低階煤分質(zhì)清潔利用多聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)總結(jié)

孫雙紅

(山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司 山西運(yùn)城 044000)

低階煤分質(zhì)清潔利用多聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)總結(jié)

孫雙紅

(山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司 山西運(yùn)城 044000)

為了指導(dǎo)晉北現(xiàn)代煤化工園區(qū)的項(xiàng)目建設(shè)，獲得低階煤熱解后的提質(zhì)煤、煤氣、焦油和廢水的產(chǎn)量、收率、組分等方面的數(shù)據(jù)，在不同工況下進(jìn)行了為期2個(gè)月的低階煤分質(zhì)清潔利用多聯(lián)產(chǎn)中試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱解爐可將煤中90%以上的揮發(fā)分提取出來(lái)，生產(chǎn)出高附加值的油氣產(chǎn)品；提質(zhì)煤產(chǎn)率隨熱解溫度的升高而降低，煤氣產(chǎn)率隨熱解溫度的升高而增大；在熱解溫度700 ℃、熱解時(shí)間7 h的條件下，焦油產(chǎn)率達(dá)到最大值(6.29%)；熱解廢水產(chǎn)率隨熱解溫度的升高變化不大；煤氣中CH4含量較高，適合生產(chǎn)合成天然氣。

低階煤；提質(zhì)煤；熱解；試驗(yàn)總結(jié)

為獲得山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司晉北公司(以下簡(jiǎn)稱晉北公司)低階煤熱解后的提質(zhì)煤、煤氣、焦油和廢水的產(chǎn)量、收率、組分等方面的數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)晉北現(xiàn)代煤化工園區(qū)的項(xiàng)目建設(shè)，進(jìn)行了不同工況下的低階煤分質(zhì)清潔利用中試試驗(yàn)。在為期近2個(gè)月的試驗(yàn)過(guò)程中，取樣分析70余次，為項(xiàng)目建設(shè)提供了真實(shí)可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 試驗(yàn)概述

對(duì)晉北公司1#煤(<50 mm)在不同工況條件下進(jìn)行了3個(gè)階段的試驗(yàn)；2#煤采用20～50 mm塊煤和<20 mm粉煤2個(gè)粒級(jí)在不同的工況條件下分別進(jìn)行了3個(gè)階段的試驗(yàn)。

試驗(yàn)于2016年2月15日開始，2016年4月10日結(jié)束，共計(jì)57 d，期間停爐降溫檢修17 d。

1.2 原料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)

入爐原料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。

1#煤具有高灰分、低揮發(fā)分、弱黏結(jié)性的特點(diǎn)，且粒度越小灰分越高，<0.5 mm的粉煤干基灰分高達(dá)39.54%，故所產(chǎn)提質(zhì)煤灰分更高(>40%)，導(dǎo)致提質(zhì)煤利用率低、用途受限且價(jià)格低、運(yùn)輸成本和熱解能耗高。原煤揮發(fā)分低于25%(Vd=24.44)，則經(jīng)熱解得到高附加值的油氣產(chǎn)品產(chǎn)率低，影響經(jīng)濟(jì)效益。

表1 入爐原料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)

煤種粒徑/mm水分Mt/%灰分Ad/%揮發(fā)分/%VdVdaf固定碳FCd/%發(fā)熱量Qnet,ar/(MJ·kg-1)焦渣特征CRC1#混煤<50.011.5237.4424.4439.0738.1216.2222#塊煤20.0～50.05.2815.6132.6038.6351.7925.4142#粉煤<20.07.5521.6830.3138.7048.0222.7441#粉煤<0.514.3839.5423.5638.9622.5315.4521#塊煤5.0～40.08.1931.3025.7637.4934.7719.4222#煤<0.512.4126.0628.8639.0345.0820.1242#煤0.5～10.09.2222.0430.3838.9647.5922.5542#煤>10.05.4817.4032.8639.7849.7524.674

注：1)水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同

2#煤的灰分顯著下降，經(jīng)熱解得到的提質(zhì)煤灰分也會(huì)顯著降低；揮發(fā)分有了較大提升，經(jīng)熱解可以得到大量高附加值的油氣產(chǎn)品；焦渣特征為4，黏結(jié)指數(shù)GRI為16，綜合判斷2#煤具有一定的黏結(jié)性。

從表1分析數(shù)據(jù)可看出，1#煤不宜作為熱解原料，而2#煤則滿足熱解爐對(duì)煤質(zhì)的要求。

2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如圖1所示。

原料煤經(jīng)斗提機(jī)提升至煤倉(cāng)后依靠自身重力進(jìn)入熱解爐干餾室，經(jīng)干燥、預(yù)熱、干餾等幾個(gè)階段后生成提質(zhì)煤，然后進(jìn)入炭化室底部的提質(zhì)煤冷卻器內(nèi)。每隔一段時(shí)間關(guān)閉提質(zhì)煤冷卻器下部的平板閘門，降低出料小車位置并移出提質(zhì)煤冷卻器底部，將小車上出料槽內(nèi)提質(zhì)煤倒出稱重、裝袋儲(chǔ)存，然后將出料槽放在小車上推至提質(zhì)煤冷卻器底部，再將小車升起后打開提質(zhì)煤冷卻器下部的平板閘門。提質(zhì)煤冷卻器水夾套內(nèi)通入循環(huán)水，采用干法間接冷卻提質(zhì)煤至40 ℃。

圖1 試驗(yàn)流程

煤在炭化室熱解過(guò)程中產(chǎn)生的熱煤氣沿炭化室上升，并不斷地將其顯熱傳遞給處于預(yù)熱狀態(tài)的煤料后匯集至干餾室頂部煤倉(cāng)底座空間，經(jīng)荒煤氣導(dǎo)出管進(jìn)入1#冷卻分離器和2#冷卻器分離器進(jìn)行冷卻，荒煤氣中大部分的焦油和熱解水冷凝后進(jìn)入油水分離罐，冷卻降溫至35 ℃左右的荒煤氣通過(guò)絲網(wǎng)除焦油器除去夾帶的焦油霧后進(jìn)入熱解氣燃燒火炬點(diǎn)火放散。

在絲網(wǎng)除焦油器中分離下來(lái)的含有焦油的冷凝液送入油水分離罐中，經(jīng)靜置分層后進(jìn)行油水分離。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在57 d內(nèi)，先后進(jìn)行了9次不同條件下的低階煤分質(zhì)清潔利用熱解試驗(yàn)，試驗(yàn)產(chǎn)品為提質(zhì)煤、焦油、熱解煤氣及熱解水，每個(gè)條件下對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：1#煤的灰分含量高、揮發(fā)分含量低，造成熱解試驗(yàn)油氣產(chǎn)率低、提質(zhì)煤產(chǎn)率高；2#塊煤油氣產(chǎn)率高于2#粉煤；在相同的熱解時(shí)間下，隨著熱解溫度的升高，半焦產(chǎn)率降低，煤氣產(chǎn)率增加；以2#塊煤為原料，在熱解溫度700 ℃、熱解時(shí)間7 h的條件下，焦油產(chǎn)率達(dá)到最大值，為6.29%；對(duì)同一煤種，熱解水產(chǎn)率隨熱解溫度升高和熱解時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大。

表2 不同條件下低階煤分質(zhì)清潔利用熱解試驗(yàn)結(jié)果

煤種階段試驗(yàn)條件原煤處理量/kg產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)率提質(zhì)煤焦油熱解水煤氣產(chǎn)量/kg產(chǎn)率/%產(chǎn)量/kg產(chǎn)率/%產(chǎn)量/kg產(chǎn)率/%產(chǎn)量/kg產(chǎn)率/%損失損失量/kg損失率/%耗熱量/(kJ·kg-1)1#煤1750℃,60min出一次料1091.50762.0069.8121.902.01180.1016.50185.6010.2016.171.4828862750℃,90min出一次料1490.001010.0067.7929.101.95282.5518.96238.409.2830.072.0229623800℃,60min出一次料1487.00設(shè)備故障,未收集數(shù)據(jù)20～50mm2#塊煤1700℃,90min出一次料698.15472.7567.7143.906.2966.109.50155.7014.9011.111.5930422700℃,40min出一次料645.05436.1567.6138.055.9069.0010.70123.2012.2023.003.5725283750℃,60min出一次料484.00322.1066.5527.355.6555.1011.4096.8012.8017.503.623831<20mm2#粉煤1650℃,60min出一次料628.65467.2074.3223.303.7170.2011.2069.157.0023.693.7727382700℃,60min出一次料524.15372.0570.9824.104.6071.9513.7378.629.904.160.7933383800℃,60min出一次料1153.20754.3565.4148.504.21131.7011.42267.6514.6050.044.343425

3.2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析

3.2.1 提質(zhì)煤

不同煤種在不同試驗(yàn)條件下所產(chǎn)生的提質(zhì)煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 提質(zhì)煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)

煤種階段水分Mt/%灰分Ad/%揮發(fā)分/%VdVdaf固定碳FCd/%發(fā)熱量Qnet,ar/(MJ·kg-1)焦渣特征CRC1#煤10.7840.692.834.7755.7016.62122.9346.672.795.2247.6113.65130.8345.752.594.7651.6714.71120～50mm2#塊煤10.5118.652.933.6078.4325.01120.2323.374.255.5472.3823.33130.4423.303.604.7173.1023.281<20mm2#粉煤10.3825.423.534.7571.0522.51120.3527.075.026.8867.9121.89130.1828.161.902.6569.9421.541

由表3可知：試驗(yàn)產(chǎn)生的提質(zhì)煤水分Mt<1%，幾乎不含水，提質(zhì)煤利用率高，同時(shí)降低了提質(zhì)煤的運(yùn)輸成本；提質(zhì)煤的揮發(fā)分隨著熱解溫度的升高和熱解時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，大部分試驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)的提質(zhì)煤揮發(fā)分Vdaf<5.00%，800 ℃試驗(yàn)條件下甚至達(dá)到揮發(fā)分Vdaf<2.50%，說(shuō)明試驗(yàn)油氣提取率很高，可以達(dá)到90%～95%。試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)出的提質(zhì)煤除可滿足一般工業(yè)生產(chǎn)要求外，還可用作民用無(wú)煙燃料，可有效減少PM2.5和有害氣體的排放。

3.2.2 焦油和熱解水

焦油和熱解水由熱解過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝液分離而來(lái)。熱解產(chǎn)生的冷凝液在油水分離罐中靜置約1 h后，焦油與熱解水即可分層。試驗(yàn)所得焦油和廢水?dāng)?shù)據(jù)如表4所示。

3.2.3 熱解煤氣

低階煤提質(zhì)熱解煤氣組成分析結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)所得焦油和廢水?dāng)?shù)據(jù)

煤種階段廢 水pH色度/倍組分/(mg·L-1)CODNH3-N油揮發(fā)酚焦 油密度/(kg·m-3)w(H2O)/%w(粉塵)/%1#煤9.78255278008739.1892.34728.81.01422.200.7920～50mm2#塊煤19.872566097022245.1876.53587.71.0466.361.2629.277184514921814.41.0457.011.3439.287144514726944.81.0463.091.43<20mm2#粉煤19.025004064316742.61.0487.691.3629.095003790814225.81.0503.401.4439.136004103420154.81.0513.591.73

表5 低階煤提質(zhì)熱解煤氣組成分析結(jié)果

煤種階段組分/%(體積分?jǐn)?shù))H2CH4COC2H4C2H6CmHmN2O2CO2熱值Qnet,v,d/(MJ·m-3,標(biāo)態(tài))1#煤243.4532.997.461.182.911.502.880.557.0822.0520～50mm2#塊煤142.7633.4610.031.613.371.001.640.265.8822.96239.6332.8013.671.523.351.001.420.286.3522.17343.0730.5010.020.882.751.502.980.737.5721.16<20mm2#粉煤144.9728.7711.500.863.121.502.290.176.8321.13253.5722.1412.150.351.211.000.950.218.4217.73345.5027.1511.992.262.821.003.070.605.6520.64

由表5可以發(fā)現(xiàn)：在煤質(zhì)和熱解時(shí)間相同的條件下，隨著熱解溫度的不斷升高，熱解煤氣中H2和CO含量也隨之升高，而CH4和CO2含量不斷下降；在煤質(zhì)和熱解溫度相同的條件下，延長(zhǎng)熱解時(shí)間，熱解煤氣中的H2，CH4和CO含量均有所增加，煤氣熱值隨著熱解溫度的升高整體呈下降趨勢(shì)；熱解煤氣的熱值較高，最小值與焦?fàn)t煤氣熱值接近。

試驗(yàn)結(jié)果表明，熱解煤氣中H2，CH4，CO和CO2的含量隨熱解溫度和熱解時(shí)間的改變而改變，而其他組分變化則不太明顯，因此，在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)熱解時(shí)間和熱解溫度的方法來(lái)滿足下游產(chǎn)業(yè)對(duì)煤氣組成的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 提質(zhì)煤產(chǎn)品揮發(fā)分Vdaf均在5%以下，說(shuō)明熱解爐可將煤中90%以上的揮發(fā)分提取出來(lái)，生產(chǎn)出高附加值的油氣產(chǎn)品。

(2) 提質(zhì)煤產(chǎn)率隨著熱解溫度的升高而降低，煤氣產(chǎn)率隨著熱解溫度的升高而增加。

(3) 在熱解溫度700 ℃、熱解時(shí)間為7 h的條件下，焦油產(chǎn)率達(dá)到最大值(6.29%)；熱解廢水產(chǎn)率隨熱解溫度的升高變化不大。

(4) 熱解煤氣中CH4含量較高，適合生產(chǎn)合成天然氣。

Sum-UpofExperimentonPoly-GenerationofCascadeandCleanUtilizationofLowRankCoal

SUN Shuanghong

(Shanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Industry 〔Group〕 Co., Ltd., Yuncheng 044000, China)

In order to guide the construction project of north Shanxi modern coal chemical industry park, and to obtain data from several aspects including output, yield, components etc. of upgraded low rank coal, coal gas, tar and waste water after pyrolyzation of low rank coal, a pilot scale experiment of cascade and clean utilization of low rank coal is carried out under different working conditions for a period of two months. Experimental results show that pyrolyzing furnace can extract more than 90% of volatile components from coal, producing oil- gas products with high added- value; yield of upgraded low rank coal decreases with the increase of pyrolysis temperature, and the yield of coal gas increases with the rising of pyrolysis temperature; under conditions that the pyrolysis temperature is 700 ℃ and pyrolysis time is 7 h, the yield of tar reaches a maximum value (6.29%); the yield of pyrolysis effluent shows no big change with the rising of pyrolysis temperature; the coal gas containing high content of CH4is suitable to produce synthetic natural gas.

low rank coal; upgraded low rank coal; pyrolyzation; sum- up of experiment

TQ530.2

A

1006- 7779(2017)04- 0045- 04

2017- 02- 12)

孫雙紅(1972—)，男，工程師，主要從事煤化工領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)及管理工作；ssh185@163.com