CN115322813A - 一种集成式煤炭转化装置及其转化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭转化技术领域，具体涉及一种集成式煤炭转化装置及其转化方法，本申请提供的转化装置，包括下行气化床、输送干馏床、旋风除尘单元、煤气冷却单元和煤气洗涤单元，其可以采用细颗粒煤为原料，通过上行干馏床与下行气化床的组合，煤炭被分步转化，先将煤炭中的挥发分通过上行干馏床回收，可获得一定的煤焦油和干馏气体，干馏所得煤焦进入下行气化床，在下行气化床中高温气化生成煤气，回收煤气中的焦油、甲烷后，其余的CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度转化回收煤炭中的有效成分；其适用于年轻煤，并对煤中含水、含灰及其组成要求较低，转化效果好；本申请提供的转化方法，通过分步转化，对原料要求低，转化效果好。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭转化技术领域，特别是涉及一种集成式煤炭转化装置及其转化方法。
背景技术
我国能源资源特点为贫油贫气富煤，随着“双碳”要求，煤炭的高效清洁利用越发重要。煤作为我国能源结构转型中不可或缺的一次燃料，相比气体燃料，具有利用效率低下、污染严重等劣势，将煤炭转化为气体燃料是实现其高效清洁利用的必要条件。煤气化，即对煤进行热加工获得煤气。
现有技术中，多种煤气化装置被广泛应用，这些装置各具特点，如固定床需要大块原料，同时产生含酚水；如气流床采用磨细粉煤，处理能力大，但对煤种的要求苛刻；气化炉对煤种煤质的变化非常敏感，影响生产的可靠性。
因此，有必要提出一种新的煤炭化装置及其转化方法，减少对原料类型的限制，并以最大限度转化回收煤炭中的有效成份
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种集成式煤炭转化装置及其转化方法，其采用细颗粒煤为原料，通过输送干馏床与下行气化床的组合，煤分步转化，先将煤炭中的挥发分回收可获得一定的煤焦和干馏气体，干馏所得半焦在高温条件下气化生成煤气，将煤气中的焦油、甲烷回收后，CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度低转化回收煤炭中的有效组成，本转化装置主要适用于年轻煤，对煤中含水、含灰及其组成要求较低。
本发明采用的技术方案是：
一种集成式煤炭转化方法，包括如下步骤：
S1、通过输送干馏床与下行气化床组合形成集合式煤炭转化炉，将煤炭分步转化；
S2、来自下行气化床的热煤气与加入输送干馏床内的煤炭接触，煤炭被热煤气夹带向上流动，在此过程中煤炭被加热升温，获得半焦和干馏气煤气混合气；
S3、半焦和煤气混合气进入旋风分离器，分离出的干馏煤气进入冷凝器，将其中的油类冷凝回收，其余干馏煤气进入洗涤塔进一步洗涤净化后，送至下游处理，洗涤塔收集的粉尘以灰浆的形态输送至下行气化床，使其中有机质进一步转化；分离出的半焦加入下行气化床，与气化剂一起反应，生成热煤气，从输送干馏床低部进入，与输送干馏床内的煤炭接触反应；
S4、如此循环，进行煤炭的集成式转化处理。
对上述技术方案的进一步改进为，S2中，煤炭被热煤气夹带向上流动过程中，煤炭中的水分被蒸发，接着煤炭中的挥发分从固体中以气态形式挥发出来，并最终生成煤焦油和干馏气体。
对上述技术方案的进一步改进为，S3中，半焦和煤气混合气进入两级旋风分离器，被逐级分离出粗半焦和细半焦。
对上述技术方案的进一步改进为，S3中，干馏煤气进入两级冷凝器，将其中的油类逐级冷凝回收。
对上述技术方案的进一步改进为，S3中，热煤气进入输送干馏床之前，需要采用气固分离器，将热煤气中的固态渣分离出来，以粗灰形态经减压排出。
基于同一发明构思，本申请还提供一种集成式煤炭转化装置，包括下行气化床、输送干馏床、旋风除尘单元、煤气冷却单元和煤气洗涤单元；
所述下行气化床的顶端设有进气口和进料口，所述下行气化床的中下端设有气化剂进口和半焦进口，所述进料口分别与所述旋风除尘单元和所述煤气洗涤单元连接，所述半焦进口与所述旋风除尘单元连接；
所述输送干馏床的底端设有干馏进料口，所述输送干馏床的底端与所述下行气化床的底端连接；
所述煤气冷却单元分别与所述旋风除尘单元和所述煤气洗涤塔连接。
对上述技术方案的进一步改进为，还包括燃烧器，所述燃烧器设置于所述半焦进口位置，并与所述气化剂进口连接。
对上述技术方案的进一步改进为，还包括气固分离器，所述气固分离器分别与所述下行气化床底端和所述输送干馏床底端连接。
对上述技术方案的进一步改进为，所述旋风除尘单元设有相互连接的一级旋风除尘器和二级旋风除尘器；
所述一级旋风除尘器设有用于储放粗半焦的第一料腿，所述第一料腿分别与所述输送干馏床的顶端、所述进料口和所述半焦进口连接；
所述二级旋风除尘器设有用于储放细半焦的第二料腿，所述第二料腿分别与所述煤气冷却单元和所述半焦进口连接。
对上述技术方案的进一步改进为，所述煤气冷却单元设有相互连接的一级煤气冷却器和二级煤气冷却器；
所述一级煤气冷却器与所述旋风除尘单元连接；
所述二级煤气冷却器与所述煤气洗涤单元连接。
本发明的有益效果如下：
1、本申请提供的转化方法，通过输送干馏床与下行气化床的组合，煤分步转化，先将煤炭中的挥发分回收可获得一定的煤焦油和干馏气体，干馏所得半焦在高温条件下气化生成煤气，将煤气中的焦油、甲烷回收后，CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度低转化回收煤炭中的有效组成，本转化装置主要适用于年轻煤，对煤中含水、含灰及其组成要求较低；
2、本申请提供的转化装置，包括下行气化床、输送干馏床、旋风除尘单元、煤气冷却单元和煤气洗涤单元，其结构简单，设计合理，可以采用细颗粒煤为原料，通过上行干馏床与下行气化床的组合，煤炭被分步转化，先将煤炭中的挥发分通过上行干馏床回收，可获得一定的煤焦油和干馏气体，干馏所得煤焦油进入下行气化床，在下行气化床中高温气化生成煤气，回收煤气中的焦油、甲烷后，其余的CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度转化回收煤炭中的有效成分；其适用于年轻煤，并对煤中含水、含灰及其组成要求较低，转化效果好。
附图说明
图1为本申请一些实施例中的结构示意图；
图2为本申请一些实施例中的下行气化床的结构示意图；
附图标记说明：下行气化床1、进气口11、进料口12、气化剂进口13、半焦进口14、输送干馏床2、干馏进料口21、旋风除尘单元3、一级旋风除尘器31、第一料腿311、二级旋风除尘器32、第二料腿321、煤气冷却单元4、一级煤气冷却器41、二级煤气冷却器42、煤气洗涤单元5、煤气洗涤塔51、燃烧器6、气固分离器7。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1～图2所示，本申请提供的集成式煤炭转化装置，包括下行气化床1、输送干馏床2、旋风除尘单元3、煤气冷却单元4和煤气洗涤单元5；
所述下行气化床1的顶端设有进气口11和进料口12，所述下行气化床1的中下端设有气化剂进口13和半焦进口14，所述进料口12分别与所述旋风除尘单元3和所述煤气洗涤单元5连接，所述半焦进口14与所述旋风除尘单元3连接；
所述输送干馏床2的底端设有干馏进料口2112，所述输送干馏床2的底端与所述下行气化床1的底端连接；
所述煤气冷却单元4分别与所述旋风除尘单元3和所述煤气洗涤塔连接。
具体地，还包括燃烧器6，所述燃烧器6设置于所述半焦进口14位置，并与所述气化剂进口13连接。
具体地，还包括气固分离器7，所述气固分离器7分别与所述下行气化床1底端和所述输送干馏床2底端连接。
其中，所述旋风除尘单元3设有相互连接的一级旋风除尘器31和二级旋风除尘器32；
所述一级旋风除尘器31设有用于储放粗半焦的第一料腿311，所述第一料腿311分别与所述输送干馏床2的顶端、所述进料口12和所述半焦进口14连接；
所述二级旋风除尘器32设有用于储放细半焦的第二料腿312，所述第二料腿312分别与所述煤气冷却单元4和所述半焦进口14连接。
其中所述煤气冷却单元4设有相互连接的一级煤气冷却器41和二级煤气冷却器42；
所述一级煤气冷却器41与所述旋风除尘单元3连接；
所述二级煤气冷却器42与所述煤气洗涤单元5连接。
本实施例结构简单，设计合理，可以采用细颗粒煤为原料，通过上行干馏床与下行气化床1的组合，煤炭被分步转化，先将煤炭中的挥发分通过上行干馏床回收，可获得一定的煤焦油和干馏气体，干馏所得煤焦油进入下行气化床1，在下行气化床1中高温气化生成煤气，回收煤气中的焦油、甲烷后，其余的CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度转化回收煤炭中的有效成分；其适用于年轻煤，并对煤中含水、含灰及其组成要求较低，转化效果好。
本实施例提供使用上述转化装置进行煤炭转化的方法，包括如下步骤：
S1、通过输送干馏床2与下行气化床1组合形成集合式煤炭转化炉，将煤炭分步转化；
S2、来自下行气化床1的热煤气与加入输送干馏床2内的煤炭接触，煤炭被热煤气夹带向上流动，在此过程中煤炭被加热升温，获得半焦和干馏气煤气混合气；
S3、半焦和煤气混合气进入旋风分离器，分离出的干馏煤气进入冷凝器，将其中的油类冷凝回收，其余干馏煤气进入洗涤塔进一步洗涤净化后，送至下游处理，洗涤塔收集的粉尘以灰浆的形态输送至下行气化床1，使其中有机质进一步转化；分离出的半焦加入下行气化床1，与气化剂一起反应，生成热煤气，从输送干馏床2低部进入，与输送干馏床2内的煤炭接触反应；
S4、如此循环，进行煤炭的集成式转化处理。
具体地，S2中，煤炭被热煤气夹带向上流动过程中，煤炭中的水分被蒸发，接着煤炭中的挥发分从固体中以气态形式挥发出来，并最终生成煤焦油和干馏气体。
S3中，半焦和煤气混合气进入两级旋风分离器，被逐级分离出粗半焦和细半焦。
S3中，干馏煤气进入两级冷凝器，将其中的油类逐级冷凝回收。
S3中，热煤气进入输送干馏床2之前，需要采用气固分离器7，将热煤气中的固态渣分离出来，以粗灰形态经减压排出。
本申请提供的转化方法，通过输送干馏床2与下行气化床1的组合，煤分步转化，先将煤炭中的挥发分回收可获得一定的煤焦油和干馏气体，干馏所得半焦在高温条件下气化生成煤气，将煤气中的焦油、甲烷回收后，CO和H2作为合成原料气，如此可最大限度低转化回收煤炭中的有效组成，本转化装置主要适用于年轻煤，对煤中含水、含灰及其组成要求较低，转化效果好。
具体地，在转化过程中，旋风除尘单元3分离出的半焦，将其中大部分的半焦引出输送至下行气化床1顶部，并从下行气化床1顶部加入并分散到下行气化床1的炉膛中，将氧气也从下行气化床1顶部同时加入。
一开始，氧气与半焦发生燃烧反应生成二氧化碳，放热使固体颗粒和气体升温，随着炉膛温度的进一步提高，半焦燃烧反应则以不完全燃烧反应形式为主，该反应以生成一氧化碳为主；在氧气被消耗完之后，半焦与二氧化碳进行还原反应并生成一氧化碳；还原反应吸热，气体温度下降，直至气化反应速度变慢，在此氧化反应过程中，新加入的细粉煤中的水分和煤浆中水分变为水蒸气后也作为气化反应剂，并与半焦反应生成氢气、一氧化碳和二氧化碳等。
在下行气化床1上部燃烧阶段，半焦与氧气的燃烧温度高，灰组份出现熔融，熔融颗粒出现聚集形成较大的熔渣滴，熔渣滴在下降过程中被温度逐步降低的气体冷却和固化；到达气化侧底部，大部分半焦转化为气体二氧化碳和一氧化碳以及部分氢气，固化的灰渣颗粒较大，密度较高，固体随气体进入气固分离器7，将大颗粒的固态渣分离出来，最后以粗灰形态经减压排出系统。
分离出粗灰的煤气进入输送干馏床2底部，与加入的细粒煤相接触，使煤得到干馏，煤气被降温。
离开旋风除尘器的煤气进入煤气冷却器，经冷却得到冷凝液，之后煤气进入煤气洗涤塔进一步洗涤净化，煤气洗涤塔收集的粉尘以灰浆的形态，经加压泵将灰浆送下行气化床1底端，使其中有机质进一步转化，离开煤气洗涤塔的煤气去下游进一步净化处理即可。
部分来自旋风除尘器的半焦被引入到下行气化床1的中部和下部，通过燃烧器6并添加部分氧气，将半焦燃烧，燃烧所产生的高温烟气混入到下行气化床1的气体中，以提高炉内气体的温度，从而有利于半焦的进一步气化反应。
下行气化床1中的高温气体进入输送干馏床2，加入输送干馏床2中的细粒煤在较高温度下进行干馏，而煤气冷凝单元冷凝出的冷凝液为油类有机物，主要为中等温度馏分和轻馏分的组分，重质组分少，经过滤除尘后排出系统，送后端加工回收即可。
具体地，转化时，使用的煤种可为褐煤、长焰煤、弱粘煤等。原煤中的水分含量、灰分含量和灰组成适应范围宽，对于煤中所含水分高(如25～40％)的煤可经初步干燥将水分降低到20～25％以下，煤灰含量可达30％或更高，煤灰熔点在1100～1500℃范围内对气化操作无明显的影响。
原料煤在制备时，需要进行煤粒度控制，对水分不高的煤，可直接在破碎过程中将煤根据粒度分为细粒煤和煤粉两部分，粒度分界为50微米左右，可根据具体情形做些调整。对含水高的煤则需要增加烘干单元，脱除部分煤中水。细粒煤经煤锁系统加入到输送干馏床2内，细粉则制成水煤浆，送下行气化床1。转化炉操作压力可在广泛范围里进行，从常压到高压(如8MPa)一般在生成合成原料气(以H2和CO为主)时，氧化剂采用纯氧；当生成工业燃料气时，可采用空气做气化剂送入下行气化床1；必要时富氧气化也可以满足特定的需要。
本申请提供的转化方法，转化时分下行气化侧喷床和上行干馏侧输送床，煤炭中的细颗粒通过加压煤锁加入到干馏侧输送床的下部，煤与来自气化侧底部的热气体(900～1100℃)接触，并被气体夹带向上流动，输送床采用较高的上行速度，气体可高达15m/s，在此过程中煤被加热升温，先煤中水分蒸发，然后是煤中的挥发分从固体中以气态形式挥发出来，干馏干燥过程完成后则生成了半焦，当气体和半焦一起到达干馏侧顶端时，(温度为300～600℃，)进入一级旋风除尘器31将粗颗粒从煤气中分离出来，离开一级旋风除尘器31的气体再次进入二级旋风除尘器32，在此进一步分离煤气中的细颗粒，其中的粗颗粒为粗半焦，细颗粒为细半焦，粗半焦大部分从下行气化床1顶部送入，半焦与氧气的燃烧温度高(1200～1600℃)，灰组份出现熔融，熔融颗粒出现聚集形成较大的熔渣滴，熔渣滴在下降过程中被温度逐步降低的气体冷却、固化。
到达气化侧底部，大部分半焦转化为气体二氧化碳和一氧化碳以及部分氢气，固化的灰渣颗粒较大，密度较高，固体随气体进入气固分离器7，将大颗粒的固态渣分离出来，最后以粗灰形态经减压排出系统。
离开一级旋风除尘器3131的煤气进入一级煤气冷却器41，经温度控制冷却至(250℃)得到冷凝液A，再进入二级煤气冷却器42，经控制温度冷却(至150℃)得到冷凝液B，之后煤气进入洗涤塔进一步洗涤净化。洗涤塔收集的粉尘以灰浆的形态，经加压泵将灰浆送转化炉的气化侧高温区，使其中有机质进一步转化。离开洗涤塔的煤气去下游进一步净化处理。
本申请可采用含水高、含灰高的年轻煤，煤质的变化对转化炉操作影响较小。转化过程产生冷凝液为煤焦油类物质，多数为中轻油，重质油少，油类作为副产品，可最大化提高煤炭利用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种集成式煤炭转化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过输送干馏床与下行气化床组合形成集合式煤炭转化炉，将煤炭分步转化；
S2、来自下行气化床的热煤气与加入输送干馏床内的煤炭接触，煤炭被热煤气夹带向上流动，在此过程中煤炭被加热升温，获得半焦和干馏气煤气混合气；
S3、半焦和煤气混合气进入旋风分离器，分离出的干馏煤气进入冷凝器，将其中的油类冷凝回收，其余干馏煤气进入洗涤塔进一步洗涤净化后，送至下游处理，洗涤塔收集的粉尘以灰浆的形态输送至下行气化床，使其中有机质进一步转化；分离出的半焦加入下行气化床，与气化剂一起反应，生成热煤气，从输送干馏床低部进入，与输送干馏床内的煤炭接触反应；
S4、如此循环，进行煤炭的集成式转化处理。
2.根据权利要求1所述的集成式煤炭转化方法，其特征在于，S2中，煤炭被热煤气夹带向上流动过程中，煤炭中的水分被蒸发，接着煤炭中的挥发分从固体中以气态形式挥发出来，并最终生成煤焦油和干馏气体。
3.根据权利要求1所述的集成式煤炭转化方法，其特征在于，S3中，半焦和煤气混合气进入两级旋风分离器，被逐级分离出粗半焦和细半焦。
4.根据权利要求1所述的集成式煤炭转化方法，其特征在于，S3中，干馏煤气进入两级冷凝器，将其中的油类逐级冷凝回收。
5.根据权利要求1所述的集成式煤炭转化方法，其特征在于，S3中，热煤气进入输送干馏床之前，需要采用气固分离器，将热煤气中的固态渣分离出来，以粗灰形态经减压排出。
6.一种集成式煤炭转化装置，其特征在于，包括下行气化床、输送干馏床、旋风除尘单元、煤气冷却单元和煤气洗涤单元；
所述下行气化床的顶端设有进气口和进料口，所述下行气化床的中下端设有气化剂进口和半焦进口，所述进料口分别与所述旋风除尘单元和所述煤气洗涤单元连接，所述半焦进口与所述旋风除尘单元连接；
所述输送干馏床的底端设有干馏进料口，所述输送干馏床的底端与所述下行气化床的底端连接；
所述煤气冷却单元分别与所述旋风除尘单元和所述煤气洗涤塔连接。
7.根据权利要求6所述的集成式煤炭转化装置，其特征在于，还包括燃烧器，所述燃烧器设置于所述半焦进口位置，并与所述气化剂进口连接。
8.根据权利要求6所述的集成式煤炭转化装置，其特征在于，还包括气固分离器，所述气固分离器分别与所述下行气化床底端和所述输送干馏床底端连接。
9.根据权利要求6所述的集成式煤炭转化装置，其特征在于，所述旋风除尘单元设有相互连接的一级旋风除尘器和二级旋风除尘器；
所述一级旋风除尘器设有用于储放粗半焦的第一料腿，所述第一料腿分别与所述输送干馏床的顶端、所述进料口和所述半焦进口连接；
所述二级旋风除尘器设有用于储放细半焦的第二料腿，所述第二料腿分别与所述煤气冷却单元和所述半焦进口连接。
10.根据权利要求6所述的集成式煤炭转化装置，其特征在于，所述煤气冷却单元设有相互连接的一级煤气冷却器和二级煤气冷却器；
所述一级煤气冷却器与所述旋风除尘单元连接；
所述二级煤气冷却器与所述煤气洗涤单元连接。
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