CN214496208U - 煤炭催化气化综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及煤炭催化气化技术领域，尤其涉及一种煤炭催化气化综合利用系统。包括：热解单元、气化单元、分离单元、锅炉单元以及蒸汽发电单元。本公开针对煤炭资源特点，将催化热解、催化气化、燃烧锅炉、蒸汽发电四个单元有序组合，将冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触，实现了煤炭低温热解、煤焦中温气化反应的合理控制，同时充分利用系统产生的含碳炉灰和煤泥，通过燃烧锅炉单元实现蒸汽发电，发电后的中压蒸汽供气化单元作为气化剂使用，在保证高碳转化率的同时，实现了煤炭分级转化、能量梯级利用，解决了现有煤气化技术碳转化率低，煤气中高焦油、高甲烷无法同时实现的难点，提高了系统的转化效率和技术的经济性。

Description

煤炭催化气化综合利用系统

技术领域

本公开涉及煤炭催化气化技术领域，尤其涉及一种煤炭催化气化综合利用系统。

背景技术

我国能源禀赋的基本特征是“富煤、贫油、少气”，实现煤炭的清洁高效利用成为能源技术行业不断探索的课题。随着科技进步，煤气化逐渐成为高效、清洁利用煤炭的主要途径之一。目前煤气化技术主要有两段炉褐煤气化、碎煤加压气化、高压流化床气化、水煤浆气流床气化、粉煤气流床气化等。其中水煤浆气流床气化、粉煤气流床气化气化温度和压力相对较高，主要生产合成气(CO、H₂)用于合成化学品，碳转化率较高，但没有甲烷、焦油等副产品。高压流化床气化温度和压力比气流床较低，煤气产品中虽含有甲烷，但比例相对较低。碎煤加压气化能够产生焦油和一定含量的甲烷产品，但原料主要为块煤，碳转化率比气流床相对较低。两段炉褐煤气化能够产生较多焦油和高甲烷含量煤气，但碳转化率只有50-60％。

上述气化技术由于受到原料、操作条件等制约，不能同时满足高碳转化率、煤气中高甲烷、高焦油含量和高能源转化利用效率等技术需求，无法实现煤炭分级转化、梯级利用，一定程度影响了技术的经济性和适用性。

实用新型内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种煤炭催化气化综合利用系统。

本公开提供了一种煤炭催化气化综合利用系统，包括：

热解单元，包括第一进料口、第一进气口、第一出渣口以及第一出气口；

气化单元，包括第二进料口、第二进气口、第二出渣口以及第二出气口，第二进料口与第一出渣口连接，第二出气口与第一进气口连接；

分离单元，包括第三进气口、第三出渣口以及主产物出料口，第一出气口与第三进气口连接，分离单元用于对第一出气口输送的气体进行分离并将所得产物通过主产物出料口输出；

锅炉单元，包括进渣口以及第一蒸汽出气口，进渣口与第二出渣口和第三出渣口连接；

蒸汽发电单元，包括蒸汽进气口以及第二蒸汽出气口，蒸汽进气口与第一蒸汽出气口连接，第二蒸汽出气口与第二进气口连接。

可选的，第二出渣口和第三出渣口与进渣口的连接管路上设有混合浆制备单元。

可选的，第二出渣口和第三出渣口与混合浆制备单元的连接管路上还设有催化剂回收单元。

可选的，气化单元和分离单元均设有副出渣口，副出渣口均与混合浆制备单元的进料口连接。

可选的，混合浆制备单元上设有原料煤进料口。

可选的，锅炉单元为混合浆锅炉。

可选的，气化单元上还设有氧气进气口，氧气进气口连接有空气分离单元。

可选的，主产物出料口包括煤气出料口和焦油出料口。

可选的，第一出气口的排气管路上还设有冷却单元。

可选的，锅炉单元为流化床锅炉。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开针对煤炭资源特点，将催化热解、催化气化、燃烧锅炉、蒸汽发电四个单元有序组合，实现工艺流程优化、各个单元科学设计及物料不同级别利用。气化单元的第二出气口与热解单元的第一进气口连通，使气化单元产生的粗煤气进入热解单元中，从而使冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触，实现了煤炭低温热解、煤焦中温气化反应的合理控制。同时充分利用系统产生的含碳炉灰和煤泥，通过燃烧锅炉单元将炉灰和煤泥中的残碳燃烧转化热量，副产高压高温蒸汽，实现蒸汽发电，满足系统电力需求，发电后的中压蒸汽供气化单元作为气化剂使用，在保证高碳转化率的同时，实现了煤炭分级转化、能量梯级利用，焦油和有效煤气产量的最大化，解决了现有煤气化技术碳转化率低，煤气中高焦油、高甲烷无法同时实现的难点，提高了系统的转化效率和技术的经济性。

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，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开中的一种结构示意图；

图2为本公开中的另一种结构示意图。

其中，1、热解单元；10、第一进料口；11、第一进气口；12、第一出渣口；13、第一出气口；2、气化单元；20、第二进料口；21、第二进气口；22、第二出渣口；23、第二出气口；24、氧气进气口；3、分离单元；30、第三进气口；31、第三出渣口；32、主产物出料口；4、锅炉单元；40、进渣口；41、第一蒸汽出气口；42、第四出渣口；5、蒸汽发电单元；50、蒸汽进气口；51、第二蒸汽出气口；6、催化剂回收单元；7、混合浆制备单元；70、原料煤进料口；8、空气分离单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1，本公开提供了一种煤炭催化气化综合利用系统，包括：

热解单元1，包括第一进料口10、第一进气口11、第一出渣口12以及第一出气口13；

气化单元2，包括第二进料口20、第二进气口21、第二出渣口22以及第二出气口23，第二进料口20与第一出渣口12连接，第二出气口23与第一进气口11连接；

分离单元3，包括第三进气口30、第三出渣口31以及主产物出料口32，第一出气口13与第三进气口30连接，分离单元3用于对第一出气口13输送的气体进行分离并将所得产物通过主产物出料口32输出；

锅炉单元4，包括进渣口40、第一蒸汽出气口41以及第四出渣口42，进渣口40与第二出渣口22和第三出渣口31连接；

蒸汽发电单元5，包括蒸汽进气口50以及第二蒸汽出气口51，蒸汽进气口50与第一蒸汽出气口41连接，第二蒸汽出气口51与第二进气口21连接。

在上述实施例中，负载了催化剂的原料煤通过第一进料口10进入热解单元1，并在来自气化单元2的粗煤气的加热下进行加压快速热解，生成富含焦油的煤气和煤焦，煤气中还含有部分煤粉尘。其中煤气通过第一出气口13进入分离单元3，经过分离后得到最终产物煤气产品和焦油，由主产物出料口32排出；同时产生一定量的煤泥，由第三出渣口31排出。煤焦则通过第一出渣口12进入气化单元2的第二进料口20，在气化单元2内气化剂的作用下发生气化反应，并产生粗煤气和炉灰，其中粗煤气则由第二出气口23通过第一进气口11回炉至热解单元1，以促进热解反应的进行，炉灰则由第二出渣口22排出。

经过第二出渣口22排出的炉灰以及经过第三出渣口31排出的煤泥则可通过进渣口40进入锅炉单元4，锅炉单元4可有效燃烧炉灰和煤泥中的残碳并加热锅炉内的水，产生大量的高压高温水蒸气，通过第一蒸汽出气口41进入蒸汽发电单元5的蒸汽进气口50，高压高温水蒸气则进入蒸汽发电单元5内进行发电，所发电量可供系统用电。

高压高温水蒸气经过蒸汽发电单元5后变为中压高温水蒸气，并通过第二蒸汽出气口51进入气化单元2的第二进气口21，以作为气化反应的气化剂。

本专利针对煤炭资源特点，将催化热解、催化气化、燃烧锅炉、蒸汽发电四个单元有序组合，通过工艺流程优化、反应单元科学设计及物料不同级别利用，将冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触，实现了煤炭低温热解、煤焦中温气化反应的合理控制，同时充分利用系统产生的含碳炉灰和煤泥，通过燃烧锅炉单元4将炉灰和煤泥中的残碳燃烧转化热量，副产高压高温蒸汽，实现蒸汽发电，满足系统电力需求，发电后的中压蒸汽供气化单元2作为气化剂使用，在保证高碳转化率的同时，实现了煤炭分级转化、能量梯级利用，焦油和有效煤气产量的最大化，解决了现有煤气化技术碳转化率低，煤气中高焦油、高甲烷无法同时实现的难点，提高了系统的转化效率和技术的经济性。

需要强调的是，上述冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触是指，负载有催化剂的原料煤进入热解单元1时温度为常温即低温，而热解单元1内则由气化单元2提供大量高温高压的粗煤气，两种物料接触发生煤炭热解，生成焦油和煤气产品。同时热解单元1内存在一定高度的含有催化剂的煤焦床料，在低温(400-600℃)高压(3.0-4.0MPa)下，由气化单元2提供的粗煤气中含有大量的一氧化碳和氢气可在此进一步发生催化甲烷化反应，从而提高煤中的甲烷含量。

以下则是对各个单元进行详细说明：

热解单元1：

热解单元1是系统的重要组成部分，是系统焦油副产品的生成单元，通过操作可调控焦油品质和产率，保障系统的经济性。由气化单元2送来的粗煤气与负载催化剂的原料煤在热解单元1内充分接触，使原料煤快速热解，生成富含焦油的煤气和煤焦，同时进一步发生煤气甲烷化反应，提高煤气中甲烷含量。热解单元1可选用但不限于高压流化床、固定床、输运床等，热解反应温度为400-600℃，热解压力为3.0-4.0MPa。热解反应中所涉及的化学反应有：

热解反应：煤(富氢富蒸汽环境)→挥发分+焦油+煤焦

甲烷化反应：CO+3H₂→CH₄+H₂O

气化单元2：

气化单元2是系统的核心单元，煤气产品产生的主要反应单元。由热解单元1送来的煤焦和由蒸汽发电单元5的中压高温蒸汽充分发生催化气化反应，实现煤焦的高效转化，生成粗煤气和炉灰。当中压高温蒸汽温度无法满足需要时，可向气化单元2中通入氧气。气化单元2的气化炉可选用但不限于高压流化床，反应温度为650-800℃，反应压力为3.5-4.5MPa。根据锅炉单元4需求可调节反应停留时间控制炉灰的碳含量，一般控制碳含量为10％-35％。

粗煤气的主要成分有氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、蒸汽等，温度为650-800℃，压力为3.5-4.0MPa。气化单元2的主要化学反应有：

气化反应：C+H₂O→CO+H₂

变换反应：CO+H₂O→CO₂+H₂

甲烷化反应：CO+H₂→CH₄+H₂O

分离单元3：

分离单元3为整个系统的后处理单元，主要对热解单元1送来的煤气进行气固分离，分离出来的煤泥可送至锅炉单元4进行残碳分解。气固分离方式可选用但不限于旋风分离器、金属过滤器、陶瓷过滤器、布袋过滤器，也可以是其中几种的组合使用。

锅炉单元4：

锅炉单元4作为煤炭催化气化综合利用系统的动力单元，也是该系统碳转化率提升控制单元，为整个系统提供所需蒸汽，炉灰和煤泥与氧气或富氧空气在炉膛内充分燃烧，产生高温热烟气，锅炉水通过与高温热烟气间接换热生成高压高温蒸汽，蒸汽压力为1.2MPa-28MPa，具体压力根据蒸汽发电单元5和气化单元2要求具体设定。当锅炉单元4内碳含量较低不足以维持系统所需蒸汽时，可通过气化单元2进行调控，提高炉灰的碳含量，也可在额外加入原料煤。

燃烧反应：C+O₂→CO₂

蒸汽发电单元5：

蒸汽发电单元5利用锅炉单元4产生的高压高温蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，做功后的中压高温蒸汽送至气化单元2作为气化剂使用，其余废汽经凝汽器、循环水泵、凝结水泵、给水加热装置等送回锅炉单元4进行循环使用。汽轮机的选型根据系统用电及中压高温蒸汽用量需求设定，包括但不限于凝汽式汽轮机、抽汽凝汽式汽轮机、背压式汽轮机、抽汽背压式汽轮机、中间再热式汽轮机等。

请参阅图1，在一些实施例中，第二出渣口22和第三出渣口31与进渣口40的连接管路上设有催化剂回收单元6。

在上述实施例中，则是对本系统的进一步优化，即公开了催化剂回收单元6，当原料煤负载可回收催化剂时，所产生的炉灰和煤泥中也含有大量催化剂，若是直接放进锅炉单元4内燃烧则会出现浪费的情况，因此设置催化剂回收单元6对催化剂进行回收。

一般回收方法为水洗回收可溶部分催化剂，消解回收不可溶部分催化剂，水洗和消解后产生的催化剂溶液产品可实现循环使用，用于继续对原料煤进行催化剂负载。

请参阅图1，在一些实施例中，催化剂回收单元6与进渣口40的连接管路上还设有混合浆制备单元7。

在上述实施例中，则是对本系统的进一步优化，当炉灰和煤泥的混合物进行催化剂回收后，由于经过水洗，因此其混合物为湿灰状态，为了后期锅炉系统更好的燃烧，因此设置混合浆制备单元7接收来自催化剂回收单元6的湿灰，通过棒磨机或球磨机等设备将湿灰、水、添加剂均匀制成混合浆，作为锅炉单元4的主要原料，可使燃烧更加充分均匀，提高残碳利用效率。

请参阅图1，在一些实施例中，混合浆制备单元7上设有原料煤进料口70。

在上述实施例中，则是对混合浆制备单元7的进一步优化，当混合浆内的碳含量较低不足以维持系统所需蒸汽时，一方面可采用上述的对催化气化单元2进行调控的方法，提高炉灰碳含量，另一方面，也可在混合浆制备单元7加入原料煤，从而提高整体混合浆的含碳量，混合浆浓度一般控制在15％-65％。

请参阅图1，在一些实施例中，锅炉单元4为混合浆锅炉。

在上述实施例中，则是对锅炉单元4进行了具体的公开，混合浆锅炉是指可以对呈浆料状的原料进行燃烧的锅炉，可选用但不限于压力雾化燃烧锅炉、悬浮流化燃烧锅炉。混合浆制备单元7送来的具有一定碳含量的混合浆与氧气或富氧空气在炉膛内充分燃烧，蒸汽压力为1.2MPa-28MPa，具体压力根据汽轮机及气化单元2要求具体设定。混合浆锅炉反应温度为800-1350℃，反应压力为常压-6.0MPa。

在一些实施例中，气化单元2和分离单元3均设有副出渣口，副出渣口均与混合浆制备单元7的进料口连接。

在上述实施例中，则是对整体系统的进一步优化，这是考虑到在原料煤的催化剂负载选择上，可选择可回收催化剂或免回收催化剂。当选用可回收催化剂时，炉灰和煤泥则需经过催化剂回收单元6形成湿灰，对湿灰进行锅炉燃烧的方式有两种，一种是直接采用可对浆料进行燃烧的锅炉，即上述所提及的混合浆锅炉。另一种是采用流化床等可对颗粒进行加热燃烧的锅炉，则需要重新对湿灰进行干燥造粒，工艺过程较为繁琐。

出于简化工艺的目的，则固定采用混合浆锅炉。在选用混合浆锅炉的情况下，若是催化剂为免回收催化剂，则可避免需要经过催化剂回收单元6这一步骤，因此设置副出渣口，可使炉灰和煤泥直接进入混合浆制备单元7。综上，在炉灰与煤泥进行出渣时，通过选择第二出渣口22、第三出渣口31或副出渣口，可实现对采用不同催化剂的原料煤的工艺流程的调节，即，当选用可回收催化剂时，炉灰和煤泥分别通过第二出渣口22和第三出渣口31进行出渣，当选用免回收催化剂时，炉灰和煤泥通过副出渣口进行出渣，这样可最大程度上的简化了整体结构同时提高系统的整体适用性。

需要说明的是，也可根据生产现场的实际情况，在选用可回收催化剂的情况下，将炉灰和煤泥进行干燥并通过流化床锅炉进行燃烧。

请参阅图1，在一些实施例中，气化单元2上还设有氧气进气口24，氧气进气口24连接有空气分离单元8。

在上述实施例中，则是对气化单元2的进一步优化，当气化单元2内温度不够时，通过设置空气分离单元8向氧气进气口24内输入氧气，可使气化单元2内的煤焦燃烧，从而保证气化反应的顺利进行。

请参阅图1，在一些实施例中，主产物出料口32包括煤气出料口和焦油出料口。

在上述实施例中，则是对主产物出料口32的结构的进一步细化，即可通过煤气出料口收集煤气，通过焦油出料口收集焦油。

请参阅图1，在一些实施例中，第一出气口13的排气管路上还设有冷却单元。

在上述实施例中，则是对整体系统的进一步公开，冷却降温方式主要作用为实现气、水、油、尘的有效分离，其中气作为煤气产品、油作为焦油产品、水和尘混合成煤泥进入催化剂回收单元6。冷却单元通常是几种设备或系统的组合，主要由冷却器、水洗塔、分离罐等组成。

请参阅图2，在一些实施例中，锅炉单元4为流化床锅炉。

在上述实施例中，则是公开了另一种实施方式，当催化剂选用免回收催化剂时，则不需要经过催化剂回收单元6，也避免了形成了湿灰这一步骤，因此可对炉灰和煤泥直接进行加热燃烧，流化床锅炉可选用但不限于常压锅炉、加压锅炉。该结构仅针对催化剂选用免回收催化剂而设计，需要说明的是，也可根据生产现场的实际情况，将炉灰和煤泥进行加湿制浆并通过混合浆锅炉进行燃烧。

本实施例中提及的免回收催化剂，包括但不限于廉价环保的碱金属、碱土金属、过渡金属的化合物，负载催化剂时可以是一种化合物，也可以是多种化合物的混合物，具体根据煤种反应活性及催化效果综合确定。

在实际应用过程中，本领域技术人员可对煤炭催化气化综合利用系统现有组成单元进行增加或减少设计，可以使两个及以上功能单元合并为一个综合功能单元；也可根据实际产品需求及煤种特点，对各功能模块操作条件进行优化调整。

本方法适用于烟煤、褐煤等劣质煤炭，可以是块煤、粉煤等形状。通过气化方法生产的煤气产品中甲烷含量为18％-30％，有效气含量55％-65％，煤炭的碳转化率可达98％以上，甲烷产率大于0.6Nm³/kgC，系统能源转化效率65％以上。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，包括：

热解单元(1)，包括第一进料口(10)、第一进气口(11)、第一出渣口(12)以及第一出气口(13)；

气化单元(2)，包括第二进料口(20)、第二进气口(21)、第二出渣口(22)以及第二出气口(23)，所述第二进料口(20)与所述第一出渣口(12)连接，所述第二出气口(23)与所述第一进气口(11)连接；

分离单元(3)，包括第三进气口(30)、第三出渣口(31)以及主产物出料口(32)，所述第一出气口(13)与所述第三进气口(30)连接，所述分离单元(3)用于对所述第一出气口(13)输送的气体进行分离并将所得产物通过所述主产物出料口(32)输出；

锅炉单元(4)，包括进渣口(40)以及第一蒸汽出气口(41)，所述进渣口(40)与所述第二出渣口(22)和所述第三出渣口(31)连接；

蒸汽发电单元(5)，包括蒸汽进气口(50)以及第二蒸汽出气口(51)，所述蒸汽进气口(50)与所述第一蒸汽出气口(41)连接，所述第二蒸汽出气口(51)与所述第二进气口(21)连接。

2.根据权利要求1所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述第二出渣口(22)和所述第三出渣口(31)与所述进渣口(40)的连接管路上设有混合浆制备单元(7)。

3.根据权利要求2所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述第二出渣口(22)和所述第三出渣口(31)与所述混合浆制备单元(7)的连接管路上还设有催化剂回收单元(6)。

4.根据权利要求2所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述气化单元(2)和所述分离单元(3)均设有副出渣口，两个所述副出渣口均与所述混合浆制备单元(7)的进料口连接。

5.根据权利要求2所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述混合浆制备单元(7)上设有原料煤进料口(70)。

6.根据权利要求2所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述锅炉单元(4)为混合浆锅炉。

7.根据权利要求1至6任一项所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述气化单元(2)上还设有氧气进气口(24)，所述氧气进气口(24)连接有空气分离单元(8)。

8.根据权利要求1至6任一项所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述主产物出料口(32)包括煤气出料口和焦油出料口。

9.根据权利要求1至6任一项所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述第一出气口(13)的排气管路上还设有冷却单元。

10.根据权利要求1所述的煤炭催化气化综合利用系统，其特征在于，所述锅炉单元(4)为流化床锅炉。

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