煤制备兰炭的装置与方法

摘要

本发明提供了一种煤制备兰炭的装置与方法，该装置主要由气体或固体流动通道相连通的粉煤气化单元、块煤热解单元和煤气除尘单元构成。三个单元置于一个装置内但运行上相对独立，其结构简单、占地面积小、调节性强、综合能效高、运行稳定。本发明利用粉煤气化半焦作为粉煤气化的循环热载体，粉煤气化煤气作为块煤热解制备兰炭的热载体，同时块煤热解室兼做移动颗粒除尘室，对粉煤气化煤气初步除尘，再利用煤气除尘室对气化和热解煤气进行原位热除尘，实现了全粒径煤的处理、能量的自热平衡和煤气的自净化，产物兰炭及副产物煤气和焦油品质高。

说明书

技术领域

本发明属于能源化工技术领域，涉及一种热处理装置与方法，具体为煤制备兰炭的装置与方法。

背景技术

兰炭是高挥发分烟煤通过中低温热解技术制备的具有固定碳高、比电阻高、化学活性高、低灰、低铝、低硫等特性的半焦，通常为颗粒状，已被广泛的用作铁合金和电石生产的还原剂、高炉喷吹的原料及工业和民用的清洁燃料。工业化的兰炭生产技术主要采用以烟气为气体热载体的内热式直立炉，例如SJ炉、SH炉和GF炉，但是这些炉型目前处理煤的粒径范围有限，主要采用块煤，导致机械化开采的大量粉煤资源浪费。同时，烟气中含有大量的N

针对现有兰炭生产技术对原料煤利用率低的问题，开发了多种可同时利用块煤和粉煤的兰炭制备技术。专利CN201510209036.5公开了一种块煤和粉煤组合干燥干馏方法和装置，其技术方案如下：将粒径<100mm的原煤筛分为粒径≥10mm的块煤和粒径<10mm的粉煤，再分别进行干燥干馏；烟气干燥后的块煤在设有多个文氏管燃烧器的干馏室内以空气与块煤的部分燃烧热为主要热源和粉煤热解气为补充热源进行干馏，其产生的煤气与粉煤干馏产生的煤气混合后，经冷却分离获得煤气和焦油，产生的半焦作为粉煤热解的热载体；烟气干燥后的粉煤在双螺旋混合热解器内与块煤热解产生的高温半焦混合并与外供燃料的燃烧烟气间接接触补热后发生干馏，产生的混合半焦经冷却熄焦后作为产品输出。该方法的不足在于：大颗粒半焦作粉煤干馏的热载体，其传热效率低；粉煤热解时需外供燃料燃烧补热，系统综合能效低；空气燃烧为块煤热解供热，导致热解产生的煤气品质低；粉煤产生的热解气经外置的布气通道进入布料气孔为块煤热解补热，且粉煤和块煤的热解煤气未经除尘直接进行冷却分离，输送过程中由于温度的变化焦油和粉尘容易堵塞管路，装置无法稳定运行。

专利CN201310109786.6公开了一种全方位煤炭分质利用多联产的系统及方法，其包括备煤系统、块煤热解系统、粒煤热解系统、粗煤气处理系统和气化系统。利用备煤系统将原料煤分为块煤和粒煤，块煤以气化系统产生的气化煤气为热载体进行热解，产生的热解油气作为粒煤热解系统的热载体，热解半焦作为产品输出；粒煤热解得到热解粗煤气进入粗煤气处理系统后获得的煤气和焦油再进一步深加工应用，获得的粒煤热解半焦和空气在气化系统发生气化反应，产生气化煤气。其可以处理全粒径原料煤，能实现系统能量的自热平衡，且块煤热解炉兼做颗粒床分离器对气化和热解煤气起到除尘的作用。但该反应系统复杂，块煤热解的热载体即气化气包含大量的N

专利CN201610872192.4公开了一种由煤制备兰炭、焦油和煤气的方法及装置。其利用包括干燥分级器、粉煤气化反应器，提升管燃烧反应器和块煤热解反应器的装置，将混合粒度的原料煤干燥分级为粉煤和块煤，粉煤用水蒸气和氧气部分气化，其气化半焦燃烧产生的烟气用于原料煤干燥分级，未燃烧的剩余高温半焦作为循环固体热载体用于粉煤气化；块煤用粉煤气化产生的气化煤气作气体热载体进行热解，同时块煤和兰炭作移动颗粒床的滤料捕集粉煤气化气携带的粉尘。该发明实现了以混合粒度煤作为生产原料制取优质兰炭，原料利用率高，同时解决了现有兰炭生产技术煤气热值低的问题。但其采用热解反应器兼做除尘器对气化煤气进行除尘，由于块煤及兰炭粒径大，除尘效率低，而含有粉尘的热解和气化混合煤气未经除尘直接进入后处理单元；携带大量粉尘的气化煤气经外置连接管路由气化反应器输送至热解反应器，其管路易被焦油和粉尘堵塞；装置构成复杂。

发明内容

本发明针对上述兰炭制备过程粉煤资源利用率低、煤气热值低、煤气除尘及装置构成等问题，提供了一种煤制备兰炭的装置与方法。

本发明的技术方案：

煤制备兰炭的装置，主要由粉煤气化单元1、块煤热解单元2、煤气除尘单元3和附属设备组成，附属设备包括干燥分级单元4、粉煤储槽5、块煤储槽6、烟气换热器7、烟气除尘器8、熄焦单元9、煤气净化单元10和滤料再生单元11。

其中，粉煤气化单元1包括半焦的燃烧室12、粉煤的气化室13和沉降室14；燃烧室12与气化室13通过挡板a15隔开；沉降室14位于燃烧室12和气化室13的上部，沉降室14通过沉降管16与燃烧室12连通，且沉降室14与气化室13连通；燃烧室12底部和气化室13底部通过循环固体热载体半焦和灰分的返料器17相连通；燃烧室12下部设有空气入口18、上部侧方设有烟气出口19，烟气出口19位于燃烧室12的自由分离空间上方、沉降室14的下方，且烟气出口19与烟气除尘器8相连；气化室13下部设置有粉煤入口20、气化剂入口21和灰分出口22，均位于返料器17下方，粉煤入口20与粉煤储槽5相连；

块煤热解单元2位于粉煤气化单元1侧上方，二者通过下部设有百叶窗a23的挡板b24隔开，并通过百叶窗a23形成的气体流动通道使粉煤气化单元1与块煤热解单元2相连通；百叶窗a23位于沉降室14上部，其底端高于挡板a15的顶端；块煤热解单元2的主体为热解室25，块煤热解单元2的顶部设有块煤入口26、底部设有兰炭出口27，其中，块煤入口26与块煤储槽6相连，兰炭出口27通过出料阀与熄焦单元9相连；块煤热解单元2与煤气除尘单元3通过挡板c28隔开，挡板c28的上部设置有内构件29，通过内构件29形成的气体流动通道使块煤热解单元2与煤气除尘单元3相连通；内构件29的底端高于百叶窗a23的顶端，使热解室25中介于其间的物料形成气固逆流模式；

煤气除尘单元3的主体为除尘室30，除尘室30的顶部设有滤料入口31，底部设有滤料出口32，滤料入口31与滤料再生单元11的滤料出口相连，滤料出口32通过出料阀与滤料再生单元11的滤料入口相连；煤气除尘室30设有煤气出口33，其位置有两种设置方式：一种是与内构件29的中心处于相同水平高度，通过百叶窗b34将滤料保持在除尘室30内，使除尘室30内煤气与滤料形成气固错流模式；另一种是设置在煤气除尘室30的上部，位于内构件29上方，通过挡板d35将滤料保持在除尘室30内，使除尘室30内煤气与滤料形成气固逆流模式；煤气出口33与煤气净化单元10相连；

附属设备中，干燥分级单元4设有原料煤入口、分别与粉煤储槽5和块煤储槽6相连的粉煤和块煤出口及烟气出口；且干燥分级单元4与粉煤气化单元1相连，二者之间设有烟气换热器7和烟气除尘器8；熄焦单元9设置有熄焦介质入口、熄焦介质出口和兰炭出口；煤气净化单元10设置有煤气出口、焦油出口和热解水出口；滤料再生单元11设置有空气入口、燃料入口、补充滤料入口和烟气出口。

所述燃烧室12、气化室13、热解室25和除尘室30的流通横截面为矩形结构或圆形结构；

所述燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床；

所述内构件29为鞍形百叶窗结构或楔形筛网结构。

煤制备兰炭的方法，采用上述的煤制备兰炭装置，具体步骤如下：

原料煤输入干燥分级单元4，在烟气的作用下被干燥、分级为粉煤和块煤并分别进入粉煤储槽5和块煤储槽6；来自粉煤储槽5的干燥粉煤由粉煤入口20进入粉煤气化单元1的气化室13，干燥粉煤在气化剂入口21输入的气化剂作用下流化并发生气化反应；气化产气和半焦进入沉降室14发生气固沉降分离，其中气化气作为块煤热解的气体热载体穿过百叶窗a23进入块煤热解单元2的热解室25，气化半焦经沉降管16落入半焦燃烧室12；在燃烧室12中，半焦被空气入口18输入的空气流化并发生部分燃烧反应，产生高温烟气、剩余半焦和灰分，其中烟气由烟气出口19输出，依次通过烟气除尘器8除尘和烟气换热器7冷却后作为原料煤的干燥分级介质输入原料煤的干燥分级单元4，剩余半焦及灰分经返料器17返回气化室13作为粉煤气化的循环固体热载体。在粉煤气化过程，利用沉降管16内及沉降室14下部堆积的气化半焦及燃烧室12和气化室13的压差使燃烧室12和气化室13上部的燃烧和气化气氛隔离；利用返料器17的环封组件使燃烧室12和气化室13下部的燃烧和气化气氛隔离，并利用沉降管16和返料器17使固体颗粒(气化半焦或燃烧半焦和灰分)在燃烧室12和气化室13之间流通。

来自块煤储槽6的干燥块煤由块煤入口26进入块煤的热解室25。块煤在重力作用下向下移动，被来自粉煤气化单元1的逆向流动的气化煤气加热并发生热解反应产生荒煤气和兰炭。荒煤气(包括气化气和热解气)上行穿过兰炭和块煤层，在此过程中，荒煤气携带的部分粉尘被兰炭和块煤所捕集。初步除尘的气化和热解混合煤气穿过内构件29进入煤气除尘单元3的除尘室30。热解产生的高温兰炭在出料阀的控制下由兰炭出口27移出进入熄焦单元9，被熄焦介质吹扫冷却后作为产品输出；同时，兰炭携带的小颗粒焦粉被熄焦介质带出；

在煤气的除尘室30中，来自滤料再生单元11的滤料在重力作用下下行形成移动颗粒床。由块煤热解单元2进入的气化和热解混合煤气逆流或径向错流穿过除尘室30的移动颗粒床，煤气中的粉尘被进一步的捕集。除尘后的洁净煤气由煤气出口33输出进入煤气净化单元10，经冷却分离后获得煤气、焦油和水；捕集粉尘后的滤料在出料阀的控制下由滤料出口32移出，而后进入滤料再生单元11。在滤料再生单元11中，用空气使滤料上的积炭烧除，并通过补充燃料(例如自产净化煤气)燃烧将滤料加热，同时利用燃烧烟气将滤料携带的粉尘脱除，使滤料再生。必要时，在滤料再生单元11添加新鲜滤料，以弥补滤料在循环过程中因破碎和粉化造成的损失。再生滤料与燃烧烟气分离后通过滤料入口31返回煤气除尘单元3；

上述操作均在常压下进行。粉煤的气化温度为800～1000℃，粉煤的停留时间为1～45min，气化剂为水和氧气，且水煤比为0.2～0.7，氧煤比为0.2～0.5，气化剂的温度不低于400℃；半焦的燃烧温度高于气化温度，上限低于煤灰熔点150℃，一般不高于1200℃，进入燃烧室的空气温度不低于400℃；循环半焦与粉煤的质量比不超过50，进一步的优选为1～10；块煤的热解温度为500～800℃，块煤的停留时间为15～60min；粉煤与块煤的质量比为1.5:1～8:1，在选择的进料比值下，粉煤气化煤气携带的热量满足块煤热解的能量需求。

所述煤气除尘单元3中滤料的循环速率为0.8m/h～5m/h，滤料的温度为400～650℃；其滤料的循环速率和温度可以单独调控，进而满足不同兰炭生产条件时不同温度、不同含焦油量、不同含尘量煤气的高效除尘，同时避免焦油的冷凝和结焦造成滤料床层的积滞和焦油的损失；

所述滤料为惰性或具有催化活性的固体颗粒，包括陶瓷、煤矸石、天然矿石、木炭、煤焦或催化剂的一种或两种以上混合；

所述滤料的颗粒尺寸范围为0.1～15mm，优选颗粒尺寸2～4mm；

所述的原料煤为褐煤、长焰煤、不黏煤或弱黏煤等低阶煤；

所述的原料煤粒度不超过80mm，粉煤粒度界限的上限不超过13mm，进一步的优选粉煤粒度界限的上限不超过6mm，剩余的为块煤，其可以确保粉煤及气化产生的半焦的在气化室和燃烧室内可以被流化提升，又能保持块煤热解时床料的透气性，同时还能使块煤及热解兰炭形成的移动颗粒层对气化煤气携带的粉尘具有一定的捕集作用，形成初步除尘；

所述的熄焦介质为干燥分级单元4或滤料再生单元11输出的烟气，利用过程自产烟气作为熄焦介质不但可以实现物料和能量的最大化利用，而且采用干熄焦方式可以提高兰炭的性能，减少环境污染；

所述的方法可用于固体燃料的解耦热转化过程，通过调整原料和滤料的输入位置和种类，使粉煤气化单元1或粉煤气化单元1和块煤热解单元2作为燃料单元，块煤热解单元2或块煤热解单元2和煤气除尘单元3作为煤气或焦油催化提质单元，实现合成气、富氢、富甲烷或高品质焦油的制备。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用包括仅通过气体或固体流动通道相连通的气化单元、热解单元和煤气除尘单元的装置实现了粉煤的气化、块煤的热解和煤气的原位热除尘于一体，且每个单元的操作相对独立，其结构简单、处理能力强、调节性强、综合能效高、占地面积小、运行稳定；

(2)本发明利用粉煤气化半焦作为粉煤气化的循环热载体，粉煤气化气作为块煤热解制备兰炭的热载体，同时利用块煤热解单元兼做移动颗粒除尘单元，对粉煤气化气初步除尘，再利用煤气除尘单元对气化和热解煤气进行热态高温原位除尘，实现了能量的自热平衡和煤气的自净化，解决了制约兰炭生产的粉煤资源利用率低，煤气含尘量高和热解煤气热值低的关键问题；

(3)本发明的块煤热解单元与煤气除尘单元为两段耦合的煤气原位热除尘，运行模式多样，且滤料移动速度可单独调控，其除尘压降小，除尘效率高，使兰炭生产过程连续稳定，综合能效高；

(4)本发明的装置与方法可用于固体燃料的解耦热转化过程，调整原料和滤料的种类和输入位置，使粉煤气化单元或粉煤气化单元和块煤热解单元作为燃料单元，块煤热解单元或块煤热解单元和煤气除尘单元兼做煤气或焦油催化提质单元，实现合成气、富氢、富甲烷或高品质焦油的制备。

附图说明

图1是本发明的煤制备兰炭的装置组成以及工艺流程示意图。

图2是煤气除尘单元为错流移动床运行模式的装置原理示意图。

图3是煤气除尘单元为逆流移动床运行模式的装置原理示意图。

图中：1粉煤气化单元；2块煤热解单元；3煤气除尘单元；4干燥分级单元；5粉煤储槽；6块煤储槽；7烟气换热器；8烟气除尘器；9熄焦单元；10煤气净化单元；11滤料再生单元；12燃烧室；13气化室；14沉降室；15挡板a；16沉降管；17返料器；18空气入口；19烟气出口；20粉煤入口；21气化剂入口；22灰分出口；23百叶窗a；24挡板b；25热解室；26块煤入口；27兰炭出口；28挡板c；29内构件；30除尘室；31滤料入口；32滤料出口；33煤气出口；34百叶窗b；35挡板d。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图对本发明作进一步的说明，但并非用来限制本发明的范围。

本发明的煤制备兰炭的装置组成以及工艺流程如图1所示。

实施例1

本实施例采用的装置运行原理如图2，其燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床，热解室25为逆流移动床，除尘室30为错流移动床，各反应室的流通横截面均为矩形结构。粒径小于80mm的原料煤经过干燥分级单元4，在燃烧烟气作为干燥介质下被干燥分解为水分含量小于10％、粒径小于10mm的粉煤和水分含量小于6％、粒径为10～80mm的块煤分别存储在粉煤储槽5和块煤储槽6。来自粉煤储槽5的干燥粉煤以0.60kg/h的供料速率通过粉煤入口20输送至气化室13，温度为400℃水蒸气和氧气通过气化剂入口21输送至气化室13，其水煤比为0.2、氧煤比为0.2，而后粉煤在水蒸气和氧气的作用下在800℃、常压的气化室13内被流化同时发生气化反应；气化半焦和煤气进入沉降室14发生气固分离，气化半焦经过沉降管16落入半焦燃烧室12，气化煤气穿过百叶窗a23进入块煤热解单元2。温度为400℃空气由空气入口18输送至燃烧室12，与气化半焦发生部分燃烧反应，燃烧产物在燃烧室12上部的自由分离空间发生分离，1000℃烟气经烟气出口19输出装置，输出的烟气先经过烟气除尘器8除尘，再经过烟气换热器7预热空气后进入干燥分级单元4，干燥分级原料煤后输出，而后进入熄焦单元9；燃烧被加热的温度为1000℃的剩余半焦及灰分通过返料器17返回气化室13作为粉煤气化的循环固体热载体，其固载体与粉煤的质量比为8:1，不能被流化提升而累积的灰分通过灰分出口22排出装置；来自块煤储槽6的干燥块煤以0.4kg/h的供料速率通过块煤入口26进入热解室25形成块煤移动颗粒床，并与粉煤气化单元1进入的温度为800℃的气化煤气逆流接触在500℃、常压下发生热解反应；同时，块煤和兰炭作为滤料对气化煤气进行初步除尘。热解产生的兰炭在出料阀的控制下由兰炭出口27移出装置进入熄焦单元9，被干燥烟气冷却并脱除焦粉后作为产物输出，熄焦介质输出装置；气化和热解煤气穿过百叶窗结构的内构件29进入煤气除尘单元3；温度500℃，2～4mm的石英砂作为滤料通过滤料入口31进入煤气除尘室30形成除尘颗粒床，并与块煤热解单元2进入的温度为500℃热解煤气径向交错流动，形成错流颗粒床除尘，捕集粉尘的滤料在出料阀的控制下以0.8m/h的移动速度从滤料出口32移出装置进入滤料再生单元11。同时，滤料再生单元11补充适当质量的新鲜滤料，两者在输入空气和自产煤气的燃烧热下脱碳、预热和脱尘后作为循环滤料返回煤气除尘单元3，烟气输出装置；煤气除尘单元3的洁净煤气穿过百叶窗b34由煤气出口33输出装置，输出的煤气进入煤气净化单元10，经冷却分离后获得煤气、焦油和热解水。

实施例2

本实施例采用的装置运行原理如图3，其燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床，热解室25为逆流移动床，除尘室30为逆流移动床，各反应室的流通横截面为圆形结构。不同于实施例1的是，粉煤粒径小于13mm，粉煤供料速率为0.90kg/h，气化室13的温度为900℃，固体循环半焦与粉煤的质量比为10:1，氧煤比为0.5；块煤粒径为13～80mm，块煤供料速率为0.15kg/h，块煤热解单元2的温度为750℃。滤料为粒径3～5mm、温度450℃的橄榄石催化剂，其与热解煤气在煤气除尘单元3逆向流动，形成逆流颗粒层除尘，滤料以1.0m/h的移动速度输出，洁净煤气在除尘室30的气固分离界面与滤料分离后由煤气出口33输出进入煤气净化单元。

实施例3

本实施例采用的装置运行原理如图2，其燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床，热解室25为逆流移动床，除尘室30为错流移动床，各反应室的流通横截面为圆形结构。不同于实施例1的是，粉煤粒径小于10mm，粉煤供料速率为0.80kg/h，气化室13的温度为800℃，固体循环半焦与粉煤的质量比为15:1，水煤比为0.7，氧煤比为0.2；块煤粒径为10～50mm，块煤供料速率为0.10kg/h，热解温度为650℃。滤料为1～2mm、温度400℃的石英砂，滤料以5m/h的移动速度输出煤气除尘单元3。

实施例4

本实施例采用的装置运行原理如图3，其燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床床，热解室25为逆流移动床，除尘室30为逆流移动床，各反应室的流通横截面为矩形结构。不同于实施例2的是，粉煤粒径小于10mm，粉煤供料速率为1.00kg/h，气化室13的温度为1000℃，半焦燃烧室的温度为1100℃，固体循环半焦与粉煤的质量比为12:1，水煤比为0.2，氧煤比为0.4；块煤粒径为10～80mm，块煤供料速率为0.5kg/h，热解温度为800℃。滤料为粒径2～6mm、温度650℃的石英砂，滤料以1.2m/h的移动速度煤气除尘单元3。

实施例5

本实施例采用的装置运行原理如图2，其燃烧室12和气化室13为鼓泡流化床，块煤热解室25为逆流移动床，煤气除尘室30为错流移动床，各反应室的流通横截面为圆形结构。粒径小于60mm的原料煤在干燥分级单元4被燃烧烟气干燥分级为水分含量小于12％、粒径小于13mm的粉煤和水分含量小于8％、粒径为13～80mm的块煤。粉煤以0.50kg/h的供料速率由粉煤入口20进入气化室13，水煤比为0.5、氧煤比为0.4的温度400℃水蒸气和氧气由气化试入口21进入气化室13，在气化剂的流化和循环半焦的加热下粉煤在950℃、常压下发生气化反应。气化半焦和气化煤气在沉降室14内发生气固分离，气化半焦经过沉降管16落入半焦燃烧室12，气化煤气穿过百叶窗a15进入块煤热解单元2。400℃的空气由空气入口18进入燃烧室12，与气化半焦接触发生部分燃烧反应，其燃烧温度为1050℃，燃烧产生的烟气在燃烧室12上部的自由分离空间与高温固体分离后经烟气出口19输出，依次经过烟气除尘器8和烟气换热器7后作为干燥分级单元4的干燥介质；燃烧被加热的半焦及灰分通过返料器17返回气化室13作为粉煤气化的循环固体热载体，固载体与粉煤的质量比为10:1，不能被提升流化而累积的灰分通过灰分出口22排出装置；块煤以0.3kg/h的供料速率由块煤入口26进入块煤热解室25形成块煤颗粒床，并与粉煤气化单元1进入的气化煤气逆流接触，在700℃、常压下发生热解反应。同时，块煤和兰炭作为滤料对气化煤气进行初步除尘，除尘的气化气和热解混合煤气穿过百叶窗结构的内构件29进入煤气除尘单元3；热解产生的兰炭在出料阀的控制下移出装置进入熄焦单元9，经干燥烟气熄焦、除尘、分级后粒径大于6mm的兰炭作为产物输出；粒径不大于6mm的兰炭进入滤料再生单元11，并补充适当质量、相同粒度的兰炭后，两者在空气和气化煤气450℃下燃烧，经预热和脱灰后通过滤料入口31返回煤气除尘室30形成除尘颗粒床，并与块煤热解单元2进入热解煤气径向交错流动，形成错流颗粒床除尘，捕集粉尘的兰炭在出料阀的控制下以1.5m/h的移动速度由滤料出口32循环回滤料再生单元11；洁净煤气穿过百叶窗b34由煤气出口33输出进入煤气净化单元10，经冷却分离后获得煤气、焦油和水。

表1各实施例中原料煤的组成

*差减法

表2各实施例的产物分析