CN109097075A - 一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法。本发明将高温热解产生的富氢焦炉煤气和烟道气作为煤中低温热解的氢源和热源；将中低温热解产生的煤气，一部分利用高温红焦预热作为高温热解工艺的加热原料气；剩余部分用于制氢，作为热解焦油加氢处理的氢源生产高附加值油品。这种优化组合工艺流程简单，可以去除高温炼焦炉中的蓄热室和斜道等装置，省去中低温炼焦工艺中的加热装置，降低投资成本；可以合理利用高温焦炉产生的各种的显热，从而提高了整个热解过程的能效；整个系统实现了氢源自给，热量综合利用，对我国合理的利用各类煤炭资源具有重要意义。

Description

一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法
技术领域
本发明属于煤热解技术领域，涉及一种将煤高温热解与煤中低温热解进行优化组合，综合利用煤热解产物(焦炉煤气，焦油)和热量的热解工艺与附产焦油加氢生产高附加值油品的方法。
背景技术
煤炭是我国重要的能源基础和化工原料，为国民经济发展和社会稳定提供了重要支撑。煤炭也是我国最丰富的能源资源，占我国已探明化石能源资源总量的94％左右，是我国最丰富、最基础的能源资源。而与其他能源资源相比，煤炭也是我国最经济的能源资源。2017年，我国煤炭消费量为35亿吨，预测到2020年全国煤炭消费量将达48亿吨左右。在可预见的未来几十年内，煤炭工业在国民经济中的基础地位将是不可撼动的。因此，高效、清洁的利用煤炭资源是我国煤炭工业未来的发展方向。
煤的热解是指煤在隔绝空气的条件下加热至较高温度而发生的一系列物理变化和化学反应，并生成气体、液体和固体的复杂过程。按热解终温，可将热解分为以制取焦油为目的低温(500-650℃)热解技术，以生产中热值煤气为目的中温(650-800℃)热解技术和以生产高强度冶金焦炭为目的高温(900-1000℃)热解技术。高温热解生产的焦炭90％以上用于冶金工业的高炉炼铁；中、低温热解生产的焦炭，俗称兰炭可用于用于机械工业、铸造、电石生产原料、气化及有色金属冶炼等。热解过程还产生焦炉煤气(占15-18％)和煤焦油(占2.5-4.5％)两种副产品。
煤的热解是一个非常复杂的化学反应及物理变化过程，以自由基反应为主，主要包括裂解和缩聚两大类化学反应。由于热解是在惰性气氛下进行的，是一个缺氢环境，所以生成的自由基碎片容易缩聚生成焦炭，导致焦油产率下降、焦油品质变差。
为了提高焦油产率和焦油的品质，科研人员开发了煤加氢热解工艺技术，如日本的煤快速热解技术(如图1所示)。其中心思想是：利用热解产生的半焦进行气化反应生产富含氢气的合成气，将高温合成气携带的热量作为加氢热解的热源，不仅合理的利用了合成气的显热，而且因为有氢气的存在，抑制了热解过程中的缩聚反应，提高了煤焦油的产率和品质。日本快速热解技术的缺点是需要单独配制半焦气化炉，如果采用氧气作为气化剂，还将配制空分装置。气化工艺对原料的性质也有较高的要求，需要对热解产生的半焦进行全面分析，以确定匹配的气化工艺。因此，无论是采用水煤浆气化技术还是粉煤气化技术，都将显著增加投资成本及工艺过程的复杂性。因此，开发投资成本较低，工艺过程简单的煤加氢热解新工艺是煤热解技术的发展方向。
研究表明，煤焦油中含有大量宝贵的化工原料，成分多达500多种，可广泛用于医药、染料、化肥、合成纤维、橡胶等生产部门。回收这些化工原料，不仅能实现煤的综合利用，而且也可减轻环境污染。但是由于煤焦油中每一种成分的富集程度很低，含量超过1％的成分几乎没有，所以回收这些产品在工业上非常困难，成本很高。因此，在目前的技术条件下，通过成熟的煤焦油加氢技术生产优质马达燃料或调和油是煤焦油综合利用发展的方向。
发明内容
针对上述技术问题，本发明开发了一种将煤高温热解与煤中低温热解进行优化组合，综合利用煤热解产物(焦炉煤气，焦油)和热量的热解工艺与附产焦油加氢生产高附加值油品的方法。本发明创造性的将高温热解产生的富氢焦炉煤气作为煤中低温热解的氢源，燃烧室出来的高温烟道气作为中低温热解的热源，用炭化室出来的红焦加热进入燃烧室的空气和煤气；将中低温热解产生煤气的一部分循环用于高温热解工艺的加热原料气；剩余部分用于制氢，作为热解焦油加氢处理的氢源生产高附加值油品。这种优化组合工艺流程简单，可以去除高温炼焦炉中的蓄热室和斜道等装置，省去中低温炼焦工艺中的加热装置，降低投资成本；可以合理利用高温焦炉产物的显热，引入中低温煤热解反应器中，从而提高了整个热解过程的能效；整个系统实现了氢源自给，热量综合利用，对我国合理的利用各类煤炭资源具有重要意义。
本发明的技术方案是：一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)首先将各种适合高温炼焦的煤进行配煤作业，得到适合高温热解的配合煤原料；
(2)将所述步骤(1)的配合煤填装到高温炼焦炉的炭化室中，加热到900-1050℃进行高温热解反应，得到焦炭及高温焦炉煤气；所述高温炼焦炉主要由燃烧室和炭化室组成；
(3)将所述步骤(2)中的高温焦炉煤气与中低温热解的原料煤进行换热，将高温焦炉煤气中的大部分焦油脱除；脱焦油后的富氢(氢气含量≥50％)的焦炉煤气全部(或者部分)与被加热的中低温热解的原料煤一起引入中低温热解反应器中直接接触，同时被高温炼焦炉出来的高温烟道气加热到500-800℃进行加氢热解反应，得到兰炭及中低温热解煤气；
(4)中低温热解煤气经水冷、空冷脱除焦油，然后将部分(30-50％)空冷后的中低温焦炉煤气和从上述空冷来的热空气与碳化室出来的高温焦炭(红焦)分别进行换热，被加热后的中低温热解煤气和空气一同引入步骤(2)高温炼焦炉的燃烧室进行燃烧反应，为高温热解提供热量；
(5)对所述步骤(4)中剩余的中低温热解煤气(和剩余的高温焦炉煤气一起)通过变压吸附技术(PSA)或重整反应，生产高纯度(≥99.0％)的氢气，作为焦油加氢反应的氢源；
(6)将所述步骤(3)和(4)中产出的焦油与步骤(5)中生产的高纯度氢气引入煤焦油加氢反应器，进行加氢反应，生产高附加值的油品。
进一步的，所述步骤(3)高温炼焦炉出来的高温烟道气加热中低温热解的原料煤后，从中低温热解反应器出来的烟道气经水冷换热后，将剩余热量用于生产水蒸气。
所述步骤(1)中，配煤作业中所用煤种主要为常规炼焦用煤，如气煤，焦煤，瘦煤，肥煤等，可适当配入部分焦渣和/或劣质煤种。
所述步骤(2)中，高温炼焦炉主要由燃烧室和炭化室组成。高温炼焦炉为煤热解常用的设备，传统的高温炼焦炉由炭化室、燃烧室、蓄热室、炉顶、斜道区、基础、烟道等组成。采用本发明的技术，可以省略蓄热室和斜道等装置。煤气在燃烧室内燃烧，从侧面向炭化室提供热量。
所述步骤(3)中，将高温炼焦产生的焦炉煤气作为中低温加氢热解的氢源，将高温炼焦炉产生的烟道气作为中低温加氢热解的热源。采用此工艺可，可以实现氢源和热源的自给，并可以去除中低温加氢热解反应器的加热装置。
所述步骤(3)中，中低温热解反应器根据生产需求，可以为固定床，移动床，流化床及气流床等。
所述步骤(3)中，中低温热解的原料煤主要为：劣质煤、低阶煤、石油沥青、生物质及其它含碳资源。
所述步骤(6)中，煤焦油加氢反应可选固定床反应器、流化床反应器、浆态床反应器等。本发明可以采用现有的煤焦油加氢工艺，将煤焦油(包括高温煤焦油和中低温煤焦油)中的重馏分在催化剂的作用下进行裂解加氢，以此生成柴油、汽油或调和油产品。
本发明的有益效果是：
1、综合利用煤热解产物和显热
本发明创造性的将高温热解与中低温热解进行优化组合，在利用高温热解生产优质冶金焦煤的同时，将高温热解生产的富氢焦炉煤气和烟道气作为中低温热解技术的氢源和热源，同时利用高温红焦将中低温热解产生的一部分热解煤气预热用以作为高温热解的加热气源。将中低温热解生产的另一部分热解煤气通过变压吸附、焦炉煤气重整等技术生产氢气，作为下游煤焦油加氢的氢源，从而通过煤焦油加氢技术生产优质汽油和柴油，实现煤焦油的高附加值利用。整个系统综合利用煤热解产物和显热，实现了氢源自给，热量综合利用，对我国合理的利用各类煤炭资源具有重要意义。
2、提高煤焦油的质量和产量
由于富氢焦炉煤气的氢含量高，作为中低温热解技术的热源和氢源后，通过加氢热解，提高了煤焦油的产量和质量，焦油收率增加50％以上，焦油中苯、酚和萘类含量可达25％以上(可达30％左右)。
3、提高综合经济效益
本发明工艺流程简单，不仅可以提高工艺过程热效率和充分合理利用煤热解产物和热量，还可以省去高温炼焦炉中的蓄热室和斜道等装置，省去中低温炼焦工艺中的加热装置，降低投资成本。该技术有助于我国充分、合理的利用各类煤炭资源，降低投资、操作费用，提高煤热解的综合经济效益。
附图说明
图1为日本煤炭快速热解技术的工艺流程图；
图2为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：工艺流程如图2所示。
(1)首先将高温炼焦用煤，如气煤，焦煤，瘦煤，肥煤及少部分低阶煤按照常规比例进行配煤作业，制备高温热解的配合煤原料；
(2)将所配原料煤在常温下加入高温炼焦炉的炭化室；与此同时，将中低温热解生产并经过脱焦油和换热处理的中低温热解煤气和空气(约1000℃)一起引入高温炼焦炉的燃烧室，点燃中低温热解煤气，将燃烧产生的热量传递给炭化室的配合煤，使煤在隔绝空气的条件下受到来自炉墙和炉底的热流加热，进行热解反应(900-1050℃)；得到红焦(冷却后为优质冶金焦炭)、高温焦炉煤气(冷却后得到高温焦油和脱焦油焦炉气)以及烟道气；
对于高温热解过程，在高温段会发生煤中缩合芳环的进一步缩聚反应，发生二次脱气反应，二次脱气反应生成的气体(即高温焦炉煤气)以H2和CH4为主，其余为CO、CO2等不可避免的气体。因此，高温热解产生的焦炉煤气不仅温度最高，且含氢量也较高，脱焦油后的后的干煤气氢气含量为54％-59％。
(3)自步骤(2)高温碳化室出来的高温焦炉煤气(≥900℃)与低阶煤进行换热，将高温焦炉煤气中的大部分焦油脱除；脱焦油后的富氢的焦炉煤气(200-500℃)全部(或者大部分)与被加热的低阶煤(>200℃)一起引入中低温流化床热解反应器中进行中低温热解，脱焦油的焦炉煤气与低阶煤进行直接接触，并被高温炼焦炉出来的高温烟道气(约1200℃)加热，进行加氢热解反应(热解温度在500-800℃)，得到热焦炭(冷却后为优质兰炭)、中低温热解煤气(冷却后得到中低温焦油和脱焦油的低温热解煤气)；
(4)中低温焦炉煤气经水冷、空冷(空冷换热器)脱除中低温煤焦油，然后将部分(30-50％)空冷后的中低温焦炉煤气和从上述空冷换热器来的热空气与碳化室出来的红焦分别进行换热，被加热到约1000℃，然后被加热的中低温焦炉煤气和空气一同引入步骤(2)高温炼焦炉的燃烧室进行燃烧反应，为高温热解提供热量；
(5)剩余部分的中低温热解煤气去除杂质后(与高温焦炉煤气剩余部分一起)通过变压吸附制氢技术，生产高纯度的氢气；
(6)将高温焦油和中低温焦油与变压吸附生产的氢气一起，引入煤焦油浆态床加氢反应器，进行加氢反应，生产高附加值的油品，如汽油、柴油或调和油等。进入浆态床反应器的煤焦油不需要经过前处理。
(7)从高温炼焦炉燃烧室出来的烟道气(1200℃)为中低温热解提供反应所需要的热量，从中低温热解出来的烟道气经水冷换热后，将剩余热量用于生产高品味水蒸气，冷却后的烟道气经必要的环保处理后放空。
备注：本实施例所采用的高温炼焦炉、流化床热解反应器、浆态床加氢反应器可以采用现有的常用设备，其配煤作业、变压吸附制氢技术、煤焦油加氢反应可以采用现有的常规工艺。

Claims (8)

1.一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)首先将各种高温炼焦的煤进行配煤作业，得到适合高温热解的配合煤原料；
(2)将所述步骤(1)的配合煤填装到高温炼焦炉的炭化室中，加热到900-1050℃进行高温热解反应，得到焦炭及高温焦炉煤气；所述高温炼焦炉主要由燃烧室和炭化室组成；
(3)将所述步骤(2)中的高温焦炉煤气与中低温热解的原料煤进行换热，将高温焦炉煤气中的大部分焦油脱除；脱焦油后的富氢的焦炉煤气全部或者部分与被加热的中低温热解的原料煤一起引入中低温热解反应器中直接接触，并被高温炼焦炉出来的高温烟道气加热到500-800℃进行加氢热解反应，得到兰炭及中低温热解煤气；
(4)中低温热解煤气经水冷、空冷脱除焦油，然后将部分空冷后的中低温焦炉煤气和从上述空冷来的热空气与炭化室出来的高温焦炭分别进行换热，被加热后的中低温热解煤气和空气一同引入步骤(2)高温炼焦炉的燃烧室进行燃烧反应，为高温热解提供热量；
(5)对所述步骤(4)中剩余的中低温热解煤气通过变压吸附技术或重整反应，生产纯度≥99.0％的氢气，作为焦油加氢反应的氢源；
(6)将所述步骤(3)和(4)中产出的焦油与步骤(5)中生产的氢气引入煤焦油加氢反应器，进行加氢反应，生产高附加值的油品。
2.如权利要求1所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(3)高温炼焦炉出来的高温烟道气加热中低温热解的原料煤后，从中低温热解反应器出来的烟道气经水冷换热后，将剩余热量用于生产水蒸气。
3.如权利要求1所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(1)中，配煤作业中所用煤种主要为常规炼焦用煤，适当配入部分焦渣和/或劣质煤种。
4.如权利要求1所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(3)中，中低温热解反应器为固定床、移动床、流化床或者气流床。
5.如权利要求1所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(3)中，中低温热解的原料煤为：劣质煤、低阶煤、石油沥青、生物质及其它含碳资源。
6.如权利要求1所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(6)中，煤焦油加氢反应为固定床反应器、流化床反应器或者浆态床反应器。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，所述步骤(6)高附加值的油品为柴油、汽油或调和油产品。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的一种综合利用煤热解产物、热量的煤热解方法，其特征是，脱焦油后的富氢的焦炉煤气部分与被加热的中低温热解的原料煤一起引入中低温热解反应器，剩余的富氢的焦炉煤气与通过变压吸附技术或重整反应，生产纯度≥99.0％的氢气。
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