褐煤固体热载体法快速热解技术简介

褐煤固体热载体法快速热解技术简介 褐煤热解（干馏）是指在隔绝空气(或在非氧化气氛)条件下将褐煤加热，最终得到焦油、煤气和半焦的加工方法。 褐煤热解始于20世纪初，其目的是制取石蜡油和固体无烟燃料，随后发展了以制取发动机液体燃料为目的的工艺，如鲁奇二段炉、三段炉。20世纪50年代，随着世界范围石油、天然气的开发与应用，煤的热解加工发展速度减慢甚至停顿。但在一些褐煤资源丰富的国家，没有间断对褐煤热解的研究与开发。20世纪70年代开始，为了由褐煤和低阶煤制取较高产率的液体产品和芳烃化合物，人们对褐煤热解工艺的研究开发重新重视，一些新工艺接续开发出来。这些新工艺的目标是提高煤的液体产率，普遍使用的方法是加快热解反应的速度或在临氢的条件下进行热解反应，同时新工艺注意提高煤的利用率、提高过程的热效率及注重环境保护等。 褐煤热解工艺按照加热终温、加热速度、加热方式、热载体类型、气氛、压力等工艺条件分为不同类型。 国内外典型的褐煤热解工艺包括：外热立式炉工艺、内热立式炉工艺、美国的Toscoa1工艺、ENCOAL工艺、日本的煤快速热解工艺、德国的LR工艺、澳大利亚的流化床快速热解工艺、前苏联3TX（ETCh）—175工艺、中国的多段回转炉工艺、中国固体热载体新法干馏工艺及其他工艺。 褐煤固体热载体新法干馏工艺（技术）由中国大连理工大学开发，也称褐煤固体热载体法快速热解技术。以下从发展历程、过程原理与产品方案、工艺特点等方面简要介绍。 2．2 过程原理与产品方案 褐煤固体热载体法快速热解技术是将褐煤通 过与热的载体（热半焦）快速混合加热使褐煤热解（干馏）得到轻质油品、煤气和半焦的技术。 固体热载体法快速热解属于煤的低温干馏过程。煤低温干馏过程仅是一个热加工过程，常压生产即可制得煤气、焦油和半焦，实现了煤的部分气化和液化，所以也称为煤的温和气化或煤的轻度气化过程。与煤的直接液化、间接液化相比，过程相对简单，投资少。 固体热载体法快速热解技术使用粉粒状原料（小于6mm），不怕煤热粉化，尤其适合于褐煤。同时，与其它低温干馏方法相比，固体热载体法快速热解技术多产油品，生产的低温煤焦油质量好，焦油中含有脂肪烃、芳烃和酚类物质，可加工得化学品和燃料油。 褐煤含水多，热值低，应用受到很大限制。但褐煤挥发分高，是热解（干馏）技术处理的理想原料。褐煤固体热载体法快速热解得到优质低温煤焦油的同时，还得到半焦和煤气。半焦热值高于原煤（根据煤种不同一般高20%～50%）。半焦反应活性好。原料煤的灰分不同，得到的半焦灰分也不同。灰分低的半焦可用作高炉喷吹料、烧结粉焦和铁合金用焦粉，也可以加工成洁净的无烟燃料等；灰分高的半焦可用作合成气原料，也可以燃烧发电。固体热载体法快速热解可燃气为中热值煤气，可用作城市煤气、工业燃料或发电，也可以用作工业原料，例如转化制氢。根据不同目标煤固体热载体法快速热解技术可以与其他工艺组成多联产，如固体热载体法快速热解可作为联合循环发电的组成部分，半焦可作为气化原料或锅炉燃料，煤气可用于提高燃气轮机入口温度，提高发电效率，这样既高效洁净发电，又产低温焦油；固体热载体法干馏半焦用作电厂燃料，实现动力煤先提油再发电的目标；固体热载体法干馏半焦气化制合成气，进一步合成化工产品（甲醇、二甲醚、合成油等）；固体热载体法快速热解可以与煤焦油加氢组合为成套技术，生产石脑油、柴油和燃料油，固体热载体法快速热解得到的煤气转化制氢，所得氢气用作煤焦油加氢；固体热载体法快速热解还可以与煤提质结合，除了半焦作为提质煤（或其中一部分）外，煤气也可用于煤提质热源。煤热解组合工艺及主要目标产品见图2.1。 图2.1 煤热解组合工艺及主要目标产品 2．3 工艺特点 大连理工大学煤新法干馏技术有如下特点： （1）油收率高。油收率达到铝甑干馏含油率值的75%～85%； （2）原料利用率高，可达100%。理论上，煤都可以处理成小于6mm的粉粒原料; （3）可有效处理易热粉碎原料煤，尤其适合于褐煤； （4）可与多个过程实现联产。可以与煤发电配套（循环流化床锅炉和煤粉炉均可），可以与煤焦油加氢配套，也可以与煤提质配套等； （5）单套装置处理原料能力大（3000～5000吨/日）； （6）产品(油)质量好，凝固点低、粘度低； （7）产品燃气热值高，热值为15～18MJ/m3； （8）生产过程耗水量少； （9）废水量少，SO2和NOx排放量少； （10）生产装置热效率较高，能耗较低； （11）常压生产，不需纯氧； （12）开停灵活，操作弹性大，控制相对容易。 3 规模与工艺流程 3．1 示范工程规模 示范工程规模的确定主要是考虑该技术推广时示范工程能够起到示范作用，同时要有一定的经济效益。褐煤固体热载体法快速热解技术单套装置的经济规模为年加工褐煤150～200万吨，如果规模较小（例如，年加工15～20万吨褐煤，投资4000～5000万元），难于起到示范作用。该技术示范工程的规模确定为年加工褐煤85万吨是比较合适的。年处理85万吨褐煤固体热载体快速热解技术示范工程中热解工艺过程处理褐煤为60万吨，与工业试验比较，放大12倍风险不大，在此基础上完全可以设计年加工褐煤150～200万吨褐煤固体热载体法快速热解技术单套装置（经济规模）。年加工褐煤85万吨示范工程还有一定的经济效益，有利于其较长时间发挥其示范作用，财务评价见下一章。 3．2 工艺流程 褐煤固体热载体法快速热解技术是一个以褐煤半焦作干馏热载体为基本特点的系统。核心部分是固体热载体循环系统，其中包括：加热提升管（用于提升和再次燃烧加热循环的颗粒固体热载体）、热载体收集槽（将热的固体热载体从燃烧烟气中离出来，并贮存待用）、混合器（将原料煤与热载体迅速混合，引发干馏）和热解反应器（为混合后物料提供充分停留时间，使热解反应进行完全）。 下面以褐煤固体热载体法快速热解生产低温煤焦油、半焦提质煤和煤气为例介绍褐煤固体热载体法快速热解技术生产工艺流程。这里的半焦提质煤是指褐煤固体热载体法快速热解过程中褐煤与热半焦混合得到提质煤与半焦的混合物。煤热解部分工艺流程见附图。 生产工艺包括褐煤热解和煤焦油回收及煤气净化两部分： 热解（干馏）部分包括备煤、干燥提升、热解混合、热烟气循环、烟气除尘和褐煤提质各系统；煤焦油回收及煤气净化部分包括急冷与气液分离、冷凝鼓风、硫酸铵、脱硫、粗苯回收、脱酚及废水处理各系统。 主要的生产工艺流程按系统分述如下： 3.2．1 热解（干馏）部分 （1） 备煤系统 原料煤用皮带送往破碎机，原料中<50㎜的煤料经筛分直接由皮带机送粉碎机，>50㎜的煤料经破碎机破碎至<50㎜，由皮带机输送经筛分，<6㎜的煤料由皮带机送入原料煤贮槽。>6㎜的筛上物送入粉碎机进行粉碎到工艺要求煤料粒度（<6㎜），再由皮带机送入原料煤贮槽。 （2） 干燥提升系统 原料煤由原煤贮槽经螺旋给料机送入干燥提升管的底部，用热烟气进行干燥提升。热烟气来自干馏系统的热烟气下降管（Ⅱ）。 干燥提升管的下部设有沸腾段，较大的煤粒在此得到充分干燥。经过干燥，煤中的水分可由30％左右降低到5％以下，煤料温度约80℃，由二级旋风分离器分离（其中第二级采用环流式旋风除尘器）收集，干煤入干煤贮槽。 （3） 热解混合系统 来自干煤贮槽的约80℃干煤和来自热半焦贮槽的750℃热半焦，分别由给料机和滑阀控制，按1：3-1：5的比例在混合器中快速均匀混合后入反应器。 在反应器中，煤在约520℃条件下快速热解，气体产物即荒煤气从反应器上侧部引出，经过二级旋风分离器除尘分出半焦细粉，进入焦油回收系统。 荒煤气在高温条件下高效除尘是关键，它关系到油品的质量。本工艺采用二级环流式旋风除尘器。环流式旋风除尘器是一种高效除尘器，单级环流式旋风除尘器效率在96%以上。经过二级环流式旋风除尘器，低温煤焦油的含尘量小于0.1%。 褐煤热解后成为半焦，与热载体一起进入加热提升管底部作为循环半焦。循环半焦被来自热烟气循环系统的热烟气（含一定浓度的氧）加热提升。在加热提升过程中，半焦部分燃烧，温度由520℃上升至750℃，入热载体贮槽。 热烟气由热载体贮槽顶部引出，进入热烟气旋风分离器（Ⅱ）。经热烟气进入热烟气下降管（Ⅱ），进入干燥提升管的底部，用以干燥提升原料煤。 （4） 热烟气循环系统 热烟气循环系统主要包括循环烟气鼓风机和热烟气发生炉。 热烟气发生炉在开工阶段可以用煤作燃料产生热烟气烘炉，正常生产时可用气体燃料燃烧产生热烟气。以煤热解得到的部分煤气为原料，通入空气燃烧，混入烟气，并控制热烟气中氧含量。热烟气经热烟气下降管(Ⅰ)入热解系统（加热提升管底部）。 （5） 烟气除尘系统 从干燥提升管顶部出来的干煤和热烟气，经二级旋风分离器分离出干煤后，热烟气再经环流式旋风除尘器（第3级）除尘，一部分经烟气鼓风机送入热烟气发生炉，另一部分烟气经引风机烟囱排放，烟气中颗粒物小于250mg/m3，二氧化硫小于50ppm,氮氧化物小于30ppm。 （6） 提质煤系统 由热载体贮槽排出约700℃的剩余半焦，进入提质煤缓冲槽（1），提质煤缓冲槽（1）同时接收来自热烟气旋风分离器的细焦粉。提质煤缓冲槽（1）排除的剩余半焦进入提质煤缓冲槽（2），再进入提质煤混合器，与原料褐煤混合，回收半焦热量，同时原料褐煤被干燥并失去部分水分，得到半焦提质煤。控制提质煤温度100℃以下。产品半焦提质煤用皮带送往提质煤产品储存系统。 3.2．2 焦油回收及煤气净化部分 （1） 急冷与气液分离系统 来自干馏车间的490℃荒煤气进入急冷管及洗气管。煤气用表压为150～200kPa的循环氨水通过喷头强烈喷洒，被喷成细雾状的氨水与煤气充分接触，由于煤气温度高且远没有被水气所饱和，所以煤气放出大量的显热，氨水大量蒸发。在洗气管中煤气的的温度由490℃降至80～90℃，同时有50%～60%的焦油气冷凝下来。急冷洗气后的荒煤气进入气液分离器,在此煤气与焦油、氨水、焦油渣等分离。分离下来焦油、氨水和焦油渣一起进入机械化氨水澄清槽。经过澄清分成四层：从上到下依次为轻油层（最上层，密度约为0.94～0.98kg/L），