一种煤碳清洁化高效利用处理工艺的制作方法

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本发明涉及一种煤炭清洁化高效利用的途径和方法。


背景技术：

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随着我国经济发展，我国的能源需求越来越大，由于我国“富煤少气贫油”的能源资源状况，为了能源安全必然要以煤炭作为主要能源。然而传统主要利用煤炭的方式为火力发电厂的燃煤锅炉和厂矿企业烧的蒸汽锅炉，这种把煤炭作为燃料直接燃烧的应用带来的最大问题就是环保问题，会在锅炉尾气中产生大量的硫化物、nox和粉尘。尽管大型的电站锅炉可以通过尾气净化装置进行处理，但依然会产生大量的硫石膏等工业废弃物，容易造成新的污染物，以及最后的排出的烟气中依然包含有大量的粉尘；而小型燃煤锅炉依旧会产生大量的硫化物和nox以及粉尘排向大气中，成为污染环境的主要污染源。为了减少燃煤锅炉对环境的破坏，目前我国采用“煤改电”和“煤改气”的利用能源方式来逐步关停和取代燃煤锅炉的使用。因此传统的燃烧利用煤炭的方式已经走到了尽头，属于已经被逐渐废弃的能源利用方式。
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尽管“煤改电”和“煤改气”在一定程度上能减少煤炭的使用，但是我国是相对缺(天然)气的国家，而且电力的主要来源也还是来自发电占比超过65％的火电，还是有间接的污染。为了能保证我国的能源自主和能源安全，如何在环保的前提下用好煤炭资源就成为急需解决的重大技术问题。目前出现的整体煤气化联合循环发电系统(igcc，integrated gasification combined cycle)就是清洁化利用煤炭资源的一种方式。igcc也就是通过煤制气，然后采用燃气和蒸汽联合循环发电。现有的igcc的主要工艺流程是通过把煤炭在热解制气炉中把煤炭的主要成分热解成包含有co、h2、h2s、n2、co2和水蒸汽等混合气体。然后将这些混合气体作为燃料输给燃气轮机中燃烧驱动涡轮带动发电机发电，燃气轮机排出高温尾气再通过余热锅炉产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电，从余热锅炉排出的最终尾气依然由so2和nox和水蒸汽混合物等其它构成，也同样需要和燃煤电厂相同的脱硫脱硝尾气处理装置进行处理。igcc发电系统的最大优点是几乎没有粉尘产生，而且热电转换效率可高达62％以上，远高于超临界电厂42％的热电效率，而且比传统同样功率的火电机组能省水60％以上。但是igcc和传统火电一样需要采用脱硫脱硝处理装置，在环保上依旧会产生硫石膏和硫磺等难以处理的工业垃圾。因此需要进一步提高igcc环保性能的技术。
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现代igcc系统主要追求的是热电转换效率，为了提高热电转换效率，燃气轮机不断采用了很多先进技术来提高性能，比如提高涡轮前温度，提高增压比等技术，从而造成先进燃气轮机的结构越来越复杂，其造价也直线上升，igcc系统的高成本(为同容量火电的3倍左右)已经成为制约其推广使用的最主要因素。但是在很多煤炭的应用中，作为提供能源的方式中，热量(蒸汽形式)和电能都是同时需要的，因此在煤炭的应用中就不必过多地追求热电转换效率，而是应该追求煤炭的能量利用率。这样在igcc的应用中，若不过分地追求热电转化效率，而是追求高的能量利用率的目标下，igcc系统的核心子系统-燃气轮机的设计思想就和追求高热电转化效率的燃气轮机不同，转为追求燃烧的超低排放和降低燃气轮
机造价提高经济性上，使整个系统的热电比例和工业应用需求相匹配，从而实现能量利用的最大化。


技术实现要素：

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本发明实现煤炭无害化应用工艺的主要系统为：新型煤气化炉(2)、气体分离净化室(4)、燃气轮机(6)、余热锅炉(7)、汽轮机(8)、炉渣处理装置(10)、含硫高分子材料和化工原料生产装置(16)、植物工厂(19)和食品加工厂(22)等；该系统的特征在于：原料含硫煤(1)经过输煤机进入到新型煤气化炉(2)中热解，热解产生的混合气(3)进入气体分离净化室(4)中，煤热解后产生的炉渣(9)可输送给炉渣处理装置(10)，将炉渣(9)制成铺路用的透水砖(11)；混合气(3)中的h2s(12)在气体分离净化室(4)中可以通过吸附解析全部分离出来，作为原料输入到含硫高分子材料和化工原料生产装置(16)中去，可生产出聚苯硫醚或聚苯硫醚砜(17)，也可以产出硫醚或硫醇(18)；混合气(3)中的氢气(13)也可以通过变压吸附或膜过滤的方法提纯出来变成纯净的氢气(13)，该氢气(13)可以用于其它化工原料或者作为氢燃料电池的燃料，若没有应用也可以不提纯出来，继续存在于混合气(3)中；混合气(3)中的co2(23)也可以被提纯出来和后续余热锅炉出来的co2(23)一起提供给农业的植物工厂(19)作为碳肥，通过植物工厂(19)生产出高品质的农产品(20)，该农产品(20)可为食品加工厂(22)提供原料，同时该co2(23)也可以制成干冰(21)，用于食品加工厂(22)的原料或作为冷链食品的低温冷藏媒介；气体分离净化室(4)中剩下的主要为可燃烧的燃气(5)，该燃气(5)主要成分为co或者氢气(13)(若未提纯出来)供给燃气轮机(6)作为燃料燃烧推动燃气轮机(6)带动发电机发出电力(14)，燃气轮机(6)的排放的高温尾气主要为co2(23)和水蒸汽可通入到余热锅炉中用余热产生高品位蒸汽(24)，高品位蒸汽(24)可用于推动汽轮机(8)做功带动发电机发出电力(14)，余热锅炉(7)出来的高品位蒸汽(24)可以供给需要蒸汽的含硫高分子材料和化工原料生产装置(16)，汽轮机(8)出口出来的低品位蒸汽(15)可供给植物工厂(19)的温控应用；其中燃气轮机(6)和汽轮机(8)发出的电力(14)可以用于炉渣处理装置(10)、含硫高分子材料和化工原料生产装置(16)和植物工厂(19)的设备上。
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为了实现比较好的热电比例的调节和能量的充分利用，降低污染物的排放，本工艺环节中采用的燃气轮机(6)的压气机总压比范围在5～20之间，涡轮前温度范围为900℃～1200℃之间；本工艺环节中的新型煤气化炉(2)的最高工作温度在900℃～1000℃之间，可将煤热解为完全的气态混合气和炉渣，或者热解为气态混合物、焦油和炉渣。
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本发明工艺中的新型煤气化炉(2)也适用于钢铁行业的炼焦炉和制作兰炭的干馏炉等以煤炭作为原料的工业炉型。
附图说明
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图1示出的是本发明实施的含硫煤炭清洁化高效利用的工艺流程图
具体实施方式
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下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
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本发明提供了一种能够实现煤炭完全无害化应用的一种工艺流程和工艺参数。该工艺流程在传统igcc煤制气发电工艺的基础上，对煤炭中会造成环境污染的主要成分-硫
在制气炉中热解后提纯进行资源化利用，并且转化为高级工程塑料-聚苯硫醚或聚苯硫醚砜，或者很好市场前景的化工原料硫醚和硫醇，这也是本发明的核心：将煤炭中含硫的化合物提纯出来作为化工原料使用，从而彻底消除了含硫污染物的排放，因此本发明的气化炉包含了以煤为原料的制气炉、炼焦炉和生产兰炭的干馏炉。将热解产生的混合气中的co2和余热锅炉中排出的co2提供给农业应用，用于碳肥和农产品冷链物流的冷却剂，一方面减少了对大气的碳排放，也使整个工艺实现了气体污染物的近乎零排放。同时热解炉产生的炉渣也用于制造铺道用的透水砖，实现了无固体废物的排放，从而构建了一种煤炭资源无害化应用的模式。
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本发明工艺以追求能量利用效率最大化为原则，在原有igcc系统的基础上，采用合理参数设计的低成本燃气轮机使发电和尾气供热比例与工业应用所需热电的比例相匹配，而不过分追求高的热电转化效率，使得整个系统的造价太高。并在能量利用中将高品位的蒸汽用于工业应用，低品位的蒸汽也用于农业和适合的工业上，将能量的供给与实际的工业和农业应用紧密相结合，实现了对不同品质能量的充分匹配利用，将能量利用率达到90％以上，降低了整个系统的能源成本，也就提高了整个系统的效益。
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上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等对本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。