耦合余热利用的适应中强黏结性煤快速热解系统及方法与流程

本技术属于煤炭清洁高效转化，具体地涉及一种耦合余热利用的适应中强黏结性煤快速热解系统及方法。

背景技术：

1、我国的低阶煤（褐煤、长焰煤、不粘煤和部分弱粘性气煤）储量尤为丰富，占已探明煤炭总量的55%以上。低阶煤的煤化程度低，直接燃烧效率差且污染严重，然而其挥发分含量高，因此可通过热解等工艺将其转化为高附加值焦油、清洁煤气与高活性半焦，以实现分级分质与高值化利用。得益于较高的加热速率与较短的气相停留时间，低阶煤应用快速热解技术能够获得由于传统工艺的焦油收率。值得注意的是，部分地区的低阶煤由于特殊地质成因而具有较高的黏结指数、胶质层最大厚度及奥亚膨胀度。这类煤种在快速热解过程中，其丰富的胶质体受热迅速熔融，产生极强的粘结性，并伴随膨胀效应，造成如下问题：一、热解装置无法长周期运行：熔融的胶质体使煤粉颗粒在反应器内黏结成坚硬、致密的大块焦体，牢固附着于器壁及构件，造成流化死区、反应器与分离器管内堵塞，迫使装置频繁停车清焦，工业化连续运行困难。二、目标产物收率与品质下降：结焦过程阻碍挥发物析出，焦油收率降低；同时，所得半焦硬度高、反应活性差，经济价值低。

2、现有技术中对原料煤进行降黏处理的工艺方法主要有预氧化破黏、催化浸渍破黏、机械降黏、共热解破黏、溶剂萃取破黏等。预氧化法将原料煤在氧化性气氛下高温处理，通过破坏黏结性结构使煤失黏，该工艺流程简单且成本低廉，但过高预氧化温度导致挥发分大量损失，因此在预氧化温度与时间的参数选取中需兼顾破黏程度与高值组分损失。预氧化过程会显著影响煤的物化性质，煤中的脂肪氢含量降低且含氧官能团降低，也有研究认为预氧化过程使煤中自由基碎片及含氧官能团缩合形成醚键，增强了煤中大分子结构的支链与桥键交联程度，使胶质体流动性下降且不能充分扩散。预氧化使脂肪碳链缩短并降低其断裂形成的大分子量的数量，造成胶质体液相变少，使煤基质中裂解产生的自由基碎片长时间暴露于颗粒空隙表面而引发气相二次裂解与热缩聚反应，胶质体在高温预氧化过程中被破坏也将导致热解反应体系供氢能力变差与大分子传输受阻，因此预氧化过程中温度与时间需根据煤种特性进行优化选取，以避免热解后焦油收率与品质的严重下降。

3、此外，现有粉煤快速热解系统的高温热解产物（半焦与热解焦油气）通常直接冷却后收集排出，其热量并未得到充分利用，系统运行经济性具有很大提升空间。

4、因此，亟需提出一种能够保障原料煤破黏效果以提升系统运行稳定性，同时改善系统整体运行能效的低阶煤快速热解系统及方法。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种耦合余热利用的适应中强黏结性煤快速热解系统及方法，以解决如何让中强黏结性煤在快速热解工艺中实现稳定、连续、高效的转化。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种耦合余热利用的适应中强黏结性煤快速热解系统，包括：

3、预处理供料单元，包括沿煤粉的输送方向依次连接的给料模块、热处理模块以及高压进料模块，给料模块用于将煤粉和添加剂混合成湿煤并输送至热处理模块进行预氧化热处理，高压进料模块接收经过预氧化处理后的热煤粉并进行缓冲加压，其中，所述添加剂为碳酸钾、碳酸钠、乙酸钠、乙酸钾、甲酸钠的水溶液的其中一种或者几种；

4、流化床热解反应单元，用于接收从高压进料模块输送的热煤粉并在流化介质的作用下进行快速流化热解反应以生成热解产物；

5、热解产物收集单元，用于对从流化床热解反应单元输出的热解焦油气进行产物分离和收集；

6、热解产物余热利用单元，与流化床热解反应单元连接，热解产物余热利用单元能够利用热解产物中的热解气对冷氮气初步加热，然后利用热解产物中的半焦对经过初步加热后的氮气进行二次加热以形成高温氮气，并将高温氮气返回输送至流化床热解反应单元；同时热解产物余热利用单元利用高温热解气及预热后的氮气对冷空气进行加热，预热后的空气被输送至预处理供料单元；

7、综合控制单元，用于控制预处理供料单元、流化床热解反应单元、热解产物余热利用单元和热解产物收集单元的自动化动作。

8、在一些实施方式中，高压进料模块包括：

9、惰性缓冲仓，靠近底部的位置设有第一布风板，惰性缓冲仓底部外接氮气源，氮气源对惰性缓冲仓内的热煤粉持续吹扫以维持预设压力；

10、缓冲罐体，缓冲罐体和惰性缓冲仓之间并联设置有一备一用两个给料锁斗；

11、高压螺旋输送机，进料端与缓冲罐体的出料端连通，出料端与流化床热解反应单元连通并向流化床热解反应单元输送预氧化处理后的高压热煤粉。

12、在一些实施方式中，流化床热解反应单元包括流化床热解反应器和气固分离器；

13、流化床热解反应器，包括反应器本体，反应器本体内设有第二布风板，第二布风板靠近反应器本体的底部设置并将反应器本体分隔为上部反应区和下部氮气输送区，下部氮气输送区用于接收氮气作为流化介质，上部反应区的两侧壁分别开设有物料进口和产物出口，物料进口和产物出口分别靠近底部和顶部设置，物料进口与高压进料模块连通并用于接收经过预处理后的热煤粉，产物出口经热解产物余热利用单元连接于热解产物收集单元，气固分离器用于对从流化床热解反应器反应产生的气固混合物进行分离成高温半焦和高温焦油气。

14、在一些实施方式中，流化床热解反应单元还包括氮气输送模块和氮气预热器，下部氮气输送区的底部开设有一次氮气进口，上部反应区的侧壁沿高度方向间隔开设有多个二次热氮气喷口，氮气预热器用于进一步加热从热解产物余热利用单元输出的高温氮气，氮气输送模块用于对经过预热后的高温氮气进行流量分配为一次氮气与二次氮气，以使得一次氮气经第二布风板并自下而上输送进入上部反应区内，二次氮气经过多个二次热氮气喷口输送至上部反应区。

15、在一些实施方式中，热解产物余热利用单元包括半焦收集与热量回收模块、急冷分质模块和余热回收分配模块，半焦收集与热量回收模块位于气固分离器的下方。

16、在一些实施方式中，半焦收集与热量回收模块包括：

17、半焦鼓泡流化床，顶部与气固分离器的底部连通并用于接收从气固分离器输出的高温半焦，半焦鼓泡流化床内设有第三布风板，高温半焦自上而下进入半焦鼓泡流化床，初步预热后的氮气经第三布风板自下而上进入半焦鼓泡流化床内与高温半焦进行换热以形成高温氮气；

18、分离除尘器，与半焦鼓泡流化床的侧壁连通并接收从半焦鼓泡流化床换热后的高温氮气，分离除尘器对高温氮气携带的粉末进行去除并生成高温氮气热载体。

19、在一些实施方式中，余热回收分配模块包括：

20、气态产物换热器，底部连通外部冷氮气源，顶部与急冷装置连接，气态产物换热器通过第一管道与半焦鼓泡流化床连通，冷氮气经气态产物换热器中的高温热解气加热后被输送至半焦鼓泡流化床中，被高温半焦进一步加热，气态产物换热器通过第二管道与氮气-空气换热器的侧壁连通，以使得冷空气在气态产物换热器中进行初步预热后进入氮气-空气换热器中完成二次预热并向热处理模块输送，空气pid调控阀设置于冷热态预热空气的输送管路，用于实时调控空气输送流量以适应工况变化时的预热温度需求；

21、氮气-空气换热器，顶端与分离除尘器的顶部连通并接收从分离除尘器生成的高温氮气热载体，氮气-空气换热器的底部与氮气预热器连通并向氮气预热器输送高温氮气，氮气-空气换热器通过间接接触换热，实现氮气和预氧化空气的温度优化匹配。

22、在一些实施方式中，急冷分质模块包括：

23、急冷装置，与气固分离器连通，急冷装置用于对气固分离器输出的高温热解气洗涤和降温；

24、沉降槽，与急冷装置的底部连通并用于收集洗涤脱除后的重质焦油；

25、反冲洗过滤器，反冲洗过滤器的侧壁与沉降槽的顶端连通，沉降槽内位于上部的轻质干净油被抽吸进入反冲洗过滤器进行过滤为洁净油，反冲洗过滤器的顶端和急冷装置之间的管路上还设有洗油储罐和冷油器，洁净油经冷油器冷却后能够进入洗油储罐，洗油储罐中的洁净油及补充的洗油能够循环返回至急冷装置中以构成循环回路。

26、在一些实施方式中，急冷装置包括急冷塔、洗油喷淋器和背压调节阀，洗油喷淋器设于急冷塔的顶端内壁并对内部的焦油气进行洗涤喷淋，急冷塔入口与气固分离器的气体产物出口连通，背压调节阀位于急冷塔出口的热解气输出管路并能够控制塔内的气相压力。

27、在一些实施方式中，热解产物收集单元包括：

28、低温冷却槽，与气态产物换热器连通，低温冷却槽用于冷却从气态产物换热器输出的已经完成热量回收的热解气并冷却分离形成气液混合物；

29、焦油收集罐，设于低温冷却槽的内部并用于收集从低温冷却槽分离的液态焦油；

30、热解气收集罐，与低温冷却槽的顶端连通并用于收集从低温冷却槽排出的热解气。

31、本技术第二方面提供一种耦合余热利用的适应中强黏结性煤快速热解方法，应用于如上的系统中，方法包括步骤：

32、s10：将煤粉和雾化后的添加剂溶液混合并输送至热处理模块进行预氧化热处理，高压进料模块接收经过预氧化处理后的热煤粉并进行缓冲加压；

33、s20：利用流化床热解反应单元接收从高压进料模块输送的热煤粉并在流化介质的作用下进行快速流化热解反应以生成热解产物；

34、s30：在热解产物余热利用单元中，利用高温热解气和高温半焦对冷氮气和预氧化空气进行预加热，通过空气pid调控阀与氮气-空气预热器实现介质温度最佳匹配及系统余热最大化利用，预热后的氮气和空气被分别输送至流化床热解反应单元和预处理供料单元；

35、s40：热解产物收集单元对从流化床热解反应单元输出的热解焦油气进行产物冷却分离和收集。

36、在一些实施方式中，步骤s20包括：

37、来自氮气输送模块的一次氮气作为流化介质，经第二布风板并自下而上输送进入流化床热解反应单元的上部反应区内，以使煤粉处于快速流化状态；

38、二次氮气通过上部反应区侧壁的多个二次热氮气喷口输送至上部反应区内，以强化混合与补充反应热；

39、经过流化床热解反应单元的侧壁通入外部高温热源，以确保反应温度稳定在热解预设温度范围内。

40、在一些实施方式中，步骤s30包括：

41、从气固分离器分离出的高温半焦自上而下进入下方的半焦鼓泡流化床，来自气源的冷氮气经第三布风板自下而上进入半焦鼓泡流化床并与半焦直接逆流接触换热；

42、分离除尘器接收从半焦鼓泡流化床换热后的高温氮气，同时去除高温氮气携带的细颗粒粉末。

43、在一些实施方式中，步骤s30还包括：

44、从气固分离器分离出的高温热解焦油气进入急冷装置进行洗涤并降温，以洗涤脱除重质焦油和粉尘并形成高温洁净热解气；

45、急冷装置底部的富含重质油的洗油经沉降槽分离固体杂质后，再经反冲洗过滤器精滤和冷却器冷油器降温后，返回急冷装置循环使用。

46、在一些实施方式中，步骤s30还包括：

47、经急冷分质模块进行急冷净化后的洁净热解气进入气态产物换热器，将其余热用于预热进入预处理供料单元的空气和进入流化床热解反应单元的冷氮气；

48、从分离除尘器输出的被半焦加热的高温氮气以及在气态产物换热器中被热解气初步预热的空气，共同进入氮气-空气换热器，且根据经气态产物换热器预热后的空气温度及目标空气温度，对进入氮气-空气换热器的空气流量进行实时调控，满足预热后空气与氮气的热量高效分配需求；

49、对管路进行实时调控流量，使得从氮气-空气换热器输出满足预氧化和流化反应不同需求的稳定热流体。

50、在一些实施方式中，步骤s40包括：

51、从气态产物换热器输出的且已完成热量回收的热解气进入低温冷却槽，并冷却分离成气液混合物；

52、气液混合物中的液态焦油与水从低温冷却槽的底部排出，进入后续的油水分离工序，得到成品焦油并收集在焦油收集罐中，不凝性热解气从低温冷却槽的顶部排出并收集输送至热解气收集罐。

53、通过上述技术方案，本技术的预处理供料单元包括沿煤粉的输送方向依次连接的给料模块、热处理模块以及高压进料模块，给料模块用于将煤粉和添加剂混合成湿煤并输送至热处理模块进行预氧化热处理，高压进料模块接收经过预氧化处理后的热煤粉并进行缓冲加压，流化床热解反应单元接收从高压进料模块输送的热煤粉并在流化介质的作用下进行快速流化热解反应以生成热解产物；热解产物收集单元用于对从流化床热解反应单元输出的热解焦油气进行产物分离和收集；热解产物余热利用单元与流化床热解反应单元连接，热解产物余热利用单元能够利用热解产物中的热解气对冷氮气初步加热，然后利用热解产物中的半焦对经过初步加热后的氮气进行二次加热以形成高温氮气，并将高温氮气返回输送至流化床热解反应单元；同时热解产物余热利用单元利用高温热解气及预热后的氮气对冷空气进行加热，预热后的空气被输送至预处理供料单元；综合控制单元用于控制预处理供料单元、流化床热解反应单元、热解产物余热利用单元和热解产物收集单元的自动化动作。本技术通过雾化喷射添加剂与空气加热协同的方式对中强黏结性粉煤进行预氧化破黏处理，极大降低了粉煤热解过程中反应系统各模块部位结块堵塞的发生概率。并且，采用热解产物余热利用单元对半焦热量和热解气态产物的热量进行回收，同时利用回收的热量对预氧化空气和热解所需氮气进行加热，降低了系统运行能耗，整个系统成为一个热量利用网络，能够梯级利用能量实现最大化。

54、本技术实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。