外热式内构件移动床低阶碎煤热解技术研究

发布时间：2020-10-17 17:12

　　 我国低阶煤储量约占煤炭总储量的50%以上,资源丰富,低阶煤挥发分含量高,可以提取出丰富的油气资源,而现在以直接燃烧和气化为主的利用低阶煤的方式没有充分发掘其中的潜在价值。热解技术可以在相对较温和的条件下提取低阶煤中高附加值的焦油和煤气,产生的半焦可以燃烧或者气化,因而是实现低阶煤高值化利用的有效方法,但目前尚成熟的无可以利用非粘结性低阶碎煤的热解技术。本研究针对非粘结性低阶煤热解高产率制取高品质焦油技术难题,提出了内构件强化移动床煤热解技术,以解决现有热解技术焦油产率低、重质组分含量高和焦油含尘量高等瓶颈问题。本文首先以依兰长焰煤为研究对象,对其在多种条件下的热解特性进行深入研究,为新型反应器设计和操作条件确定提供参考依据：然后依次分别设计、建立了1公斤级小试、100公斤级放大模式装置及1000吨／年的中试装置,并开展了相应研究工作,验证了内构件强化煤热解技术的先进性和可行性,展示了良好的应用前景。本论文主要研究内容和结果如下：1.本文在对依兰煤的热解特性基础研究中考察了煤样热解温度、升温速率、粒度、堆积方式和料层厚度等对于焦油产率和品质的影响。结果表明：依兰煤热解产焦油的温度范围为350-500℃,提高升温速率、减小煤料粒度会提高焦油的产率,但是焦油中重质组分含量会增加;使生成的热解气穿过较厚的料层会略微降低焦油的产率,但是可以提高焦油中轻质组分的含量。2.开展了1-kg级新型内构件反应器煤热解制高品质油气小试。利用自制内部加装传热板和中央集气管的新型内构件反应器进行了多种条件下的煤热解实验研究,并与无内构件的常规反应器进行对比,考察了内构件中传热板和中央集气管的作用效果和加热炉温对于不同反应器中煤热解行为的影响。结果表明：当炉温为700℃时,与传统的反应器相比,加装传热板和中央集气管的内构件反应器中煤热解时间几乎缩短了50%,煤热解焦油的产率从7.67wt.%提高到了9.82wt.%,同时焦油中的轻质组分的含量也有所增加。在外炉温600℃到1000℃范围内,随着温度升高,传统的反应器中焦油产率从7.89 wt.%降低到了4.77 wt.%,内构件反应器的焦油产率从8.50 wt.%升高到了10.64wt.%,内构件改变了传统反应器中焦油产率随热解炉温的变化规律。进一步研究表明,传热板以强化传热为主要作用,可显著提高煤样升温速率,而中央集气管也有一定的强化传热作用,但主要是改变气相产物的流动方向由高温区向低温区,通过减少焦油的二次热解反应而提高焦油产率,并对焦油中的重质组分进行原位截留一再裂解,提高焦油中轻质组分的含量,提高焦油的品质。3.在进一步100-kg级热解放大模式研究实验中考察了内构件在放大后的反应器中的作用效果以及煤样粒度、加热炉温和煤样水分对于内构件反应器中的煤热解行为的影响,在此基础上开展了内构件移动床放大冷态模拟连续运行实验研究,以确定中试乃至工业示范反应器模式。结果表明：反应器放大后,内构件反应器中煤升温速率仍快于无内构件反应器,焦油的产率为6.11wt.%,达到了格金焦油产率的87.0%,高于传统固定床反应器的3.29wt.%,同时内构件反应器热解焦油中轻质组分含量为71wt.%,高于传统反应器的67wt.%,说明放大后的内构件仍具有提高焦油产率和品质的作用。粒度较大的10-50 mm的块煤,热传导效果较弱,煤样的真实升温速率较慢,同时焦油在块煤的高温表面经过了二次热解反应,热解焦油产率低于碎煤,焦油中的轻质组分含量也低于碎煤。随着加热炉温从900℃升高到11 00℃,焦油产率从5.65wt.%增加到6.34wt.%,规律与小试的结果一致,焦油中的轻质组分含量从74wt.%降低到69wt.%。煤样中的水分过高,煤样升温速率较低,会延长反应所用的时间,焦油产率也比较低,但是焦油中的轻质组分含量较高。在0.6 m×0.35 m×6 m(长×宽×高)的移动床装置和0.2 m×0.175 m×6 m(长×宽×高)的移动床单元中,水分含量为9.53wt.%的煤料和水分含量约为1wt.%的半焦均无架拱现象,都可以顺利稳定下料,这为中试内构件移动床结构设计提供了依据。4.建立了1000 t/a内构件强化移动床热解中试平台并进行了连续运行热解实验,分别以0-10 mm的两种碎煤和两种碎油页岩为处理对象,考察了技术的稳定性、调控性、热解制油效果以及炉温的影响等。结果表明,0-10 mm的碎煤和油页岩都可以在内构件移动床反应器中连续热解制高品质油气并且运行稳定,通过设定加热炉温和调节进料、出料速率,可以控制反应器内煤料热解温度在预定范围并保持在最佳工艺条件下稳定运行。在炉温为1000℃时,焦油产率可以达到格金焦油收率的80%以上,焦油含尘量在0.1 wt.%左右,焦油中轻质组分含量在70wt.%以上,焦油品质较高。本论文通过小试探索和中试验证,证明了内构件移动床技术可以高效热解处理0-10 mm的非粘结性碎煤和油页岩,具有工艺稳定、调控性好和油的产率高、品质好,同时副产高品质热解气等优点,显示良好的产业化应用前景。
【学位单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ530.2
【部分图文】：

１．１课题硏究背景与意义??中国富煤少油，是世界上少数几个［＾＾煤炭为主要消费能源的国家。我国煤炭产??量自从１９８９年超过１０亿吨之后，一直稳居世界第一Ｗ。图１．１为２０１３年我国能源??生产与消费的结构中煤炭、石油和天然气等各自所占比例，在能源生产结构中，煤??炭占到了?７５．６％，在消费结构中，煤炭占到了?６６％，无论是在能源生产还是消费方??面，煤炭都占了主要地位Ｗ。如图１．２所示，我国煤炭的产量和消费量呈逐年増加??的趋势１Ｕ１。??Ｏｉｌ??…―＿?８．９％?Ｎａｔｕｒａｌ?ｇａｓ?一《＾?點％??导立夢?礁??潮＂、琴边款??（ａ）能源生产结构?化）能源消费结构??图１．１?２０１３年我国能源生产和消费结构Ｐ１??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｎｅｒｇｙ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ?ｉｎ?２０１３＾?＾??＾?３８?■??忘?３６?＾?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?一??夏?＾?？－？－?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ??養?３４?？??ｉ：：：??＜＾６－８＾??ｓ?２４?？??画，伊：??§?０?ｔ?■?■?■?Ａ?—?…■?■??２００７?２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３??Ｙｅａｒ??

难Ｗ符合工业和民用要求，对后续进一步加工利用造成影响ｔｉｗｓｉ。??（２）国富炉??国富炉是北京国电富通公司研发的褐煤提质炉，国富炉的工艺流程图如图１．８??所示。该工艺的生产工艺流程如下：矿区的褐煤通过破碎和筛分之后，达到要求的??粒径（６－１２０ｍｍ），经皮带上煤系统送至煤斗内，煤斗内设有布气和集气装置，利??用冷却段出来的热烟气将煤斗内的煤预热到一定的温度。原煤经过预热后经插板ｎ??从煤斗进入提质炉干燥段，在该段设有４个燃烧器提供加热热量，燃烧所需要的煤??气来自干溜段煤热解产生的煤气，在干燥段煤中９５％Ｗ上的水分被脱除，煤的温度??升高到１５０?’Ｃ左右，干燥段出口烟气通过烟气风机抽出后送入冷却段对半焦进行冷??却，干燥后的煤继续下落进入干馈段。在干個段煤被继续加热升温到５６０?’Ｃ左右，??热源由２个燃烧器提供

式热解反应器，靠近加热墙处的煤首先热解形成半焦，床层变得疏松，孔隙率増加，??煤热解之后气相产物更多的从靠近加热墙处的半焦与加热器么间的缝隙通过，称为??外行气，只有很少的一部分气相产物是向上穿过煤层，称为里行气。从图１．?口可??看出，外行气的量要远高于里行气的量。由于加热墙处温度高，初焦油经过高温区??域时会发生剧烈的二次热解反应，焦油产率降低，焦油中的重质组分含量增加，品??质变差ＷＳ１。??Ｈｅａｔｉｎｇ?ｗａｌｌ?ｉｎｎｅｒ?ｇａｓ?ｏｕｔｅｒ?ｇａｓ??願１＾＇＂、?ｆｔ?个＇、个昆菌??Ｍｌ??ｉｉｉｌ?ｉｉｉｌ??图１．１２传统外热式反应器技术原理示意图Ｉ＂１??打ｇ．?１．１２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ?ｉｎｄｉｒｅｃｔ?ｈｅａｔｉｎｇ?ｐｙｒｏｌｙｚｅｆｌ＂！??１．４本课题创新思路巧主要研究内容??１．４．１创新思路??基于１．３．４的分析，可利用外热式移动床热解技术的焦油含尘量低这一优势，??通过对热解反应的调控，改进其焦油产率低和品质较差的劣势，开发出一种新的外??热式移动床热解新技术。对于改进外热式移动床热解器的劣势，一方面需要强化加??
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本文编号：2845085