专利名称：一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于煤化工生产技术和燃气-蒸汽联合发电技术等领域，具体涉及一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺。
背景技术：
中国是世界上最大的煤炭生产和消费国之一，煤炭储量占世界总储量的20%，其中年轻煤种占50%左右。由于年轻煤种(如褐煤)存在着热值低、传统应用方式利用率低等问题，难以满足普通用户的质量要求，影响了煤资源的直接利用。因此，研究如何高效、清洁利用年轻煤资源具有重大的能源、环境意义。 我国从20世纪90年代开始大力推广洁净煤技术，其核心主要是将煤进行气化后转化为洁净燃料再进行综合利用，因此，将煤进行气化制备清洁燃料技术成为褐煤等年轻煤种高效、清洁利用的主要方向。但是，由于煤中挥发分和固定碳所需气化条件迥然不同，造成了气化条件苛刻、工艺设备复杂、投资较高等问题。实际上，煤中的挥发分可以通过干馏的方法实现与固定碳的有效分离，即所谓的煤干馏拔头。挥发分经干馏后生成的气体产物包括煤气、苯、萘、焦油等十分有用的化学品，可用做生产燃料或化工产品的原料；气化后产生固体残留物为半焦，具有高化学活性、高固定碳、低灰、低硫、低磷、低碱金属氧化物等特性，可以进行燃烧或气化得到进一步的利用，从而实现煤的分质利用。通过煤气化将燃气轮机发电和蒸汽轮机相结合可以有效提高煤的发电效率，目前世界上主要米用 IGCC 工艺。IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)过程的特点是将煤气化后制备得到高温可燃气体，高温可燃气体经过降温、净化后再燃烧得到高温燃气，推动燃气轮机、蒸汽机联合发电。但是，由于其煤炭气化和煤气净化部分附加投资大，运行能耗高，导致目前IGCC的总体热-电效率并不高(美国Tanpa工厂的报告数据仅为38. 5%)。为了克服IGCC过程的缺点，美国专利US 5685138提出将IGCC过程中制备得到的高温可燃气体先用于原料煤的干燥，得到含有一定水蒸气的燃气再进入燃气轮机燃烧发电，可一定程度地提高热电效率。专利CN202165134U (基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统)则提出了先将煤进行热解产生气体、液体燃料和固体半焦，气体和液体燃料进入燃气轮机进行燃烧发电，固体半焦燃烧推动蒸汽轮机发电，该技术集成了 IGCC和超超临界发电的优点，提高了发电效率，但此技术中的煤化学品直接进入燃气轮机燃烧并未得到高值利用。专利201110268971.0 (—种粉煤直燃的整体联合循环发电系统)提出了一种粉煤直燃的整体联合循环发电系统。该技术不需要煤气化单元，煤粉直接燃烧后经高温过滤即进入燃气轮机、蒸汽轮机，缩短了流程、避免了整个过程温度经历“升温-降温-升温”过程，提高了热-电效率。但该过程的问题在于煤粉直燃后得到的高温燃气中含有大量粉尘会对燃气轮机叶片产生磨损，同时高温燃气中还含有一定量的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物，燃气轮机在长期运行过程中，这些物质会在在轮机叶片上的结疤，并对叶片造成腐蚀，因此需要严格控制进入燃气轮机的气体中的腐蚀性杂质的含量。
发明内容
本发明为解决现在技术中的问题，本发明提出将“年轻煤种拔头技术-半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统-燃气发电-超临界/超超临界蒸汽发电系统-CO2捕集技术-干馏拔头气体产物高值利用技术”等六个技术模块进行集成创新，以实现高挥发年轻煤种的热力学-化学全价、清洁利用(Themo-Chemical Comprehensive Utilization ofCoal,简称TCXUC)，并显著提高过程的热_电效率。本发明采用以下技术方案予以实现—种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，它包括六个技术模块组成，所述六个技术模块为技术模块I年轻煤种干馏拔头部分、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统、技术模块III燃气轮机发电系统、技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统、技术模块V为CO2捕集技术和技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分。所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，所述六个技术模块工艺过程如下所述技术模块I年轻煤种干馏拔头部分，以高挥发性的煤炭年轻煤种为原料，通过干馏拔头技术分别得到半焦固体产品和焦炉煤气、粗苯、粗萘、焦油及其它高温气体产品；得到的半焦进入技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在空气或氧气中进行加压燃烧，生成高温高压、含尘、含少量氧和少量硫化物的气体，再经过预除尘、高温脱硫后进入催化燃净室，在一氧化碳、氢气和甲烷等还原性气氛下将残余氧完全去除；除氧后的高温高压燃气进入“电除尘-高温过滤”装置进行高温除尘，得到符合燃气轮机要求的纯净燃气；所述燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV超临界或超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界/超超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V 二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。所述由技术模块I中年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及 其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分中，所述焦油通过加氢技术生产轻质燃油；所述焦炉煤气经过净化后，进入变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃油过程；所述粗苯、粗萘及其它气体作为下游精细化学品原料。优选的，所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，所述技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统包括半焦直接燃烧、预除尘、高温脱硫、催化燃净、高温除尘工序，得到的高温高压燃气压力为0. l-8MPa，温度为800-1500°C，含尘量小于IOmg/m3 ;燃气中碱金属总量低于0. 024mg/kg。优选的，所述高温高压燃气压力为2MPa，温度为1200°C。优选的，，所述的催化燃净工序为在催化剂的作用下使气体中少量的氧气与还原性气体组分氢气、甲烷和一氧化碳进行反应，以达到除去气体中氧气，延长后续高温过滤介质的寿命；所述的催化剂是呈颗粒层状或网状或蜂窝状的材料，催化剂的活性组分是贵金属、稀土金属和铁系金属中的一种，催化燃净室的操作温度为800-1500°C，催化燃净室出口气体中O2含量为0. 0-0. 5%。优选的，所述催化燃净室的操作温度为1200°C，O2含量为0. 10%。优选的，所述的技术模块II半焦直燃制备高温燃气轮机工质系统中，所述的高温除尘工序步骤包括静电除尘和高温过滤；所述高温过滤中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维中的一种或多种。所述碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、浙青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、浙青基石墨化碳纤维中的一种。所述改性碳纤维材料是二氧化硅(Si02)、三氧化二铝(A1203)、氧化锆(Zr02)、二氧化钛(Ti02)、硅酸铝 CmSiO2 nAl203)、娃酸错(mSi02 nZr02)、碳化娃(SiC)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氮化娃(Si3N4 )、玻璃及其它耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性。所述高温过滤介质的形式是碳纤维布或碳纤维毡，高温过滤装置操作温度为300-1500°C。优选的，所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，它包括以下具体工艺步骤a、在技术模块I年轻煤种干馏拔头部分中，年轻煤种置于多段低温干馏方炉内，采用外热式热解方式对煤进行低温连续干馏，褐煤在碳化室中自上而下经过100-20(TC进行脱水干燥、400-1200°C下进行干馏使煤料进行热解脱除挥发分，生成半焦和荒煤气，其中荒煤气中含有焦炉煤气、粗苯、粗萘和焦油等产品。所得半焦产品已去除掉大部分的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物。b、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统，包括半焦直燃、高温高压燃气除氧、除尘等过程。由技术模块I得到的固体产物半焦经粉碎后进入燃烧室，在空气气氛中进行直接燃烧得到高温、高压燃气。为了提高后续工段的CO2的捕获效率，采用氧气使其进行富氧燃烧，燃烧室为热壁式或冷壁式，燃烧气化室采用加压式，燃烧室的操作压力为0. l-8MPa，出口温度为800-1500°C，含尘量小于10mg/m3，燃气中碱金属总量低于
0.024mg/kg。C、由b步骤得到的高温、高压燃气中含有较多粉尘、少量的硫化物、氮氧化物和少量的02，首先经过高温旋风装置去除部分粉尘，再经过高温脱硫脱硝装置实现硫化物、氮氧化物的脱除。含少量O2的高温高压燃气进入催化燃净室，与变压吸附(PSA)工段制备得到的0)、0)2和CH4的混合气体混合，在催化剂作用下与混合气中的O2反应，出口气体中氧含量小于0. 0-0. 5% ;催化材料可以是粒状催化剂填充层、蜂窝状陶瓷、催化金属网或粉状催化剂。d、由c步骤得到的脱除粉尘、硫化物、氮氧化合物和氧气的高温、高压燃气进入高温过滤器。高温过滤器由“高温布袋除尘器”或“高温电除尘器+高温布袋除尘器”组成。高温过滤装置中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维。其中碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、浙青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、浙青基石墨化碳纤维；改性碳纤维材料为Si02、Al203、Zr02、Ti02、mSi02 nAl203、HiSiO2 nZr02、SiC、TiC、TiN等耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性。高温过滤介质的形式为碳纤维布或碳纤维毡，高温过滤装置操作温度为800-1500°C。e、由d步骤得到的洁净、高温、高压燃气，进入技术模块III燃气轮机发电系统，通过高温高压气体膨胀做功发电。f、从e步骤燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV中的蒸汽锅炉将水加热生成超临界状态或超超临界状态的水蒸气，推动蒸汽轮机进行发电。g、从锅炉出来的烟道气进入技术模块V CO2捕集系统，通过CO2捕集技术实现CO2的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。h、由a步骤技术模块I得到的荒煤气从干馏段出口排出进入技术模块VI。荒煤气在此模块中进入煤气冷却净化系统进行冷却净化，并回收焦油。焦炉气依次经过水冷、间冷、电捕焦油器、脱苯工序，分别得到焦油、苯、萘和焦炉煤气。i、净化后得到的焦炉气组成约为H2 :15%_50%、CH4 :25%_45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此气体经过加压、冷冻后，在0. 5-1. 3MPa下进行变压吸附脱氢操作，制备得到H2以及CO、CO2和CH4的混合气体。CO、CO2和CH4混合气体作为还原性气体进入技术模块II 的催化燃净室，H2则进入本技术模块的焦油加氢裂解工序制备轻质燃油。j、由h步骤得到的焦油、苯、萘等化学品可作为原料进入下游产业；所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，它包括以下具体步骤以褐煤为原料，在技术模块I年轻煤种干馏拔头技术中，褐煤经过破碎、筛分后得到6-20mm的碎块，装入低温干馏炉后经过150°C的预热段进行干燥，干燥后的煤块进入560°C左右的干馏段进行干馏，干馏后经过冷却段得到固体半焦，荒煤气、粗苯、粗萘、焦油，经干馏过程后，固体半焦的残留碱金属总量为0. 020mg/kg ；随后，半焦进入技术模块II富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在纯氧气氛下直接燃烧，得到1200°C、2MPa的高温高压、含4. 0%02的燃气，高温高压燃气经过高温旋风除尘和高温脱硫装置脱除粉尘和硫化物，然后在催化燃净室中与焦炉气变压吸附脱氢后得到的还原性气体COXH4反应将大部分O2脱除；催化燃净室出来的燃气中含O2量减小到0. 10%,随后进入高温过滤装置；在“高温电除尘+SiC表面改性的碳纤维过滤介质的过滤装置”中1200°C下实现高温燃气净化；净化后的燃气中含尘量lOppm，成为符合燃气轮机要求的纯净燃气。纯净燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体再进入技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界水蒸汽推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V 二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。由技术模块I年轻褐煤干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用技术中；所述焦油通过加氢技术生产轻质燃料油；所述焦炉煤气经过净化后，进入活性炭/分子筛的变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷和二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应；所述氢气用于焦油加氢制轻质燃料油过程；所述粗苯和粗萘作为下游精细化学品原料。本发明以煤拔头、高温除尘等关键技术的突破为核心，以多工艺模块的集成创新为具体实施方式
，实现了煤的热力学-化学全价、清洁利用，并大幅提高过程的发电效率。本发明通过干馏拔头工艺得到焦炉气、粗苯、粗萘和焦油等产品的同时，实现了煤粉中大部分的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物的脱除，得到洁净的半焦产品。半焦空气/富氧/纯氧直燃既避免了 IGCC过程中复杂的煤气化过程，又避免了煤直燃燃气发电易出现碱金属氯化物/硫化物等高温下在燃气机上的沉积而影响燃气机的正常操作。高温过滤装置的开发避免了 IGCC中必须的煤气降温除尘处理工序，从而提高了热效率。半焦富氧或纯氧燃烧后的高浓度CO2烟气有利于CO2捕集，从而实现CO2的减排。干馏拔头得到的气体产物中的粗苯、粗萘作为下游精细化学品原料，焦油进行加氢以制备轻质燃料油，从而实现其高附加值利用。本发明有效地利用褐煤等具有高挥发分的年轻煤种，实现了半焦、轻质燃料油和化学品的联产；通过“燃气_蒸汽”联合发电，并引入超临界/超超临界发电新技术，提高了热量的有效利用率，可使发电效率达到50%-70%。本发明与现有技术相比具有以下显著的优点(I)煤化学上进行分质利用，以煤中的固体分通过燃烧发电，挥发分生产轻质燃料油和化学品，使煤中高质碳氢化合物得到高附加值利用，从而实现了煤的化学高效利用。
(2)干馏拔头同时实现了半焦的脱氢、脱硫、脱水，且大大地降低了碱金属化合物在高温下(800-1500°C)的蒸气分压，同时开发的高温过滤技术避免了降温除尘处理，实现了高温燃气直接进入燃气轮机发电，因此具有热力学上优势。(3)利用燃气轮机发电(900_1500°C)和蒸汽机发电相结合的方法，充分利用高温炉气的有用功。引入超临界/超超临界发电新技术，可使发电效率提高到50%_70%。(4)与传统IGCC相比，避免了复杂的煤气化过程，具有投资少、效益高的优点。(5)采用富氧或纯氧燃烧，有利于CO2捕集,减少CO2排放,从而实现了煤的清洁利用。
图I为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。参见图I。本发明一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，它包括以下具体工艺步骤a、在技术模块I年轻煤种干馏拔头部分中，年轻煤种置于多段低温干馏方炉内，采用外热式热解方式对煤进行低温连续干馏，褐煤在碳化室中自上而下经过100-20(TC进行脱水干燥、400-120(TC下进行干馏使煤料进行热解脱除挥发分，生成半焦、焦炉气、粗苯、粗萘和焦油等产品。所得半焦产品已去除掉大部分的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物。b、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统，包括半焦富氧直燃、高温高压燃气除氧、除尘等过程。由技术模块I得到的固体产物半焦经粉碎后进入燃烧室，在空气气氛中进行直接燃烧得到高温、高压燃气。为了提高后续工段的CO2的捕获效率，可以采用氧气使其进行富氧燃烧，燃烧室可以是热壁式或冷壁式。为了提高发电效率，燃烧气化室可以是加压式，加压燃烧室的操作压力可以0. l-8MPa，出口温度超过800-1500°C，含尘量小于10mg/m3,燃气中碱金属总量低于0. 024mg/kg。C、燃烧后得到的高温、高压燃气中含有较多粉尘、少量的硫化物、氮氧化物和少量的O2，其经过高温旋风装置去除部分粉尘，再经过高温脱硫脱硝装置实现硫化物、氮氧化物的脱除。含少量O2的高温、高压燃气进入催化燃净室，与变压吸附(PSA)工段制备得到的0)、0)2和CH4的混合气体混合，在催化剂作用下混合气中的O2可完全反应，出口气体中氧含量小于0. 0-0. 5%。催化材料为粒状催化剂填充层、蜂窝状陶瓷、催化金属网或粉状催化剂。d、除去O2的高温、高压燃气进入高温过滤器。高温过滤器由“高温布袋除尘器”或“高温电除尘器+高温布袋除尘器”组成。其中高温布袋除尘器的性能与结构要求如专利申请号为2011202983165所述，高温过滤装置中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维。其中碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、浙青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、浙青基石墨化碳纤维；改性碳纤维材料为Si02、Al203、Zr02、Ti02、mSi02 nAl203、mSi02 nZr02、SiC、TiC、TiN 等耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性。高温过滤介质的形式为碳纤维布或碳纤维毡；高温过滤装置操作温度为800-1500°C。e、经过技术模块II中高温过滤得到的洁净、高温、高压燃气，进入技术模块III燃气轮机发电系统，通过高温高压气体膨胀做功发电。f、从燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV中的蒸汽锅炉将水加热生成超临界状态或超超临界状态的水蒸气，推动蒸汽轮机进行发电。g、从锅炉出来的烟道气进入技术模块V CO2捕集系统，通过CO2捕集技术实现CO2的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。h、由技术模块I得到的荒煤气从干馏段出口排出进入技术模块VI。荒煤气在此模块中进入煤气冷却净化系统进行冷却净化，并回收焦油。焦炉气依次经过水冷、间冷、电捕焦油器、脱苯工序，分别得到焦油、苯、萘和焦炉煤气。i、净化后得到的焦炉气组成约为H2 :15%-50%、CH4 :25%_45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此气体经过加压、冷冻后，在0. 5-1. 3MPa下进行变压吸附脱氢操作，制备得到H2以及CO、CO2和CH4的混合气体。CO、CO2和CH4混合气体作为还原性气体进入技术模块II的催化燃净室，H2则进入本模块的焦油加氢裂解工序制备轻质燃油。
j、荒煤气冷却后净化、精制后得到的苯、萘等化学品可作为原料进入下游产业。实施例I以褐煤为原料，在技术模块I年轻煤种干馏拔头技术中，褐煤经过破碎、筛分后得到6-20mm的碎块，装入低温干馏炉后经过150°C的预热段进行干燥，干燥后的煤块进入560°C左右的干馏段进行干馏，干馏后经过冷却段得到固体半焦、荒煤气、粗苯、粗萘、焦油等。经干馏过程后固体半焦的残留碱金属总量为0.020mg/kg。随后半焦在技术模块II富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在纯氧气氛下直接燃烧，得到1200°C、2MPa的高温高压、含4. 0%02的燃气。高温高压燃气经过高温旋风除尘和高温脱硫装置脱除大部分粉尘和硫化物，然后在催化燃净室中与焦炉气变压吸附脱氢后得到的还原性气体0)、014在12001反应，反应后高温燃气中的02浓度降低至0. 1%。除氧后的高温燃气进入高温过滤装置，在“高温电除尘+碳纤维为过滤介质的过滤装置”中实现高温下(1200°C )的燃气净化。净化后的燃气中含尘量lOppm，成为符合燃气轮机要求的纯净燃气。高温过滤所用介质材料为聚丙烯腈基碳纤维经SiC表面改性后制备所得。纯净燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电。从燃气轮机出来的高温气体再进入技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电，综合发电效率为58%。从锅炉出来的烟道气进入技术模块V 二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。由技术模块I年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘等高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用技术中。焦油通过加氢技术生产轻质燃料油；焦炉煤气经过净化后，进入活性炭/分子筛的变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块11中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃料油过程；粗苯、粗萘等作为下游精细化学品原料。实施例2 以挥发分含量超过20%的长焰煤为原料，在技术模块I年轻煤种干馏拔头技术中，长焰煤经过破碎、筛分后得到30-50_的碎块，装入低温干馏炉后经过200°C的预热段进行干燥，干燥后的煤块进入600°C左右的干馏段进行干馏，干馏后经过冷却段得到固体半焦、荒煤气、粗苯、粗萘、焦油等。随后半焦在技术模块II富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在纯氧气氛下直接燃烧，得到1300°C、4MPa的高温高压、含3. 0%02的燃气。高温高压燃气经过高温旋风除尘和高温脱硫装置脱除大部分粉尘和硫化物，然后在催化燃净室中与焦炉气变压吸附脱氢后得到的还原性气体0)、014在13001反应，反应后高温燃气中的O2含量降低至0. 15%，碱金属总量低于0. 024mg/kg。随后进入高温过滤装置。在“高温电除尘+碳纤维为过滤介质的过滤装置”中实现高温下(1300°C)的燃气净化。净化后的燃气中含尘量8ppm，成为符合燃气轮机要求的纯净燃气。高温过滤所用介质材料为聚丙烯腈基碳纤维经HiSiO2 ^nAl2O3表面改性后制备所得。纯净燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电。从燃气轮机出来的高温气体再进入技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电，综合发电效率为62%。从锅炉出来的烟道气进入技术模块V二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。由技术模块I年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘等高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用技术中。焦油通过加氢技术生产轻质燃料油；焦炉煤气经过净化后，进入活性炭/分子筛的变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃料油过程；粗苯、粗萘等作为下游精细化学品原料。实施例3以挥发分含量约25-30%的不黏煤为原料，在技术模块I年轻煤种干馏拔头技术中，不黏煤经过破碎、筛分后得到100-120mm的碎块，装入低温干馏炉后经过180°C的预热段进行干燥，干燥后的煤块进入800°C左右的干馏段进行干馏，干馏后固体经过冷却段得到半焦、荒煤气、粗苯、粗萘、焦油等。随后半焦进入技术模块II富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，半焦经粉碎后进入燃烧室，在纯氧气氛下直接燃烧，得到1100°C、3MPa的高温高压、含5. 0%02的燃气。高温高压燃气经过高温旋风除尘和高温脱硫装置脱除大部分粉尘和硫化物，然后在催化燃净室中与焦炉气变压吸附脱氢后得到的还原性气体CO、CH4在1100°C下反应，反应后高温燃气中的O2含量降低至0. 15%，碱金属总量低于0. 018mg/kg。随后进入高温过滤装置。在“高温电除尘+石墨化碳纤维为过滤介质的过滤装置”中实现高温下(IlO(TC)的燃气净化。净化后的燃气中含尘量6ppm，成为符合燃气轮机要求的纯净燃气。高温过滤所用介质材料为聚丙烯腈基石墨化碳纤维经SiO2表面改性后制备所得。纯净的高温、高压燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电。从燃气轮机出来的高温气体再进入技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电，“燃气-蒸汽”综合发电效率为56%。从锅炉出来的烟道气进入技术模块V的二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。 由技术模块I年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘等高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用技术中。焦油通过加氢技术生产轻质燃料油；焦炉煤气经过净化后，进入活性炭/分子筛的变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块11中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气(或补加外来氢气)用于焦油加氢制轻质燃料油过程；粗苯、粗萘等作为下游精细化学品原料。
权利要求
1.一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括六个技术模块组成，所述六个技术模块为技术模块I年轻煤种干馏拔头部分、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统、技术模块III燃气轮机发电系统、技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统、技术模块V为CO2捕集技术和技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分。
2.如权利要求I所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是所述六个技术模块工艺过程如下 所述技术模块I年轻煤种干馏拔头部分，以高挥发性的煤炭年轻煤种为原料，通过干馏拔头技术分别得到半焦固体产品和焦炉煤气、粗苯、粗萘、焦油及其它高温气体产品；得到的半焦进入技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在空气或氧气中进行加压燃烧，生成高温高压、含尘、含少量氧和少量硫化物的气体，再经过预除尘、高温脱硫后进入催化燃净室，在一氧化碳、氢气和甲烷等还原性气氛下将残余氧完全去除；除氧后的高温高压燃气进入“电除尘-高温过滤”装置进行高温除尘，得到符合燃气轮机要求的纯净燃气；所述燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV超临界或超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界/超超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V 二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。
所述由技术模块I中年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分中，所述焦油通过加氢技术生产轻质燃油；所述焦炉煤气经过净化后，进入变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃油过程；所述粗苯、粗萘及其它气体作为下游精细化学品原料。
3.如权利要求2所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统包括半焦直接燃烧、预除尘、高温脱硫、催化燃净、高温除尘工序，得到的高温高压燃气压力为0. l_8MPa，温度为800-1500°C，含尘量小于10mg/m3 ;燃气中碱金属总量低于0. 024mg/kg。
4.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述高温高压燃气压力为2MPa，温度为1200°C。
5.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述的催化燃净工序为在催化剂的作用下使气体中少量的氧气与还原性气体组分氢气、甲烷和一氧化碳进行反应，以达到除去气体中氧气，延长后续高温过滤介质的寿命；所述的催化剂是呈颗粒层状或网状或蜂窝状的材料，催化剂的活性组分是贵金属、稀土金属和铁系金属中的一种，催化燃净室的操作温度为800-1500°C，催化燃净室出口气体中O2含量为0. 0-0. 5%。
6.如权利要求6所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述催化燃净室的操作温度为1200°C，O2含量为0. 10%。
7.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述的技术模块II半焦直燃制备高温燃气轮机工质系统中，所述的高温除尘工序步骤包括静电除尘和高温过滤；所述高温过滤中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维中的一种或多种； 所述碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、浙青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、浙青基石墨化碳纤维中的一种。所述改性碳纤维材料是二氧化娃(SiO2)、三氧化二招(Al2O3)、氧化错(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、娃酸招(mSi02 nAl203)、硅酸锆(mSi02 nZr02)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氮化硅(Si3N4)、玻璃及其它耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性； 所述高温过滤介质的形式是碳纤维布或碳纤维毡，高温过滤装置操作温度为300-1500°C。
8.如权利要求I所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括以下具体工艺步骤 a、在技术模块I年轻煤种干馏拔头部分中，年轻煤种置于多段低温干馏方炉内，采用外热式热解方式对煤进行低温连续干馏，褐煤在碳化室中自上而下经过100-20(TC进行脱水干燥、400-1200°C下进行干馏使煤料进行热解脱除挥发分，生成半焦和荒煤气，其中荒煤气中含有焦炉煤气、粗苯、粗萘和焦油等产品。所得半焦产品已去除掉大部分的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物； b、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统，包括半焦直燃、高温高压燃气除氧、除尘等过程。由技术模块I得到的固体产物半焦经粉碎后进入燃烧室，在空气气氛中进行直接燃烧得到高温、高压燃气。为了提高后续工段的CO2的捕获效率，采用氧气使其进行富氧燃烧，燃烧室为热壁式或冷壁式，燃烧气化室采用加压式，燃烧室的操作压力为.0.l-8MPa，出口温度为800-1500°C，含尘量小于10mg/m3，燃气中碱金属总量低于0. 024mg/kg ； C、由b步骤得到的高温、高压燃气中含有较多粉尘、少量的硫化物、氮氧化物和少量的O2,首先经过高温旋风装置去除部分粉尘，再经过高温脱硫脱硝装置实现硫化物、氮氧化物的脱除。含少量O2的高温高压燃气进入催化燃净室，与变压吸附(PSA)工段制备得到的CO、CO2和CH4的混合气体混合，在催化剂作用下与混合气中的O2反应，出口气体中氧含量小于.0.0-0. 5% ;催化材料可以是粒状催化剂填充层、蜂窝状陶瓷、催化金属网或粉状催化剂； d、由c步骤得到的脱除粉尘、硫化物、氮氧化合物和氧气的高温、高压燃气进入高温过滤器。高温过滤器由“高温布袋除尘器”或“高温电除尘器+高温布袋除尘器”组成。高温过滤装置中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维。其中碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、浙青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、浙青基石墨化碳纤维；改性碳纤维材料为Si02、A1203、ZrO2, TiO2, mSi02 nAl203、HiSiO2 nZr02、SiC、TiC、TiN等耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性。高温过滤介质的形式为碳纤维布或碳纤维毡，高温过滤装置操作温度为800-1500°C ； e、由d步骤得到的洁净、高温、高压燃气，进入技术模块III燃气轮机发电系统，通过高温高压气体膨胀做功发电； f、从e步骤燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV中的蒸汽锅炉将水加热生成超临界状态或超超临界状态的水蒸气，推动蒸汽轮机进行发电； g、从锅炉出来的烟道气进入技术模块VCO2捕集系统，通过CO2捕集技术实现CO2的减排。从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用； h、由a步骤技术模块I得到的荒煤气从干馏段出口排出进入技术模块VI。荒煤气在此模块中进入煤气冷却净化系统进行冷却净化，并回收焦油。焦炉气依次经过水冷、间冷、电捕焦油器、脱苯工序，分别得到焦油、苯、萘和焦炉煤气； i、净化后得到的焦炉气组成约为H2:15%-50%、CH4 :25%-45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此气体经过加压、冷冻后，在0. 5-1. 3MPa下进行变压吸附脱氢操作，制备得到H2以及CO、CO2和CH4的混合气体。CO、CO2和CH4混合气体作为还原性气体进入技术模块II的催化燃净室，H2则进入本技术模块的焦油加氢裂解工序制备轻质燃油； j、由h步骤得到的焦油、苯、萘等化学品可作为原料进入下游产业。
9.如权利要求I所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括以下具体步骤 以褐煤为原料，在技术模块I年轻煤种干馏拔头技术中，褐煤经过破碎、筛分后得到6-20mm的碎块，装入低温干馏炉后经过150°C的预热段进行干燥，干燥后的煤块进入560°C左右的干馏段进行干馏，干馏后经过冷却段得到固体半焦，荒煤气、粗苯、粗萘、焦油，经干馏过程后，固体半焦的残留碱金属总量为0. 020mg/kg ； 随后，半焦进入技术模块II富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在纯氧气氛下直接燃烧，得到1200°C、2MPa的高温高压、含4. 0%02的燃气，高温高压燃气经过高温旋风除尘和高温脱硫装置脱除粉尘和硫化物，然后在催化燃净室中与焦炉气变压吸附脱氢后得到的还原性气体CO、CH4反应将大部分O2脱除；催化燃净室出来的燃气中含O2量减小到0. 10%,随后进入高温过滤装置；在“高温电除尘+SiC表面改性的碳纤维过滤介质的过滤装置”中1200°C下实现高温燃气净化；净化后的燃气中含尘量lOppm，成为符合燃气轮机要求的纯净燃气。纯净燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体再进入技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界水蒸汽推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V 二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用； 由技术模块I年轻褐煤干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用技术中；所述焦油通过加氢技术生产轻质燃料油；所述焦炉煤气经过净化后，进入活性炭/分子筛的变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷和二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应；所述氢气用于焦油加氢制轻质燃料油过程；所述粗苯和粗萘作为下游精细化学品原料。
全文摘要
本发明涉及一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，通过“年轻煤种干馏拔头工艺-半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统-燃气发电-超临界/超超临界发电-CO2捕集-干馏拔头气体产物高值利用技术”等六个工艺模块的集成创新，尤其是半焦富氧直燃后不降温除尘除杂的方法直接得到符合燃气轮机工质纯度要求的高温高压燃气，实现煤的热力学-化学全价、清洁利用，发电效率可达60%以上。本发明与IGCC技术相比，以半焦富氧直燃代替了投资昂贵的煤气化工序，开发了高温除尘技术，充分利用了高温燃气的有用功。具有投资少，工艺简单，发电效率高等特点，同时还副产苯、萘、燃料油等高附加值化学品。
文档编号C10K1/32GK102965131SQ201210390040
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者金涌, 胡永其, 胡山鹰, 王勇, 张志强, 余海鹏 申请人:金涌