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低阶煤热解提质技术进展.pdf
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1、低阶煤热解提质技术进展一、低阶煤概况煤炭是我国的主要能源,在一次能源构造中占70%左右,估量到2022年煤 炭消费量仍将占65%左右。在漫长的地质演化过程中,煤炭的形成受多种因素的 作用,致使煤炭品种繁多。依据构造和组成不同,煤炭分为褐煤、烟煤和无烟 煤3大类,而每大类又分为假设干小类,其中烟煤可分为低变质烟煤和中变质烟 煤,低变质烟煤也叫次烟煤,与褐煤一起统称为“低阶煤”。煤阶这一概念用来 表示煤炭煤化程度的级别。一般状况下,煤埋藏深度增加,其煤化程度增加,碳 含量相应增加。低阶煤在我国煤炭储量及产量中占很高比例。中国煤炭地质总局第 三次全国煤田推测,我国低阶煤储量占全国已探明煤炭储量的55
2、%以上,达5612 亿吨,其中褐煤占12.7%,低变质煤占4 2.5%o我国煤炭资源分类及其性质煤种低阶煤中变质烟煤无烟煤褐煤低变质烟煤比例%12.684 2.4527.5817.28水分20-5010-2010-152-10挥发分%38-6537-5510-4 03-6发热量kcal/kg2022-4 000约 50005000-6000约 7000适宜用途转化转化/发电炼焦/发电气化/发电低阶煤是指煤化程度比较低的煤(一般枯燥无灰基挥发分20%),主要分 为褐煤和低煤化程度的烟煤。褐煤包括褐煤一号(年轻褐煤)和褐煤二号(年老褐煤)2类,约占我国煤 炭探明保有资源量的13%,主要分布于内蒙古
3、东部和云南,少量分布于黑龙江辽 宁山东吉林和广西等地区,近年觉察疆等区域亦赋存褐煤。低煤化程度的烟煤包括长焰煤、不黏煤和弱黏煤,约占我国煤炭探明保有资 源量的33%,主要分布于陕西、内蒙古西部和疆,其次为山西、宁夏、甘肃、辽 宁、黑龙江等地区,吉林、山东和广西等地区少量赋存。褐煤全水分高达20%60%,收到基低位发热量一般为ll.71-16.73MJ/kg。由于高水分,高含氧量,低发热量,再加上褐煤易风化和自燃的特性,其不适合 远距离输送,应用受到很大限制。低煤化程度的烟煤原煤灰分一般低于15%,含硫量低于1%鄂尔多斯盆地不 黏煤和弱黏煤为特低硫-低硫特低灰-低灰煤。低阶煤的化学构造中侧链较多
4、,氢、氧含量较高,结果导致其挥发分含量高、含 水高、含氧多、易自燃、热值低。依据低阶煤挥发分及氢含量高的特点,通过分 级转化利用,可先获得高附加值的油、气和化学品,再将剩余半焦进展燃烧或气 化,实现煤炭资源的梯级利用,从而,一方面提高了煤炭利用的能效,另一方面 使难以利用的褐煤得到了有效利用,也可大大削减环境的污染。如以下图:烧结焦粉国家能源科技规划将褐煤/低阶煤提质改性技术和中低温煤焦油制清洁燃料 及化学品关键技术列为重大技术争辩打算,争辩具有自主学问产权的、适应性广 的褐煤/低阶煤提质改性技术与工艺,针对中低温干储焦油开发提取化学品及加 氢制清洁燃料先进技术,低阶煤热解提质迎来了一次良好的
5、进展机遇。二、低阶煤热解煤的构造特点打算了低阶煤挥发分高、活性强。由于水分和氧含量高而热值 低,直接利用(燃烧或气化)效率低,经济价值远不如高阶煤,大规模开发利用 必需先对其进展加工提质。最为科学和常用的方法之一是热解,即“干镭”或热 分解“。热解是指煤在隔绝空气或在惰性气体条件下持续加热至较高温度时,所 发生的一系列物理变化和化学反响。在此过程中煤会发生交联键断裂、产物重组 和二次反响,最终得到气体煤气)、液体焦油)、及固体(半焦)等产物。焦 油中含有苯、蔡、慈、菲以及目前尚无法人工合成的多种稠环芳香烧类化合物及 杂环化合物。与直接燃烧相比,热解实现了煤中不同成分的梯级转化,是一种资 源高效
6、综合利用方法,具有削减燃煤造成的环境污染,提凹凸阶煤资源综合利用价 值的优势,可制造显著的经济社会效益。按煤热解温度可分为低温热解(500-600k中温热解(650-800)高温热解900-1000C)和超高温热解D1200)o为得到高产率的焦油和煤气,低阶煤多承受低温热解路线。除低温 热解外,还可以利用加氢热解来提高热解产率,即通过外加氢气来饱和热解产生 的自由基,拟制二次反响。煤的化学构造极其简单,同时矿物质对热解又有催化作用,导致热解过程中 发生很多化学反响,如煤中有机质的裂解、缩聚和重组;裂解产物中轻质局部和 裂解残留物的挥发、分解或聚合。从煤的分子构造看,根本构造单元四周的侧链、桥
7、键和官能团等在加热条件下不稳定,是煤构造中的活性组分。在加热过程中,这 些单元渐渐裂解,形成气体化合物挥发出去,而缩合芳香核局部则相互缩聚形成固 体产品(半焦或焦炭)。煤热解过程前期以裂解反响为主,后期以缩聚反响为主。三、煤热解技术的进展历史和现状煤热解技术历史长远,早在19世纪就已消灭,当时主要用于制取照明用的灯 油和蜡,随后由于电灯的制造,煤热解争辩趋于停滞状态。但在其次次世界大战 期间,德国由于石油禁运,建立了大型煤热解厂,以煤为原料生产煤焦油,再通 过高压加氢制取汽油和柴油。在当时的战斗背景下,热解本钱并不是考虑的主要 因素,但是,随着战后石油开采量大幅增加,煤热解争辩受到市场因素的影
8、响再 次陷于停滞状态。20世纪70年月初期,世界范围的石油危机再度引起了世界各国对煤热解工艺 的重视。70年月以后,煤化学根底理论得到了快速进展,相继消灭了各种类型的 面对高效率、低本钱、适应性强的煤热解工艺,典型的有回转炉、移动床、流化床和气流床热解技术。表世界范围内主要热解工艺概况,列出了不同热解工 艺的技术指标、特点和规模。1附后)我国煤热解技术的自主争辩和开发始于20世纪50年月,北京石油学院(现 为大学)、上海电业局争辩人员开发了流化床快速热解工艺并进展10t/d规模的 中试;大连工学院(现为大连工工大学)聂恒锐等人争辩开发了辐射炉快速热解 工艺并于1979年建立了 15t/d规模的
9、工业示范厂;大连理工大学郭树才等人争 辩开发了煤固体热载体快速热解技术,并于1990年在平庄建设了 5.5万t/a 工业性试验装置,1992年8月初投煤产气成功;煤炭科学争辩总院北京煤化学争 辩所(现为煤炭科学争辩总院北京煤化工争辩分院)争辩开发了多段回转炉温存 气化工艺,并于上世纪90年月建立了 60t/d工业示范装置,完成了工业性试验 后续国内又涌现出的代表性工艺有浙江大学循环流化床煤分级转化多联产技术、北京柯林斯达科技进展带式炉改性提质技术、北京国电富通科技进展有限责任公 司国富炉工艺。近年来,我国在进展自主研发的同时引进了美国的CCTI工艺,打算用于内 蒙褐煤的热解提质。在引进LFC工
10、艺的根底上,大唐华银电力股份和中国五环工程组建技术联合 体对其进展创性争辩开发,重申请专利和商标,更名为LCC工艺。四、煤热解过程的科学问题煤热解的实质是自由基反响过程,起始于煤构造中的弱共价键解离,包括自 由基的产生、聚合、重组、加氢以及这些产物的“二次”反响。提高热解油品质 量和产率的核心是通过对煤自由基形成、转移和稳定的定向把握,抑制自由基缩 聚形成大分子的可能。热解过程的稳定运行不仅要求自由基形成与终止反响速率有机匹配,而且需 要反响器构造和反响工艺的优化,匹配热解二次反响,并从转化系统有机集成,开展从根底争辩、关键技术突破到系统集成的深入争辩,涉及化学、化工、工程 热物理、机械、材料
11、和把握等多种学科。中科院依据低阶煤的组成与构造特征,提出了以热解为先导的低阶煤清洁高效梯级利用的技术方案。如以下图:低温热解移动床 半焦人合成气“人田 人a(气体热载体)-气化-催化口成一化工品低价煤下行床 半焦(固体热载体)-燃烧一电I加灵热解干需.气化孕、费先合成油一柴油图:中科院战略性先导科技专项中热解方案示意图五、国内典型的热解提质工艺技术以下为国内正在规划建设或运行的典型热解提质工艺技术。1、DG工艺DG工艺(也称煤固体热载体法快速热解技术)由大连理工大学开发。平庄 150t/d工业试验装置流程由备煤煤枯燥流化提升加热焦粉冷粉煤与热粉焦混合换 热煤热解流化燃烧煤气冷却输送和净化等局部
12、组成。平庄工业性试验法干储流程 见图1灿气煤气图1平庄工业性试验法干播流程1煤槽;2枯燥提升;3干煤槽;4混合器;5反响器;6加热提升管;7热焦粉槽;8流 化燃烧炉;9旋风分别器;10洗气管;11气液分别器;12分别槽;13间冷器;14除焦油器;15脱硫箱;16空气鼓风机;17引风机;18煤气鼓风机原煤粉碎后进入枯燥预热系统,用热烟气(约550)进展气流枯燥预热并提 升至干煤贮槽,烟气除尘后经引风机排入大气。干煤(约120)经给料机参加 到混合器,在此与来自热焦粉槽的粉焦(约800)混合,然后进入反响器完成 快速热解反响(550650C),析出热解气态产物。荒煤气经除尘去洗气管,在气 液分别器
13、分别出水和焦油,经间冷器分别出轻汽油,煤气经鼓风机加压除焦油和 脱硫后入煤气柜。由反响器出来的半焦局部经冷却后作为产品,剩余半焦(约 600)在加热提升管底部与来自流化燃烧炉的含氧烟气发生局部燃烧,半焦被 加热至800850c后提升到热焦粉槽作为热载体循环。由热粉焦槽出来的热烟 气去枯燥提升管,原煤在枯燥提升管完成枯燥过程。2、MRF工艺MRF工艺(多段回转炉温存气化工艺)由煤炭科学争辩总院北京煤化工争辩分院开发。该工艺主体设备是3台串联的卧式回转炉,MRF工艺流程见图2排空1烟道气荒煤气141燃料空气水蒸汽 军嘉图2 MRF工艺流程1枯燥炉;2热解炉;3熄焦炉;4加热炉;5除尘器;6引风机;
14、7排料阀原料煤在枯燥炉经直接枯燥脱出70%的水分;原料煤热解在外热式热解炉内进 展,避开荒煤气被其他气体稀释,热解温度550750C,热解得到的荒煤气经 除尘冷却后回收煤气和焦油;热半焦经水力熄焦后排出。关心工艺包括原料煤储 藏焦油分别储存煤气净化半焦筛分及储存锅炉房和质量检验等单元。热解加热炉可以单独或同时使用气体燃料和固体燃料。3、循环流化床煤分级转化多联产技术75t/h循环流化床煤分级转化多联产工业示范装置由浙江大学与淮南矿业集团合作建立。示范装置主要由2局部组成:流化床气化(热解)炉和循环流化床锅炉半焦燃烧发电系统,75t/h循环流化床多联产装置工艺流程见图3图3 75t/h循环流化床
15、多联产装置工艺流程1锅炉;2分别器;3热解炉;4激冷塔;5电捕焦油器;6间冷器;7二次电捕;8缓冲 罐;9煤斗;10点火器;11汽包;12水封槽;13焦油池;14循环水池;15轻油池;16除 尘器;17烟囱原料煤进入气化炉后与来自锅炉旋风分别器的高温循环灰混合,在600c左 右的温度下进展热解,产生的粗煤气焦油雾及细灰渣经气化炉旋风分别器除尘进 入急冷塔和电捕焦油器,冷却捕集焦油和轻油后由煤气排送机送入缓冲罐,局部 煤气送回气化炉作为流化介质,其余进入脱硫等设备净化后再利用。热解半焦和 循环灰经返料机构进入锅炉燃烧,高温物料随高温烟气一起通过炉膛出口进入旋 风分别器,分别后的烟气进入锅炉尾部烟
16、道,先后经过热器再热器省煤器及空气 预热器等受热面产生蒸汽用于供热和发电。分别下来的高温灰进入返料机构,局 部高温灰进入气化炉,其余则直接送回锅炉炉膛。4、带式炉改性提质技术带式炉改性提质技术是北京柯林斯达科技进展开发的褐煤提质工艺。带式 炉由炉体驱动系统输送系统和自动把握系统4局部组成,配套系统为燃煤热风炉 和产品冷却系统,带式炉改性提质工艺见图40图4带式炉改性提质工艺1枯燥段;2改性炭化段;3冷却段;4热风炉;5烟冷器原料煤由入炉端均匀分布在耐热金属材质的输送带上,在中性气氛下依次经 过枯燥段改性(炭化)段,与热烟气(含氧量3%)穿层换热完成枯燥脱水和改 性(炭化)提质过程,最终进入冷却
17、段被冷烟气(含氧量V3%)冷却成为提质煤 改性提质时所用热量来自燃煤热风炉,炭化提质热源来自自产煤气,并副产焦油 输送带速度可调,温度能够实现自动把握。5、GF-I型褐煤提质工艺GF-I型褐煤提质工艺由北京国电富通科技进展有限责任公司开发。该工艺核心设备是承受外燃内热式的低温热解方炉,GF-I型褐煤提质工艺流程见图5O烟 气水蒸气图5 GF-I型褐煤提质工艺流程1煤斗;2预热段;3枯燥段;4干储段;5冷却段;6半焦;7除尘器;8双竖管;9间 冷器;10电捕;11酚水槽;12初焦油分别器;13焦油槽;14油分别器;15轻油槽;16最终 油分别器;17煤气加压机;18燃烧器;19冷水塔煤斗内的原料
18、煤利用冷却段出来的热烟气进展初步预热后经插板门进入干 燥段。枯燥段设有4个燃烧器,燃烧所需煤气来自热解煤气,在该段煤中95%以上 的水分被脱除,同时煤的温度被提高到150左右,枯燥段烟气送入冷却段用于 半焦冷却,干煤连续下行进入干镭(热解)段热解段设有4个燃烧器,燃烧所 需煤气同样来自热解煤气,热解反响温度约560o热解段产生的荒煤气经除尘 后进入冷却净化系统回收焦油和煤气,最终煤气经由加压机抽出返送回提质炉供 枯燥段和热解段燃烧用。热解半焦下行进入冷却段,经来自枯燥段的冷烟气冷却 降至80c以下,由推焦机推入埋刮板机内集合到输焦胶带运往储焦仓。6、神华模块化固体热载体热解工艺神华模块化固体热
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