240 t/d固体热载体粉煤热解工艺及中试研究
敬旭业1,王 坤1,董鹏飞1,孟广军1,朱治平1,2,吕清刚1,2
(1.中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049)
摘 要：以粉煤分质梯级利用为背景,提出了一种固体热载体粉煤热解工艺,该工艺主要包含基于循环流化床技术的热解-缺氧燃烧耦合系统、缺氧燃烧煤气的脱灰及余热回收系统和热解煤气的脱灰及油气净化分离系统,并于2016年底完成了该工艺中试装置72 h满负荷连续稳定运行。中试试验以0～10 mm的神木煤为原料,原料煤满负荷输入量为240 t/d,试验结果表明：热解煤气中CH4和H2的体积分数分别为35.3%和12.5%,热解煤气热值达到20 920 kJ/Nm3以上;热解焦油产率为9.24%,为原料煤格金焦油产率的81.8%;产品焦油的含尘率为0.47%,焦油中的正庚烷可溶物质量分数为84.3%;热解半焦的固定碳含量为86.3%,热值为29 985.5 kJ/kg。计算表明,该中试装置72 h连续稳定运行期间的物料平衡偏差为1.93%,能量利用效率为87.95%。
关键词：固体热载体;粉煤;热解;中试;焦油品质;热解煤气品质
0 引 言
我国“缺油、少气、煤炭资源相对丰富”的资源禀赋条件,决定了煤炭将长期作为我国的主导能源[1],而在我国的煤炭资源结构中,褐煤、长焰煤、弱黏煤和不黏煤等低阶煤在煤炭总储量和总开采量的占比均在50%以上[2]。随着采煤机械化程度的提高,块煤产率降低至20% ～30%,造成了粉煤的长期大量积压[3]。低变质粉煤的煤化程度低,具有挥发分高、化学反应性高、发热量低、水分高等特点[4-5],以这部分低阶粉煤为原料,通过低温热解方式将其分解为气、液、固三相产品[6],以此首先实现原料的分质,然后再根据各类产物性质及结构差异梯级转化,是实现低阶粉煤清洁高效梯级利用的主要途径,具有非常重要的经济价值和社会效益[7-9]。
针对低阶粉煤热解技术,国内外学者展开了大量研究。德国的Lurgi-Ruhgas(LR)工艺,以自产半焦作为热载体,系统所需热量由半焦和空气燃烧提供。该工艺焦油收率高、煤气发热量高(12.6～13.5 MJ/m3)、系统热效率高(86.6% ～89.0%),但是存在焦油含尘量高、分离困难、后处理系统容易堵塞的问题[10-11]。美国的Toscoal固体热载体粉煤热解工艺,处理的原料煤粒度在12 mm以下,以陶瓷球作为固体热载体,其粒度略大于原煤粒度,陶瓷球加热所需燃料为自产煤气。Toscoal工艺具有加热速度快、焦油产率高等优点,但系统热效率低、设备复杂[5,12-13]。大连理工大学开发的褐煤固体热载体热解技术(DG工艺)以0～6 mm的粉煤为原料,以半焦作为固体热载体,固体热载体升温由空气和煤气燃烧提供热量。DG工艺的优点是热效率高、产品焦油产率较高,热解煤气发热量大于16.73 MJ/m3;主要缺点是存在固-固混合不均匀且耗时较长、气-固分离设备多、热解粉尘带出量过大[5]。此外,还有苏联的ETCH工艺[10]、浙江大学的循环流化床多联产工艺[14]、陕煤化的低阶煤气化-热解一体化技术、河南龙城集团的旋转床低温热解等诸多热解技术。上述技术在工程化过程中或多或少存在诸如高温物料输送困难、高温密封不严、高温热解气除尘不净、焦油品质差等问题,均未能实现工业化长期稳定运行。
中国科学院工程热物理研究所从20世纪90年代开始依次建设了每小时的煤处理量公斤级、百公斤级的试验平台和240 t/d固体热载体粉煤低温热解热态中试装置,该240 t/d固体热载体粉煤热解中试装置,于2016年底实现了72 h满负荷连续稳定运行。
1 中试试验
1.1 试验用煤
以0～10 mm的神木煤为原料,其粒径分析如图1所示,d50=2.3 mm,d90=6.3 mm。其工业分析、元素分析和格金焦油产率见表1。
图1 试验用煤的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of experimental coal
表1 试验用煤的工业分析、元素分析和格金焦油产率
Table 1 Compositions and Gray-King tar yield of coal used in the experiment
1.2 240 t/d固体热载体粉煤热解工艺流程及原理
1.2.1 240 t/d固体热载体粉煤热解工艺流程
240 t/d固体热载体粉煤热解工艺流程如图2所示。输送来的原煤1(粒度0～10 mm)首先进入原料煤仓C,然后经螺旋给煤机D输送至热解炉L,与由燃烧炉B来的高温固体热载体9在热解炉L中混合接触换热,煤粉温度逐步升高,发生脱除挥发分等一系列复杂的煤热解反应,产生热解油气21和粉焦41。热解炉出口的粉焦41分为2部分:一部分经过半焦冷却器X冷却后,作为固体产品46送出;另一部分则作为低温固体热载体42进入燃烧炉B与进入燃烧炉B的空气气化剂2、3、4发生缺氧燃烧而被加热形成新一轮循环的高温固体热载体,缺氧燃烧气体产物和高温固体热载体7经过旋风分离器E进行分离,分离出来的高温固体热载体9经过上返料螺旋F进入热解炉L与焦粉5混合。半焦作为固体热载体,循环于热解炉L和燃烧炉B之间,连续为热解提供热源。
图2 240 t/d固体热载体粉煤低温热解中试装置流程
Fig.2 Schematic diagram of the system
热解反应产生的气相产物21从热解炉L顶部排出后,进入热解煤气的脱灰及油气净化分离系统。热解煤气21经过两级旋风分离器M、N和高温静电除尘器O除尘后,进入沥青洗涤分离器P。在沥青洗涤分离器P内,采用温度低的焦油30、39直接对热解油气24进行喷淋,进一步除尘和降温。降温除尘后的热解油气28进入激冷塔R底部,与激冷塔喷淋的焦油33、38在激冷塔R内部逆流接触,再次降温后从激冷塔R顶部排出。经激冷塔R再次降温后的热解油气31进入冷却分离器T冷却,进一步降温并析出热解水与轻油。经过冷却分离器T冷却的热解气35输出系统,热解水与轻油在油水分离器U内静置后可分离为热解水37和轻油36分别输出系统。沥青洗涤分离器P底部和急冷塔R底部分别获得沥青29和重油32,沥青与重油分别经过冷却后,一部分沥青作为循环沥青30喷淋到沥青洗涤分离器P内部、一部分重油作为循环重油33喷淋到激冷塔R内部,剩余的沥青47与重油48混合在一起,经过离心机V深度除尘后一部分作为沥青洗涤分离器P的喷淋焦油39,一部分作为激冷塔R的喷淋焦油38,剩余部分沥青44输出系统。离心机脱除下来的油渣40,输送至热解炉R提油。两级旋风分离器M、N和高温静电除尘器O脱除下来的焦粉经过冷却后45输出系统。
燃烧炉R产生的高温煤气从旋风分离器E顶部分离后进入缺氧燃烧煤气的脱灰及余热回收系统。高温煤气8先后通过二级旋风分离器H、余热锅炉G冷却和布袋除尘器I除尘净化后排出系统。余热锅炉G产生的蒸汽18,一部分作为气化剂20通入燃烧炉R,另一部分作为副产品输出系统19。
该工艺主要包含基于循环流化床技术的热解-缺氧燃烧耦合系统、缺氧燃烧煤气的脱灰及余热回收系统和热解煤气的脱灰及油气净化分离系统。基于循环流化床技术的热解-缺氧燃烧耦合系统,实现半焦固体热载体的循环和0～10 mm粒径煤的热解,产生未经处理的热解油气和高温缺氧燃烧煤气,并输出洁净半焦;燃烧炉为流化床,热解炉为流化床耦合移动床的复合热解炉,热解炉上部的物料在热解产生的气相产物流化下,实现固体热载体与粉煤快速掺混,热解炉下部的物料以移动床形式下行,杜绝了含氧气氛窜入热解炉;旋风分离器分离出来的物料,通过非机械阀返入热解炉,返料速率可通过松动风与流化风调控;热解炉出口物料通过机械返料装置返回燃烧炉,返料速率通过机械返料装置的运行频率调控。缺氧燃烧煤气的脱灰及余热回收系统,实现高温缺氧燃烧煤气余热的回收利用和脱灰,并副产蒸汽。热解煤气的脱灰及油气净化分离系统,则是对热解油气进行逐级的脱灰和冷却分离,保证高品质焦油和中低热值热解气的输出。
1.2.2 240 t/d固体热载体粉煤热解工艺原理
中试装置采用的固体热载体粉煤热解技术的工艺原理如图3所示,该工艺采用半焦作为固体热载体。高温固体热载体从热解炉顶部进入热解炉,为粉煤热解提供热源,粉煤热解产生的热解油气产物从热解炉顶部排出,热解产生的半焦一部分从热解炉底部冷却排出,另一部分则作为低温固体热载体进入燃烧炉,与进入燃烧炉的空气发生缺氧燃烧而被加热形成新一轮循环的高温固体热载体。固体热载体作为热解热源媒介循环于热解炉和燃烧炉之间,连续为热解提供热源。
图3 240 t/d固体热载体粉煤低温热解工艺原理
Fig.3 Technical principle diagram of the system
1.3 试验分析与测量
1.3.1 煤气成分分析
热解煤气成分及热值分析方法,采用 GB 12208—2008中规定的人工煤气成分分析方法。
1.3.2 焦油取样及分析
焦油样品从离心机至成品焦油罐油管路上的取样口获取。焦油分析指对焦油取样进行正庚烷可溶物含量、四组分、黏度、密度、元素分析、热值、焦油含尘量进行分析。其中,焦油的正庚烷可溶物含量、四组分、黏度、密度、元素分析和热值分析,均委托煤炭科学技术研究院有限公司按照国家标准或行业标准进行分析。焦油的含尘率,则采用丙酮作为焦油溶剂,通过过滤的方式实现焦油和粉尘的分离,获得焦油含尘率数据,其分析步骤如下:
1)从离心机至成品焦油罐油管路上的取样口获取焦油样品;
2)称量焦油样品质量为m1(g);
3)采用丙酮充分溶解焦油;
4)称量放入干燥器中恒重的滤纸和器皿(2次称量之差不超过0.2 mg)质量m2(g);
5)通过布氏漏斗对丙酮充分溶解的焦油进行过滤,并通过丙酮对滤饼进行冲洗,直至冲洗液没有颜色为止;
6)将滤饼连同滤纸放入器皿中,并在105℃烘箱中干燥,至2次称量之差不超过0.4 mg,滤饼连同滤纸和器皿质量为m3(g);
7)焦油含尘率为(m3-m2)/m1×100%。
1.3.3 关键物流的流量计量
1)原料煤量
原料煤量按试验阶段输送带秤累计计量为准。
2)半焦量
产品半焦量按输送带秤累计计量为准。
3)热解煤气量
热解煤气量按收油系统出口总管上的煤气流量计测量值为准。
4)焦油量、热解水
焦油量和热解水量计量则按试验阶段前后储罐液位差值计算为准。
5)余热锅炉给水
余热锅炉水消耗量的计量按余热锅炉给水泵出口流量计数值计算为准。
6)耗电量
中试装置运行耗电量的计量按电表读数为准。
7)烟气量
燃烧炉排出的烟气量的计量按布袋除尘器出口总管上的流量计测量值为准。
2 试验结果
2.1 中试装置的典型运行特性
240 t/d固体热载体粉煤热解中试装置于2016年底完成了72 h的满负荷连续稳定和运行,该中试装置的典型运行特性见表2。72 h满负荷运行期间,燃烧炉和热解炉上、中、下3部分的整体运行温度曲线如图4所示,试验期间燃烧炉和热解炉的运行温度分别在950、690℃左右。
表2 装置典型运行特性
Table 2 Typical operation conditions of the system
图4 连续运行工况下燃烧炉和热解炉的温度曲线
Fig.4 Temperature curves of the gasification and pyrolysis furnaces under continuous operating conditions
2.2 产物分析结果
2.2.1 热解煤气组分
固体热载体粉煤热解工艺生产的煤气成分见表3。CH4、H2和 CO 的体积分数分别为 35.3%、12.5%和 15.6%,热解气热值在 20 920 kJ/Nm3以上。该工艺生产的热解煤气既可作为优质的人工煤气,也可作为化工原料。
2.2.2 焦油分析
固体热载体粉煤热解工艺生产的焦油物性与组分含量见表4。焦油含尘率仅0.47%,焦油中正庚烷可溶物达到85%,密度为986.7 kg/m3,H元素含量为10.03%,焦油组分中沥青质含量仅2.32%,表明焦油品质好,是焦油深加工的优质原料。
表3 热解煤气成分分析
Table 3 Pyrolysis gas compositions
表4 焦油物性和组分含量分析
Table 4 Physical property analysis and compositions of tar
2.2.3 半焦与焦粉分析
产品半焦和焦粉的工业分析、元素分析和热值分别见表5。本工艺生产的半焦产品挥发分均小于10%,固定碳大于85%。既可以作为有色金属还原剂、电极材料、制取活性炭原料,又可作为炼焦配煤瘦化剂或型焦原料。
表5 产品半焦和焦粉的工业分析和元素分析
Table 5 Compositions of char and power char produced in the experiment
2.3 物料平衡与系统能效
240 t/d固体热载体粉煤热解中试装置72 h满负荷连续运行物料平衡与能效计算见表6。焦油产率9.24%,为原料煤格金焦油产率的81.8%;热解半焦中约16%的半焦去往燃烧炉气化,剩余半焦作为产品输出,半焦与焦粉产率为63.8%,热解煤气的产率为7.6%。输入输出物流的质量偏差为1.93%,系统能效为87.95%。
表6 系统的物料平衡与能效
Table 6 Mass balance and energy efficiency of the system
2.4 工艺技术特点
目前工艺在工程化过程中出现了诸如高温物料输送困难、高温密封不严、高温热解气除尘不净、焦油品质差、系统长周期运行不稳定等问题。而本文提出的240 t/d固体热载体粉煤热解中试装置,实现了72 h满负荷连续稳定运行,解决了固体热载体粉煤热解系统运行不稳定、焦油含尘率高等难题,以此为基础形成了模型化设计技术及设计开发平台,为后续固体热载体粉煤热解提油工业化装置的设计、运行奠定了坚实的基础。
提出的基于循环流化床技术的热解-缺氧燃烧耦合工艺,以半焦作为固体热载体,通过对固体热载体输运和加热的协同控制,实现了热解反应温度的精确控制,大幅提高了焦油及半焦的品质;解决了粉煤热解焦油含尘率高的问题;本工艺流化床耦合移动床的复合热解炉中,热解炉上部的物料在热解产生的气相产物流化下,可实现固体热载体和粉煤的快速掺混,热解炉下部的物料以移动床形式下行,杜绝了含氧气氛窜入热解炉,避免了燃烧析出的挥发分;属于国内首台稳定运行的240 t/d规模的基于循环流化床技术的高温半焦固体热载体粉煤低温热解生产焦油、洁净半焦和热解煤气的中试项目。
3 结 论
1)针对低阶粉煤的分质清洁利用,提出了一种固体热载体粉煤热解工艺,并对工艺技术特点进行了总结。该工艺的240 t/d中试装置实现了72 h满负荷连续稳定运行,试验期间可连续稳定生产焦油、半焦和热解气。本次中试试验的进出口物料偏差为1.93%、系统能效为 87.95%。
2)240 t/d固体热载体粉煤热解工艺生产的焦油品质好、产率高:产品焦油的含尘率为0.47%,焦油中正庚烷可溶物达到了85%,密度为 986.7 kg/m3;焦油产率为原料煤格金焦油产率的81.8%。
3)240 t/d固体热载体粉煤热解工艺生产的热解煤气品质高,CH4、H2和 CO的含量分别为35.3% 、12.5% 和 15.6%,热解气热值＞20 920 kJ/Nm3。
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Pilot plant study on 240 t/d pulverized coal pyrolysis technology with solid heat carrier
JING Xuye1,WANG Kun1,DONG Pengfei1,MENG Guangjun1,ZHU Zhiping1,2,LYU Qinggang1,2
(1.Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract:Taking the cascade utilization of pulverized coal as the background,a pulverized coal pyrolysis technology with solid heat carrier was proposed in this study.The proposed technology mainly includes the pyrolysis-gasification coupled system based on circulating fluidized bed,the system for removing coal ash and waste heat recovery from gasification gas and the system of deashing,purification and separation for pyrolysis oil-gas.The pilot plant of this technology has achieved a continuous and stable operation for 72 hours at the end of 2016.In the pilot experiment,the coal of 0-10 mm was used as the raw material and the feed amount of raw coal was a full load of 240 t/d.The experimental results show that the volume content of CH4and H2in the pyrolysis gas are 35.3%and 12.5%,and the calorific value of the pyrolysis gas is over 20 920 kJ/Nm3;the yield of pyrolysis tar is 9.24%,which is 81.8%of the Gray-King tar yield of raw coal;the dust content of the product tar is 0.47%,and the mass fraction of N-heptane soluble in tar is 84.3%;the fixed carbon content in the pyrolysis semicoke is 86.3%and the calorific value of the semicoke is 29 985 kJ/kg.For the pilot plant that operated continuously and steadily for 72 hours,the calculated mass balance deviation and energy efficiency are 1.93%and 87.95%,respectively.
Key words:solid heat carrier;pulverized coal;pyrolysis;pilot;tar quality;pyrolysis gas quality
中图分类号：TQ530
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2018)01-0050-07
收稿日期：2017-12-25;
责任编辑：张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2018.01.009
基金项目：中国科学院战略性先导科技专项资助项目(XDA07010300)
作者简介：敬旭业(1986—),男,河北安平人,助理研究员,博士,从事循环流化床粉煤热解气化关键技术的研究开发与应用。E-mail:jingxuye@iet.cn。 通讯作者:朱治平,研究员。 E-mail:zhuzhiping@iet.cn
引用格式：敬旭业,王坤,董鹏飞,等.240 t/d固体热载体粉煤热解工艺及中试研究[J].洁净煤技术,2018,24(1):50-56.
JING Xuye,WANG Kun,DONG Pengfei,et al.Pilot plant study on 240 t/d pulverized coal pyrolysis technology with solid heat carrier[J].Clean Coal Technology,2018,24(1):50-56.
