CN115261052B - 一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，该工艺包括：一、将富油煤粉碎筛分后干燥预热；二、将磁性催化剂与干燥预热原料煤依次进行一段低温共催化热解和二段高温共催化热解；三、共催化热解生成的低温油气经分离得到一段煤气和轻质焦油，高温油气经分离得到二段煤气和重质焦油；四、将共催化热解残留的半焦和磁性催化剂混合物磁选分离得到磁性催化剂和高温半焦，将高温半焦换热冷却；五、将磁性催化剂焙烧再生。本发明将富油原料煤进行两段式共催化热解，有效减少了油气二次分解，并充分发挥磁性催化剂的催化作用，促进了共催化热解反应的协同效果，提高了油气产物的产率和品质，实现了磁性催化剂的再生循环利用并提高了能源利用效率。

Description

一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别涉及了一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺。
背景技术
为建成“清洁低碳、安全高效”的能源体系，能源规划将重点放在推进化石能源的清洁低碳发展中，特别是以推动煤炭清洁高效开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务。因此，研发煤炭清洁高效低碳化转化技术就显得尤为重要。我国中低变质煤炭的储量丰富，其中葛金干馏焦油收率在7%~12%的低阶煤称之为富油煤，目前探明储量仅5000亿吨，如果将其直接作为燃料利用是非常可惜的。高效热解是实现低价煤，特别是富油煤清洁高值转化为油气资源的重要途径之一。
煤炭的热解也称煤的热分解或者煤的干馏，通过煤热解可以得到焦油、半焦和煤气等产品。目前，国内外煤炭热解技术包括：外热式立式炉工艺、内热式立式炉工艺、美国的Toscoal工艺、德国的LR工艺、3TX(ETCH)-175工艺、澳大利亚的流化床快速热解工艺、中国的多段回转炉工艺、固体热载体新法干馏、西安三瑞实业有限公司的外热式卧置回转炭化炉热解工艺等。这些煤热解技术虽大都进行中试或小试实验验证，但也普遍存在一些问题，诸如焦油产率低、油尘分离难，焦油重质组分含量高和煤气热值低等问题。为了解决热解焦油产率低和焦油品质问题，国内外已进行大量研究工作，如对煤进行物理（碱洗、酸洗、烘干和热处理等）或化学（还原、氧化、解聚、卤化等）预处理；改变热解气氛（氢气、焦炉煤气、合成气等）；催化热解；煤与其它物质（塑料、生物质等）共热解等，从一定程度上提高了煤焦油的收率，其中，催化热解通过加入特定催化剂不仅提高焦油产率和品质，也减少焦油中杂原子的含量。因此，催化热解技术受到研究工作者的广泛关注。然而基于常规分子筛、金属氧化物类催化热解技术，其仍存在能耗高，催化效果不理想，催化剂易失活，再生困难等新问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺。该工艺通过将富油煤粒依次在低温区和高温区进行两段式共催化热解生成低温油气和高温油气并排出，有效减少了油气二次分解，改进了油气品质的稳定性，有利于充分发挥磁性催化剂的催化效果，促进了共催化热解反应的协同效果，进而提高了油气产物的产率和品质，实现了磁性催化剂的再生循环利用，并对共催化热解和催化剂再生过程中热量进行有效回收利用，提高了能源利用效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、干燥预热处理：将富油煤经粉碎、筛分后得到富油煤粒，然后将富油煤粒送入干燥炉内进行干燥和预热，得到干燥预热原料煤；所述富油煤粒的粒径为3mm~6mm；
步骤二、共催化热解：将磁性催化剂与步骤一中得到的干燥预热原料煤送入两段式热解炉内，一边混合一边依次进行一段低温共催化热解和二段高温共催化热解，分别生成低温油气和高温油气排出，并残留半焦和磁性催化剂混合物；所述一段低温共催化热解的温度为200℃~550℃，且热解终温为550℃±10℃；所述二段高温共催化热解的温度为550℃~650℃，且热解终温为650℃±10℃；
步骤三、油气分离回收：将步骤二中生成的低温油气进行油气分离，得到一段煤气和轻质焦油，将步骤二中生成的高温油气进行油气分离，得到二段煤气和重质焦油；
步骤四、半焦分离与冷却：将步骤二中两段式热解炉内残留的半焦和磁性催化剂混合物排出后进行磁选分离，得到磁性催化剂和高温半焦，然后将高温半焦进行换热冷却得到低温半焦；
步骤五、催化剂再生：将步骤四中得到的磁性催化剂送入再生炉内并通入空气进行焙烧再生，得到再生磁性催化剂；所述焙烧再生的温度为700℃~750℃。
本发明将富油煤粉碎、筛分后进行干燥预热，然后将干燥预热原料煤与磁性催化剂送入两段式热解炉内，分别依次在一段炉低温区和二段炉高温区进行共催化热解，在一段炉内200℃~550℃的共催化热解温度下，磁性催化剂催化原料煤进行热解，稳定促进挥发分自由基间相互结合成油，原料煤热解主要以煤中有机大分子活性官能团和直链或侧链的分解、断裂解聚反应为主，产生大量的挥发分（焦油和煤气），生成的煤气主要以二氧化碳、一氧化碳、气态烷烃为主，生成的轻质焦油以脂肪烃、单环芳烃、酚类为主；在二段炉内550℃~650℃的共催化热解温度下，磁性催化剂催化原料煤进行热解，并对一段炉低温区内难以分解的有机分子片段进行催化分解，同时对大分子重质油气挥发分轻质化作用产生积极影响，此温度区内原料煤主要发生缩聚反应，析出的二段煤气主要以H2、CH4为主，且焦油析出量会减少，焦油中轻质组分产率下降，其主要以稠环芳烃等为主，从而得到重质焦油。本发明利用煤粒在不同温度下的转化特性，以及催化剂在不同温度下针对不同原料煤及热解产物的特性差异，使得原料煤依次在低温和高温下转化生成低温油气和高温油气并在对应转化后即排出，有效减少了油气二次分解，改进了油气品质的稳定性；同时，磁性催化剂在一段炉和二段炉中不同的共催化热解温度下，分别将煤粒催化热解产生不同焦油组分即轻质焦油和重质焦油，而一段炉内低温热解生成的一段煤气组分以CO和CO2等为主，该热解气氛有利于改善低温下磁性催化剂的催化作用，增加了焦油产率，二段炉内高温热解生成的二段煤气组分以H2和CH4为主，该热解气氛有利于改善高温下磁性催化剂的催化作用，增加了焦油产率并改善焦油品质。因此，本发明采用不同温度下的两段共催化热解工艺有利于充分发挥磁性催化剂的催化效果，促进了共催化热解反应的协同效果，进而提高了油气产物的产率和品质。此外，本发明分别从低温油气中回收一段煤气和重质焦油，从高温油气中回收二段煤气和轻质焦油，实现了对轻、重质焦油的有效分离，避免了焦油后处理中轻、重质焦油与热解过程中产生的热解水三相共存时发生絮凝分层等问题，降低了后处理工艺复杂性。
本发明采用磁选分离方法，有效地从半焦中回收磁性催化剂，并通入空气，通过空气加热焙烧处理实现磁性催化剂的再生，实现了磁性催化剂的再生循环利用，降低了催化剂成本。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤一中所述干燥预热原料煤的温度为200℃。通过控制干燥预热原料煤的温度，使得富油煤粒中的自由水、结合水以及吸附在富油煤粒孔隙中的气体以蒸汽和烟气形式带出，避免了后续共催化热解过程中因煤粒中水分含量过高影响磁性催化剂的催化效果、增加了后续油水分离单元处理成本等不良影响。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤一中所述富油煤粒干燥后产生的蒸汽送入除尘冷却设备中进行除尘和冷却，使得蒸汽转化为冷却水并存储至水箱，而富油煤粒干燥后产生的烟气换热后进行净化处理，经检测达标后外排至大气。本发明将富油煤粒干燥后产生的蒸汽和烟气进行除尘和冷却，其中蒸汽冷却转化为冷却水并存储至水箱进行再利用，有效回收了富油煤粒中的水分，减少了后续共催化热解过程中热解水等污水的排放；而冷却后的烟气经净化且检测达标后外排至大气，实现了对富油煤粒的充分利用，避免了大气污染。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤二将所述干燥预热原料煤输送至两段式热解炉中原料煤进料口的加料仓内，与磁性催化剂通过两段式热解炉内的螺旋混合构件进行混合；所述螺旋混合构件包括螺旋导向片，所述螺旋导向片由两片以上相互旋转90°的单螺旋导向片连接而成。采用无动力混合构件即螺旋混合构件促进了干燥预热原料煤与磁性催化剂的充分混合，更好地发挥磁性催化剂的催化作用。
本发明可通过两段式热解炉的炉体尺寸与两段式结构设计，结合螺旋混合构件的结构设计，以控制原料煤进入两段式热解炉中的停留时间，保证了两段共催化热解过程的顺利进行
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤三中所述一段煤气中一部分送入气柜中储存利用，一部分送入步骤五中的再生炉内作为焙烧再生的燃料，二段煤气中一部分送入气柜中储存利用，一部分与步骤四中高温半焦换热冷却后送入步骤二中两段式热解炉内作为燃料辅助加热和作为原料使用，所述轻质焦油和重质焦油分别送入轻质焦油中间罐和重质焦油中间罐回收利用。
本发明中将一段煤气中的一部分作为为焙烧再生的燃料提供热量加热空气，使得经共催化热解分离后的磁性催化剂在空气气氛下进行焙烧再生，实现了磁性催化剂的循环利用，避免了催化剂浪费；将二段煤气（冷煤气）中的一部分与高温半焦进行换热，以回收高温半焦的热量，提高了能量利用效率，然后送入两段式热解炉内作为燃料辅助加热，为共催化热解提供部分热量，同时为共催化热解过程提供还原性热解气氛，由于二段煤气中主要含有氢气、甲烷及一氧化碳和二氧化碳等气体，在直接与两段式热解炉内热煤粒和油气挥发接触过程中会发生加氢、芳构化等反应，其有利于共催化热解过程中煤粒大分子充分裂解产生自由基碎片，增强了油气小分子的自由基稳定性，从而提高焦油产量，同时提升了油气产物的品质。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤四中所述高温半焦换热冷却的过程为：将高温半焦送入换热器进行初步换热冷却并降温至200℃~300℃，然后进行二次冷却钝化并降温至60℃，得到冷却半焦送入半焦库储存。本发明对高温半焦的换热冷却分为两个步骤：首先将高温半焦送入换热器与二段煤气（冷煤气）的一部分进行换热，实现了高温半焦热量利用，同时简化了循环冷煤气进入两段式热解炉前的加热过程；然后进行二次冷却钝化，以降低半焦温度，防止半焦燃烧，提高了半焦质量。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤五所述再生磁性催化剂提升送至两段式热解炉中催化剂加料口处并进入两段式热解炉参与原料煤的共催化热解。本发明中经焙烧再生得到的再生磁性催化剂中携带有大量的热量，将其提升送入二段式热解炉，不仅作为磁性催化剂与原料煤进行共催化热解反应，还作为热载体直接与原料煤热交换，快速加热煤粒，提高共催化热解的速率。
上述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤五中所述焙烧再生产生的高温烟气从两段式热解炉中二段炉的下部通入两段式热解炉的壳层中，先通过换热作用控制二段炉内原料煤的温度为650℃±10℃，然后通过换热作用控制一段炉内原料煤的温度为550℃±10℃，并转化为低温烟气，再将低温烟气从两段式热解炉的头部引出并送入步骤一中的干燥炉内对富油煤粒进行干燥预热。
本发明利用磁性催化剂焙烧再生过程中产生的高温烟气，将高温烟气逆向通入两段式热解炉的壳层中，以间接方式依次对二段炉和一段炉内的煤粒换热进行加热控温，实现了催化剂再生过程中高温烟气的热量回收；进一步地，将高温烟气对煤粒加热后形成的低温烟气中的余热送入干燥炉内对富油煤粒进行干燥预热，为富油煤粒的干燥预热提供热量，从而实现了对高温烟气的热量进行有效回收利用，提高了能量利用效率，避免了能量浪费。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过将富油煤粒分别依次在低温区和高温区进行两段式共催化热解生成低温油气和高温油气并排出，有效减少了油气二次分解，改进了油气品质的稳定性，有利于充分发挥磁性催化剂的催化效果，促进了共催化热解反应的协同效果，进而提高了油气产物的产率和品质。
2、本发明通过磁选分离结合空气焙烧再生处理，将共催化热解后的磁性催化剂从半焦中分离出来，并进行再生，实现了再生催化剂的循环利用，降低了催化剂成本。
3、本发明通过将再生催化剂作为热载体提升至两段式热解炉中加热煤粒，将其焙烧再生过程中产生的高温烟气依次送入两段式热解炉的夹层中加热煤粒、再送入干燥炉内用于富油煤粒干燥预热，以及将二段煤气与高温半焦换热冷却后送入两段式热解炉提供热量，实现了对共催化热解和催化剂再生过程中热量的有效回收利用，提高了能源利用效率。
4、本发明采用两段热解工艺，分别从低温段共催化热解中回收轻质焦油，从高温共催化热解中回收重质焦油，从热解过程起实现轻、重质焦油的有效分离，提高了轻、重质焦油的质量，简化了工艺，实现了连续生产。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺的流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、干燥预热处理：将补连塔富油煤经粉碎、筛分后得到富油煤粒，然后将富油煤粒送入干燥炉内进行干燥和预热，得到干燥预热原料煤；所述富油煤粒的粒径为3mm~6mm；所述干燥预热原料煤的温度为200℃；所述富油煤粒干燥后产生的蒸汽送入除尘冷却设备中进行除尘和冷却，使得蒸汽转化为冷却水并存储至水箱，而富油煤粒干燥后产生的烟气冷却后进行净化处理，经检测达标后外排至大气；
步骤二、共催化热解：按照1:10的质量比，将磁性催化剂与步骤一中得到的干燥预热原料煤送入两段式热解炉中原料煤进料口的加料仓内，一边与磁性催化剂通过两段式热解炉内的螺旋混合构件进行混合，一边依次进入一段炉中进行一段低温共催化热解、进入二段炉中进行二段高温共催化热解，分别生成低温油气和高温油气排出，并在生成后分别通过一段炉和二段炉的出口排出，同时残留半焦和磁性催化剂混合物；所述磁性催化剂为磁性铁氧体催化剂MgFe2O4；所述螺旋混合构件包括螺旋导向片，所述螺旋导向片由两片以上相互旋转90°的单螺旋导向片连接而成；所述一段低温共催化热解的温度为200℃~550℃，且热解终温为550℃±10℃；所述二段高温共催化热解的温度为550℃~650℃，且热解终温为650℃±10℃；
步骤三、油气分离回收：将步骤二中生成的低温油气进行油气分离，得到一段煤气和轻质焦油，将步骤二中生成的高温油气进行油气分离，得到二段煤气和重质焦油；所述一段煤气中一部分和二段煤气中一部分送入气柜中储存利用，将轻质焦油和重质焦油分别送入轻质焦油中间罐和重质焦油中间罐回收利用；
步骤四、半焦分离与冷却：将步骤二中两段式热解炉内残留的半焦和磁性催化剂混合物排出后进行磁选分离，得到磁性催化剂和高温半焦，然后将步骤三中所述二段煤气中一部分与高温半焦进行换热冷却得到低温半焦，再送入步骤二中两段式热解炉内作为燃料辅助加热和作为原料使用；所述半焦换热冷却的过程为：将半焦送入换热器进行初步换热冷却并降温至200℃~300℃，然后进行二次冷却钝化并降温至60℃，得到冷却半焦送入半焦库储存；
步骤五、催化剂再生：将步骤四中得到的磁性催化剂送入再生炉内并通入空气在700℃~750℃进行焙烧再生，将步骤三中所述一段煤气中一部分送入再生炉内作为焙烧再生的燃料，得到再生磁性催化剂，然后将再生磁性催化剂提升送至二段式热解炉中催化剂加料口处并进入二段式热解炉内参与步骤二中原料煤的共催化热解，同时将焙烧再生产生的高温烟气所从两段式热解炉中二段炉的下部通入两段式热解炉的壳层中，先与二段炉内原料煤进行换热，控制段炉内原料煤的温度为650℃±10℃，换热后的热烟气继续沿壳层上行至一段炉处，与一段炉内煤粒进行换热，控制一段炉内原料煤的温度为550℃±10℃，并转化为低温烟气，将低温烟气从两段式热解炉的头部引出并送入步骤一中的干燥炉内对富油煤粒进行干燥预热。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、干燥预热处理：将富油煤经粉碎、筛分后得到富油原料煤，然后将富油原料煤送入干燥炉内进行干燥和预热，得到干燥预热原料煤；所述富油原料煤的粒径为3mm~6mm；
步骤二、共催化热解：将磁性催化剂与步骤一中得到的干燥预热原料煤送入两段式热解炉内，一边混合一边依次进行一段低温共催化热解和二段高温共催化热解，分别生成低温油气和高温油气排出，并残留半焦和磁性催化剂混合物；所述一段低温共催化热解的温度为200℃~550℃，且热解终温为550℃±10℃；所述二段高温共催化热解的温度为550℃~650℃，且热解终温为650℃±10℃；所述磁性催化剂为磁性铁氧体催化剂MgFe2O4；
步骤三、油气分离回收：将步骤二中生成的低温油气进行油气分离，得到一段煤气和轻质焦油，将步骤二中生成的高温油气进行油气分离，得到二段煤气和重质焦油；
步骤四、半焦分离与冷却：将步骤二中两段式热解炉内残留的半焦和磁性催化剂混合物排出后进行磁选分离，得到磁性催化剂和高温半焦，然后将高温半焦进行换热冷却得到低温半焦；
步骤五、催化剂再生：将步骤四中得到的磁性催化剂送入再生炉内并通入空气进行焙烧再生，得到再生磁性催化剂；所述焙烧再生的温度为700℃~750℃。
2.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤一中所述干燥预热原料煤的温度为200℃。
3.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤一中所述富油原料煤干燥后产生的蒸汽送入除尘冷却设备中进行除尘和冷却，使得蒸汽转化为冷却水并存储至水箱，而富油原料煤干燥后产生的烟气换热后进行净化处理，经检测达标后外排至大气。
4.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤二将所述干燥预热原料煤输送至两段式热解炉中原料煤进料口的加料仓内，与磁性催化剂通过两段式热解炉内的螺旋混合构件进行混合；所述螺旋混合构件包括螺旋导向片，所述螺旋导向片由两片以上相互旋转90°的单螺旋导向片连接而成。
5.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤三中所述一段煤气中一部分送入气柜中储存利用，一部分送入步骤五中的再生炉内作为焙烧再生的燃料，二段煤气中一部分送入气柜中储存利用，一部分与步骤四中高温半焦换热冷却后送入步骤二中两段式热解炉内作为燃料辅助加热和作为原料使用，所述轻质焦油和重质焦油分别送入轻质焦油中间罐和重质焦油中间罐回收利用。
6.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，步骤四中所述高温半焦换热冷却的过程为：将高温半焦送入换热器进行初步换热冷却并降温至200℃~300℃，然后进行二次冷却钝化并降温至60℃，得到冷却半焦送入半焦库储存。
7.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤五所述再生磁性催化剂提升送至两段式热解炉中催化剂加料口处并进入两段式热解炉参与原料煤的共催化热解。
8.根据权利要求1所述的一种富油煤与磁性催化剂共催化热解工艺，其特征在于，将步骤五中所述焙烧再生产生的高温烟气从两段式热解炉中二段炉的下部通入两段式热解炉的壳层中，先通过换热作用控制二段炉内原料煤的温度为650℃±10℃，然后通过换热作用控制一段炉内原料煤的温度为550℃±10℃，并转化为低温烟气，再将低温烟气从两段式热解炉的头部引出并送入步骤一中的干燥炉内对富油原料煤进行干燥预热。
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