專利名稱：一種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于煤化工生產技術和燃氣-蒸汽聯合發電技術等領域，具體涉及一種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝。
背景技術：
中國是世界上最大的煤炭生產和消費國之一，煤炭儲量占世界總儲量的20%，其中年輕煤種占50%左右。由于年輕煤種(如褐煤)存在著熱值低、傳統應用方式利用率低等問題，難以滿足普通用戶的質量要求，影響了煤資源的直接利用。因此，研究如何高效、清潔利用年輕煤資源具有重大的能源、環境意義。 我國從20世紀90年代開始大力推廣潔凈煤技術，其核心主要是將煤進行氣化后轉化為潔凈燃料再進行綜合利用，因此，將煤進行氣化制備清潔燃料技術成為褐煤等年輕煤種高效、清潔利用的主要方向。但是，由于煤中揮發分和固定碳所需氣化條件迥然不同，造成了氣化條件苛刻、工藝設備復雜、投資較高等問題。實際上，煤中的揮發分可以通過干餾的方法實現與固定碳的有效分離，即所謂的煤干餾拔頭。揮發分經干餾后生成的氣體產物包括煤氣、苯、萘、焦油等十分有用的化學品，可用做生產燃料或化工產品的原料；氣化后產生固體殘留物為半焦，具有高化學活性、高固定碳、低灰、低硫、低磷、低堿金屬氧化物等特性，可以進行燃燒或氣化得到進一步的利用，從而實現煤的分質利用。通過煤氣化將燃氣輪機發電和蒸汽輪機相結合可以有效提高煤的發電效率，目前世界上主要米用 IGCC 工藝。IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)過程的特點是將煤氣化后制備得到高溫可燃氣體，高溫可燃氣體經過降溫、凈化后再燃燒得到高溫燃氣，推動燃氣輪機、蒸汽機聯合發電。但是，由于其煤炭氣化和煤氣凈化部分附加投資大，運行能耗高，導致目前IGCC的總體熱-電效率并不高(美國Tanpa工廠的報告數據僅為38. 5%)。為了克服IGCC過程的缺點，美國專利US 5685138提出將IGCC過程中制備得到的高溫可燃氣體先用于原料煤的干燥，得到含有一定水蒸氣的燃氣再進入燃氣輪機燃燒發電，可一定程度地提高熱電效率。專利CN202165134U (基于固體燃料熱解和半焦燃燒的分級混合發電系統)則提出了先將煤進行熱解產生氣體、液體燃料和固體半焦，氣體和液體燃料進入燃氣輪機進行燃燒發電，固體半焦燃燒推動蒸汽輪機發電，該技術集成了 IGCC和超超臨界發電的優點，提高了發電效率，但此技術中的煤化學品直接進入燃氣輪機燃燒并未得到高值利用。專利201110268971.0 (—種粉煤直燃的整體聯合循環發電系統)提出了一種粉煤直燃的整體聯合循環發電系統。該技術不需要煤氣化單元，煤粉直接燃燒后經高溫過濾即進入燃氣輪機、蒸汽輪機，縮短了流程、避免了整個過程溫度經歷“升溫-降溫-升溫”過程，提高了熱-電效率。但該過程的問題在于煤粉直燃后得到的高溫燃氣中含有大量粉塵會對燃氣輪機葉片產生磨損，同時高溫燃氣中還含有一定量的堿金屬氯化物和其他硫/氯/磷化合物，燃氣輪機在長期運行過程中，這些物質會在在輪機葉片上的結疤，并對葉片造成腐蝕，因此需要嚴格控制進入燃氣輪機的氣體中的腐蝕性雜質的含量。

發明內容
本發明為解決現在技術中的問題，本發明提出將“年輕煤種拔頭技術-半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統-燃氣發電-超臨界/超超臨界蒸汽發電系統-CO2捕集技術-干餾拔頭氣體產物高值利用技術”等六個技術模塊進行集成創新，以實現高揮發年輕煤種的熱力學-化學全價、清潔利用(Themo-Chemical Comprehensive Utilization ofCoal,簡稱TCXUC)，并顯著提高過程的熱_電效率。本發明采用以下技術方案予以實現—種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，它包括六個技術模塊組成，所述六個技術模塊為技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分、技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統、技術模塊III燃氣輪機發電系統、技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統、技術模塊V為CO2捕集技術和技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用部分。所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，所述六個技術模塊工藝過程如下所述技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分，以高揮發性的煤炭年輕煤種為原料，通過干餾拔頭技術分別得到半焦固體產品和焦爐煤氣、粗苯、粗萘、焦油及其它高溫氣體產品；得到的半焦進入技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在空氣或氧氣中進行加壓燃燒，生成高溫高壓、含塵、含少量氧和少量硫化物的氣體，再經過預除塵、高溫脫硫后進入催化燃凈室，在一氧化碳、氫氣和甲烷等還原性氣氛下將殘余氧完全去除；除氧后的高溫高壓燃氣進入“電除塵-高溫過濾”裝置進行高溫除塵，得到符合燃氣輪機要求的純凈燃氣；所述燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電；從燃氣輪機出來的高溫氣體進入技術模塊IV超臨界或超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界/超超臨界水蒸汽，推動蒸汽輪機進行發電；從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V 二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排；從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。所述由技術模塊I中年輕煤種干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘及 其它高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用部分中，所述焦油通過加氫技術生產輕質燃油；所述焦爐煤氣經過凈化后，進入變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳氣體進入技術模塊II中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應，氫氣用于焦油加氫制輕質燃油過程；所述粗苯、粗萘及其它氣體作為下游精細化學品原料。優選的，所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，所述技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統包括半焦直接燃燒、預除塵、高溫脫硫、催化燃凈、高溫除塵工序，得到的高溫高壓燃氣壓力為0. l-8MPa，溫度為800-1500°C，含塵量小于IOmg/m3 ;燃氣中堿金屬總量低于0. 024mg/kg。優選的，所述高溫高壓燃氣壓力為2MPa，溫度為1200°C。優選的，，所述的催化燃凈工序為在催化劑的作用下使氣體中少量的氧氣與還原性氣體組分氫氣、甲烷和一氧化碳進行反應，以達到除去氣體中氧氣，延長后續高溫過濾介質的壽命；所述的催化劑是呈顆粒層狀或網狀或蜂窩狀的材料，催化劑的活性組分是貴金屬、稀土金屬和鐵系金屬中的一種，催化燃凈室的操作溫度為800-1500°C，催化燃凈室出口氣體中O2含量為0. 0-0. 5%。優選的，所述催化燃凈室的操作溫度為1200°C，O2含量為0. 10%。優選的，所述的技術模塊II半焦直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，所述的高溫除塵工序步驟包括靜電除塵和高溫過濾；所述高溫過濾中所用的過濾介質為碳纖維、改性碳纖維或石墨化纖維中的一種或多種。所述碳纖維是聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、浙青基碳纖維或聚丙烯腈基石墨化碳纖維、黏膠基石墨化碳纖維、浙青基石墨化碳纖維中的一種。所述改性碳纖維材料是二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(A1203)、氧化鋯(Zr02)、二氧化鈦(Ti02)、硅酸鋁 CmSiO2 nAl203)、娃酸錯(mSi02 nZr02)、碳化娃(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、氮化娃(Si3N4 )、玻璃及其它耐氧材料在碳纖維、石墨化纖維表面進行包覆改性。所述高溫過濾介質的形式是碳纖維布或碳纖維氈，高溫過濾裝置操作溫度為300-1500°C。優選的，所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，它包括以下具體工藝步驟a、在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分中，年輕煤種置于多段低溫干餾方爐內，采用外熱式熱解方式對煤進行低溫連續干餾，褐煤在碳化室中自上而下經過100-20(TC進行脫水干燥、400-1200°C下進行干餾使煤料進行熱解脫除揮發分，生成半焦和荒煤氣，其中荒煤氣中含有焦爐煤氣、粗苯、粗萘和焦油等產品。所得半焦產品已去除掉大部分的堿金屬氯化物和其他硫/氯/磷化合物。b、技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統，包括半焦直燃、高溫高壓燃氣除氧、除塵等過程。由技術模塊I得到的固體產物半焦經粉碎后進入燃燒室，在空氣氣氛中進行直接燃燒得到高溫、高壓燃氣。為了提高后續工段的CO2的捕獲效率，采用氧氣使其進行富氧燃燒，燃燒室為熱壁式或冷壁式，燃燒氣化室采用加壓式，燃燒室的操作壓力為0. l-8MPa，出口溫度為800-1500°C，含塵量小于10mg/m3，燃氣中堿金屬總量低于
0.024mg/kg。C、由b步驟得到的高溫、高壓燃氣中含有較多粉塵、少量的硫化物、氮氧化物和少量的02，首先經過高溫旋風裝置去除部分粉塵，再經過高溫脫硫脫硝裝置實現硫化物、氮氧化物的脫除。含少量O2的高溫高壓燃氣進入催化燃凈室，與變壓吸附(PSA)工段制備得到的0)、0)2和CH4的混合氣體混合，在催化劑作用下與混合氣中的O2反應，出口氣體中氧含量小于0. 0-0. 5% ;催化材料可以是粒狀催化劑填充層、蜂窩狀陶瓷、催化金屬網或粉狀催化劑。d、由c步驟得到的脫除粉塵、硫化物、氮氧化合物和氧氣的高溫、高壓燃氣進入高溫過濾器。高溫過濾器由“高溫布袋除塵器”或“高溫電除塵器+高溫布袋除塵器”組成。高溫過濾裝置中所用的過濾介質為碳纖維、改性碳纖維或石墨化纖維。其中碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、浙青基碳纖維或聚丙烯腈基石墨化碳纖維、黏膠基石墨化碳纖維、浙青基石墨化碳纖維；改性碳纖維材料為Si02、Al203、Zr02、Ti02、mSi02 nAl203、HiSiO2 nZr02、SiC、TiC、TiN等耐氧材料在碳纖維、石墨化纖維表面進行包覆改性。高溫過濾介質的形式為碳纖維布或碳纖維氈，高溫過濾裝置操作溫度為800-1500°C。e、由d步驟得到的潔凈、高溫、高壓燃氣，進入技術模塊III燃氣輪機發電系統，通過高溫高壓氣體膨脹做功發電。f、從e步驟燃氣輪機出來的高溫氣體進入技術模塊IV中的蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界狀態或超超臨界狀態的水蒸氣，推動蒸汽輪機進行發電。g、從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V CO2捕集系統，通過CO2捕集技術實現CO2的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。h、由a步驟技術模塊I得到的荒煤氣從干餾段出口排出進入技術模塊VI。荒煤氣在此模塊中進入煤氣冷卻凈化系統進行冷卻凈化，并回收焦油。焦爐氣依次經過水冷、間冷、電捕焦油器、脫苯工序，分別得到焦油、苯、萘和焦爐煤氣。i、凈化后得到的焦爐氣組成約為H2 :15%_50%、CH4 :25%_45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此氣體經過加壓、冷凍后，在0. 5-1. 3MPa下進行變壓吸附脫氫操作，制備得到H2以及CO、CO2和CH4的混合氣體。CO、CO2和CH4混合氣體作為還原性氣體進入技術模塊II 的催化燃凈室，H2則進入本技術模塊的焦油加氫裂解工序制備輕質燃油。j、由h步驟得到的焦油、苯、萘等化學品可作為原料進入下游產業；所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，它包括以下具體步驟以褐煤為原料，在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術中，褐煤經過破碎、篩分后得到6-20mm的碎塊，裝入低溫干餾爐后經過150°C的預熱段進行干燥，干燥后的煤塊進入560°C左右的干餾段進行干餾，干餾后經過冷卻段得到固體半焦，荒煤氣、粗苯、粗萘、焦油，經干餾過程后，固體半焦的殘留堿金屬總量為0. 020mg/kg ；隨后，半焦進入技術模塊II富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在純氧氣氛下直接燃燒，得到1200°C、2MPa的高溫高壓、含4. 0%02的燃氣，高溫高壓燃氣經過高溫旋風除塵和高溫脫硫裝置脫除粉塵和硫化物，然后在催化燃凈室中與焦爐氣變壓吸附脫氫后得到的還原性氣體COXH4反應將大部分O2脫除；催化燃凈室出來的燃氣中含O2量減小到0. 10%,隨后進入高溫過濾裝置；在“高溫電除塵+SiC表面改性的碳纖維過濾介質的過濾裝置”中1200°C下實現高溫燃氣凈化；凈化后的燃氣中含塵量lOppm，成為符合燃氣輪機要求的純凈燃氣。純凈燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電；從燃氣輪機出來的高溫氣體再進入技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界水蒸汽推動蒸汽輪機進行發電；從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V 二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排；從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。由技術模塊I年輕褐煤干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘及其它高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用技術中；所述焦油通過加氫技術生產輕質燃料油；所述焦爐煤氣經過凈化后，進入活性炭/分子篩的變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷和二氧化碳氣體進入技術模塊II中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應；所述氫氣用于焦油加氫制輕質燃料油過程；所述粗苯和粗萘作為下游精細化學品原料。本發明以煤拔頭、高溫除塵等關鍵技術的突破為核心，以多工藝模塊的集成創新為具體實施方式
，實現了煤的熱力學-化學全價、清潔利用，并大幅提高過程的發電效率。本發明通過干餾拔頭工藝得到焦爐氣、粗苯、粗萘和焦油等產品的同時，實現了煤粉中大部分的堿金屬氯化物和其他硫/氯/磷化合物的脫除，得到潔凈的半焦產品。半焦空氣/富氧/純氧直燃既避免了 IGCC過程中復雜的煤氣化過程，又避免了煤直燃燃氣發電易出現堿金屬氯化物/硫化物等高溫下在燃氣機上的沉積而影響燃氣機的正常操作。高溫過濾裝置的開發避免了 IGCC中必須的煤氣降溫除塵處理工序，從而提高了熱效率。半焦富氧或純氧燃燒后的高濃度CO2煙氣有利于CO2捕集，從而實現CO2的減排。干餾拔頭得到的氣體產物中的粗苯、粗萘作為下游精細化學品原料，焦油進行加氫以制備輕質燃料油，從而實現其高附加值利用。本發明有效地利用褐煤等具有高揮發分的年輕煤種，實現了半焦、輕質燃料油和化學品的聯產；通過“燃氣_蒸汽”聯合發電，并引入超臨界/超超臨界發電新技術，提高了熱量的有效利用率，可使發電效率達到50%-70%。本發明與現有技術相比具有以下顯著的優點(I)煤化學上進行分質利用，以煤中的固體分通過燃燒發電，揮發分生產輕質燃料油和化學品，使煤中高質碳氫化合物得到高附加值利用，從而實現了煤的化學高效利用。
(2)干餾拔頭同時實現了半焦的脫氫、脫硫、脫水，且大大地降低了堿金屬化合物在高溫下(800-1500°C)的蒸氣分壓，同時開發的高溫過濾技術避免了降溫除塵處理，實現了高溫燃氣直接進入燃氣輪機發電，因此具有熱力學上優勢。(3)利用燃氣輪機發電(900_1500°C)和蒸汽機發電相結合的方法，充分利用高溫爐氣的有用功。引入超臨界/超超臨界發電新技術，可使發電效率提高到50%_70%。(4)與傳統IGCC相比，避免了復雜的煤氣化過程，具有投資少、效益高的優點。(5)采用富氧或純氧燃燒，有利于CO2捕集,減少CO2排放,從而實現了煤的清潔利用。


圖I為本發明的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。參見圖I。本發明一種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，它包括以下具體工藝步驟a、在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分中，年輕煤種置于多段低溫干餾方爐內，采用外熱式熱解方式對煤進行低溫連續干餾，褐煤在碳化室中自上而下經過100-20(TC進行脫水干燥、400-120(TC下進行干餾使煤料進行熱解脫除揮發分，生成半焦、焦爐氣、粗苯、粗萘和焦油等產品。所得半焦產品已去除掉大部分的堿金屬氯化物和其他硫/氯/磷化合物。b、技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統，包括半焦富氧直燃、高溫高壓燃氣除氧、除塵等過程。由技術模塊I得到的固體產物半焦經粉碎后進入燃燒室，在空氣氣氛中進行直接燃燒得到高溫、高壓燃氣。為了提高后續工段的CO2的捕獲效率，可以采用氧氣使其進行富氧燃燒，燃燒室可以是熱壁式或冷壁式。為了提高發電效率，燃燒氣化室可以是加壓式，加壓燃燒室的操作壓力可以0. l-8MPa，出口溫度超過800-1500°C，含塵量小于10mg/m3,燃氣中堿金屬總量低于0. 024mg/kg。C、燃燒后得到的高溫、高壓燃氣中含有較多粉塵、少量的硫化物、氮氧化物和少量的O2，其經過高溫旋風裝置去除部分粉塵，再經過高溫脫硫脫硝裝置實現硫化物、氮氧化物的脫除。含少量O2的高溫、高壓燃氣進入催化燃凈室，與變壓吸附(PSA)工段制備得到的0)、0)2和CH4的混合氣體混合，在催化劑作用下混合氣中的O2可完全反應，出口氣體中氧含量小于0. 0-0. 5%。催化材料為粒狀催化劑填充層、蜂窩狀陶瓷、催化金屬網或粉狀催化劑。d、除去O2的高溫、高壓燃氣進入高溫過濾器。高溫過濾器由“高溫布袋除塵器”或“高溫電除塵器+高溫布袋除塵器”組成。其中高溫布袋除塵器的性能與結構要求如專利申請號為2011202983165所述，高溫過濾裝置中所用的過濾介質為碳纖維、改性碳纖維或石墨化纖維。其中碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、浙青基碳纖維或聚丙烯腈基石墨化碳纖維、黏膠基石墨化碳纖維、浙青基石墨化碳纖維；改性碳纖維材料為Si02、Al203、Zr02、Ti02、mSi02 nAl203、mSi02 nZr02、SiC、TiC、TiN 等耐氧材料在碳纖維、石墨化纖維表面進行包覆改性。高溫過濾介質的形式為碳纖維布或碳纖維氈；高溫過濾裝置操作溫度為800-1500°C。e、經過技術模塊II中高溫過濾得到的潔凈、高溫、高壓燃氣，進入技術模塊III燃氣輪機發電系統，通過高溫高壓氣體膨脹做功發電。f、從燃氣輪機出來的高溫氣體進入技術模塊IV中的蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界狀態或超超臨界狀態的水蒸氣，推動蒸汽輪機進行發電。g、從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V CO2捕集系統，通過CO2捕集技術實現CO2的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。h、由技術模塊I得到的荒煤氣從干餾段出口排出進入技術模塊VI。荒煤氣在此模塊中進入煤氣冷卻凈化系統進行冷卻凈化，并回收焦油。焦爐氣依次經過水冷、間冷、電捕焦油器、脫苯工序，分別得到焦油、苯、萘和焦爐煤氣。i、凈化后得到的焦爐氣組成約為H2 :15%-50%、CH4 :25%_45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此氣體經過加壓、冷凍后，在0. 5-1. 3MPa下進行變壓吸附脫氫操作，制備得到H2以及CO、CO2和CH4的混合氣體。CO、CO2和CH4混合氣體作為還原性氣體進入技術模塊II的催化燃凈室，H2則進入本模塊的焦油加氫裂解工序制備輕質燃油。
j、荒煤氣冷卻后凈化、精制后得到的苯、萘等化學品可作為原料進入下游產業。實施例I以褐煤為原料，在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術中，褐煤經過破碎、篩分后得到6-20mm的碎塊，裝入低溫干餾爐后經過150°C的預熱段進行干燥，干燥后的煤塊進入560°C左右的干餾段進行干餾，干餾后經過冷卻段得到固體半焦、荒煤氣、粗苯、粗萘、焦油等。經干餾過程后固體半焦的殘留堿金屬總量為0.020mg/kg。隨后半焦在技術模塊II富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在純氧氣氛下直接燃燒，得到1200°C、2MPa的高溫高壓、含4. 0%02的燃氣。高溫高壓燃氣經過高溫旋風除塵和高溫脫硫裝置脫除大部分粉塵和硫化物，然后在催化燃凈室中與焦爐氣變壓吸附脫氫后得到的還原性氣體0)、014在12001反應，反應后高溫燃氣中的02濃度降低至0. 1%。除氧后的高溫燃氣進入高溫過濾裝置，在“高溫電除塵+碳纖維為過濾介質的過濾裝置”中實現高溫下(1200°C )的燃氣凈化。凈化后的燃氣中含塵量lOppm，成為符合燃氣輪機要求的純凈燃氣。高溫過濾所用介質材料為聚丙烯腈基碳纖維經SiC表面改性后制備所得。純凈燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電。從燃氣輪機出來的高溫氣體再進入技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界水蒸汽，推動蒸汽輪機進行發電，綜合發電效率為58%。從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V 二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。由技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘等高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用技術中。焦油通過加氫技術生產輕質燃料油；焦爐煤氣經過凈化后，進入活性炭/分子篩的變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳氣體進入技術模塊11中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應，氫氣用于焦油加氫制輕質燃料油過程；粗苯、粗萘等作為下游精細化學品原料。實施例2 以揮發分含量超過20%的長焰煤為原料，在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術中，長焰煤經過破碎、篩分后得到30-50_的碎塊，裝入低溫干餾爐后經過200°C的預熱段進行干燥，干燥后的煤塊進入600°C左右的干餾段進行干餾，干餾后經過冷卻段得到固體半焦、荒煤氣、粗苯、粗萘、焦油等。隨后半焦在技術模塊II富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在純氧氣氛下直接燃燒，得到1300°C、4MPa的高溫高壓、含3. 0%02的燃氣。高溫高壓燃氣經過高溫旋風除塵和高溫脫硫裝置脫除大部分粉塵和硫化物，然后在催化燃凈室中與焦爐氣變壓吸附脫氫后得到的還原性氣體0)、014在13001反應，反應后高溫燃氣中的O2含量降低至0. 15%，堿金屬總量低于0. 024mg/kg。隨后進入高溫過濾裝置。在“高溫電除塵+碳纖維為過濾介質的過濾裝置”中實現高溫下(1300°C)的燃氣凈化。凈化后的燃氣中含塵量8ppm，成為符合燃氣輪機要求的純凈燃氣。高溫過濾所用介質材料為聚丙烯腈基碳纖維經HiSiO2 ^nAl2O3表面改性后制備所得。純凈燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電。從燃氣輪機出來的高溫氣體再進入技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界水蒸汽，推動蒸汽輪機進行發電，綜合發電效率為62%。從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。由技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘等高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用技術中。焦油通過加氫技術生產輕質燃料油；焦爐煤氣經過凈化后，進入活性炭/分子篩的變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳氣體進入技術模塊II中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應，氫氣用于焦油加氫制輕質燃料油過程；粗苯、粗萘等作為下游精細化學品原料。實施例3以揮發分含量約25-30%的不黏煤為原料，在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術中，不黏煤經過破碎、篩分后得到100-120mm的碎塊，裝入低溫干餾爐后經過180°C的預熱段進行干燥，干燥后的煤塊進入800°C左右的干餾段進行干餾，干餾后固體經過冷卻段得到半焦、荒煤氣、粗苯、粗萘、焦油等。隨后半焦進入技術模塊II富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，半焦經粉碎后進入燃燒室，在純氧氣氛下直接燃燒，得到1100°C、3MPa的高溫高壓、含5. 0%02的燃氣。高溫高壓燃氣經過高溫旋風除塵和高溫脫硫裝置脫除大部分粉塵和硫化物，然后在催化燃凈室中與焦爐氣變壓吸附脫氫后得到的還原性氣體CO、CH4在1100°C下反應，反應后高溫燃氣中的O2含量降低至0. 15%，堿金屬總量低于0. 018mg/kg。隨后進入高溫過濾裝置。在“高溫電除塵+石墨化碳纖維為過濾介質的過濾裝置”中實現高溫下(IlO(TC)的燃氣凈化。凈化后的燃氣中含塵量6ppm，成為符合燃氣輪機要求的純凈燃氣。高溫過濾所用介質材料為聚丙烯腈基石墨化碳纖維經SiO2表面改性后制備所得。純凈的高溫、高壓燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電。從燃氣輪機出來的高溫氣體再進入技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界水蒸汽，推動蒸汽輪機進行發電，“燃氣-蒸汽”綜合發電效率為56%。從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V的二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。 由技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘等高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用技術中。焦油通過加氫技術生產輕質燃料油；焦爐煤氣經過凈化后，進入活性炭/分子篩的變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳氣體進入技術模塊11中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應，氫氣(或補加外來氫氣)用于焦油加氫制輕質燃料油過程；粗苯、粗萘等作為下游精細化學品原料。
權利要求
1.一種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是它包括六個技術模塊組成，所述六個技術模塊為技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分、技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統、技術模塊III燃氣輪機發電系統、技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統、技術模塊V為CO2捕集技術和技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用部分。
2.如權利要求I所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是所述六個技術模塊工藝過程如下 所述技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分，以高揮發性的煤炭年輕煤種為原料，通過干餾拔頭技術分別得到半焦固體產品和焦爐煤氣、粗苯、粗萘、焦油及其它高溫氣體產品；得到的半焦進入技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在空氣或氧氣中進行加壓燃燒，生成高溫高壓、含塵、含少量氧和少量硫化物的氣體，再經過預除塵、高溫脫硫后進入催化燃凈室，在一氧化碳、氫氣和甲烷等還原性氣氛下將殘余氧完全去除；除氧后的高溫高壓燃氣進入“電除塵-高溫過濾”裝置進行高溫除塵，得到符合燃氣輪機要求的純凈燃氣；所述燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電；從燃氣輪機出來的高溫氣體進入技術模塊IV超臨界或超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界/超超臨界水蒸汽，推動蒸汽輪機進行發電；從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V 二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排；從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用。
所述由技術模塊I中年輕煤種干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘及其它高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用部分中，所述焦油通過加氫技術生產輕質燃油；所述焦爐煤氣經過凈化后，進入變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳氣體進入技術模塊II中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應，氫氣用于焦油加氫制輕質燃油過程；所述粗苯、粗萘及其它氣體作為下游精細化學品原料。
3.如權利要求2所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是，所述技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統包括半焦直接燃燒、預除塵、高溫脫硫、催化燃凈、高溫除塵工序，得到的高溫高壓燃氣壓力為0. l_8MPa，溫度為800-1500°C，含塵量小于10mg/m3 ;燃氣中堿金屬總量低于0. 024mg/kg。
4.如權利要求3所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是，所述高溫高壓燃氣壓力為2MPa，溫度為1200°C。
5.如權利要求3所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是，所述的催化燃凈工序為在催化劑的作用下使氣體中少量的氧氣與還原性氣體組分氫氣、甲烷和一氧化碳進行反應，以達到除去氣體中氧氣，延長后續高溫過濾介質的壽命；所述的催化劑是呈顆粒層狀或網狀或蜂窩狀的材料，催化劑的活性組分是貴金屬、稀土金屬和鐵系金屬中的一種，催化燃凈室的操作溫度為800-1500°C，催化燃凈室出口氣體中O2含量為0. 0-0. 5%。
6.如權利要求6所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是，所述催化燃凈室的操作溫度為1200°C，O2含量為0. 10%。
7.如權利要求3所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是，所述的技術模塊II半焦直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，所述的高溫除塵工序步驟包括靜電除塵和高溫過濾；所述高溫過濾中所用的過濾介質為碳纖維、改性碳纖維或石墨化纖維中的一種或多種； 所述碳纖維是聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、浙青基碳纖維或聚丙烯腈基石墨化碳纖維、黏膠基石墨化碳纖維、浙青基石墨化碳纖維中的一種。所述改性碳纖維材料是二氧化娃(SiO2)、三氧化二招(Al2O3)、氧化錯(ZrO2)、二氧化鈦(TiO2)、娃酸招(mSi02 nAl203)、硅酸鋯(mSi02 nZr02)、碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、氮化硅(Si3N4)、玻璃及其它耐氧材料在碳纖維、石墨化纖維表面進行包覆改性； 所述高溫過濾介質的形式是碳纖維布或碳纖維氈，高溫過濾裝置操作溫度為300-1500°C。
8.如權利要求I所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是它包括以下具體工藝步驟 a、在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭部分中，年輕煤種置于多段低溫干餾方爐內，采用外熱式熱解方式對煤進行低溫連續干餾，褐煤在碳化室中自上而下經過100-20(TC進行脫水干燥、400-1200°C下進行干餾使煤料進行熱解脫除揮發分，生成半焦和荒煤氣，其中荒煤氣中含有焦爐煤氣、粗苯、粗萘和焦油等產品。所得半焦產品已去除掉大部分的堿金屬氯化物和其他硫/氯/磷化合物； b、技術模塊II半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統，包括半焦直燃、高溫高壓燃氣除氧、除塵等過程。由技術模塊I得到的固體產物半焦經粉碎后進入燃燒室，在空氣氣氛中進行直接燃燒得到高溫、高壓燃氣。為了提高后續工段的CO2的捕獲效率，采用氧氣使其進行富氧燃燒，燃燒室為熱壁式或冷壁式，燃燒氣化室采用加壓式，燃燒室的操作壓力為.0.l-8MPa，出口溫度為800-1500°C，含塵量小于10mg/m3，燃氣中堿金屬總量低于0. 024mg/kg ； C、由b步驟得到的高溫、高壓燃氣中含有較多粉塵、少量的硫化物、氮氧化物和少量的O2,首先經過高溫旋風裝置去除部分粉塵，再經過高溫脫硫脫硝裝置實現硫化物、氮氧化物的脫除。含少量O2的高溫高壓燃氣進入催化燃凈室，與變壓吸附(PSA)工段制備得到的CO、CO2和CH4的混合氣體混合，在催化劑作用下與混合氣中的O2反應，出口氣體中氧含量小于.0.0-0. 5% ;催化材料可以是粒狀催化劑填充層、蜂窩狀陶瓷、催化金屬網或粉狀催化劑； d、由c步驟得到的脫除粉塵、硫化物、氮氧化合物和氧氣的高溫、高壓燃氣進入高溫過濾器。高溫過濾器由“高溫布袋除塵器”或“高溫電除塵器+高溫布袋除塵器”組成。高溫過濾裝置中所用的過濾介質為碳纖維、改性碳纖維或石墨化纖維。其中碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、黏膠基碳纖維、浙青基碳纖維或聚丙烯腈基石墨化碳纖維、黏膠基石墨化碳纖維、浙青基石墨化碳纖維；改性碳纖維材料為Si02、A1203、ZrO2, TiO2, mSi02 nAl203、HiSiO2 nZr02、SiC、TiC、TiN等耐氧材料在碳纖維、石墨化纖維表面進行包覆改性。高溫過濾介質的形式為碳纖維布或碳纖維氈，高溫過濾裝置操作溫度為800-1500°C ； e、由d步驟得到的潔凈、高溫、高壓燃氣，進入技術模塊III燃氣輪機發電系統，通過高溫高壓氣體膨脹做功發電； f、從e步驟燃氣輪機出來的高溫氣體進入技術模塊IV中的蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界狀態或超超臨界狀態的水蒸氣，推動蒸汽輪機進行發電； g、從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊VCO2捕集系統，通過CO2捕集技術實現CO2的減排。從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用； h、由a步驟技術模塊I得到的荒煤氣從干餾段出口排出進入技術模塊VI。荒煤氣在此模塊中進入煤氣冷卻凈化系統進行冷卻凈化，并回收焦油。焦爐氣依次經過水冷、間冷、電捕焦油器、脫苯工序，分別得到焦油、苯、萘和焦爐煤氣； i、凈化后得到的焦爐氣組成約為H2:15%-50%、CH4 :25%-45%、CO :15%_35%、CO2 15%-50%。此氣體經過加壓、冷凍后，在0. 5-1. 3MPa下進行變壓吸附脫氫操作，制備得到H2以及CO、CO2和CH4的混合氣體。CO、CO2和CH4混合氣體作為還原性氣體進入技術模塊II的催化燃凈室，H2則進入本技術模塊的焦油加氫裂解工序制備輕質燃油； j、由h步驟得到的焦油、苯、萘等化學品可作為原料進入下游產業。
9.如權利要求I所述的高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，其特征是它包括以下具體步驟 以褐煤為原料，在技術模塊I年輕煤種干餾拔頭技術中，褐煤經過破碎、篩分后得到6-20mm的碎塊，裝入低溫干餾爐后經過150°C的預熱段進行干燥，干燥后的煤塊進入560°C左右的干餾段進行干餾，干餾后經過冷卻段得到固體半焦，荒煤氣、粗苯、粗萘、焦油，經干餾過程后，固體半焦的殘留堿金屬總量為0. 020mg/kg ； 隨后，半焦進入技術模塊II富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統中，經粉碎后進入燃燒室，在純氧氣氛下直接燃燒，得到1200°C、2MPa的高溫高壓、含4. 0%02的燃氣，高溫高壓燃氣經過高溫旋風除塵和高溫脫硫裝置脫除粉塵和硫化物，然后在催化燃凈室中與焦爐氣變壓吸附脫氫后得到的還原性氣體CO、CH4反應將大部分O2脫除；催化燃凈室出來的燃氣中含O2量減小到0. 10%,隨后進入高溫過濾裝置；在“高溫電除塵+SiC表面改性的碳纖維過濾介質的過濾裝置”中1200°C下實現高溫燃氣凈化；凈化后的燃氣中含塵量lOppm，成為符合燃氣輪機要求的純凈燃氣。純凈燃氣隨后進入技術模塊III燃氣輪機發電系統中，通過高溫氣體膨脹做功發電；從燃氣輪機出來的高溫氣體再進入技術模塊IV超臨界/超超臨界蒸汽發電系統中，高溫氣體經蒸汽鍋爐將水加熱生成超臨界水蒸汽推動蒸汽輪機進行發電；從鍋爐出來的煙道氣進入技術模塊V 二氧化碳捕集系統中，通過二氧化碳捕集技術實現二氧化碳的減排；從蒸汽輪機出來的背壓蒸汽經過余熱回收后進行再利用； 由技術模塊I年輕褐煤干餾拔頭技術得到的焦油、焦爐煤氣、粗苯、粗萘及其它高溫氣體產品進入技術模塊VI干餾拔頭氣體產物高值利用技術中；所述焦油通過加氫技術生產輕質燃料油；所述焦爐煤氣經過凈化后，進入活性炭/分子篩的變壓吸附脫氫裝置，實現一氧化碳、甲烷、二氧化碳與氫氣的分離，分離得到的一氧化碳、甲烷和二氧化碳氣體進入技術模塊II中的催化燃凈室與燃氣中的殘余氧發生反應；所述氫氣用于焦油加氫制輕質燃料油過程；所述粗苯和粗萘作為下游精細化學品原料。
全文摘要
本發明涉及一種高揮發性年輕煤種的高效、清潔利用工藝，通過“年輕煤種干餾拔頭工藝-半焦富氧直燃制備高溫燃氣輪機工質系統-燃氣發電-超臨界/超超臨界發電-CO2捕集-干餾拔頭氣體產物高值利用技術”等六個工藝模塊的集成創新，尤其是半焦富氧直燃后不降溫除塵除雜的方法直接得到符合燃氣輪機工質純度要求的高溫高壓燃氣，實現煤的熱力學-化學全價、清潔利用，發電效率可達60%以上。本發明與IGCC技術相比，以半焦富氧直燃代替了投資昂貴的煤氣化工序，開發了高溫除塵技術，充分利用了高溫燃氣的有用功。具有投資少，工藝簡單，發電效率高等特點，同時還副產苯、萘、燃料油等高附加值化學品。
文檔編號C10K1/32GK102965131SQ201210390040
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者金涌, 胡永其, 胡山鷹, 王勇, 張志強, 余海鵬 申請人:金涌