CN106085481A - 一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法 - Google Patents

一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法。该系统包括煤热解反应器、分离净化系统、重整变换系统和气基竖炉；煤热解反应器包括反应器本体、内置于反应器本体的上部的旋风分离器A、颗粒移动床；颗粒移动床包括顶板、侧面板、固定在反应器本体的侧壁上的两个壁板、布置在侧面板上的多个进气口和抽拉式阀门；该方法将原料煤热解，产生的热解油气经分离净化系统和重整变换系统处理后获得还原气，将还原气送入气基竖炉用于钢铁冶炼。本发明的系统和方法，有效利用了通常难以利用的粉煤，煤热解反应器产生的热解气粉尘含量低，降低气基竖炉的成本和能耗。

Description

一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法
技术领域
本发明属于煤炭分阶梯级利用技术领域，尤其涉及针对长焰煤、褐煤等中低阶粉煤的一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法。
背景技术
煤本身的结构特点，决定了低阶煤挥发分高、活性强，由于水分和氧含量高而热值低，直接利用(燃烧或气化)效率低，经济价值远不如高阶煤，因此，大规模开发利用的低阶煤必须先对其进行加工提质才能用于生活生产。最为科学和常用的加工方法之一是热解，也称“干馏”或“热分解”。热解是指煤在隔绝空气或在惰性气体条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应，在此过程中煤会发生交联键断裂、产物重组和二次反应，最终得到气体(煤气)、液体(焦油)、及固体(半焦)等产物。焦油中含有目前尚无法人工合成的多种稠环芳香烃类化合物及杂环化合物。与直接燃烧相比，热解实现了煤中不同成分的梯级转化，是一种资源高效综合利用方法，可减少燃煤造成的环境污染，提高低阶煤资源综合利用价值的优势，创造显著的经济社会效益。
我国是钢铁生产第一大国，目前废钢供应量远远满足不了钢铁生产的需要。国内废钢缺口得不到足够补充，进一步加剧了市场供应的紧张局面。在这种情况下，适时发展直接还原技术是必要的。直接还原工艺不用焦炭和烧结矿，因而可适应当前越来越严格的环保要求。目前，全世界有十几种直接还原法实现了工业化生产，包括Midrex、HyL-Ⅲ、煤基回转窑、转底炉、流化床法等。只有气基竖炉工艺Midrex和HyL-Ⅲ可以大型化生产，产品质量高、投资低，能耗在现行直接还原生产方法中最低。但气基竖炉对还原气的净化程度要求高。
然而，煤热解产生的热解油气，成分复杂、重质焦油组分多，粉尘含量大、粉尘形状不规则，需要后续设置复杂的除尘系统处理热解油气才可得到煤制气和高品质焦油。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法，将其他设备难以处理的粉煤高温热解后获得热解油气，热解油气杂质含量少，将净化后的热解气直接送入气基竖炉系统，降低废钢冶炼成本。
本发明的目的之一是提供一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统，包括：煤热解反应器、分离净化系统、重整变换系统和气基竖炉；
所述煤热解反应器包括：反应器本体、内置于所述反应器本体的上部的旋风分离器A、颗粒移动床，所述颗粒移动床包括：顶板、侧面板、固定在所述反应器本体的侧壁上的两个壁板、布置在所述侧面板上的多个进气口和抽拉式阀门，由此所述顶板、侧面板、两个壁板和所述侧壁围成腔体，所述阀门位于所述颗粒移动床的底部，在所述壁板的固定部位之间的侧壁上设置有热解油气出口和催化剂入口；其中，所述旋风分离器A连通至所述颗粒移动床的进气口；
所述煤热解反应器热解油气出口连接分离净化系统热解油气入口，所述分离净化系统气体出口连接重整变换系统气体入口，所述重整变换系统气体出口连接气基竖炉气体入口。
作为本发明优选的方案，所述煤热解反应器内部设置集气装置，集气装置能够快速收集反应器本体内部的热解油气，所述集气装置连接旋风分离器A，将收集到的热解油气输送到旋风分离器A。
在热解油气出口处设置颗粒移动床，可有效降低热解油气中的含尘量。颗粒移动床的床料采用具有热解催化效果的氧化钙，将氧化钙破碎至1mm以下，通过催化剂入口进入颗粒移动床，通过控制颗粒移动床底部阀门的开度控制颗粒的移动速率，优选的移动速率为0.1～2m/s。
进一步的，本发明的系统还包括焦油精制系统，所述焦油精制系统包括热解油入口和焦油出口，所述分离净化系统包括液体出口；所述分离净化系统液体出口连接所述焦油精制系统热解油入口。分离净化系统分离出的热解油经分离净化系统液体出口进入焦油精制系统。
本发明中，所述颗粒移动床进一步包括隔板，所述隔板布置在所述两个壁板之间并且与所述侧面板相对，由此在所述隔板、所述两个壁板和所述侧面板之间形成第一气室，所述隔板为多孔板。从旋风分离器A中出来的热解油气，先进入第一气室，充满第一气室后经过隔板进入颗粒移动床，这样，隔板的全部都参与了透气的工作，避免仅部分透气，其上的孔过早地被焦油堵塞，缩短隔板的使用寿命；同时，隔板将颗粒移动床内的催化剂颗粒隔离，避免由侧面板的进气口进入旋风分离器A。
本发明中，所述颗粒移动床进一步包括滤板，所述滤板布置在所述两个壁板之间并且与所述热解油气出口相对，由此在所述滤板、所述两个壁板和所述壁板的固定部位之间的侧壁之间限定出第二气室，所述滤板为多孔板。热解油气由颗粒移动床的腔体进入第二气室时，滤板的全部都参与工作，避免滤板因仅对应热解油气出口的部分通气，延长了滤板的使用寿命，减小了停工更换滤板的频率。
作为本发明的优选方案，所述煤热解反应器进一步包括燃气入口，所述煤热解反应器燃气入口连接所述分离净化系统气体出口。分离净化系统产生的部分热解气可作为燃料进入煤热解反应器，为热解反应提供能量。
进一步的，所述分离净化系统包括：旋风分离器B、初冷塔、鼓风机、电捕焦油器、脱硫塔、脱氨塔、洗苯塔和气柜；所述旋风分离器B气体入口连接煤热解反应器热解油气出口，所述旋风分离器B气体出口连接初冷塔气体入口，所述初冷塔气体出口连接鼓风机气体入口，所述鼓风机气体出口连接电捕焦油器气体入口，所述电捕焦油器气体出口连接脱硫塔气体入口，所述脱硫塔气体出口连接脱氨塔气体入口，所述脱氨塔气体出口连接洗苯塔气体入口，所述洗苯塔气体出口连接气柜气体入口。煤热解反应器产生的高品质热解油气进入分离净化系统，经油气分离，产生的气体经脱硫、脱氨等工序获得热解气。
本发明中，所述重整变换系统包括：精细脱硫塔、重整塔、变换塔和脱碳装置；所述精细脱硫塔气体入口连接分离净化系统气体出口，所述精细脱硫塔气体出口连接重整塔气体入口，所述重整塔气体出口连接变换塔气体入口，所述变换塔气体出口连接脱碳装置气体入口，所述脱碳装置气体出口连接所述气基竖炉气体入口。分离净化系统产生的热解气进入重整变换系统，通过进一步的精细脱硫、重整和变换，得到合适比例的还原气，还原气直接进气基竖炉。重整变换系统将热解气中的气体转化为氢气和一氧化碳，以便得到合适比例的还原气。
本发明的另一目的是提供一种利用上述系统处理煤的方法，包括如下步骤：
将破碎后的原料加入所述煤热解反应器中，使原料发生热解反应，热解反应产生热解油气和热解半焦；
将所述热解油气收集至所述旋风分离器A，然后送入所述颗粒移动床，催化剂经所述催化剂入口进入所述颗粒移动床，对所述热解油气进行除尘、降温，所述热解油气在所述催化剂作用下继续裂解，热解油气中的大分子组分分解成小分子气体，获得高品质热解油气；
将所述高品质热解油气经所述热解油气出口送入所述分离净化系统，获得热解气和热解油，然后将所述热解气送入所述重整变换系统处理，获得还原气；将所述还原气送入所述气基竖炉。
进一步的，将所述分离净化系统产生的热解油送入所述焦油精制系统经加氢精制，获得高品质油品。
作为本发明优选的方案，将所述分离净化系统产生的部分热解气作为燃料送入所述煤热解反应器。
本发明的煤热解反应器与气基竖炉联用系统及处理煤的方法，将旋风分离器和颗粒移动床内置在煤热解反应器内，有效降低了热解油气中的含尘量，降低了后续焦油预处理成本，同时通过除尘系统降低了热解油气温度；采用热解催化剂作为颗粒移动床的床料，进一步提高热解气有效气体组分含量；热解气经重整变换处理后，所得还原气直接进入气基竖炉，成本低，单位产品能耗低。
附图说明
图1是本发明煤热解反应器与气基竖炉联用系统示意图；
图2是本发明系统中颗粒移动床的主视示意图；
图3是本发明系统中颗粒移动床的俯视示意图；
图4是利用本发明的系统处理煤的方法的流程图。
图中：
100-煤热解反应器；
1-反应器本体；11-热解油气出口；12-催化剂入口；2-旋风分离器A；3-颗粒移动床；31-顶板；32-侧面板；33-壁板；34-阀门；35-隔板；36-第一气室；37-滤板；38-第二气室；4-蓄热式辐射管；5-集气装置；
200-分离净化系统；
201-旋风分离器B；202-初冷塔；203-鼓风机；204-电捕焦油器；205-脱硫塔；206-脱氨塔；207-洗苯塔；208-气柜；
300-重装变换系统；
301-精细脱硫塔；302-重整塔；303-变换塔；304-脱碳装置；
400-气基竖炉；
500-焦油精制系统。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
如图1所示，一方面，本发明实施例提供一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统，包括：煤热解反应器100、分离净化系统200、重整变换系统300、气基竖炉400和焦油精制系统500。
煤热解反应器100热解油气出口连接分离净化系统200热解油气入口，分离净化系统200气体出口连接重整变换系统300气体入口，重整变换系统300气体出口连接气基竖炉400气体入口，分离净化系统200液体出口连接焦油精制系统500热解油入口。
煤热解反应器100包括：反应器本体1、内置于反应器本体的上部的旋风分离器A2、颗粒移动床3、蓄热式辐射管4和集气装置5。
反应器本体1为热解反应容器。一般在热解反应容器的顶部开设原料入口，在侧壁上设置有热解油气出口，在热解反应器的底部设置半焦出口。
旋风分离器A2内置于反应器本体1的上部，作为一级除尘设备与集气装置连接。
颗粒移动床3固定热解反应容器本体1的侧壁上，并将热解油气出口101罩住，本发明所述的罩住，是指颗粒移动床3将热解油气出口101与反应器内腔隔离。颗粒移动床3与旋风分离器A2连通，使得热解油气可以由集气装置5经旋风分离器A2进入颗粒移动床3，由热解油气出口101排出反应容器本体外。
如图2和图3所示，本发明实施例中，颗粒移动床3包括：顶板31、侧面板32、固定在反应器本体的侧壁上的两个壁板33、布置在侧面板上的多个进气口和抽拉式阀门34，由此顶板31、侧面板32、两个壁板33和侧壁围成腔体，阀门34位于颗粒移动床的底部，在壁板的固定部位之间的侧壁上设置有热解油气出口101和催化剂入口102；其中，旋风分离器A2连通至颗粒移动床3的进气口。
为了方便说明，特指位于两个壁板的在侧壁的固定位置之间的侧壁称之为“部分侧壁”。热解油气出口101和催化剂入口102设置在该“部分侧壁”上，热解油气出口101位于催化剂入口102下方。
阀门34为一板状体，在前述反应器本体的“部分侧壁”下的合适位置设置长孔，阀门34可伸缩的安装于长孔内。向反应器本体1外的方向拉阀门，可加快颗粒移动床腔体内的原料下落速度；向反应器本体1内的方向推阀门，可减缓颗粒移动床腔体内的原料下落速度。操作人员可依据生产需要进行自主操作。
颗粒移动床3的床料采用具有热解催化效果的氧化钙，将氧化钙破碎至1mm以下，通过催化剂入口102进入颗粒移动床，通过控制颗粒移动床底部阀门34的开度控制颗粒的移动速率，优选的移动速率为0.1～2m/s。
颗粒移动床3进一步包括隔板35，隔板布置在两个壁板之间，并与侧面板32相对。隔板35将进气口与颗粒移动床的腔体隔离。热解油气进入进气口，通过隔板35进入颗粒移动床的腔体。隔板35既能通气，使得热解油气进入颗粒移动床的腔体内与催化剂接触，又能阻挡催化剂由进气口进入到旋风分离器A2中。
进一步地，隔板35和侧面板32间隔设置，由顶板31、侧面板32、隔板35和两个壁板33形成第一气室36。这样，从进气口进入的热解油气先进入第一气室36，充满第一气室36，热解油气能够与隔板35均匀接触进入颗粒移动床的腔体。第一气室36的设置充分利用隔板35，使得隔板35的全部参与通气-隔离工作，避免隔板因仅对应进气口的部分通气，使用频率过大造成该部分分布的气孔过早被焦油堵塞而报废，延长了隔板的使用寿命，减小了停工更换隔板的频率，提高了生产效率。
颗粒移动床3进一步包括滤板37，滤板37布置两个壁板33之间并且与热解油气出口101相对，滤板37将热解油气出口与颗粒移动床的腔体隔离。滤板为多孔板。热解油气通过滤板，由热解油气出口101排出反应器本体体外。
滤板37和反应器本体的侧壁间隔设置，由滤板37、两个壁板33和侧壁围成第二气室38。这样，热解油气由颗粒移动床的腔体进入第二气室38时，滤板37的全部都参与工作，避免滤板37因仅对应热解油气出口的部分通气，使用频率过大造成该部分分布的气孔过早被焦油堵塞而报废，延长了滤板的使用寿命，减小了停工更换滤板的频率，提高了生产效率。
蓄热式辐射管4设置在反应器本体1内，蓄热式辐射管4沿反应器本体1的高度方向多层布置，每层布置多根在水平方向彼此平行的蓄热式辐射管4。
集气装置5设置在反应器杯体1内部，用于快速收集热解油气，集气装置5连接旋风分离器A2。
进一步的，分离净化系统200包括：旋风分离器B201、初冷塔202、鼓风机203、电捕焦油器204、脱硫塔205、脱氨塔206、洗苯塔207和气柜208。旋风分离器B气体入口连接煤热解反应器热解油气出口11，旋风分离器B气体出口连接初冷塔气体入口，初冷塔气体出口连接鼓风机气体入口，鼓风机气体出口连接电捕焦油器气体入口，电捕焦油器气体出口连接脱硫塔气体入口，脱硫塔气体出口连接脱氨塔气体入口，脱氨塔气体出口连接洗苯塔气体入口，洗苯塔气体出口连接气柜气体入口。煤热解反应器100产生的高品质热解油气进入分离净化系统200，经油气分离，产生的气体经脱硫、脱氨等工序获得热解气。
本发明实施例中，煤热解反应器100进一步包括燃气入口，煤热解反应器燃气入口连接分离净化系统气体出口。分离净化系统200产生的部分热解气可作为燃料进入煤热解反应器100，为热解反应提供能量。
本发明实施例中，重整变换系统300包括：精细脱硫塔301、重整塔302、变换塔303和脱碳装置304。精细脱硫塔气体入口连接分离净化系统气体出口，精细脱硫塔气体出口连接重整塔气体入口，重整塔气体出口连接变换塔气体入口，变换塔气体出口连接脱碳装置气体入口，脱碳装置气体出口连接气基竖炉气体入口。分离净化系统200产生的热解气进入重整变换系统300，通过进一步的精细脱硫、重整和变换，得到合适比例的还原气，还原气直接进气基竖炉400。重整变换系统300将热解气中的气体转化为氢气和一氧化碳，以便得到合适比例的还原气。
气基竖炉400是直接生产还原铁的反应器，重整变换系统300产生的还原气输送到气基竖炉400，用于还原反应。
焦油精制系统500包括热解油入口和焦油出口，分离净化系统200包括液体出口，分离净化系统200液体出口连接焦油精制系统500热解油入口。分离净化系统200分离出的热解油经分离净化系统液体出口进入焦油精制系统500，经加氢精制可得高品质油品。
如图4所示，另一方面，本发明实施例提供一种利用上述系统处理煤的方法，包括如下步骤：
1、将破碎后的原料(粉煤)加入煤热解反应器中，使原料发生热解反应，热解反应产生热解油气和热解半焦；
2、将热解油气收集至旋风分离器A，然后送入颗粒移动床，催化剂经催化剂入口进入颗粒移动床，对热解油气进行除尘、降温，热解油气在催化剂作用下继续裂解，热解油气中的大分子组分分解成小分子气体，获得高品质热解油气；
3、将高品质热解油气经热解油气出口送入分离净化系统，获得热解气和热解油，然后将热解气送入重整变换系统处理，获得还原气；将还原气送入气基竖炉；
4、将分离净化系统产生的热解油送入焦油精制系统经加氢精制，获得高品质油品；
5、将分离净化系统产生的部分热解气作为燃料送入煤热解反应器。
本发明实施例提供的系统和方法，在反应器内置旋风分离器和颗粒移动床，降低了热解油气中的含尘量，通过除尘系统降低了热解油气温度，使部分焦油冷凝；采用催化剂氧化钙作为颗粒移动床的床料，进一步提高热解气有效气体组分含量；热解气经重整变换处理后，直接进入气基竖炉，成本低，能耗低。
实施例
将原料煤粉碎到粒径3mm以下，送入煤热解反应器-气基竖炉联用系统的煤热解反应器，控制反应器内温度900℃，煤热解反应器设置了多层加热辐射管、旋风分离器和颗粒移动床除尘系统。热解油气在颗粒移动床内，经催化剂作用继续裂解，获得高品质热解油气。煤热解反应器产生的高品质热解油气经分离净化系统和焦油精制系统后，可得热解气和高品质油品。热解气经重整变换系统处理后获得还原气，还原气直接进入气基竖炉进行生产。经分离净化系统后的热解气中组成如表1所示。
表1热解气组成成分
经重整变换脱碳后的还原气H2和CO的总量为91.5％，H2/CO体积比为4.5：1。与高炉冶炼系统和焦炉煤气-气基竖炉冶炼系统相比，煤热解反应器-气基竖炉具有明显的优势，具有更大的经济价值。和焦炉煤气-气基竖炉冶炼系统相比，煤热解反应器-气基竖炉单元产品的能耗降低6.3％，单位产品成本平均降低50～80元/吨。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，包括：煤热解反应器、分离净化系统、重整变换系统和气基竖炉，
所述煤热解反应器包括：反应器本体、内置于所述反应器本体的上部的旋风分离器A、颗粒移动床，所述颗粒移动床包括：顶板、侧面板、固定在所述反应器本体的侧壁上的两个壁板、布置在所述侧面板上的多个进气口和抽拉式阀门，由此所述顶板、侧面板、两个壁板和所述侧壁围成腔体，所述阀门位于所述颗粒移动床的底部，在所述壁板的固定部位之间的侧壁上设置有热解油气出口和催化剂入口；其中，所述旋风分离器A连通至所述颗粒移动床的进气口；
所述煤热解反应器热解油气出口连接分离净化系统热解油气入口，所述分离净化系统气体出口连接重整变换系统气体入口，所述重整变换系统气体出口连接气基竖炉气体入口。
2.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，进一步包括焦油精制系统，所述焦油精制系统包括热解油入口和焦油出口，所述分离净化系统包括液体出口；所述分离净化系统液体出口连接所述焦油精制系统热解油入口。
3.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，所述颗粒移动床进一步包括隔板，所述隔板布置在所述两个壁板之间并且与所述侧面板相对，由此在所述隔板、所述两个壁板和所述侧面板之间形成第一气室，所述隔板为多孔板。
4.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，所述颗粒移动床进一步包括滤板，所述滤板布置在所述两个壁板之间并且与所述热解油气出口相对，由此在所述滤板、所述两个壁板和所述壁板的固定部位之间的侧壁之间限定出第二气室，所述滤板为多孔板。
5.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，所述煤热解反应器进一步包括燃气入口，所述煤热解反应器燃气入口连接所述分离净化系统气体出口。
6.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，所述分离净化系统包括：旋风分离器B、初冷塔、鼓风机、电捕焦油器、脱硫塔、脱氨塔、洗苯塔和气柜；
其中，所述旋风分离器B气体入口连接煤热解反应器热解油气出口，所述旋风分离器B气体出口连接初冷塔气体入口，所述初冷塔气体出口连接鼓风机气体入口，所述鼓风机气体出口连接电捕焦油器气体入口，所述电捕焦油器气体出口连接脱硫塔气体入口，所述脱硫塔气体出口连接脱氨塔气体入口，所述脱氨塔气体出口连接洗苯塔气体入口，所述洗苯塔气体出口连接气柜气体入口。
7.根据权利要求1所述的煤热解反应器与气基竖炉联用系统，其特征在于，所述重整变换系统包括：精细脱硫塔、重整塔、变换塔和脱碳装置；
其中，所述精细脱硫塔气体入口连接分离净化系统气体出口，所述精细脱硫塔气体出口连接重整塔气体入口，所述重整塔气体出口连接变换塔气体入口，所述变换塔气体出口连接脱碳装置气体入口，所述脱碳装置气体出口连接所述气基竖炉气体入口。
8.一种利用权利要求1～7任一所述系统处理煤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将破碎后的原料加入所述煤热解反应器中，使原料发生热解反应，热解反应产生热解油气和热解半焦；
将所述热解油气收集至所述旋风分离器A，然后送入所述颗粒移动床，催化剂经所述催化剂入口进入所述颗粒移动床，对所述热解油气进行除尘、降温，所述热解油气在所述催化剂作用下继续裂解，热解油气中的大分子组分分解成小分子气体，获得高品质热解油气；
将所述高品质热解油气经所述热解油气出口送入所述分离净化系统，获得热解气和热解油，然后将所述热解气送入所述重整变换系统处理，获得还原气；
将所述还原气送入所述气基竖炉。
9.根据权利要求8所述处理煤的方法，其特征在于，将所述分离净化系统产生的热解油送入所述焦油精制系统，获得高品质油品。
10.根据权利要求8所述处理煤的方法，其特征在于，将所述分离净化系统产生的部分热解气作为燃料送入所述煤热解反应器。
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