩擦，使其部分尖角磨掉，相当于初步整粒。使得焦炭的块度趋于均匀化，强度得到提高。
综上所述，无论是湿法熄焦还是干法熄焦都不是最理想的熄焦工艺，简单来说就是很难找到投入和产出的黄金分割线，达到让不同规模、不同地区的焦化企业找到最理想的熄焦工艺目的。湿法熄焦虽然在投资与技术方面极具优势，但在其余三项中处于劣势，是在牺牲了节能、环保及产品质量基础上，获得了巨大经济效益，且湿法熄焦只适用于水资源相对丰富的地区。而干法熄焦虽然在节能降耗、环境保护以及焦炭质量上具有一定优势，但也只是相比湿法熄焦工艺而言，但干法熄焦需要巨大的经济投入，且不适用小规模的焦化企业。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用水蒸汽实现的气相化学还原法熄焦工艺方法。该方法能在投资与技术、节能降耗、保护环境以及焦炭质量中取得一个平衡点，且可以适用于复杂环境条件下的各种规模焦化企业。该工艺方法是通过炽热的焦炭与水蒸汽发生化学反应，将焦炭显热一部分转化为水蒸汽显热，另一部分转化为化学能，提高了熄焦过程中能源的利用效率，达到降低焦化企业综合生产成本、节约能源以及实现CO2减排的目的。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：一种气相化学还原法熄焦工艺方法，它包括有红焦输送单元，熄焦炉单元，出焦及筛焦单元，其特征在于：熄焦炉单元下部的蒸汽入口与水蒸汽输送单元的蒸汽出口相连接，水蒸汽输送单元的蒸汽入口则与水蒸汽发生单元蒸汽出口相连通；熄焦炉单元的蒸汽出口依次通过换热单元、净化单元与冷却单元的混合气体入口相连通；所述冷却单元的水煤气出口与煤气收集单元相连通，冷却单元的废水出口与污水回收单元相连通。
水蒸汽通过水蒸汽输送单元进入熄焦炉下部，水蒸汽输送单元末端包括椎体、气道、风帽，水蒸汽通过中央风帽排出，与在椎体上的红焦接触反应。
该方法包括水蒸汽发生单元、水蒸汽输送单元、熄焦炉单元、红焦输送单元、出焦及筛焦单元、换热单元、净化单元、水冷单元、煤气回收单元和污水回收单元，共十个单元。
本发明各个单元的功能及作用如下：
（1）红焦输送单元：红焦输送单元是将从炭化室中推出的红热焦炭运送到熄焦炉的顶部，并与装入装置进行相互配合，将焦炭装入到熄焦炉内，红焦输送系统的主要设备包括电机车﹑焦罐车﹑对位装置及提升机等。
（2）水蒸汽发生单元：将锅炉纯净水经过换热器生成高温高压水蒸汽(120℃~200℃，2MPa~15MPa)。
（3）水蒸汽输送单元：从水蒸汽发生单元出来的高温高压水蒸汽进入水蒸汽输送单元后，通过水蒸汽输送单元进入熄焦炉中，水蒸汽输送单元的末端椎体、风帽、气道组成，水蒸汽通过中央风帽的气道进入熄焦炉，与椎体上的红焦充分接触反应，达到熄焦的目的。
（4）熄焦炉单元：将高温高压水蒸汽通入熄焦炉中，水蒸汽在熄焦炉内自下而上与熄焦炉内红焦发生接触，吸收红焦热量，同时不断提高自身温度，当温度达到一定值，高温水蒸汽开始与红热焦炭发生还原反应，生产CO和H2O(g)，带走大量热量，整个反应持续进行。在焦炭温度逐步降低的同时，产生的高温气体进入下一单元，降温后的焦炭进入出焦及筛焦单元。
（5）出焦及筛焦单元：熄焦结束后，得到的焦炭进入出焦及筛焦单元，该单元一般安装在熄焦炉底部位置，它将冷却到200℃以下的焦炭进行连续密闭地排出。
（6）换热单元：795~805℃的混合气体通过换热器后降为195~205℃的混合气体，换出热量用于加热锅炉纯净水，即用于水蒸汽发生单元。
（7）净化单元：混合气体经过净化除尘装置后，去除其中粉尘等杂质，然后进入焦油捕捉器，去除气体中的焦油成分，最终得到主要含CO、H2和H2O(g)的混合气体。
（8）冷却单元：195~205℃混合气体经过冷却塔后，其中的水蒸汽冷凝为水进入污水回收单元，CO和H2进入煤气回收单元。
反应机理：
传统湿法熄焦主要通过水加热变为水蒸汽过程吸热，整个吸热过程的化学方程式见式2-1，由该化学式可见在标准大气压下，1mol水汽化吸热40.8kJ。而本发明工艺方法，通过水蒸汽发生单元及输送单元进入熄焦单元后，水蒸汽不断与红焦接触吸热，当达到700℃~800℃之间，水蒸汽开始与红焦发生反应，如式2-2所示，由此式可知，1mol水参加反应，会吸收131.3kJ，吸热量大大增加，从而大大解决了用水量，并且产生的一氧化碳和氢气经净化后成为高纯度水煤气，可直接作为产品。
H2O(l)=H2(g)ΔH=40.8kJ/mol（2-1）
C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)ΔH=131.3kJ/mol（2-2）
本发明具有如下优点：
1、投资与技术方面
气相化学还原法熄焦工艺方法投资总额是以干熄焦工艺投资总额为基准，扣除余热锅炉、余热发电机等工程建设、设备自身及安装费用，仅保留干熄焦炉设备、工程及安装相关成本，还需增加换热器、除尘器、水冷塔等设备本身及安装费用，与干法熄焦相比，费用大大降低。同时气相还原法熄焦工艺方法的日常维护成本要比传统干法熄焦低很多，大大降低了企业的日常开销。
2、节能降耗方面
该工艺熄焦水量仅为传统湿法熄焦用水量的20%，大大节约了水资源量，使该工艺的适用范围更广，即使在水资源相对缺乏地区，但投资总额相对小地区也同样可以采用该工艺。
该工艺熄焦主要采用高温水蒸汽，制备相对简单，与传统干法熄焦相比，N2等惰性气体的存储、净化、循环均需要一定设备支持，即消耗更多能源来维持。同时本发明产生的稳定高温高压水蒸汽经水蒸汽输送单元送入熄焦炉，可以采用多种组合方式，保证水蒸汽能与红焦充分接触反应，避免湿法熄焦过程中的“短路”效应。
3、环境保护方面
本工艺方法整个熄焦过程处于封闭空间内，不会像传统湿法熄焦一样，在熄焦过程中产生大量有毒有害气体，进入空气中，污染周边大气环境，本发明工艺方法熄焦后产生的混合气体经过净化冷却后，粉尘等基本被净化单元收集，而剩余粉尘等杂质，则通水蒸汽冷凝后形成液体水后，一同进入污水处理站处理，基本不会对外界环境造成污染。
4、焦炭质量方面
该工艺不会像传统湿法熄焦一样，由于红焦被水急剧冷却，使焦炭的内部产生很大的热应力，从而形成了许多的网状收缩裂纹，致使焦炭强度降低。该工艺与而干法熄焦类似，红焦要在熄槽内停留一段时间。使焦炭网状裂纹减少；并且焦炭在熄焦槽内由于往下运动互相摩擦，使其部分尖角磨掉，相当于初步整粒。使得焦炭的块度趋于均匀化，强度得到提高。
5、该工艺与传统干法熄焦相比，由于不需要余热锅炉、余热发电机等设备，因此占地面积相对较小。
6、该工艺熄焦后产生的废气源经处理后，会产生一部分高纯度水煤气，根据物料平衡计算，以每天1000t焦炭进入熄焦炉计算，理想状态下消耗焦炭36t/d，产生水煤气134,400m3/d，水煤气热值为15715kJ/m3，按现有煤气价格2.95元/m3计算，每天可产生396480元价值煤气。
7、传统湿法熄焦的余热基本随水蒸汽散发在空气中，完全浪费；传统干法熄焦工艺基本是将余热用于发电或其他用途，具有较好的节能环保作用；而气相化学还原法熄焦工艺方法是将焦炭显热一部分转化为化学能形成高纯度水煤气，另一部分显热通过换热器收集，用于水蒸汽发生单元，生产高温高压水蒸汽。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意简图；
图2是图1中水蒸汽发生单元示意简图；
图3是图1中红焦输送单元示意简图；
图4是图1中熄焦炉单元示意简图；
图5是图1中换热单元示意简图；
图6是图1中净化单元示意简图；
图7是图1中冷却单元示意简图；
图8是本发明的具体实施结构示意简图。
图8中主要部件说明：A-红焦输送单元；B-熄焦炉单元；C-水蒸汽发生单元；D-水气输送单元；E-出焦及筛焦单元；F-换热单元；G-净化单元；H-冷却单元；I-污水处理单元；J-煤气处理单元；A1-焦炉；A2-拦焦车；A3-焦罐车；A4-电机车；A5-提升机；B1-装入装置；B2-熄焦炉；B3-存焦室；C1-换热器；D-水汽输送单元；E-出焦及筛焦单元；G1-除尘器；G2-焦油捕捉器；H-冷却塔；I-污水回收单元；J-煤气回收单元
下面将结合附图通过实例，对本发明作进一步详细说明，但下述实例仅仅是本发明的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围；本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
实例1
如附图1-8所示，图中的A为红焦输送单元，B为熄焦炉单元，E为出焦及筛焦单元，在熄焦炉单元B下部的蒸汽入口与水蒸汽送单元D的蒸汽出口相连接，水蒸汽输送单元D的蒸汽入口则与水蒸汽发生单元C的蒸汽出口相连通；熄焦炉单元的蒸汽出口依次通过换热单元、净化单元与冷却单元的混合气体入口相连通；所述冷却单元的水煤气出口与煤气收集单元相连通，冷却单元的废水出口与污水回收单元相连通。
所述水蒸汽输送单元中通过水蒸汽输送单元进入熄焦炉中的末端，均匀分布带有水蒸汽喷口的排管结构。
首先将锅炉纯净水经过换热器C，生成高温高压水蒸汽，然后进入水蒸汽输送单元D，经由水蒸汽输送单元D形成稳定水蒸汽通入熄焦炉B2中。焦炭则从焦炉A1出炉后，由拦焦车A2送至焦罐车A3中，由电机车A4在提升机A5的作用下，将焦罐车A3送入装入装置B1中，红焦经装入装置B1进入熄焦炉存焦室B3中，这时炙热的焦炭开始与水蒸汽输送单元D排出的稳定的高温高压水蒸汽发生接触。其中，由于水蒸汽输送单元末端供气方式的不同，高温高压水蒸汽进入焦炉后的运动方式可以有很多形态，例如自下而上与红焦发生接触；也可以从存焦室B3四周穿过焦炭，与焦炭发生接触。同时存焦室B3的状态也可以分为以下两种：一种是静止不动；一种不停震动或旋转，以保证水蒸汽能更好的与焦炭发生反应。焦炭与蒸汽接触反应分为两个阶段：第一阶段，水蒸汽进入熄焦炉B2中与焦炭接触，充分吸收焦炭热量；第二阶段，当水蒸汽达到一定温度后开始与焦炭发生化学反应（式2-2），吸收大量热量（约为传统湿法熄焦吸热的4倍），产生混合气体（主要为CO、H2和H2O(g)）。整个过程持续进行，焦炭温度不断降低，达到熄焦的目的。随后，焦炭进入出焦及筛焦单元E，而从熄焦炉B2中排出的795℃~805℃混合气体进入换热器C1后，混合气体温度降到195℃~205℃，将交换的热量供给水蒸汽发生单元C。然后先后经过除尘器G1、焦油捕捉器G2、水冷塔H，此时混合气体中的水蒸汽转化为液态水从混合气体中分离出来，进入污水回收单元I，剩余气体（水煤气）进入煤气回收单元J。
以100t红焦进入熄焦炉参加熄焦为例，通过物料平衡计算，理论状态下需要8.88t水。因此，具体实例应用如下：首先将10~12t锅炉纯净水通入经过换热器C1，生成温度为120℃~200℃，汽压为2MPa~15MPa高温高压水蒸汽，然后进入水蒸汽输送单元D，经由水蒸汽输送单元D形成稳定地水蒸汽通入熄焦炉B2中。这时炙热的100t红焦开始与水蒸汽输送单元D排出的稳定的高温高压水蒸汽发生接触并反应。焦炭与水蒸汽接触反应分为两个阶段：第一阶段，水蒸汽进入熄焦炉B2中与焦炭接触，充分吸收焦炭热量；第二阶段，当水蒸汽达到一定温度后开始与焦炭发生化学反应（式2-2），吸收大量热量，产生气体混合物（主要为CO、H2和H2O(g)）。整个过程持续进行，焦炭温度不断降低，达到熄焦的目的。随后，焦炭进入出焦及晒焦单元，而从熄焦炉B2中排出的795℃~805℃混合气体进入换热器C1后，混合气体温度降到195℃~205℃，换热器吸收的热量可以生产锅炉水蒸汽，用于水蒸汽发生单元C。然后195℃~205℃的混合气体先后经过除尘器G1、焦油捕捉器G2、冷却塔H，此时混合气体中的水蒸汽转化为液态水从混合气体中分离出来，进入污水回收单元I，此时剩余约13440m3水煤气进入煤气储罐J。

Claims (3)

1.一种气相化学还原法熄焦工艺方法，它包括有红焦输送单元，熄焦炉单元，出焦及筛焦单元，其特征在于：熄焦炉单元下部的蒸汽入口与水蒸汽输送单元的蒸汽出口相连接，水蒸汽输送单元的蒸汽入口则与水蒸汽发生单元蒸汽出口相连通；熄焦炉单元的蒸汽出口依次通过换热单元、净化单元与冷却单元的混合气体入口相连通；所述冷却单元的水煤气出口与煤气收集单元相连通，冷却单元的废水出口与污水回收单元相连通。
2.根据权利要求1所述的气相化学还原法熄焦工艺方法，其特征在于：水蒸汽通过水蒸汽输送单元进入熄焦炉下部，水蒸汽输送单元末端包括椎体、气道、风帽，水蒸汽通过中央风帽排出，与在椎体上的红焦接触反应。
3.根据权利要求2所述的气相化学还原法熄焦工艺方法，其特征在于：高温高压水蒸汽的温度为120℃~200℃，汽压为2MPa~15MPa。
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