CN111253972A - 一种低阶煤的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种低阶煤的处理方法，低阶煤依次通过烘干工艺和气化还原工艺处理得到带温的提质煤和油气混合物，油气混合物经净化工艺得到混合气体和煤焦油，混合气体包含CO、H2和烃类，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，所述气化还原工艺为两级；混合气体经部分烃类重整转化工艺处理得到包含CO和H2的第一合成气，带温的提质煤通过与H2O和O2反应制备包含CO和H2的第三合成气；将第一合成气和第三合成气混合即得合成气。本发明中的处理方法，所得产品种类多，煤焦油的产率高，合成气的产量高且热值高，充分有效地利用了低阶煤中的有效资源。
Description
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的处理方法。
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。低阶煤主要具有高水分、高挥发性的物质特性，在燃烧时火焰较长且有烟，煤化程度较低，典型煤种为褐煤和长焰煤。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。然而无论是燃烧发电，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。
目前低阶煤的利用方式主要是直接燃烧或气化，其中直接燃烧发电是其最常见的利用方式之一，据不完全统计，我国有90％以上的褐煤用于电站锅炉和各种工业锅炉。低阶煤直接燃烧不仅浪费了煤炭中蕴含的丰富油气资源，效率低，而且污染环境，容易造成SOx和NOx等温室气体的大量产生，造成了酸雨等恶劣天气环境。现代煤化工技术以煤气化为技术龙头，通过气化得到化工合成所需的一级原料CO和H2，但是煤气化技术发展至今，尚未形成成熟大规模商业化低阶煤气化技术。现有技术中将低阶煤气化制备CO和H2，通常是将低阶煤热解后得到粗制煤气和提质煤，一般热解是在有大量氧气(或空气)的条件下进行的，热解时一部分煤将于氧气反应用于供热并且产生了大量的CO2。由于CO2不能燃烧，属于无效气体，并且因为有氧燃烧，粗制煤气中含氮量过高，降低了粗制煤气的能量密度，使粗制煤气热值降低，除了回炉燃烧外，热解产出粗制煤气难有其它经济价值，煤炭中油气资源的利用率低。而且因为一部分煤与氧气燃烧供热生成CO2，导致提质煤的量更少，最终用提质煤途径制得的合成气的量少之又少，极大的浪费了低阶煤中的煤资源，而且并无相关集成设备既能够利用低阶煤连续制气、提质和制煤焦油又能够连续化大规模生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种低阶煤的处理方法，通过在无氧或微氧条件下将烘干后的低阶煤气化还原分级分质制备成油气混合物和固体的带温的提质煤，对油气混合物进一步处理得到煤焦油和混合气体，再对混合气体和带温的提质煤分别加以开发与利用制备富含CO和H2的合成气，能耗低，所得产品种类多，煤焦油的产率高，合成气的产量高且热值高，充分有效地利用了低阶煤中的有效资源。
本发明提供了一种低阶煤的处理方法，该处理方法包括以下步骤：低阶煤依次通过烘干工艺和气化还原工艺处理得到带温的提质煤和油气混合物，所述油气混合物经净化工艺得到混合气体和煤焦油，所述混合气体包含CO、H2和烃类，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，所述气化还原工艺为两级；
所述混合气体经部分烃类重整转化工艺处理得到包含CO和H2的第一合成气，所述带温的提质煤通过与H2O和O2反应制备包含CO和H2的第三合成气；
将所述第一合成气和第三合成气混合，即得所述合成气。
烘干工艺将低阶煤中大部分的水分除去，得到烘干后的低阶煤和废气，烘干后的低阶煤先进入一级气化还原工艺再进入二级气化还原工艺，烘干后的低阶煤在一级气化还原工艺反应后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，二级固体即为带温的提质煤，一级气体和二级气体均为高温的油气混合物。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。高温的油气混合物中含有CO、H2、CO2、烃类、灰尘、煤焦油、水蒸气和含硫化合物等，通过每一级气化还原工艺产生的高温的油气混合物分别通过净化工艺除去灰尘、回收煤焦油和含硫化合物等杂质气体，从而得到煤焦油和净化后的混合气体。优选的，将每一级气化还原后的油气混合物净化处理后得到的混合气体混合在一起，再进入重整工艺中；每一级气化还原工艺得到的混合气体主要包含CO、H2和烃类，众所周知，CO和H2可直接作为化工合成的一级原料，烃类则需要重整转化才能生成CO和H2，因此利用重整转化工艺将混合气体中部分烃类重整转化得到包含CO和H2的第一合成气，第一合成气中CO和H2一部分来源于混合气体原有的CO和H2，另一部分来源于部分烃类重整转化得到包含CO和H2，大大提高了第一合成气中CO和H2总的体积百分比，第一合成气中CO和H2的体积百分比的总和为60-80％，热值增加；另外，在气化还原工艺中低阶煤反应后得到的固体残渣即为带温的提质煤，这部分带温的提质煤的挥发分较低，煤物质中固定碳的含量高，而且经气化还原反应后的带温的提质煤自身具有较高的温度，潜热较大，而带温的提质煤与H2O的反应为吸热反应，反应方程式为C+H2O＝CO+H2，因此可利用带温的提质煤与H2O和O2反应制备包含CO和H2的第三合成气，这样制备的第三合成气中的杂质气体少，第三合成气中H2和CO体积百分比的总和75-95％，热值较大，而且降低了反应的能耗；最后，将第一合成气和第三合成气混合，即可得到目标产品合成气，合成气的能量密度大，热值高。本发明中不仅能够采用多种途径制备合成气，而且还能获得产品煤焦油，分级分质有效利用的低阶煤中的资源。
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宜过大，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。
因此，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℃。
进一步优选的，所述烘干工艺采用水蒸汽间接烘干，所述水蒸汽的压力为0.6-1.2Mpa，所述水蒸汽的温度为120-200℃，所述烘干工艺的出口物料含水率不超过6wt％，所述烘干工艺的出口物料温度为80℃-130℃。
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、带温的提质煤的产量和一级带温的提质煤的温度，气化还原工艺的反应温度为350℃-800℃，带温的提质煤中的挥发分含量为8-15wt％，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，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带温的提质煤的品质。因此，优选的，所述气化还原工艺包括一级气化还原工艺和二级气化还原工艺，所述低阶煤依次通过烘干工艺、一级气化还原工艺和二级气化还原工艺处理得到带温的提质煤和油气混合物，所述混合气体包含CO、H2和烃类。再进一步优选，优选的，所述一级气化还原工艺的进料温度为80℃-120℃，所述一级气化还原工艺的反应温度为450℃-650℃，所述一级气化还原工艺的出气温度为180℃-550℃，所述一级气化还原工艺的出料温度为350℃-600℃；所述二级气化还原工艺的进料温度为350℃-600℃，所述二级气化还原工艺的反应温度为550℃-800℃，所述二级气化还原工艺的出料温度为450℃-750℃，所述二级气化还原工艺的出气温度为450℃-700℃，在以上工艺条件下，烘干后的低阶煤中大部分挥发分完全气化掉，增大了油气混合物的产量气量，减少了所得带温的提质煤中的挥发分，所得带温的提质煤中的挥发分含量小于3-8wt％。
所述净化工艺包括除尘工艺、冷却工艺、油水分离工艺和脱硫工艺，所述油气混合物依次经除尘工艺、冷却工艺和脱硫工艺处理得到混合气体和油水混合物，所述混合气体包含CO、H2和烃类，所述油水混合物通过油水分离工艺处理后得到煤焦油。高温的油气混合物中含有大量的灰尘、煤焦油、水蒸气、含硫化合物等；先利用除尘工艺除尘，防止在除尘过程中油气混合物的温度降低，煤焦油和水蒸气等冷凝成液态并粘附大量灰尘造成后续工艺管道堵塞，造成除尘效果下降；再利用冷却工艺将油气混合物中的气态的煤焦油和水蒸气冷凝成为液态的油水混合物，由于油和水不互溶，油水混合物再经过油水分离工艺处理，即可得到产品煤焦油，所得煤焦油为呈褐色、相对密度约0.85kg/m3，主要成分是环烷烃、烷烃和芳香族化合物等；最后再将冷却工艺处理后的剩余的气体通过脱硫工艺除掉含硫化合物，防止含硫化合物造成后续工艺中的催化剂中毒，采用以上工艺可除掉杂质气体和固体，以便得到净化后的混合气体，混合气体杂质少，便于后续工艺处理，保证了后续设备的稳定性。
优选的，所述混合气体经部分烃类重整转化工艺为混合气体中气体各组分不经分离，直接将部分烃类重整转化为CO和H2的烃类转化工艺，因为重整转化的目的只是为了将烃类转化生成CO和H2，而混合气体中自身已含有一部分CO和H2，因此无需将烃类从混合气体中分离出来再进行烃类的重整转化，采用这样的操作节省了工艺步骤，经济效益高。
重整转化主要包括部分催化氧化、蒸汽催化重整转化和非催化重整转化。部分催化氧化、蒸汽催化重整转化均需要催化剂，重整转化工艺的催化剂多为负载型催化剂，活性组分主要是Ni、Co、Fe、Cu等非金属和Rh、Ru、Pt等贵金属。重整转化一般需要供热，可以采用直接供热或者间接供热的方式。第一合成气中CO和H2的来源为两个部分，一部分为混合气体中部分烃类通过催化转化得到的CO和H2，另一部分为混合气体中的原有H2和CO。
部分催化氧化是采用氧气与一部分烃类燃烧直接供热，在催化剂的作用下，混合气体中的部分烃类与水蒸气反应生成CO和H2；蒸汽催化重整转化时采用外界供热，在催化剂的作用下使得混合气中的部分烃类与水蒸气反应生成CO和H2；两种方法的主要反应机理为：
(1)CmHn+mH2O＝mCO+1/2(n+2m)H2主反应，吸热反应
(2)CO+H2O＝CO2+H2副反应，吸热反应
非催化重整转化重整不需要催化剂，将纯氧通入混合气体中，混合气体中的部分烃类与纯氧反应得到CO和H2，主要反应机理为：CH4+1/2O2→CO+2H2，除甲烷外其他烃类与甲烷与O2的反应机理类似。
因此，优选的，所述重整转化工艺为部分催化氧化，所述部分催化氧化为将纯氧和水蒸气通入混合气体中，在850-1300℃的温度和催化剂存在的条件下，混合气体中的部分烃类与水蒸气反应，得到CO和H2。
优选的，所述重整转化工艺为蒸汽催化重整转化，所述蒸汽催化重整转化为将水蒸气通入混合气体中，在间接供热使温度达到850-1200℃和催化剂存在的条件下，混合气体中部分烃类与水蒸气反应得到CO和H2。
优选的，所述重整转化工艺为非催化重整转化，所述非催化重整转化为将纯氧通入混合气体中，混合气体中的部分烃类与纯氧反应得到CO和H2。
通过以上重整转化工艺处理后，所得第一合成气中的H2和CO的体积比百分比大幅提高，第一合成气的热值高。
优选的，所述烘干工艺和气化还原工艺之间设有气化进料系工艺，采用这样的工艺可以将烘干后的低阶煤气化分散，增大其在气化还原工艺内的受热面积。
基于以上技术方案，本发明中的一种低阶煤的处理方法，在无氧或微氧条件下将烘干后的低阶煤气化还原分级分质制备成油气混合物和固体的带温的提质煤，对油气混合物进一步处理得到煤焦油和混合气体，再对混合气体和带温的提质煤分别加以开发与利用制备富含CO和H2的合成气，能耗低，所得产品种类多，煤焦油的产率高，制备合成气的途径多，合成气的产量高且热值高，充分有效地利用了低阶煤中的有效资源。
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为本发明中低阶煤的处理方法的流程示意图。
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，下述方法中的工艺中，如无特别说明，均为本领域的常规工艺。
本发明提供了一种低阶煤的处理方法，该处理方法包括以下步骤：低阶煤依次通过烘干工艺和气化还原工艺处理得到带温的提质煤和油气混合物，油气混合物经净化工艺得到混合气体和煤焦油，混合气体包含CO、H2和烃类，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，气化还原工艺为两级；
混合气体经部分烃类重整转化工艺处理得到包含CO和H2的第一合成气，带温的提质煤通过与H2O和O2反应制备包含CO和H2的第三合成气；
将所述第一合成气和第三合成气混合，即得所述合成气。
如图1所示，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。低阶煤的煤化程度低，但蕴藏丰富的油气资源，低阶煤中富含的挥发分对提取合成气非常有利，因此优选挥发分在30％-55％之间的低阶煤。
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。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，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,烘干工艺的出口物料温度为50-150℃，烘干工艺去除的水分以水蒸气的形式伴随烘干过程中的煤粉等扬尘一起形成废气；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的低阶煤计，可采用二级蒸汽烘干工艺，这样更经济合理些。
通过烘干工艺烘干后的低阶煤输送至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工艺，增大物料的表面积，有利于加快气化还原反应。
其中，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烘干后的低阶煤经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，其中，固态的碳即为带温的提质煤，带温的提质煤中的挥发分为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、带温的提质煤的产量和一级带温的提质煤的温度，气化还原工艺的反应温度为350℃-800℃，带温的提质煤中的挥发分含量为8-15wt％，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)和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，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，更多的影响带温的提质煤的质量；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。
本发明中优选采取两级气化还原工艺，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，二级固体即为带温的提质煤；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℃；所述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带温的提质煤，其中带温的提质煤中的挥发分含量为3-8wt％。
从气化还原工艺得到的高温的油气混合物进入净化工艺中处理。净化工艺包括除尘工艺、冷却工艺、油水分离工艺和脱硫工艺，高温的油气混合物中含有大量的灰尘、煤焦油、水蒸气、含硫化合物等；先利用除尘工艺除尘，防止在除尘过程中油气混合物的温度降低，煤焦油和水蒸气等冷凝成液态并粘附大量灰尘造成后续工艺管道堵塞，造成除尘效果下降；再利用冷却工艺将油气混合物中的气态的煤焦油和水蒸气冷凝成为液态的油水混合物，由于油和水不互溶，油水混合物再经过油水分离工艺处理，即可得到产品煤焦油，所得煤焦油为呈褐色、相对密度约0.85kg/m3，主要成分是环烷烃、烷烃和芳香族化合物等，煤焦油的回收率为80-95％，因此可知所得煤焦油的产率高；最后再将冷却工艺处理后的剩余的气体通过脱硫工艺除掉含硫化合物，防止含硫化合物造成后续工艺中的催化剂中毒，采用以上工艺可除掉杂质气体和固体，以便得到净化后的混合气体，混合气体杂质少，便于后续工艺处理，保证了后续设备的稳定性。
为了进一步优化工艺，还可以在脱硫工艺后增设电捕焦工艺用来捕获少量焦油，以进一步减少气体中焦油的量；如果油气混合物中含不饱和烃的体积分数过高，还可以在脱硫工艺后增设加氢工艺将其转化为饱和烃，防止不饱和烃脱碳而引起积碳等问题；还可以在脱硫工艺后增设脱硝工艺或脱氯工艺以实现进一步净化。
当采用两级气化还原工艺时，每级气化还原工艺分别与各自的除尘工艺、冷却工艺、油水分离工艺和脱硫工艺等连接；气化还原后产生的高温油气中的灰尘量较大，因此为了进一步优化工艺，每级气化还原工艺先与各自的除尘工艺连接，每级的除尘工艺再与同一套冷却工艺、油水分离工艺和脱硫工艺连接，以节省工艺环节。
从净化工艺得到混合气体进入重整转化工艺进行处理即得到包含CO和H2的第一合成气。其中，混合气体中包括CO、H2、CO2和包含CH4的烃类等。
进一步优选的，混合气体进入重整转化工艺前先进行压缩，以便更好地发生重整转化反应。
混合气体经部分烃类重整转化工艺即为混合气体中气体各组分不经分离，直接将部分烃类重整转化为CO和H2的烃类转化工艺，因为重整转化的目的只是为了将烃类转化生成CO和H2，而混合气体中自身已含有一部分CO和H2，因此无需将烃类从混合气体中分离出来再进行烃类的重整转化，采用这样的操作节省了工艺步骤，经济效益高。
重整转化主要包括部分催化氧化、蒸汽催化重整转化和非催化重整转化。部分催化氧化、蒸汽催化重整转化均需要催化剂，重整转化工艺的催化剂多为负载型催化剂，活性组分主要是Ni、Co、Fe、Cu等非金属和Rh、Ru、Pt等贵金属。重整转化一般需要供热，可以采用直接供热或者间接供热的方式。第一合成气中CO和H2的来源为两个部分，一部分为混合气体中部分烃类通过催化转化得到的CO和H2，另一部分为混合气体中的原有H2和CO。
部分催化氧化是采用氧气与一部分烃类燃烧直接供热，使反应温度达到850-1300℃，在催化剂的作用下的，混合气中的部分烃类与水蒸气反应生成CO和H2；蒸汽催化重整转化时采用外界供热，使温度达到850-1200℃，在催化剂的作用下使得混合气中的部分烃类与水蒸气反应生成CO和H2；两种方法的主要反应机理为：
(1)CmHn+mH2O＝mCO+1/2(n+2m)H2主反应，吸热反应
(2)CO+H2O＝CO2+H2副反应，吸热反应
以CH4为例，主要反应方程式为CH4+H2O→CO+3H2，生成的H2和CO的摩尔比为3:1，比例较大，对制备第一合成气非常有利。
非催化重整转化重整不需要催化剂，将纯氧通入混合气体中，混合气体中的部分烃类与纯氧反应得到CO和H2，主要反应机理为：CH4+1/2O2→CO+2H2，生成的H2和CO的摩尔比为2:1，有利于制备第一合成气。除甲烷外其他烃类与甲烷与O2的反应机理类似。
表1：重整转化前混合气体中各个组分体积百分比的范围值：
| 组分 | H<sub>2</sub> | 包含CH<sub>4</sub>的烃类 | CO | CO<sub>2</sub> | 其他 |
| 含量 | 15-45％ | 10-52％ | 5-25％ | 5-25％ | 0.1-10％ |
其他组分为N2、水蒸气等，重整转化前混合气体中各组分的体积百分比的综合为100％。
表2：重整转化后混合气体中各个组分体积百分比的范围值：
| 组分 | H<sub>2</sub> | 包含CH<sub>4</sub>的烃类 | CO | CO<sub>2</sub> | 其他 |
| 含量 | 30-70％ | 1-5％ | 10-30％ | 3-35％ | 0.1-10％ |
其他组分为N2和水蒸气等，重整转化后混合气体中各组分的体积百分比的综合为100％。
由于气化还原工艺过程中基本不添加外界物质，根据质量守恒定律，低阶煤经过烘干工艺、气化还原工艺和净化工艺处理后所得混合气体的重量为原料低阶煤的15～50％，由此可证明利用本发明中的方法低阶煤中的气体基本被气化完全，获得的混合气体的产量高。由表1和表2可知，混合气体经重整转化工艺处理后，混合气体中的烃类的体积比百分比由原来的10-52％降低为1-5％，重整转化后的混合气体中即为第一合成气，第一合成气中的H2和CO的体积比百分比大幅提高。
带温的提质煤与H2O(水蒸气)的反应为吸热反应，反应方程式为C+H2O＝CO+H2，带温的提质煤带有一定温度，温度一般为350-800℃，所以其自身带有较高的潜热，本工艺在充分利用带温的提质煤自身潜热的基础上，先通入O2使得一部分少量的带温的提质煤燃烧放热，使得环境温度快速达到800-1300℃，再通入另外一部分带温的提质煤与水蒸气在此温度下反应生成CO和H2，得到的气体为第三合成气，能耗低。在实际生产过程中，一般采用连续不间断通入O2和水蒸气，以使得带温的提质煤与水蒸气反应不间断的制备第三合成气。因为在气化还原工艺阶段大部分挥发分、焦油等已经被气化除掉，所得带温的提质煤中煤物质的含量较高，因此利用带温的提质煤所得的第三合成气中杂质气体较少，一般经此工艺制备的第三合成气中H2和CO体积百分比的总和为75-95％，有效组分较高，热值高。
其中第一合成气中CO和H2的体积百分比的总和为60-80％，第三合成气中H2和CO体积百分比的总和75-95％，将第一合成气和第三合成气混合即可得到合成气，合成气的能量密度大，热值高，可作为化工合成的原料。
综上所述，本发明中提供了一种低阶煤的处理方法，在无氧或微氧条件下将烘干后的低阶煤气化还原分级分质制备成油气混合物和固体的带温的提质煤，对油气混合物进一步处理得到煤焦油和混合气体，再对混合气体和带温的提质煤分别加以开发与利用制备富含CO和H2的合成气，能耗低，所得产品种类多，煤焦油的产率高，制备合成气的途径多，合成气的产量高且热值高，充分有效地利用了低阶煤中的有效资源。
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 (10)
1.一种低阶煤的处理方法，该处理方法包括以下步骤：低阶煤依次通过烘干工艺和气化还原工艺处理得到带温的提质煤和油气混合物，所述油气混合物经净化工艺得到混合气体和煤焦油，所述混合气体包含CO、H2和烃类，其特征在于：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，所述气化还原工艺为两级；
所述混合气体经部分烃类重整转化工艺处理得到包含CO和H2的第一合成气，所述带温的提质煤通过与H2O和O2反应制备包含CO和H2的第三合成气；
将所述第一合成气和第三合成气混合，即得所述合成气。
2.如权利要求1所述的一种低阶煤的处理方法，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2所述的一种低阶煤的处理方法，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0.6-1.2Mpa，所述蒸汽的温度为120-200℃，所述烘干工艺的出口物料含水率不超过6wt％，所述烘干工艺的出口物料温度为80-130℃。
4.如权利要求1所述的一种低阶煤的处理方法，其特征在于：所述一级气化还原工艺的进料温度为80℃-120℃，所述一级气化还原工艺的反应温度为450℃-650℃，所述一级气化还原工艺的出气温度为180℃-550℃，所述一级气化还原工艺的出料温度为350℃-600℃；所述二级气化还原工艺的进料温度为350℃-600℃，所述二级气化还原工艺的反应温度为550℃-800℃，所述二级气化还原工艺的出料温度为450℃-750℃，所述二级气化还原工艺的出气温度为450℃-700℃。
5.如权利要求1所述的一种低阶煤的处理方法，其特征在于：所述净化工艺包括除尘工艺、冷却工艺、油水分离工艺和脱硫工艺，所述油气混合物依次经除尘工艺、冷却工艺和脱硫工艺处理得到混合气体和油水混合物，所述混合气体包含CO、H2和烃类，所述油水混合物通过油水分离工艺处理后得到煤焦油。
6.如权利要求1所述的一种低阶煤的处理方法，其特征在于：所述混合气体经部分烃类重整转化工艺为混合气体中气体各组分不经分离，直接将部分烃类重整转化为CO和H2的烃类重整转化工艺。
7.如权利要求6所述的一种低阶煤的处理方法，其特征在于：所述重整转化工艺为部分催化氧化，所述部分催化氧化为将纯氧和水蒸气通入混合气体中，在850-1300℃的温度和催化剂存在的条件下，混合气体中的部分烃类与水蒸气反应，得到CO和H2。
8.如权利要求6所述的一种低阶煤的处理方法，其特征在于：所述重整转化工艺为蒸汽催化重整转化，所述蒸汽催化重整转化为将水蒸气通入混合气体中，在间接供热使温度达到850-1200℃和催化剂存在的条件下，混合气体中部分烃类与水蒸气反应得到CO和H2。
9.如权利要求6所述的一种利用低阶煤制备合成气的方法，其特征在于：所述重整转化工艺为非催化重整转化，所述非催化重整转化为将纯氧通入混合气体中，混合气体中的部分烃类与纯氧反应得到CO和H2。
10.如权利要求1所述的一种低阶煤的处理方法，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。
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|---|---|---|---|---|
| CN101580728A (zh) * | 2009-06-10 | 2009-11-18 | 中煤能源黑龙江煤化工有限公司 | 一种不粘结性煤或弱粘结性煤的加工工艺 |
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-
2018
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