CN203144366U - 低阶煤提质设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低阶煤提质设备，其包括热风炉、干燥器、裂解器、旋风分离器、裹覆反应器和熄焦钝化器。根据本实用新型，能够同步实现热解半焦钝化与煤焦油轻质化，并且生产的低阶煤半焦燃烧特性优于普通提质过程所产半焦，着火点低、热值高、燃烧稳定性好，另外，强度大，长途运输不自燃。并且产品液体油中沥青质含量极低，附加值大，产品价格高，后续深加工方便、经济。

Description

低阶煤提质设备

技术领域

本实用新型涉及一种新型低阶煤提质设备，特别涉及褐煤热解半焦钝化与煤焦油轻质化耦合的低阶煤提质设备。 

背景技术

我国褐煤储量丰富，2010年褐煤产量超过3亿吨，占全国煤炭产量的10％。褐煤的高效加工利用已成为我国煤炭能源领域高度关注的问题。 

由于褐煤成煤期短，其水量、氧含量和挥发份高，全水分高达20-60%。一方面导致热值低，不适于直接燃烧；另一方面造成化学反应性过高，在空气中极易风化和破碎，不适于远距离运输和长期储存。因此，褐煤提质是褐煤利用的关键环节。为了满足不同用途对煤炭品质的要求，褐煤提质加工技术分为脱水提质、成型提质和热解提质，其中热解提质可以同时获取半焦、煤焦油和煤气三种初级产品，被认为是褐煤综合利用的有效方法。 

褐煤热解提质研究已有近30年的历史。褐煤提质工艺技术根据加热方式可分为外热式、内热式及内热外热混合式；根据加热介质的不同有固体热载体法和气体热载体法两种；根据固体物料在反应器内的运行状况可分为旋转床、固定床、流化床、气流床、及滚动床（回转炉/窑）技术等。 

国外褐煤热解提质成套工艺技术的典型代表主要有美国油页岩公司（The Oil Shale Corporation）开发的Toscoal回转炉热解工艺；美国壳牌采矿（Shell Mining Company）公司和美国SGI公司合作开发的LFC（Liquid From Coal）工艺；西部能源公司开发的ACCP（Advanced Coal Conversion Process）热解工艺；澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO）开发的流化床快速热解工艺；德国Lurgi GmbH和美国Ruhrgas AG联合开发的Lurgi-Ruhrgas（L-R）固体热载体低温热解工艺；及德国Lurgi GmbH开发的Lurgi-Spuelgas（L-S）工艺等。国内研究煤炭热解技术的单位众多，比较典型的适用于褐煤热解提质的技术有中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的多段回转炉 （MRF）热解工艺；大连理工大学郭树才等人研究开发的褐煤固体热载体法干馏（DG）工艺；神华煤制油化工研究院正在开发的低阶煤热解工艺；中科院山西煤化所和中科院过程工程研究所的“煤拔头工艺”（BT工艺）等。 

褐煤热解提质工艺的技术优劣取决于煤气、煤焦油和半焦的品质，上述各种工艺旨在提升半焦品质的同时获得煤焦油或煤气。从热解温度角度对比上述各工艺可以看出：除ACCP技术外，其它技术的热解温度均超过500℃，所得半焦产品简单钝化处理后不易自燃，吸湿性也得到显著改善。从加热的速度上来比较，CSIRO采用的流化床技术既有气固传热也有固固传热，热解速度快，液体产量要显著高于其它提质技术，但品质和可加工性较差。 

原Encoal工艺采用喷水激冷熄焦，一方面造成用水量大、另一方面造成半焦激冷崩裂而粉化。国内唯一投产的规模化褐煤提质项目是大唐锡林浩特的LFC褐煤提质工艺，属于中低温干馏褐煤提质工艺，处理能力30万吨/年。但该项目生产的提质褐煤碎渣比例大、远距离运输困难，产品主要供周边地区工业锅炉使用。 

总体来看，目前国内外的褐煤提质技术大部分处于试验研究和工业验证阶段，尚无大规模工程化应用的先例和经验。大部分技术存在工艺***复杂、***运行可靠性低、褐煤提质成本高、环境污染重等问题。其主要原因包括： 

1）由于煤固体物料的特有属性，在实际工程化中，煤粉（尘）的形成和控制是实验室甚至半工业试验台规模无法验证的； 

2）褐煤热解温度低，各种热交换或反应均为相对低温的过程，由此导致传热温差小，低品位热量的利用困难，过程效率低； 

3）对褐煤半焦钝化的机理、工艺操作条件及工程化放大的研究尚无开展，使整套工艺在成熟度和商业推广上受限。 

实用新型内容

为了克服上述缺点，在本申请中，借鉴重质油加工中两级分化（延迟焦化）的理念和炼钢焦炭强度提升的思路，提出热解煤焦油钝化半焦和半焦原位缓慢冷却的低阶煤提质设备，不仅提高了半焦强度、降低半焦表观化学，而且热解煤焦油原位轻质化，达到半焦钝化和煤焦油轻质化的双重目的，一举两得。 

本实用新型还提供一种低阶煤提质设备，其包括热风炉、干燥器、裂解器、旋风分离器、裹覆反应器和熄焦钝化器，其中，热风炉，对上述干燥器与上述裂解器提供不同温度的气体热载体；干燥器，接收作为原料煤的低阶煤，与上述热风炉管道连接，通过上述热风炉提供的第一气体热载体将低阶煤层加热，进行干燥，得到干燥后的低阶煤并产生副产气体，并将上述副产气体通向上述裹覆反应器与上述熄焦钝化器；裂解器，设置于上述干燥器的下方，上述干燥后的低阶煤在重力作用下进入上述裂解器，通过上述热风炉提供的第二气体热载体使经干燥后的煤层进行热解反应，得到含尘气体与热半焦，上述含尘气体进入上述旋风分离器后分离得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为上述热风炉中的上述第一气体热载体或者第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气；裹覆反应器，设置于上述裂解器的下方，上述热半焦在重力作用下进入上述裹覆反应器后，利用管道将上述气体冷载体和上述裂解气输入到上述裹覆反应器，由气体冷载体逐步冷却上述热半焦与上述裂解气，上述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，上述热半焦被上述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和熄焦钝化器，使得进一步冷却后的上述热半焦与温度调节后的上述副产气体直接接触，重新吸附水分，达到自然饱和水状态。 

在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述干燥器相连接的气体处理***，上述副产气体在经过上述气体处理***处理后通向上述裹覆反应器与上述熄焦钝化器。 

在上述低阶煤提质设备中，优选还包括连接在上述旋风分离器和上述裹覆反应器之间的换热器，上述气相物质的上述另一部分经过上述换热器的初步冷却后成为裂解气。 

在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述裹覆反应器相连的电捕集器，上述混合气体经上述电捕集器分离出液体油。 

在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述裹覆反应器相连的空气分离***，从空气中分离出作为上述气体冷载体的氮气。 

在上述低阶煤提质设备中，优选上述裹覆反应器分为前段与后段，上述气体冷载体和上述裂解气通入上述前段，上述副产气体通入上述后段。 

根据本实用新型，能够同步实现热解半焦钝化与煤焦油轻质化，并且生产的低阶煤半焦燃烧特性优于普通提质过程所产半焦，着火点低、热值高、燃烧稳定性好，另外，强度大，长途运输不自燃。并且产品液体油中沥青质含量极低，附加值大，产品价格高，后续深加工方便、经济。 

附图说明

图1为本实用新型的低阶煤提质设备示意图。 

符号说明 

11：干燥器 

12：热风炉 

13：裂解器 

14：旋风分离器 

15：裹覆反应器 

16：电捕集器 

17：熄焦钝化器 

21：气体处理*** 

22：空气分离*** 

23：换热器 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。在本实施方式中，以褐煤为例，揭示低阶煤提质方法及其设备。 

如图1所示，作为原料的褐煤经加料管道进入干燥器11，同时，热风炉12将气体热载体供向干燥器11，气体热载体对干燥器11中的褐煤进行加热。其中，热风炉12以氧气及作为补充燃料的燃料油、天然气或液化气等为原料，氧气与补充燃料反应，生成以CO₂和气态H₂O为主要组分的气体热载体，例如CO₂的体积百分比约为50%，气态H₂O的体积百分比约为50%，并且在反应中释放热量，得到具有适宜温度的气体热载体。在本实施方式中，气体热载体进入干燥器11之前的温度（也称为“入口温度”）控制在140～240℃（比如160℃、180℃、200℃、220℃），从而通过该温度的气体热载体将干 燥器11中的煤层的温度控制在140℃以下。 

表1 

煤层温度	低于80℃80℃～140℃	超过140℃
			煤层干燥后的水分重量含量	25%～35%5%～10%	水量极少
有无热解反应	无无	热解反应加剧，析出CO、CH4等

如上表所示，将煤层温度控制在140℃以下，能够保证最大程度脱除煤中的水分，并且没有热解反应出现。这是由于当褐煤温度低于80℃时，脱除的水分主要是自由水和与煤形成弱氢键的水，可以将低阶煤的原始水分至少脱除至重量百分含量25%～35%（比如28%、30%、32%、34%）；而当褐煤的温度在80℃～140℃的范围时，脱除的水分主要是与煤表面形成强氢键的水，此时最低可将水分脱除至重量百分含量5%～10%；而当褐煤的温度超过140℃时，脱除的水分则是剩余难以脱除的部分内在水和热解产生的水分，并且在此温度下会加剧热解的发生，从而从褐煤中开始析出少量CO、CH₄等，有时会有达到200ppm上下的CO、CH₄析出。 

为了防止褐煤在干燥过程中自燃着火，要求气体热载体中的氧含量的体积百分比为8%以下，比如小于等于体积百分比6%，优选气体热载体的氧含量的体积百分比为1～5%，进一步优选小于2～3%，更优选在1%左右。从而保证了褐煤在干燥过程中的安全。 

干燥器11中的煤层均匀平铺，进入干燥器的气体热载体为140～240℃，而干燥器中的煤层在被加热前基本为室温，所以当气体热载体由下而上穿过煤层时，两者之间进行热交换，直至将煤层加热至140℃以下。至此，褐煤中的大部分水分已被脱除，此时，褐煤的水分重量含量处在5%～15%的水平（比如8%、11%、14%），优选可达到6%～10%。并且，在此过程中，不会引发褐煤的热解反应，这主要是由于低阶煤一般在350～600℃发生低温热解，在600～800℃发生中温热解，在800～900℃发生高温热解，而在本实施方式中，将煤层温度控制在140℃以下，没有达到发生热解反应的温度。在本干燥处理中，仅会有少量的CO产生，主要进行的还是脱除水分的处理，产生大量的气态H₂O。 

在上述干燥过程中，产生的副产气体主要是气态H₂O及少量CO等贫氧气体。随后，副产气体进入气体处理***21，并在气体处理***中进行除尘、 脱硫等处理。此处的除尘脱硫处理只需按照通常技术进行即可，例如可采用旋风一级除尘、后续配置电除尘或布袋除尘。 

干燥器中的煤层被均匀加热至预先设定的加热温度例如140℃后，干燥过程结束。随后，干燥器与裂解器13之间的落煤管中的阀板得到开启，干燥器中经过干燥的褐煤在重力作用下进入裂解器13。并且，为了保证裂解器内的高温气体热载体能够与煤层充分均匀接触，需要将干燥后的褐煤均匀地平铺于裂解器13的圆盘上，并根据裂解器的内部构造，将煤层适当地控制在200～600毫米厚度的范围内。 

褐煤达到裂解器后，热风炉12将高温气体热载体供到裂解器13中，使得高温的气体热载体能够直接接触圆盘上的褐煤煤层，从而进行热解反应。 

热风炉12输送到裂解器13中的气体热载体为高温气体热载体，与输送到干燥器中的气体热载体的组分相同，也是热风炉中的氧气与补充燃料氧化燃烧后生成以CO₂和气态H₂O为主要组分的贫氧气体。但是，该高温气体热载体的温度不同于输送到干燥器11中的气体热载体。此处的高温气体热载体的温度需控制在380～680℃，从而使得煤层温度达到350～650℃，进而发生中低温热解反应。该过程中，虽然伴随一定的水分产生，从而对褐煤进行了彻底的干燥，但此处在产生水分的同时进行着中低温热解反应，所以产生的水分属于热解水，已与干燥器中的干燥脱水过程不同。 

并且，当煤层温度达到350～650℃时，该高温气体热载体的氧含量要求在体积百分比2～3%以下，优选控制在0.5～2%，尤其优选将氧含量控制在低于0.5%。由此，能够保证极易自燃着火的高温干燥褐煤，即使在该热解氛围下，也不会发生自燃和爆燃等危险情况。 

在热解反应过程中，为了更彻底地脱除水分并进行充分的热解反应，需要将褐煤的加热速率控制在5～100℃/s，将褐煤在裂解器13中的停留时间控制在15-30min（比如18min、21min、24min、27min），将高温气体热载体在裂解器中的停留时间控制在2-12min（比如4min、6min、8min、10min）。 

其中，通过控制进煤量、煤层厚度、落煤量等因素能够得到所需的褐煤（固相）的停留时间；通过控制进气量、反应器空隙率、出口压力等因素能够得到所需的高温气体热载体（气相）的停留时间。并且，通过控制气相停留时间与固相停留时间，能够相应的得到所需的热解加热速率，从而得到目 标产物，特别是裂解气的产量和组成。 

下面，表2表示一种褐煤在不同热解情况下的热解产物及其产量的重量百分比。 

表2 

表3表示表2中煤气的组分的体积百分比含量。 

表3 

裂解器13连接着两个旋风分离器14，在该裂解器13中进行热解的过程中，产生大量含尘气体。含尘气体分别进入两个旋风分离器14。两个旋风分离器14都将含尘气体中的固相与气相分离，并将固相回收后得到粉煤。其中一个旋风分离器14将分离出的气相经由管道送入热风炉12燃烧，为干燥器11与裂解器13供热。该分离出的气相包含有CO、CH₄和少量的H₂、C₂H₂等气体，这些可燃气体氧化燃烧后得到主要组分为CO₂和气态H₂O等的贫氧气体，同时释放热量对气体热载体进行加热，从而得到适宜温度的气体热载体。 

另一个旋风分离器14将分离出的气相送至换热器23，使之得到初步冷却，从而能够在后述的裹覆反应中得到利用。裂解器中产生的气体温度基本在400～550℃，通过该初步冷却，能够换热到350～400℃，从而在以后的工序中加以利用。由此，通过设置两个旋风分离器，能够充分利用在热解反应中产生的气相物质。在初步冷却过程中，还能副产中压蒸汽，并且能够将该 中压蒸汽提供给电厂等做热源换热或者供热等，从而进一步提高热能利用率。 

在本实施方式中，两个旋风分离器14分别与裂解器13连接，相互之间为并联关系，其目的主要在于对裂解反应产生的气体加以双重利用，提高该气体的利用率。然而在实际应用中，也可以根据产生气体的气体量、含尘量以及对气体的利用目的等，使两者为并联或者串联的关系，并可将两个旋风分离器14作为一级、二级除尘设备。旋风分离器的数量也不限定为两个，可根据实际需要增减数量。 

褐煤在经过裂解器中的反应后，得到半焦。仍然具有一定温度的热半焦在重力作用下，经由设置在热解器和后续的裹覆反应器之间的落煤管，通过开启落煤管内的阀板等控制设备，滑落到落煤管下部联通着的裹覆反应器15，从而在裹覆反应器15中，进行裹覆反应。 

在裹覆反应器15中，采用气体作为冷载体对热半焦进行逐级冷却。在裹覆反应器1的前段引入的气体冷载体，由来自空气分离***22的不活泼气体（主要为氮气）构成。裂解器13产生的气相产物的一部分经换热器23而被初步冷却的气体（也可称为裂解气）与上述氮气都通入裹覆反应器15的前段。 

其中，裂解气从裂解器13产出后，初始温度约为400～550℃，经换热器23初步冷却，能够换热到350～400℃，并回收部分热量，产生中压蒸汽。但在该过程中，不会出现裂解气体的分离。 

上述的空气分离***22用于将空气分离成氮气与含氧的气体，其中，氮气供给裹覆反应器15的前段，含氧气体供给热风炉12。其中的氮气基本为室温，与裂解气同步通入裹覆反应器15的前段，使得裂解气被加剧冷却至250～300℃，并对热半焦进行逐步冷却。当裂解气被加剧冷却时，其一般分离为气相（粗煤气）和液相（煤焦油）。粗煤气主要成分有CO、CH₄、H₂、CO₂等；煤焦油的主要成分有饱和烃、芳香烃、非烃、沥青质等。各个组分的百分比含量与原煤煤质、裂解温度、速率等有关。并且其中沥青质一般在280～350℃则能凝结析出。 

其中氮气除了能够冷却裂解气，使之冷凝气液相分离之外，还作为消防气体，起到消防保护的作用，并且其成本低廉、安全易得。 

上述气体冷载体进入裹覆反应器15的前段后，由于裂解气已经被氮气冷凝，所以会与热半焦发生裹覆反应。所述裹覆反应是指，由于空气分离*** 提供的氮气的温度较低（常温），所以在裂解气被冷凝的同时，裹覆反应器15中的热半焦也得到冷却，使得裂解气中的重组分，主要是沥青质析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面。 

随后，来自气体处理***21的副产气体，经温度调节后被引入裹覆反应器15的后段，与被裹覆的半焦直接接触，该副产气体的温度应保持在200～300℃，使得半焦得到进一步冷却。 

随后，经过裹覆反应器后的混合气体进入电捕集器16，此时，气体中的约45%体积百分比的作为重组分的沥青质已经在裹覆反应器阶段析出，剩余的则基本为CO、CH₄、饱和烃和芳香烃等，其中CO、CH₄去热风炉燃烧，其他的饱和烃和芳香烃等则在电捕集器16中析出为液体油。 

电捕集器16从混合气体中分离出的液体油相当于除沥青质后的轻质煤焦油。其后，主要由CO₂，N₂和气态H₂O组成的剩余气体经火炬燃烧，并经湿法脱硫等传统方法处理达标后排放。 

裹覆反应结束后，开启裹覆反应器15的阀门，半焦在重力作用下落到输送机上，由机械传送带送入熄焦钝化器17。半焦与来自气体处理***并经温度调节后的副产气体直接接触，逐步冷却得到稳定的产品褐煤半焦，离开熄焦钝化器17的气体燃烧后排空。 

由于该副产气体含有水分，经过气体处理***的处理，其水分重量含量在10-20%（比如12%、14%、16%、18%），温度在40～70℃（比如50℃、60℃，可通过外置换热器间接换热法冷却或者使用常温氮气直接换热冷却至此温度），氧的体积百分含量为5-21%（比如8%、11%、14%、17%）。由此，能够保证熄焦钝化器17在低于空气的氧体积含量的状态下工作，保证钝化反应的顺利进行，并且便于温度控制。从而能够使得半焦发生进一步的钝化及再水合反应，使得提质半焦重新复吸气氛中的水分，缓慢达到自然饱和水状态，此时半焦中水分重量含量约为8～16%左右（比如10%、12%、14%），从而令半焦适合在空气中放置，并可长途运输，而不发生自燃现象。 

根据本实用新型的实施方式，在上述裹覆反应器15中实现了煤焦油原位轻质化，脱除了其中大部分的沥青质，并初步的进行半焦钝化；在熄焦钝化器17中，进行半焦原位缓慢冷却，包括半焦的表面氧化和再水合的反应，降低半焦表观化学活性，提高了半焦强度和稳定性。这样的操作可避免因半焦 集中钝化过程可能引发的自燃着火现象，应急处理成本低，操作简单。 

由此，生产的低阶煤半焦燃烧特性优于普通提质过程所产半焦，着火点低、热值高、燃烧稳定性好，另外，强度大，长途运输不自燃。并且产品液体油中沥青质含量极低，附加值大，产品价格高，后续深加工方便、经济。 

并且，传统工艺中的煤焦油中饱和烃含量的重量百分比为6%以下，芳香烃含量的重量百分比为40%以下，非烃的重量百分比为10%左右，沥青质的重量百分比为45%左右。而根据本实用新型，沥青质大部分析出，液体油中沥青质含量能够达到10%以下，所以，以该液体油为原料加氢制备汽柴油，成本降低，产率提高。 

Claims (6)

1.一种低阶煤提质设备，其特征在于，包括热风炉、干燥器、裂解器、旋风分离器、裹覆反应器和熄焦钝化器，其中， 

热风炉，对所述干燥器与所述裂解器提供不同温度的气体热载体； 

干燥器，接收作为原料煤的低阶煤，与所述热风炉管道连接，通过所述热风炉提供的第一气体热载体将低阶煤层加热进行干燥，得到干燥后的低阶煤并产生副产气体，并将所述副产气体通向所述裹覆反应器与所述熄焦钝化器； 

裂解器，设置于所述干燥器的下方，所述干燥后的低阶煤在重力作用下进入所述裂解器，通过所述热风炉提供的第二气体热载体使经干燥后的煤层进行热解反应，得到含尘气体与热半焦，所述含尘气体进入所述旋风分离器后分离得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为所述热风炉中的所述第一气体热载体或者第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气； 

裹覆反应器，设置于所述裂解器的下方，所述热半焦在重力作用下进入所述裹覆反应器后，利用管道将所述气体冷载体和所述裂解气输入到所述裹覆反应器，由气体冷载体逐步冷却所述热半焦与所述裂解气，所述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，所述热半焦被所述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和 

熄焦钝化器，使得进一步冷却后的所述裹覆半焦与温度调节后的所述副产气体直接接触，重新吸附水分，达到自然饱和水状态。 

2.如权利要求1所述的低阶煤提质设备，其特征在于： 

还包括与所述干燥器相连接的气体处理***，所述副产气体在经过所述气体处理***处理后通向所述裹覆反应器与所述熄焦钝化器。 

3.如权利要求1所述的低阶煤提质设备，其特征在于： 

还包括连接在所述旋风分离器和所述裹覆反应器之间的换热器，所述气相物质的所述另一部分经过所述换热器的初步冷却后成为裂解气。 

4.如权利要求1所述的低阶煤提质设备，其特征在于： 

还包括与所述裹覆反应器相连的电捕集器，所述混合气体经所述电捕集器分离出液体油。 

5.如权利要求1所述的低阶煤提质设备，其特征在于： 

还包括与所述裹覆反应器相连的空气分离***，从空气中分离出作为所述气体冷载体的氮气。 

6.如权利要求1所述的低阶煤提质设备，其特征在于： 

所述裹覆反应器分为前段与后段，所述气体冷载体和所述裂解气通入所述前段，所述副产气体通入所述后段。