和谐家庭成员龙东生获得 “粉料低温干馏气化装置”发明专利

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在爱心工作室的和谐家庭里,有各个方面的人才,他们在各自的工作学习岗位上不断取得骄人的成绩,为国家和社会作出了贡献。龙东生先生的研究成果——“粉料低温干馏气化装置”,在2017年3月份获得国家发明专利,这是一项利国利民的好事,这也同时为和谐家庭光荣榜又添上一道靓丽的丰采!今年春天,龙东生先生把这项专利发明以论文的形式,发表在我国科技核心期刊《洁净煤技术》2017年第5期上。 











以下是全文:

 

低阶粉煤热解--气化一体化装置构想

龙东生

( 中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,沈阳 110015 )

Longdongsheng

( CCTEG Shenyang Engineering Company,shenyang 110015 )

 

摘要  为了实现《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中指出的研发清洁高效的低阶煤热解技术、攻克粉煤热解等关键技术及开发热解-气化一体化技术目标。通过阐述煤的热解和气化反应原理及目前广泛的存在的热解、气化分产现实,提出了以分质产品、物料互给、热能循环、积木组合、塔状结构等为理念的一体化技术路线。发表了为实现这一路线的一种双塔结构的低阶粉煤低温热解-气化一体化装置构想。介绍了该构想的理论基础、工艺流程、部件结构等以及主、副塔的组合方案。该构想装置可以将低阶粉煤分质生产出热解水蒸气、低温热解煤气、气化煤气、半焦等产品,为煤炭梯级延伸加工提供条件。

 

关键词  粉煤,低阶煤,热解,气化,一体化

Key words  Fine coal,Low rank coal, Pyrolysis,gasification,integration

0 引言

2017年,我国首次对外发布的国家《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》提出,“2021年至2030年,能源消费总量控制在60亿吨标准煤以内,非化石能源占能源消费总量比重达到20%左右。”[1],同时指出,“到2020年,全面启动能源革命体系布局,推动化石能源清洁化,根本扭转能源消费粗放增长方式,实施政策导向与约束并重。”[1]。政策解读为到2030年我国的能源消费依旧以化石能源为主导,但要走化石能源清洁化之路。我国低阶煤资源储量丰富,占我国煤炭储量及煤炭产量的 50%以上,是重要的资源。

同年,国家能源局颁布的《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》(下面简称《规划》)中指出,低阶煤分质利用的功能定位“对成煤时期晚、挥发份含量高、反应活性高的煤进行分质利用,通过油品、天然气、化学品和电力的联产,实现煤炭使用价值和经济价值的最大化。”[2]同时指出,低阶煤分质利用重点任务是“加强热解与气化、燃烧的有机集成,开发热解-气化一体化技术”[2]。

煤炭的热解分质梯级利用是煤炭清洁高效利用的方向,与煤的直接燃烧或气化比,具有高效利用、潜在经济效益等优势,符合现代煤炭转化的发展要求[3]。近年来,国内外有关企业和科研院所竞相研究煤的热解技术,其中,国内研究单位众多[4-7],有代表性的是煤炭科学研究总院煤化工分院开发的MRF热解工艺[8]、大连理工开发的DG热解工艺[9]等,这些技术的探索都不同程度地攻克了许多重大技术难题,为低阶煤热解-气化一体化路线指出了方向。

煤气化技术是煤炭分质利用的关键技术,经过几十年的发展,各类煤气化技术层出不穷,从大的方面的分析看,有固定(移动)床、流化床气化和气流床气化这三大类。这些气化炉技术对于不同的煤种和粒度相对技术成熟度高技术完善。

开发基于热解-气化一体化技术的低阶煤炭资源分质利用及多联技术已经有了社会的共识和技术的基础。本文依据政策导向和利用现有成熟技术为原则,研究将成熟的热解与气化分产装置组合构建一种创新的热解-气化一体化构装置想。

1、粉煤低温热解-气化一体化技术构想

煤炭热解,在工业上也称为干馏,是指在隔绝空气的条件下将煤炭加热到较高温度,煤的有机质会随着温度的升高发生一系列物理化学变化,最终生成固体半焦、热解焦油、热解气等产物[10]。低温热解是指采用较低的加热终温 (500~600℃)热解。煤低温热解的产品是热解煤气。低阶煤的分质利用多采用中低温热解。

煤的热解过程主要包括2个转化步骤,即干燥、煤热裂解。热解是一个吸热过程。热解效果与热解热源有较大关系[11],目前,煤炭热解热源可采用热灰、半焦和热烟气等[12]。

煤的气化是指煤在一定温度及压力下与气化剂(如蒸汽/空气或O2等)发生一系列化学反应,将固体煤转化成粗合成气,同时,副产蒸汽、焦油、灰渣等副产品的过程[13]。气化产物以高温气化煤气的形式产出。

煤的气化过程主要包括4个转化步骤[14],即煤热裂解、氧化燃烧、碳气化、炉渣生成。

根据上述叙述,将煤气化步骤中的第一步煤热裂解与其他步骤物理分开,实现将煤先热解后气化的目的。据此,推导出将低温热解装置和气化炉进行结构叠加,即将热解装置置于气化炉之上,组合一种低阶煤热解-气化一体化技术路线的构想。

基于煤的流动性、传热及效率等因素的考虑,装置原料拟定为粉煤,粒度3~8mm。

该构想装置采用双塔结构,主塔为热解装置与气化炉的组合,副塔为热解装置与冷焦器的组合。主塔工艺原理是将煤炭热解产生的热半焦作为气化炉原料,气化炉产生的高温气化煤气作为热解装置的热源。副塔热源由主塔气化炉导入只进行热解产出半焦。通过双塔组合实现装置间原料的互换与热量的循环利用。

粉煤低温热解-气化一体化技术工艺原理见图1。

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图1  粉煤低温热解-气化一体化技术工艺原理

2、构想粉煤低温热解-气化一体化装置

基于上述一体化构想为构建一体化装置的目的,避免因考虑不周和认知不足所导致的缺陷,气化炉技术借鉴成熟经验融入一体化构想装置。构想装置在结构上应满足常压或有压的不同工况,以适应更广泛的热解和气化对压力的要求。同时,为确保构想装置能够安全运行,在进料、防堵塞、导气、气密性、结构、传热、材料等方面进行了相应结构研究和考虑。研究成一种粉煤低温热解-气化一体化装置[15]。

该装置为双塔结构,由主塔和副塔组成。主塔由从上至下的三部分组成,即给料段、热解段、气化炉;副塔由从上至下的三部分组成,即给料段、热解段、冷焦器。主、副塔给料段位于装置上部,由气化煤气仓、气固分离仓、料仓、给料器等组成,主、副塔给料段部件气化煤气仓、气固分离仓相互连接。主、副塔热解段位于主、副塔中部,由热解器、热解水蒸气室、热解煤气室组成。热解器采用外热式结构,垂直布置,从上至下垂直穿过热解水蒸气室、热解煤气室。主塔下部设气化炉,上口与热解器下口连接。副塔下部设冷焦器,上口与热解器下口连接。

热解器的工作原理,热解耗热由气化炉反应产生的高温气化气从热解器底部进入导气管,通过导气管器壁传给粉煤。粉煤与气化煤气不接触,逆向运动,吸收气化煤气显热,完成干燥、热解、产生半焦。热解过程产生的水蒸气、热解煤气通过热解器外壁气孔,分阶段导出至热解水蒸气室、热解煤气室。高温气化煤气经热解器降温后由主、副塔给料段上端气化煤气仓导出。主塔热半焦落入气化炉作为气化炉原料,副塔热半焦经冷焦器冷却为半焦产品。热半焦从气化炉顶部进入气化炉,由于热半焦温度较高,减少了反应时间和反应能耗。

粉煤低温热解-气化一体装置结构图见图2。

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图2   粉煤低温热解-气化一体化装置结构图

 

3 构想装置主要部件

3.1给料段

给料段从上至下由气化煤气仓、瓶塞、导气管升降器、气固分离仓、粉料斗、推煤器等组成。

1)    气化煤气仓,位于装置顶部,储存产品气化煤气,气化煤气由导气管导入。

2)    瓶塞,设于气化煤气仓内导气管管口上方,目的为了开关和控制导气管煤气流量,分配气化炉生产的气化煤气进入主、副塔热解器的气量和调节气化炉的炉压与气化煤气仓、热解器、热解水蒸气室、热解煤气室间压力平衡。

3)    导气管升降器,导气管上端接气化煤气仓下端接气化炉,设置于气固分离仓与气化煤气仓间导气管外部。目的调节导气管下口与气化炉上口的间隙,控制物料量进炉量使气化煤气与热解过程实现平衡。

4)    气固分离仓,内设布袋除尘器,分离气力输送的物料。仓内压力由控制气力输送的余压实现。保证气固分离仓内压高于热解器内压,目的引导装置内各种气体的流向,保障生产安全。

5)    推煤器,位于粉料斗下部与热解器中间。作用是控制粉煤下降速度和压实粉煤,压实粉煤的目的以防止下部热解气体倒流和为可能发生的由于高温热解而产生的蓬煤使煤停止下降的状况的出现提供解决方法。

3.2热解器

热解器位于主、副塔中部,垂直布置,双管同心管结构。内管为导气管,连接下部汽化炉与顶部给煤段气化煤气仓,热气化煤气在管中由下向上流动。外管为圆形结构,管壁在热解水蒸气室、热解煤气室相应位置开导气孔。内、外管空间为粉煤热解反应腔,煤粉由上至下运动,在腔内进行干燥、热解、半焦过程,产生的水蒸气、热解气由外壁导气孔导出。热解器内管下部煤气进口处工作温度较高,所选材料应依据成熟经验或通过其他方法保持其强度和寿命满足生产要求。

3.3气化炉的选型与改造

气化炉技术是煤炭分质利用的关键也是一体化装置的重要部分。目前有上百种不同规模(从实验规模、中试到商业化规模)气化技术,但大多数商业气化炉可归为3类,固定床气化技术、流动床气化技术、气流床气化技术[15-16]。根据装置原料粒度为3~8mm的拟定条件及装置的结构,研究认为主塔气化炉可以借鉴成熟的流化床气化炉技术。

流化床气化技术以德国温克勒(Winkler)气化技术,山西煤化所的ICC灰融聚气化技术和恩德粉煤气化技术为代表。流化床气化技术以0.5~6.0mm小颗粒煤为原料,在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升气流中,媒粒在沸腾状态进行气化反应,煤粒气化时间为10~100s。气化剂(空气或氧/蒸汽)同时作为流化介质,炉内气化温度(900~1050)均匀,气化易于控制,气化率高[15-17]。与低阶煤低温热解所需的温度500~600℃匹配。

构想装置气化炉借鉴目前较为成熟的流化床气化炉炉型,所不同的是其气化原料进口和煤气出口结构与传统气化炉略有不同。采用顶部设进料出气混合接口,即在同一接口实现原料进炉与气化煤气出炉的功能。在气化炉侧壁开另一个气化煤气出口与副塔的冷焦器连接将高温气化煤气导入副塔。研究对气化炉接口的调整实现气化炉同时向主、副塔热解器供高温气化煤气的目的。

4、构想装置流程叙述

1)装置原料供给,采用气力输送供料,粉煤用惰性气体密相气流输送进入主、副塔气固分离仓,粉煤分别落于主、副塔料仓,物料下落进入推进器,推进器将粉煤向下推进到热解器,在热解器内进行物料的干燥和热解。半焦进入气化炉与气化剂反应生产气化煤气,高温气化气通过热解器内管进入装置顶部气化煤气仓。

2)煤气产出,粉煤在干燥、热解过程中产生的水蒸气、低温干馏煤气通过外管壳上导气孔导出,分别进入热解水蒸气室,低温热解煤气室。气化煤气仓、热解水蒸气室、低温热解煤气室与外部系统连接。

3)气化剂供给及气化灰、渣排出根据成熟经验,这里不再赘述。

5.模块化与积木组合

主副塔可有多种组合方案,本文叙述的主、副塔组合配置仅是其中一种。主塔可单独使用或主塔间联合使用,副塔需与主塔配置使用,不限于一对一使用,如主塔与副塔产半焦组合和主塔与主塔产气化煤气组合等。装置投产后主、副塔也可根据生产的需要灵活投入。

6.一体化装置优势

与分产装置比较一体化装置优势突出,具体表现为,1)物料走向由上至下,符合流程需要,相互连接上游为下游提供原料,减少搬运能耗;2)下游给上游提供反应热量,回收气化煤气显热损失,降低气化气出口温度,实现热能梯级使用,佣损失小,达到节能的目的;3)装置间可实现积木组合,调整灵活,根据产品需要调配主、副塔装置投入数量;4)结构紧凑,空间布置,占地少;5)分质产品,实现在同一个装置连续生产出两种不同品质的煤气(热解煤气、发生炉煤气)、半焦、水蒸气和排渣,为后期的分质利用或多联做准备。

7、结论

我国低阶煤储量丰富,提高煤炭加工转化水平,使煤炭由燃料向原料和燃料转变,将为今后煤炭清洁利用的基本原则。通过对传统热解、气化分产的梳理,《规划》指出的一体化是概念的进步、创新的驱动和政策的方向。

本研究的一体化装置具有分质产品、结构简单、能效比高、物流简化、回热循环、结构紧凑等优点。为低阶煤炭分质利用提供了一种有益的方法。装置定型后有利于从装备制造、工厂建设、生产、管理等方面实现装置的产业化、规范化、工厂化、积木化、立体化、自动化、标准化、规模化。一个构想到现实要有很长的路要走,也会遇到许多认知的错误。但随着技术进步认知提高以及材料科学方面的突破,许多创造性的、大型化的构想将变为现实。     

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工作单位:中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁省沈阳市沈河区先农坛12号,邮编:110015

作者简介:龙东生,男,沈阳人,1965年11月,高级工程师,注册动力工程师,大专,从事电厂热机、锅炉房、热力管网、暖通等工程设计。