CN114838342A - 煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法 - Google Patents

煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法，所述煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统包括：热解炉，用于输入煤矸石并进行热解；空气预热器；脱碳炉，用于输入预热后的空气；用于输入热解后固体物料进行燃烧脱碳；用于输入热解气并在油气燃烧器中燃烧；用于输出脱碳后的灰渣，输出烟气；冷渣机；余热锅炉；余热锅炉输出的换热后的烟气用于作为热解炉进行热解的热源，热解利用后的烟气用于作为空气预热器进行预热的热源。本发明通过热解油气、固体物料的分级分质利用和余热梯级利用保证了优越的燃烧条件，能够解决现有技术存在的全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳技术问题。

Description

煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法
技术领域
本发明属于煤矸石规模化消纳技术领域，涉及煤矸石热解脱碳领域，特别涉及一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法。
背景技术
原煤开采和洗选过程产生的煤基有机工业固体废弃物煤矸石，其产量约占煤炭开采量的8％～20％；煤矸石与原煤相比具有含碳量较低、热值较低以及质地坚硬等特点，长期大量堆存的煤矸石会占用大量农田、浪费土地资源，造成自燃、扬尘、酸雨、水土流失等自然灾害影响生态系统的稳定，同时也会造成能源能量的浪费。
目前的煤矸石规模化消纳存在以下技术问题；
(1)现有高值组分回收技术针对某一特定需求组分提取煤炭、铝铁硅材料、有价金属、非金属矿物，提取单一组分后的残渣仍需再次处理，无法实现煤矸石的整体处置；
(2)以片层结构、比表面积大的特点为基础的制备废水处理材料技术，将煤矸石或煤矸石复合其他材料制成的吸附剂多处于小试阶段，从成本与经济效益的基础出发现阶段具有一定的工业推广难度；
(3)在煤矸石制备建材方面的技术，需充分考虑材料的强度、耐磨、渗入和抗冻等特性，对煤矸石掺混比有严格限制，因此难以实现煤矸石的规模化处置；
(4)在煤矸石用于土壤改良、复垦方面，受土壤理化性各地区波动的限制及存在煤矸石自身重金属渗出的风险，有待进一步优化技术路线并做好实时检测，因此此技术仍非煤矸石规模化处置的最优解；
(5)采用煤矸石进行发电是目前较为成熟的煤矸石消纳途径，但用于发电的煤矸石对低位发热量存在限制且需要掺配燃料供能，无法实现全品位煤矸石的规模化消纳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统、操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案中，通过热解油气、固体物料的分级分质利用和余热梯级利用保证了优越的燃烧条件，从而实现了全品位煤矸石规模化直燃处置的稳定着火及充分脱碳，能够解决现有技术存在的全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，包括：
热解炉，用于输入煤矸石并进行热解，输出热解后固体物料和热解气；
空气预热器，用于输入空气并进行预热，输出预热后的空气；
脱碳炉，用于输入所述预热后的空气；用于输入所述热解后固体物料进行燃烧脱碳；用于输入所述热解气并在油气燃烧器中燃烧，所述油气燃烧器的数量为多个且分别设置于所述脱碳炉的多个预设位置；用于输出脱碳后的灰渣，输出烟气；
冷渣机，用于输入所述脱碳后的灰渣和待预热的锅炉给水，输出预热后的锅炉给水和换热后的灰渣；
余热锅炉，用于输入所述脱碳炉输出的烟气和所述预热后的锅炉给水，烟气和锅炉给水换热输出蒸汽和换热后的烟气；
其中，所述余热锅炉输出的换热后的烟气用于作为所述热解炉进行热解的热源，所述热解利用后的烟气用于作为所述空气预热器进行预热的热源。
本发明系统的进一步改进在于，所述热解炉为水平布置套筒式结构，设置有外筒和内筒；
所述内筒可转动的设置于所述外筒内，所述外筒和所述内筒之间形成环腔；所述外筒设置有烟气进口和烟气出口，所述烟气进口经所述环腔与所述烟气出口相连通；所述内筒设置有进料口、出料口和热解气出口；所述内筒的内壁固定设置有螺旋结构，用于物料输送和强化传热。
本发明系统的进一步改进在于，所述环腔输入的烟气的温度大于等于850℃，所述内筒内的物料能够达到的温度范围为600～650℃。
本发明系统的进一步改进在于，所述脱碳炉为具有预设倾角的耐高温窑体，其首端为输入所述热解后固体物料的一端，尾端为输出所述脱碳后的灰渣的一端，所述首端高于所述尾端；
所述首端设置有一级油气燃烧器，所述尾端设置有二级油气燃烧器；所述内筒的热解气出口经油气分配阀分别与所述一级油气燃烧器和所述二级油气燃烧器相连通。
本发明系统的进一步改进在于，所述内筒的热解气出口与所述油气分配阀之间还设置有旋风除尘器和输送风机。
本发明系统的进一步改进在于，所述空气预热器为薄壁管式气气换热结构，热源通道进口与所述外筒的烟气出口相连通，热源通道出口用于输出换热后的烟气，冷源通道进口用于输入待预热的空气，冷源通道出口经空气分配阀分别与所述脱碳炉、所述一级油气燃烧器和所述二级油气燃烧器相连通。
本发明系统的进一步改进在于，还包括：
低温省煤器，所述低温省煤器的热源通道输入口与所述空气预热器的热源通道出口相连通，所述低温省煤器的热源通道输出口用于输出换热后的烟气，所述低温省煤器的冷源通道输入口用于输入初始锅炉给水，所述低温省煤器的冷源通道输出口与所述冷渣机的锅炉给水进口相连通。
本发明系统的进一步改进在于，还包括：
油气储集罐，所述内筒的热解气出口还通过油气收集阀与所述油气储集罐的进气口相连通。
本发明系统的进一步改进在于，所述冷渣机为间接薄壁管式固液换热结构。
本发明提供的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统的操作方法，包括以下步骤：
热解炉输入煤矸石并进行热解，输出热解后固体物料和热解气；其中，所述余热锅炉输出的换热后的烟气用于作为所述热解炉进行热解的热源；
空气预热器输入空气并进行预热，输出预热后的空气；其中，所述热解利用后的烟气用于作为所述空气预热器进行预热的热源；
脱碳炉用于输入所述预热后的空气，输入所述热解后固体物料进行燃烧脱碳；输入所述热解气并在油气燃烧器中燃烧；输出脱碳后的灰渣，输出烟气；
冷渣机输入所述脱碳后的灰渣和待预热的锅炉给水，输出预热后的锅炉给水和换热后的灰渣；
余热锅炉输入所述脱碳炉输出的烟气和所述预热后的锅炉给水，烟气和锅炉给水换热输出蒸汽和换热后的烟气。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的系统中，通过高温烟气供热对热解炉中煤矸石预热解，热解后的固体物料进入脱碳炉燃烧脱碳，脱碳后的高温灰渣预热锅炉给水，热解后油气分别通过布置在脱碳炉预设位置的燃烧器充分燃烧形成高温区保证固体物料稳定着火和充分脱碳，脱碳炉产生高温烟气先进入余热锅炉产生蒸汽，再通过热解炉、空气预热器梯级充分热利用后排出。综上，本发明系统通过热解油气、固体物料的分级分质利用和余热梯级利用保证了优越的燃烧条件，从而实现了全品位煤矸石规模化直燃处置的稳定着火及充分脱碳，可解决上述存在的全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳技术问题。
本发明针对不同生产需求，可以通过调节热解油气燃烧消耗量调整脱碳炉两端高温区，从而有效调控煤矸石脱碳效果，以得到不同含碳品质的煤矸石成品和热解后油气，为工业生产提供产品原料。
本发明给水预热循环系统，将脱碳后高温灰渣进行逐级显热回收，使得锅炉给水逐级吸收热量预热，强化了给水预热效果，实现灰渣余热的深度高效回收利用，避免了大量的常规能量损失，提升了系统整体热利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种煤矸石产油气、多品质脱碳煤矸石及余热梯级利用系统的结构示意图；
图3是本发明实施例的一种煤矸石分级分质热解脱碳及灰渣余热二次梯级利用系统的结构示意图；
图4是本发明实施例中，几种煤矸石热解、燃烧的“TG-温度”曲线示意图；
图中，101、输料装置；102、热解炉；103、落料口；104、脱碳炉；105、冷渣机；106、旋风除尘器；107、输送风机；108、油气分配阀；109、一级油气燃烧器；110、二级油气燃烧器；111、油气收集阀；112、油气储集罐；113、低温冷渣机；
201、余热锅炉；202、空气预热器；203、引风机；204、脱硫脱硝装置；205、烟囱；206、低温省煤器；
301、送风机；302、一级空气分配阀；303、二级空气分配阀；
401、锅炉给水；402、热水管路；403、蒸汽管路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1：
请参阅图1和图4，本发明实施例1提供的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，包括输料装置101、热解炉102、落料口103、脱碳炉104、冷渣机105、旋风除尘器106、输送风机107、油气分配阀108、一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110、余热锅炉201、空气预热器202、引风机203、脱硫脱硝装置204、烟囱205、送风机301、一级空气分配阀302、二级空气分配阀303、锅炉给水401、热水管路402和蒸汽管路403。
其中，所述的热解炉102通过高温烟气提供的热源对来自输料装置101的煤矸石进行热解，热解后的具有一定温度的固体物料通过落料口103进入脱碳炉104燃烧脱碳，脱碳后的高温灰渣进入冷渣机105预热锅炉给水；热解后油气先经过旋风除尘器106，在输送风机107作用下通过油气分配阀108分别输送给布置在脱碳炉104两端的一级油气燃烧器109，二级油气燃烧器110，充分燃烧形成高温区保证固体物料稳定着火和充分脱碳；脱碳炉产生高温烟气先进入余热锅炉201供热产生蒸汽，再依次通过热解炉102、空气预热器202梯级充分热利用后在引风机203作用下通过脱硫脱硝装置204、烟囱205排出。
本发明实施例具体的，所述的热解炉102为套筒式水平布置，脱碳炉104燃烧产生的高温烟气经余热锅炉201供热产生蒸汽后进入热解炉102的环腔与来自输料装置101的煤矸石逆向间接换热热解；高温烟气管路铺设完善保温材料防止烟气沿程热损失，进入热解炉102环腔的烟气温度大于等于850℃，内筒物料温度范围为600～650℃，几种煤矸石热解、燃烧的TG-温度曲线见图4，图4可以看出650℃时，3种煤矸石热解失重基本稳定，物料维持到650℃是在“热解效率”和“热解耗能”比选择优选出了600～650℃的内筒物料温度；热解炉102内筒内壁面加装内螺旋实现物料输送和强化传热，热解产生的高温固体物料通过落料口103进入脱碳炉104燃烧脱碳，热解油气依次通过旋风除尘器106、输送风机107和油气分配阀108后，在一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110处充分燃烧，形成高温区保证固体物料稳定着火和充分脱碳；优选的，热解油气输送管路铺设完善保温材料防止热解油气降温冷凝。
本发明实施例示例性的，所述的脱碳炉104为具有5°倾角的耐高温窑体，在其首端接收来自热解炉102经热解后的高温固体物料，在其首尾两端布置有一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110形成高温区，在首端保证固体物料稳定着火、在尾端进一步保证固体物料充分脱碳；脱碳炉104通过自身转动输送物料，其内壁面布置有物料扰动板使物料与空气充分接触，进一步促进固体物料脱碳。
本发明实施例示例性的，所述的冷渣机105为间接薄壁管式固液换热结构，将来自脱碳炉104的高温灰渣进行热回收利用，对锅炉给水进行预热。所述的余热锅炉201为辐射式锅炉，来自脱碳炉104的超高温烟气在其内换热产生蒸汽对外供能。
本发明实施例示例性的，所述的空气预热器202为薄壁管式气气换热结构，对送风机301送入空气充分预热后，由一级空气分配阀302和二级空气分配阀303根据燃料燃烧需求分级分量配入脱碳炉104和一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110，进一步促进稳定着火燃烧。
本发明实施例所涉及的热解油气热利用系统，将煤矸石热解后的热解油气、固体物料分级分质利用，首先实现了固体物料充分预热、燃烧的连续性，为固体物料脱碳提供了良好的基础燃烧条件，保证了热解后固体物料在脱碳炉中的稳定着火；其次，热解油气在脱碳炉充分燃烧形成首尾2个高温区，首端高温区进一步促进固体物料稳定着火，尾端高温区进一步保证固体物料充分脱碳，解决了现有技术难以实现全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳技术难题。本发明实施例系统中，通过烟气余热的梯级充分利用实现了配风充分预热(空气预热分级、烟气热利用等)，为煤矸石在脱碳炉中燃烧脱碳起到了促进作用，进一步保证了煤矸石的稳定着火和充分脱碳。本发明实施例系统中，将脱碳后高温灰渣进行逐级显热回收，使得锅炉给水逐级吸收热量预热(给水预热循环)，强化了给水预热效果，实现灰渣余热的深度高效回收利用，避免了大量的常规能量损失，提升了系统整体热利用效率。
实施例2：
请参阅图2，本发明实施例2提供的一种煤矸石产油气、多品质脱碳煤矸石及余热梯级利用系统，包括输料装置101、热解炉102、落料口103、脱碳炉104、冷渣机105、旋风除尘器106、输送风机107、油气分配阀108、一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110、油气收集阀111、油气储集罐112、余热锅炉201、空气预热器202、引风机203、脱硫脱硝装置204、烟囱205、送风机301、一级空气分配阀302、二级空气分配阀303、锅炉给水401、热水管路402、蒸汽管路403。
相较于实施例1，本发明实施例针对不同生产需求，可以通过调节热解油气燃烧消耗量调整脱碳炉两端高温区，从而有效调控煤矸石脱碳效果，多余热解油气通过油气收集阀111进入油气储集罐112，以得到不同含碳品质的煤矸石成品和热解后油气，为工业生产提供产品原料。
实施例3：
请参阅图3，本发明实施例3提供的一种煤矸石分级分质热解脱碳及灰渣余热二次梯级利用系统，包括输料装置101、热解炉102、落料口103、脱碳炉104、冷渣机105、旋风除尘器106、输送风机107、油气分配阀108、一级油气燃烧器109、二级油气燃烧器110、低温冷渣机113、余热锅炉201、空气预热器202、引风机203、脱硫脱硝装置204、烟囱205、低温省煤器206、送风机301、一级空气分配阀302、二级空气分配阀303、锅炉给水401、热水管路402、蒸汽管路403。
相较于实施例1，本发明实施例为实现高温灰渣能量的梯级细化利用，增加了低温冷渣机113使得经过冷渣机105换热利用后的较高温灰渣进入低温冷渣机113进一步换热利用，增加了低温省煤器206使得通过空气预热器202的较高温烟气余热进一步利用；使得锅炉给水依次经过低温省煤器206、低温冷渣机113、冷渣机105逐级吸收热量预热，强化了给水预热效果，实现能量的深度高效回收利用。
综上所述，本发明实施例的系统涉及煤矸石热解脱碳技术，属煤矸石规模化消纳领域，具体是通过热解油气、固体物料的分级分质利用和余热梯级利用保证了优越的燃烧条件，从而实现了全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳的规模化直燃处置及能量梯级回收利用系统。具体的，本发明实施例公开了一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，包括热解炉、脱碳炉、余热锅炉、热解油气热利用系统、空气预热分级系统、烟气热利用系统、给水预热循环系统、附件及控制装置等；该系统通过高温烟气供热对热解炉中煤矸石预热解，热解后的固体物料进入脱碳炉燃烧脱碳，脱碳后的高温灰渣预热锅炉给水，热解后油气分别通过布置在脱碳炉两端的燃烧器充分燃烧形成高温区保证固体物料稳定着火和充分脱碳，脱碳炉产生高温烟气先进入余热锅炉产生蒸汽，再通过热解炉、空气预热器梯级充分热利用后通过烟囱排出。本系统通过热解油气、固体物料的分级分质利用和余热梯级利用，保证了优越的燃烧条件，从而实现了全品位煤矸石规模化直燃的稳定着火及充分脱碳的规模化直燃处置及能量梯级回收利用，是消除煤矸石环境污染、维持生态稳定和实现能源回收利用的技术突破。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，包括：
热解炉(102)，用于输入煤矸石并进行热解，输出热解后固体物料和热解气；
空气预热器(202)，用于输入空气并进行预热，输出预热后的空气；
脱碳炉(104)，用于输入所述预热后的空气；用于输入所述热解后固体物料进行燃烧脱碳；用于输入所述热解气并在油气燃烧器中燃烧，所述油气燃烧器的数量为多个且分别设置于所述脱碳炉(104)的多个预设位置；用于输出脱碳后的灰渣，输出烟气；
冷渣机(105)，用于输入所述脱碳后的灰渣和待预热的锅炉给水，输出预热后的锅炉给水和换热后的灰渣；
余热锅炉(201)，用于输入所述脱碳炉(104)输出的烟气和所述预热后的锅炉给水，烟气和锅炉给水换热输出蒸汽和换热后的烟气；
其中，所述余热锅炉(201)输出的换热后的烟气用于作为所述热解炉(102)进行热解的热源，所述热解利用后的烟气用于作为所述空气预热器(202)进行预热的热源。
2.根据权利要求1所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述热解炉(102)为水平布置套筒式结构，设置有外筒和内筒；
所述内筒可转动的设置于所述外筒内，所述外筒和所述内筒之间形成环腔；所述外筒设置有烟气进口和烟气出口，所述烟气进口经所述环腔与所述烟气出口相连通；所述内筒设置有进料口、出料口和热解气出口；所述内筒的内壁固定设置有螺旋结构，用于物料输送和强化传热。
3.根据权利要求2所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述环腔输入的烟气的温度大于等于850℃，所述内筒内的物料能够达到的温度范围为600～650℃。
4.根据权利要求2所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述脱碳炉(104)为具有预设倾角的耐高温窑体，其首端为输入所述热解后固体物料的一端，尾端为输出所述脱碳后的灰渣的一端，所述首端高于所述尾端；
所述首端设置有一级油气燃烧器(109)，所述尾端设置有二级油气燃烧器(110)；所述内筒的热解气出口经油气分配阀(108)分别与所述一级油气燃烧器(109)和所述二级油气燃烧器(110)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述内筒的热解气出口与所述油气分配阀(108)之间还设置有旋风除尘器(106)和输送风机(107)。
6.根据权利要求4所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述空气预热器(202)为薄壁管式气气换热结构，热源通道进口与所述外筒的烟气出口相连通，热源通道出口用于输出换热后的烟气，冷源通道进口用于输入待预热的空气，冷源通道出口经空气分配阀分别与所述脱碳炉(104)、所述一级油气燃烧器(109)和所述二级油气燃烧器(110)相连通。
7.根据权利要求6所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，还包括：
低温省煤器(206)，所述低温省煤器(206)的热源通道输入口与所述空气预热器(202)的热源通道出口相连通，所述低温省煤器(206)的热源通道输出口用于输出换热后的烟气，所述低温省煤器(206)的冷源通道输入口用于输入初始锅炉给水，所述低温省煤器(206)的冷源通道输出口与所述冷渣机(105)的锅炉给水进口相连通。
8.根据权利要求2所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，还包括：
油气储集罐(112)，所述内筒的热解气出口还通过油气收集阀(111)与所述油气储集罐(112)的进气口相连通。
9.根据权利要求1所述的一种煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统，其特征在于，所述冷渣机(105)为间接薄壁管式固液换热结构。
10.一种权利要求1所述的煤矸石分级分质热解脱碳及余热梯级利用系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
热解炉(102)输入煤矸石并进行热解，输出热解后固体物料和热解气；其中，所述余热锅炉(201)输出的换热后的烟气用于作为所述热解炉(102)进行热解的热源；
空气预热器(202)输入空气并进行预热，输出预热后的空气；其中，所述热解利用后的烟气用于作为所述空气预热器(202)进行预热的热源；
脱碳炉(104)用于输入所述预热后的空气，输入所述热解后固体物料进行燃烧脱碳；输入所述热解气并在油气燃烧器中燃烧；输出脱碳后的灰渣，输出烟气；
冷渣机(105)输入所述脱碳后的灰渣和待预热的锅炉给水，输出预热后的锅炉给水和换热后的灰渣；
余热锅炉(201)输入所述脱碳炉(104)输出的烟气和所述预热后的锅炉给水，烟气和锅炉给水换热输出蒸汽和换热后的烟气。
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