一种碱金属催化剂的回收系统的制作方法

文档序号:14916607发布日期:2018-07-11 01:15

本实用新型涉及煤催化气化技术领域,尤其涉及一种碱金属催化剂的回收系统。



背景技术:

碱金属催化剂具有良好的催化活性和甲烷化反应活性,因此广泛应用于煤催化气化领域中。由于其成本较高,因此需要对碱金属催化剂进行回收。以钾催化剂为例,原料煤经催化气化后生成的灰渣中约 70%的钾以水溶性钾盐形式存在,可通过水洗回收;约30%的钾与灰渣中硅铝酸盐结合形成不溶性钾盐,需要通过消解剂(如CaO或Ca(OH)2)在一定温度、压力下与灰渣中不溶性硅铝酸钾发生离子交换,从而将不溶性的钾进行消解回收。

现有技术一般采用水洗和消解相结合的回收工艺回收碱金属催化剂,在催化剂回收操作中,气化炉反应后的高温灰渣经激冷水降温后排放到高压渣锁中,再经高压渣锁泄压后排到常压水洗槽进行水洗操作,以回收可溶性碱金属催化剂。水洗渣水送至板框压滤机进行固液分离后,灰渣进行高压消解反应回收灰渣中不溶性碱金属催化剂,消解反应后的渣浆送至板框压滤机进行固液分离。

水洗渣浆和消解渣浆都需要通过渣浆泵输送至板框压滤机进行渣水分离,渣浆在输送过程中容易发生沉积堵塞,影响回收操作的稳定性和连续性;另外,现有回收工艺历经降温、升温的过程,导致回收过程中能量损失较大,且水洗工艺和消解工艺的用水量都为灰渣质量的6倍以上,总耗水量至少为灰渣质量的12倍,操作水耗高,还进一步导致回收后的催化剂蒸发浓缩能耗也随之增加,成为制约碱金属催化剂在工业上更广泛应用的技术瓶颈。



技术实现要素:

鉴于此,为解决现有技术的问题,本实用新型的实施例提供一种碱金属催化剂的回收系统,采用该系统通过一步消解工艺可回收原料煤经催化气化反应后灰渣中碱金属催化剂,从而可以省去水洗渣浆回收的相应设备,不仅提高了回收工艺的操作稳定性和连续性,还可以降低水耗、能耗。

为达到上述目的,本实用新型的实施例采用如下技术方案:

本实用新型实施例提供了一种碱金属催化剂的回收系统,所述回收系统包括:原料煤反应单元,用于进行煤催化气化反应;第一处理单元,用于对煤催化气化反应后的灰渣进行处理,得到由所述灰渣与水直接构成的渣浆;所述灰渣包含有可溶性碱金属化合物和不可溶性碱金属化合物;消解反应单元,用于进行一步消解反应。

可选的,所述消解反应单元为消解反应釜,所述消解反应釜包括:设置在釜体顶部的进料口,用于排入所述渣浆;设置在所述釜体底部的出渣口,用于排出所述一步消解反应完毕后的消解渣浆;设置在所述釜体中部的浆体喷嘴,用于将包含有消解剂的悬浊液喷入所述消解反应釜内,以进行一步消解反应;所述浆体喷嘴在所述釜体中部的位置低于所述釜体上设置的料位高度。

优选的,所述包含有消解剂的悬浊液还包含有补充的碱金属催化剂,用于维持回收后的所述碱金属催化剂的总负载量不变。

优选的,所述消解反应釜还包括:设置在所述釜体底部的加料口,用于通过气力输送的方式将粉末状的氧化铝加入到所述消解反应釜内,以将所述可溶性碱金属化合物中包含的无催化活性的碱金属硅酸化合物转化为具有催化活性的碱金属氢氧化物。

优选的,所述消解反应釜还包括:设置在所述釜体顶部正中间的搅拌器,所述进料口位于所述釜体顶部偏离所述正中间的侧部。

可选的,所述第一处理单元包括:激冷室,所述激冷室的进料口与所述原料煤反应单元的出渣口连通;高压渣锁,所述高压渣锁的进料口、出渣口分别与所述激冷室的出渣口、所述消解反应单元的进料口连通。

可选的,所述回收系统还包括:第二处理单元,用于对所述一步消解反应完毕后的消解渣浆进行处理,以得到碱金属催化剂溶液。

优选的,所述第二处理单元包括:常压渣斗,用于排入所述消解渣浆;渣浆泵,用于将从所述常压渣斗中排出的所述消解渣浆输送至板框过滤器;所述板框过滤器,用于对所述消解渣浆进行固液分离,得到分离的碱金属催化剂溶液与消解废渣。

优选的,所述回收系统还包括:催化剂溶液储液单元,用于排入所述碱金属催化剂溶液以进行催化剂负载。

可选的,所述原料煤反应单元为流化床反应器。

上述一步消解的回收系统可以实现高温热灰渣中催化剂的直接回收,避免现有技术采用水洗→消解两步回收工艺中先降温降压水洗再升温升压消解的复杂过程,降低整个回收工艺中的热量损失,将耗水量减少为了水洗消解两步工艺的耗水量的一半。还可省去水洗工艺所涉及的包括有水洗罐、渣浆泵、板框压滤机以及水洗溶液储槽等设备的成本;同时避免了灰渣中不可溶性碱金属化合物在水洗工艺中造成的渣浆堵塞问题,降低了由于渣浆堵塞而导致的催化剂回收操作运行不稳定的风险。并且,因上述回收系统采用的回收方法没有经过水洗处理,碱金属催化剂回收工段输出的催化剂回收液浓度增大,可减少催化剂浓缩工段蒸发水量,从而降低能耗。

本实用新型实施例提供的上述一步消解系统中,省去了水洗工艺所涉及的设备,由于没有采用水洗提前将灰渣中可溶性碱金属化合物洗脱,因此在一步消解体系中,可溶性碱金属化合物与消解剂反应转化成相应的强碱,强碱的存在可促进灰渣中不溶性碱金属化合物与消解剂的反应。可以使得上述一步消解回收工艺的总催化剂回收率达到 97%以上,高于现有技术中两步回收工艺耗费大量用水才能达到的约 95%的总催化剂回收率,可在提高总催化剂回收率的同时,达到节水、降耗的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种碱金属催化剂的回收系统配置结构示意图一;

图2为本实用新型实施例提供的一种碱金属催化剂的回收系统配置结构示意图二;

图3为图1中消解反应单元的具体结构示意图;

图4为本实用新型实施例提供的一种碱金属催化剂的回收系统配置结构示意图三。

附图标记:

1-原料煤反应单元;

2-第一处理单元;21-激冷室;22-高压渣锁;

3-消解反应单元;31-釜体;32-进料口;33-出渣口;34-浆体喷嘴;35-加料口;36-搅拌器;H-料位高度;

4-第二处理单元;41-常压渣斗;42-渣浆泵;43-板框过滤器;

5-催化剂溶液储液单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。

需要指出的是,除非另有定义,本实用新型实施例中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本实用新型所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解,诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义,而不应用理想化或极度形式化的意义来解释,除非这里明确地这样定义。

如图1所示,本实用新型实施例提供了一种碱金属催化剂的回收系统,该回收系统包括:

原料煤反应单元1,用于进行煤催化气化反应;

第一处理单元2,用于对煤催化气化反应后的灰渣进行处理,得到由灰渣与水直接构成的渣浆;灰渣包含有可溶性碱金属化合物和不可溶性碱金属化合物;

消解反应单元3,用于容纳渣浆与消解剂,以进行一步消解反应。

需要说明的是,灰渣中包含的“可溶性碱金属化合物”与“不可溶性碱金属化合物”是相对于水为溶剂而言,即碱金属催化剂经过煤催化气化反应后,其金属元素部分存在于能够溶解于水的化合物中,部分存在于不能溶解于水的化合物中。

上述渣浆由灰渣与水直接构成,即没有对灰渣进行常规回收处理工艺中的水洗处理。

本实用新型实施例提供的上述碱金属催化剂的回收系统,原料煤在原料煤反应单元1中进行催化气化反应后,经过第一处理单元2的常规处理得到由灰渣与水直接构成的渣浆,与消解剂在消解反应单元 3中直接进行一步消解操作。以上述碱金属催化剂具体为钾催化剂为例,灰渣中可溶性碱金属化合物即为可溶性钾盐,不可溶性碱金属化合物通常为不溶性硅铝酸钾(KAlSiO4),消解剂通常为氢氧化钙 (Ca(OH)2)和/或氧化钙(CaO),以消解剂具体为Ca(OH)2为例,消解反应式具体如下所示:

在上述消解反应体系中,灰渣中可溶性的钾盐与消解剂反应生成强碱氢氧化钾(KOH)。可溶性钾转化成的KOH一方面提高了上述一步消解回收反应体系的碱度,以促进灰渣中不溶性钾的回收;另一方面,KOH的存在可以促进不溶性硅铝酸钾分子键的断裂,进而使其转化为KOH,可进一步提高不溶性钾盐的回收率。

上述一步消解的回收系统可以实现高温热灰渣中催化剂的直接回收,避免现有技术采用水洗→消解两步回收工艺中先降温降压水洗再升温升压消解的复杂过程,降低整个回收工艺中的热量损失,将耗水量减少为了水洗消解两步工艺的耗水量的一半。还可省去水洗工艺所涉及的包括有水洗罐、渣浆泵、板框压滤机以及水洗溶液储槽等设备的成本;同时避免了灰渣中不可溶性碱金属化合物在水洗工艺中造成的渣浆堵塞问题,降低了由于渣浆堵塞而导致的催化剂回收操作运行不稳定的风险。并且,因上述回收系统采用的回收方法没有经过水洗处理,碱金属催化剂回收工段输出的催化剂回收液浓度增大,可减少催化剂浓缩工段蒸发水量,从而降低能耗。

本实用新型实施例提供的上述一步消解系统中,省去了水洗工艺所涉及的设备,由于没有采用水洗提前将灰渣中可溶性碱金属化合物洗脱,因此在一步消解体系中,可溶性碱金属化合物与消解剂反应转化成相应的强碱,强碱的存在可促进灰渣中不溶性碱金属化合物与消解剂的反应。通过调节消解剂的适当加入量,可以使得上述一步消解回收工艺的总催化剂回收率达到97%以上,高于现有技术中两步回收工艺耗费大量用水才能达到的约95%的总催化剂回收率,可在提高总催化剂回收率的同时,达到节水、降耗的效果。

进一步的,如图2所示,上述回收系统还包括:第二处理单元4,用于对一步消解反应完毕后的消解渣浆进行处理,以得到碱金属催化剂溶液。

通过将回收回的碱金属催化剂溶液再次负载在原煤上,可进行下一轮煤催化气化处理。

下面对上述回收系统各单元的具体结构作进一步说明:

原料煤反应单元1

上述原料煤反应单元1具体为流化床反应器,负载有碱金属催化剂的煤样与气化剂在流化床反应器(即气化炉)中于700~800℃、3.5 MPa的条件下发生催化气化反应。

反应完毕后的灰渣经出渣口排出至下一个处理单元,以进行后续处理。

第一处理单元2

如图3所示,上述第一处理单元2具体包括:

激冷室21,激冷室21的进料口与原料煤反应单元1的出渣口连通;

高压渣锁(或称为高压渣斗)22,高压渣锁22的进料口、出渣口分别与激冷室21的出渣口、消解反应单元3的进料口连通。

需要说明的是,原料煤在原料煤反应单元1生成的高温合成气进入激冷室21后,与激冷水直接接触可以使得气流中夹带的熔渣固化后沉降在激冷室的底部,同时高温的合成气也得到冷却,节省能源。

消解反应单元3

如图3所示,上述消解反应单元3具体为消解反应釜,该消解反应釜包括:

设置在釜体31顶部的进料口32,用于排入渣浆;

设置在釜体31底部的出渣口33,用于排出一步消解反应完毕后的消解渣浆;

设置在釜体31中部的浆体喷嘴34,用于将包含有消解剂的悬浊液喷入消解反应釜内,以进行一步消解反应。

其中,浆体喷嘴34在釜体31中部的位置低于釜体31上设置的料位高度H(图中以虚线示意出),以使从浆体喷嘴34中喷出的悬浊液与渣浆充分接触,提高反应效率。消解渣浆经减压后,从出渣口 33排出到下一个处理单元中进行后续处理。

上述包含有消解剂的悬浊液还包含有补充的碱金属催化剂,用于维持回收后的碱金属催化剂的总负载量不变。

由于在碱金属催化剂回收的循环过程中,约有5%的碱金属催化剂的金属元素(如钾)会残留在灰渣中造成损失;另外,因旋风效率以及飞灰粒径过小等原因,碱金属催化剂会随粗煤气带出系统,从而造成飞灰中碱金属催化剂的流失。因此,需要补充一部分新鲜的碱金属催化剂,以维持回收后的碱金属催化剂的总负载量不变。

这里,补充的新鲜碱金属催化剂的碱金属元素优选地与灰渣中的碱金属元素相同;当然,补充的新鲜碱金属催化剂的碱金属元素也可也与灰渣中的碱金属元素不相同,例如灰渣中的碱金属元素为钾,补充的新鲜碱金属催化剂为钠催化剂,即回收后的催化剂为钾/钠的复合协同催化剂。补充的新鲜碱金属催化剂可根据回收后的催化剂再次循环的工艺要求灵活调整,本实用新型实施例对此不作限定,只需补充一部分新鲜的碱金属催化剂,以维持回收后的碱金属催化剂的总负载量不变即可。

由于补充的新鲜催化剂通过设置在釜体31上的浆体喷嘴34直接加入进消解反应釜中,可以省去单独的催化剂溶液配置槽和为了确保新鲜催化剂的溶解需要配备的搅拌桨,降低催化剂补充工段的设备成本。

补充的新鲜碱金属催化剂进一步优选为碱金属氢氧化物。可进一步提高回收反应体系的碱度,从而有利于消解反应的进行,进一步提高总回收率。

参考图3所示,以灰渣中碱金属元素为钾,补充的新鲜钾催化剂为KOH为例,由于KOH同为消解反应的生成物,过量补充KOH反而会抑制消解反应的正向进行。因此,补充的碱金属氢氧化物的量需要根据灰渣中的总碱金属量适当调整,以避免对消解反应产生不利影响。

进一步的,参考图3所示,上述消解反应釜还包括:设置在釜体 31底部的加料口35,用于通过气力输送的方式将粉末状的氧化铝加入到消解反应釜内,以将可溶性碱金属化合物中包含的无催化活性的碱金属硅酸化合物转化为具有催化活性的碱金属氢氧化物。

消解回收体系中一部分碱金属催化剂的碱金属元素以可溶性的碱金属硅酸化合物的形式存在,这部分碱金属硅酸化合物相比于碱金属氢氧化物没有催化活性,为了将无催化活性的碱金属硅酸化合物转化为具有催化活性的碱金属氢氧化物,同时避免硅在后续碱金属催化剂溶液的浓缩过程中产生沉积结垢,影响蒸发器的正常稳定运行,必须将可溶性硅从溶液中脱除。因此需要加入Al2O3,在消解剂与Al2O3的共同作用下转化为碱金属氢氧化物,同时硅转化为沉淀的形式,可在后续处理工艺中与消解反应完毕后的消解灰渣一起与碱金属催化剂溶液分离。

Al2O3粉末通过气力输送的方式加入到消解反应釜中,粉末以均匀的形式直接投放入渣浆中心,避免粉末在液面上部漂浮,且不会在渣浆内分布不均,从而与溶液中的消解剂、无催化活性的碱金属硅酸化合物充分接触生成硅酸盐沉淀,达到活化和脱硅的目的。

以原料煤催化气化反应负载的碱金属催化剂为钾催化剂为例,消解回收体系中存在的无催化活性的碱金属硅酸化合物为K2SiO3。在消解体系中加入Al2O3,在CaO和/或Ca(OH)2与Al2O3的共同作用下, 90%以上的K2SiO3可转化为具有催化活性的KOH,同时Si以钙的硅酸盐和硅铝酸盐形式沉淀下来,与溶液分离开。

进一步的,为提高消解反应釜各反应物的接触程度,提高消解反应的效率,参考图3所示,上述消解反应釜还包括:设置在釜体31 顶部正中间的搅拌器36,进料口32位于釜体31顶部偏离正中间的侧部。

这里,进料口32位于釜体31顶部偏离正中间的侧部,是指进料口32位于釜体31相对于底部的顶部区域内。由于搅拌器36设置在顶部正中间的位置处,故进料口32在釜体31顶部区域内的具体位置应为顶部偏离正中间,以避开搅拌器36的设置位置。

第二处理单元4

如图4所示,第二处理单元4具体包括:

常压渣斗41,用于排入消解渣浆;

渣浆泵42,用于将从常压渣斗41中排出的消解渣浆输送至板框过滤器43;板框过滤器43,用于对消解渣浆进行固液分离,得到分离的碱金属催化剂溶液与消解废渣。

消解反应完毕后,消解反应釜经闪蒸、泄压后,通过相应的排渣管路将消解渣浆排至上述的常压渣斗,以进行后续的处理过程。

进一步的,参考图4所示,上述回收系统还包括:催化剂溶液储液单元5,用于排入碱金属催化剂溶液以进行催化剂负载。

该催化剂溶液储液单元5具体可以为催化剂溶液储液罐等能够容纳液体的容器。

从板框过滤器43排出的固体废渣可用作建筑材料,实现废渣的再次利用率,减少污染。

通过本实用新型实施例提供的上述回收系统,具体采用一步消解工艺回收灰渣中的碱金属催化剂,不仅简化了回收工艺流程,达到节水,降耗的效果;还提高了碱金属催化剂的回收操作的稳定性和连续性。同时,本实用新型实施例提供的上述系统将新鲜碱金属催化剂的补充操作放置在了消解工段,简化了新鲜碱金属催化剂补充流程,并进一步提高了碱金属催化剂的总回收率。

需要指出的是,上述各单元的物料出入口的连通可以通过相应的连通管路连接,本实用新型实施例对此未做改进,可沿用现有技术,附图中未示意出。

以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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