CN115518485A - 一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，包括空分设备、热解产物分离相关的设备、碳捕集相关的设备、富氧燃烧锅炉以及锅炉内部的加热器等。空分设备分别为煤炭地下直接热解和富氧燃烧提供氮气和氧气，富氧燃烧锅炉可以加热氮气，为地下煤层的热解提供热源，也可以加热热解产物，从而通过气固分离而非液固分离方法除去其中的固体颗粒，降低产物分离难度；分离得到的热解气可以用于还原富氧燃烧时产生的氮氧化物。本发明利用富氧燃烧产生的热量高效地分离出煤炭地下直接热解产物中的焦油，并通过煤炭地下直接热解产物分离与富氧燃烧的耦合，提高***的经济效益，并减少富氧燃烧过程中的氮氧化物排放。

Description

一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***
技术领域
本发明属于煤炭高效利用、产物分离以及碳捕集领域，特别涉及一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***。
背景技术
煤炭地下直接热解制油技术，也称煤炭地下原位热解制油技术，是一种新型煤制油技术，该技术不需要将地下的煤炭开采到地面，而是将热量导入地下，使地下煤层发生热解反应，热解的产物运送到地面进行分离，最终获得煤焦油。与传统地上煤炭热解制油技术相比，煤炭地下直接热解制油技术可以有效避免采煤过程中常见的煤炭资源浪费以及生态环境破坏等问题，对环境较为友好。在煤炭地下直接热解工艺中，利用高温氮气加热地下煤层并将热解产物携带到地面是一种具有广阔应用前景的加热方式，但空分设备制氮过程耗能较大，仅用于煤炭地下直接热解工艺时经济效益有限。此外，从地下抽取的热解产物是包含气液固三相在内的复杂混合物，而煤焦油常温下是一种粘稠的液体，煤焦油与固体颗粒的分离较为困难，如果将煤焦油加热，使其以气态的形式存在，则除去固体颗粒时相对简单，但加热时需要消耗较多的热能，而且需要增加加热设备。
富氧燃烧是实现碳捕集的有效途径之一。在富氧燃烧过程中，纯氧和再循环烟气混合后送入炉膛作为助燃气体，可以使锅炉尾部烟气中的二氧化碳达到较高的浓度，便于二氧化碳的捕集和储存，但空分设备制氧时耗能较高，经济效益有限，这是阻碍富氧燃烧推广的重要原因，而且富氧燃烧也会生成氮氧化物，造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，通过将煤炭地下直接热解产物分离和富氧燃烧耦合，解决煤炭地下直接热解产物分离过程中分离难度大、能耗高以及富氧燃烧技术存在的经济效益低、有一定的氮氧化物排放等问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，包括热解产物加热器、高温气固分离设备、空分设备、气液分离设备、油水分离设备、气体分离设备、氮气储存设备、氮气加热器、氮气泵、给风机、空预器以及富氧燃烧锅炉本体；
所述热解产物加热器、氮气加热器和空预器设置在富氧燃烧锅炉本体内部，富氧燃烧锅炉本体的炉膛自上而下分为燃尽区、再燃区和主燃区；
从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器加热，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物；高温气固混合物经高温气固分离设备除去其中的固体颗粒，净化后的高温气体在空分设备内由分离出的低温氮气和低温氧气冷却，使其中的气态焦油冷凝为液态；液态焦油被气体携带送入气液分离设备进行气液分离，分离得到的粗焦油经油水分离设备除去其中的水分；从气液分离设备得到的气体送入气体分离设备，将气体中的氮气和热解气分离，分离得到的热解气送入富氧燃烧锅炉本体的再燃区，分离得到的氮气与氮气储存设备中的氮气混合，经氮气加热器加热后，由氮气泵注入到地下，为地下煤层的热解提供热源；
由空分设备将空气中的氮气和氧气分离，氮气由氮气储存设备储存，作为地下煤层加热介质的来源之一；氧气与从烟气处理设备得到的烟气混合，由给风机送至空预器加热，加热后送去主燃区和燃尽区。
本发明进一步的改进在于，还包括焦油储存设备，脱水后的焦油由焦油储存设备储存。
本发明进一步的改进在于，还包括烟气处理设备以及碳捕集和储存设备，富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备处理，处理后的烟气一部分与氧气混合后送回锅炉，另一部分送去碳捕集和储存设备。
本发明进一步的改进在于，富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备处理后，其中一部分与从空分设备得到的氧气混合，成为助燃气体，氧浓度通过改变烟气和氧气的比例而调整，以满足不同条件下富氧燃烧的需求，助燃气体由给风机送回锅炉，另一部分烟气送去碳捕集和储存设备进行二氧化碳的捕集和储存。
本发明进一步的改进在于，所述热解气，是指煤热解时生成的包括甲烷、氢气和一氧化碳和二氧化碳的气体。
本发明进一步的改进在于，从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器由富氧燃炭锅炉本体内部的高温烟气加热至500-600℃，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物，然后由高温气固分离设备除去其中的固体颗粒，从而避免了难度较大的液固分离工序。
本发明进一步的改进在于，利用由空分设备分离出的低温氮气和低温氧气所具有的冷能，将从高温气固分离设备得到的高温气体冷却，使高温气体中的气态焦油冷凝为液态，同时氮气和氧气被加热，从而减小***的能耗。
本发明进一步的改进在于，由气体分离设备回收气体中的氮气，并根据煤炭地下直接热解工艺的需要，由氮气储存设备补充氮气，二者混合后经氮气加热器由富氧燃炭锅炉本体内部的高温烟气加热至600-700℃，为地下煤层的热解提供热源。
本发明进一步的改进在于，从气体分离设备得到的热解气送入富氧燃炭锅炉本体内部的再燃区燃烧，实现热解气的无害化、资源化处理，同时热解气中的还原性气体用于还原氮氧化物，从而减少氮氧化物的排放。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明利用富氧燃烧提供的热量，可以高效地分离出煤炭地下直接热解产物中的焦油。从抽采井获得的热解产物是包括气液固三相在内的复杂混合物，本发明利用富氧燃烧锅炉内部的高温烟气将热解产物中的焦油加热为气态，使气液固三相混合物变为高温气固混合物，然后由高温气固分离设备除去其中的固体颗粒，从而避免了难度较大的液固分离工序，可以高效地分离出煤炭地下直接热解产物中的焦油，而且不需要增加额外的加热设备。
2、本发明中的空分设备分别为煤炭地下直接热解和富氧燃烧提供氮气和氧气，从而提高了空分设备的利用效率，改善了由于空分设备能耗高所导致的***经济效益较低的情况；本发明还利用空分设备中分离得到的低温氮气和低温氧气所具有的冷能，使高温气体中的气态焦油冷凝为液态，同时氮气和氧气被加热，从而减小了***的能耗。
3、本发明可以回收用于加热地下煤层的氮气，这部分氮气可以循环利用，从而减少氮气的浪费；氮气储存设备可以补充一定量的氮气，补充的数量可以灵活调整，以满足不同的生产需求；氮气由富氧燃烧锅炉内部的高温烟气加热，不需要增加额外的加热设备。
4、本发明可以实现热解气的无害化、资源化处理，而且可以减少氮氧化物的排放。煤热解时产生的气体通过气体分离设备与氮气分离后，送入富氧燃炭锅炉本体内部的再燃区燃烧，实现热解气的无害化、资源化处理；同时热解气中的还原性气体可以用于还原氮氧化物，从而减少氮氧化物的排放。
5、本发明可以实现二氧化碳的捕集和储存。一部分处理后的烟气与氧气混合，作为助燃气体送回锅炉，助燃气体的氧浓度可以通过改变烟气和氧气的比例而灵活调整，以满足不同条件下富氧燃烧的需求；另一部分烟气送去碳捕集和储存设备进行二氧化碳的捕集和储存，富氧燃烧产生的烟气中二氧化碳的浓度较高，进行二氧化碳的捕集和储存时难度较小，成本也较低。
附图说明
图1是一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***的示意图。
附图标记说明：
1为热解产物加热器，2为高温气固分离设备，3为空分设备，4为气液分离设备，5为油水分离设备，6为焦油储存设备，7为气体分离设备，8为氮气储存设备，9为氮气加热器，10为氮气泵，11为给风机，12为空预器，13为烟气处理设备，14为碳捕集和储存设备，15为富氧燃烧锅炉本体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明所提出的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，包括热解产物加热器1、高温气固分离设备2、空分设备3、气液分离设备4、油水分离设备5、焦油储存设备6、气体分离设备7、氮气储存设备8、氮气加热器9、氮气泵10、给风机11、空预器12、烟气处理设备13、碳捕集和储存设备14以及富氧燃烧锅炉本体15。
从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器1，由富氧燃烧锅炉内部的高温烟气将热解产物中加热至500-600℃，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物，然后由高温气固分离设备2除去其中的固体颗粒，从而避免了难度较大的液固分离工序，提高了产物分离的效率，而且不需要增加额外的加热设备。
空分设备3基于低温空气分离技术，首先通过降温等方法将空气液化，然后利用氮气和氧气沸点的不同将二者分离。净化后的高温气体送入空分设备3冷却，利用空分设备3中分离得到的低温氮气和低温氧气所具有的冷能，使高温气体中的气态焦油冷凝为液态，同时氮气和氧气被加热，从而减小了***的能耗；液态焦油被气体携带送入气液分离设备4进行气液分离，分离得到的粗焦油经油水分离设备5除去其中的水分，脱水后的焦油由焦油储存设备6储存。
从气液分离设备4得到的气体送入气体分离设备7，将气体中的氮气和热解气分离，热解气送入富氧燃炭锅炉本体15内部的再燃区燃烧，实现热解气的无害化、资源化处理，同时热解气中的还原性气体可以用于还原氮氧化物，从而减少氮氧化物的排放，所述热解气是指煤热解时生成的包括甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等成分的气体；分离出的氮气可以循环利用，减少氮气的浪费，这部分回收的氮气与氮气储存设备8提供的部分氮气混合后经氮气加热器9，由富氧燃烧锅炉内部的高温烟气加热至600-700℃，然后由氮气泵10注入到地下，为地下煤层的热解提供热源，由氮气储存设备8补充的氮气数量可以灵活调整，以满足不同的生产需求。
空分设备3分别为煤炭地下直接热解和富氧燃烧提供氮气和氧气，从而提高了空分设备的利用效率，改善了由于空分设备能耗高所导致的***经济效益较低的情况；由空分设备3得到的氮气送去氮气储存设备8储存，其中一部分用于加热地下煤层；由空分设备3得到的氧气与烟气处理设备13处理后的烟气混合，组成具有一定氧浓度的助燃气体，由给风机11送至空预器12加热，加热后送去富氧燃炭锅炉本体15内部的主燃区和燃尽区，助燃气体的氧浓度可以通过改变烟气和氧气的比例而灵活调整，以满足不同条件下富氧燃烧的需求；富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备13处理后，一部分烟气与氧气混合作为助燃气体送回锅炉，另一部分送去碳捕集和储存设备14进行二氧化碳的捕集和储存，富氧燃烧产生的烟气中二氧化碳的浓度较高，进行二氧化碳的捕集和储存时难度较小，成本也较低。
本发明的具体工作过程是：从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器1，由富氧燃烧锅炉内部的高温烟气将热解产物中加热至500-600℃，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物，然后由高温气固分离设备2除去其中的固体颗粒；净化后的高温气体送入空分设备3冷却，利用空分设备3中分离得到的低温氮气和低温氧气所具有的冷能，使高温气体中的气态焦油冷凝为液态，同时氮气和氧气被加热；液态焦油被气体携带送入气液分离设备4进行气液分离，分离得到的粗焦油经油水分离设备5除去其中的水分，脱水后的焦油由焦油储存设备6储存；从气液分离设备4得到的气体送入气体分离设备7，将气体中的氮气和热解气分离，热解气送入富氧燃炭锅炉本体15内部的再燃区，回收的氮气与氮气储存设备8提供的部分氮气混合后经氮气加热器9，由富氧燃烧锅炉内部的高温烟气加热至600-700℃，由氮气泵10注入到地下，为地下煤层的热解提供热源，由氮气储存设备8补充的氮气数量可以灵活调整；空分设备3分别为煤炭地下直接热解和富氧燃烧提供氮气和氧气，氮气送去氮气储存设备8储存，其中一部分用于加热地下煤层，氧气与烟气处理设备13处理后的烟气混合，组成具有一定氧浓度的助燃气体，由给风机11送至空预器12加热，加热后送去富氧燃炭锅炉本体15内部的主燃区和燃尽区，助燃气体的氧浓度可以通过改变烟气和氧气的比例而灵活调整；富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备13处理后，一部分烟气与氧气混合作为助燃气体送回锅炉，另一部分送去碳捕集和储存设备14进行二氧化碳的捕集和储存。
以上内容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，本技术领域的普通技术人员对于本发明的技术方案做出的若干简单推演或者替换，只要不脱离本发明的构思，均应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，包括热解产物加热器(1)、高温气固分离设备(2)、空分设备(3)、气液分离设备(4)、油水分离设备(5)、气体分离设备(7)、氮气储存设备(8)、氮气加热器(9)、氮气泵(10)、给风机(11)、空预器(12)以及富氧燃烧锅炉本体(15)；
所述热解产物加热器(1)、氮气加热器(9)和空预器(12)设置在富氧燃烧锅炉本体(15)内部，富氧燃烧锅炉本体(15)的炉膛自上而下分为燃尽区、再燃区和主燃区；
从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器(1)加热，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物；高温气固混合物经高温气固分离设备(2)除去其中的固体颗粒，净化后的高温气体在空分设备(3)内由分离出的低温氮气和低温氧气冷却，使其中的气态焦油冷凝为液态；液态焦油被气体携带送入气液分离设备(4)进行气液分离，分离得到的粗焦油经油水分离设备(5)除去其中的水分；从气液分离设备(4)得到的气体送入气体分离设备(7)，将气体中的氮气和热解气分离，分离得到的热解气送入富氧燃烧锅炉本体(15)的再燃区，分离得到的氮气与氮气储存设备(8)中的氮气混合，经氮气加热器(9)加热后，由氮气泵(10)注入到地下，为地下煤层的热解提供热源；
由空分设备(3)将空气中的氮气和氧气分离，氮气由氮气储存设备(8)储存，作为地下煤层加热介质的来源之一；氧气与从烟气处理设备(13)得到的烟气混合，由给风机(11)送至空预器(12)加热，加热后送去主燃区和燃尽区。
2.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，还包括焦油储存设备(6)，脱水后的焦油由焦油储存设备(6)储存。
3.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，还包括烟气处理设备(13)以及碳捕集和储存设备(14)，富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备(13)处理，处理后的烟气一部分与氧气混合后送回锅炉，另一部分送去碳捕集和储存设备(14)。
4.根据权利要求3所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，富氧燃烧产生的烟气由烟气处理设备(13)处理后，其中一部分与从空分设备(3)得到的氧气混合，成为助燃气体，氧浓度通过改变烟气和氧气的比例而调整，以满足不同条件下富氧燃烧的需求，助燃气体由给风机(11)送回锅炉，另一部分烟气送去碳捕集和储存设备(14)进行二氧化碳的捕集和储存。
5.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，所述热解气，是指煤热解时生成的包括甲烷、氢气和一氧化碳和二氧化碳的气体。
6.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，从抽采井获得的气液固混合物经热解产物加热器(1)由富氧燃炭锅炉本体(15)内部的高温烟气加热至500-600℃，使其中的液态焦油蒸发，此时气液固混合物变为高温气固混合物，然后由高温气固分离设备(2)除去其中的固体颗粒，从而避免了难度较大的液固分离工序。
7.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，利用由空分设备(3)分离出的低温氮气和低温氧气所具有的冷能，将从高温气固分离设备(2)得到的高温气体冷却，使高温气体中的气态焦油冷凝为液态，同时氮气和氧气被加热，从而减小***的能耗。
8.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，由气体分离设备(7)回收气体中的氮气，并根据煤炭地下直接热解工艺的需要，由氮气储存设备(8)补充氮气，二者混合后经氮气加热器(9)由富氧燃炭锅炉本体(15)内部的高温烟气加热至600-700℃，为地下煤层的热解提供热源。
9.根据权利要求1所述的一种耦合富氧燃烧的煤炭地下直接热解产物分离***，其特征在于，从气体分离设备(7)得到的热解气送入富氧燃炭锅炉本体(15)内部的再燃区燃烧，实现热解气的无害化、资源化处理，同时热解气中的还原性气体用于还原氮氧化物，从而减少氮氧化物的排放。
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