CN103980946B - 一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法及装置，以CO2、纯氧气和过热蒸汽为气化剂在煤气化热解炉内与无烟煤生成的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气与低温热解段生成的轻油组分、高温热解段生成的重油组分混合组成粗煤气；粗煤气相继进入旋风除尘器、显热回收器被离心除尘、热量回收；再进入焦油回收器脱除重油组分和轻油组分；继而进入间冷器进行循环冷却水间接冷却、洗涤分离出酚水，最终被电捕轻油器再一次脱除微量轻油组分，最终得到高品质的合成气。该合成气中CO和H2含量可达到80％以上，经过变换、净化等工艺可制取油、LNG等化工产品，分离出的重油组分、轻油组分、酚水均可被回收利用，是一种煤分段热解分质利用无排放新能源技术。
Description
技术领域
本发明属于煤热裂解技术领域，具体涉及一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法及装置。
背景技术
目前，现有纯氧连续气化工艺一般是以二级冶金焦、二氧化碳、纯氧为气化原料，在高温下，炽热的碳与二氧化碳发生氧化还原反应来制取粗煤气(CO：68～70％、CO2：28～29％，H2+N2：1～1.2％)，再经净化、变换制备合格的合成气合成相关下游产品。但是，此工艺使用的原料要求相当高(挥发份1％左右，固定碳82.5％左右，国家二级焦标准)，成本也高(二级焦市场价1800-2000元/吨，而低阶煤内地500-700元/吨)，重要的是现有制取煤气工艺过程中无法得到重油组分、轻油组分，使其不能被回收利用，从而使原料不能得到充分的利用。
现阶段我国常压气化工艺都是以无烟煤为主，由于工艺上的缺陷，造成煤中碳的有效转化率低，气化后灰渣中残碳的含量较高，一般在8-15％之间，工艺出现波动时灰渣中的残碳含量会更高。目前常压气化主要有空气+蒸汽和富氧+蒸汽两种工艺，这两种工艺中气化煤气的有效气含量都比较低，一般都在75％以下，在气化过程中也有少量热解产物，但都没有回收利用。这些热解产物在后续气体净化工序中作为废气进行处理，且对后续煤气净化处理工序带来较大的负面影响。
目前，任何一种气化工艺都会伴随有CO2气体的产生，目前的工艺都是经后工序分离处理后或者是到另外一个装置回收利用，或者是对大气排放，造成环境污染，能源浪费。随着环境问题的突出，CO2减排工作尤为重要，如何优化气化工艺，减少CO2的产生，实现CO2再利用将是我国环境技术的重要发展方向之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法及装置，得到CO和H2含量达到80％以上的高品质天燃气和合成气，并回收无烟煤中的重油组分、轻油组分、酚水，实现重油组分、轻油组分、酚水与粗煤气的分离，以达到无烟煤热解分质利用的目的。
本发明的设计思路是：以无烟煤为原料煤，以CO2、纯氧和过热蒸汽为气化剂，具体是利用CO2、纯氧与过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉的新型纯氧连续气化工艺来热解、气化无烟煤，得到粗煤气，再经除尘、分离等实现原料煤的分级利用，不仅扩宽了原料来源，而且本发明采用CO2为气化剂，突破了纯氧气化工艺成本高的弊端，还可从粗煤气中分离并回收重油组分、轻油组分、酚水，使得无烟煤得到了更充分的利用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
(1)将无烟煤加入煤气化热解炉，在炉内分层分段进行热解、气化；煤气化热解炉包括低温热解段、高温热解段、气化段；无烟煤在低温热解段内被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；
将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组分与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气移出煤气化热解炉；
(2)步骤(1)得到的粗煤气被离心除尘，除尘后粗煤气的温度≤550℃；继而进入余热回收装置，回收粗煤气显热，粗煤气温度降至≤320℃；
(3)经步骤(2)除尘、热量回收的粗煤气利用循环水喷淋洗涤的方法脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分+轻油组分的脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分随循环水一起进入焦油槽回收利用；
(4)步骤(3)得到的脱除重油组分、轻油组分的粗煤气被循环冷却水间接冷却至≤40℃；同时，利用洗涤泵闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水进入酚水槽回收利用；
(5)将步骤(4)经冷却、脱除酚水得到的煤气经过电捕轻油器脱油、除尘，脱除其中微量轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，得到高品质的合成气，分离出的轻油组分进入轻焦油槽回收利用。
另外，所述步骤(1)中原料用量为：无烟煤610～645kg/kNm3(CO+H2)(每生成1000Nm3(CO+H2)有效气体需要610～645kg无烟煤，下同)，过热蒸汽250～285kg/kNm3(CO+H2)，纯氧气330～360Nm3/kNm3(CO+H2)，CO2135～145Nm3/kNm3(CO+H2)。
又，所述步骤(1)中煤气化热解炉炉内压力为10～20KPa，炉内分层分段进行热解、气化，低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃。
再，所述步骤(1)中所述无烟煤的发热量≥5500Kcal/kg。
优选地，步骤(1)中所述无烟煤为无烟块煤或无烟型煤。
一种无排放的无烟煤分段热解分质利用装置，包括：
煤气化热解炉，其设有位于底部的气化剂进口和与炉内低温热解段连通的排放口，其中，气化剂进口通过管道连接CO2、纯氧和过热蒸汽混合物的气源；
热量回收装置，包括旋风除尘器和显热回收器；所述旋风除尘器的进气口通过管道连接煤气化热解炉的排放口，所述显热回收器设有煤气进口、煤气出口，所述显热回收器的煤气进口通过管道连接旋风除尘器的出气口；
焦油回收器，其设有煤气入口、净化气出口及位于底部的焦油出口，焦油回收器的煤气入口通过管道与显热回收器的煤气出口连接；
间冷器，其下部设有酚水出口；所述间冷器的入口通过管道与焦油回收器的净化气出口连接，所述间冷器的塔釜通过管道与一洗涤泵连接成循环回路；
电捕轻油器，其设有煤气入口、煤气出口及位于底部的轻油出口，电捕轻油器的煤气入口与间冷器的出口连接，电捕轻油器的煤气出口连接输送管道。
优选地，所述煤气化热解炉为分层分段式煤气化热解炉。
进一步，所述焦油回收器为喷淋式洗涤塔，用低温循环水对粗煤气进行喷淋洗涤，首要作用是降低粗煤气温度，保证99％以上的轻油组分液化；其次利用喷淋洗涤的方式将出旋风除尘器的气固态物质进行分离，以脱除粗煤气中的轻油组分、重油组分及少量的固体粉尘。
所述显热回收器为余热锅炉。
本发明的工作过程如下：从原料预处理工序来的块状无烟煤经皮带传送机从煤气化热解炉上部入料仓，定时通过液压程控阀控制将原料煤加入煤气化热解炉，在低温热解段原料煤被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段；将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成焦炭和重油组分，重油组分与气化煤气一并进入低温热解段；最终重油组分、轻油组分和气化煤气一并移出煤气化热解炉。
煤气化热解炉生成的粗煤气从煤气化热解炉的排放口排出后，进入旋风除尘器进行除尘，主要分离出热解气化炉的排出粗煤气中的煤粉等固体颗粒物；被除尘后的粗煤气进入显热回收器进行热量回收，继而通过焦油回收器的煤气入口进入焦油回收器利用循环水喷淋洗涤的方法进行脱油、除尘，然后从焦油回收器的净化气出口排出并进入间冷器，焦油回收器分离出的重油组分和轻油组分由位于底部的焦油出口进入焦油槽回收利用；粗煤气进入间冷器后被循环冷却水间接冷却至≤40℃，同时，通过闭路循环洗涤将其中的酚水分离出，并经电捕轻油器回收微量轻油组分，进而得到本发明的高品质的合成气。
本发明制备出的高品质的合成气成份为：CO≥35％，H2≥45％，CO2≤18％，CO和H2含量可达到80％以上，经过变换、净化等工艺进一步合气制取油、LNG等化工产品。
本发明首次以CO2为气化剂，与纯氧、蒸汽一并进入煤气化热解炉，在气化段发生还原反应，生成有效气体CO，反应方程式：CO2+C＝2CO-165KJ，在极大地减少CO2排放的同时，实现了资源综合利用，变废为宝，保护了环境。
本发明合理利用气化显热，实现了煤气化热解炉内的分层分段热解分质，在分质过程中最大限度地保护了轻油组分和重油组分的分子结构，使含量较低的轻油组分和重油组分的分质利用最大化，从而达到无烟煤的综合利用、高附加值的目的。从粗煤气中分离得到的重油组分和轻油组分经简单加氢提质便可满足市场需求。本发明经过闭路循环洗涤从粗煤气中分离出的酚水，进入酚水槽即可再回收利用。可见，本发明无废物废气排放，避免了污染环境，减少了单独建尾气处理装置增加投资等不利因素，是一种环境友好型煤炭综合利用、气化多联产工艺。
本发明所述无排放的无烟煤分段热解分质利用装置中煤气化热解炉和后续除尘装置、显热回收器、焦油回收器等设计紧凑，均可采用市售设备，材料易购，即可实现粗煤气中提取重油组分、轻油组分、分离出酚水、气固分离等功能，实现无烟煤的分质利用，实现高附加价值，达到节能高效、综合利用有效能源的目的。
本发明的有益效果：
1.本发明以CO2、纯氧与蒸汽混合物为气化剂，采用纯氧连续气化技术，蒸汽分解率高，生成物数量大于其他的常压固定床气化工艺，形成合理的显热载体数量，满足了合理分散热量、合理建立各个反应层区的作用，使煤气化热解炉内各属区热量分布处于中下部温度高、两端温度低的合理布局，这极有利于强化气化生产粗煤气，也形成了蒸汽在高温条件下分解和二氧化碳快速还原的气化条件，同时提高了煤气化热解炉生产的热效率；
2.相对于传统的焦炭气化生产线，本发明在低压条件(10～20KPa)下纯氧气化无烟煤是一个创新，反应过程中能耗低、具有流程短，无环境污染，原料利用率高，高产出，品质好，综合利用率高等优点，这在煤炭的综合利用上是一种先进工艺；
3.本发明采用99.6％纯氧，大大提高了无烟煤气化率，使煤气化热解炉排放的灰渣残碳量≤2％，大幅度的降低了原料消耗，提高了原料转化利用率；
4.有效的降低了潜热损失和显热损失，提高煤气化热解炉热量转化利用率，冷煤气效率达80～82％，保护环境；
5.本发明拓宽了煤炭气化技术的原料路线，采用无烟煤为气化原料煤，对原料煤没有特殊质量要求；
6.本发明实现了对无烟煤的一次加工综合利用，实现了煤油分离综合利用，且在生产过程中无废气排放、洗涤酚水的洗涤水采用闭路循环，实现了三废的零排放，是一种环境友好型新工艺，属于清洁煤气化技术，完全符合国家低碳环保产业政策和循环经济战略发展思路。
7.本发明将CO2作为气化剂进行气化，转化为CO有效气体，具有显著的环境效益和经济效益，属于碳减排技术。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的内容并不限于此。下列实施例中未标明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
参见图1，本发明的无排放的无烟煤分段热解分质利用装置，包括：
煤气化热解炉1，其设有位于底部的气化剂进口11和与炉内热解段连通的排放口12，其中，气化剂进口11通过管道连接CO2、纯氧和过热蒸汽混合物的气源；
热量回收装置，包括旋风除尘器2和显热回收器3；所述旋风除尘器2的进气口21通过管道连接煤气化热解炉1的排放口12，所述显热回收器3设有煤气进口31、煤气出口32，所述显热回收器3的煤气进口31通过管道连接旋风除尘器2的出气口22；
焦油回收器4，其设有煤气入口41、净化气出口42及位于底部的焦油出口43，焦油回收器4的煤气入口41通过管道与显热回收器3的煤气出口32连接；
间冷器5，其下部设有酚水出口51；所述间冷器5的入口通过管道与焦油回收器4的净化气出口42连接；所述间冷器5的塔釜通过管道及阀门与一洗涤泵6连接成一循环回路；
电捕轻油器7，所述电捕轻油器7设有煤气入口71、煤气出口72及位于底部的轻油出口73，电捕轻油器7的煤气入口71与间冷器5的出口连接，电捕轻油器7的煤气出口72连接输送管道。
本实施例中，所述煤气化热解炉1为分层分段式煤气化热解炉。
所述焦油回收器4为喷淋式洗涤塔。所述显热回收器3为余热锅炉。
本实施例所用的设备条件如下：
1、煤气化热解炉1为分层分段式煤气化热解炉：
设备参数：
直径：Φ2740mm
设备总高度：10750mm
低温热解段高度：1000mm
低温热解段隔热方式：可塑浇筑料
高温热解段高度：1500mm
高温热解段隔热方式：中压水冷壁
气化段高度：5000mm
气化段隔热方式：中压水冷壁
低温与高温热解段设备连接方式：焊接式
结构形式：直筒式
支承方式：上部支承
排渣方式：固体连续排渣
工艺参数：
工作压力：20KPa
气化温度：1050-1300℃
原料煤处理量：3090Kg/h
蒸汽温度：250℃
蒸汽用量：1368Kg/h
CO2温度：100℃
CO2用量：696m3/h
2、旋风除尘器2：
设备参数：
直径：Φ1600mm
高度：9430mm
分离筒直径：Φ1000mm
分离筒高度：1200mm
设备进口直径：Φ1000mm
设备出口直径：Φ800mm
工艺参数：
进口粗煤气温度：550℃
出口粗煤气煤粉浓度：80mg/Nm3
3、显热回收器3为余热锅炉：
设备参数：
直径：Φ2600mm
高度：19000mm
过热段直径：Φ2000mm
过热段换热面积：300m2
蒸汽段直径：Φ2000mm
蒸汽段换热面积：1400m2
换热方式：热管式
工艺参数：
处理气量：8000Nm3/h
煤气进口温度：550℃
煤气出口温度：320℃
软水温度：32℃
副产过热蒸汽温度：220℃
副产过热蒸汽压力：0.5MPa
塔体阻力降：300Pa
4、焦油回收器4为喷淋式洗涤塔：
设备参数：
直径：Φ3200mm
高度：12500mm
喷头分布层数：5层
喷头形式：马蹄形
喷头布置方式：错综式
除雾方式：旋片式
工艺参数：
处理气量：8000Nm3/h
煤气出口温度：50℃
进水温度：32℃
回水温度：40℃
塔体阻力降：5KPa
5、间冷器5：
设备参数：
直径：Φ3000mm
高度：12000mm
喷头分布层数：3层
喷头形式：马蹄形
喷头布置方式：错综式
换热管直径：Φ25mm
工艺参数：
处理气量：7000Nm3/h
煤气出口温度：30℃
进水温度：15℃
回水温度：25℃
塔体阻力降：2KPa
6、电捕轻油器7：
设备参数：
直径：Φ3000mm
高度：13000mm
极板长度：6000mm
工艺参数：
处理气量：7000Nm3/h
煤气出口温度：30℃
反冲洗时间间隔：24h
塔体阻力降：40Pa
电压：380V
本发明的无排放的煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
本实施例所用煤气化热解炉具体为一台同时具有低温热解、高温热解和煤气化功能的分层分段式煤气化热解炉。煤气化热解炉从上而下包括低温热解段、高温热解段和气化段。低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃。
(1)从原料预处理工序来的3090Kg/h无烟块煤经皮带传送机从煤气化热解炉1上部入料仓，定时通过液压程控阀控制加煤入炉气化，煤气化热解炉炉内压力为20KPa。
无烟块煤典型煤质：含碳量：70％～85％，挥发份：≦10％，热值约5500～8000Kcal/kg。
无烟块煤在低温热解段被热解，生成轻油组分和半焦，半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；来自空分工序的1728Nm3/h99.6％纯氧、后工段来的696Nm3/h CO2和锅炉过热1368Kg/h蒸汽混合后从煤气发生1底部的气化剂进口11连续入炉，在炉内气化段内与逆向进入的高温热解段所生成的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组分与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气从煤气化热解炉1的排放口12排出。
(2)粗煤气进行煤气净化处理：从煤气化热解炉1排出的粗煤气由所述旋风除尘器2的进气口21进入旋风除尘器2进行离心除尘，除尘后粗煤气的温度≤550℃；继而除尘后粗煤气通过显热回收器3的煤气进口31进入显热回收器3被回收其中的显热，煤气温度降至320℃以下。
(3)经除尘、热量回收的粗煤气再经焦油回收器4的煤气入口41进入焦油回收器4利用循环水喷淋洗涤的方法进行脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分和轻油组分的脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分从焦油回收器4底部的焦油出口43排入焦油槽401回收利用，脱除重油组分、轻油组分的粗煤气从焦油回收器4的净化气出口42进入间冷器5。
(4)进入间冷器5的粗煤气被循环冷却水间接冷却至40℃以下；同时，利用洗涤泵6闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水从间冷器5的酚水出口51流出，并进入酚水槽501回收利用。
(5)本实施例中，打开控制阀100，关闭控制阀200，将经间接冷却和脱除酚水后的煤气从间冷器5排出由电捕轻油器7的煤气入口71进入电捕轻油器7，再一次脱除微量的轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，得到本发明的高品质的合成气，从煤气出口72经管道输送至用户使用。分离出的轻油组分从轻油出口73排入轻油槽701回收利用。
本实施例所得的高品质合成气成份为：CO：35％，H2：45％，CO2：18％，单炉产气6000Nm3/h。
本发明得到的高品质合成气经过变换、净化等工艺进一步合气制取油、LNG等化工产品。
步骤(3)、(5)中从粗煤气中分离得到的重油组分、轻油组分经简单加氢提质便可满足市场需求。步骤(3)得到的粗煤气进入间冷器，在洗涤泵的作用下，经过闭路循环洗涤从粗煤气中分离出的酚水，进入酚水槽即可再回收利用，具体可采用现有的酚水蒸发***，单台煤气化热解炉配置一套酚水蒸发***，采用酚水蒸发换热器蒸发酚水生成酚水蒸汽，在实现换热功能的情况下，可蒸发煤气化热解炉产生的酚水，既利用下段煤气的余热，又避免污染环境。
Claims (3)
1.一种无排放的无烟煤分段热解分质利用方法，包括如下步骤：
1)将无烟煤加入煤气化热解炉，在炉内分层分段进行热解、气化；煤气化热解炉包括低温热解段、高温热解段、气化段；无烟煤在低温热解段内被热解，生成轻油组分和半焦；半焦进入高温热解段，并被高温热解生成重油组分和焦炭，焦炭进入气化段；
将CO2、99.6％纯氧气和过热蒸汽混合后从煤气化热解炉底部连续入炉，在气化段内与逆向进入的焦炭发生气化反应生成气化煤气；气化煤气上行进入高温热解段，直接对高温热解段中的半焦进行高温热解，生成重油组分和焦炭；重油组分与气化煤气进入低温热解段，最终重油组分、轻油组分和气化煤气的混合气即粗煤气移出煤气化热解炉；
其中，步骤1)中煤气化热解炉炉内压力为10～20KPa，低温热解段温度为550～750℃，高温热解段温度为750～1050℃，炉内气化段温度为1050～1300℃；
步骤1)中原料用量为：无烟煤610～645kg/kNm3(CO+H2)，过热蒸汽250～285kg/kNm3(CO+H2)，纯氧气330～360Nm3/kNm3(CO+H2)，CO2135～145Nm3/kNm3(CO+H2)；
2)步骤1)得到的粗煤气被离心除尘，除尘后粗煤气的温度≤550℃；继而进入余热回收装置，回收粗煤气显热，粗煤气温度降至≤320℃；
3)经步骤2)除尘、热量回收的粗煤气利用循环水喷淋洗涤的方法脱油、除尘，脱除其中的重油组分、轻油组分，重油组分+轻油组分的脱除率≥99％，分离出的重油组分、轻油组分随循环水一起进入焦油槽回收利用；
4)步骤3)得到的脱除重油组分、轻油组分的粗煤气被循环冷却水间接冷却至≤40℃；同时，利用洗涤泵闭路循环洗涤分离出粗煤气中的酚水，分离出的酚水进入酚水槽回收利用；
5)将步骤4)经冷却、脱除酚水得到的煤气经过电捕轻油器脱油、除尘，脱除其中微量轻油组分，使最终重油组分+轻油组分脱除率≥99.9％，从而得到高品质的合成气，分离出的轻油组分进入轻焦油槽回收利用。
2.根据权利要求1所述的无排放的无烟煤分段热解分质利用方法，其特征在于，步骤1)中所述无烟煤的发热量≥5000Kcal/kg。
3.根据权利要求1或2所述的无排放的无烟煤分段热解分质利用方法，其特征在于，步骤1)中所述无烟煤为无烟块煤或无烟型煤。
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