专利名称：低阶煤提质方法以及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型低阶煤提质方法及其设备，特别涉及褐煤热解半焦钝化与煤焦油轻质化耦合的低阶煤提质方法及其设备。
背景技术：
我国褐煤储量丰富，2010年褐煤产量超过3亿吨，占全国煤炭产量的10%。褐煤的高效加工利用已成为我国煤炭能源领域高度关注的问题。
由于褐煤成煤期短，其水量、氧含量和挥发份高，全水分高达20-60%。一方面导致热值低，不适于直接燃烧；另一方面造成化学反应性过高，在空气中极易风化和破碎，不适于远距离运输和长期储存。因此，褐煤提质是褐煤利用的关键环节。为了满足不同用途对煤炭品质的要求，褐煤提质加工技术分为脱水提质、成型提质和热解提质，其中热解提质可以同时获取半焦、煤焦油和煤气三种初级产品，被认为是褐煤综合利用的有效方法。
褐煤热解提质研究已有近30年的历史。褐煤提质工艺技术根据加热方式可分为外热式、内热式及内热外热混合式；根据加热介质的不同有固体热载体法和气体热载体法两种；根据固体物料在反应器内的运行状况可分为旋转床、固定床、流化床、气流床、及滚动床(回转炉/窑)技术等。
国外褐煤热解提质成套工艺技术的典型代表主要有美国油页岩公司(The Oil Shale Corporation)开发的Toscoal回转炉热解工艺；美国壳牌采矿(Shell Mining Company)公司和美国SGI公司合作开发的LFC (Liquid FromCoal)工艺；西部能源公司开发的ACCP (Advanced Coal Conversion Process)热解工艺；澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)开发的流化床快速热解工艺；德国Lurgi GmbH和美国Ruhrgas AG联合开发的Lurg1-Ruhrgas (L-R)固体热载体低温热解工艺；及德国Lurgi GmbH开发的 Lurg1-Spuelgas (L-S)工艺等。国内研究煤炭热解技术的单位众多，比较典型的适用于褐煤热解提质的技术有中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的多段回转炉(MRF)热解工艺；大连理工大 学郭树才等人研究开发的褐煤固体热载体法干馏(DG)工艺；神华煤制油化工研究院正在开发的低阶煤热解工艺；中科院山西煤化所和中科院过程工程研究所的 “煤拔头工艺”(BT工艺)等。
褐煤热解提质工艺的技术优劣取决于煤气、煤焦油和半焦的品质，上述各种工艺旨在提升半焦品质的同时获得煤焦油或煤气。从热解温度角度对比上述各工艺可以看出 除ACCP技术外，其它技术的热解温度均超过500°C，所得半焦产品简单钝化处理后不易自燃，吸湿性也得到显著改善。从加热的速度上来比较，CSIRO采用的流化床技术既有气固传热也有固固传热，热解速度快，液体产量要显著高于其它提质技术，但品质和可加工性较差。
原Encoal工艺采用喷水激冷熄焦，一方面造成用水量大、另一方面造成半焦激冷崩裂而粉化。国内唯一投产的规模化褐煤提质项目是大唐锡林浩特的LFC褐煤提质工艺， 属于中低温干馏褐煤提质工艺，处理能力30万吨/年。但该项目生产的提质褐煤碎渣比例大、远距离运输困难，产品主要供周边地区工业锅炉使用。
总体来看，目前国内外的褐煤提质技术大部分处于试验研究和工业验证阶段，尚无大规模工程化应用的先例和经验。大部分技术存在工艺系统复杂、系统运行可靠性低、褐煤提质成本高、环境污染重等问题。其主要原因包括
I)由于煤固体物料的特有属性，在实际工程化中，煤粉(尘)的形成和控制是实验室甚至半工业试验台规模无法验证的；
2)褐煤热解温度低，各种热交换或反应均为相对低温的过程，由此导致传热温差小，低品位热量的利用困难，过程效率低；
3)对褐煤半焦钝化的机理、工艺操作条件及工程化放大的研究尚无开展，使整套工艺在成熟度和商业推广上受限。发明内容
为了克服这些缺点，本申请的发明人借鉴重质油加工中两级分化(延迟焦化)的理念和炼钢焦炭强度提升的思路，提出热解煤焦油钝化半焦和半焦原位缓慢冷却的工艺，不仅提高了半焦强度、降低半焦表观化学，而且热解煤焦油原位轻质化，达到半焦钝化和煤焦油轻质化的双重目的，一举两得。
本发明提供一种低阶煤提质方法，其包括干燥步骤，通过第一气体热载体将煤层加热至140°C以下，进行干燥，使得干燥后获得的低阶煤的水分重量含量在59Γ15%，并产生副产气体；热解步骤，通过第二气体热载体使上述干燥后获得的低阶煤的煤层温度达到 35(T650°C，得到含尘气体与热半焦，上述含尘气体的固相物质与气相物质分离后，得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为上述第一气体热载体或者上述第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气；裹覆步骤，由气体冷载体逐步冷却位于同一空间内的上述热半焦与上述裂解气，上述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，上述半焦被温度为20(T300°C的上述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和熄焦钝化步骤，使得进一步冷却后的上述裹覆半焦与温度为4(T70°C的上述副产气体直接接触，重新吸附水分，进行裹覆半焦的表面氧化和 再水合的反应，使该裹覆半焦的水分重量含量为8 16%。
在上述低阶煤提质方法中，优选，上述第一气体热载体与上述第二气体热载体均以CO2和气态H2O为主要组分，上述第一气体热载体在进入干燥步骤前的温度控制在 140^2400C，上述第二气体热载体在进入热解步骤前的温度控制在38(T680°C。
在上述低阶煤提质方法中，优选，上述第二气体热载体的氧含量的体积百分比小于等于2%,优选在O. 5^2%内，更优选在O. 5%以下,上述第一气体热载体的氧含量的体积百分比小于等于6%，更优选小于等于5%，进一步优选小于2 3%，更优选在1%左右。
在上述低阶煤提质方法中，优选，在上述热解步骤中，上述煤层的厚度为20(Γ600 毫米，上述煤层的加热速率在5 100°C /s的范围内。
在上述低阶煤提质方法中，优选，上述干燥后获得的低阶煤的水分重量含量在 6°/Γ Ο%，上述温度为4(T70°C的上述副产气体的水分重量含量在10 20%，氧的体积百分含量为5-21%。
在上述低阶煤提质方法中，优选，上述气体冷载体为室温下的氮气，上述重组分是浙青质，上述低阶煤为褐煤。
在上述低阶煤提质方法中，优选，在上述裹覆步骤中，上述裂解气被冷却至 25(T300°C，分离为气相的粗煤气和液相的煤焦油，上述粗煤气包括CO、CH4, H2和CO2，上述煤焦油包括饱和烃、芳香烃、非烃和浙青质。
在上述低阶煤提质方法中，优选，还包括从上述裹覆步骤产生的混合气体中分离液体油的液体油分离步骤。
本发明还提供一种低阶煤提质设备，其包括热风炉、干燥器、裂解器、旋风分离器、 裹覆反应器和熄焦钝化器，其中，热风炉，对上述干燥器与上述裂解器提供不同温度的气体热载体；干燥器，接收作为原料煤的低阶煤，与上述热风炉管道连接，通过上述热风炉提供的第一气体热载体将低阶煤层加热至140°C以下，进行干燥，使得低阶煤的水分重量含量在5°/Γ 5%，得到干燥后的低阶煤并产生副产气体，并将上述副产气体通向上述裹覆反应器与上述熄焦钝化器；裂解器，设置于上述干燥器的下方，上述干燥后的低阶煤在重力作用下进入上述裂解器，通过上述热风炉提供的第二气体热载体使经干燥后的煤层温度达到 35(T650°C，得到含尘气体与热半焦，上述含尘气体进入上述旋风分离器后分离得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为上述热风炉中的上述第一气体热载体或者第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气；裹覆反应器， 设置于上述裂解器的下方，上述热半焦在重力作用下进入上述裹覆反应器后，利用管道将上述气体冷载体和上述裂解气输入到上述裹覆反应器，由气体冷载体逐步冷却上述热半焦与上述裂解气，上述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，上述热半焦被温度为20(T30(rC的上述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和熄焦钝化器，使得进一步冷却后的上述热半焦与温度为4(T70°C的上述副产气体直接接触，重新吸附水分，使该半焦的水分重量含量为8 16%。
在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述干燥器相连接的气体处理系统，上述副产气体在经过上述气体处理系统处理后通向上述裹覆反应器与上述熄焦钝化器。
在上述低阶煤提质设备中，优选还包括连接在上述旋风分离器和上述裹覆反应器之间的换热器，上述气相物 质的上述另一部分经过上述换热器的初步冷却后成为裂解气。
在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述裹覆反应器相连的电捕集器，上述混合气体经上述电捕集器分离出液体油。
在上述低阶煤提质设备中，优选还包括与上述裹覆反应器相连的空气分离系统， 从空气中分离出作为上述气体冷载体的氮气。
在上述低阶煤提质设备中，优选上述裹覆反应器分为前段与后段，上述气体冷载体和上述裂解气通入上述前段，上述温度为20(T300°C的上述副产气体通入上述后段。
根据本发明，能够同步实现热解半焦钝化与煤焦油轻质化，并且生产的低阶煤半焦燃烧特性优于普通提质过程所产半焦，着火点低、热值高、燃烧稳定性好，另外，强度大， 长途运输不自燃。并且产品液体油中浙青质含量极低，附加值大，产品价格高，后续深加工方便、经济。
图1为本发明的低阶煤提质方法流程示意图。
符号说明
11干燥器
12热风炉
13裂解器
14旋风分离器
15裹覆反应器
16电捕集器
17熄焦钝化器
21气体处理系统
22空气分离系统
23换热器具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。在本实施方式中，以褐煤为例，揭示低阶煤提质方法及其设备。
如图1所示，作为原料的褐煤经加料管道进入干燥器11，同时，热风炉12将气体热载体供向干燥器11，气体热载体对干燥器11中的褐煤进行加热。其中，热风炉12以氧气及作为补充燃料的燃料油、天然气或液化气等为原料，氧气与补充燃料反应，生成以CO2和气态H2O为主要组 分的气体热载体，例如CO2的体积百分比约为50%，气态H2O的体积百分比约为50%，并且在反应中释放热量，得到具有适宜温度的气体热载体。在本实施方式中，气体热载体进入干燥器11之前的温度(也称为“入口温度”)控制在14(T240°C (比如160°C、 180°C、200°C、220°C)，从而通过该温度的气体热载体将干燥器11中的煤层的温度控制在 140°C以下。
表I
权利要求
1.一种低阶煤提质方法，其特征在于，包括 干燥步骤，通过第一气体热载体将煤层加热至140°C以下，进行干燥，使得干燥后获得的低阶煤的水分重量含量在59Tl5%，并产生副产气体； 热解步骤，通过第二气体热载体使所述干燥后获得的低阶煤的煤层温度达到35(T650°C，得到含尘气体与热半焦，所述含尘气体的固相物质与气相物质分离后，得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为所述第一气体热载体或者所述第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气； 裹覆步骤，由气体冷载体逐步冷却位于同一空间内的所述热半焦与所述裂解气，所述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，所述半焦被温度为200^3000C的所述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和 熄焦钝化步骤，使得进一步冷却后的所述裹覆半焦与温度为4(T70°C的所述副产气体直接接触，重新吸附水分，进行裹覆半焦的表面氧化和再水合的反应，使该裹覆半焦的水分重量含量为8 16%。
2.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 所述第一气体热载体与所述第二气体热载体均以CO2和气态H2O为主要组分,所述第一气体热载体在进入干燥步骤前的温度控制在14(T24(TC，所述第二气体热载体在进入热解步骤前的温度控制在38(T680°C。
3.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 所述第二气体热载体的氧含量的体积百分比小于等于2%，优选在0. 5^2%内，更优选在.0.5%以下， 所述第一气体热载体的氧含量的体积百分比小于等于6%,更优选小于等于5%,进一步优选小于2 3%，更优选在1%左右。
4.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 在所述热解步骤中，所述煤层的厚度为200飞00毫米，所述煤层的加热速率在5^1000C /s的范围内。
5.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 所述干燥后获得的低阶煤的水分重量含量在69TlO%，所述温度为4(T70°C的所述副产气体的水分重量含量在10 20%,氧的体积百分含量为5_21%。
6.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 所述气体冷载体为室温下的氮气，所述重组分是浙青质，所述低阶煤为褐煤。
7.根据权利要求1所述的低阶煤提质方法，其特征在于 在所述裹覆步骤中，所述裂解气被冷却至25(T300°C，分离为气相的粗煤气和液相的煤焦油，所述粗煤气包括CO、CH4、H2和CO2，所述煤焦油包括饱和烃、芳香烃、非烃和浙青质。
8.根据权利要求7所述的低阶煤提质方法，其特征在于， 还包括从所述裹覆步骤产生的混合气体中分离液体油的液体油分离步骤。
9.一种低阶煤提质设备，其特征在于，包括热风炉、干燥器、裂解器、旋风分离器、裹覆反应器和熄焦钝化器，其中， 热风炉，对所述干燥器与所述裂解器提供不同温度的气体热载体； 干燥器，接收作为原料煤的低阶煤，与所述热风炉管道连接，通过所述热风炉提供的第一气体热载体将低阶煤层加热至140°C以下，进行干燥，使得低阶煤的水分重量含量在59^15%，得到干燥后的低阶煤并产生副产气体，并将所述副产气体通向所述裹覆反应器与所述熄焦钝化器； 裂解器，设置于所述干燥器的下方，所述干燥后的低阶煤在重力作用下进入所述裂解器，通过所述热风炉提供的第二气体热载体使经干燥后的煤层温度达到35(T650°C，得到含尘气体与热半焦，所述含尘气体进入所述旋风分离器后分离得到固相物质的粉煤和气相物质，气相物质的一部分经燃烧后补充成为所述热风炉中的所述第一气体热载体或者第二气体热载体，气相物质的另一部分经初步冷却后成为裂解气； 裹覆反应器，设置于所述裂解器的下方，所述热半焦在重力作用下进入所述裹覆反应器后，利用管道将所述气体冷载体和所述裂解气输入到所述裹覆反应器，由气体冷载体逐步冷却所述热半焦与所述裂解气，所述裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，随后，所述热半焦被温度为20(T30(rC的所述副产气体进一步冷却，得到裹覆半焦和混合气体；和 熄焦钝化器，使得进一步冷却后的所述裹覆半焦与温度为4(T70°C的所述副产气体直接接触，重新吸附水分，使该半焦的水分重量含量为8 16%。
10.如权利要求9所述的低阶煤提质设备，其特征在于 还包括与所述干燥器相连接的气体处理系统，所述副产气体在经过所述气体处理系统处理后通向所述裹覆反应器与所述熄焦钝化器。
11.如权利要求9所述的低阶煤提质设备，其特征在于 还包括连接在所述旋风分离器和所述裹覆反应器之间的换热器，所述气相物质的所述另一部分经过所述换热器的初步冷却后成为裂解气。
12.如权利要求9所述的低阶煤提质设备，其特征在于 还包括与所述裹覆反应器相连的电捕集器，所述混合气体经所述电捕集器分离出液体油。
13.如权利要求9所述的低阶煤提质设备，其特征在于 还包括与所述裹覆反应器相连的空气分离系统，从空气中分离出作为所述气体冷载体的氮气。
14.如权利要求9所述的低阶煤提质设备，其特征在于 所述裹覆反应器分为前段与后段，所述气体冷载体和所述裂解气通入所述前段，所述温度为20(T30(TC的所述副产气体通入所述后段。
全文摘要
本发明涉及低阶煤提质方法及设备，该方法中，第一气体热载体将煤层加热至140℃以下，使干燥后获得的低阶煤的水分重量含量在5%~15%，产生副产气体；第二气体热载体使干燥后的低阶煤的煤层温度达到350~650℃，得到含尘气体与热半焦，含尘气体的固相物质与气相物质分离后，得到粉煤和气相物质，气相的一部分经燃烧后补充成为第一气体热载体或者第二气体热载体，气相的另一部分经冷却后成为裂解气；由气体冷载体逐步冷却位于同一空间的热半焦与裂解气，裂解气中的重组分析出并裹覆在逐步冷却的热半焦表面，半焦被温度为200~300℃的副产气体冷却，得到裹覆半焦和混合气体；冷却后的裹覆半焦与温度为40~70℃的副产气体接触，吸附水分，进行裹覆半焦的表面氧化和再水合反应，使裹覆半焦的水分重量含量为8~16%。
文档编号C10B49/02GK102994122SQ20121053012
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者闵健, 李卫华, 顾乃伟, 张宇, 王连声, 陆涛, 秦玉林, 杨菁菁, 袁奋云 申请人:国电龙源电力技术工程有限责任公司