CN114752418A - 一种实现零碳排放的煤分质利用系统和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤化工领域，公开了一种实现零碳排放的煤分质利用系统和方法。该系统包括煤热解装置、热解气分离装置和氧化还原反应装置，热解气分离装置用于将热解气中的二氧化碳分离出来，氧化还原反应装置用于使其中的二氧化碳与热解生成的半焦或焦炭进行氧化还原反应，以得到一氧化碳；该一氧化碳可用于制备合成气。该煤分质利用系统能充分利用现有热解产物，还能实现碳减排和碳循环，达到煤炭清洁能源综合高效利用。

Description

一种实现零碳排放的煤分质利用系统和工艺

技术领域

本发明涉及煤化工技术领域，具体而言，涉及一种实现零碳排放的煤分质利用系统和工艺。

背景技术

我国煤炭资源丰富，煤炭成为许多基础化工产品的原材料。其中，通过煤可以制备一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气组成的合成气用途广泛，是制备合成氨、天然气、甲醇、乙二醇、低碳烯烃、合成油等产品最基础的原料。

目前，煤的传统利用方式为气化、燃烧、液化等，存在碳利用率低、二氧化碳排放量高的问题，需要发展煤炭清洁高效利用技术，以促进煤制气行业绿色、健康可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实现零碳排放的煤分质利用系统和工艺。

根据本发明的一个方面，提供一种实现零碳排放的煤分质利用系统，包括：

煤热解装置，用于对煤进行热解及对热解所得的产物进行分离，以得到热解气，并得到半焦或焦炭，所述热解气包含二氧化碳；所述煤热解装置包括固体出口和气体出口，所述固体出口用于输出所述半焦或焦炭，所述气体出口用于输出所述热解气；

热解气分离装置，包括入口和二氧化碳出口，所述入口连接所述煤热解装置的气体出口；所述热解气分离装置用于将所述二氧化碳从所述热解气中分离出来，并从所述二氧化碳出口输出；

氧化还原反应装置，包括第一入口、第二入口和出口，所述第一入口与所述煤热解装置的固体出口连接，所述第二入口与所述热解气分离装置的二氧化碳出口连接，所述氧化还原反应装置用于使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应，以得到一氧化碳并从所述氧化还原反应装置的出口输出；所述一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述系统还包括：

气化装置，包括入口和粗合成气出口，所述气化装置的入口连接所述煤热解装置的固体出口，所述气化装置用于将所述半焦或焦炭气化为粗合成气，并从所述粗合成气出口输出；

粗合成气分离装置，包括入口和二氧化碳出口，所述粗合成气分离装置的入口连接所述气化装置的粗合成气出口，所述粗合成气分离装置用于将所述粗合成气中的二氧化碳分离出来，并从所述二氧化碳出口输出；所述粗合成气中的氢气和一氧化碳用于制备合成气；

其中，所述粗合成气分离装置的二氧化碳出口与所述氧化还原反应装置的第二入口连通，用于将所述二氧化碳输入所述氧化还原反应装置，以使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述系统还包括：

电解水制氢装置，包括氢气出口和氧气出口，所述电解水制氢装置用于将水电解为氢气和氧气，并分别从所述氢气出口和氧气出口输出；

其中，所述电解水制氢装置制备的氢气用于制备合成气，所述电解水制氢装置的氧气出口与所述气化装置的入口连通，以使所述氧气用作气化过程的气化剂。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述煤热解装置还包括废水排放口，所述废水排放口与所述气化装置的入口连通，以使所述废水用作气化过程的气化剂。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述热解气分离装置还包括氢气出口和/或一氧化碳出口，所述热解气分离装置还用于将氢气和/或一氧化碳从所述热解气中分离出来，并分别由所述氢气出口和/或一氧化碳出口排出，所述氢气和/或一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述系统还包括除尘装置和/或净化装置；

所述除尘装置包括入口和出口，所述除尘装置的入口与所述氧化还原反应装置的出口连接，所述除尘装置用于去除所述一氧化碳中的固体杂质，所述除尘装置的出口用于输出经过除尘处理后的一氧化碳；

所述净化装置包括入口和出口，所述净化装置的入口与所述氧化还原反应装置的出口连接，所述净化装置用于去除所述一氧化碳中的杂质气体，所述净化装置的出口用于输出经过净化处理后的一氧化碳。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述热解气分离装置还包括驰放气出口，所述驰放气出口用于输出所述热解气分离出二氧化碳、一氧化碳、氢气中任意一种或多种组合以外的驰放气；所述系统还包括：

驰放气燃烧装置，包括入口和出口，所述驰放气燃烧装置的入口连接所述热解气分离装置的驰放气出口，所述驰放气燃烧装置用于将所述驰放气进行燃烧；

载气管路，连接所述煤热解装置，用于为所述煤热解反应提供载气；

换热装置，所述换热装置的高温入口端连接所述驰放气燃烧装置的出口，低温入口端连接所述载气管路，所述换热装置用于将所述驰放气燃烧产生的热量传递给所述载气，以形成热载气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述系统还包括：

固气分离装置，包括入口、固体出口和气体出口，所述固气分离装置的入口与所述氧化还原反应装置上部连通，固体出口与所述氧化还原反应装置连通，固气分离装置的气体出口作为所述氧化还原反应装置的出口，以使氧化还原反应生成的一氧化碳气体中未反应完全的半焦或焦炭从所述固气分离装置的固体出口回到所述氧化还原反应装置中继续反应，且所述一氧化碳从固气分离装置的气体出口排出。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述氧化还原反应装置还包括第三入口，所述第三入口用于向所述氧化还原反应装置输入水蒸气。

根据本发明的另一个方面，还提供一种实现零碳排放的煤分质利用工艺，包括：

煤热解生成热解气，并生成半焦或焦炭，所述热解气包含二氧化碳；

将所述二氧化碳从所述热解气中分离出来；

使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应，生成一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

对部分所述半焦或焦炭进行气化，生成粗合成气；将所述粗合成气中的一氧化碳、氢气和二氧化碳分离出来，所述一氧化碳和氢气用于制备合成气；使分离出的所述二氧化碳与剩余部分半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

利用电解水制氢技术制备氢气和氧气，将所述氢气用于制备合成气，将所述氧气用作气化过程的气化剂；和/或，将煤热解产生的废水用作气化过程的气化剂。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

对生成的所述一氧化碳进行除尘处理，以去除所述一氧化碳中的固体杂质；和/或，对生成的所述一氧化碳进行净化处理，以去除所述一氧化碳中的杂质气体。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

将所述氢气和/或一氧化碳从所述热解气中分离出来，以使所述热解气中的氢气和/或一氧化碳用于制备合成气。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

从所述热解气中分离出所述二氧化碳、一氧化碳和氢气中任意一种或多种组合后，对剩余驰放气进行燃烧处理；将所述驰放气燃烧产生的热量通过换热器传递给所述载气，形成热载气，通过所述热载气为所述煤热解供热。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：

利用固气分离装置将所述氧化还原反应生成的一氧化碳气体中未反应完全的半焦或焦炭分离出来；将分离出的半焦或焦炭送回到所述氧化还原反应中，以使所述半焦或焦炭充分反应。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述工艺还包括：向所述氧化还原反应中通入水蒸气。

本发明的技术原理为：煤在不同温度下热解生成的产物不同，在低温条件下(如500-900℃)热解生成半焦和热解气，在高温条件下(900-1200℃)热解生成焦炭和热解气。无论采用低温热解还是高温热解，生成的半焦和焦炭的主要成分都是碳。热解气主要包含碳氢化合物(CH_n)、一氧化碳(CO)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)、气态焦油、水蒸气等。将热解气中的二氧化碳分离出来，与热解产生的半焦或焦炭进行氧化还原反应，可以生成一氧化碳。该一氧化碳用于下游化工产品的制备。

本发明系统和工艺以煤分质利用为依托，用半焦或焦炭与二氧化碳的反应生成一氧化碳为核心，进而可制备合成气。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明实现零碳排放的煤分质利用系统，通过煤热解装置产生并分离出半焦或焦炭以及热解气，通过热解气分离装置将热解气中的二氧化碳分离出来，采用该二氧化碳与半焦或焦炭进行氧化还原反应制备得到合成气的原料一氧化碳。该系统可替代传统煤气化系统制备合成气，与传统煤气化系统相比，本发明不需要或仅需要小规模的煤气变换单元，减少了二氧化碳的排放量，同时对二氧化碳进行循环利用，实现了碳减排和碳循环，以此实现零碳排放。

进一步的，本发明与传统气化装置联合，将气化生成的二氧化碳与热解生成的半焦或焦炭进行氧化还原反应，得到一氧化碳。既能高效制备合成气，又能够将产生的二氧化碳循环利用，减少二氧化碳排放量。

进一步的，电解水制氢装置能提供制备合成气的氢气，并且电解水产生的氧气可用作气化过程的气化剂，由此使得电解水产物都被充分利用。

进一步的，采用煤热解装置产生的废水用作气化过程的气化剂，实现废水的综合利用，降低能耗。

进一步的，热解气分离装置进一步分离氢气和/或一氧化碳，用于制备合成气，能提高产物利用率。

进一步的，除尘装置和/或净化装置能去除一氧化碳中的固体杂质和/或气体杂质，提高产物纯度。

进一步的，驰放气燃烧装置及换热装置的设置，能充分回收驰放气的热量，提高能量利用率，降低能耗。

进一步的，固气分离装置的设置能回收未充分反应的半焦或焦炭并进行循环反应，使半焦或焦炭反应充分。

进一步的，向氧化还原反应装置通入的水蒸气与半焦或焦炭在氧化还原反应装置中反应生成一氧化碳和氢气，可直接形成一定比例的合成气。同时，水蒸气的加入也可以起到调温、控温的作用。

本发明的工艺，通过煤热解产生并分离出半焦或焦炭以及热解气，将热解气中的二氧化碳分离出来，采用二氧化碳与半焦或焦炭进行氧化还原反应制备得到合成气的原料一氧化碳。能充分利用现有热解过程中的二氧化碳资源，尤其能够对二氧化碳进行循环利用，大大减少了二氧化碳的排放，实现了碳减排和碳循环，以此实现零碳排放。与传统合成气工艺相比，本发明的工艺产生的含硫、含氮等气体杂质较少，能够减少该类气体造成的环境污染。

进一步的，本发明的工艺还可与传统煤气化工艺联合，既实现了煤气化高效制备合成气，又能够循环利用气化产生的二氧化碳，减少二氧化碳排放量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一种实施方式的煤分质利用系统示意图；

图2为本发明第二种实施方式的煤分质利用系统示意图；

图3为本发明第三种实施方式的煤分质利用系统示意图；

图4为本发明第四种实施方式的煤分质利用系统简要示意图；

图5为本发明第四种实施方式的煤分质利用系统详细示意图。

图中：11.热解装置；11a.原料煤进料口；11b.热载气入口；11c.物料出口；

12.第一分离装置；12a.第一分离装置的入口；12b.固体出口；12c.气液混合物出口；

13.第二分离装置；13a.入口；13b.气体出口；13c.液体出口；

14.气化装置；14a.入口；14b.气体出口；

15.粗合成气分离装置；15a.入口；15b.二氧化碳出口；

16.水电解制氢装置；16a.氢气出口；16b.氧气出口；

2.热解气分离装置；20a.入口；20b.氢气出口；20c.二氧化碳出口；20d.驰放气出口；

3.氧化还原反应装置；30a.第一入口；30b.第二入口；30c.第三入口；30d.出口；31.固气分离装置；31a.入口；31b.固体出口；31c.气体出口；31d.辅调节阀；32.主调节阀；

4.煤缓存仓；5.缓冲仓；6.预加热装置；7.除尘装置；8.净化装置；9.驰放气燃烧装置；10.换热装置；101.载气管路。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本发明所述煤热解，是指煤炭在热解装置中非氧化气氛下，受热发生物理化学反应，形成固体、气体、液体产物的热转化过程，是煤炭热转化加工的关键步骤。本发明的煤热解的原料煤为可以通过热解生成半焦或焦炭的任意煤种，例如可以为褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤等。其固体产物为半焦或焦炭，气体产物为以氢气、二氧化碳、甲烷、一氧化碳、氮气等气体为主的热解气，液体为以链烃和芳烃为主的煤焦油。

固体产物的类型受热解温度影响，在低温条件下(如500-900℃)煤热解生成的固体产物为半焦，在高温条件下(900-1200℃)煤热解生成的固体产物为焦炭。无论采用低温热解还是高温热解，生成的半焦和焦炭的主要成分都是碳。

本发明的煤热解装置包括热解装置11和产物分离装置，热解装置11用于提供热解反应场所，产物分离装置用于对固体产物、液体产物和气体产物进行分离。

本发明实施方式的热解装置11可以采用常用任意热解技术的装置，例如气流床热解技术、流化床热解技术、固定床热解技术等。无论采用哪种热解装置，该装置都包括原料煤进料口11a、热载气入口11b、温度调节装置、压力调节装置、物料出口11c等必备结构。参考图1，原料煤通常是通过热载气形成流化态，从而送入热解装置11。热载气为不参与反应的惰性气体，如氮气等。反应结束后，包括固、液、气三种形态的热解产物由物料出口11c一起送出，进入产物分离装置。

本发明实施方式的产物分离装置包括第一分离装置12，第一分离装置12用于将半焦或焦炭从热解产物中分离出来，第一分离装置12包括入口12a、固体出口12b和气液混合物出口12c，其入口12a与热解装置11的物料出口11c连接，固体出口12b与氧化还原反应装置3连接，用于将分离后的半焦或焦炭送入氧化还原反应装置3。一般来说，由于煤热解反应温度较高，热解生成的煤焦油最初以汽态形式和热解气混合，即去除半焦或焦炭以后的剩余物料为气液混合物料，该气液混合物料由第一分离装置12的气液混合物出口12c排出。在一些具体实施例中，第一分离装置12为旋风分离器。

本实施方式的产物分离装置还包括第二分离装置13，第二分离装置13用于将煤焦油从热解气中分离出去，得到纯净的热解气。第二分离装置13包括入口13a、气体出口13b、液体出口13c，入口13a与第一分离装置12的气液混合物出口12c连接，其气体出口13b与热解气分离装置2的入口20a连接，用于将分离后的热解气送入热解气分离装置2，其液体出口13c用于将分离出的煤焦油排出。在一些实施例中，第二分离装置13可以采用冷凝的方式将煤焦油分离出来。在其他实施例中，还可以采用过滤床去除热解气中的煤焦油。

经过上述分离工艺后，就可以得到较为理想的热解气和半焦或焦炭。需要说明的是，本发明不限定上述两个分离装置的连接顺序，也不限定上述分离设备的数量。

如图1所示，热解气分离装置2包括入口20a，该入口20a连接第二分离装置13的气体出口13b，以将热解气送入热解气分离装置2。热解气分离装置2还包括二氧化碳出口20c，二氧化碳出口20c用于将分离出的二氧化碳排出。

在另一实施方式中，如图2所示，热解气分离装置2还进一步包括氢气出口20b，即热解气分离装置2还能够将热解气中的氢气分离出来，分离出的氢气可以制备合成气。进一步的，热解气分离装置2还可以包括一氧化碳出口(图中未示出)，即热解气分离装置2还能够将热解气中的一氧化碳分离出来，分离出的一氧化碳也可以制备合成气。当然，这部分一氧化碳也可以不经分离，直接与二氧化碳一起进入氧化还原反应装置3。

本发明所述“热解气分离装置”是实现上述分离目的的设备或装置，可选用本领域实现上述目的的常规设备或装置，如选择吸附装置、膜分离装置等。

在一种具体实施例中，热解气分离装置2采用变压吸附技术实现分离。变压吸附技术是根据混合气体中目标组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，从而通过压力变化分离出目标组分。

在另一种具体实施例中，热解气分离装置2采用化学链制氢法实现分离。化学链制氢法使用固态金属氧化物作为氧载剂,将燃料直接氧化为二氧化碳和水，被还原的金属氧化物则可以与水蒸气发生夺氧(还原)反应并生成氢气，从而在制氢的同时实现了氢气和二氧化碳的分离。采用该方法可得到高纯度的氢气和二氧化碳，在此基础上进一步制取的合成气无需再进行后续处理，即可直接用于制备化学品。

分离出来的二氧化碳与热解反应后生成的半焦或焦炭在氧化还原反应装置3进行反应。氧化还原反应化学式如下：

C+CO₂→2CO

该反应的作用机理为通过半焦或焦炭将二氧化碳还原为一氧化碳。反应温度约为1000-1300℃。因此，氧化还原反应装置3需设置温度控制单元，以提供足够的热量进行反应。

在另一种实施方式中，由于该氧化还原反应温度较高，半焦或焦炭也可以在进入氧化还原反应装置3前进行预加热，然后再进入氧化还原反应装置3进行反应。参考图2，第一分离装置12和氧化还原反应装置3之间设置有预加热装置6，在一种具体实施例中，预加热装置6可以采用电磁加热装置进行加热，例如中频炉。电磁加热装置的电能可以进一步采用绿电，由此可降低因发电产生的二氧化碳排放。另外，预加热装置6和第一分离装置12之间还可以设置一缓冲仓5，用于对进入氧化还原反应装置3的半焦或焦炭量进行控制。

如图1或图2所示，在本实施方式中，氧化还原反应装置3为一独立的反应装置，具体可以采用气流床、流化床或固定床等形式实现反应。本实施例中，优选气流床。该气流床包括第一入口30a、第二入口30b和出口30d，第一分离装置12的固体出口12b与氧化还原反应装置3的第一入口30a连通，热解气分离装置2的二氧化碳出口20c与氧化还原反应装置3的第二入口30b连通。

需要说明的是，半焦或焦炭通常是通过输送气吹动成流化态，从而送入氧化还原反应装置3。输送气可以为不参与反应的惰性气体，如氮气等，也可以为参与反应的气体，如二氧化碳等。可以理解的是，该输送气可以通过单独设置的或该系统中已有的管路提供，使其能够将半焦或焦炭输送至氧化还原反应装置3。氧化还原反应装置3的第一入口30a处还可以进一步设置主调节阀32，以调节半焦或焦炭的进料量，从而控制料床的高度，使得可以根据反应需要控制二氧化碳在料床内的停留时间。

在一种具体实施例中，氧化还原反应装置3还包括第三入口30c，第三入口30c用于向氧化还原反应装置3输入水蒸气，水蒸气与半焦或焦炭在氧化还原反应装置3中反应生成一氧化碳和氢气，可直接形成一定比例的合成气。另一方面，水蒸气的加入也可以起到调温、控温的作用。

在一种具体实施例中，在该反应中加入催化剂，可以提高半焦或焦炭的反应活性，进而提高了一氧化碳的选择性和收率；同时还能降低反应温度，由此减少系统能耗，同时延长反应设备的使用寿命。具体的，催化剂可以为碳酸钾等。

在实际的反应过程中，氧化还原反应装置3内会存在未反应完全的半焦或焦炭颗粒随着反应生成的一氧化碳气体排出的情况，为了使半焦或焦炭颗粒的反应进行的更完全，该系统进一步还设置一固气分离装置31，实现对固体和气体的分离，例如，固气分离装置31可以为旋风分离装置。参考图2，该旋风分离装置入口31a与氧化还原反应装置3上部连通，固体出口31b与氧化还原反应装置3连通，气体出口31c作为氧化还原反应装置3的出口30d。一氧化碳气体由旋风分离装置的入口进入，经过旋风分离后，气体中未反应完全的半焦或焦炭颗粒从旋风分离器料腿底部落入氧化还原反应装置3，继续参与反应。一氧化碳从旋风分离器的气体出口31c排出，再进入后续除尘装置7和净化装置8进行除尘、净化。通过对反应物料进行循环，可以实现物料的充分反应，提高反应收率。在其他具体实施例中，该固气分离装置31还可以设置在氧化还原反应装置3内部，也能实现循环作用。进一步的，该固气分离装置31的固体出口31b上也可设置一辅调节阀31d，用于调节分离后的半焦或焦炭的进料量，从而控制料床的高度。该辅调节阀31d与氧化还原反应装置3上的主调节阀32配合实现对料床高度的控制。

从氧化还原反应装置出来的一氧化碳中可能仍会含有一些固体颗粒，如微颗粒状的灰渣、粉尘等。为了进一步提高合成气的纯度，本实施方式的系统还可以进一步包括除尘装置7，以去除一氧化碳中的固体杂质。如图2所示，除尘装置7的入口与氧化还原反应装置3的出口30d连接，在一种具体实施例中，除尘装置7可以为旋风分离器。当然，除尘装置7还可以为采用膜过滤等其他除尘技术的装置，本发明不对此进行特殊限定。另外，除尘装置7和第一分离装置12可以相同，也可以不同。除尘装置7分离出的固体颗粒可返回氧化还原反应装置3，再进行进一步反应，实现物料的充分利用。

高温半焦或焦炭氧化还原反应生成的一氧化碳中会含有少量的杂质气体，如二氧化硫、硫化氢、氮气等含硫或含氮气体，为了避免气体杂质对氧化还原反应的影响，本实施方式的系统还可以进一步包括净化装置8，以去除一氧化碳中的杂质气体。在一些具体实施例中，净化装置8可以为低温甲醇洗装置、二乙醇胺处理装置、变压吸附装置等。当然，净化装置8也可以为包含多种净化装置8的组合设备，本发明不对此进行特殊限定。如图1所示，净化装置8包括入口和出口，净化装置8的入口与除尘装置7的气体出口连接，净化装置8的出口用于输出经过净化处理后的一氧化碳。

需要说明的是，本发明不限定上述除尘、净化两个工艺步骤的先后顺序，也不限定上述各工艺设备的数量。

经过上述工艺路径，即可获得理想的一氧化碳，该一氧化碳即可用于制备合成气。在上述各种实施方式中，热解气中的二氧化碳被分离出来用于制备一氧化碳。该工艺可替代传统煤气化工艺制备合成气，与传统煤气化工艺相比，本发明不需要或仅需要小规模的煤气变换单元，减少了二氧化碳的排放量，同时对二氧化碳进行循环利用，实现了碳减排和碳循环，以此实现零碳排放。需要说明的是，本申请名称及文中的“零碳排放”是指将不得已排放的碳废弃物充分利用，是无限地减少碳排放直至零的活动，这是一种理论的、理想的状态，而非必然的、完全的不排放的状态。因此，“零碳排放”不对本申请技术方案的保护范围或技术效果起到绝对的限定作用。

在另一实施方式中，本发明的工艺不取消传统煤气化工艺，而是在保留传统煤气化工艺的同时充分利用热解气、粗合成气中的二氧化碳制备一氧化碳。

具体参考图4和图5，该工艺系统还包括气化装置14和粗合成气分离装置15，气化装置14包括入口14a和粗合成气出口14b，气化装置的入口14a连接煤热解装置的固体出口12b，煤热解产生的一部分半焦或焦炭进入氧化还原反应装置3，另一部分半焦或焦炭则进入气化装置14，在气化装置14内被气化为粗合成气。粗合成气分离装置15包括入口15a和二氧化碳出口15b，其入口15a连接气化装置的粗合成气出口14b，粗合成气分离装置15用于将粗合成气中的二氧化碳分离出来，粗合成气分离装置的二氧化碳出口15b与氧化还原反应装置的第二入口30b连通，用于将二氧化碳输入氧化还原反应装置3，以使二氧化碳与半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳。粗合成气中除二氧化碳以外的气体中一般含有大量氢气和一氧化碳，可以直接用于制备或调节合成气。气化装置14可以为固定床、气流床、流化床等任何能够实现气化的设备，粗合成气分离装置15可以为变压吸附装置、膜分离装置等任何能将目标气体分离出来的分离设备。

显然，保留的气化工艺既能实现传统的合成气制备，又能对其中产生的二氧化碳进行循环利用，减少二氧化碳排放。因此，本实施方式可通过两条工艺路径来制备合成气所需气体，提高合成气制备效率，同时这两条工艺都能实现碳循环和碳减排，实现煤化工过程中二氧化碳废气的综合利用。同时，本实施方式还可以通过引入热解气、粗合成气分离的一氧化碳、氢气来调节合成气中一氧化碳和氢气的组成，以组成适当比例的合成气。

另一方面，上述实施方式中，用于制备或调节合成气的氢气一方面通过从热解气中分离而来，一方面从气化工艺生成。在另一种实施方式中，氢气还可以通过电解水制氢装置16制备而成。电解水制氢的同时还会产生氧气，氧气可用作气化过程的气化剂。参照图5，电解水制氢装置16包括氢气出口16a和氧气出口16b，水电解产生的氢气和氧气分别从氢气出口和氧气出口输出，氢气可起到调节合成气中氢气比例的作用。氧气出口16b与气化装置连通，氧气进入气化装置参与反应。由此使得电解水产物都被充分利用。为了降低能耗，电解水制氢和氧使用的电可以采用绿电，绿电是指利用太阳能、风力、生质能、地热等产生的电，由此制备的氢气俗称绿氢，氧气俗称绿氧。在合成气制备过程中引入绿氢既能够实现对合成气的调节，又能够减少能耗。

进一步的，参考图4和图5，由第二分离装置13分离出的煤焦油进一步净化可得到干净的煤焦油和热解废水，热解废水可进入气化装置，作为气化过程中的气化剂。由此实现对热解废水的循环利用，减少废水排放，进一步实现煤化工过程中废水的综合利用。

需要说明的是，利用绿氧作为气化剂和利用热解废水作为气化剂两条路径可以单独存在，也可以同时存在。

参考图3-图5，在另一种实施方式中，热解气分离装置2还包括用于输出驰放气的驰放气出口20d。本发明所述“驰放气”可以为热解气中除二氧化碳以外的所有气体，也可以为进一步分离出其他有用气体(如氢气、一氧化碳)之后的剩余气体。因此，驰放气可以是指除二氧化碳、一氧化碳、氢气中任意一种或多种组合以外的其他剩余气体。驰放气可以直接用作整个反应系统的热载气。驰放气还可以为多余的未进行分离利用的剩余排放气，此时，也可以从这部分驰放气中进一步分离出二氧化碳再进行循环利用。

如图所示，整个系统还包括驰放气燃烧装置9，驰放气燃烧装置9用于将驰放气燃烧，避免这些气体直接排入空气造成环境污染。驰放气燃烧装置9包括入口和出口，驰放气燃烧装置9的入口连接热解气分离装置2的驰放气出口20d。

在该实施方式中，为了进一步提高整个系统的热效率，整个系统还包括换热装置10，换热装置10用于将驰放气燃烧产生的热量传递给载气，使得载气被加热形成热载气，从而为煤热解反应提供热量，降低额外给热解过程加热的耗能，实现了能量的循环利用，提高了整个反应系统的热量利用效率。

具体的，该系统包括载气管路101，载气管路101与热解装置11上的热载气入口11b连通。换热装置10的高温入口端连接驰放气燃烧装置9的出口，低温入口端连接载气管路101。热量交换后，原本常温的载气被加热，形成热载气。进而被输送至热解装置11，为煤热解反应提供热量。燃烧后的驰放气可以直接排放或是进行下一步处理。

本发明实施方式还提供了一种实现零碳排放的煤分质利用方法，采用上述系统实现。该方法包括以下步骤：

步骤S100，煤热解生成热解气及半焦或焦炭，热解气包含二氧化碳；

步骤S200，将二氧化碳从热解气中分离出来；

步骤S300，二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应，生成一氧化碳，一氧化碳用于制备或调节合成气。

下面对本发明的煤分质利用制备合成气的工艺进行详细说明。

其中，步骤S100具体可按照以下步骤实施：首先，原料煤在热解装置11中发生热解反应，生成的热解产物包括热解气、半焦或焦炭、煤焦油等，其中热解气包含二氧化碳。其次，热解产物进入第一分离装置12，进行分离，使半焦或焦炭分离出来，并送入氧化还原反应装置3；剩余物料为气液混合物料被送入第二分离装置13。然后，气液混合物料在第二分离装置13进行气液分离，使热解气中的煤焦油分离出去，得到干净的热解气，并送入氧化还原反应装置3。

其中，步骤S200中，二氧化碳的分离方法可采用变压吸附、膜分离等方法。进一步的，在分离二氧化碳的同时还能将热解气中的氢气分离出来，该氢气即可用于制备或调节合成气。在其他实施方式中，氢气还可以通过电解水制氢装置制备而成。

其中，步骤S300具体可按照以下步骤实施：首先，二氧化碳与半焦或焦炭在氧化还原反应装置3中进行氧化还原反应，生成一氧化碳，在本步骤中，可以将一氧化碳气体送入固气分离装置，如旋风分离装置，经过旋风分离后，气体中未反应完全的半焦或焦炭颗粒从旋风分离器下方的料口落入氧化还原反应装置3，继续参与反应。一氧化碳从旋风分离器的气体出口31c排出。通过对反应物料进行循环，可以实现物料的充分反应，提高产物收率。同时，还可向氧化还原反应中通入水蒸气，水蒸气与半焦或焦炭反应生成一氧化碳和氢气，也可以起到调温、控温的作用。

其次，对生成的一氧化碳进一步进行除尘处理，以去除一氧化碳中的固体杂质。然后，对生成的一氧化碳进行净化处理，以去除一氧化碳中的杂质气体。需要说明的是，除尘、净化处理可以只进行其中一项，也可以都进行。本发明不限定其顺序和处理次数。

在另一种具体实施例中，上述工艺还进一步包括气化工艺，即：

步骤S400，对其中一部分半焦或焦炭进行气化，生产粗合成气。气化装置可以为固定床、气流床、流化床等任何能够实现气化的设备。

步骤S500，将粗合成气中的一氧化碳、氢气、二氧化碳分离出来，一氧化碳和氢气用于制备合成气。粗合成气分离装置可以为变压吸附装置、膜分离装置等任何能将目标气体分离出来的分离设备。

步骤S600，使分离出的二氧化碳送入氧化还原反应装置，与另一部分半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳，一氧化碳用于制备或调节合成气。

进一步的，在包含气化工艺的基础上，该工艺还可以包括：利用电解水制氢技术制备氢气和氧气，将氢气用于制备合成气，将氧气用作气化过程的气化剂。或将热解产生的废水用作气化过程的气化剂。当然，两个气化剂路线可以同时存在。

在另一种具体实施例中，上述工艺还包括：

步骤S700，从热解气中分离出二氧化碳、一氧化碳、氢气中任意一种或多种组合后，对剩余驰放气进行燃烧处理；将驰放气燃烧产生的热量通过换热器传递给载气，以形成热载气并为热解反应供热。

上述工艺的具体过程可参考前文对煤分质利用系统的描述，此处不再赘述。需要说明的是，本发明的步骤编号仅为了表述方便而使用，不代表对步骤顺序的限定。例如，上述多个步骤可同时进行，使整个工艺路线形成一个可持续循环的体系。例如，S200和S400可同时进行，即热解气分离和气化反应同时进行，使两个工艺路线上的二氧化碳都进入氧化还原反应装置。在例如，步骤S200分离出氢气和二氧化碳后，二氧化碳进入步骤S300进行氧化还原反应，驰放气进入步骤S700进行燃烧和热量循环，两个步骤可同时进行。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (17)

1.一种实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，包括：

煤热解装置，用于对煤进行热解及对热解所得的产物进行分离，以得到热解气，并得到半焦或焦炭，所述热解气包含二氧化碳；所述煤热解装置包括固体出口和气体出口，所述固体出口用于输出所述半焦或焦炭，所述气体出口用于输出所述热解气；

热解气分离装置，包括入口和二氧化碳出口，所述入口连接所述煤热解装置的气体出口；所述热解气分离装置用于将所述二氧化碳从所述热解气中分离出来，并从所述二氧化碳出口输出；

氧化还原反应装置，包括第一入口、第二入口和出口，所述第一入口与所述煤热解装置的固体出口连接，所述第二入口与所述热解气分离装置的二氧化碳出口连接，所述氧化还原反应装置用于使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应，以得到一氧化碳并从所述氧化还原反应装置的出口输出；所述一氧化碳用于制备合成气。

2.根据权利要求1所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述系统还包括：

气化装置，包括入口和粗合成气出口，所述气化装置的入口连接所述煤热解装置的固体出口，所述气化装置用于将所述半焦或焦炭气化为粗合成气，并从所述粗合成气出口输出；

粗合成气分离装置，包括入口和二氧化碳出口，所述粗合成气分离装置的入口连接所述气化装置的粗合成气出口，所述粗合成气分离装置用于将所述粗合成气中的二氧化碳分离出来，并从所述二氧化碳出口输出；所述粗合成气中的氢气和一氧化碳用于制备合成气；

其中，所述粗合成气分离装置的二氧化碳出口与所述氧化还原反应装置的第二入口连通，用于将所述二氧化碳输入所述氧化还原反应装置，以使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

3.根据权利要求2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述系统还包括：

电解水制氢装置，包括氢气出口和氧气出口，所述电解水制氢装置用于将水电解为氢气和氧气，并分别从所述氢气出口和氧气出口输出；

其中，所述电解水制氢装置制备的氢气用于制备合成气，所述电解水制氢装置的氧气出口与所述气化装置的入口连通，以使所述氧气用作气化过程的气化剂。

4.根据权利要求2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述煤热解装置还包括废水排放口，所述废水排放口与所述气化装置的入口连通，以使所述废水用作气化过程的气化剂。

5.根据权利要求1或2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述热解气分离装置还包括氢气出口和/或一氧化碳出口，所述热解气分离装置还用于将氢气和/或一氧化碳从所述热解气中分离出来，并分别由所述氢气出口和/或一氧化碳出口排出，所述氢气和/或一氧化碳用于制备合成气。

6.根据权利要求1或2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述系统还包括除尘装置和/或净化装置；

所述除尘装置包括入口和出口，所述除尘装置的入口与所述氧化还原反应装置的出口连接，所述除尘装置用于去除所述一氧化碳中的固体杂质，所述除尘装置的出口用于输出经过除尘处理后的一氧化碳；

所述净化装置包括入口和出口，所述净化装置的入口与所述氧化还原反应装置的出口连接，所述净化装置用于去除所述一氧化碳中的杂质气体，所述净化装置的出口用于输出经过净化处理后的一氧化碳。

7.根据权利要求5所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述热解气分离装置还包括驰放气出口，所述驰放气出口用于输出所述热解气分离出二氧化碳、一氧化碳和氢气中任意一种或多种组合以外的驰放气；所述系统还包括：

驰放气燃烧装置，包括入口和出口，所述驰放气燃烧装置的入口连接所述热解气分离装置的驰放气出口，所述驰放气燃烧装置用于将所述驰放气进行燃烧；

载气管路，连接所述煤热解装置，用于为所述煤热解反应提供载气；

换热装置，所述换热装置的高温入口端连接所述驰放气燃烧装置的出口，低温入口端连接所述载气管路，所述换热装置用于将所述驰放气燃烧产生的热量传递给所述载气，以形成热载气。

8.根据权利要求1或2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述系统还包括：

固气分离装置，包括入口、固体出口和气体出口，所述固气分离装置的入口与所述氧化还原反应装置上部连通，固体出口与所述氧化还原反应装置连通，固气分离装置的气体出口作为所述氧化还原反应装置的出口，以使氧化还原反应生成的一氧化碳气体中未反应完全的半焦或焦炭从所述固气分离装置的固体出口回到所述氧化还原反应装置中继续反应，且所述一氧化碳从固气分离装置的气体出口排出。

9.根据权利要求1或2所述的实现零碳排放的煤分质利用系统，其特征在于，所述氧化还原反应装置还包括第三入口，所述第三入口用于向所述氧化还原反应装置输入水蒸气。

10.一种实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，包括：

煤热解生成热解气，并生成半焦或焦炭，所述热解气包含二氧化碳；

将所述二氧化碳从所述热解气中分离出来；

使所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应，生成一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

11.根据权利要求10所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

对所述半焦或焦炭进行气化，生成粗合成气；

将所述粗合成气中的一氧化碳、氢气和二氧化碳分离出来，所述一氧化碳和氢气用于制备合成气；

使分离出的所述二氧化碳与所述半焦或焦炭进行氧化还原反应得到一氧化碳，所述一氧化碳用于制备合成气。

12.根据权利要求11所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

利用电解水制氢技术制备氢气和氧气，将所述氢气用于制备合成气，将所述氧气用作气化过程的气化剂；

和/或，将煤热解产生的废水用作气化过程的气化剂。

13.根据权利要求10或11所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

对生成的所述一氧化碳进行除尘处理，以去除所述一氧化碳中的固体杂质；

和/或，对生成的所述一氧化碳进行净化处理，以去除所述一氧化碳中的杂质气体。

14.根据权利要求10或11所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

将所述氢气和/或一氧化碳从所述热解气中分离出来，以使所述热解气中的氢气和/或一氧化碳用于制备合成气。

15.根据权利要求14所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

从所述热解气中分离出所述二氧化碳、一氧化碳和氢气中任意一种或多种组合后，对剩余驰放气进行燃烧处理；

将所述驰放气燃烧产生的热量通过换热器传递给载气，形成热载气，通过所述热载气为所述煤热解供热。

16.根据权利要求10或11所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

利用固气分离装置将所述氧化还原反应生成的一氧化碳气体中未反应完全的半焦或焦炭分离出来；

将分离出的半焦或焦炭送回到所述氧化还原反应中，以使所述半焦或焦炭充分反应。

17.根据权利要求10或11所述的实现零碳排放的煤分质利用工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

向所述氧化还原反应中通入水蒸气。

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