CN111253971A

CN111253971A - 一种低阶煤中水资源利用的方法和系统

Info

Publication number: CN111253971A
Application number: CN201811456341.4A
Authority: CN
Inventors: 冯政涵; 蒋贤武; 李荣辉; 陈锋江; 周海炳
Original assignee: Zhejiang Tianlu Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Tianlu Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明提供了一种低阶煤中水资源利用的方法，低阶煤通过烘干工艺得到烘干后的低阶煤和废气，烘干后的低阶煤再通过气化还原工艺处理得到提质煤和油气混合物；废气依次经第一除尘工艺和压缩工艺处理后得到煤粉和过热蒸汽，提质煤与过热蒸汽和O₂反应制得包含CO和H₂的合成气；油气混合物依次第二除尘工艺和油气冷却工艺处理，得到废水；将废水、煤粉与水煤浆添加剂混合，得到水煤浆；所述气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后的低阶煤进行加热的化学反应工艺。本发明中的方法和系统，充分回收了低阶煤中的水资源，回收率高，解决了现有低阶煤中水分回收不足和污染环境的问题；本发明的系统设备简单，易操作，多为现有设备，运行成本较低。

Description

一种低阶煤中水资源利用的方法和系统

技术领域

本发明涉及煤物质清洁利用技术领域，尤其涉及一种低阶煤中水资源利用的方法和系统。

背景技术

在我国已探明的煤炭储量中一半以上为低阶煤，其中蕴藏的挥发分相当于1000亿吨的油气资源。低阶煤是燃烧时火焰较长而有烟的煤，煤化程度较低的煤。低阶煤中含碳量为75％-90％，不含游离的腐殖酸，大多数具有粘结性，发热量较低，燃烧时火焰长而多烟，多数能结焦，所含挥发物的含量约10％-40％。低阶煤主要具有高水分、高挥发性的物质特性，典型煤种为褐煤。我国富煤少油缺气，如何高效利用低阶煤成为当今清洁煤技术的重大课题。无论是燃烧发电，还是现代煤化工利用，都因为其高水、高灰和低热值的三大特性使其综合利用的效率极低，而且因为高灰和高水分使常规技术遇到一定的操作障碍。

低阶煤中的水分一般分为自由水和结合水。干燥是低阶煤作为锅炉燃料、气化原料、直接液化原料、热解原料或其他深加工原料的第一步。干燥既是满足下游加工工艺要求的需要，也是降低整个项目能耗和下游装置投资的需要。干燥过程中产生的大量水蒸气一般随着烘干产生的废气或空气混合一起直接排入大气，这样会加重环境污染。而干燥通常只能除去低阶煤中大部分的自由水，很难除掉低阶煤中的结合水。然而，考虑到低阶煤中水含量较高，而且在富产低阶煤的地区水资源往往非常珍贵，若能有效回收低阶煤中宝贵的自由水和结合水资源，对缓解现代煤化工工业发展与水资源短缺的矛盾具有重要的实际意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种低阶煤中水资源利用的方法和系统，既能回收低阶煤中大量的自由水又能回收其中的结合水，回收率高，解决了现有低阶煤中水分回收不足和污染环境的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种低阶煤中水资源利用的方法，低阶煤通过烘干工艺得到烘干后的低阶煤和废气，所述烘干后的低阶煤再通过气化还原工艺处理得到提质煤和油气混合物；

所述废气依次经第一除尘工艺和压缩工艺处理后得到煤粉和过热蒸汽，所述提质煤与过热蒸汽和O₂反应制得包含CO和H₂的合成气；

所述油气混合物依次第二除尘工艺和油气冷却工艺处理，得到废水；将所述废水、煤粉与水煤浆添加剂混合，得到所述水煤浆；

所述气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后的低阶煤进行加热的化学反应工艺。

本发明中优选采用粉状的低阶煤作为原料，便于提高烘干的效率，烘干一般只能除去低阶煤中大部分的自由水，而不能除掉低阶煤中的结合水，因此，低阶煤通过烘干工艺处理后得到烘干后的低阶煤和废气，所得烘干后的低阶煤依然含有一定量的水分，这部分剩余的水分可利用后续的气化还原工艺中气化变成水蒸气；在烘干的过程中同时会有一部分小粒度的低阶煤以煤粉的形式进入废气中，原料低阶煤的粒度越小，废气中的煤粉越多，废气直接排放不仅污染了环境，也浪费了煤资源，因此通过第一除尘工艺捕获回收烘干工艺后的废气中的煤粉具有重要的经济价值，经第一除尘工艺处理后剩余的气体进入压缩工艺处理得到过热蒸汽；经第一除尘工艺处理可回收废气中95％以上的煤粉；烘干后的低阶煤进入气化还原工艺发生反应得到高温的油气混合物和带有一定温度的提质煤；气化还原工艺采用的无氧或微氧环境主要分以下几种情况：(1)、原料低阶煤内部的空隙，物料与物料之间的空隙夹带的空气；(2)从气化还原工艺的进料口、出料口等泄露混入的少量空气；(3)、在爆炸极限值以下，气化还原工艺内可以稍微通入占煤炭质量百分比5％的O₂或者(空气)，进一步优选通入占煤炭质量百分比3％的O₂或者(空气)，有利于提高气化还原反应的温度、防止结焦等，而且同时保证了整个气化还原工艺反应的安全稳定性；优选烘干后的低阶煤在无氧环境进行气化还原反应，避免了烘干后的低阶煤在进入气化还原工艺反应过程中与氧气发生燃烧反应，生成大量不能燃烧的CO₂，从而保证得到的高温的油气混合物中CO₂等的体积百分较小，有利于后续制备高能量密度的合成气，而且工艺步骤少，简单易操作，以使得反应能够安全进行；从气化还原工艺得到提质煤自身具有一定的温度，潜热较大；最后将提质煤与过热蒸汽和O₂反应后得到包含CO和H₂的合成气，合成气中的有效气体CO和H₂的体积百分比的总和较大，合成气的热值高；烘干后的低阶煤中剩余的水分以水蒸气的形式先颈进入高温的油气混合物，油气混合物中含有CO、H₂、CO₂、烃类、灰尘、水蒸气、煤焦油和含硫化合物等；油气混合物先过第二除尘工艺除尘后再通过油气冷却工艺处理使大量的水蒸气和煤焦油冷却变成液态油水混合物，油水不互溶，即可得到废水；将废水、水煤浆添加剂和煤粉混合制成可流动的溶液，即可得到水煤浆。本发明中，充分回收了低阶煤中的水资源，废水再利用解决了废水达标排污问题，也节约了水资源。

优选的，所述烘干工艺采用水蒸汽间接烘干，所述水蒸汽的压力为0.3-1.5Mpa，所述水蒸汽的温度为105-250℃，所述烘干工艺的出口物料含水率不超过7wt％，所述烘干工艺的出口物料温度为50-150℃。若低阶煤中含有大量的水分，会导致气化还原反应过程中耗热量大。烘干工艺的烘干介质可为烟气或者水蒸气，烘干可分为直接烘干和间接烘干。当利用烟气作为烘干介质时，虽然烟气与低阶煤直接接触的烘干效率是最高的，但是采用烟气进行烘干时要严格控制烘干工艺环境中氧气的体积百分比在爆炸极限以下，以防止爆燃，烟气间接烘干的效率也并不理想，因此为了生产安全和烘干效率，优选水蒸气烘干。水蒸气直接烘干有可能导致水蒸气与低阶煤反应消耗资源，因此采用水蒸气间接烘干低阶煤的烘干方式，以防止水蒸气中的水分进入低阶煤中。另外，烘干过程中如果水蒸气压力过大、温度过高，容易导致在烘干过程中低阶煤中部分挥发分会逃逸出来，一方面挥发分的逸出会带来安全隐患，另一方面会影响后续气化还原工艺的产气量，因此烘干过程中烘干蒸汽压力不易过大，以保证既能达到烘干效果，又可以使低阶煤中的挥发分不被气化。

优选的，所述气化还原工艺的反应温度为350-800℃，在此温度下，烘干后的低阶煤中的大部分挥发分和水蒸气从低阶煤中逸出，从而得到较多的含有水蒸气的油气混合物。

优选的，所述煤粉的粒度小于1mm。煤浆制备首先要将煤粉进行细磨，由于本发明所采用的原料为烘干工艺过程中产生的废气中的煤粉，经第一除尘工艺可回收废气中95％以上的煤粉，煤粉粒度一般小于3mm,优选粒度小于1mm的煤粉作为后续制作水煤浆的原料，将煤粉，与废水，添加剂混合，不经研磨处理，即可得到水煤浆，节省工艺步骤，而且大大降低了磨煤机的成本，提高了磨煤机的使用寿命。再进一步优选，粉煤粒径≤50μm的煤粉。

优选的，所述烘干工艺和气化还原工艺之间还设有气化进料工艺，所述烘干后的低阶煤经所述气化进料工艺处理分散为状后再进入所述气化还原工艺，采用这样的工艺可以增大烘干后的低阶煤受热面积，有利于加快气化还原反应，使得烘干后的低阶煤中的挥发分和水分充分气化。

上述任一项使用所述的方法的系统，包括烘干装置、气化还原装置、第一除尘装置、压缩装置、气化炉、第二除尘装置、油气冷却装置和水煤浆混合装置，所述烘干装置通过气化进料装置与所述气化还原装置连接，所述烘干装置的出料口与所述第一除尘装置连接，所述第一除尘装置与所述压缩装置连接，所述压缩装置、气化还原装置均与气化炉连接；所述气化进料装置的上端与第二除尘装置连接，所述第二除尘装置与所述油气冷却装置连接，所述油气冷却装置和第一除尘装置均与水煤浆混合装置连接。

低阶煤进入烘干装置中烘干，得到烘干后的低阶煤和废气，废气中包含大量的煤粉，废气从烘干装置的出料口经第一除尘装置处理捕获收集煤粉，经第一除尘装置处理后剩余的气体进入压缩工艺得到过热蒸汽；烘干后的低阶煤经气化进料装置分散城均匀颗粒后输送至气化还原装置中进行气化还原反应，反应后得到包含大量水蒸气的油气混合物和带又一定温度提质煤；提质煤和过热蒸汽输送至气化炉中，再通入O₂，反应后得到包含CO和H₂的合成气；油气混合物中的水蒸气从气化进料装置的上端进入第二除尘装置种除尘后再进入油气冷却装置冷凝后得到液态的废水；最后，将废水、水煤浆添加剂和煤粉在水煤浆混合装置内混合以最终得到水煤浆。

优选的，所述气化还原装置为可旋转的卧式反应釜，进一步优选所述气化还原装置为360°可旋转的卧式反应釜，所述卧式反应釜外部设有第一加热机构，所述卧式反应釜内部设有第二加热机构。采用这种结构可以保证烘干后的低阶煤在卧式反应釜多角度翻转，增大烘干后的低阶煤的受热面积，使得烘干后的低阶煤在卧式反应釜的内部和外部同时受热，有利于加快气化还原反应。

优选的，所述压缩装置为蒸汽压缩机，蒸汽压缩机将除尘装置处理后得到的主要包含水蒸气加压升温，从而得到过热蒸汽。

优选的，所述油气冷却装置包括喷淋冷却塔和油水分离器。油气混合物中含有大量的煤焦油和水蒸气，喷淋冷却塔可将煤焦油和水蒸气降温冷凝成液态的煤焦油和废水，由于油水不互溶，再通过油水分离器可将煤焦油和废水分离开来。

优选的，所述水煤浆混合装置包括混合罐和搅拌器。将计重后的煤粉加入一定量的废水、水煤浆添加剂在混合罐中混合，利用搅拌器搅拌均匀，得到产品水煤浆。由于本发明所采用的煤粉为烘干装置过程中产生的废气中的煤粉，气流所带出来的煤粉，粒径小，颗粒度均匀，可以大大节省磨浆机设备的成本和延长使用寿命；搅拌的目的使煤份、水与添加剂充分混合，提高水煤浆的稳定性，而且在搅拌过程中使煤浆受强剪切力处理，加强了添加剂与煤粉表面的相互作用，改善了浆体的流动性。

基于以上技术方案，本发明中的方法和系统，将低阶煤烘干过程中废气中的水分和煤粉回收；烘干后的低阶煤气化还原产物油气混合物中的水分回收；利用烘干过程中的水分与提质煤制备合成气，合成气的热值高；利用煤粉和油气混合物中的水分制备水煤浆；充分回收利用低阶煤中的水资源，回收率高，解决了废水难处理的难题；本发明的系统设备简单，易操作，多为现有设备，运行成本较低，工艺简单，安全性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中低阶煤中水资源利用的方法的流程示意图；

图2为本发明中低阶煤中水资源利用的系统结构图；

图3为本发明实施例中气化进料装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中气化还原装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中气化还原装置的主视局部剖视图。

附图标记：1、卧式反应釜，2、进料口，3、出料口，4、驱动机构，41、齿环，42、托轮，43、电机，44、传动齿轮，5、第一加热机构，51、加热器，52、加热箱，53、加热管道，54、加热出气口，6、第二加热机构，7、导流板，9、动静密封装置，10、气化还原装置，11、气化进料装置，111、螺旋叶片，112、气化电机，100、烘干装置，200、第一除尘装置，300、压缩装置，400、气化炉，500、第二除尘装置，600、油气冷却装置，700、合成气存储罐，800、水煤浆混合装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

如图1-5所示，本发明公开了一种低阶煤中水资源利用的方法，低阶煤通过烘干工艺得到烘干后的低阶煤和废气，所述烘干后的低阶煤再通过气化还原工艺处理得到提质煤和油气混合物；

本发明的原料低阶煤可以是粉煤也可以是块煤，当低阶煤采用块煤时，对过大块煤可以通过破碎、筛分处理以获得粒度较小的粉煤。优选采用粉煤作为原料，一方面是因为粉煤无需再经破碎、筛分处理，节省工艺步骤，烘干时受热面积大，烘干效率高，另一方面是粉煤相对块煤价格低廉，优选采用粒度小于20mm的粉煤，再进一步优选采用粒度小于6mm的粉煤。

低阶煤中挥发分含量一般为20％-55％，焦油的含量为3％-15％左右，固定碳的含量为30％-60％、水的含量为10％-40％，剩余为灰尘等其他杂质。为了充分利用低阶煤中的水资源，优选水的含量为25％-40％之间的低阶煤。

水煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料，既保留了煤的燃烧特性，又具备了类似重油的液态燃烧应用特点，是目前我国一项现实的洁净煤技术。它由65-70％的煤、29-34％的水喝小于1％的化学添加剂，经过一定的加工工艺制成，其外观像油，流动性好，储存温度(一般3-6个月不沉淀)，运输方便，燃烧效率高，污染物(SO₂、NO_X)排放低，约2t水煤浆可以替代1t燃油，可在工业锅炉、电站锅炉和工业窑炉等代油或煤、气燃用；也可通过气化技术制备CO和H₂，是制备甲醇等的必备合成气。

水煤浆添加剂主要包括降粘分散剂与稳定剂。其中分散剂最为重要，它直接影响水煤浆的质量和制备成本。1)分散剂：煤炭的表面具有强烈的疏水性，与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。在制浆中加入少量的分散剂改变煤粒的表面性质，使煤粒表面紧紧地为添加剂分子和水化膜包围，让煤粒均匀地分散水中，并提高水煤浆的流动性，用量约为煤的1％。一般来说，分散剂是一种表面活性剂。常用的表面活性剂有磺酸盐型分离子表面活性剂(如木质素磺酸盐茶磺酸盐、烯基磺酸盐等)、聚氧乙烯刑非离了表面活性剂、水溶性高分子f聚合物以及阴离子表面活性列与非离子表面活性剂的复配物。2)稳定剂：水煤浆毕竟是一种由固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结。在重力或其他外加质量力作用下，发生沉淀是不可避免的。为防止发生硬沉淀，必需加入少量的稳定剂。稳定剂有两方面的作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当水煤浆静止存放时有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。

烘干一般只能除去低阶煤中大部分的自由水，而不能除掉低阶煤中的结合水，因此，低阶煤通过烘干工艺处理后得到烘干后的低阶煤和废气，所得烘干后的低阶煤依然含有一定量的水分，这部分剩余的水分可在后续的气化还原工艺中气化变成水蒸气。若低阶煤中含有大量的水分，会导致气化还原反应过程中耗热量大，因此，本发明的技术方案首选对低阶煤通过烘干工艺进行处理先除掉低阶煤中的一部分水分。烘干工艺的烘干介质可为烟气或者水蒸气，烘干可分为直接烘干和间接烘干。当利用烟气作为烘干介质时，虽然烟气与低阶煤直接接触的烘干的效率是最高的，但是采用烟气进行烘干时要严格控制烘干工艺环境中氧气的体积百分比在爆炸极限以下，以防止爆燃，烟气间接烘干的效率也并不理想，因此为了生产安全和烘干效率，优选水蒸气烘干。水蒸气直接烘干容易有可能导致水蒸气混入与低阶煤中，不仅造成了反应煤资源的消耗资，有降低了烘干效率，因此采用水蒸气间接烘干低阶煤的烘干方式，以防止水蒸气中的水分进入低阶煤中。另外，烘干过程中如果水蒸气压力过大，水蒸气带来的温度过高容易导致在烘干过程中，低阶煤中部分挥发分会逃逸出来，一方面挥发分的逸出会带来安全隐患，另一方面会影响后续气化还原工艺的产气量，因此烘干过程中烘干蒸汽压力不易过大，以保证既能保证烘干效果，又可以保证低阶煤中的挥发分不被气化。因此，优选的，烘干工艺采用水蒸汽间接烘干，水蒸汽的压力为0.3-1.5Mpa，水蒸汽的温度为105-250℃，在此工艺条件下可以最大化的降低低阶煤中的含水率，甚至可以使得从烘干工艺的出料口排出的低阶煤中的含水量降低至7wt％以下，此时大部分的水分伴随着煤粉从低阶煤中逸出，并且以水蒸气的形式进入烘干后产生的废气中，烘干工艺的出口物料温度为50-150℃；再进一步优选，当水蒸气的压力为0.6-1.2Mpa，水蒸气的温度为120-200℃时，烘干后低阶煤的含水率将降低至6wt％以下，烘干工艺的出口物料温度为80℃-130℃。

本发明的烘干工艺可以为一级，也可以为多级，因为如果一级烘干工艺后低阶煤的含水率仍然达不到工艺的要求，可以采用二级烘干、三级烘干工艺等多级烘干继续进一步干燥，直到烘干后低阶煤的含水率符合工艺条件为止。另外，多级烘干工艺可以串联设置也可以并联设置，采用多级烘干工艺串联时可以加强干燥效果，并联时可以增大烘干工艺的处理量，因此根据实际生产工艺的需求，对多级烘干工艺是串联还是并联或者串联并联同时的设计，可以根据实际情况进行调整，只要能达到相同的技术效果即可，具体的，比如，当烘干工艺的进料量以20-30t/h的低阶煤计，可采用一级蒸汽烘干工艺；当烘干工艺的进料量以50-70t/h的低阶计，可采用二级蒸汽烘干工艺，这样更经济合理些。

在烘干的过程中同时会有一部分小粒度的低阶煤以煤粉的形式进入废气中，原料低阶煤的粒度越小，废气中的煤粉越多，废气直接排放不仅污染了环境，也浪费了煤资源，因此通过第一除尘工艺回收烘干工艺后的废气中的煤粉具有重要的经济价值。经第一除尘工艺可回收废气中95％以上的煤粉，煤粉粒度一般小于3mm，优选粒度小于1mm的煤粉作为后续制作水煤浆的原料，以减少对水煤浆中大颗粒物质的研磨工艺，提高了研磨机的使用寿命和效率。

废气经第一除尘工艺处理后剩余的气体进入压缩工艺得到过热蒸汽。

通过烘干工艺烘干后的低阶煤进入气化还原工艺进行反应，在烘干后的低阶煤进入气化还原工艺前还可以增设气化进料工艺，以便将烘干后的低阶煤快速进入气化还原装置，增大物料的表面积，有利于加快气化还原反应。

其中，气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后的低阶煤进行加热的化学反应工艺。烘干后的低阶煤输送至气化还原工艺，在烟气等加热介质的加热下，反应过程中无需加入添加剂等其他物质，温度一般为350℃-800℃，压力≤30Kpa下发生复杂化学反应的过程，得到固态的碳和高温的油气混合物，固态的碳即为带又一定温度的提质煤，提质煤的温度在350-800℃，提质煤中的挥发分一般为8-15wt％。高温的油气混合物为包含CO、H₂、CO₂、烃类、煤焦油、灰尘和含硫化合物等的多杂质气体。

其中，气化还原工艺采用的无氧或微氧环境主要分以下几种情况：(1)、原料低阶煤内部的空隙，物料与物料之间的空隙夹带的空气，这部分的空气中的O₂在气化还原工艺中高温的环境下立即与煤反应生成CO₂或CO；(2)从气化还原工艺的进料口、出料口等泄露混入的少量空气，这部分空气的氧气，这部分微量的O₂在气化还原工艺中高温的环境下立即与煤反应生成CO₂或CO；(3)、在爆炸极限值以下，气化还原工艺内可以稍微通入占煤炭质量百分比5％的O₂或者(空气)，这种操作具有以下优点：①可提高气化还原工艺内的温度和能量利用率；②提高了炭的转化率；③防止煤结焦；④少量O₂与低阶煤不完全燃烧产生了更多的CO，为后续带来了更多的合成气。由于气化还原工艺内部温度较高，通入的少量O₂瞬间会发生氧化反应(包括燃烧反应)，很多可燃物的燃点都在气化还原反应的反应温度以下。因CO与空气混合爆炸限为12％～74.2％；H₂爆炸值为4％-75％。O₂占空气比例为21％。折算后纯氧的爆炸极限上值为6％左右。通过理论测算，100kg的煤会产生约80Nm³的CO和H₂。所以，通入占煤炭质量百分比5％的O₂是安全的；再进一步优选，通入占煤炭质量百分比3％的O₂，以确保整个气化还原工艺反应的安全稳定性。但是，当气化还原反应的温度满足工艺要求时，也可以不通入氧气，优选烘干后的低阶煤在无氧环境进行气化还原反应，以使得反应能够安全进行。

其中，气化还原工艺可以为一级，也可以为多级。当采用一级气化还原工艺时，主要是为了得到大部分高温的油气混合物，温度的高低直接影响后续产气量、提质煤的产量和一级提质煤的温度，气化还原工艺的反应温度为350℃-800℃，提质煤中的挥发分含量为3-8wt％，进一步优选，气化还原工艺的反应温度为400-750℃；再进一步优选450-700℃。当采用多级气化还原工艺时，多级气化还原工艺主要作用是把上一级气化还原工艺内的无法气化的固体物质(包括气化后的粉煤，固体杂质等)，一定量的无法在一定停留时间内气化的类似沥青等高沸点油状物继续气化和停留时间短来不及析出或者温度达不到酚类化合物、芳香烃化合物等的缩聚反应条件，继续反应气化，有利于提高气体产量和提质煤的品质。

除了保证气化还原工艺的温度合理之外，同时也得保证气化还原工艺内一定的停留时间，停留时间太短，挥发分还未完全逸出气化，影响气体产量的同时，更多的影响提质煤的质量；停留时间太长，虽然产品得到了保证，但产量跟不上，所以保持一个合理的气化还原反应停留时间对产品产量和质量的至关重要。由于原料低阶煤的品种不同，一般气化还原工艺内物料的停留时间为30min-4h。

本发明中优选采用两级气化还原工艺，烘干工艺烘干后的物料先进入一级气化还原工艺再进入二级气化还原工艺，烘干后的低阶煤先进入一级气化还原工艺得到一级气体和一级固体，一级固体再进入二级气化还原工艺继续气化得到二级气体和二级固体，二级固体即为提质煤；一级气化还原工艺的进料温度为80℃-120℃，出气温度为180℃-550℃，反应温度为450℃-650℃，出料温度为350℃-600℃；二级气化还原工艺的进料温度为350℃-600℃，出料温度为450℃-750℃，反应温度为550℃-800℃，出气温度为450℃-700℃。当采用两级气化还原工艺时，主要是为了使大部分挥发分完全气化掉，既能得到大量的气体又能得到挥发分更低的提质煤，其中提质煤中的挥发分含量为3-8wt％。

将上述提质煤和过热蒸汽及O₂反应，即可得到包含CO和H₂的合成气，由于提质煤中的挥发分较少，所以合成气中的杂质气体少，合成气中H₂和CO体积百分比大于75-95％，热值高；提质煤带有一定的温度，温度在350-800℃，含有很高的潜热，煤气化的温度一般为800-1300℃，大大降低了反应所需要的热量，通入O₂和少量的提质煤反应稍微供热即可达到反应温度；制备合成气的过程中不仅利用了低阶煤中的煤资源，还利用了其自身的水资源，而且反应能耗低。

由于烘干工艺不能完全将低阶煤中的水分除去，能除去的一般为低阶煤中的自由水，而低阶煤中的节水很难通过烘干而去除，因此从气化还原工艺得到高温的油气混合物中含有大量的水蒸气，高温的油气混合物先通过第二除尘工艺除尘后再进入油气冷却工艺得到冷却的油水混合物，因为油和水不互溶，即得到废水和煤焦油。因为烘干后的低阶煤经过气化还原反应以后的得到高温油气中的灰分大部分都是灰尘，含有的煤粉含量很少，这部分灰尘进入产生油水混合物中大量的污泥，使得油水混物变得粘稠导致分离的废水的量减少，因此需要第二除尘工艺以出去高温的油气中的大量的灰尘，以获得大量的废水。

水煤浆是一种新型、高效、清洁的煤基燃料，是燃料家庭的新成员，它是由65％-70％的煤，29-34％左右的水和约1％的化学添加剂制成的混合物。水煤浆具有石油一样的流动性，热值相当于油的一半，被称为液态煤炭产品。水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧、添加剂等关键技术，是一项涉及多门学科的系统技术，水煤浆具有燃烧效率高、污染物排放低等特点，可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代气、代煤燃烧，是当今洁净煤技术的重要组成部分。

在本发明中，将上述废水，煤粉与水煤浆添加剂溶液混合，即可得到水煤浆。

如图2-5所示，本发明同时提供了一种利用废水制水煤浆的系统，包括烘干装置100、气化还原装置10、第一除尘装置200、压缩装置300、气化炉400、第二除尘装置500、油气冷却装置600和水煤浆混合装置800，所述烘干装置100通过气化进料装置11与所述气化还原装置10连接，所述烘干装置100的出料口与所述第一除尘装置200连接，所述第一除尘装置200与所述压缩装置300连接，所述压缩装置300、气化还原装置10均与气化炉400连接；所述气化进料装置11的上端与第二除尘装置500连接，所述第二除尘装置500与所述油气冷却装置600连接，所述油气冷却装置600和第一除尘装置200均与水煤浆混合装置800连接。

当原料低阶煤为粉煤时，低阶煤可以直接经螺旋输送装置、履带等输送装置输送进入烘干装置100烘干。当低阶煤为块煤时，大颗粒需要采用破碎机破碎、筛分机筛分后获得较小粒度的低阶煤，再输送装置进入烘干装置100烘干。

其中，烘干装置100包括滚筒、输送装置、多个贯穿滚筒的加热管和驱动机构，滚筒上设有进料口、出料口和出气口，低阶煤从进料口进入滚筒，驱动机构用以驱动滚筒转动，加热介质如水蒸气等通过加热管与滚筒中的低阶煤间接传热，滚筒内壁设有扬料板，扬料板沿滚筒内壁环绕分布，加热管纵横交替地分布在滚筒内部，滚筒可以水平布置或倾斜布置，滚筒倾斜布置时，滚筒与水平面设置成一定的斜度，滚筒设有出料口的一端处于低位，保证滚筒前端的高度高于滚筒后端的高度，烘干后的低阶煤可在自身重力的作用下自动传输从出料口排出，烘干后的低阶煤经输送装置进入后续的气化还原装置10，这里的输送装置优选密封的输送装置，以防止外界空气在输送过程中混入烘干后的低阶煤，消耗煤资源；烘干过程中产生的扬尘、水蒸气等废气从滚筒的出气口排出；进一步优选的，滚筒的出气口和滚筒的出料口为同一个，即为烘干后的低阶煤和包含煤粉的废气分别冲滚筒的的出料口排出，即为烘干后的低阶煤和废气分别冲滚筒的的出料口排出。

从烘干装置100的出料口排出的废气进入第一除尘装置200。第一除尘装置200为除尘器，设置在烘干装置的出料口，主要是为了除掉废气中大量的扬尘并将这部分扬尘收集起来。除尘器包括布袋除尘器、重力除尘器和旋风除尘器等中的一种或几种，可除掉费用中大量的灰尘。优选的，本发明中采用袋式除尘器。袋式除尘器最大的优点是除尘效率高，达99.99％以上，排放气体中的扬尘浓度可达10mg/m³以下，且分级效率也很高，对2.5μm以下的微细颗粒物也有很好的捕集效率，因此得到广泛的应用。在进一步优化系统，在除尘器的后端，安装引风机，将把烘干装置100内的废气和除尘器内的气体靠引风机负压带动。引风机的型号及风机选型需根据滚筒内的煤烘干能力而定。引风机可选用市售常规引风机，符合生产能力即可。

从第一除尘装置200的出气口得到的气体主要为水蒸气，水蒸气进入压缩装置300得到过热蒸汽。压缩装置300为蒸汽压缩机。蒸汽压缩机是对蒸汽通过压缩作用而提高蒸汽温度和压力的关键设备，用来将低压(或低温)的蒸汽加压升温，以达到工艺或者工程所需的温度和压力要求。

通过烘干装置100处理后的低阶煤再经过气化进料装置11与气化还原装置10连接，气化进料装置11为螺旋输送装置，烘干后的低阶煤从烘干装置100的出料口经气化进料装置11后再进入气化还原装置10的进料口，此时的气化进料装置11既是烘干后物料的输送装置，使得烘干后的低阶煤能够进一步在气化还原装置10呈分散的均匀颗粒，受热均匀便于发生气化还原反应；又提高了烘干后的低阶煤进入气化还原装置10内时的温度。

其中，如图3所示，气化进料装置11包括气化进料腔和设置在所述气化进料腔内的螺旋叶片111、以及驱动螺旋叶片111转动的气化电机112，螺旋叶片111的横截面不大于气化进料腔的内径横截面。

气化进料装置11可设置在气化还原装置10的出料口3或者进料口2处。气化进料装置11的上端与后续的油气冷却装置300连接，当气化进料装置11设置在气化还原装置10的出料口3处时，烘干后的低阶煤经输送装置进入气化还原装置10，气化还原装置10产生的油气混合物经出料口3先进入气化进料装置11上端再进入后续的第二除尘装置500，然后气化还原装置10内产出的提质煤从出料口3经气化进料装置11输送至下一系统，气化进料装置11仅仅是气化还原反应后的油气混合物输送通道和提质煤的输送装置。

当气化进料装置11设置在气化还原装置10的进料口2处时，一方面烘干后的低阶煤通过气化进料装置11输送并气化分散成悬浮的均匀颗粒后再进入气化还原装置10的进料口2，同时气化还原装置10产生的油气混合物经进料口2先进入气化进料装置11上端再进入后续的第二除尘装置500，高温的油气混合物与烘干后的低阶煤在气化进料装置11内发生热交换，有利于提高烘干后的低阶煤进入气化还原装置10的温度，因此，气化进料装置11既是烘干后物料的输送装置，使得烘干后的低阶煤在气化还原装置10呈分散的均匀颗粒，受热均匀便于发生反应；又提高了烘干后的低阶煤进入气化还原装置10的温度。因此优选，气化进料装置11设置在气化还原装置10的进料口2处。

为了进一步增加密封性，在气化进料腔和气化还原装置10的进料口2外侧设置金属补偿器和动静密封装置9，以增加气化进料装置11与气化还原装置10之间的密封性和连接稳定性。

如图4-5所示，气化还原装置10为可旋转的卧式反应釜1，进一步优选360°可旋转的卧式反应釜1，气化还原装置10包括360°可旋转的卧式反应釜1、第一加热机构5以及驱动所述卧式反应釜1旋转的驱动机构4，所述第一加热机构5与所述卧式反应釜1连接以对所述卧式反应釜1内的烘干后的低阶煤加热；所述卧式反应釜1设置有出料口3和进料口2，烘干后的低阶煤从所述进料口2进入，气化还原反得到的提质煤通过设置在所述卧式反应釜1内的导流板从所述出料口3产出，卧式反应釜1内产生的油气混合物从所述进料口2排出。

驱动机构4包括设置在卧式反应釜1一端外周面的齿环41、与齿环41啮合的托轮42、传动齿轮44和电机43，电机43驱动传动齿轮44转动，进一步带动托轮42转动，以再次带动齿环41与卧式反应釜1旋转，这里需要说明的是，驱动机构4也可以是别的装置，只要能够达到相同的技术效果即可。

所述卧式反应釜1的旋转为360°旋转，从而可以使得其内部的烘干后的低阶煤时刻处于转动状态，以增大烘干后的低阶煤与第一加热机构5所提供的加热介质的受热面积，有利于加快烘干后的低阶煤的气化还原反应，其中，第一加热机构5通过传递加热介质对卧式反应釜1内的烘干后的低阶煤进行持续加热并持续发生气化还原，使得烘干后的低阶煤能够最大限度的产生油气混合物和提质煤，从而在利用最少的加热资源的同时产生最多的煤炭能源利用价值。

所述第一加热机构5包括加热器51和加热箱52，所述加热器51通过加热管道53与所述加热箱52连接，所述加热箱52套设在所述卧式反应釜1外侧且与卧式反应釜1通过动静密封装置9连接。采用这样的结构设计，防止加热介质外泄提高能量利用率，并最终通过加热出气口54将加热介质排出，使得第一加热机构5与卧式反应釜1形成相对独立的两套机构，因此可以根据实际的生产场景，更好的布置整个系统的场地占用空间，同时也可以使得加热介质能够与卧式反应釜1内的低阶煤进行持续的热交换，为了增加第一加热机构5的稳定性，可以对第一加热机构5固定设置，比如第一加热机构5可以固定在地面上或者支架上。进一步地优选的，加热箱52外部设有保温棉等保温装置，防止第一加热机构5的温度降低。进一步地优选的，加热管道53可以为多根，多根加热管道53从卧室反应釜1的不同位置通入加热介质并加热出气口54将换热利用后的加热介质排出，加快气化还原反应的速率。

其中，卧式反应釜1内部设有第二加热机构6，使得卧式反应釜1内部受热均匀。进一步地，第二加热机构6通过控制烟气等加热介质的流速、温度和压力等将卧式反应釜1内的烘干后的低阶煤均匀加热；第一加热机构5从卧式反应釜1的外部将烘干后的低阶煤加热，从而实现加热介质在卧式反应釜1内外的流动，使得烘干后的低阶煤能够随着卧式反应釜1旋转的同时接触到大量的热量，以更好的进行气化还原反应，提高气化还原反应的效率和速率。

其中，导流板7为单螺旋结构和/或双螺旋结构，通过倾斜布置且呈螺旋结构和/或单螺旋结构的导流板7设置，将卧式反应釜1内的烘干后的低阶煤不断的进行气化还原的同时将产生的提质煤运送至出料口3排出，再配合着卧式反应釜1的旋转，使得低阶煤在通过导流板7运送的过程中能够更加充分的进行气化还原反应，其中，导流板7分为导流钢板和导流不锈钢板，可采用单螺旋结构或双螺旋结构，也可单、双结合的螺旋导流结构进行导流，采用这样的结构设计，在卧式反应釜1旋转的过程中，使得卧式反应釜1内的烘干后的低阶煤在螺旋导流板7的作用下向出料口3移动，加快卧式反应釜1内经气化还原反应后产品提质煤的排出。

气化还原装置10设置为至少为一级。根据需要可以设置至少一级的卧式反应釜，以对低阶煤进行更加充分完全的气化还原，同时亦可以增加气化还原低阶煤的进料量，同时360°可旋转的卧式反应釜可以使得其内部的烘干后的低阶煤始终处于运动状态，以更加全面均匀的受热。其中，本发明中优选卧式反应釜包括一级卧式反应釜和二级卧式反应釜，所述一级卧式反应釜和二级卧式反应釜之间通过密封的输送装置连接，这里的输送装置为气化进料装置11。烘干后的低阶煤从一级卧式反应釜反应后的一级气体和一级固体，一级气体从气化进料装置11的上端进入后续的第二除尘装置500，一级固体经气化进料装置进入二级卧式反应釜中继续反应得到二级气体和二级固体，二级固体即为提质煤，二级气体从气化进料装置11的上端进入后续的第二除尘装置500。

优选的，二级卧式反应釜的容量小于所述一级卧式反应釜的容量。当烘干后的低阶煤通过一级卧式反应釜的气化还原之后，会产生一定量的油气混合物，此时剩余的固体煤的量将会大大减少，那么将二级卧式反应釜的容量进行减少之后，即可以更好的满足剩余固体煤的再次气化还原，因此这样的设计，更加合理和充分的利用了装置的容量，并节省了占地空间，提高了系统的合理性。

其中，当低阶煤通过一级卧式反应釜的气化还原之后，提质煤中的挥发分含量8-15wt％，当低阶煤通过二级卧式反应釜的气化还原之后，提质煤中的挥发分含量为3-8wt％。具体和反应温度、低阶煤的种类有关，主要因素决定于反应温度。

其中，卧式反应釜1内部还设有多个无线温度控制器。无线温度控制器用于监测卧式反应釜1内的温度，并将温度信号传送给后台或警报装置，以便工作人员实时监控气化还原反应的进行情况，提高了气化还原反应的可控性以及反应的安全性。当设备出料口3温度还没达到指定温度时，温度传感器通过信号输送传送给电脑及警报装置，提醒工作人员，这是说明产品还没达到合格要求，这时候采取措施主要如下，卧式反应釜1可以反转，使快到出料口3的固体物料再次进入卧式反应釜1充分反应，延长停留时间，同时继续加热，卧式反应釜1反转时间为30min-4h不等，然后卧式反应釜1正转，待固体物料进入出料口3时，观察温度传感器是否报警，如果报警，卧式反应釜1再反转，如此重复，保证产品合格下线。如果温度传感器显示温度达标，反应后的固体物质即提质煤进入出料口3，经输送装置输送从卧式反应釜1的出料口排出。

带有一定温度的提质煤从气化还原装置10的出料口经输送装置直接输送至进入气化炉400，这里的输送装置采用密封的螺旋输送，主要是防止提质煤由于自身的潜热太高，与空气接触会使提质煤燃烧消耗。螺旋输分为有轴输送和无轴输送，本发明中采用无轴输送。如果提质煤的粒度较大，直接将提质煤输送至气化炉400中容易导致堵塞，因此为了进一步优化系统，可以增设筛分装置筛分后得到较小粒度的提质煤，再将较小粒度的提质煤输送至气化炉400中进行反应。气化炉400包括固定床、循环流化床和气流床。固定床是以10-50mm的块煤为原料；流化床以小于10mm的碎煤为原料；气流床以小于0.1mm的粉煤为原料。本发明优选采用粉状低阶煤为原料，因此优选采用流化床气化。气化炉400的供热方式分为外热式和内热式两种。外热式属间接供热，煤气化时的吸热反应所需的热量由外部供给；内热式气化是指在气化床内燃烧掉一部分原料，因此获得热量供另一部分燃料的气化吸热反应的需要，本发明所述的提质煤带有一定的温度，温度在350-800℃，含有很高的潜热，煤气化的温度一般为800-1300℃，大大降低了反应所需要的热量，因此，本发明优选内热式气化。在气化炉400内提质煤悬浮分散在垂直上升的气流中，在沸腾状态进行，先通入上诉所得的过热蒸汽与一部分提质煤燃烧供热，再通入上述过热蒸汽使得过热蒸汽与提质煤在高温下生成CO和H₂，工艺条件易于控制，可提高气化效率，能耗低。

所述的煤炭气化是用水蒸汽与氧气对煤进行热加工，所得到的可燃性气体，又称水煤气，也是本发明所述的合成气，主要成分为H₂和CO，制备的合成气存入合成气存储罐700中。

高温的油气混合物从气化进料装置11的上端进入第二除尘装置500中除掉灰尘，第二除尘装置500包括重力除尘装置、旋风分离装置和电除尘装置中的一种或几种。第二除尘装置500可以用保温棉等保温，尽量使油气混合物的温度下降不至于太快，如果温度下降的太快，柴油等易冷却成液滴形成液体，导致煤焦油粘附在第二除尘装置500内造成堵塞。

通过第二除尘装置500除尘后的气体进入油气冷却装置600，油气冷却装置600包括喷淋冷却塔和油水分离器，喷淋冷却塔利用冷却后的工业废水或者是重油等冷却介质使得高温的油气混合物中的焦油和水蒸气冷却后转变成液态的油水混合物从而使得油水与气体分离开来，不凝气体从喷淋冷却塔的出气口排出；油气分离系统为油水分离器，油水混合物进入油水分离器，将冷却后油水混合物中的油和水分离开来，得到煤焦油和废水，废水分别进入煤焦油罐和废水罐。通过以上工艺步骤可回收油气混合物中80-95％的水分，水分的回收率高。

最后将废水、水煤浆添加剂和煤粉输送至在煤浆混合装置800内混合以最终得到水煤浆，其中水煤浆混合装置800主要包括混合罐和搅拌器。煤粉经称重后经输送装置至混合罐，加入一定量的废水，为了控制粘度及保持煤浆的稳定性加入添加剂，并通过搅拌器搅拌均匀，即可得到水煤浆。所得水煤浆可以直接燃烧当燃料用，也可以送至气化工艺，生产包含CO和H₂的合成气等。

进一步优化系统，水煤浆混合装置800还包括研磨机，煤粉、废水和水煤浆添加剂在混合罐中混合并通过搅拌器搅拌器，搅拌均匀后，在通过研磨机研磨，以便得导匀质的水煤浆；进一步优化系统，水煤浆混合装置800还包括虑浆装置，虑浆装置可除去在制浆过程中出现的粗颗粒和混入浆体的某些杂物，以防止水煤浆在储运和燃烧过程中堵塞管路和喷嘴。

综上所述，本发明中的方法，将低阶煤烘干过程中废气中的水分和煤粉回收；烘干后的低阶煤气化还原产物油气混合物中的水分回收；利用烘干过程中的水分与提质煤制备合成气，合成气的热值高；利用煤粉和油气混合物中的水分制备水煤浆；充分回收利用低阶煤中的水资源，回收率高，解决了废水难处理的难题；本发明的系统设备简单，易操作，多为现有设备，运行成本较低，工艺简单，安全性更高。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种低阶煤中水资源利用的方法，其特征在于：低阶煤通过烘干工艺得到烘干后的低阶煤和废气，所述烘干后的低阶煤再通过气化还原工艺处理得到提质煤和油气混合物；

2.如权利要求1所述的一种低阶煤中水资源利用的方法，其特征在于：所述烘干工艺采用水蒸汽间接烘干，所述水蒸汽的压力为0.3-1.5Mpa，所述水蒸汽的温度为105-250℃，所述烘干工艺的出口物料含水率不超过7wt％，所述烘干工艺的出口物料温度为50-150℃。

3.如权利要求1所述的一种低阶煤中水资源利用的方法，其特征在于：所述气化还原工艺的反应温度为350-800℃。

4.如权利要求1所述的一种低阶煤中水资源利用的方法，其特征在于：所述煤粉的粒度小于1mm。

5.如权利要求1所述的一种低阶煤中水资源利用的方法，其特征在于：所述烘干工艺和气化还原工艺之间还设有气化进料工艺，所述烘干后的低阶煤经所述气化进料工艺处理分散为悬浮状后再进入所述气化还原工艺。

6.一种使用如权利要求1-5中任一项所述方法的系统，其特征在于：包括烘干装置、气化还原装置、第一除尘装置、压缩装置、气化炉、第二除尘装置、油气冷却装置和水煤浆混合装置，所述烘干装置通过气化进料装置与所述气化还原装置连接，所述烘干装置的出料口与所述第一除尘装置连接，所述第一除尘装置与所述压缩装置连接，所述压缩装置、气化还原装置均与气化炉连接；所述气化进料装置的上端与第二除尘装置连接，所述第二除尘装置与所述油气冷却装置连接，所述油气冷却装置和第一除尘装置均与水煤浆混合装置连接。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述气化还原装置为360°可旋转的卧式反应釜，所述卧式反应釜外部设有第一加热机构，所述卧式反应釜内部设有第二加热机构。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述压缩装置为蒸汽压缩机。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述油气冷却装置包括喷淋冷却塔和油水分离器。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述水煤浆混合装置包括混合罐和搅拌器。