CN103992820B - 一种煤矸石综合利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石综合利用方法，涉及煤气化技术领域，在有效地综合利用煤矸石的同时，能够避免气化工艺中的结渣，保证气化过程的连续稳定运行，拓宽气化工艺的煤种适用范围。本发明公开的煤矸石综合利用方法包括：将煤、气化剂和煤矸石供应到气化设备内；所述煤及煤矸石与所述气化剂在所述气化设备内发生气化反应。本发明公开的煤矸石综合利用方法适用于煤矸石综合利用、煤气化工艺过程中。

Description

一种煤矸石综合利用方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种煤矸石综合利用方法。

背景技术

煤气化是高效、清洁利用煤炭的主要途径之一。煤气化工艺中存在的一个主要问题是煤灰的结渣问题。有些灰中硅铝等酸性化合物含量较低、钾铁钙等碱性化学物含量较高的易结渣煤种，灰熔融温度较低、导致气化时容易结渣，煤灰的结渣会给操作带来不同程度的影响，结渣严重时将会导致停产，导致煤气化工艺的煤种适用范围受限。

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，主要成分为硅铝化合物。

目前，煤矸石排放量很大，但利用力度较弱，其主要堆放在井口附近，不仅压占大量土地，影响生态环境，矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下发生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境，影响矿区居民的身体健康。因此，如何实现煤矸石的废物回收利用引发越来越多的关注。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种煤矸石综合利用方法，在有效地综合利用煤矸石的同时，可避免煤气化工艺中的结渣，保证气化过程的连续稳定运行，拓宽气化工艺的煤种适用范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种煤矸石综合利用方法，其中，包括：

将煤、气化剂和煤矸石供应到气化设备内；

所述煤及煤矸石与所述气化剂在所述气化设备内发生气化反应。

可选地，在所述煤及煤矸石与所述气化剂在所述气化设备内发生气化反应之前，所述方法还包括：

将催化剂供应到气化设备内。

优选地，所述煤矸石的粒径范围与所述煤的粒径范围相同。

可选地，所述煤矸石的粒径为0.01～10mm。

优选地，所述煤矸石的粒径为0.01～2mm。

可选地，所述煤矸石的添加量为所述煤的总质量的0.01～40％。

优选地，所述煤矸石的添加量为所述煤的总质量的0.01～10％。

具体地，所述煤为易结渣煤种。

具体地，所述将煤、气化剂和煤矸石供应到气化设备内具体包括：

将煤与煤矸石在混合装置中混合均匀，然后将混合物供应到气化设备内，或者将煤、煤矸石分别直接供应到气化设备内；

将气化剂供应到气化设备内。

可选地，所述气化剂为过热蒸汽；或者

所述气化剂除包括过热蒸汽之外，还包括一氧化碳、氢气、氧气和二氧化碳中的至少一种。

本发明提供的煤矸石综合利用方法，将煤矸石与煤一起作为气化原料供应到气化设备内，并与气化剂发生气化反应，以产生甲烷等气体燃料，不仅充分利用了煤矸石的有效热成分，而且，煤矸石中富含的硅铝成分还可以有效地提高气化设备内煤灰中的硅铝含量，从而提高了煤的灰熔点，在一定温度范围内有效地避免了煤灰颗粒相互粘结结渣，从而避免了气化过程中流化状况欠佳、排渣困难或失流化等现象，保证了气化过程的连续稳定运行，大大拓宽气化工艺的煤种适用范围；简而言之，将煤矸石利用于气化过程，不仅能充分利用煤矸石的有效热成分，还能充分利用煤矸石的硅铝成分以提高气化过程中煤的灰熔点，从而实现煤矸石的高效综合利用，解决煤矸石污染环境问题的同时，也解决了煤气化工艺中的结渣问题，拓宽了工艺煤种适用范围。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的一种煤矸石综合利用方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种煤矸石综合利用方法的工艺流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种煤矸石综合利用方法的工艺流程图。

具体实施方式

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的一部分实施例，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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种煤矸石综合利用方法，其中，包括：

S1、将煤、气化剂和煤矸石供应到气化设备内；

S2、煤及煤矸石与气化剂在气化设备内发生气化反应。

本发明实施例提供的煤矸石综合利用方法，将煤矸石与煤一起作为气化原料供应到气化设备内，并与气化剂发生气化反应，以产生甲烷等气体燃料，不仅充分利用了煤矸石的有效热成分，而且，煤矸石中富含的硅铝成分还可以有效地提高气化设备内煤灰中的硅铝含量，从而提高了煤的灰熔点，在一定温度范围内有效地避免了煤灰颗粒相互粘结结渣，从而避免了气化过程中流化状况欠佳、排渣困难或失流化等现象，保证了气化过程的连续稳定运行，大大拓宽气化工艺的煤种适用范围；简而言之，将煤矸石利用于气化过程，不仅能充分利用煤矸石的有效热成分，还能充分利用煤矸石的硅铝成分以提高气化过程中煤的灰熔点，从而实现煤矸石的高效综合利用，解决煤矸石污染环境问题的同时，也解决了煤气化工艺中的结渣问题，拓宽了工艺煤种适用范围。

本发明实施例中所使用的煤矸石，可以是来源于采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物；所述煤矸石含碳约30％以下，无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。其中，气化过程中，所含碳可以转化为甲烷、一氧化碳等气体燃料，硅、铝的氧化物可以提高气化设备内煤灰中的硅铝含量，从而提高煤的灰熔点，并在一定温度范围内避免了煤灰颗粒相互粘结结渣，从而大大拓宽气化工艺的煤种适用范围。

气化过程中，煤矸石的粒径范围与所使用的煤的粒径范围相同。例如，气化工艺中，煤的粒径范围可以为0.01～10mm，优选为0.01～6mm，进一步优选为0.01～2mm，因此，煤矸石的粒径可以为0.01～10mm，优选地为0.01～6mm，进一步优选地为0.01～2mm，比如，煤矸石的平均粒径可以为0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.9mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。

需要说明的是，气化设备中的物料在流化过程中，颗粒粒径较大则需要较大的最小流化速度；在煤颗粒流化之前，随着气化剂的增加，较大的颗粒容易沉积在床层底部，而较轻颗粒会被带到床层上部流化，出现明显的颗粒分离现象。本发明实施例中，由于煤矸石的粒径范围与煤的粒径范围相同，因此，煤矸石和煤的混合颗粒在共流化时，煤矸石能够与煤颗粒粒径良好的匹配，在气化过程中能够充分的均匀混合，而不会发生分层析出，从而有效地利用了煤矸石的有效热成分，并提高了气化设备内煤的灰熔点，避免了煤灰颗粒相互粘结结渣。

具体地，通过控制煤矸石的添加量，可以有效地提高气化设备内煤灰中硅铝含量进而提高煤种的灰熔点，例如，煤矸石的添加量可以为气化过程中所使用的煤的总质量的0.01～40％，优选为0.01～30％，进一步优选为0.01～10％，比如0.01％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、17％、20％、25％、30％、35％或40％。

需要说明的是，本发明实施例提供的煤矸石综合利用方法，气化过程中，也可以在催化剂存在的条件下进行，也就是说，也可以将煤矸石利用于煤催化气化过程。具体地，在步骤S2所述的煤及煤矸石与气化剂在气化设备内发生气化反应之前，所述方法还包括：

S1-1、将催化剂供应到气化设备内。

其中，步骤S1和步骤S1-1可以同时发生，即可以同时将煤、气化剂、煤矸石、催化剂供应到气化设备内。

具体地，本发明实施例所述的催化剂可以为碱金属、碱土金属等的化合物等。所述的煤为易结渣煤种，优选为灰中硅铝含量较低、铁含量较高的煤，比如可以为褐煤、烟煤、次烟煤或无烟煤等。

本发明实施例中，所用的气化剂可以为过热蒸汽；或者，气化剂除包括热蒸汽之外，还可以包括一氧化碳、氢气、氧气和二氧化碳中的至少一种。

本发明实施例中，将煤矸石利用于气化过程，不仅利用了煤矸石的有效热成分，还利用了煤矸石的硅铝成分以大大提高气化原料煤的灰熔点，使得气化反应的温度操作区间变宽，比如当有催化剂参与反应时，可以将催化气化反应温度由600～700℃变为600～800℃，因此，本发明实施例不仅综合利用了煤矸石，还能够将气化过程中的温度适当提高，进而有效地提高煤及煤矸石的气化效率及碳转化率。

需要说明的是，本发明实施例中，上述步骤S1所述的将煤、气化剂和煤矸石供应到气化设备内具体可以包括：

将煤与煤矸石在混合装置中混合均匀，然后将混合物供应到气化设备内，或者将煤、煤矸石分别直接供应到气化设备内；

将气化剂供应到气化设备内。

也就是说，本发明实施例中，可以先将煤与煤矸石混合均匀后，再一起添加到气化设备中，也可以分别将煤、煤矸石单独加入到气化设备中，并在气化剂的气流作用下相互混合均匀。由于煤矸石的粒径范围与煤的粒径范围相同，因此，不论采用哪种混合方式，二者都会充分均匀混合，且在气化过程中不会出现分层析出等现象，从而能够有效地利用煤矸石的有效热成分，并提高气化设备内煤的灰熔点。

当有催化剂参与时，可以先将催化剂负载在煤上，然后再与煤矸石混合均匀后一起添加到气化设备中，或者将负载有催化剂的煤、煤矸石单独添加到气化设备中；也可以直接将催化剂、煤和煤矸石混合均匀后一起添加到气化设备中，或者分别将催化剂、煤和煤矸石单独添加到气化设备中，并在气化剂的气流作用下相互混合均匀。也就是说，可以不先将催化剂负载在煤上，而是将催化剂与煤一起直接添加。

详细地，如图2所示，在备煤***11中，将煤a′破碎、筛分，得到一定粒径分布的煤粉a，例如，煤的粒径范围可以为0.01～10mm，优选为0.01～6mm，进一步优选为0.01～2mm；将煤粉与一定量的催化剂或催化剂的水溶液b在催化剂负载单元12进行催化剂负载，催化剂b与煤粉a的质量比可以为0.01～0.3:1，优选为0.05～0.2:1，然后将制备好的湿煤粉在干燥***13中进行干燥。

将煤矸石进行破碎、干燥、筛分预处理，得到粒径为0.01～10mm、优选为0.01～2mm的煤矸石c；将干燥后的负载有催化剂的煤a+b与煤矸石c在混合装置14中均匀混合，然后将混合物a+b+c加入变压料斗(未示出)、经高压料仓(未示出)，在给料器(未示出)的作用下加入气化设备15；然后向气化设备15输入气化剂d，以进行气化反应；气化后的气体产物e在分离净化***16中经气固分离、净化处理等得到富含甲烷的产品气f，反应后的固体残渣g经催化剂回收单元17进行催化剂回收，回收后的催化剂b可以通入催化剂负载单元12进行下一次的催化剂的负载。

或者，如图3所示，也可以将干燥后的负载有催化剂的煤a+b与煤矸石c分别直接加入到气化设备15，即干燥后的负载有催化剂的煤a+b与煤矸石c分别经一路进料***单独加入到气化设备15，使其在气化剂d的气流作用下混合均匀，这样，还可以节省混合装置14。图3所示的实施例中，其他工艺流程与图2所示的实施例的工艺流程相同，本发明实施例对此不再重复赘述。

具体地，本发明实施例所述的气化设备可以为流化床气化炉；催化剂负载单元为能够进行催化剂负载的设备，比如为带搅拌的混料器等；混合装置为能够将负载有催化剂的煤与煤矸石充分混合的装置，比如为搅拌罐、流化床等；变压料斗、高压料仓和给料器为催化气化过程中常用的进料装置；分离净化***主要用于将气化后的产物中携带的煤粉、煤灰和催化剂等粉尘过滤下来，以及对气化后的产物进行气体净化分离，以脱除酸性气体，具体地，分离净化***可以包括气固分离***比如多级旋风分离器、以及净化处理***；催化剂回收单元主要在于对反应后的固体残渣进行催化剂回收，以降低成本，比如该催化剂回收单元可以包括水洗罐、消解釜等。

下面将通过具体实验数据分析来说明本发明实施例的优势。

由于煤矸石中含碳约20％～30％，气化过程中，这些碳将转化为甲烷等可燃燃料，因此，本发明实施例对煤矸石有效热成分的利用不再详细分析，以下将重点分析煤矸石中富含的硅铝成分对煤的灰熔点的提高。

采用煤种1作为实验分析原料，首先对其进行煤质分析，见表1，其中，表1a为煤种1的工业分析、元素分析；表1b为煤种1的灰成分分析。

表1a

备注：表1a中，M_ad代表空气干燥条件下水分含量；A_ad代表空气干燥条件下灰分含量；V_ad代表空气干燥条件下挥发分含量；FC_ad代表空气干燥条件下固定碳含量；C_d代表干燥条件下碳元素含量；H_d代表干燥条件下氢元素含量；N_d代表干燥条件下氮元素含量；S_d代表干燥条件下硫元素含量。

表1b

对煤矸石的灰成分进行分析，见表2。

表2

将煤种1进行粉碎、筛分处理，得到40～80目的煤粉，将这些煤粉平均分成三份，其中一份标记为原料1；将另一份煤粉进行催化剂负载，催化剂添加量为该份煤粉质量的10％，干燥，得到气化原料，标记为原料2；将最后一份煤粉进行催化剂负载，催化剂添加量为该份煤粉质量的10％，干燥，然后添加粒径为40～80目的煤矸石，煤矸石的添加量为该份煤粉质量的5％，混合均匀，得到气化原料，标记为原料3。然后使用灰熔点测定仪分别对原料1、2、3进行灰熔点分析。分析结果见表3：

表3

可见，添加催化剂后，明显降低了煤的变形温度、软化温度、半球温度及流动温度，即催化剂添加后煤的灰熔点明显降低；而添加煤矸石后，煤的变形温度、软化温度、半球温度及流动温度明显上升，即添加煤矸石有效地提高了煤的灰熔点。

分别将原料1、2、3在气化设备流化床反应器中进行气化反应，其中，气化反应时，流化床反应器内压力为3.5MPa、温度为700℃，气化剂采用水蒸气，水蒸气同煤粉质量比控制为1.5:1，反应后的结果见表4：

表4

运行结果

备注：气化反应时，原料1、2、3的水煤比、氧煤比参数不同，调节水煤比主要是为了保证水碳摩尔比保证在指定化学计量比，而通过调节氧煤比利用氧气与煤燃烧强放热反应的热量来将流化床反应器内反应温度保持在700℃，进而使这三种原料在相同的反应温度和反应压力及水碳摩尔比下进行气化反应，从而保证反应结果的可比较性。

由上述表4可知，添加催化剂后，碳转化效率由80％提高到88％，产品气中甲烷CH₄含量由8.4％提高到21.6％，但是煤结渣严重，会影响催化气化反应的正常连续工作；然而，添加煤矸石后，碳转化效率由80％提高到92％，产品气中甲烷CH₄含量由8.4％提高到18.9％，氢气含量为38.1％，并且，煤没有结渣，催化气化反应可以稳定进行。因此，煤矸石的添加，有效地避免了煤的结渣，可以拓宽煤种的适用性。

由上述数据可知煤矸石中富含的硅铝可以有效地提高煤灰中硅铝含量进而提高易结渣煤种的灰熔点，可以达到在一定温度范围操作避免结渣的目的，有效地拓宽工艺煤种适用性。

综合上述，本发明实施例提供的煤矸石综合利用方法，将煤矸石和煤一起混合后进行气化，既解决了煤矸石的利用问题，还可以防止煤气化过程中结渣，即将煤矸石应用于气化工艺，不仅可充分利用煤矸石的有效热成分，且富含高硅铝煤矸石的添加可避免气化过程中(尤其是有催化剂存在的条件下)的结渣问题，是解决煤矸石利用的有效途径。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种煤矸石综合利用方法，其特征在于，包括：

将煤、气化剂、催化剂和煤矸石供应到流化床气化炉内；

所述煤及煤矸石与所述气化剂在所述催化剂下在所述流化床气化炉内发生煤催化气化反应，所述煤催化气化反应的反应温度为600℃～800℃，所述煤矸石提高所述煤的灰熔点，以避免煤灰颗粒相互粘结结渣。

2.根据权利要求1所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤矸石的粒径范围与所述煤的粒径范围相同。

3.根据权利要求2所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤矸石的粒径为0.01～10mm。

4.根据权利要求3所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤矸石的粒径为0.01～2mm。

5.根据权利要求1所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤矸石的添加量为所述煤的总质量的0.01～40％。

6.根据权利要求5所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤矸石的添加量为所述煤的总质量的0.01～10％。

7.根据权利要求1所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述煤为易结渣煤种。

8.根据权利要求1～7任一项所述的煤矸石综合利用方法，其特征在于，所述气化剂为过热蒸汽；或者

所述气化剂除包括过热蒸汽之外，还包括一氧化碳、氢气、氧气和二氧化碳中的至少一种。