CN106995728B - 一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉煤高效清洁制备油气产品的工艺，包括煤料预处理过程、热解过程、气化过程和燃烧过程；所述煤料预处理过程包括干燥工序或干燥及粒度分级工序，其中粒度分级工序用于将原料粉煤分为粗粒粉煤和细粒粉煤；热解过程在热解单元中进行，气化过程在气化单元中进行，燃烧过程在燃烧单元中进行；热解单元采用流化床或回转窑，气化单元采用流化床，燃烧单元采用流化床或流化床和气流床组合；本发明克服了粉煤热解油尘分离难的技术难题，将煤高效地转化为高附加值的油品及化工产品的原料；其碳转化率高，是一种清洁、高效的煤炭资源利用工艺，满足国家政策要求。

Description

一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺

技术领域

本发明涉及煤化工技术领域，尤其涉及一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺。

背景技术

我国能源结构的特点是“缺油、少气、煤炭资源相对丰富”，煤炭在今后一段时期内仍是我国的主要能源。目前国内煤矿普遍采用机采煤，采出煤中粉煤比例约占40％～80％，主要作为燃料使用。煤直接燃烧不仅是二氧化碳排放的主要来源，而且是造成其它各种污染问题的重要原因之一。而粉煤直接气化，煤中高附加值化工产品如芳香类物质、煤焦油并未得到提取，对于石油对外依存度达到60％的国家而言，实际上是一种资源的浪费。因此，以粉煤为主要原料高效、清洁生产液体、气体产品，对于缓解我国石油和天然气资源的不足具有重要的战略意义，在促进国民经济健康发展的同时，必将产生重大的资源和环境效益。

根据煤在不同阶段反应的理化特性将粉煤热解、气化和燃烧技术进行有机结合，是高效、清洁利用低阶粉煤生产液体、气体产品的有效途径。

专利号为CN201410437582.X的中国专利，公开了“一种煤热解与气化的联合生产方法”，该方法包括：(1)从原料煤中分离出粗煤粉和细煤粉；(2)将所述粗煤粉以流化床的方式进行热解，得到煤焦油和半焦；(3)将热解所产生的半焦以流化床的方式进行气化，得到气体物流和高温半焦，从所述气体物流中分离出产物气体和固体颗粒，并将至少部分高温半焦和/或至少部分产物气体返回所述热解过程中，用作所述热解过程的热源；(4)将步骤(1)中分离出的所述细煤粉和步骤(3)中分离出的所述固体颗粒进行粉煤气化。该方法首先将粉煤划分为粗煤粉和细煤粉，粗煤粉利用流化床热解和流化床气化耦合技术，气化介质为水蒸气和氧气；细煤粉采用熔渣气化炉，气化介质为富氧气体或水蒸气与纯氧的混合气体；其采用的流化床粉煤气化技术的特点是粉煤以氧气水蒸气为气化剂连续造气，但飞灰量大且飞灰中残碳含量高(20％～30％)，同时煤灰中残碳含量也较高(5～40％)，即存在上吐下泻的问题。该方法中采用流化床气化时的气化原料是半焦，但同样会存在气化飞灰量大，灰中残碳含量较高的问题；另外其流化床热解采用高温半焦作为热源，即采用了固体热载体的方式，存在油尘无法分离的问题。

专利号为CN201310331116.9的中国专利，公开了“一种粉煤流化床加氢热解与气化耦合方法”，其包括以下步骤：步骤一，粉煤流化床加氢热解炉的热源是来自气化炉的合成气，氢源由两部分组成：一部分是合成气中的氢气；另一部分是系统生成的气体经提纯所制得的氢气；步骤二，加氢热解生成的固体半焦大部分通过导焦管直接进入半焦料斗，小部分粒度小的半焦和热解气一起进入旋风分离器，经旋风分离器分离后得半焦也进入半焦料斗内；步骤三，气化炉的原料是来自加氢热解的所得半焦，半焦和气化剂按一定比例在气化反应器内进行气化反应，生成高温的合成气，高温合成气作为流化床加氢热解炉的热源和氢源。该方法采用流化床热解粉煤，因未对粉煤进行分级，存在油尘难以分离的问题。另外采用流化床进行热解、气化时，细粉因快速被吹出，会存在气化飞灰量大，灰中残碳含量较高，碳转化率低的问题。

专利号为CN201210468532.9的中国专利，公开了一种“粉煤组合式循环流化床分级热解气化工艺”，将0～6mm的粉煤和少量石灰石送入组合式循环流化床下中部的携带床反应器与气化煤气和循环灰混合向上提升进行临氢热解，经过气固分离，第一级分离的高温粗半焦返回循环流化床底部，与氧化剂和水蒸气在800～1100℃下反应，生成气化煤气，与循环灰一起向上流动形成物料循环；第二级分离的高温细半焦送到与流化床中下部Y型连通的气流床，在1200～1600℃下反应，生成的高温气和液态灰渣同向旋流斜向下流出气流床，高温气向上升进入循环流化床，为流化床气化提供热量；液态灰渣向下流到湍流流化床的循环灰料层，换热凝固为固体灰渣。此工艺基于一套自主开发的组合式循环流化床设备，将煤的热解和气化在一套设备中实现，没有实现残炭燃烧过程。

专利号为CN201110352145.4的中国专利，公开了“一种三流化床固体热载体煤热解气化燃烧梯级利用的方法”。该方法以高温循环灰为固体热载体，煤在流化床热解炉中与高温循环灰混合，发生热解析出挥发分，挥发分经冷却分离得到焦油和热解煤气，而煤热解所产生的热解半焦则被送到流化床气化炉，以水蒸气和O₂为气化剂，发生气化反应，制取合成气，气化炉中未被完全气化的半焦再被送到循环流化床燃烧炉，鼓入空气进行常规燃烧，或者鼓入O₂/CO₂进行富氧燃烧，加热固体热载体循环灰，同时燃烧产生的高温烟气用于生产气化炉所需的气化剂蒸汽。此发明采用流化床进行煤的热解、半焦气化及残炭燃烧。热解热源采用燃烧后的高温循环灰，流化气采用部分净化后热解煤气；半焦气化热源来自于高温半焦，气化剂采用水蒸气和O₂；残炭燃烧即未被气化的半焦在流化床进行富氧燃烧，热源是燃烧炉中的高温灰，氧化剂采用空气或O₂/CO₂，燃烧后的高温烟气用于生产气化炉所需的蒸气。该方法存在以下问题：1)未对粉煤进行筛分处理，细粉煤在流化床中因快速被吹出，造成飞灰量大且残碳含量高，碳转化率低；2)以高温循环灰为固体热载体，粉煤及高温灰中细小颗粒与热解荒煤气混在一起，同时存在热解荒煤气油尘不分的问题；3)通常情况下流化床气化的灰渣中残碳占比约10～20％,该方法中对于未被气化的半焦在流化床富氧燃烧形成的CO₂没有进行充分利用，只利用了烟气的热量，不利于CO₂减排。

发明内容

本发明提供了一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，克服了粉煤热解油尘分离难的技术难题，将煤高效地转化为高附加值的油品及化工产品的原料；其碳转化率高，是一种清洁、高效的煤炭资源利用工艺，满足国家政策要求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，包括煤料预处理过程、热解过程、气化过程和燃烧过程；所述煤料预处理过程包括干燥工序或干燥及粒度分级工序，其中粒度分级工序用于将原料粉煤分为粗粒粉煤和细粒粉煤；热解过程在热解单元中进行，气化过程在气化单元中进行，燃烧过程在燃烧单元中进行；具体工艺过程如下：

1)热解单元采用流化床或回转窑，热解原料是原料粉煤或经粒度分级后的粗粒粉煤，流化床热源采用来自气化单元的气化气；回转窑热源是来自气化单元的气化气和/或燃烧单元的热废气；

2)气化单元采用流化床，原料是热解单元输出的半焦，热源是热态半焦和燃烧单元的热废气，以上热源提供热量不足的情况下另外通入空气或富氧或纯氧，通过碳燃烧提供气化过程所需的热量；气化剂是水蒸气和燃烧单元产生的热废气；

3)燃烧单元采用流化床或流化床及气流床组合2种工艺方案；

方案一：采用流化床工艺时，流化床的原料和热源是气化单元输出的热态半焦和无机物的混合物及热解单元、气化单元产生的除尘灰，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；

方案二：采用流化床和气流床组合工艺时，流化床的原料和热源是气化单元输出的热态半焦和无机物的混合物，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；气流床的原料是细粒粉煤和热解单元、气化单元及燃烧单元产生的除尘灰，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；

4)热解单元的产品是中高热值煤气和高品质焦油，气化单元的产品是合成气；燃烧单元产生的热废气作为热源、气化剂，或用于生产蒸汽；高温炉渣用于生产蒸汽。

所述细粒粉煤的粒度≤0.5mm。

所述热解单元采用流化床时，粗粒粉煤的最大粒度为6mm；热解单元采用回转窑时，粗粒粉煤的最大粒度为30mm。

所述热解单元中回转窑的加热方式是内热式、外热式或内外混合式。

所述燃烧单元产生热废气的主要成分是CO₂和O₂，热废气作为流化床气化炉的气化剂、热源，回转窑热解炉的热源及蒸汽生成设备的热源。

所述燃烧单元的高温炉渣作为蒸汽生成设备的热源。

所述煤气和合成气分别净化或统一净化后作为化工原料气源。

煤料预处理过程中，当原料粉煤中细粒粉煤的占比≤20％时，仅对原料粉煤进行干燥，干燥后的原料粉煤进入热解单元；当原料粉煤中细粒粉煤的占比＞20％时，对原料粉煤干燥后进行分级，分级得到的粗粒粉煤进入热解单元，细粒粉煤进入燃烧单元气流床。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在原料粉煤中细粒粉煤占比多的情况下将原料粉煤预先分为细粒粉煤和粗粒粉煤，将粗粒粉煤作为流化床热解原料，同时采用高温气化气作为热源，避免了热解炉采用固体热载体时油尘不分的问题，同时解决了细粒粉煤在流化床中因快速被吹出，造成飞灰量大且残碳含量高，碳转化率低的问题；

2)本发明中固体产物为煤灰，基本不含碳，解决了气化灰渣含碳量高的问题，高效利用了煤炭资源；

3)采用富氢的合成气作为粉煤热解传热介质，可提高焦油收率，改善焦油品质，为煤焦油成为石油替代品创造了有利条件；

4)本发明将热态半焦直接气化，热态半焦温度与流化床反应温度接近，与常规技术中将热解半焦冷却后再加热气化的方式相比，降低了能耗，提高了系统的能源利用率；

5)本发明用气化后残碳燃烧的烟气(主要成分为CO₂和氧气)，作为流化床气化炉的气化剂，将残碳燃烧后得到的CO₂转化为CO，并充分利用了燃烧单元废气中的氧气，高效利用了煤炭资源，减少了温室气体CO₂的排放量；

6)利用燃烧得到的高温炉渣生产蒸汽，有效利用了能源。

附图说明

图1是本发明所述一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，包括煤料预处理过程、热解过程、气化过程和燃烧过程；所述煤料预处理过程包括干燥工序或干燥及粒度分级工序，其中粒度分级工序用于将原料粉煤分为粗粒粉煤和细粒粉煤；热解过程在热解单元中进行，气化过程在气化单元中进行，燃烧过程在燃烧单元中进行；具体工艺过程如下：

1)热解单元采用流化床或回转窑，热解原料是原料粉煤或经粒度分级后的粗粒粉煤，流化床热源采用来自气化单元的气化气；回转窑热源是来自气化单元的气化气和/或燃烧单元的热废气；

2)气化单元采用流化床，原料是热解单元输出的半焦，热源是热态半焦和燃烧单元的热废气，以上热源提供热量不足的情况下另外通入空气或富氧或纯氧，通过碳燃烧提供气化过程所需的热量；气化剂是水蒸气和燃烧单元产生的热废气；

3)燃烧单元采用流化床或流化床及气流床组合2种工艺方案；

方案一：采用流化床工艺时，流化床的原料和热源是气化单元输出的热态半焦和无机物的混合物及热解单元、气化单元产生的除尘灰，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；

方案二：采用流化床和气流床组合工艺时，流化床的原料和热源是气化单元输出的热态半焦和无机物的混合物，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；气流床的原料是细粒粉煤和热解单元、气化单元及燃烧单元产生的除尘灰，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；

4)热解单元的产品是中高热值煤气和高品质焦油，气化单元的产品是合成气；燃烧单元产生的热废气作为热源、气化剂，或用于生产蒸汽；高温炉渣用于生产蒸汽。

所述细粒粉煤的粒度≤0.5mm。

所述热解单元采用流化床时，粗粒粉煤的最大粒度为6mm；热解单元采用回转窑时，粗粒粉煤的最大粒度为30mm。

所述热解单元中回转窑的加热方式是内热式、外热式或内外混合式。

所述燃烧单元产生热废气的主要成分是CO₂和O₂，热废气作为流化床气化炉的气化剂、热源，回转窑热解炉的热源及蒸汽生成设备的热源。

所述燃烧单元的高温炉渣作为蒸汽生成设备的热源。

所述煤气和合成气分别净化或统一净化后作为化工原料气源。

煤料预处理过程中，当原料粉煤中细粒粉煤的占比≤20％时，仅对原料粉煤进行干燥，干燥后的原料粉煤进入热解单元；当原料粉煤中细粒粉煤的占比＞20％时，对原料粉煤干燥后进行分级，分级得到的粗粒粉煤进入热解单元，细粒粉煤进入燃烧单元气流床。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

如图1所示，本实施例所述一种粉煤高效清洁制备油气产品的工艺过程如下：

1)将原料粉煤进行预处理，当原料粉煤中细粒粉煤的占比≤20％时，只进行干燥处理，不进行分级；当原料粉煤中细粒粉煤的占比＞20％时，进行干燥和粒度分级，分为粗粒粉煤和细粒粉煤；

2)不经分级的原料粉煤全部进入流化床热解炉；或分级后的粗粒粉煤进入流化床热解炉，细粒粉煤进入气流床燃烧炉；

3)流化床热解炉的热源采用来自流化床气化炉的气化气；原料粉煤/粗粒粉煤在流化床热解炉中发生热解析出挥发分，得到热态半焦；热解气进入到除尘和煤气净化系统，得到液态焦油和煤气；

4)热态半焦进入到流化床气化炉中，气化剂是水蒸气和燃烧单元的热废气，也可通入空气(或富氧或纯氧)，生产出的气化气部分或全部进入到流化床热解炉，剩余气化气进入到除尘系统，净化后得到合成气；

5)气化后的半焦进入到流化床燃烧炉，不设气流床燃烧炉时，步骤3)和步骤4)中除尘系统收集的除尘灰进入到流化床燃烧炉，氧化剂是水蒸汽和富氧或纯氧气体，产生高温烟气进入到流化床气化炉，作为流化床气化炉的气化剂，高温炉渣用于通过高温炉渣冷却器生产蒸汽；

6)分级后的细粒粉煤及步骤3)和步骤4)中除尘系统得到的除尘灰进入到气流床燃烧炉，氧化剂采用水蒸气和富氧或纯氧气体；燃烧得到的高温烟气部分或全部作为流化床气化炉的气化剂，剩余部分高温烟气经过除尘设备后，除尘灰返回到气流床燃烧炉，除尘后的热废气经换热设备用于生产蒸汽；或剩余部分高温烟气直接经过换热设备用于生产蒸汽。

【实施例2】

如图1所示，本实施例所述一种粉煤高效清洁制备油气产品的工艺过程如下：

1)将原料粉煤进行预处理，当原料粉煤中细粒粉煤的占比≤20％时，只进行干燥处理，不进行分级；当原料粉煤中细粒粉煤的占比＞20％时，进行干燥和粒度分级，分为粗粒粉煤和细粒粉煤；

2)不经分级的原料粉煤全部进入回转窑热解炉；或分级后的粗粒粉煤进入回转窑热解炉，细粒粉煤进入气流床燃烧炉；

3)回转窑热解炉热源是流化床气化炉的气化气和/或燃烧单元热废气；煤在回转窑热解炉中发生热解析出挥发分，得到热态半焦；热解气进入到除尘和煤气净化系统，得到液态焦油和煤气；

4)热态半焦进入到流化床气化炉中，气化剂是水蒸气和燃烧单元的热废气，也可通入空气(或富氧或纯氧)，生产出的气化气部分或全部进入到流化床热解炉，剩余气化气进入到除尘系统，净化后得到合成气；

5)气化后半焦进入到流化床燃烧炉，不设气流床燃烧炉时，步骤3)和步骤4)中除尘系统得到的除尘灰进入到流化床燃烧炉，氧化剂是水蒸汽和富氧或纯氧气体，产生的高温烟气进入到流化床气化炉，作为流化床气化炉的气化剂，高温炉渣用于通过高温炉渣冷却器生产蒸汽；

6)分级后的细粒粉煤及步骤3)和步骤4)中除尘系统得到的除尘灰和细粒粉煤进入到气流床燃烧炉，氧化剂采用水蒸气和富氧或纯氧；燃烧得到的高温烟气部分或全部作为流化床气化炉的气化剂，剩余部分高温烟气经过除尘设备后，除尘灰返回到气流床燃烧炉，除尘后的热废气经换热设备用于生产蒸汽；或剩余部分高温烟气直接经过换热设备用于生产蒸汽。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，包括煤料预处理过程、热解过程、气化过程和燃烧过程；所述煤料预处理过程包括干燥及粒度分级工序，其中粒度分级工序用于将原料粉煤分为粗粒粉煤和细粒粉煤；热解过程在热解单元中进行，气化过程在气化单元中进行，燃烧过程在燃烧单元中进行；具体工艺过程如下：

1)热解单元采用回转窑，热解原料是经粒度分级后的粗粒粉煤，回转窑热源是来自气化单元的气化气和/或燃烧单元的热废气；

2)气化单元采用流化床，原料是热解单元输出的半焦，热源是热态半焦和燃烧单元的热废气，以上热源提供热量不足的情况下另外通入空气或富氧或纯氧，通过碳燃烧提供气化过程所需的热量；气化剂是水蒸气和燃烧单元产生的热废气；

3)燃烧单元采用流化床及气流床组合工艺；

流化床的原料和热源是气化单元输出的热态半焦和无机物的混合物，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；气流床的原料是细粒粉煤和热解单元、气化单元及燃烧单元产生的除尘灰，氧化剂是水蒸气和富氧或纯氧气体；

4)热解单元的产品是中高热值煤气和高品质焦油，气化单元的产品是合成气；燃烧单元产生的热废气作为热源、气化剂，或用于生产蒸汽；高温炉渣用于生产蒸汽。

2.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述细粒粉煤的粒度≤0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述粗粒粉煤的最大粒度为30mm。

4.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述热解单元中回转窑的加热方式是内热式、外热式或内外混合式。

5.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述燃烧单元产生热废气的主要成分是CO₂和O₂，热废气作为流化床气化炉的气化剂、热源，回转窑热解炉的热源及蒸汽生成设备的热源。

6.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述燃烧单元的高温炉渣作为蒸汽生成设备的热源。

7.根据权利要求1所述的一种粉煤高效清洁制备油气产品的联合工艺，其特征在于，所述煤气和合成气分别净化或统一净化后作为化工原料气源。

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