一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的系统及方法与流程

本发明涉及低阶煤热解，尤其涉及一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的系统及方法。

背景技术：

1、低阶煤的突出优势在于资源储量巨大、赋存条件简单且采掘成本低廉。这类煤种多形成于较晚的地质年代，煤化程度较低，一般具有水分高、挥发分高、热值偏低的特点，典型代表包括褐煤和长焰煤等。全球低阶煤地质储量估算接近4万亿吨，约占世界煤炭资源总量的四成左右，是煤炭资源中不可忽视的重要组成部分。我国烟煤、无烟煤等优质煤种经过长期高强度开发，可采储量日渐收窄，开发重心正逐步向低阶煤转移。然而，受限于高含水量带来的运输经济性差、直接利用效率低以及易风化自燃等固有缺陷，低阶煤的大规模工业化清洁利用至今仍处于起步阶段。在当前优质煤资源日益紧缺的背景下，如何实现低阶煤的高效、分级、清洁转化，已成为保障能源供应安全和推动煤炭产业结构升级的重要课题。

2、在现有的工业化尝试中，内热式直立炉是应用最广的低阶煤提质核心装备，其基本工艺路线是将空气与回炉煤气混合后通入炉内，利用混合气在煤层中直接燃烧所释放的热量驱动干馏过程。这种方式结构简单、处理能力较大，但存在一个难以回避的短板：大量空气的参与将占空气体积近五分之四的氮气带入了煤气系统，导致产出的荒煤气中氮气等惰性组分含量往往超过50%，煤气热值被大幅稀释，一般仅相当于低热值燃料的水平。这种低品位煤气除了就近送往电厂掺烧发电外，几乎无法满足化工合成对原料气品质的要求，更难以进入下游的精细化工深加工链条。

3、目前，一些新开发的技术如采用回炉煤气富氧燃烧或二氧化碳循环回配的工艺，可以解决热解煤气中有效成分低的问题，从而在一定程度上提高热解煤化产品深加工的经济价值，但由于受原料煤挥发份元素组成限制，热解煤气自身存在二氧化碳含量高、碳氢比不稳定等问题。因此无论后续合成什么样的化工产品，必须在煤气深度净化后通过一氧化碳变换装置进一步调整碳氢比，然后再脱除二氧化碳后才能作为化产品合成原料。由于一氧化碳变换反应（反应式为co+h2o--co2+h2）存在高水耗和高碳排放，因此给企业生产的碳排放带来极大压力。

4、授权公告号为cn1966612b的中国发明专利公开了一种“低温煤干馏生产工艺”，采用内燃内热方式并结合大空腔炉型设计，实现了物料分布、加热过程与排料的均匀性，进而提升了单炉处理量及产品品质，突出表现为焦油产率的提高。该工艺利用调整空气与煤气的稀释比例以及加热气体总流量来调控干馏温度，控制手段简单灵活；但产生的荒煤气品位偏低，氮气含量高，不宜用于化工深度加工。

5、申请公布号为cn111187632a的中国专利申请公开了一种“煤气分质回炉内热式低温富氧煤干馏工艺方法及系统”，通过向内热式低温干馏炉内配入去氢煤气、空气和氧气，将空气与氧气混合制成富氧助燃气体，再与去氢煤气进行富氧燃烧。但富氧燃烧的反应剧烈，易引发炉内温度分布不均。

6、综上，迫切需要开发一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的系统及方法，能够根据后续化产品生产需要，在炉内匹配产生合适煤气，即实现煤气碳氢比可控可调，以进一步提高煤气利用率并减少二氧化碳排放。

技术实现思路

1、本发明提供了一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的系统及方法，干馏炉内设两段热解段，一段热解段通入二氧化碳和回炉煤气，以氧气为助燃气；二段热解段通入水蒸气，以氧气为助燃气；通过调整一段热解段和二段热解段的供热和反应比例，实现在炉内调控低阶煤热解煤气碳氢比的目的，以灵活匹配后续化产品（lng、甲醇和醋酸等）工艺生产。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的系统，包括干馏炉、煤气净化及动力单元、煤气深加工单元、制氧单元及控制系统；所述干馏炉自上而下依次设有装煤料封装置、干燥预热段、一段热解段、二段热解段、熄焦段及推焦排焦装置；其中，一段热解段设一段加热花墙及相对设置的一段多级混合器一、一段多级混合器二，同时设一段气体取样分析管与一段气体成分检测仪相连；二段热解段设二段加热花墙及相对设置的二段多级混合器一、二段多级混合器二，同时设二段气体取样分析管与二段气体成分检测仪相加连；干馏炉通过荒煤气管道连接煤气净化及动力单元，煤气净化及动力单元通过合成气管道连接煤气深加工单元，通过回炉煤气管道连接一段多级混合器一及一段多级混合器二的回炉煤气入口，回炉煤气管道上设回炉煤气调节阀；煤气深加工单元通过回炉二氧化碳管道连接一段多级混合器一及一级多级混合器二的回炉二氧化碳入口，回炉二氧化碳管道上设回炉二氧化碳调节阀；制氧单元通过一段氧气管道连接一段多级混合器一及一段多级混合器二的一段助燃氧气入口，一段氧气管道上设一段助燃氧气调节阀；通过二段氧气管道连接二段多级混合器一及二段多级混合器二的二段助燃氧气入口，二段氧气管道上设二段助燃氧气调节阀；二段多级混合器一及二段多级混合器二的低压蒸汽入连接低压蒸汽管道，低压蒸汽管道上设低压蒸汽调节阀；一段气体成分检测仪及一段气体成分检测仪的信号输出端连接控制系统，控制系统另外连接回炉煤气调节阀、回炉二氧化碳调节阀、一段助燃氧气调节阀、二段助燃氧气调节阀及低压蒸汽调节阀的控制端。

4、所述一段热解段的炉体内沿中轴线设一段加热花墙，一段加热花墙两端的炉体外分别设一段多级混合器一、一段多级混合器二，一段多级混合器一及一段多级混合器二的混合气体出口分别伸入对应端的一段加热花墙内；一段热解段的中部设一段混合气体取样点，一段气体取样分析管的混合气体入口位于一段混合气体取样点处，一段气体取样分析管的混合气体出口连接炉体外的一段气体成分检测仪。

5、所述二段热解段的炉体内沿中轴线设二段加热花墙，二段加热花墙两端的炉体外分别设二段多级混合器一、二段多级混合器二，二段多级混合器一及二段多级混合器二的混合气体出口分别伸入对应端的二段加热花墙内；二段热解段的中部设二段混合气体取样点，二段气体取样分析管的混合气体入口位于二段混合气体取样点处，二段气体取样分析管的混合气体出口连接炉体外的二段气体成分检测仪。

6、所述煤气净化及动力单元由依次设置于荒煤气管道上的煤气冷却器、电捕焦油器、煤气风机及煤气分配器组成。

7、所述一段多级混合器一、一段多级混合器二的结构相同，均由同轴设置的内套管一、中套管及外套管一组成；其中内套管一设一段助燃氧气入口，中套管设回炉二氧化碳入口，外套管设回炉煤气入口。

8、所述二段多级混合器一、二段多级混合器二的结构相同，均由同轴设置的内套管二和外套管二组成；其中内套管二设二段助燃氧气入口，外套管二设低压蒸汽入口。

9、一种实现低阶煤热解煤气碳氢比炉内调节的方法，包括如下过程：

10、1）原料煤经装煤料封装置预存后进入干馏炉，依次经过干燥预热段、一段热解段和二段热解段干馏，形成的半焦通过干馏炉下部的熄焦段冷却后，由干馏炉底部的推焦排焦装置控制排焦速度排出；

11、2）干馏炉通过集气系统将低阶煤干馏产生的荒煤气导出，通过煤气净化及动力单元完成煤气中杂质的脱除，净化后的荒煤气分为两路：一路作为回炉煤气供一段热解段燃烧加热；另一路作为合成气原料，进入煤气深加工单元加工得到合成化工产品；

12、3）煤气深加工单元分离产生的二氧化碳分为两路，一路回炉进入一段热解段，作为惰性气体调节一段加热花墙内混合气的氧气浓度和燃烧强度，并参与反应，完成部分co2的消纳；另一路将少量co2外排或送至系统外处理；

13、4）制氧单元产生的氧气分两路，一路作为一段助燃氧气送至一段热解段，另一路作为二段助燃氧气送至二段热解段；

14、5）一段热解段供气包括一段助燃氧气、回炉煤气和回炉二氧化碳，三者通过一段多级混合器一和一段多级混合器二在一段加热花墙内混合；

15、一段热解段包括如下反应：

16、煤热解反应：原料煤脱除挥发分产生煤气、焦油和半焦；

17、回炉煤燃烧反应：co+o2→co2；h2+o2→h2o；ch4+o2→co2+h2o；

18、boudourad反应：c+co2→co；

19、6）二段热解段供气包括二段助燃氧气和低压蒸气，二者通过二段多级混合器一和二段多级混合器二在二段加热花墙内混合；

20、二段热解段包括如下反应：

21、半焦燃烧反应：c+o2→co；c+o2→co2；

22、水煤气反应：c+h2o→co+h2；

23、7）通过匹配调节一段热解段、二段热解段的反应供热程度，调节荒煤气的碳氢比为0.4～1.0；调节时，需降低荒煤气的碳氢比时，降低一段热解段反应供热量，增加二段热解段反应供热量；需提高低荒煤气中的碳氢比时，增加一段热解段反应供热量，降低二段热解段反应供热量。

24、所述原料煤的粒径为6～30mm；一段热解段的温度控制在650～750℃，二段热解段的温度控制在800～900℃。

25、所述回炉煤气的组成按体积百分比控制为：二氧化碳15%～42%，氮气1%～2%，一氧化碳12%～40%，氢气12%～45%，甲烷5%～14%。

26、一段加热花墙内混合气的组成按体积百分比控制为：氧气5%～10%，二氧化碳50%～70%，氮气1%～2%，一氧化碳3%～15%，氢气3%～15%，甲烷3%～12%；二段加热花墙内混合气的组成按体积百分比控制为：氧气5%～65%，水蒸气：35%～95%。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、1）干馏炉采用两段式加热结构，根据一段热解段和二段热解段的热解反应特点，分配调整两段的加热量，实现调整煤气成分（碳氢比）的目的，灵活匹配后续化产品合成需求。

29、2）大量二氧化碳回炉消纳，减少碳排放的同时，提高了煤气利用率。