新型低階煤移動床熱解裝備中試試驗研究

張 飏

(1.煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室,北京 100013)

0 引 言

近年來,我國能源消費結構發生變化,天然氣和清潔能源的消費比例逐年增加,2012年天然氣占我國一次能源消費的4.7%,2016年增至6.2%[1]。與此對應的是煤炭消費率逐年降低,2012—2016年,煤炭占我國一次能源的消費比例由68.5%降至61.8%[2]。煤炭傳統利用方式粗放,資源浪費和環境污染問題嚴重,未來煤炭行業的發展需處理好環境和質量的雙重問題,煤化工技術的發展和應用是解決該問題的有效方式[3]。現代煤化工技術分支眾多,以熱解為龍頭的多聯產技術是一個重要分支[4]。除高溫熱解(煉焦)外,中低溫熱解也是研究和應用重點,其原料為變質程度較低的煙煤[5-6]。

我國低階煤資源豐富,揮發分高,發熱量低,受自身風化易碎性質和機械化開采技術影響,低階塊煤產率僅為30%～40%,其余皆為小粒徑的粒煤和粉煤,因此實現低階碎煤熱解技術工業化,對推動煤炭行業清潔高效發展具有重要意義。針對低階碎煤的熱解技術研究較多,如Toscoal工藝[7]、COED工藝[8]、L-R 工藝[9]、MRF熱解工藝[10]、煤拔頭工藝等[11-13],同時近年來出現多種新型熱解技術,如陜西煤業化工集團的氣固雙載體快速熱解技術、中國科學院過程工程研究所的外熱式內構件熱解工藝、延長石油的熱解氣化一體化技術、神霧集團的下行床熱解工藝、中國科學院工程熱物理研究所的固體熱載體新工藝。部分技術已進入中試、工業試驗階段,為解決熱解技術面臨的粉塵夾帶嚴重、后續油塵分離困難、焦油重質組分多等難題提供了技術途徑[14-15]。基于最大化抑制粉塵產生、強化傳熱、調控二次反應的總體構思,煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院研發了適用于小粒徑低階煤(粒度＜13 mm)的外熱內旋式新型熱解工藝[16]。以陜北地區不黏煤為試驗煤樣,系統研究了新型小粒徑低階煤移動床定向熱解裝備的溫度場分布特性、熱解產品產率及品質特性變化規律,分析新型熱解工藝的運行特點和較優熱解試驗條件,以期為低階煤熱解轉化新型反應器結構優化及整體工藝設計開發提供依據,推動低階煤熱解的產業化發展。

1 熱解工藝

煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院研發新型小粒徑低階煤移動床定向熱解裝備及工藝流程如圖1所示。

圖1 低階碎煤、末煤移動床熱解工藝流程Fig.1 Moving bed technological process for low rank coal pyrolysis

熱解裝置為臥式移動床,反應器壁固定不動,通過特殊的內置傳動結構,使煤料在反應器內以混流狀態向前推進。裝置采用間接加熱方式,通過外部高溫煙氣,以熱傳導和輻射傳熱相結合的方式使物料升溫熱解。熱解裝置內構件的特殊設計,不僅保證了熱解過程穩定順行,還可有效避免熱解過程揚塵,從源頭減少了焦塵的產生。

試驗過程中,通過定量給煤機將進煤速度控制在50 kg/h,煤料首先進入外熱式干燥器,分離出部分外在水分,然后進入主反應器逐步升溫加熱,釋放揮發分,最后高溫半焦進入間冷式出焦機,進行降溫出焦;熱解氣相揮發物經過反應器上部降塵處理后,自反應器荒煤氣出口導出,進行高溫熱態除塵,然后進入焦油冷凝回收系統,分離焦油和水,脫除焦油后的凈煤氣進入高溫焚燒爐燃燒外排。

該熱解工藝通過耦合“抑塵、降塵、除塵”的多段減塵設計,顯著提高了熱解除塵效率。

2 熱解試驗

2.1 試驗用煤

熱解試驗用煤為陜北地區典型不黏煤,煤樣基本性質見表1。由表1可知,該煤樣灰分低,揮發分高,含油較高,適宜熱解。煤樣經顎式破碎至粒度＜13 mm,充分混勻后,裝袋密封保存。

表1 試驗煤樣基本性質Table 1 Property of coal sample

2.2 試驗流程及產物分析

熱解試驗中,先啟動系統進行冷態進出料,然后控制燃燒室溫度逐漸升溫至熱解溫度,待進料和溫度場分布均連續穩定達4 h后,開始檢測樣品和數據采集。熱解裝置內壓力始終保持微正壓(較大氣壓高3～5 mm水柱),熱解時間均為2 h,為考察中試試驗裝置熱解終溫對熱解過程的影響,目標溫度條件分別控制為550、600、650、700和750℃。

焦油樣品收集系統設置在熱態除塵器后端。高溫荒煤氣經深冷(-10℃)收集系統,獲得焦油、水和煤氣混合樣品。焦油餾程分布采用模擬蒸餾的方法測定,測定裝置型號為Agilent 6890A GC;焦油中粉塵含量采用喹啉不溶物方法測定。煤氣樣品經氣路收集系統收集。煤氣組分及含量分析在Agilent7890B型氣相色譜儀上進行;分析前,先利用配套標準氣體對色譜進行校正,確定校正因子。

3 結果分析與討論

3.1 溫度場分布特性

為研究熱解裝置升溫及控溫特性,在熱解裝置內部布設置多處測溫點,實時監測熱解裝置內溫度場的變化情況,溫度測點分布如圖2所示。

圖2 熱解裝置主體測溫點分布Fig.2 Temperature points of moving bed pyrolysis reactor

熱解裝置在550、600、650、700和750 ℃下的升溫、運行情況如圖3所示。可知,熱解裝置升溫及控溫系統穩定。對比圖2中后端物料溫度測點與燃燒室測點溫度,發現不同熱解終溫下,燃燒室溫度始終比物料熱解終溫高50～80℃;隨著熱解溫度升高,燃燒室溫度和物料終溫之間的溫差呈下降趨勢,主要是由于燃燒室溫度升高以后,后期反應器壁的輻射作用增強,外部保溫效果良好,熱量向內傳遞。

圖3 不同溫度下的升溫控溫特性Fig.3 Temperature-control characteristics in different pyrolysis conditions

熱解室上部降塵氣室溫度表現為氣室前部溫度低,中、后部較為接近,且氣室溫度通常比熱解裝置內物料溫度低150～200℃。這樣的溫度分布特性使熱解反應器和降塵氣室實現耦合聯動,使荒煤氣離開半焦后,由高溫區向低溫區流動,通過溫度變化調控荒煤氣組分的二次反應,減少輕質組分的裂解,同時實現重質組分的歧化,提高熱解油氣質量。

3.2 熱解溫度對產物產率的影響

不同熱解終溫下各產物收率結果如圖4所示。可知,熱解半焦收率隨溫度升高而逐漸降低,前期升溫對降低半焦產率作用明顯。熱解溫度超過700℃時,半焦收率趨于穩定,基本在70%,同時煤氣焦油產率不斷升高。

550～700℃,焦油收率隨熱解溫度升高而上升,700℃時焦油收率為干基煤的7.26%;溫度超過700℃后,焦油收率下降。這是由于550～700℃,溫度升高,煤樣熱分解反應逐漸增強,形成較多的油、氣等易揮發組分,而熱解室上部的降塵氣室溫度較低,為400～550℃,揮發物逸出后的二次反應相對較弱,焦油收率逐漸升高;當熱解溫度超過700℃升至750℃,加熱煙氣溫度較高,由于上部保溫效果好,熱解室上部氣室溫度超過550℃,特別是氣室中部和后部,溫度超過600℃,二次裂解反應加劇,使得焦油收率下降,煤氣產率升高。

圖4 不同熱解溫度下產物收率分布Fig.4 Product yield of different pyrolysis temperature

3.3 熱解溫度對產品質量的影響

3.3.1 熱解溫度對半焦質量的影響

不同熱解終溫下半焦產品質量分析見表2。

表2 不同熱解溫度下半焦產品質量分析Table 2 Semi-coke quality of different pyrolysis temperature

由表2可知,熱解溫度為550℃時,半焦揮發分為14.74%,已達蘭炭質量標準,溫度逐漸升高,半焦揮發分不斷降低;熱解溫度達到750℃時,半焦揮發分降至6.34%,說明煤樣在移動床反應器內均實現了充分熱解。隨著熱解溫度提高,半焦中碳含量不斷增加,氫、氧、氮等雜原子含量呈降低趨勢。

3.3.2 熱解溫度對半焦粒度的影響

原煤和不同溫度下的熱解半焦粒度分布如圖5所示。由圖5可知,與原煤相比,不同溫度下熱解半焦9 mm以上粒級含量均明顯減少,0.5 mm以下物料含量增加,說明物料出現一定程度的粉化現象,基本上隨著熱解溫度的升高,粉化現象更明顯。這一現象主要由2方面原因造成,一方面是裝置內部旋轉構件對煤料的機械破碎;另一方面是煤料入爐后,爐內溫度高,熱解溫差越大,顆粒升溫速率越快,導致出現粉化的幾率也越大。

圖5 原煤和不同熱解溫度半焦粒度分布Fig.5 Particle size distribution of semi-coke and coal

3.3.3 熱解溫度對煤氣組成的影響

不同溫度下熱解煤氣主要組成如圖6所示。

圖6 熱解煤氣主要組成分布Fig.6 Major component of pyrolysis coal gas

由圖6可知,熱解煤氣以CH4和H2為主要成分,二者之和約占煤氣總量的70%;隨著熱解溫度升高,煤氣中H2和CO比例逐漸升高,CH4和CO2逐漸降低。煤氣組成的變化規律也印證了前面的推測,當熱解溫度達到750℃時,煤氣組成中H2含量升高較快,這主要是由于熱解揮發物在較高的氣室溫度(550～600℃)下發生了二次裂解,部分熱解焦油轉化為煤氣,因此該熱解工藝下一步應優化反應器上部氣室的結構及溫度場分布,實現對揮發物的升溫作用,從而達到定向熱解的調控目標。

3.3.4 熱解溫度對焦油品質的影響

為了解焦油品質特性,將熱解收集到的焦油進行模擬蒸餾分析,結果如圖7所示。將模擬蒸餾得到的低于360℃的餾分歸為輕質組分,不同熱解溫度焦油的輕質組分含量較高,在66% ～73%。幾種焦油的粉塵含量見表3。

圖7 熱解焦油的模擬蒸餾分析Fig.7 Simulated distillation of coal tar

表3 熱解焦油的粉塵含量Table 3 Dust content of pyrolysis coal tar

由表3可知,本熱解工藝整體控塵、除塵效率很高,不同熱解溫度下焦油中的粉塵含量均在1%以下,達到了預期的熱解效果,驗證了采用移動床源頭爐內控塵思路的可行性。通過控制熱解過程工藝參數,在提高傳熱效率的同時充分實現粉塵抑制,降低后續粉塵處理的負荷,從而提高熱解新工藝及裝置連續穩定運行的可靠性。

4 結 論

1)新型熱解工藝控溫系統穩定性好,傳熱效率高;不同終溫下熱解時,均可實現燃燒室溫度高于爐料溫度50～80℃,為熱解反應提供了良好環境。

2)550～750℃終溫范圍內均能實現半焦充分熱解,半焦揮發分由550℃的14.74%降低至750℃的6.34%;熱解過程中出現不同程度的半焦粉化現象,且粉化現象隨熱解終溫的升高而加劇。

3)熱解焦油收率較高,700℃熱解焦油質量收率可達干基煤樣的7.26%;熱解焦油和煤氣品質好,焦油中360℃以下餾分含量達66% ～73%,粉塵含量均低于1%,煤氣中的H2、CH4等有效組分含量較高。

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