CN106479577A - 一种煤炭分质梯级利用的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤炭分质梯级利用的系统和方法。该系统包括热解单元、油气分离净化单元、加氢气化单元以及电石冶炼单元；热解单元包括煤粉与钙基原料混合物料入口、荒煤气出口和高温混合粉料出口，热解单元使用的装置为无热载体蓄热式下行床；油气分离净化单元设有荒煤气入口、循环冷却水入口、循环冷却水出口、轻油出口、净煤气出口以及重质焦油出口；加氢气化单元包括煤粉喷嘴、净煤气喷嘴、焦油喷嘴、焦渣出口以及油气出口；所述电石冶炼单元包括高温混合粉料入口、氧气喷嘴、电石炉气出口和电石出口。本发明通过工艺耦合，将煤粉与钙基原料在预热炉内热解产生的油气产品以及热解固体进行有效利用，实现了煤炭的分质梯级利用。
Description
技术领域
本发明属于化工技术领域，尤其涉及一种煤炭分质梯级利用的系统和方法。
背景技术
中国已探明的煤炭储量中，中低阶煤炭占比55％以上，而中低阶煤炭中含有较高的挥发分，若直接利用会造成资源的浪费，因此通过工艺耦合实现中低阶煤炭的分质梯级利用是中低阶煤炭高效清洁利用的重要途径。煤热解是在一定的温度、绝氧环境下对煤进行加热，从而使煤中的挥发份分解，产生热解固体、热解气和焦油的过程，是实现煤炭分质梯级利用的关键步骤。
现有技术中报道，粉状的中低阶煤与粉状生石灰混合压球后经旋转床热解可得高温活性球团，直接热送进电石炉进行电石生产，可实现煤热解与电石生产工艺的耦合，不仅能充分利用热解固体的显热，生产低成本电石，且副产大量高附加值的油气产品。重要的是，氧化钙的存在，可大大提高热解气中氢气的含量。但在该专利中，电石生产采用电热法，因此在热解前必须对中低阶煤粉和生石灰进行成型，导致工艺流程长、成型过程成本高等问题，且未涉及到热解产生的高温油气的利用方式。
与此同时，煤加氢气化是指使原煤粉与含氢反应气体在高温、高压条件下(800℃～1000℃，3MPa～8MPa)反应生成富含甲烷的气体以及轻质油品的过程。与传统的煤气化相比，煤加氢气化具有工艺简单、热效率高、污染小的特点，因而受到广泛地关注和应用。但是，氢气的价格昂贵，寻找氢气的可替代气氛成为许多研究者的关注点；同时，目前的加氢气化炉一般采用冷却水进行激冷，导致产生大量的废水。
发明内容
本发明旨在通过工艺耦合，将煤粉与钙基原料在预热炉内热解产生的油气产品以及热解固体进行有效利用，提高系统热利用率的同时，真正实现煤炭的分质梯级利用。
为实现上述目的，本发明提出了一种煤炭分质梯级利用的系统，包括热解单元、油气分离净化单元、加氢气化单元以及电石冶炼单元；其中，
所述热解单元包括煤粉与钙基原料混合物料入口、荒煤气出口和高温混合粉料出口，所述热解单元用于煤粉与钙基原料的高温热解；所述热解单元使用的装置为无热载体蓄热式下行床，所述无热载体蓄热式下行床内部设置多层蓄热式辐射管；
所述油气分离净化单元设有荒煤气入口、循环冷却水入口、循环冷却水出口、轻油出口、净煤气出口以及重质焦油出口，所述荒煤气入口和所述荒煤气出口相连，所述油气分离净化单元用于对荒煤气进行处理得到净煤气、重质焦油和轻质焦油；
所述加氢气化单元包括煤粉喷嘴、净煤气喷嘴、焦油喷嘴、焦渣出口以及油气出口，所述净煤气喷嘴和所述净煤气出口相连，所述焦油喷嘴与所述重质焦油出口相连；在所述加氢气化单元，所述重质焦油用作激冷剂，所述净煤气作为氢源与煤发生加氢气化反应；
所述电石冶炼单元包括高温混合粉料入口、氧气喷嘴、电石炉气出口和电石出口，所述高温混合粉料入口和所述高温混合粉料出口相连，所述电石冶炼单元用于对热解产生的高温混合粉料进行冶炼。
具体地，所述油气分离净化单元使用的装置为水喷淋装置。所述加氢气化单元使用的装置是气化炉。所述电石冶炼单元使用的装置为气流床。
进一步地，所述净煤气喷嘴个数为偶数个，对称排列在煤粉喷嘴的四周。
每层所述蓄热式辐射管围绕下行床四周平行且均匀分布，每个所述蓄热书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且沿所述下行床的本体高度方向上错开分布。
具体地，所述水喷淋装置内的冷却水入口管上设置有多个喷嘴，所述喷嘴交错排列，所述冷却水入口管垂直方向上设有挡板，且所述挡板的低端位于所述净煤气出口的下方。
进一步地，所述系统还包括保温输送装置，所述高温混合粉料入口通过保温输送装置与所述高温混合粉料出口相连，所述高温输送装置为保温桶或保温链板。
本发明还提供一种煤炭进行分质梯级利用的方法，其特征在于，包括步骤：
A.热解：将煤粉与钙基原料送入所述热解单元进行高温热解，得到煤热解产物荒煤气及高温混合粉料；
B.油气分离净化：将所述荒煤气送入所述油气分离净化单元进行水喷淋降温除尘处理，将得到的气体输至所述加氢气化单元，得到的液体经油水分离后得到的所述重质焦油喷入所述气化炉；
C.加氢气化：在所述加氢气化单元以所述净煤气作为氢源与煤发生加氢气化反应，得到富甲烷气和轻质焦油；以所述重质焦油作为煤加氢气化的激冷剂，在冷却气化合成气的同时进行二次裂解；
D.电石生产：在所述电石冶炼单元将热解产生的所述高温混合粉料进行冶炼，得到液态电石及电石炉气。
具体地，将所述热解单元的热解温度控制在550-800℃，热解时间即物料由炉顶落至炉底的时间为6s-10s。
作为优选的实施方案，将所述煤粉与所述钙基原料的粒度均控制为≤6mm。
具体地，将所述加氢气化单元反应温度控制为800-1000℃，气化时间小于2s。
作为优选的实施方案，将所述电石冶炼单元反应温度控制在1750-2000℃。
本发明通过工艺耦合，将煤粉与钙基原料在预热炉内热解产生的油气产品以及热解固体进行有效利用，提高系统热利用率的同时，真正实现煤炭的分质梯级利用。本发明利用粉状煤与钙基原料在快速热解炉内共热解所得热解气品质高、含氢量高的优势，将其作为煤加氢气化的氢气来源，降低氢气来源的成本；热解产生的固体混合物料可直接热送进气流床，采用氧热法进行电石生产，降低电石生产的能耗；同时，直接利用热解产生的焦油作为加氢气化炉的激冷剂，减少废水产生的同时，将重质焦油再次裂解得轻质焦油。实现了热解产品的高效利用。
采用本发明的系统和方法，取得了以下效果：
(1)热解过程、加氢气化过程以及电石生产过程均以粉状中低阶煤和钙基原料为原料，原料成本低、物料接触面积大、反应速率快。同时，煤粉快速热解过程中因为钙基原料的催化作用，使得热解气中的氢气含量显著提高，有利于其作为加氢热解反应的氢源；
(2)采用无热载体蓄热式下行床对钙基原料和煤粉混合物料进行热解，不仅可以提高热利用率，还可提高热解气体的品质；
(3)热解产生的荒煤气经净化后作为加氢热解单元的氢气来源，可显著降低加氢气化反应中氢源的成本；
(4)热解产生的焦油经冷却后无需预处理直接作为激冷剂喷入加氢气化反应炉，在降低气化反应产物温度的同时，发生加氢裂解反应，充分利用加氢气化反应产物的显热，并提高焦油的附加值；
(5)热解产生的高温混合粉料经密闭保温输送装置，直接入气流床，可充分利用热解固体的显热，进一步降低电石生产的能耗；
(6)热解后混合粉料在气流床内采用氧热法生产电石，省掉电热法生产过程所需的成型工段，缩短工艺流程、降低电石生产温度。
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
图1是本发明的生产工艺流程图；
图2是本发明的生产系统示意图。
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。
本发明提出了一种中低阶煤分质梯级利用的方法，如图1，包括以下步骤：
第一步：煤粉与钙基原料共热解：即将煤粉与钙基原料混合物料通过皮带输送机送入快速热解炉，高温热解得到荒煤气及高温混合粉料；其中，快速热解炉为蓄热式无热载体下行床；煤粉与钙基原料的粒度均≤6mm；热解温度为550-800℃，热解时间即物料由炉顶落至炉底的时间，大约6s-10s；
第二步：油气分离净化：热解产生的荒煤气进入油气分离净化单元，经过水喷淋降温除尘后的净煤气被输送并喷入加氢气化炉内与煤粉混合，进行加氢气化反应；喷淋后的油水混合物经油水分离后，焦油被作为激冷剂喷入气化炉，水循环利用；
第三步：煤粉加氢气化：以净化单元送来的净煤气作为氢源，与煤粉发生加氢气化反应，得到富甲烷气和轻质焦油。加氢气化的反应器为气化炉；气化温度为800-1000℃；气化时间小于2s；
第四步：电石生产：预热炉热解产生的高温固体粉料经保温密闭输送装置送入气流床，在气流床内加热到1750-2000℃，冶炼制得液态电石及电石炉气。
本发明提出了一种实现中低阶煤分质梯级利用的系统，如图2：
本发明所描述的实现中低阶煤分质梯级利用的系统由粉料快速热解单元1、油气分离净化单元2、加氢气化单元3、高温固体输送单元4以及氧热法电石冶炼单元5组成。
混合粉料快速热解单元1的装置可以是无热载体蓄热式下行床，包括煤粉与钙基原料混合物料入口11、荒煤气出口12和热解固体出口13；所述煤粉与生石灰混合物料入口通过皮带输送机与强力混料机相连(未画出)；所述强力混料机分别通过皮带输送机与煤粉及钙基原料的储仓相连(未画出)。
所述无热载体蓄热式下行床内部设置多层蓄热式辐射管，每层所述蓄热式辐射管围绕下行床四周平行且均匀分布，每个所述蓄热书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且沿所述下行床的本体高度方向上错开分布。
油气分离净化单元2的装置可以是水喷淋装置，设有荒煤气入口21、循环冷却水入口22、循环冷却水出口23、轻油出口25、净煤气出口26以及重质焦油出口27；
所述荒煤气入口21与预热炉热解单元1的荒煤气出口12相连；所述冷却水入口管上设置有多个喷嘴24；所述喷嘴的方向交错排列，以保证冷却水与荒煤气的充分接触；所述喷淋塔内与冷却水入口管垂直方向设置挡板，且挡板的低端位于净煤气出口26的下方，进一步保证冷却水与荒煤气的充分接触；
加氢气化单元3的装置可以是气化炉，设有煤粉喷嘴31、净煤气喷嘴32、焦油喷嘴33、油气出口34以及焦渣出口35；所述净煤气喷嘴32与油气分离净化单元2的净煤气出口26相连；所述焦油喷嘴33与所述油气分离净化单元2的重质焦油出口27相连；所述净煤气喷嘴32的个数为偶数，对称排列在煤粉喷嘴31的四周，便于净煤气与煤粉进行充分的混合；所述焦油喷嘴33的个数为偶数，对称排列在气化炉四周；
高温固体输送单元4的装置是密闭保温罐或密闭保温输送链板。保温材料的耐温温度为900℃以上；
电石冶炼单元5的装置可以是气流床，设有高温混合粉料入口51、富氧气体喷嘴52、电石炉气出口53和电石出口54；所述高温混合粉料入口51与密闭保温输送装置4的出口相连。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
利用本发明的系统，将粒度小于6mm的粉状中低阶煤粉和电石渣用皮带输送机送入无热载体蓄热式下行床。混合粉料从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为700℃，从而获得荒煤气和高温混合粉料；出炉荒煤气在水喷淋塔内进行除尘、净化、分离，获取净煤气、轻质焦油以及重质焦油；其中的净煤气通过喷嘴喷入加氢气化炉，与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合，并在850℃下进行加氢气化反应，获取富甲烷气和轻质焦油，净化分离后做进一步利用；重质焦油通过喷嘴喷入气化炉，作为加氢气化反应的激冷剂，对反应产生的富甲烷气及半焦进行降温，降温后温度在500-650℃左右，同时重质焦油发生加氢裂解反应，产生热解气和轻质焦油，与加氢热解反应的油气产品混合处理；轻质焦油输出后直接净化储存；混合物料在下行床内热解产生的高温热解粉料经密闭保温输送设备加入气流床，在氧气与部分煤粉反应产生的高温下发生反应，反应温度为1850℃下产生电石。
实施例2
本实施例与上述实施例1所用系统一样，但工艺条件不同，如下所述。将粒度小于6mm的粉状中低阶煤粉和生石灰粉用皮带输送机送入无热载体蓄热式下行床。混合粉料从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为800℃，从而获得荒煤气和高温混合粉料；出炉荒煤气在水喷淋塔内进行除尘、净化、分离，获取净煤气、轻质焦油以及重质焦油；其中的净煤气通过喷嘴喷入加氢气化炉，与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合，并在800℃下进行加氢气化反应，获取富甲烷气和轻质焦油，净化分离后做进一步利用；重质焦油通过喷嘴喷入气化炉，作为加氢气化反应的激冷剂，对反应产生的富甲烷气及半焦进行降温，降温后温度在500-650℃左右，同时重质焦油发生加氢裂解反应，产生热解气和轻质焦油，与加氢热解反应的油气产品混合处理；轻质焦油输出后直接净化储存；混合物料在下行床内热解产生的高温热解粉料经密闭保温输送设备加入气流床，在氧气与部分煤粉反应产生的高温下发生反应，反应温度为1950℃下产生电石。
实施例3
本实施例与上述实施例1所用系统一样，但工艺条件不同，如下所述。将粒度小于6mm的粉状中低阶煤粉和石灰石用皮带输送机送入无热载体蓄热式下行床。混合粉料从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为550℃，从而获得荒煤气和高温混合粉料；出炉荒煤气在水喷淋塔内进行除尘、净化、分离，获取净煤气、轻质焦油以及重质焦油；其中的净煤气通过喷嘴喷入加氢气化炉，与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合，并在1000℃下进行加氢气化反应，获取富甲烷气和轻质焦油，净化分离后做进一步利用；重质焦油通过喷嘴喷入气化炉，作为加氢气化反应的激冷剂，对反应产生的富甲烷气及半焦进行降温，降温后温度在500-650℃左右，同时重质焦油发生加氢裂解反应，产生热解气和轻质焦油，与加氢热解反应的油气产品混合处理；轻质焦油输出后直接净化储存；混合物料在下行床内热解产生的高温热解粉料经密闭保温输送设备加入气流床，在氧气与部分煤粉反应产生的高温下发生反应，反应温度为2000℃下产生电石。
实施例4
本实施例与上述实施例1所用系统一样，但工艺条件不同，如下所述。将粒度小于6mm的粉状中低阶煤粉和石灰粉用皮带输送机送入无热载体蓄热式下行床。混合粉料从下行床的顶端入口依靠重力作用向下运行，并在下行过程中在蓄热式辐射管的加热下发生热解，热解温度为600℃，从而获得荒煤气和高温混合粉料；出炉荒煤气在水喷淋塔内进行除尘、净化、分离，获取净煤气、轻质焦油以及重质焦油；其中的净煤气通过喷嘴喷入加氢气化炉，与煤粉喷嘴喷入的煤粉进行充分混合，并在900℃下进行加氢气化反应，获取富甲烷气和轻质焦油，净化分离后做进一步利用；重质焦油通过喷嘴喷入气化炉，作为加氢气化反应的激冷剂，对反应产生的富甲烷气及半焦进行降温，降温后温度在500-650℃左右，同时重质焦油发生加氢裂解反应，产生热解气和轻质焦油，与加氢热解反应的油气产品混合处理；轻质焦油输出后直接净化储存；混合物料在下行床内热解产生的高温热解粉料经密闭保温输送设备加入气流床，在氧气与部分煤粉反应产生的高温下发生反应，反应温度为1750℃下产生电石。
Claims (10)
1.一种煤炭分质梯级利用的系统，包括热解单元、油气分离净化单元、加氢气化单元以及电石冶炼单元；其中，
所述热解单元包括煤粉与钙基原料混合物料入口、荒煤气出口和高温混合粉料出口，所述热解单元用于煤粉与钙基原料的高温热解；所述热解单元使用的装置为无热载体蓄热式下行床，所述无热载体蓄热式下行床内部设置多层蓄热式辐射管；
所述油气分离净化单元设有荒煤气入口、循环冷却水入口、循环冷却水出口、轻油出口、净煤气出口以及重质焦油出口，所述荒煤气入口和所述荒煤气出口相连，所述油气分离净化单元用于对荒煤气进行处理得到净煤气、重质焦油和轻质焦油；
所述加氢气化单元包括煤粉喷嘴、净煤气喷嘴、焦油喷嘴、焦渣出口以及油气出口，所述净煤气喷嘴和所述净煤气出口相连，所述焦油喷嘴与所述重质焦油出口相连；在所述加氢气化单元，所述重质焦油用作激冷剂，所述净煤气作为氢源与煤发生加氢气化反应；
所述电石冶炼单元包括高温混合粉料入口、氧气喷嘴、电石炉气出口和电石出口，所述高温混合粉料入口和所述高温混合粉料出口相连，所述电石冶炼单元用于对热解产生的高温混合粉料进行冶炼。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述油气分离净化单元使用的装置为水喷淋装置；
所述加氢气化单元使用的装置是气化炉；
所述电石冶炼单元使用的装置为气流床。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，
所述净煤气喷嘴个数为偶数个，对称排列在煤粉喷嘴的四周；
每层所述蓄热式辐射管围绕下行床四周平行且均匀分布，每个所述蓄热书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且沿所述下行床的本体高度方向上错开分布。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述水喷淋装置内的冷却水入口管上设置有多个喷嘴，所述喷嘴交错排列，所述冷却水入口管垂直方向上设有挡板，且所述挡板的低端位于所述净煤气出口的下方。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述系统还包括保温输送装置，所述高温混合粉料入口通过保温输送装置与所述高温混合粉料出口相连，所述高温输送装置为保温桶或保温链板。
6.一种用权利要求1-5任一所述系统对煤炭进行分质梯级利用的方法，其特征在于，包括步骤：
A.热解：将煤粉与钙基原料送入所述热解单元进行高温热解，得到煤热解产物荒煤气及高温混合粉料；
B.油气分离净化：将所述荒煤气送入所述油气分离净化单元进行水喷淋降温除尘处理，将得到的气体输至所述加氢气化单元，得到的液体经油水分离后得到的所述重质焦油喷入所述气化炉；
C.加氢气化：在所述加氢气化单元以所述净煤气作为氢源与煤发生加氢气化反应，得到富甲烷气和轻质焦油；以所述重质焦油作为煤加氢气化的激冷剂，在冷却气化合成气的同时进行二次裂解；
D.电石生产：在所述电石冶炼单元将热解产生的所述高温混合粉料进行冶炼，得到液态电石及电石炉气。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述热解单元的热解温度控制在550-800℃，热解时间即物料由炉顶落至炉底的时间为6s-10s。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述煤粉与所述钙基原料的粒度均控制为≤6mm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述加氢气化单元反应温度控制为800-1000℃，气化时间小于2s。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述电石冶炼单元反应温度控制在1750-2000℃。
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