CN111718737B - 一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法及系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法及系统装置，所述的工艺方法包括：低粘结煤与氧化剂混合后经低温预氧化得到非粘结煤，非粘结煤通过分段升温热解制备得到所述的高品质油气。所述的系统装置包括依次连接的预氧化装置和热解反应装置；所述的热解反应装置内部沿物料流向分为依此连接的至少两级热解区。

Description

一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法及系统装置
技术领域
本发明属于煤利用技术领域，涉及一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法及系统装置。
背景技术
粘结性煤是一种重要的煤炭资源，尤其是高粘结性煤(G≥80)，是非常重要的炼焦用煤，但弱粘结性煤(G<80)，则无法用于炼焦，只能用于燃烧供热、气化提供煤气或热解提油气。若用于热解提油气，将可获得焦油、煤气和半焦或者焦炭等重要的化工产品。因此，相当部分的低粘结性煤用于热解行业，但现有热解技术存在热解油气产率低、品质差以及系统运行不稳定等关键技术难题，尤其是粘结性煤极易结焦堵炉，系统运行稳定性较差，严重时还易造成生产事故。
为解决以上问题，专利CN102212378B开发出了内构件热解反应器，可大幅度提高热解油气产率，并一定程度降低了焦油中沥青质含量，热解煤气产量及其中氢气和甲烷等轻质有机气体组分含量也一定程度提高，气体物料在内构件热解反应器内的固体物料内流动时，通过固体物料的吸附除尘作用，降低了油气产品的尘含量，油气产品品质大幅提高；同时，采用向粘结性煤掺非粘结性煤以降低入料煤粘结性，降低了结焦堵炉频次和程度，提高了系统运行的稳定性。但该技术基本采用一段式高温热解，这会使焦油及煤气中甲烷等轻质有机组分二次热解，造成焦油量减少，焦油的沥青质含量较高，热解煤气中甲烷等轻质有机组分和氢气含量偏低，油气品质还有待进一步提高，且通过向粘结性煤内掺非粘结性煤可一定程度降低入料煤粘结性，但无法完全消除入料煤粘结性，物料还易结焦，并要专门配备消耗大量非粘结性煤。
专利CN102120936A采用射流预氧化热解流化床气化技术，该技术采用高速射流的方式将物料喷入流化床反应器内，在射流过程中煤预先氧化热解，使煤固体颗粒迅速热解成半焦，并在强气流作用下煤和半焦颗粒被吹散，该专利可以有效地使粘结煤在气化炉内气化，并避免了结焦堵炉。但是该技术的预氧化主要是通过气化剂中的氧气在高温下反应掉所有的挥发分中的可燃组分并半焦颗粒表面的粘结层，并通过高速气流将半焦颗粒打散，从而使物料难以结焦堵炉。但是，挥发出的挥发分全部变成了合成煤气(干煤气组分主要是二氧化碳和一氧化碳及少量氢气)，而非氢气和甲烷含量很高的热解煤气，并且焦油组分全部破坏掉了，无法提取煤种高品质的油气组分，该技术在粘结性煤气化时效果较好，但是无法用于粘结性煤热解制高品质油气产品。
因此，研究如何有效地热解低变质粘结性煤制高品质油气并解决结焦堵炉的问题以提高运行稳定性具有非常重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法及系统装置，本发明采用低温预氧化破粘工艺，将粘结性煤的粘结性降低或除去，降低甚至消除了粘结性煤热解时出现的结焦堵炉现象，提高了系统运行稳定性。同时，采用分段升温热解方式进行热解，避免了这些组分在高温热解段二次热解，提高了焦油产率并减少了沥青质含量，提高了热解煤气中甲烷等有机组分含量，提高了热解油气产品品质。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所述的工艺方法包括：
低粘结煤与氧化剂混合后经低温预氧化得到非粘结煤，非粘结煤通过分段升温热解制备得到所述的高品质油气。
本发明首先采用低温预氧化破粘工艺，煤的粘结性被破除，消除了粘结性煤热解时出现的结焦堵炉现象，提高了系统运行稳定性，且不用配备和消耗大量的非粘结性煤。同时，与高温预氧化破粘不同，采用低温预氧化破粘，在低温预氧化破粘条件下，煤炭不会出现热解，其挥发分不会释放出来，也无半焦或焦炭产生，挥发分和半焦颗粒表面不会被氧化气化，从而不会造成焦油和热解煤气的损失和品质的降低。
采用分段升温方式进行热解，提高了焦油产率并减少了沥青质含量，提高了热解煤气中甲烷等有机组分含量，提高了热解油气产品品质。本发明所谓的分段升温热解工艺，是采用由低到高分段升温的方式升温热解，即，先进行低温热解以实现脱羧脱氧反应，降低或除去煤氧含量以消除氧对所产油气产品的影响，然后是中温热解，将沥青质含量较低的焦油组分和富含甲烷等轻质有机组分的热解煤气提出，防止在后续的高温热解时二次裂解，最后是高温热解，将剩余挥发分尽量热解出并产生富氢热解气，提高热解煤气产量和品质。分段升温热解可以是两段或两段以上的分段升温热解。
此外，需要特别强调的是，本发明提供的工艺方法不仅适用于低变质粘结性煤，而且可以是高粘结性煤，还可以是其他粘结性物料，比如生物质等。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)低粘结煤与氧化剂混合后经低温预氧化破粘得到非粘结煤，非粘结煤加热升温至低温热解温度，产生低温热解气并得到低氧非粘结煤；
(Ⅱ)对步骤(Ⅰ)得到的低氧非粘结煤加热升温至中温热解温度，产生中温热解气并得到中温半焦；
(Ⅲ)对步骤(Ⅱ)得到的温半焦加热升温至高温热解温度，产生高温热解气并得到焦炭。
首先采用低温预氧化破粘工艺将低变质粘结性煤的粘性降低或者除去以防止结焦堵炉现象发生，从而提高运行稳定性；然后将破粘后的低变质煤在热解反应装置内采用分段升温方式热解制油气产品，以提高热解制油气产品品质。
本发明采用的低温预氧化破粘工艺与高温预氧化破粘工艺不同，高温预氧化破粘工艺是通过将煤炭的挥发分和半焦颗粒气化实现的破粘，而本申请采用的低温预氧化破粘工艺是通过用氧原子向煤炭大分子内的脂肪烃炭的支链或者桥键进攻，形成含氧官能团，使脂肪烃炭支链或者桥键掉落或破碎而将煤炭胶质体破坏，从而使其失粘。反应原理为：在低温预氧化时，氧分子攻击煤大分子结构中脂肪烃碳的脂肪支链及桥键碳原子，形成含氧官能团，使其脱落、断裂，造成煤中脂肪烃碳减少，降低甚至消除了煤中起粘结作用的胶质物，使粘结性煤失去粘性而变成掺混有少量氧化剂残留物的混氧化剂非粘结煤。
在分段升温热解过程中，优选采用三段式升温热解，包括依次进行的低温热解、中温热解和高温热解。
在低温热解阶段，非粘结性煤中的羧基及羟基等含氧官能团受热开始分解进行脱羧脱氧，非粘结性煤成为低含氧官能团非粘结性煤，并释放主要组分为二氧化碳和水的低温热解气，低温热解气通过低温热解气处理排放设备排放。
在中温热解阶段，低含氧官能团的非粘结性煤发生中温热解，低氧非粘结煤中大部分挥发分裂解成富含轻质焦油组分和甲烷等轻质有机不凝气体的中温热解气并从热解反应装置内排出，释放挥发分后的低含氧官能团非粘结性煤变成中温半焦。
在高温热解阶段，非粘结性煤全部变成中温半焦且中温热解气从热解反应装置内全部排出，迅速升温至高温热解段，在高温作用下，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来变成沥青质含量较高和富含氢气的高温热解气和焦炭(若温度未足够高则为高温半焦)并排出，焦炭作为产品排出后集中收集处理利用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的低粘结煤的粘结指数≤80，例如可以是40、45、50、55、60、65、70、75或80，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
需要说明的是粘结指数测定是将一定质量的试验煤样和专用无烟煤样(我国以宁夏汝萁沟矿生产的专用无烟煤为标准煤样)，在规定的条件下混合，快速加热成焦，所得焦块在一定规格的转鼓内进行强度检验，以焦块的耐磨强度，即抗破坏力的大小来表示煤样的粘结能力。粘结指数是判别煤的粘结性、结焦性的一个关键指标。本发明所限定的粘结指数采用GB/T5447-1977烟煤粘结指数测定方法进行测定。
优选地，所述的氧化剂为空气、高锰酸钾、臭氧或碳酸钾中的一种或至少两种的组合。
在本发明中，所述的氧化剂可以是气态氧化剂、固态氧化剂或液态氧化剂，也可以是气固混合等多相状态的氧化剂，也可以是具有催化氧化的氧化剂，可以是单一氧化剂，也可以是多种氧化剂的混合物，比如，空气、高锰酸钾、臭氧、空气与碳酸钾的混合物。
优选地，所述的非粘结煤的粘结指数为＜5，例如可以是0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的低温预氧化的温度为50～200℃，例如可以是50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，采用的低温预氧化温度尽量不超过煤的脱羧脱氧除含氧官能团的最低临界温度。
优选地，所述的低温热解气中包括CO2和水蒸气。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)还包括：在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂。
优选地，所述的脱氧化剂物料包括氮气或水。
在本发明中，脱氧化剂物料可以是气态物料，也可以是液态物料或者固态物料，比如，氮气或水等，还可以采用抽真空等机械或化学方法。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的低温热解温度为200～300℃，例如可以是200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，采用的低温热解温度介于煤炭最低脱羧脱氧临界温度和煤炭受热时显著释放出甲烷等轻质有机气体最低临界温度之间，具体温度需要根据具体煤炭的具体最低脱羧脱氧临界温度和受热时显著释放出甲烷等轻质有机气体最低临界温度决定。
优选地，所述的低温热解阶段的升温速率为10～40℃/min，例如可以是10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min、35℃/min或40℃/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，升温速率应尽可能的快并尽快抵达恒温状态，以减少热解气在热解反应装置内的停留时间。
优选地，升温至低温热解温度后保温10～30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅱ)中，所述的中温热解温度为300～600℃，例如可以是300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃或600℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，采用的中温热解温度位于煤炭的葛金分析温度或者焦油产率最高时的温度附近。
优选地，所述的中温热解阶段的升温速率为10～40℃/min，例如可以是10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min、35℃/min或40℃/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，升温速率应尽可能的快并尽快抵达恒温状态，以减少热解气在热解反应装置内的停留时间。
优选地，升温至中温热解温度后保温10～30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的中温热解气中包括轻质焦油和甲烷。
优选地，所述的中温热解气经除尘冷凝后得到焦油和热解煤气。
优选地，所述的焦油中沥青质组分≤40wt％，例如可以是20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述的高温热解温度为600～900℃，例如可以是600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，采用的高温热解温度位于煤炭在中温热解后产生的中温半焦再次高温热解时所产氢气量较大且所产焦油中沥青质含量不太高的温度之间。
优选地，所述的高温热解阶段的升温速率为10～40℃/min，例如可以是10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min、35℃/min或40℃/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，升温速率应尽可能的快并尽快抵达恒温状态，以减少热解气在热解反应装置内的停留时间。
优选地，升温至高温热解温度后保温10～30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的高温热解气经除尘冷凝后得到焦油和热解煤气。
优选地，所述的焦油中沥青质组分≤40wt％，例如可以是20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的系统装置，所述的系统装置包括依次连接的预氧化装置和热解反应装置。
所述的热解反应装置内部沿物料流向分为依此连接的至少两级热解区。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的预氧化装置与热解反应装置之间的连接管路上设置有氧化剂脱除装置。
优选地，所述的氧化剂脱除装置的非粘结煤出口连接所述的热解反应装置，所述的氧化剂脱除装置的氧化剂残留物出口分别独立连接残留物回收装置和残留物处理排放装置，氧化剂脱除装置分离出的氧化剂残留物和脱氧化剂物料残留物进入残留物回收装置循环利用或进入残留物处理排放装置处理后排放。
优选地，所述的残留物回收装置的出口分别独立连接预氧化装置和氧化剂脱除装置，所述的残留物回收装置收集的氧化剂残留物回流至预氧化装置循环利用，所述的残留物回收装置收集的脱氧化剂物料残留物回流至氧化剂脱除装置循环利用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的热解反应装置内部沿物料流向分为依此连接的低温热解区、中温热解区和高温热解区。
优选地，所述的低温热解区外接低温热解气处理排放装置。
优选地，所述的低温热解气处理排放装置包括沿气体流向依次连接的第一除尘器和烟囱。
优选地，所述的第一除尘器为沉降式除尘器。
优选地，所述的中温热解区和高温热解区均外接所述的热解气处理装置。
优选地，所述的热解气处理装置包括沿气体流向依次连接的第二除尘器和冷凝器。
优选地，所述的第二除尘器为气固分离除尘器。
示例性地，本发明提供了一种可选地系统装置的具体结构，所述的系统装置主要包括热解反应装置、低温热解气处理排放装置、热解气处理装置、预氧化装置、氧化剂脱除装置、残留物回收装置和残留物处理排放装置。
其中，热解反应装置主要用于煤炭热解制油气产品，其为多段移动床热解反应器，由上至下分为依次连通的低温热解区、中温热解区和高温热解区。低温热解区内设置有第一内构件，中温热解区内设置有第二内构件，高温热解区内设置有第三内构件。进煤口位于低温热解区顶部，进煤口外接氧化剂脱除装置的出煤口；第一内构件的顶壁设置有低温热解气出口，低温热解气出口外接低温热解气处理排放装置。第二内构件的顶壁设置有中温热解气出口，中温热解气出口外接热解气处理装置。第三内构件的顶壁设置有高温热解气出口，高温热解气出口外接热解气处理装置，第三内构件底部设置有出焦口，出焦口外接焦炭处理与存储系统。
低温热解气处理排放装置主要用于对产生的低温热解气进行除尘和冷却等处理并将处理后的低温热解气外排，具体包括沿气体流向依次连接的沉降室除尘器和烟囱组成的组合设备，沉降室除尘器的进气口连接第一内构件的低温热解气出口。
热解气处理装置主要用于将产生的中温热解气和高温热解气进行除尘、冷却和分离处理以获得焦油产品和热解煤气产品，具体包括沿气体流向依次连接的气固分离除尘器、热解煤气冷凝液化装置、液气分离装置及焦油脱水净化装置组成的组合设备，气固分离除尘器的中温热解气进口连接第二内构件的中温热解气出口，气固分离除尘器的高温热解气进口连接第三内构件的高温热解气出口，焦油脱水净化装置的焦油出口连接焦油储存系统，液气分离装置的热解煤气出口连接热解煤气储存系统。
预氧化装置主要用于将粘结煤的粘性降低或去除，具体包括依次连接的浆态床反应器和液固分离装置组成的组合设备，浆态床反应器的进煤口连接供煤系统，浆态床反应器的氧化剂进口连接氧化剂供给系统，浆态床反应器的氧化剂残留物进口连接残留物回收装置的氧化剂残留物出口，液固分离装置的出煤口连接氧化剂脱除装置的进煤口。
氧化剂脱除装置主要用于将非粘结煤中的氧化剂残留物脱除，具体包括依次连接的洗煤装置、筛滤装置及干燥装置组成的组合设备，洗煤装置的脱氧化剂物料进口连接脱氧化剂物料供给系统，洗煤装置的进煤口连接预氧化装置的出煤口，干燥装置的出煤口连接第一内构件的进煤口，筛滤装置的残留物出口分别连接残留物回收装置的进料口和残留物处理排放装置的进料口，洗煤装置的脱氧化剂物料残留物进口连接残留物回收装置的脱氧化剂物料残留物出口。
残留物回收装置主要用于将氧化剂残留物和脱氧化剂物料残留物的混合物进行分离净化等处理以达到二者能够回用的要求，其为溶液浓缩装置，残留物回收装置的进料口连接氧化剂脱除装置的残留物出口，残留物回收装置的氧化剂残留物出口连接预氧化装置的氧化剂进口，残留物回收装置的脱氧化剂物料残留物出口连接氧化剂脱除装置的脱氧化剂物料进口。
残留物处理排放装置主要用于处理并排放掉无法使用的残留物，其进料口连接氧化剂脱除装置的残留物出口。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明首先采用低温预氧化破粘工艺，煤的粘结性被破除，消除了粘结性煤热解时出现的结焦堵炉现象，提高了系统运行稳定性，且不用配备和消耗大量的非粘结性煤。同时，与高温预氧化破粘不同，采用低温预氧化破粘，在低温预氧化破粘条件下，煤炭不会出现热解，其挥发分不会释放出来，也无半焦或焦炭产生，挥发分和半焦颗粒表面不会被氧化气化，从而不会造成焦油和热解煤气的损失和品质的降低。采用分段升温方式进行热解，提高了焦油产率并减少了沥青质含量，提高了热解煤气中甲烷等有机组分含量，提高了热解油气产品品质。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的系统装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的热解反应装置的结构示意图。
其中，1-热解反应装置；11-低温热解区；12-中温热解区；13-高温热解区；14-第一内构件；15-第二内构件；16-第三内构件；2-低温热解气处理排放装置；3-热解气处理装置；4-预氧化装置；5-氧化剂脱除装置；6-残留物回收装置；7-残留物处理排放装置。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所述的工艺方法包括：
(1)粘结指数≤80的低粘结煤与氧化剂混合后在50～200℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，其中，氧化剂为空气、高锰酸钾、臭氧或碳酸钾中的一种或至少两种的组合；非粘结煤的粘结指数≤5；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料包括氮气或水；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以10～40℃/min的升温速率加热升温至200～300℃后保温10～30min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以10～40℃/min的升温速率加热升温至300～600℃后保温10～30min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以10～40℃/min的升温速率加热升温至600～900℃后保温10～30min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油沥青质组分≤40wt％。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的系统装置，所述的系统装置如图1所示，包括依次连接的预氧化装置4和热解反应装置1，热解反应装置1内部沿物料流向分为依此连接的至少两级热解区。
预氧化装置4与热解反应装置1之间的连接管路上设置有氧化剂脱除装置5。氧化剂脱除装置5的非粘结煤出口连接热解反应装置1，氧化剂脱除装置5的氧化剂残留物出口分别独立连接残留物回收装置6和残留物处理排放装置7，氧化剂脱除装置5分离出的氧化剂残留物和脱氧化剂物料残留物进入残留物回收装置6循环利用或进入残留物处理排放装置7处理后排放。残留物回收装置6的出口分别独立连接预氧化装置4和氧化剂脱除装置5，残留物回收装置6收集的氧化剂残留物回流至预氧化装置4循环利用，残留物回收装置6收集的脱氧化剂物料残留物回流至氧化剂脱除装置5循环利用。
热解反应装置1内部沿物料流向分为依此连接的低温热解区11、中温热解区12和高温热解区13。低温热解区11外接低温热解气处理排放装置2，低温热解气处理排放装置2包括沿气体流向依次连接的第一除尘器和烟囱。具体可选地，第一除尘器为沉降式除尘器。中温热解区12和高温热解区13均外接所述的热解气处理装置3，热解气处理装置3包括沿气体流向依次连接的第二除尘器和冷凝器。具体可选地，第二除尘器为气固分离除尘器。
实施例1
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的系统装置，所述的系统装置如图1所示，主要包括热解反应装置1、低温热解气处理排放装置2、热解气处理装置3、预氧化装置4、氧化剂脱除装置5、残留物回收装置6和残留物处理排放装置7。
其中，热解反应装置1主要用于煤炭热解制油气产品，其为多段移动床热解反应器(如图2所示)，由上至下分为依次连通的低温热解区11、中温热解区12和高温热解区13。低温热解区11内设置有第一内构件14，中温热解区12内设置有第二内构件15，高温热解区13内设置有第三内构件16。进煤口位于低温热解区11顶部，与氧化剂脱除装置5的出煤口相连；第一内构件14的顶壁设置有低温热解气出口，低温热解气出口外接低温热解气处理排放装置2。第二内构件15的顶壁设置有中温热解气出口，中温热解气出口外接热解气处理装置3。第三内构件16的顶壁设置有高温热解气出口，高温热解气出口外接热解气处理装置3，第三内构件16底部设置有出焦口，出焦口外接焦炭处理与存储系统(图中未示出)。
低温热解气处理排放装置2主要用于对产生的低温热解气进行除尘和冷却等处理并将处理后的低温热解气外排，具体包括沿气体流向依次连接的沉降室除尘器和烟囱组成的组合设备，沉降室除尘器的进气口连接第一内构件14的低温热解气出口。
热解气处理装置3主要用于将产生的中温热解气和高温热解气进行除尘、冷却和分离处理以获得焦油产品和热解煤气产品，具体包括沿气体流向依次连接的气固分离除尘器、热解煤气冷凝液化装置、液气分离装置及焦油脱水净化装置组成的组合设备，气固分离除尘器的中温热解气进口连接第二内构件15的中温热解气出口，气固分离除尘器的高温热解气进口连接第三内构件16的高温热解气出口，焦油脱水净化装置的焦油出口连接焦油储存系统(图中未示出)，液气分离装置的热解煤气出口连接热解煤气储存系统(图中未示出)。
预氧化装置4主要用于将粘结煤的粘性降低或去除，具体包括依次连接的浆态床反应器和液固分离装置组成的组合设备，浆态床反应器的进煤口连接供煤系统(图中未示出)，浆态床反应器的氧化剂进口连接氧化剂供给系统(图中未示出)，浆态床反应器的氧化剂残留物进口连接残留物回收装置6的氧化剂残留物出口，液固分离装置的出煤口连接氧化剂脱除装置5的进煤口。
氧化剂脱除装置5主要用于将非粘结煤中的氧化剂残留物脱除，具体包括依次连接的洗煤装置、筛滤装置及干燥装置组成的组合设备，洗煤装置的脱氧化剂物料进口连接脱氧化剂物料供给系统(图中未示出)，洗煤装置的进煤口连接预氧化装置4的出煤口，干燥装置的出煤口连接第一内构件14的进煤口，筛滤装置的残留物出口分别连接残留物回收装置6的进料口和残留物处理排放装置7的进料口，洗煤装置的脱氧化剂物料残留物进口连接残留物回收装置6的脱氧化剂物料残留物出口。
残留物回收装置6主要用于将氧化剂残留物和脱氧化剂物料残留物的混合物进行分离净化等处理以达到二者能够回用的要求，其为溶液浓缩装置，残留物回收装置6的进料口连接氧化剂脱除装置5的残留物出口，残留物回收装置6的氧化剂残留物出口连接预氧化装置4的氧化剂进口，残留物回收装置6的脱氧化剂物料残留物出口连接氧化剂脱除装置5的脱氧化剂物料进口。
残留物处理排放装置7主要用于处理并排放掉无法使用的残留物，其进料口连接氧化剂脱除装置5的残留物出口。
实施例2
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所采用的低粘结煤的物性参数见表1。
表1
Figure BDA0002559979560000171
所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(1)粘结指数为40的低粘结煤与空气混合后在50℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，非粘结煤的粘结指数为0.5；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料为氮气；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以10℃/min的升温速率加热升温至200℃后保温30min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以10℃/min的升温速率加热升温至300℃后保温30min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以10℃/min的升温速率加热升温至600℃后保温30min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油产率占葛金分析值的82％，沥青质组分占27％；热解煤气中H2、CO和CH4三者的体积含量之和为70％，热解煤气中H2的体积含量为38％。
实施例3
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所采用的低粘结煤的物性参数见表1，所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(1)粘结指数为50的低粘结煤与高锰酸钾溶液混合后在70℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，非粘结煤的粘结指数为1.2；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料为氮气；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以15℃/min的升温速率加热升温至220℃后保温25min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以15℃/min的升温速率加热升温至375℃后保温25min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以15℃/min的升温速率加热升温至675℃后保温25min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油产率占葛金分析值的84％，沥青质组分占32％；热解煤气中H2、CO和CH4三者的体积含量之和为75％，热解煤气中H2的体积含量为40％。
实施例4
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所采用的低粘结煤的物性参数见表1，所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(1)粘结指数为60的低粘结煤与臭氧混合后在100℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，非粘结煤的粘结指数为2.5；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料为氮气；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以20℃/min的升温速率加热升温至250℃后保温20min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以20℃/min的升温速率加热升温至450℃后保温20min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以20℃/min的升温速率加热升温至750℃后保温20min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油产率占葛金分析值的90％，沥青质组分占38％；热解煤气中H2、CO和CH4三者的体积含量之和为78％，热解煤气中H2的体积含量为43％。
实施例5
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所采用的低粘结煤的物性参数见表1，所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(1)粘结指数为70的低粘结煤与碳酸钾溶液混合后在150℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，非粘结煤的粘结指数为3.4；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料为水；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以30℃/min的升温速率加热升温至270℃后保温15min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以30℃/min的升温速率加热升温至525℃后保温15min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以30℃/min的升温速率加热升温至825℃后保温15min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油产率占葛金分析值的85％，沥青质组分占35％；热解煤气中H2、CO和CH4三者的体积含量之和为76％，热解煤气中H2的体积含量为41％。
实施例6
本实施例提供了一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，所采用的低粘结煤的物性参数见表1，所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(1)粘结指数为80的低粘结煤与高锰酸钾溶液混合后在200℃下经低温预氧化破粘处理得到非粘结煤，非粘结煤的粘结指数为4.7；
(2)在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂和脱氧剂物料，脱氧化剂物料为氮气；
(3)分离出的氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物分别返回步骤(1)和步骤(2)中循环利用，若氧化剂残留物与脱氧化剂物料残留物无法再次循环利用，则通入残留物处理排放装置7处理后排放；
(4)脱除了氧化剂残留物的非粘结煤以40℃/min的升温速率加热升温至300℃后保温10min，非粘结性煤中的羧基和羟基等含氧官能团受热分解进行脱羧脱氧，产生低温热解气并得到低含氧官能团的低氧非粘结煤，其中，低温热解气中包括CO2和水蒸气；
(5)低温热解气排净后，对低氧非粘结煤以40℃/min的升温速率加热升温至600℃后保温10min，低氧非粘结性煤发生中温热解，其中的大部分挥发分裂解产生中温热解气并得到中温半焦，中温热解气中包括轻质焦油和甲烷；
(6)中温半焦以40℃/min的升温速率加热升温至900℃后保温10min，中温半焦内残余的少量挥发分挥发出来产生高温热解气并得到焦炭；
(7)步骤(5)得到的中温热解气和步骤(6)得到的高温热解气排出热解反应装置1后进入热解气处理装置3，经除尘冷凝后得到焦油产品和热解煤气产品，其中，焦油产率占葛金分析值的83％，沥青质组分占26％；热解煤气中H2、CO和CH4三者的体积含量之和为73％，热解煤气中H2的体积含量为36％。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (33)

1.一种低粘结煤热解制备高品质油气的工艺方法，其特征在于，所述的工艺方法包括：
低粘结煤与氧化剂混合后经低温预氧化得到非粘结煤，非粘结煤通过分段升温热解制备得到所述的高品质油气；
所述的工艺方法具体包括如下步骤：
(Ⅰ)低粘结煤与氧化剂混合后经低温预氧化破粘得到非粘结煤，非粘结煤加热升温至低温热解温度，产生低温热解气并得到低氧非粘结煤，在低温热解阶段，非粘结性煤中的羧基及羟基受热开始分解进行脱羧脱氧，非粘结性煤成为低含氧官能团非粘结性煤，并释放主要组分为二氧化碳和水的低温热解气；
(Ⅱ)对步骤(Ⅰ)得到的低氧非粘结煤加热升温至中温热解温度，产生中温热解气并得到中温半焦；
(Ⅲ)对步骤(Ⅱ)得到的温半焦加热升温至高温热解温度，产生高温热解气并得到焦炭。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的低粘结煤的粘结指数≤80。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的氧化剂为空气、高锰酸钾、臭氧或碳酸钾中的一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的非粘结煤的粘结指数为≤5。
5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的低温预氧化的温度为50～200℃。
6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的低温热解气中包括CO2和水蒸气。
7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)还包括：在密闭绝氧环境下，向低温预氧化后的非粘结煤中通入脱氧化剂物料，脱除其中残留的氧化剂。
8.根据权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，所述的脱氧化剂物料包括氮气或水。
9.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的低温热解温度为200～300℃。
10.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的低温热解阶段的升温速率为10～40℃/min。
11.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，升温至低温热解温度后保温10～30min。
12.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，步骤(Ⅱ)中，所述的中温热解温度为300～600℃。
13.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的中温热解阶段的升温速率为10～40℃/min。
14.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，升温至中温热解温度后保温10～30min。
15.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的中温热解气中包括轻质焦油和甲烷。
16.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的中温热解气经除尘冷凝后得到焦油和热解煤气。
17.根据权利要求16所述的工艺方法，其特征在于，所述的焦油中沥青质组分占≤40wt％。
18.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，步骤(Ⅲ)中，所述的高温热解温度为600～900℃。
19.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的高温热解阶段的升温速率为10～40℃/min。
20.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，升温至高温热解温度后保温10～30min。
21.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述的高温热解气经除尘冷凝后得到焦油和热解煤气。
22.根据权利要求21所述的工艺方法，其特征在于，所述的焦油中沥青质组分≤40wt％。
23.一种用于进行权利要求1-22任一项所述的工艺方法的低粘结煤热解制备高品质油气的系统装置，其特征在于，所述的系统装置包括依次连接的预氧化装置和热解反应装置；
所述的热解反应装置内部沿物料流向分为依此连接的至少两级热解区。
24.根据权利要求23所述的系统装置，其特征在于，所述的预氧化装置与热解反应装置之间的连接管路上设置有氧化剂脱除装置。
25.根据权利要求23所述的系统装置，其特征在于，所述的氧化剂脱除装置的非粘结煤出口连接所述的热解反应装置，所述的氧化剂脱除装置的氧化剂残留物出口分别独立连接残留物回收装置和残留物处理排放装置，氧化剂脱除装置分离出的氧化剂残留物和脱氧化剂物料残留物进入残留物回收装置循环利用或进入残留物处理排放装置处理后排放。
26.根据权利要求25所述的系统装置，其特征在于，所述的残留物回收装置的出口分别独立连接预氧化装置和氧化剂脱除装置，所述的残留物回收装置收集的氧化剂残留物回流至预氧化装置循环利用，所述的残留物回收装置收集的脱氧化剂物料残留物回流至氧化剂脱除装置循环利用。
27.根据权利要求23所述的系统装置，其特征在于，所述的热解反应装置内部沿物料流向分为依此连接的低温热解区、中温热解区和高温热解区。
28.根据权利要求27所述的系统装置，其特征在于，所述的低温热解区外接低温热解气处理排放装置。
29.根据权利要求28所述的系统装置，其特征在于，所述的低温热解气处理排放装置包括沿气体流向依次连接的第一除尘器和烟囱。
30.根据权利要求29所述的系统装置，其特征在于，所述的第一除尘器为沉降式除尘器。
31.根据权利要求27所述的系统装置，其特征在于，所述的中温热解区和高温热解区均外接热解气处理装置。
32.根据权利要求23所述的系统装置，其特征在于，所述的热解气处理装置包括沿气体流向依次连接的第二除尘器和冷凝器。
33.根据权利要求32所述的系统装置，其特征在于，所述的第二除尘器为气固分离除尘器。
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