CN104371779A - 低阶煤制备高浓度水煤浆的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低阶煤制备高浓度水煤浆的方法及其系统，解决了现有低阶煤制备水煤浆存在成浆浓度低、能耗高、运行成本高的问题。方法包括将低阶煤进行深度干燥、热解、半焦冷却、磨煤和成浆等步骤。系统包括依次串联的干燥炉、反应炉、冷焦炉、磨煤机和搅拌装置，所述干燥炉、反应炉和冷焦炉的炉体结构相同，包括上炉体和可转旋的下炉底，所述上炉体设有进料口和出气口，所述下炉底具有由周部向中心下料口阶梯式下行的坡面，所述下炉底的坡面上方设有布煤器。本发明工艺简单、生产成本和运行成本低、节能环保，能够得到高热值的热解气、高品质焦油和高浓度水煤浆。

Description

低阶煤制备高浓度水煤浆的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种水煤浆制备方法及其系统，具体的说是一种低阶煤制备高浓度水煤浆的方法及其系统。

背景技术

随着高变质煤种越用越少，低阶煤的高效清洁利用日显重要。现阶段低阶煤的高效转化利用方式为通过热解制备半焦和煤气。低阶煤反应活性高，用作气化原料气化效率高。

然而，用低阶煤配制水煤浆时，煤阶越低、内在水分越高、氧碳比越高，煤的成浆性越差，难以制成高浓度水煤浆。对于水煤浆气化而言，水煤浆浓度和质量越高，合成系统产能增加，比氧耗和比煤耗越低，水煤浆浓度提高后带来的经济效益是十分可观的。

长期以来，低阶煤制备高浓度水煤浆技术没有取得突破性进展。开发低阶煤制备高浓度水煤浆技术，可以拓宽我国煤炭资源的利用途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、生产成本和运行成本低、节能环保，能够得到高热值的热解气和高浓度水煤浆的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法。

本发明还提供一种用于上述方法的系统简单、节能环保的高浓度水煤浆制备系统。

本发明方法包括以下步骤：

1)深度干燥：将低阶煤破碎至粒度≤50mm后送入干燥炉通过与热载体进行间接热交换的方法进行深度干燥，得到干燥尾气和干燥煤；

2)热解：将干燥煤送入反应炉通过与热载体进行间接热交换的方法进行热解，得到热解气和热半焦；

3)半焦冷却：将热半焦送入冷焦炉中通过雾化熄焦的方法快速降温至80℃以下，得到气体和冷半焦；

4)将冷半焦及添加剂加制浆水后送入磨煤机磨细后进行级配，具体为：1mm～0.071mm粒度范围的半焦：小于0.071mm粒度范围的半焦按(4-6)：(6-4)的质量比进行级配；

5)成浆：将级配后的混合料搅拌混匀制成水煤浆。

所述步骤1)中，深度干燥的温度控制在150℃-200℃，干燥时间控制在30-50min；所述步骤2)中，热解反应温度控制在400℃-650℃，热解时间控制在20-40min。

所述步骤3)中，所述雾化熄焦的雾滴粒径为5-10μm，耗水量不超过热半焦质量的30％，热半焦中的粉焦和粒焦增大了同雾滴的接触面积，提高了冷却效果。

所述步骤1)中得到的干燥尾气送入尾气回收系统处理得到冷凝水和废气，所述冷凝水部分回送至冷焦炉中用于雾化熄焦，剩余部分冷凝水作为步骤4)中制浆水送磨煤机进料口。

所述步骤(2)中得到的热解气和步骤(3)中得到的气体一起送入焦油回收系统中得到含水焦油和粗煤气，所述粗煤气送入电捕系统进一步回收焦油后得到煤气，所述煤气部分送入煤气燃烧系统生成高温烟气后作为热载体先送入反应炉与干燥煤间接换热至400℃-600℃，然后再送入干燥炉与低阶煤间接换热后作为废气排出；所述含水焦油经油水分离系统分离出焦油后剩余废水经废水处理系统处理后作为步骤(4)中制浆水送磨煤机进料口。

当干燥炉或反应炉内干燥或热解温度过高时，所述干燥炉排出的换热后的热载体部分回送至干燥炉或反应炉夹套内与热载体混合以调节干燥或热解温度，其余部分作为废气排出。

所述步骤(5)中，将来磨细的混合料送入旋流器进行级配后再搅拌混匀制成水煤浆，具体为：1mm～0.071mm粒度范围的半焦：小于0.071mm粒度范围的半焦按(4-6)：(6-4)的质量比进行级配；

本发明中，在深度干燥和热解步骤中采用热载体间接换热，较过去的热载体(如高温烟气)直接接触换热相比，不会使热载体混入热解反应后生成的热解气(粗煤气)中，保证最终得到高热值煤气产品(体积百分比：甲烷含量20％-35％，氢气含量10％-30％，一氧化碳含量5％-10％)，可以作为高品质产品气输出。

一方面，将部分煤气进行燃烧生成高温烟气可以作为热载体，由于本申请中采用间接换热升温，因此高温烟气可先通入反应炉的夹套中对反应炉进行换热升温，出反应炉的高温烟气温度可达400℃-600℃，完全满足深度干燥的热载体的温度要求，因此可使出反应炉的高温烟气再次送入干燥炉的夹套中用于对低阶煤进行深度干燥，使高温烟气产生的热能充分回收，减少能耗，提高高品质煤气的产出量，仅此项至少降低能量消耗20％。进一步的，由出干燥炉的烟气(即热载体)换热后温度会降低，当干燥炉和/或反应炉内温度过高时，这部分烟气可直接部分回送至夹套内以调节夹套内烟气的温度，从而达到控制反应炉或干燥炉温度的目的。

另一方面，由于干燥炉是对低阶煤进行深度干燥，因此生成的干燥尾气水含量高，送入尾气回收系统处理时会产生冷凝液，这部分冷凝液含尘，洁净度低，无论是作为工艺水回用还是外排均需要进一步处理，发明人针对此问题，巧妙的将部分冷凝液引入冷焦炉的雾化器中，使其用于雾化熄焦，由于喷入半焦上用于冷却，因此对雾化熄焦用水要求不高，本系统回用水喷入半焦上不会影响后期的制浆，很好的省去了冷凝液进一步处理的工序，剩余冷凝水用作制浆水，再者，含水焦油分离出焦油后，剩余废水经废水处理系统轻度处理后也可用作制浆用水，整个系统无废水排放，满足节能环保的要求。

进一步的，发明人不采用水熄焦，而是雾化熄焦，利用细小的雾滴高速喷射至半焦表面，由于本发明原始破碎时原煤颗粒就小，热解后半焦中粉焦和粒焦的量进一步增大，同雾滴接触面积增加，较水熄焦而言，其降温速度更快，耗水量小，熄焦后半焦的含水量低(含水量不超过4％)，更有利于水煤浆的配制，有利于提高水煤浆的浓度。

本发明高浓度水煤浆制备系统，包括依次串联的干燥炉、反应炉、冷焦炉、磨煤机和搅拌装置，其中，所述干燥炉、反应炉和冷焦炉的炉体结构相同，包括上炉体和可转旋的下炉底，所述上炉体设有进料口和出气口，所述下炉底具有由周部向中心下料口阶梯式下行的坡面，所述下炉底的坡面上方设有布煤器；并且所述干燥炉和反应炉的上炉体和下炉底外设有供热载体流通的夹套，所述冷焦炉内设有雾化器。

所述干燥炉的出气口与尾气回收系统连接，所述尾气回收系统排液口分别与冷焦炉的雾化器和磨煤机的进料口连接。

所述反应炉和冷焦炉的出气口经焦油回收系统、电捕系统与煤气燃烧系统连接，所述煤气燃烧系统的烟气出口依次与反应炉的夹套、干燥炉的夹套连接。

所述阶梯式下行的坡面的坡度为10-15度，每阶梯的长度是高度的5至10倍。

所述磨煤机经旋流器与搅拌装置连接。

由于在干燥炉和反应炉中将直接触换热变成间接换热，同样大小的炉体换热效率会有所下降，为了解决该技术问题，发明人进行了多处改进，1)将低阶煤破碎至粒度≤50mm，粒度更小的煤粒换热面积更大，更易实现快速升温；2)在转动炉底的基础上，将炉底设计成由周部向中心下料口阶梯式下行的坡面,一方面形成坡面利于小粒度的煤粒的滚动，滚动易于煤粒与高温炉底壁面充分接触，均匀升温干燥或热解，提高干燥或热解效率；另一方面使煤粒方便地由周部向中心集中，在布煤器及下炉底旋转力的作用下，最终由中心下料口下料；3)将坡面设计成阶梯式，能增加炉底壁面的换热面积和热载体的湍动以提高传热效率，而细小的流动性好的煤粒(或半焦颗粒)就像河流一样由一级级的阶梯滑落时形成小小的“瀑布”，能更好的吸收热量，大大提高了换热速率，煤粒(半焦颗粒)一级级依重力下落时的撞击，有利于降低颗粒强度，易于开裂，利于更快速的升温和后续的磨细工序。通过上述改进使同样容积下的炉体的换热效率至少提高25％，其换热效果与直接换热效果相当，但得到的热解气的品质大幅升高，并且，由于实现了间接换热，热解后的烟气还可以继续用于深度干燥，减少了高温介质的消耗，节能效果显著。

有益效果:

本发明工艺简单，控制简便，能有效回收热能自用，副产高热值的热解气(体积百分比：甲烷含量20％-35％，氢气含量10％-30％，一氧化碳含量5％-10％)和高品质的煤焦油，同时没有废水排放，熄焦效果好(半焦含水量不超过4％wt)，节能降耗(节水量超过25％，至少降低能量消耗20％)，对环境友好，制备的水煤浆浓度高；本发明系统结构简单，可操作性高，生产成本和设备投资成本低，传热效率高。

附图说明

图1为本发明工艺流程图暨系统图；

图2为干燥炉和反应炉的炉体结构图；

图3为冷焦炉的炉体结构图。

图4为阶梯式下行坡面局部放大图。

其中，1-煤仓；2-低阶煤计量设备；3-干燥炉；4-反应炉；5-冷焦炉；6-尾气回收系统；7-焦油回收系统；8-电捕系统；9-煤气燃烧系统；10-上炉体；11-下炉底；12-进料口；13-出气口；14-中心下料口；15-坡面；16-布煤器；17-夹套；18-密封填充件；19-热载体进口；20-热载体出口；21-雾化器；22-半焦仓；23-半焦计量设备；24-磨煤机；25-旋流器；26-搅拌装置；27-油水分离系统；28-废水处理系统；29-制浆水计量设备；30-制浆水计量设备；31-添加剂计量设备；32-加压泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步解释说明：

参照图1，煤仓1、低阶煤计量设备2、干燥炉3、反应炉4、冷焦炉5、磨煤机24、旋流器25和搅拌装置26依次连接，其中，参见图2，所述干燥炉3和反应炉4结构相同，包括上炉体10和可转旋的下炉底11，两者之间可通过密封填充件18(如水封件或碳化硅填料)保证炉内的密封状态同时也不影响下炉底11的转动。所述上炉体10设有进料口12和出气口13，所述下炉底11具有由周部向中心下料口14阶梯式下行的坡面15，参见图4，所述阶梯式下行的坡面15的坡度α为10-15度，每阶梯的长度L是高度H的5至10倍，所述下炉底11的坡面15上方设有布煤器16，所述上炉体10和下炉底11外设有供热载体流通的夹套17，所述夹套17具有热载体进口19和热载体出口20。参见图3，所述冷焦炉5除无夹套17外，其他主体结构与干燥炉3和反应炉4相同，且冷焦炉5内设有雾化器21。

所述干燥炉3的气体出口与尾气回收系统6连接，所述尾气回收系统6的排液口经制浆水计量设备30与磨煤机24的进料口连接，同时还经加压泵32与冷焦炉5的雾化器21连接。所述反应炉4和冷焦炉5的出气口13经焦油回收系统7、电捕系统8与煤气燃烧系统9连接，所述煤气燃烧系统9的烟气出口依次与反应炉4的夹套、干燥炉3的夹套连接，所述干燥炉3的夹套17的热载体出口20分别与干燥炉3的热载体进口19和反应炉4的热载体进口19连接。所述焦油回收系统7的油水出口经油水分离系统27、废水处理系统28、制浆水计量设备29与磨煤机24的进料口连接。所述磨煤机24的进料口还与旋流器25上部出口以及添加剂计量设备31连接，当旋流器25底部分离出的细料(小于0.071mm粒度范围的半焦)比例不足时，可将旋流器25上部出口引出的粗料回送至磨煤机24进一步磨细，以保证级配时细料和粗料按要求配比。

以干燥炉3为例，物料(低阶煤)经进料口12送入炉膛内(上炉体10和下炉底11之间的空间)，在布煤器15的作用下均匀落入转动的下炉底11上的坡面15上，低阶煤的煤粒在坡面15上在旋转力的带动下由外周向中心边滚动边干燥，阶梯式的坡面15有利于煤粒的大幅滚动、充分受热和受力开裂，提高深度干燥的效果，深度干燥后的干燥煤由中心下料口14送出，高温烟气由热载体进口19送入夹套17中以保持炉内深度干燥的温度，换热后的烟气由热载体出口20排出。

工艺实施例：

1)深度干燥：将煤仓1内的破碎至粒度≤50mm的低阶煤经计量设备2称重后送入干燥炉3中与夹套中通入的来自反应炉4夹套的400℃-600℃的烟气进行间接热交换升温至150℃-200℃深度干燥30-50min，得到干燥尾气和干燥煤(含水小于4％wt)，得到的干燥尾气送入尾气回收系统6处理得到冷凝水和废气，所述冷凝水部分经加压泵32加压后送至冷焦炉5的雾化器21用于雾化熄焦，剩余冷凝水经制浆水计量设备30计量后用作制浆水送入磨煤机24的进料口。

2)热解：将干燥煤送入反应炉4通过与来自煤气燃烧系统9中的不低于900℃的高温烟气进行间接热交换升温至400℃-650℃进行热解反应20-40min，得到热解气和热半焦；

3)半焦冷却：将热半焦送入冷焦炉5中与由雾化器21喷出的来自尾气回收系统6的雾化水接触，通过雾化熄焦的方法快速降温至80℃以下，所述雾化熄焦的雾滴粒径为5-10μm，耗水量不超过热半焦质量的30％，热半焦中占一定比例的粉焦和粒焦增大了同雾滴的接触面积，得到气体和冷半焦，所述气体和步骤2)中得到的热解气一起送入焦油回收系统7中得到含水焦油和粗煤气，所述粗煤气送入电捕系统8进一步回收焦油后得到煤气，所述煤气部分送入煤气燃烧系统9生成不低于900℃高温烟气后作为热载体依次送入反应炉和干燥炉的夹套中，当干燥炉和反应炉中的反应温度在设定温度范围内时，出干燥反炉的烟气全部作为废气排出，当干燥炉和/或反应炉中的反应温度高于设定温度时，则出干燥反炉的烟气部分回送至相应的干燥炉和/或反应炉中的夹套中以调节干燥炉和/或反应炉的温度在设定温度范围内，保证深度干燥和热解反应的正常稳定进行。所述含水焦油经油水分离系统27分离出焦油后，剩余废水由废水处理系统28轻度处理后经制浆水计量设备29用作制浆水；

4)磨煤级配：将冷半焦、制浆水(制浆水不足时，可补入新鲜水作为制浆水)和添加剂(ZM-19高效水煤浆添加剂，常州中南化工有限公司生产，以木质素为主要原料，用量为半焦的0.3％，wt)分别经半焦计量设备23、制浆水计量设备29、制浆水计量设备30和添加剂计量设备31送入磨煤机24磨细至1mm以下，再送入旋流器25进行径粒分离后级配，具体为：1mm～0.071mm粒度范围的半焦：小于0.071mm粒度范围的半焦按(4-6)：(6-4)的质量比进行级配；

5)成浆：将级配后的混合料(含水)送入搅拌装置26混匀制成水煤浆。

实施例中所述低阶煤选用内蒙古褐煤，煤质指标见表1。

表1 内蒙古褐煤元素分析和工业分析(wt,％)

实施例1-3按照上述上述工艺方法制备，具体参照见表2

表2 实施例1-3的工艺参数

比较例：

比较例1，褐煤(成分同表1)预先破碎至10mm以下，然后将煤样均匀地平铺在托盘中，放入105℃的恒温鼓风干燥箱内进行干燥，干燥时间8h，以脱出煤中水分。干燥后的煤样使用球磨机进行磨煤制样，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。称取煤样，然后加入水并混合均匀，再使用高速电动搅拌器搅拌20min，最后制备成比较例水煤浆样品。结果见表3。

比较例2，褐煤(成分同表1)预先破碎至10mm以下，然后将煤样均匀地平铺在托盘中，放入105℃的恒温鼓风干燥箱内进行干燥，干燥时间8h，以脱出煤中水分。干燥后的煤样使用球磨机进行磨煤制样，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。称取煤样，然后加入水和添加剂(ZM-19高效水煤浆添加剂，用量为干基煤的0.3％，wt)并混合均匀，再使用高速电动搅拌器搅拌20min，最后制备成比较例水煤浆样品。结果见表3。

表3 水煤浆成浆性能

备注：

1.流动性分析采用目测法，分为优、良、中、差四个等级。优：平滑流动，不间断，良：流动不流畅，有间断，中：不能自主往下流，需借助外力，差：结团现象严重。

2.稳定性分析采用棒插观察法，将水煤浆试样静置12h以上进行分析，分为优、良、中、差四个等级。优：无析水，无沉淀，良：轻微析水，少许沉淀，中：沉淀严重，差：结块。

表3中半焦最佳成浆浓度在62％(wt)且呈现较好的流动性和稳定性。分析表3中的浓度、黏度、流动性和稳定性等指标，本申请半焦制备水煤浆的浓度、表观粘度、流动性和稳定性均满足水煤浆气化技术的要求。本发明实施例水煤浆的成浆浓度相较于比较例的成浆浓度而言，至少提高12个百分点，效果显著。

Claims (11)

1.一种低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)深度干燥：将低阶煤破碎至粒度≤50mm后送入干燥炉通过与热载体进行间接热交换的方法进行深度干燥，得到干燥尾气和干燥煤；

2)热解：将干燥煤送入反应炉通过与热载体进行间接热交换的方法进行热解，得到热解气和热半焦；

3)半焦冷却：将热半焦送入冷焦炉中通过雾化熄焦的方法快速降温至80℃以下，得到气体和冷半焦；

4)磨煤：将冷半焦和添加剂加制浆水后送入磨煤机磨细后进行级配，具体为：1mm～0.071mm粒度范围的半焦：小于0.071mm粒度范围的半焦按(4-6)：(6-4)的质量比进行级配；

5)成浆：将级配后的混合料搅拌混匀制成水煤浆。

2.如权利要求1所述的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，所述步骤1)中，深度干燥的温度控制在150℃-200℃，干燥时间控制在30-50min；所述步骤2)中，热解反应温度控制在400℃-650℃，热解时间控制在20-40min。

3.如权利要求1所述的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述雾化熄焦的雾滴粒径为5-10μm，耗水量不超过热半焦质量的30％。

4.如权利要求1-3任一项所述的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，所述步骤(1)中得到的干燥尾气送入尾气回收系统处理得到冷凝水和废气，所述冷凝水部分回送至冷焦炉中用于雾化熄焦，剩余部分冷凝水作为步骤4)中制浆水送磨煤机进料口。

5.如权利要求1-3任一项所述的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，所述步骤2)中得到的热解气和步骤3)中得到的气体一起送入焦油回收系统中得到含水焦油和粗煤气，所述粗煤气送入电捕系统进一步回收焦油后得到煤气，所述煤气部分送入煤气燃烧系统生成高温烟气后作为热载体先送入反应炉与干燥煤间接换热至400℃-600℃，然后再送入干燥炉与低阶煤间接换热后作为废气排出；所述含水焦油经油水分离系统分离出焦油后剩余废水经废水处理系统处理后作为步骤4)中制浆水送磨煤机进料口。

6.如权利要求5所述的低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，其特征在于，当干燥炉和/或反应炉内干燥或热解温度过高时，所述干燥炉排出的换热后的热载体部分回送至干燥炉和/或反应炉夹套内与热载体混合以调节干燥和/或热解温度，其余部分作为废气排出。

7.一种用于权利要求1-6任一项方法的高浓度水煤浆制备系统，其特征在于，包括依次串联的干燥炉、反应炉、冷焦炉、磨煤机和搅拌装置，其中，所述干燥炉、反应炉和冷焦炉的炉体结构相同，包括上炉体和可转旋的下炉底，所述上炉体设有进料口和出气口，所述下炉底具有由周部向中心下料口阶梯式下行的坡面，所述下炉底的坡面上方设有布煤器；并且所述干燥炉和反应炉的上炉体和下炉底外设有供热载体流通的夹套，所述冷焦炉内设有雾化器。

8.如权利要求7所述的高浓度水煤浆制备系统，其特征在于，所述干燥炉的出气口与尾气回收系统连接，所述尾气回收系统的排液口分别与冷焦炉的雾化器和磨煤机的进料口连接。

9.如权利要求7所述的高浓度水煤浆制备系统，其特征在于，所述反应炉和冷焦炉的出气口经焦油回收系统、电捕系统与煤气燃烧系统连接，所述煤气燃烧系统的烟气出口依次与反应炉的夹套、干燥炉的夹套连接；所述焦油回收系统的油水出料口依次经油水分离器、废水处理系统和磨煤机的进料口连接；所述干燥炉夹套的热载体出口还分别与干燥炉夹套和反应炉夹套的热载体进口连接。

10.如权利要求7-9任一项所述的高浓度水煤浆制备系统，其特征在于，所述干燥炉、反应炉和冷焦炉阶梯式下行的坡面的坡度为10-15度，每阶梯的长度是高度的5至10倍。

11.如权利要求7所述的高浓度水煤浆制备系统，其特征在于，所述磨煤机经旋流器与搅拌装置连接。