CN114180518A - 一种煤基固废资源化利用的prmh工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种煤基固废资源化利用的PRMH工艺，包括原料预处理系统、热风系统、相变均化系统、余热回收制氢系统、气体净化系统、CO2转化利用系统以及无机产品制备系统。本发明通过产品设计指标控制对煤基固废进行原料配伍，实现原料标准化可控，产品性能稳定化，为实现煤基固废规模化、高值化以及绿色化利用提供了一种新的工艺路线。

Description

一种煤基固废资源化利用的PRMH工艺
技术领域
本发明属于固废资源化利用领域，特别是，涉及到一种用于煤基固废资源化利用的PRMH工艺。
背景技术
常见的煤基固废有煤矸石、粉煤灰、煤化工废渣等煤炭开发利用过程中产生的大宗固体废物。其中，煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量低、质地坚硬的黑灰色岩石，是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物。经文献调研，煤矸石约占煤炭开采产量的四分之一，2020年我国煤炭开采总量为38.4亿吨，经计算煤矸石产量约为9.6亿吨，其中山西煤矸石约为2.66亿吨（山西2020年煤炭产量为10.63亿吨）。根据《山西省节能与资源综合利用2021年行动计划》中的主要目标：力争到2021年我省煤矸石资源综合利用量达到6800万吨，并加大朔州、晋城、长治3个国家级工业资源综合利用基地建设，推动工业资源综合利用产业集聚集群发展，推进工业固废由“低效、低值、分散利用”向“高效、高值、规模利用”转变，推动节能与资源综合利用产业高质量发展。依据2020年山西省煤矸石产量，可计算出煤矸石利用率约为26%，可见仍然会有大量煤矸石未被充分利用。实践证明，煤矸石堆积不仅占用大量土地，而且还会引起土壤、水体、空气等污染，引发地质灾害。
以山西省为例，经鉴定，煤矸石除含有约10~20%的烧失量外，其成分还含有Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O及部分微量稀有元素，如镓、钒、钛、钴等，其中Al2O3、SiO2总含量达70%以上，是生产硅、铝及无机非金属等制品的良好原料。
粉煤灰是电厂与各种燃煤锅炉排放的一种固体废弃物，与煤矸石有着相似的组成及其含量。经调研，2020年我国粉煤灰产量约为7.8亿吨，虽然粉煤灰行业取得了可喜成绩，但仍有大量的粉煤灰未被利用，粉煤灰的大量堆积会对环境造成严重污染。
煤焦油废渣是煤在气化和焦化过程中，在高温条件下生成的高沸点有机化合物在冷凝时与煤气中夹带的煤粉、固体微粒等混杂在一起而形成的。煤焦油废渣为工业废渣，直接外排会对农田、地下水和大气等周围环境造成严重的污染。事实上煤焦油渣中含有大量的固定碳和有机组分，碳元素高达80%以上，发热量大于7500cal/g，且灰分和含硫量较低，是一种非常好的二次能源。
目前关于煤基固废资源化利用的研究很多，如利用煤矸石、粉煤灰或赤泥等一种或几种作为水泥掺合剂、混凝土添加剂、建材深加工产品等，也有制备如无机纤维、微晶玻璃以及泡沫玻璃等高端无机材料。但调研结果表明，现有技术均限于从原料到单一产品以及产品性能测试等方面的应用或研究。
发明内容
本发明提供了一种详细的煤基固废资源化利用路线，特别是适合于工业化应用的全流程PRMH工艺，即热解-还原-熔融-均化工艺，为实现煤基固废规模化、高值化以及绿色化利用提供了一种新工艺。
本发明采用的技术方案如下。
一种煤基固废资源化利用的PRMH工艺，包括原料预处理系统、热风系统、相变均化系统、余热回收制氢系统、气体净化系统、CO2转化利用系统以及无机产品制备系统；煤基固废、添加剂和飞灰经原料预处理系统处理，按照一定的质量比混合均匀得到入炉料；入炉料经气力输送、物料喷枪进入宽筛分粉体相变复合炉，热风系统产生的原料气经由热风喷枪进入宽筛分粉体相变复合炉，通过控制入炉料和原料气中的C、O2、Fe的摩尔比为1:（0.3~0.08）:（0.6~0.9），使得炉内为还原性气氛，在操作温度1400~2000℃、压力0.025~0.080MPaG的工艺条件下，在宽筛分粉体相变复合炉内进行传递和反应过程，产生的高温气体从宽筛分粉体相变复合炉的高温气体出口排出后经余热回收、气体净化及CO2转化利用，产生的熔融液在宽筛分粉体相变复合炉内经均化、调质处理后，用于联产微晶玻璃、泡沫玻璃、高性能纤维；所述熔融液中组分及组成为：SiO2为40~55%、Al2O3为13~19%、CaO为6~12%、MgO为6~12%、Fe2O3+FeO为3~8%、Na2O+K2O≤5%，其他为3~8%。
进一步地，所述的原料预处理系统是将煤基固废和/或添加剂和/或飞灰破碎后，选取粒度≤8mm筛下物。
进一步地，所述的热风系统是将空气经预热器、热风炉与来自余热回收制氢系统回收热量之后的热气体进行交替、不接触式换热，再经燃烧器转化为1050~1250℃的混合热风；所述混合热风作为宽筛分粉体相变复合炉内入炉料进行燃烧、裂解、气化、还原等反应过程的原料气，并为宽筛分粉体相变复合炉提供物理热。优选地，所述的交替、不接触式换热是通过自动控制热风炉阀门实现的。
进一步地，所述的相变均化系统是将来自原料预处理系统的入炉料和热风系统产生的原料气在宽筛分粉体相变复合炉内快速接触、传递热量，实现入炉料热裂解、熔融以及碳燃烧反应、氧化铁还原等化学反应过程和均化、调质等物理过程后，送入无机产品制备系统。
进一步地，所述的余热回收制氢系统是将宽筛分粉体相变复合炉高温气体出口排出的高温气体经余热回收装置回收热量，产生的热气体进入热风系统。优选地，所述的余热回收装置由余热回收锅炉、汽包及过热器组成。更为优选地，所述的余热回收装置产生的过热蒸汽用于发电，产生的电能进一步用于电解水制氢气，所述的氢气用作热风系统中的补热燃料。
进一步地，所述的气体净化系统是将热风系统中经预热器后的混合气体进行除尘、净化处理，获得纯度≥99%的CO2。
进一步地，所述的CO2转化利用系统是将纯度≥99%的纯净CO2用于制备CO2下游产品或用作气力输送的承载介质；所述的CO2下游产品包括干冰、碳铵、纳米碳酸钙产品。优选地，所述的纳米碳酸钙作为原料预处理系统中的添加剂使用。
上述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺中，所述的煤基固废为煤矸石/粉煤灰和煤焦油废渣的混合物；所述的添加剂为菱镁矿或碳酸钙中的至少一种和/或二氧化钛的混合物；所述的飞灰中包含气体净化系统中除尘过程收集的飞灰。
相比于现有技术，本发明的技术方案所取得的有益效果在于：
（1）本发明提供了一种用于煤基固废规模化应用的PRMH工艺。该工艺流程设计基于产品全生命周期，实现了物料利用最大化，能量损耗最小化。
（2）本发明的工艺通过调节原料中SiO2、Al2O3、MgO、CaO及Fe2O3/FeO的配比，并与来自于热风系统的原料气在宽筛分粉体相变复合炉中进行“三传一反”化工过程，熔融液在宽筛分粉体相变复合炉内实现相变、脱碳、调质、均化，保障熔融液同时满足生产高性能纤维、微晶玻璃及泡沫玻璃等多种高质量无机产品的工艺需求。
（3）本发明工艺中宽筛分粉体相变复合炉的高温热量来自于原料自身的碳、氢燃烧，依据原料中C、H、Fe及原料气中H、O含量，实施控氧燃烧，确保宽筛分粉体相变复合炉在高温还原性气氛下操作，产生的高温气体组成简单，主要成分为CO2、N2、CO、H2O，从而使后续气体处理过程简单。整个工艺过程无需额外添加煤粉等燃料，热风系统中原料气携带的热量部分来源于空气与经余热回收之后的热气体换热，部分来源于余热回收制氢系统产生的氢气和氧气燃烧放热，从源头和过程上实现物料的绿色循环和能耗控制。
（4）本发明的工艺在设计过程中，通过工艺和产品设计计算，严控入炉料及原料气中各物质的配比和宽筛分粉体相变复合炉炉内进行控氧燃烧，使得原料中的C几乎全部转化为CO2，然后再经气体净化和CO2转化利用系统，将CO2转化为干冰、碳铵、纳米碳酸钙等产品，取得了“源头控碳、过程降碳、末端固碳”的技术效果。
附图说明
图1为本发明的PRMH工艺流程简图。
图2为热风系统的详细流程图。
图3为余热回收制氢系统的详细流程图。
具体实施方式
为了更清楚地描述本发明的技术方案，下面将结合具体实施例及附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明优选的实施例，而不是本发明的全部实施方式。基于本发明实施例中的优选的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例中，所述的煤基固废是指煤矸石、粉煤灰、煤焦油废渣等；所述的添加剂为菱镁矿、碳酸钙及二氧化钛等；所述的飞灰所述的飞灰中包含垃圾焚烧飞灰，以及本发明的气体净化系统中除尘过程收集的飞灰。
本发明的实施例中，采用的宽筛分粉体相变复合炉（即ZBF炉）包括熔融炉和均化炉，所述熔融炉分为传递熔融还原室、火焰动态空间室、高温气体混合室以及重金属富集室，所述宽筛分粉体相变复合炉的内壁采用水冷壁保护的耐火衬里，炉体上设置热风喷枪和若干物料喷枪；熔融炉与均化炉之间通过流液洞连通，熔融炉的上部设有供高温气体排出炉体的高温气体出口，均化炉的顶部设有供熔融液排出炉体的溢流口。所述宽筛分粉体相变复合炉的操作温度为1400~2000℃，操作压力为0.025~0.080MPaG。
以下结合附图，详细说明本发明技术方案及实施方式。
实施例1
本发明的一种用于煤基固废资源化利用的PRMH工艺，包括原料预处理系统、热风系统、相变均化系统、余热回收制氢系统、气体净化系统、CO2转化利用系统以及无机产品制备系统七个主要系统。
（1）原料预处理系统
本实施例中，煤基固废中煤矸石和粉煤灰的含量占60~85%、煤焦油废渣0~10%、碳酸钙0~15%、菱镁矿0~15%、二氧化钛0~3%。
如图1所示，煤基固废经破碎、筛分后，选取粒径小于8mm的筛下物，称重计量，通过气力输送方式与称重计量后的添加剂和飞灰按照一定的比例混合均匀，混合物料以送入相变均化系统的宽筛分粉体相变复合炉。
（2）热风系统
如图2所示，经空气压缩机、预热器后的热空气，与来自过热器的热气体通过自动控制阀门在热风炉中进行交替、不接触式换热，再经燃烧器转化为含有水蒸气的温度为1050~1250℃的混合热风，作为宽筛分粉体相变复合炉内原料燃烧、裂解、气化、还原等反应过程的原料气，为宽筛分粉体相变复合炉提供物理热。电解水制氢装置所产生的氢气、氧气进入燃烧器内燃烧，以进一步提高进入宽筛分粉体相变复合炉内原料气的温度。
（3）相变均化系统
来自原料预处理系统的原料和热风系统的原料气在宽筛分粉体相变复合炉内快速接触、传递热量，并发生原料脱水干燥反应、矸石热裂解、熔融、硅酸盐形成，以及碳燃烧反应、氧化铁还原等化学反应过程和均化、调质物理过程。产生的熔融液在ZBF炉内停留时间不低于2小时，然后进入无机产品制备系统，用于联产高性能纤维、微晶玻璃及泡沫玻璃。
本发明的相变均化系统的显著特点在于，宽筛分粉体相变复合炉内高温工况由入炉料自身的碳、氢燃烧维持；宽筛分粉体相变复合炉内保持还原性气氛，确保产生的高温气体组成简单，主要为CO2、N2、CO、H2O，从而使得气体处理过程简单；入炉料配比依据产品设计指标控制，在宽筛分粉体相变复合炉内进行“三传一反”化工过程，实现相变、脱碳、调质、均化过程。
（4）余热回收制氢系统
如图3所示，该系统是将宽筛分粉体相变复合炉高温气体出口排出的高温气体经余热回收锅炉、汽包、过热器回收热量，产生的热气体进入热风系统，产生的过热蒸汽用于发电，电能进一步用于电解水制氢气，产生的氢气、氧气进入热风系统中的燃烧器内燃烧。
为了维持汽包液面，需要从外界不断加入一定量的除氧水。除氧水进入汽包转化为循环热水，进入余热回收锅炉与高温气体进行热交换，产生蒸汽经汽包、过热器进入发电装置、电解水制氢装置。
（5）气体净化系统
如图1所示，热气体经热风炉、预热器与空气进行预热后，送至布袋除尘装置除去飞灰，然后经引风机送至CO2净化系统，获得纯度≥99%的CO2。
（6）CO2转化利用系统
CO2转化利用系统是将气体净化系统获得的纯度≥99%的CO2，用于制备CO2下游产品，如干冰、碳铵、纳米碳酸钙等。
作为一种优选的实施方式，纯净CO2一部分也可用于原料预处理系统中气力输送的承载介质。
作为另一种优选的实施方式，纳米碳酸钙产品作为原料预处理系统中的添加剂使用。
（7）无机产品制备系统
熔融液在宽筛分粉体相变复合炉中均化停留一段时间后，用于联产高性能纤维、微晶玻璃及泡沫玻璃。
本发明工艺中宽筛分粉体相变复合炉设置独立开车烘炉系统，宽筛分粉体相变复合炉在首次开工时，采用外供燃料方式进行燃烧加热，空气和燃料经雾化喷嘴进入炉内燃烧，完成开车。
实施例2
本实施例中，与实施例1不同的是，煤基固废中煤矸石80~82%、煤焦油渣3~5%、碳酸钙5~8%、菱镁矿8~10%、二氧化钛1~2%。原料经破碎、筛分、称重计量后经气力输送进入宽筛分粉体相变复合炉，添加剂和飞灰分别称重计量后进入宽筛分粉体相变复合炉。空气经空气压缩机、预热器、热风炉和燃烧器，温度提高到1150~1200℃，然后进入宽筛分粉体相变复合炉内。
入炉料与原料气在宽筛分粉体相变复合炉内进行快速接触、传递热量，在还原性气氛中发生裂解、相变、燃烧、还原等化学过程和均化、调质物理过程，入炉料与原料气转化为气相高温气体和液相熔融液。该过程中，宽筛分粉体相变复合炉的工作温度为1650℃~1700℃，工作压力为0.04~0.05MpaG，控制宽筛分粉体相变复合炉内原料中的碳、铁与原料气中的氧气的摩尔比为1:（0.15~0.20）:（0.80~0.85），使其处于还原性气氛，从而使得炉内产生的高温气体的组成主要为CO2、N2、CO、H2O。
高温气体由宽筛分粉体相变复合炉高温气体出口排出进入余热回收制氢系统，熔融液在宽筛分粉体相变复合炉炉内停留时间不低于2小时，然后进入无机产品制备系统，用于联产高性能纤维、微晶玻璃及泡沫玻璃。
由宽筛分粉体相变复合炉高温气体出口排出的高温气体经余热回收锅炉、过热器、热风炉、预热器、布袋除尘装置后进入CO2转化利用系统，获得纯度高达99%以上的CO2，用以制备纳米碳酸钙、碳铵以及干冰等产品。其中，碳酸钙作为原料添加剂回用，纯净的CO2作为原料预处理系统中的气力输送承载介质。
其余工艺操作同实施例1。
本发明提供的一种用于煤基固废资源化利用的PRMH工艺，涉及原料、燃料、产品路线、气体处理以及能量利用等多方面的技术内容。在本发明的一种优选的实施方案中，PRMH工艺系统将煤矸石或粉煤灰与煤焦油废渣耦合，充分发挥煤焦油废渣在本系统中的能量供应，通过严控物料组成和控氧燃烧获得了“源头控碳、过程降碳、末端固碳”的技术效果，基于产品全生命周期实现了物料循环和能量利用率的最大化。

Claims (12)

1.一种煤基固废资源化利用的PRMH工艺，包括原料预处理系统、热风系统、相变均化系统、余热回收制氢系统、气体净化系统、CO2转化利用系统以及无机产品制备系统；煤基固废、添加剂和飞灰经原料预处理系统处理后，按照一定的质量比混合调配后得到入炉料；入炉料经气力输送、物料喷枪进入宽筛分粉体相变复合炉，来自热风系统的原料气经由热风喷枪进入宽筛分粉体相变复合炉，控制入炉料与原料气中的C、Fe、O2的摩尔比为1:（0.3~0.08）:（0.6~0.9），使得炉内为还原性气氛，在温度1400~2000℃、压力0.025~0.080MPaG的操作工况下，入炉料和原料气在宽筛分粉体相变复合炉内进行传递和反应；产生的高温气体从宽筛分粉体相变复合炉的高温气体出口排出后经余热回收、气体净化及CO2转化利用，熔融液在宽筛分粉体相变复合炉内继续经均化、调质处理后送入无机产品制备系统，用于联产高性能纤维、微晶玻璃及泡沫玻璃；经均化、调质处理后的熔融液中组分及组成为：SiO2为40~55%、Al2O3为13~19%、CaO为6~12%、MgO为6~12%、Fe2O3+ FeO为3~8%、Na2O+K2O≤5%，其他组分为3~8%。
2.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的原料预处理系统是将煤基固废和/或添加剂和/或飞灰破碎后，选取粒度≤8mm筛下物。
3.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的热风系统是将空气经预热器、热风炉与来自余热回收制氢系统回收热量之后的热气体进行交替、不接触式换热，再经燃烧器转化为1050~1250℃的混合热风；所述混合热风作为宽筛分粉体相变复合炉内入炉料发生燃烧、裂解、气化、还原过程的原料气。
4.如权利要求3所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的交替、不接触式换热是通过自动控制热风炉阀门实现的。
5.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的相变均化系统是将来自原料预处理系统的入炉料和热风系统产生的原料气在宽筛分粉体相变复合炉内快速接触、传递热量，实现原料热裂解、还原、熔融以及熔融组分的均化、调质。
6.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的余热回收制氢系统是将宽筛分粉体相变复合炉的高温气体出口排出的高温气体经余热回收装置回收热量，产生的热气体进入热风系统。
7.如权利要求6所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的余热回收装置由余热回收锅炉、汽包及过热器组成。
8.如权利要求7所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的余热回收装置产生的过热蒸汽用于发电，产生的电能进一步用于电解水制氢气，所述的氢气用作热风系统中的补热燃料。
9.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的气体净化系统是将热风系统中经预热器预热后的混合气体进行除尘、净化处理，获得纯度≥99%的CO2。
10.如权利要求1所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的CO2转化利用系统是将纯度≥99%的纯净CO2用于制备CO2下游产品或作为气力输送的承载介质；所述的CO2下游产品包括干冰、碳铵、纳米碳酸钙。
11.如权利要求10所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的纳米碳酸钙作为原料预处理系统中的添加剂使用。
12.如权利要求1至11中任一项所述的煤基固废资源化利用的PRMH工艺，其特征在于，所述的煤基固废为煤矸石、或煤矸石/粉煤灰和煤焦油废渣的混合物；所述的添加剂为菱镁矿或碳酸钙中的至少一种和/或二氧化钛的混合物；所述的飞灰包含气体净化系统中除尘过程收集的飞灰。
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JPH11165144A (ja) * 1997-12-04 1999-06-22 Tetsugen Corp 焼却又は溶融飛灰の処理方法
US5935885A (en) * 1996-04-09 1999-08-10 Vortec Corporation Manufacture of ceramic tiles from fly ash
CN105924012A (zh) * 2016-04-25 2016-09-07 四川名微晶科技股份有限公司 以煤矸石为原料采用全电熔压延法工艺生产的微晶玻璃及其生产方法

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