CN107474859A - 一种煤热解气化工艺耦合装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤热解领域，公开了一种煤热解气化工艺耦合装置及其方法。所述煤热解气化工艺耦合方法包括：热解和气化步骤，将含煤原料与气化剂进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，再将至少部分灰渣作为热载体使干燥煤进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料进行气化反应。本发明提供的装置和方法耦合了原料分级中的气化‑热解过程，充分利用了气化余热，有效解决了现有的煤炭综合利用率低、煤热解能耗高且气化热能得不到有效利用的问题，极具工业应用前景。

Description

一种煤热解气化工艺耦合装置及其方法

技术领域

本发明涉及煤热解领域，具体地，涉及一种煤热解气化工艺耦合装置和煤热解气化工艺耦合方法。

背景技术

我国是贫油、少气、煤炭资源相对丰富的国家，但煤炭利用一直处于一种单一发展煤炭生产、不注重煤炭综合利用的不合理产业布局，电力、化工和其他行业在技术工艺、设备设施上的不足以及产品结构上的不合理，致使我国的单位产值能耗是发达国家的3-4倍。随着煤炭消耗的增加，面临的环境问题越来越多。另外，我国对原油和天然气的依存度也逐年增加。因此，寻求消耗资源少、能源转化效率高、油气收率高的煤炭综合利用路线，对我国能源战略具有重要意义。

CN103160296B公开了一种煤化工热解气化耦合一体化多联产***，其包括备煤单元、热解气化耦合***A和多联产***B；所述热解气化耦合***A包括耦合于一体的热解单元和气化单元，热解单元包括原料入口、净化煤气出口、净化焦油出口和半焦出口，气化单元包括净化气出口单元、灰渣出口和气化剂入口；备煤单元与热解单元原煤入口连通；所述多联产***B包括与热解单元净化煤气出口连接的净化煤气分离单元，与热解单元净化焦油出口连接的净化焦油分离单元，分别与气化单元净化气出口连接的化工产品合成单元和IGCC单元；净化焦油分离单元依次连接有煤焦油加氢精制单元和油品分离单元。当采用所述***进行煤化工热解气化耦合一体化多联产时，煤经洗涤筛分、干燥后送入热解气化炉热解段中，在500-800℃进行热解反应得到荒煤气和热解半焦，热解半焦经半焦分流器分流，一部分送入熄焦钝化设备直接用作半焦原料，另一部分热解半焦与气化剂一起送入热解气化炉气化段，在800-1300℃进行半焦气化反应，生成的气化气作为热载体为热解炉提供热量。该煤化工热解气化耦合一体化多联产***及工艺能够将煤炭热解气化与油、气、化、电、热的生产过程进行有机结合，实现物质转化和能量转化的集成，达到煤炭资源分级利用、价值提升、利用效率和经济效益的最大化，提高能源利用效率。然而，整个工艺仍有以下技术缺陷有待改进：(1)原料煤的热解和气化在一个装置热解气化炉中完成，但热解过程通常在低压或常压下有利于煤中挥发分的析出，而气化通常在高压下气化效果更高，因此热解和气化在一个装置中完成会使得整体工艺效率降低；(2)采用气化气作为热载体进行热解会造成气化气中夹杂大量的粉尘，使得后续气化气除尘难度极大，并且由于气化气产量较大，从而会造成后续气体净化、气液分离设备投资成本增加。

CN103980948A公开了一种粉煤热解和气化的方法，通过气流床粉煤热解和气流床半焦气化集成回收半焦高温气化的合成气显热。具体地，全部的粉煤进入气流床粉煤热解炉，粉煤热解生产的焦油在高温下进一步热解生产低分子碳氢化合物(如甲烷)和焦炭；粉煤热解生成的半焦进入气流床气化炉生成高温合成气。该方法生成的合成气中富含甲烷(甲烷含量为2-15体积％)、焦油含量低(低于10ppm)、装置冷煤气效率高(大于80％)、原料适应性广，可应用于煤制天然气和燃气等领域。然而，该方法除了具有与CN103160296B公开的***及工艺相同的缺陷之外，还对粉煤粒度有严格要求(小于100微米)，因此需要更高的磨煤能耗，对煤种有一定的局限性，不适用于对低阶煤进行热解和气化。

CN102504842A公开了一种三流化床固体热载体煤热解气化燃烧梯级利用方法，该方法包括将煤与循环流化床燃烧炉中的高温循环灰混合发生热解，获得煤气、焦油和半焦，半焦进入流化床气化炉与水蒸汽和氧气气化，生产合成气，流化床气化炉中未反应完全的半焦送入循环流化床燃烧炉进行富氧气燃烧，加热固体热载体，产生的热烟气生产气化炉所需的蒸汽。虽然采用该方法通过热解、气化和燃烧三者的解耦，利用高温循环灰为固体热载体，对煤进行热解气化燃烧梯级利用，实现了焦油、热解煤气和合成气的联产，但是该方法却存在以下三个问题：(1)若该工艺采用低阶煤(如褐煤，含水量约为20重量％)，在不经干燥直接热解的情况下，由于热解过程也会额外产生部分水，故产生的煤气中将存在大量的水和尘，极易将煤气出口堵塞；此外，高温循环灰也需要提供更多的热量(增加循环灰温度或用量来实现，如此则需要补热或增加燃烧炉体积)，由此表明，该工艺不适用于含水率较高的低阶煤；(2)未被完全气化的半焦送入燃烧炉中进行富氧气燃烧，相比半焦完全进行气化而言，比氧耗高且会产生大量的CO₂，从碳平衡角度来看，整个工艺的CO含量会减少，因此会造成整个工艺有效合成气的量降低，即工艺比氧耗高且合成气产率较低；(3)从整个工艺来看，循环流化床燃烧炉中燃烧未被完全气化的半焦，燃烧后的高温循环灰颗粒较细，因此会造成进入流化床气化炉后产生的合成气中的飞灰较多，会增加合成气后续除尘难度。

CN101294092B公开了一种固体燃料联合转化方法，该方法包括以下步骤：(1)固体燃料与输送床燃烧反应器提供的高温热载体颗粒混合发生热解反应，产生半焦、焦油以及煤气；(2)热解产生的半焦送入流化床气化反应器中与水蒸汽和O₂气化，生产合成气，产生的热解气一部分通入热解器中流化固体燃料及高温热载体颗粒，另一部分送入输送床燃烧反应器中燃烧加热载体颗粒；(3)流化床气化炉中未反应完全的半焦送入输送床燃烧器中燃烧，以加热热载体颗粒。研究表明，采用该方法进行固体燃料的联合转化不仅具有与采用CN102504842A中提供的方法相同的缺陷，并且该方法中涉及的三个反应器是连通的，在高压条件下不利于热解过程中轻质组分的析出，因此整个工艺只适用于在低压或常压条件下进行固体燃料的联合热转化。

发明内容

本发明的目的是为了克服采用现有的煤热解气化装置和方法进行煤热解气化时，存在煤炭综合利用率低、煤热解能耗高且气化热能得不到有效利用的问题，而提供一种新的煤热解气化工艺耦合装置以及煤热解气化工艺耦合方法。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种煤热解气化工艺耦合装置，其中，该装置包括：

热解和气化***，所述热解和气化***包括气化炉和热解器；含煤原料与气化剂在所述气化炉中进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤在所述热解器中进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料引入所述气化炉中与所述气化剂进行气化反应。

第二方面，本发明提供了一种煤热解气化工艺耦合方法，该方法包括：

热解和气化步骤：将含煤原料与气化剂进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，再将至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料进行气化反应。

本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置以及煤热解气化工艺耦合方法耦合了原料分级中的气化-热解过程，以高温气化灰渣作为煤热解的热载体，充分利用了气化余热，不仅能够使得整个工艺能效得到充分利用，而且还不影响各自的热解和气化性能，有效解决了现有的煤炭综合利用率低、煤热解能耗高且气化热能得不到有效利用的问题，极具工业应用前景。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置的一种具体实施方式。

附图标记说明

1-气化炉；2-热解器；3-干燥器；4-高温灰渣分料器；5-半焦和渣储仓；6-固体输送***；7-1号煤仓；8-2号煤仓；9-合成气冷却器；10-除尘器；11-煤气除尘器；12-煤气激冷器；13-油水分离器；14-重质焦油储罐；15-煤气冷却器；16-气液分离器；17-轻质焦油储罐；18-低压煤气储罐；19-气体压缩机；20-脱硫装置；21-气体分离装置。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

如图1所示，本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置包括：

热解和气化***，所述热解和气化***包括气化炉1和热解器2；含煤原料与气化剂在所述气化炉1中进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤在所述热解器2中进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料引入所述气化炉1中与所述气化剂进行气化反应。

根据本发明的煤热解气化工艺耦合装置，所述气化炉1的种类可以为本领域的常规选择，例如，可以为固定床气化炉、流化床气化炉、输运床气化炉或气流床气化炉，优选为固定床气化炉、流化床气化炉或输运床气化炉。与采用气流床气化炉相比，采用所述三种优选的气化炉能够降低对原料煤粒度的要求(通常小于10mm即可)，入料粒度宽，进而能够降低磨煤能耗，煤种适应性更好。此外，所述气化炉1优选为干法排渣。在进行气化反应时，所述气化炉1内的温度可以控制在900-1100℃、优选控制在950-1050℃，压力可以控制在0-10MPa、优选控制在0-4MPa。

在本发明中，所述压力均指表压。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，从所述气化炉1中引出的灰渣的温度通常为600-1000℃、优选为800-900℃，将其作为热载体引入所述热解器2中，能够将所述干燥煤加热至热解反应所需的温度，从而实现气化余热的充分利用。优选地，所述热解和气化***还包括高温灰渣分料器4，用于将所述气化炉1生成的灰渣在引入所述热解器2之前先分离出粒径为100微米以下的细颗粒，并将剩余的粗颗粒作为热载体引入所述热解器2中使所述干燥煤进行热解反应，采用这种将灰渣中的细颗粒预先分离出去的优选方式，能够使得整体工艺的除尘难度降低、简化后续合成气处理设备并降低投资成本。在粗颗粒和细颗粒的分离过程中，所述高温灰渣分料器4内的温度可以控制在600-1000℃、优选控制在800-900℃，压力可以控制在0-1MPa、优选控制在0-0.3MPa。此外，所述高温灰渣分料器4可以为现有的各种能够将粒径为100微米以下的细颗粒从所述灰渣中分离出去的设备，本领域技术人员对此均能知悉，在此不作赘述。选择性地，排出的细颗粒可送入流化床锅炉中进行燃烧。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，所述热解器2的具体结构可以与现有技术相同，在此不作赘述。此外，在进行热解反应中，所述热解器2内温度可以控制在450-650℃、优选控制在500-600℃，压力可以控制在0-1MPa、优选控制在0-0.3MPa。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，优选地，所述热解和气化***还包括半焦和渣储仓5，用于暂时储存由所述热解器2热解反应生成的半焦和渣。当所述气化炉1为常压气化炉时，则可以不需要设置所述半焦和渣储仓5；当所述气化炉2为高压气化炉时，由于气化压力高，而热解压力低，则通常需要设置所述半焦和渣储仓5。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，由于如果仅将源自所述热解器2的半焦和渣送入所述气化炉1中进行气化反应，那么气化炉1可能达不到满负荷运行，并且由气化炉1产生的热载体灰渣的量也较少，因此，为了提高气化炉1的负荷量、增大产能，优选地，所述热解和气化***还包括2号煤仓8，由所述2号煤仓8供应的煤与所述半焦和渣混合后作为所述含煤原料引入所述气化炉1中与所述气化剂进行气化反应，其中，所述2号煤仓8供应的煤为中阶煤和/或高阶煤，在所述含煤原料中，所述中阶煤和高阶煤的总含量与所述半焦和渣的总含量的重量比为0.1-10:1，优选为0.2-5:1。此外，为了更有利于将由所述2号煤仓8供应的煤以及所述半焦和渣输送至所述气化炉1，所述热解和气化***还包括固体输送***6。

根据本发明，优选地，所述煤热解气化工艺耦合装置还包括：干燥***，所述干燥***包括1号煤仓7和干燥器3，由所述1号煤仓7供应的煤在所述干燥器3中被源自所述气化炉1的高温合成气作为热源进行干燥得到低温合成气和干燥煤。此时，所述煤热解气化工艺耦合装置不仅能够实现以高温气化灰渣作为煤热解的热载体，同时还能够以高温合成气作为煤干燥的热源，从而更充分地利用了气化余热，更有效地解决了现有的煤炭综合利用率低、煤热解能耗高且气化热能得不到有效利用的问题。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，源自所述气化炉1的高温合成气的温度很高，通常为900-1100℃、优选为950-1050℃，如果将所述高温合成气直接作为热源引入干燥器3中对煤进行干燥，虽然能够充分利用其中的余热，但是，一方面，煤在如此高的温度下不仅会干燥脱水、还会部分热解，因此会造成部分热解煤气与随水蒸气一并排出，从而造成部分热解煤气损失；另一方面，采用900-1100℃的高温合成气对煤进行干燥也对干燥器3的材质提出了更高的要求。因此，优选地，所述热解和气化***还包括合成气冷却器9，用于将待引入所述干燥器3的所述高温合成气冷却成中温合成气，这样能够在充分利用煤气化余热的同时，进一步减少热解煤气的损失并降低对干燥器3材质的要求。其中，所述高温合成气经合成气冷却器9冷却之后得到的中温合成气通常具有200-500℃、优选具有300-400℃的温度，并且通常具有0-10MPa、优选具有0-4MPa的压力。更优选地，所述热解和气化***还包括除尘器10，用于将经合成气冷却器9冷却之后的中温合成气进行除尘，以降低下游合成气的除尘压力。其中，经所述除尘器10除尘之后得到的中温合成气中飞灰的含量优选为20mg/m³以下。所述除尘器10特别优选为干式除尘器。此外，更优选地，所述除尘器10的灰层出口连接至所述高温灰渣分料器4，用于将源自所述除尘器10的飞灰引入所述高温灰渣分料器4中与所述灰渣一起进行粗细颗粒的分离，以适当降低灰渣温度。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置，所述干燥器3可以为直接换热设备，也可以为间接换热设备，优选为后者。当所述干燥器3为间接换热设备时，其管程为由所述1号煤仓7供应的煤，壳程为合成气(可以为从气化炉1直接引出的高温合成气，也可以为经合成气冷却器9和除尘器10依次冷却和除尘之后所得的中温合成气)。此外，所述干燥器3的管程为常压或低压环境，干燥后的水蒸气与烟囱(大气)连通排出，壳程为高压密闭环境，且其温度为200-500℃，压力为0-10MPa。

根据本发明，优选地，所述煤热解气化工艺耦合装置还包括：

气液分离***，用于将源自所述热解器2的热解气分离成液态油和煤气；

净化和气体分离***，用于将源自干燥***的低温合成气(即从所述干燥器3的壳程出口引出的气体)与源自气液分离***的煤气一起进行净化和分离，以分别输出CO和H₂组成的净合成气、甲烷气体和CO₂气体。

本发明对所述气液分离***没有特别地限定，只要能够将所述热解气分离成液态油(包括重质焦油和轻质焦油)和煤气即可。根据本发明的一种具体实施方式，所述气液分离***包括煤气除尘器11、煤气激冷器12、油水分离器13、重质焦油储罐14、煤气冷却器15、气液分离器16、轻质焦油储罐17、低压煤气储罐18和气体压缩机19；源自所述热解器2的热解气经所述煤气除尘器11除尘后在所述煤气激冷器12中进行激冷，激冷得到的重质焦油经所述油水分离器13油水分离后所得的油相储存在所述重质焦油储罐14中，激冷得到的气体经所述煤气冷却器15冷却后送入所述气液分离器16中气液分离成轻质焦油和煤气，所述轻质焦油储存在所述轻质焦油储罐17中，所述煤气进入所述低压煤气储罐18中并经所述气体压缩机19增压后送入所述净化和气体分离***中进行净化和分离。其中，所述煤气激冷器12和煤气冷却器15可以为现有的各种冷却设备，两者可以相同，也可以不同，在此不作赘述。

本发明对所述净化和气体分离***没有特别地限定，只要能够将源自所述气液分离***的煤气以及源自干燥器3的对煤进行干燥之后的低温合成气进行净化和分离即可。根据本发明的一种具体实施方式，所述净化和气体分离***包括脱硫装置20和气体分离装置21，用于将源自所述干燥***的低温合成气与源自所述气液分离***的煤气一起依次进行净化和分离。其中，所述脱硫装置20可以为现有的各种能够将气体中的硫脱除的装置，而所述气体分离装置21可以为现有的各种能够将气体中的CO和H₂、CH₄、CO₂分离的装置，对两者的结构没有特别限定，在此不作赘述。

本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法包括：

热解和气化步骤：将含煤原料与气化剂进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，再将至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料进行气化反应。

根据本发明，优选地，所述煤热解气化工艺耦合方法还包括：

干燥步骤：将待干燥的煤采用所述气化反应生成的高温合成气作为热源进行干燥，得到作为所述热解反应入料的干燥煤。此时，所述煤热解气化工艺耦合方法不仅能够实现以高温气化灰渣作为煤热解的热载体，同时还能够以高温合成气作为煤干燥的热源，从而更充分地利用了气化余热，更有效地解决了现有的煤炭综合利用率低、煤热解能耗高且气化热能得不到有效利用的问题。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，为了提高热解反应所采用的气化炉的负荷量、增大产能，优选地，该方法还包括在所述热解和气化步骤中额外加入煤，使得该额外加入的煤与所述半焦和渣混合后作为所述含煤原料。

根据本发明的一种优选实施方式，所述干燥步骤采用的所述待干燥的煤为低阶煤，且所述热解和气化步骤采用的所述额外加入的煤为中阶煤和/或高阶煤，此时，低阶煤经干燥、热解能够提高气化活性，将其热解后产生的半焦和渣与中阶煤和/或高阶煤混合后进入气化炉中进行气化反应，能够使得整个工艺适应煤种的能力更强，从而实现低、中、高阶煤的分级利用。其中，优选地，所述低阶煤的粒度为10mm以下，含水量为40重量％以下；所述中阶煤的粒度为10mm以下，含水量为20重量％以下；所述高阶煤的粒度为10mm以下，含水量为20重量％以下。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，所述含煤原料可以为现有的各种含有低阶煤、中阶煤和高阶煤中至少一种的原料。本发明所述的气化反应和热解反应实质上为半循环反应，气化反应的炉渣进入热解反应过程，而热解所得的半焦和渣又循环返回至气化反应。该半循环反应刚启动时，所述含煤原料可以为中阶煤和/或高阶煤，而一旦进入稳定循环之后，所述含煤原料为中阶煤和/或高阶煤以及所述半焦和渣。其中，所述中阶煤和高阶煤的总含量与所述半焦和渣的总含量的重量比优选为0.1-10:1，更优选为0.2-5:1。需要说明的是，在本发明中，当所述含煤原料中含有中阶煤而不含高阶煤时，所述中阶煤和高阶煤的总含量是指中阶煤的含量；当所述含煤原料中含有高阶煤而不含有中阶煤时，所述中阶煤和高阶煤的总含量是指高阶煤的含量；当所述含煤原料中同时含有中阶煤和高阶煤时，所述中阶煤和高阶煤的总含量是指中阶煤的含量和高阶煤的含量之和。此外，所述气化剂通常含有水蒸汽和O₂，其中，所述气化剂中O₂和水蒸气的重量比可以为1-30：1，优选为10-20：1。在进行气化反应过程中，所述气化剂与含煤原料的重量比可以为0.1-1：1，优选为0.5-0.8：1。

本发明对所述气化反应的条件没有特别地限定，例如，所述气化反应的条件通常包括反应温度可以为900-1100℃，反应压力可以为0-10MPa；优选地，所述气化反应的条件包括反应温度为950-1050℃，反应压力为0-4MPa。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，优选地，该方法还包括在将所述灰渣作为热载体使所述干燥煤进行热解反应之前，先从所述灰渣中分离出粒径为100微米以下的细颗粒，并将剩余的粗颗粒作为热载体使所述干燥煤进行热解反应，这样能够在充分利用气化余热的基础上，进一步降低后续除尘压力、简化后续合成气处理设备并降低投资成本。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，优选地，该方法还包括在将待干燥的煤采用高温合成气作为热源进行干燥之前，先将所述高温合成气依次进行冷却和除尘以得到温度降低至200-500℃(优选降低至300-400℃)、压力降低至0-10MPa(优选降低至0-4MPa)以及飞灰的含量降低至20mg/m³以下的中温合成气，再将该中温合成气作为热源对所述待干燥的煤进行干燥，这样能够在充分利用煤气化余热的同时，进一步减轻对干燥处理所得排气的处理负担、降低对干燥器材质的要求并降低下游合成气的除尘压力。更优选地，该方法还包括将所述除尘所得的飞灰与所述灰渣混合后一起进行粗颗粒和细颗粒的分离，以适当降低灰渣温度。其中，所述飞灰与灰渣的重量比优选为1-30:100，更优选为5-20:100。此外，所述飞灰和灰渣混合分离出的粗颗粒的温度优选为600-1000℃，更优选为800-900℃。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，所述干燥煤的含水量优选小于6重量％，更优选小于4重量％；温度优选为100-200℃、更优选为105-150℃。所述干燥步骤中煤与合成气的用量比以将经干燥后所得的干燥煤的含水量和温度优选控制在上述范围内为准，对此本领域技术人员均能知悉，在此不作赘述。

本发明对所述热解反应的条件没有特别地限定，例如，所述热解反应的条件通常包括反应温度可以为450-650℃，反应压力可以为0-1MPa；优选地，所述热解反应的条件包括反应温度为500-600℃，反应压力为0-0.3MPa。此外，在所述热解反应过程中，所述粗颗粒的用量与干燥煤的用量的重量比优选为1:1-15，更优选为1:5-10，具体以将所述干燥煤的温度升至上述热解反应温度为准。

根据本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法，优选地，该方法还包括：

气液分离步骤：将所述热解和气化步骤得到的热解气分离成液态油和煤气；

净化和气体分离步骤：用于将源自所述干燥步骤的低温合成气和源自所述气液分离步骤的煤气一起进行净化和分离，以分别输出CO和H₂组成的净合成气、甲烷气体和CO₂气体。

本发明提供的煤热解气化工艺耦合方法优选在上述煤热解气化工艺耦合装置中进行。

以下结合图1，以一个典型的具体实施方式来说明根据本发明的煤热解气化工艺耦合装置及其相应的煤热解气化工艺耦合方法的工作过程。

所述煤热解气化工艺耦合装置包括热解和气化***、干燥***、气液分离***、净化与气体分离***。所述热解和气化***包括气化炉1、热解器2、高温灰渣分料器4、半焦和渣储仓5、固体输送***6、2号煤仓8、合成气冷却器9和除尘器10，其中，气化炉1上部与固体输送***6的物料出口连接，且连接处设置有气化剂入口，下部与高温灰渣分料器4上部连接，且高温灰渣分料器4下部与热解器2连接；而半焦和灰渣储仓5的物料入口与热解器2的固体产物出口连接，且物料出口与固体输送***6的物料入口连接；2号煤仓8与固体输送***6的物料入口连接；此外，气化炉1设有合成气出口，且该合成气出口与合成气冷却器9的合成气入口连接，而除尘器10与合成气冷却器9的合成气出口连接。所述干燥***包括干燥器3和1号煤仓7，其中，干燥器3的原煤入口和原煤出口分别与1号煤仓7和热解器2的原煤入口连接，而干燥器3的合成气出口与净化与气体分离***连接。所述气液分离***包括煤气除尘器11、煤气激冷器12、油水分离器13、重质焦油储罐14、煤气冷却器15、气液分离器16、轻质焦油储罐17、低压煤气储罐18及气体压缩机19，其中，煤气除尘器11的煤气入口和煤气出口分别与热解器2的热解煤气出口和煤气激冷器12的煤气入口连接，油水分离器13的原料入口和原料出口分别与煤气激冷器12的液体出口和重质焦油储罐14的液体入口连接，煤气冷却器15的原料入口和原料出口分别与煤气激冷器12的煤气出口和气液分离器16的煤气入口连接，气液分离器16下部与轻质焦油储罐17连接，且气液分离器16的煤气出口与低压煤气储罐18的煤气入口连接；而压缩机19的气体入口和气体出口分别与低压煤气储罐18的煤气出口和净化与气体分离***的入口连接。所述净化与气体分离***包括脱硫装置20和气体分离装置21，气体分离装置21属于脱硫***20下一个工段。

气化炉1内气化反应温度为900-1100℃、压力为0-10MPa，产生温度为900-1100℃、压力为0-10MPa的高温合成气，其主要成分为CO(约33vt％)、H₂(约42vt％)、CO₂(约23vt％)、CH₄(约2vt％)，从气化炉1的合成气出口经合成气冷却器9冷却至200-500℃，之后进入除尘器10中除去合成气中的飞灰，降温、除尘后的中温合成气进入干燥器3壳程作为干燥1号煤仓原煤的热源，除尘器10过滤的飞灰则进入高温灰渣分料器4；气化炉1内产生的高温气化灰渣进入高温灰渣分料器4，与来自除尘器10的飞灰按照飞灰与灰渣重量比为1-30:100(优选5-20:100)的比例混合，混合后的高温灰渣温度为600-1000℃，经高温灰渣分料器4分料后，粒度为100微米以下的颗粒经灰渣分料器细颗粒出口排出。粒径为10mm以下的低阶煤从1号煤仓7进入干燥器3管程内，被来自除尘器10出口温度为300-400℃、压力为0-4MPa、飞灰含量为20mg/m³以下的中温合成气间接换热干燥，干燥后的低阶煤含水率小于4重量％，温度被加热至100-200℃，换热后的中温合成气温度被降低至约250℃、压力被降低至0-3.5MPa，之后输入至脱硫装置20。干燥后的100-200℃的干燥低阶煤与来自高温灰渣分料器4的温度为600-1000℃(优选为800-900℃)粗颗粒按1-15:1(优选为5-10:1)的重量比混合后进入热解器2中发生热解反应，反应温度为450-650℃(优选为500-600℃)，反应压力为0-1MPa(优选为0-0.3MPa)；热解后的半焦和渣进入半焦和渣储仓5，接着与来自2号煤仓8的粒度为10mm以下的中高阶煤按照中高阶煤与搅拌和渣的重量比为0.1-10:1(优选为0.2-5:1)的比例混合后经固体输送***6输送至气化炉1中与气化剂发生气化反应。源自热解器2的温度为450-650℃的热解煤气经煤气除尘器11除尘后，进入煤气激冷器12中进行激冷，激冷后的液体进入油水分离器12，分离出的重质焦油送入重质焦油储罐13，激冷后的气体温度降至约85℃，经煤气冷却器15冷却至约30℃后，进入气液分离器16分离出煤气和轻质焦油，获得的轻质焦油送入轻质焦油储罐17，而分离后的煤气的主要成分为CO(约18vt％)、H₂(约28vt％)、CO₂(约28vt％)、CH₄(约26vt％)，送入低压煤气储罐18，再由气体压缩机19增压至0-3.5MPa后与干燥器3合成气出口的合成气混合再一并送入脱硫装置20进行进一步脱硫和净化处理，处理后的混合气送入气体分离装置21分离成CO和H₂组成的净合成气、CH₄气体、CO₂气体，其中，CH₄气体可以作为燃料，CO₂气体可以用于生产碳酸二甲酯或可降解塑料等，而CO和H₂可以作为合成气产品进一步深加工。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

该实施例用于说明本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置及其方法。

该实施例提供的煤热解气化工艺耦合方法在图1所示的煤热解气化工艺耦合装置中进行。所述气化炉1为固定床气化炉，以气化炉压力为0.05MPa、单炉气化炉处理能力1000吨/天(t/d)为例进行说明。1号煤仓7供应的是粒径为10mm以下的低阶煤，2号煤仓供应的是粒径为10mm以下的中高阶煤，两种原料煤的性质见下表1。

表1原料煤性质

在本实施例中，气化和热解工艺操作条件如下：

气化温度：1000℃；

气化压力：0.05MPa；

气化炉处理能力：1000t/d；

热解温度：550℃；

热解压力：常压；

热解器处理能力：300t/d；

高温气化粗颗粒(温度为850℃)与干燥煤混合重量比为1:5；

2号煤仓中高阶煤的用量与半焦及渣的用量的重量比为2.5:1；

经合成气冷却器9和除尘器10依次冷却和除尘之后所得的中温合成气的温度为250℃、压力为0.045MPa，飞灰含量为20mg/m³以下；

在粗颗粒和细颗粒的分离过程中，飞灰和灰渣的重量比为10:100；

经干燥器干燥后的干燥煤的含水量为5重量％，温度为150℃。

采用以上工艺操作条件达到的工艺指标如下：

高温合成气组成：CO:33vt％、H₂:42vt％、CO₂:23vt％、CH₄:2vt％；

气化炉产合成气量：2×10⁶Nm³/d；

热解煤气组成：CO:18vt％、H₂:28vt％、CO₂:28vt％、CH₄:26vt％；

热解煤气产量：4.2×10⁴Nm³/d；

热解焦油产量(包含重质焦油和轻质焦油)：21t/d。

由以上工艺指标可以看出，与仅包括气化工艺而不包括热解工艺的方法相比，采用本发明提供的热解气化工艺耦合装置和方法，在原有气化工艺操作条件不变的情况下，能够额外产生7560Nm³/d的CO、11760Nm³/d的H₂以及10920Nm³/d的CH₄，同时还副产21t/d的重质和轻质焦油。此外，本发明提供的热解气化工艺耦合方法在现有的气化工艺上新增了热解工艺，由于单炉气化炉处理能力为1000t/d，而热解器的处理能力为300t/d，因此，采用本发明提供的方法能够在能耗基本不变的基础上，使整个工艺煤处理量增加30％。综上，采用本发明提供的煤热解气化工艺耦合装置和方法，既可回收高温气化残渣和高温合成气的余热，也可增加合成气产量，且副产大量CH₄，同时对煤种限制降低，可以广泛应用于制备富含CH₄的气体或具有较高热值的燃气。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (21)

1.一种煤热解气化工艺耦合装置，其特征在于，该装置包括：

热解和气化***，所述热解和气化***包括气化炉(1)和热解器(2)；含煤原料与气化剂在所述气化炉(1)中进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤在所述热解器(2)中进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料引入所述气化炉(1)中与所述气化剂进行气化反应。

2.根据权利要求1所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述热解和气化***还包括高温灰渣分料器(4)，用于将所述气化炉(1)生成的灰渣在引入所述热解器(2)之前先分离出粒径为100微米以下的细颗粒，并将剩余的粗颗粒作为热载体引入所述热解器(2)中使所述干燥煤进行热解反应；优选地，所述高温灰渣分料器(4)内的温度为600-1000℃、优选为800-900℃，压力为0-1MPa、优选为0-0.3MPa。

3.根据权利要求1或2所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述热解和气化***还包括固体输送***(6)和2号煤仓(8)，由所述2号煤仓(8)供应的煤与所述半焦和渣混合后作为所述含煤原料通过所述固体输送***(6)引入所述气化炉(1)中与所述气化剂进行气化反应，所述2号煤仓(8)供应的煤为中阶煤和/或高阶煤，在所述含煤原料中，所述中阶煤和高阶煤的总含量与所述半焦和渣的总含量的重量比为0.1-10:1，优选为0.2-5:1。

4.根据权利要求1或2所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述气化炉(1)为固定床气化炉、流化床气化炉或输运床气化炉；

优选地，所述气化炉(1)为干法排渣；

优选地，所述气化炉(1)内的温度为900-1100℃、优选为950-1050℃，压力为0-10MPa、优选为0-4MPa；

优选地，所述热解器(2)内的温度为450-650℃、优选为500-600℃，压力为0-1MPa、优选为0-0.3MPa。

5.根据权利要求1或2所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述煤热解气化工艺耦合装置还包括：

干燥***，所述干燥***包括1号煤仓(7)和干燥器(3)，由所述1号煤仓(7)供应的煤在所述干燥器(3)中被源自所述气化炉(1)的高温合成气作为热源进行干燥得到低温合成气和干燥煤。

6.根据权利要求5所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述热解和气化***还包括合成气冷却器(9)和除尘器(10)，用于将待引入所述干燥器(3)的所述高温合成气依次进行冷却和除尘，并将得到的中温合成气作为热源引入所述干燥器中；

优选地，所述除尘器(10)的灰层出口连接至所述高温灰渣分料器(4)，用于将源自所述除尘器(10)的飞灰引入所述高温灰渣分料器(4)中与所述灰渣一起进行粗细颗粒的分离。

7.根据权利要求5所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述干燥器(3)为间接换热设备，且管程为由所述1号煤仓(7)供应的煤，壳程为合成气。

8.根据权利要求5所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述煤热解气化工艺耦合装置还包括：

气液分离***，用于将源自所述热解器(2)的热解气分离成液态油和煤气；

净化和气体分离***，用于将源自所述干燥***的低温合成气与源自所述气液分离***的煤气一起进行净化和分离，以分别输出CO和H₂组成的净合成气、甲烷气体和CO₂气体。

9.根据权利要求8所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述气液分离***包括煤气除尘器(11)、煤气激冷器(12)、油水分离器(13)、重质焦油储罐(14)、煤气冷却器(15)、气液分离器(16)、轻质焦油储罐(17)、低压煤气储罐(18)和气体压缩机(19)；源自所述热解器(2)的热解气经所述煤气除尘器(11)除尘后在所述煤气激冷器(12)中进行激冷，激冷得到的重质焦油经所述油水分离器(13)油水分离后所得的油相储存在所述重质焦油储罐(14)中，激冷得到的气体经所述煤气冷却器(15)冷却后送入所述气液分离器(16)中气液分离成轻质焦油和煤气，所述轻质焦油储存在所述轻质焦油储罐(17)中，所述煤气进入所述低压煤气储罐(18)中并经所述气体压缩机(19)增压后送入所述净化和气体分离***中进行净化和分离。

10.根据权利要求8所述的煤热解气化工艺耦合装置，其中，所述净化和气体分离***包括脱硫装置(20)和气体分离装置(21)，用于将源自所述干燥***的低温合成气与源自所述气液分离***的煤气一起依次进行净化和分离。

11.一种煤热解气化工艺耦合方法，其特征在于，该方法包括：

热解和气化步骤：将含煤原料与气化剂进行气化反应以生成高温合成气和灰渣，再将至少部分所述灰渣作为热载体使干燥煤进行热解反应得到半焦和渣以及热解气，全部所述半焦和渣作为所述含煤原料进行气化反应。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括在将所述灰渣作为热载体使所述干燥煤进行热解反应之前，先从所述灰渣中分离出粒径为100微米以下的细颗粒，并将剩余的粗颗粒作为热载体使所述干燥煤进行热解反应。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，该方法还包括：

干燥步骤：将待干燥的煤采用所述气化反应生成的高温合成气作为热源进行干燥，得到作为所述热解反应入料的干燥煤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括在将待干燥的煤采用高温合成气作为热源进行干燥之前，先将所述高温合成气依次进行冷却和除尘以得到温度为200-500℃、压力为0-10MPa、飞灰的含量为20mg/m³以下的中温合成气，并将所述中温合成气作为热源对所述待干燥的煤进行干燥；

优选地，该方法还包括将所述除尘所得的飞灰与所述灰渣混合后一起进行粗颗粒和细颗粒的分离；

优选地，所述飞灰与灰渣的重量比为1-30:100，优选为5-20:100；

优选地，所述粗颗粒的温度为600-1000℃，优选为800-900℃；

优选地，在所述热解反应过程中，所述粗颗粒的用量与干燥煤的用量的重量比为1:1-15，优选为1:5-10。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括在所述热解和气化步骤中额外加入煤，使得该额外加入的煤与所述半焦和渣混合后作为所述含煤原料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述干燥步骤采用的所述待干燥的煤为低阶煤，且所述热解和气化步骤采用的所述额外加入的煤为中阶煤和/或高阶煤；所述低阶煤的粒度为10mm以下，含水量为40重量％以下；所述中阶煤的粒度为10mm以下，含水量为20重量％以下；所述高阶煤的粒度为10mm以下，含水量为20重量％以下。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述含煤原料中，所述中阶煤和高阶煤的总含量与所述半焦和渣的总含量的重量比为0.1-10:1，优选为0.2-5:1。

18.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述气化反应的条件包括反应温度为900-1100℃，反应压力为0-10MPa；优选地，所述气化反应的条件包括反应温度为950-1050℃，反应压力为0-4MPa。

19.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述热解反应的条件包括反应温度为450-650℃，反应压力为0-1MPa；优选地，所述热解反应的条件包括反应温度为500-600℃，反应压力为0-0.3MPa。

20.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述干燥煤的含水量小于6重量％，温度为100-200℃、优选为105-150℃。

21.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法还包括：

气液分离步骤：将所述热解和气化步骤得到的热解气分离成液态油和煤气；

净化和气体分离步骤：用于将源自所述干燥步骤的低温合成气和源自所述气液分离步骤的煤气一起进行净化和分离，以分别输出CO和H₂组成的净合成气、甲烷气体和CO₂气体。