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香港金多宝高手论坛:我国低阶煤热解技术获重大突破---SM-GF煤气热载体分段多层低阶煤

  (1南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏 南京 211000;2北京国电富通科技发展有限责任公司,北京 100070)

  摘 要:本文主要论述了煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)的工艺流程和技术组成,介绍了SM-GF技术在30mm以下全粒径混煤领域的应用情况,分析了其经济效益,总结了该技术在低阶混煤热解领域的多项优势。结果表明,SM-GF技术可以实现低阶混煤的清洁高效分质利用,改善传统工艺对环境的污染,具有显著的经济效益和环保效益,极大地提高了煤炭资源综合利用效率。

  我国能源呈“富煤、贫油、少气”的结构现状,根据2016年《中国矿产资源报告》报道,我国煤炭资源可采储量超过16000亿吨,占化石能源储量90%以上。虽然我国煤炭储量相对丰富,但煤炭资源质量相对较差,低阶煤占到煤炭总储量的46%左右,可采储量超过6000亿吨[1,2]。

  低阶煤一般指褐煤和低变质程度的烟煤,具有高水分、高挥发分、高化学活性等特点[3,4]。低阶煤利用技术有很多种,主要包括分质综合利用、燃烧发电、液化和气化[5-7]。低阶煤分质综合利用指低阶煤经热解分解为煤气、焦油和半焦的气、液、固三相物质,实现对原料的分质,再根据各类产物性质及结构差异,区别加工,生产化工原料和各类精细化学品。

  目前,国内多数低阶煤热解技术是针对碎煤或块煤开发的,具有生产规模小、原料适应性差、煤气热值低、焦油品质差、油尘气分离效率低等工艺缺陷,因采用氨水熄焦,半焦显热无法回收造成热利用率低,熄焦产生的废水较难处理,环保投入较大。2015年,国家能源局发布《煤炭清洁高效利用行动计划 (2015-2020年)》,鼓励开展煤炭分质分级梯级利用,提高煤炭资源综合利用效率,因此,在新的时代背景下,开发先进的混煤中低温热解技术将会推动兰炭产业升级,有助于低阶煤分质综合利用技术的提升[8]。

  煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)由陕西煤业化工集团有限责任公司和北京国电富通科技发展有限责任公司联合开发的。该技术集分段多层处理、均匀传质传热、自产富氢煤气热载体蓄热式加热、干法熄焦、油尘气高效分离、中低温分级耦合热解等多项技术为一体,解决了油尘气分离效率低、单套处理量小、原料适应性差、煤气热值低、焦油品质差等行业难题,实现了30mm以下全粒径混煤热解工业化。2018年7月31日,该技术通过石化联合会组织的科技成果鉴定,综合性能和指标达到国际领先水平。

  SM-GF技术主要包括国富炉热解单元、煤气冷却净化单元、加热炉单元、烟气净化单元和废水处理单元。工艺流程描述:原煤经炉顶储煤仓进入国富炉干燥段,与高温烟气充分换热并脱除全部水分,换热后的烟气经除尘、脱硫系统之后进入国富炉冷却段。干燥后的原煤进入国富炉热解段与来自热解段混合室的高温气体热载体换热,生成半焦、焦油、煤气和热解水,高温半焦进入国富炉冷却段与来自脱硫系统的低温烟气换热,换热后半焦温度降至100℃以下,烟气温度升高并循环至干燥段继续加热原煤。热解后产生的油水气混合物经煤气净化系统充分净化后得到洁净的煤气,煤气返回一部分经加热炉升温后进入国富炉热解段充当热源,剩余部分外送。净化产生的油水混合物进入焦油回收系统,实现高效的油水分离。

  通过对国内外低阶煤分质综合利用技术的应用情况分析,总结行业中存在的共性技术问题,为实现陕北低阶混煤热解技术和装置的工程化,项目组进行了全面的研究工作,集成多项单体技术形成了SM-GF技术体系。

  该技术实现了炉体干燥、热解、冷却分段设计,干燥段提前脱除煤的游离水,降低废水产量;炉体多层布气结构降低混煤热解床层阻力,实现大气量低阻力运行。

  热解装置国富炉按照干燥、热解、冷却分段设计,实现了废水减量。每处理1吨原煤,可减少废水量100kg以上,减少67%以上。国富炉分层设置可以有效降低床层阻力,床层阻力可控制在1000Pa以内。

  优化国富炉内结构件设置,实现均匀布料;优化床层布置,实现均匀高效换热,确定换热强度和换热后气体温度。均匀传热传质技术实现国富炉内温度场和压力场的均匀分布,保证了换热效率。干燥段、热阶段、冷却段换热强度分别高达22000Kcal/(m3・h-1)、20000Kcal/(m3・h-1)、18000Kcal/(m3・h-1);干燥段出口烟气温度控制在120℃左右,热解段出口煤气温度控制在350℃左右。

  优化国富炉内构件和开发高效除尘器,提高除尘效率,降低焦油含尘量,同时避免设备和管道堵塞,保证系统连续稳定运行。

  油尘气综合分离技术充分利用多层颗粒床的抑尘能力,干馏段出口气体含尘量控制在2g/Nm3以内;通过对旋风除尘器的优化开发和合理设计,设备除尘效率90%以上,焦油灰分为0.12%。

  以自产富氢煤气作为热载体,分析煤气受热后组分变化情况,确定加热炉的运行参数和加热方式,开发了适用于热解煤气的气体加热炉。采用顶燃式加热炉对煤气进行加热,并确定了燃烧室、蓄热室、换热格子砖等部件的优化参数。以富氢煤气作为热载体,可有效抑制焦油的分解,焦油收率有所提高。

  该技术借助干燥段换热后的烟气直接与热半焦接触换热,充分利用半焦的余热,还能避免湿法熄焦带来的酚氨污水及半焦的固定碳含量的降低,从而提高系统能效,提升半焦产品质量。国富炉冷却段采用干法熄焦工艺,换热后半焦温度降至100℃以下,烟气温度温度达到250℃左右,可用于干燥段加热原煤,系统能效在90%以上,半焦水分低于2%,固定碳高于86%,同时减少了酚氨废水产量。

  2015年10月,北京国电富通科技发展有限责任公司与陕西陕北乾元能源化工有限公司投资约1.86亿元,在榆林市麻黄梁工业园区建成一套50万吨/年煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)示范装置。该项目以陕北榆林30mm以下长焰煤为原料,通过国富炉煤热解装置,设计生产半焦31.55万t/a,煤气0.47亿Nm3/a,焦油4.0万t/a。

  2016年12月示范装置完成了热解炉的冷态及热态性能试验;2017年4月底至10月初完成了以烟气为热载体的热态带料试生产;12月完成了加热炉系统在内的全系统建设;2018年3月15日开始第二阶段调试(以煤气为热载体),3月27日全系统工艺流程打通,3月29日生产出合格半焦,至6月25日系统连续运行91天,累计处理原煤116848吨,生产半焦74902吨,焦油9188吨,外送煤气1049万Nm³。连续生产期间的产品指标如下表1~表3所示。6月26日~28日,该装置通过了中国石化联合会组织的72小时现场标定考核。

  由表可知,半焦产率为64.10%,超过设计值63.10%;焦油产率高,达到格金值的87.20%;通过干法熄焦技术,半焦水分在2%以内,显著改善了焦炭的质量,提高半焦产品的市场竞争力;中料、小料和焦面的灰分、挥发分和固定碳等指标均达到行业内较高水平。焦油品质较好, 密度(20℃)小,灰分含量低,80%的馏程温度仅为310℃,可用于加氢生产汽、柴油。煤气有效组分高达84.4%,其中H2、CH4含量分别为38.91%、29.54%,热值高达17.17 MJ/m3,是理想的制氢、制LNG、合成氨、合成石油、有机合成等的原料。系统能源转化效率达91.90%,吨煤能耗为74.15kgce,吨煤耗电33.92kWh,吨煤耗水0.14t,半焦单位产品能耗为112.88kgce/t,达到行业先进值。

  根据工业示范装置运行期间的原辅材料、动力消耗量以及价格,得出SM-GF技术经济效益,如表4所示。一套年处理量50万吨的热解装置投资约为1.86亿元,税后投资回收期仅为3.6年。由此可见,该技术加工混煤,生产半焦、焦油和煤气,经济效益非常可观,即使将来原料成本、产品价格等发生波动,该技术仍能保持较高的利润。

  SM-GF技术集分段多层处理、均匀传质传热、自产富氢煤气热载体蓄热式加热、中低温分级耦合热解、干法熄焦、油尘气高效分离、中低温分级耦合热解等技术于一体,多项技术相互耦合,解决透气性差、炉内结焦、产品方案可控性差、焦油品质差、单炉处理量小、污染严重、废水难处理等行业内的普遍难题,与行业内其他工艺相比,具有明显的技术优势和较强的竞争力。具有以下技术优势:

  拥有独特布气结构和炉内设计的国富炉可克服细粒度物料堆积引起的换热不均,对物料粒度适应范围更广,可实现30mm以下全粒径原煤直接入炉,充分解决了兰炭市场上主流炉型对入炉煤粒度要求苛刻的难题,能够打破块煤供不应求、碎煤无处可用的僵硬局面,不仅提高了原煤利用率,还能降低兰炭的生产成本。

  国富炉采用干燥、干馏和冷却分段方式,打破常规炉型的结构缺陷,在各段内部设置多层内构件,实现均匀布料布气和炉内自除尘,降低床层阻力和气体携带粉尘量,提高了单炉年处理量。

  采用自产富氢煤气作为循环热载体,有效抑制成油活性碎片聚合及焦油在炉内的裂解,国富炉内构件设置使焦油能够及时导出炉外,减少焦油裂解,提高焦油收率。

  国富炉的工艺移动床设计及炉体内采用沉降式设计,极大的减少煤气出口处的粉尘含量。旋风除尘器除尘效率可达90%以上,确保油尘气高效分离,焦油机械杂质含量低。干法熄焦可避免湿法熄焦因水煤气反应引起的半焦固定碳含量降低,因此SM-GF技术具有半焦产品高固定碳含量的得天独厚优势。煤气有效组分高达80%以上,煤气热值高,可达17MJ/m3以上。

  在国富炉内通过设计多层布气阵伞和集气阵伞,形成专用的气道通道,使得炉内温度场和压力场的均匀分布,实现了均匀传质传热,产品均匀性好,煤气、焦油、半焦品质稳定。

  国富炉干燥段提前脱除煤的游离水,减少废水产量,冷却段采用干法熄焦工艺,借助干燥段换热后的烟气与热半焦直接换热,将半焦冷却到

  100℃以下,充分利用半焦的余热,提高系统能效,还能避免湿法熄焦带来的含酚氨污水,节能环保。

  SM-GF技术多层热解形式可实现中低温分级耦合热解,通过调整各层热载体温度以控制煤的最终热解温度,生产出不同规格和性能的产品,满足不同行业需求。

  采用自主技术LAB(活性焦吸附生化降解耦合技术)废水处理工艺处理系统生成的废水,出水达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级A标准。

  SM-GF技术相比现有热解技术,具有工艺可靠、投资省、运行成本低、占地面积小等特点,能够广泛适用于低阶煤的清洁高效转化分质利用。

  目前,50万吨/年SM-GF煤热解工业示范装置已经实现连续稳定运行,取得了良好的效果, 100万吨/年工艺包也已进入全面开发工作。我国低阶煤资源丰富、分布广泛,尤以神府煤田圈、内蒙古东部及新疆一带储量最大,这些地区的低阶煤具有挥发分高、灰分低、化学反应性好等特点,非常适合通过SM-GF技术进行分质综合利用,实现煤炭的分质高效转化,有利于缓解我国石油、天然气对外依存度高的问题,因此该技术具有广阔的推广应用前景。

  [3] 尚建选, 马宝岐, 张秋民, 等. 低阶煤分质转化多联产技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2013.

  中化新网讯 7月31日,中国石油和化学工业联合会在北京召开科技成果鉴定会,就陕西煤业化工集团和北京国电富通科技发展有限责任公司自主开发的煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)进行评审鉴定,专家认为该技术产品收率高、品质好、价值高,创新性强,处于国际领先水平。

  中国石化联合会会长李寿生表示,陕西发展煤化工优势明显、特色鲜明,不仅资源丰富,而且技术创新性强。该技术为我国现代煤化工开辟了新的工艺路线,在此基础上要不断创新,通过煤热解及其产品分质利用,实现产业耦合跨界发展。

  陕煤集团副总经理尚建选介绍,该技术重点针对30mm以下不同粒度的混煤热解开展攻关,集分段多层处理、均匀传热传质、油尘气高效分离、自产富氢煤气循环热载体蓄热式加热、中低温分级耦合热解、干法熄焦等关键技术等为一体,成功开发的分段多层立式矩形热解炉单套处理能力达50万吨/年,并在内部设置多层结构,采用干燥、干馏和冷却分段处理的方式,实现炉内自除尘和均匀布料布气,有效解决了当前混煤热解工业化、单套处理规模较小、油尘气分离效率低等多项技术难题。

  该技术主要创新点在于,采用混煤入炉分段多层热解,原料成本较低;精准控温,产品质量可调;采用中低温分级耦合热解,焦油产率高、轻组分含量多;可灵活控制热解温度,可降低热载体循环量,减少设备投资;煤气品质好,可作为制氢或加工LNG的原料。

  2016年9月,陕煤集团旗下的陕西陕北乾元能源化工有限公司与国电富通在陕西榆林建成50万吨/年工业示范装置,以粒度小于30mm的长焰煤为原料进行联运试车,至今年6月25日连续运行277天。6月26日—28日,中国石化联合会组织专家对该装置进行72小时现场标定考核。

  由中国工程院院士谢克昌、清华大学教授倪维斗院士、金涌院士等组成的专家委员会认为,该技术实现了低阶煤中低温热解工业化运行。煤气、焦油和半焦3种产品收率高、品质好、价值高,并可实现灵活调控,能源利用率高,装置可长周期运行,综合性能和指标达到国际领先水平,建议加快推广和应用。

  据了解,我国低阶煤资源丰富、分布广泛,具有挥发分高、灰分低、化学反应性好等特点,非常适合通过SM-GF技术进行分质综合利用,推广应用前景广阔,经济效益和社会意义显著。若在西部地区就地转化10亿吨低阶煤,粗略估算,每年可生产半焦6.5亿吨、焦油8000万吨、煤气1600亿立方米。

  目前,陕煤集团在榆林规划的1500万吨/年煤炭分质清洁高效转化多联产项目一期工程已经启动,热解作为项目的首道工序,SM-GF将承担主要支撑技术,100万吨/年工艺包进入全面开发阶段。

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