一種耦合制備無焦油煤氣和電石的系統和方法與流程

本發明涉及電石冶煉技術領域，具體涉及一種耦合制備無焦油煤氣和電石的系統和方法。

背景技術：

煤的焦化、氣化、合成電石過程，為有機化工工業提供了豐富的粗苯、焦油、焦爐氣、合成氣和乙炔，是煤化工的三條核心途徑。目前，煤焦化技術投資成本高、產品精制不足、產品附加值不高。煤氣化技術進步緩慢、效率低、規模小、產業化程度低。而合成電石的工藝，路線簡單、產品附加值高、經濟效益好，已經實現大規模工業化生產，是一種比較有發展潛力的清潔煤技術和煤化工的途徑。制備的電石(即乙炔)可以用來合成苯、橡膠、聚氯乙烯、聚乙炔等有機產品。與石油乙烯路線相比，煤合成電石具有原料來源廣泛、價格低廉、設備投資低的優點。并且，乙炔比乙烯活性高，更利于有機合成反應的進行。

目前，電石合成方法主要是電熱法。該方法借助電弧爐將電能轉化為熱能，加熱熔融石灰和碳素原料焦炭，發生化合反應制取電石。電熱法歷史悠久，具有高能耗、高污染的缺點。電石合成反應為固相吸熱反應，原料傳質傳熱效率低，化學動力學過程時間長，需要高溫(2000～2200℃)加熱，和高活性的焦炭作為原料。該高溫加熱條件需要大量的能量，對設備的耐熱性能要求高，且增加了投資成本和能耗。原料焦炭一般由煤的焦化得到，流程長、有機碳損耗高、電耗高、環境污染嚴重。為了提高石灰-電石共熔速度和產品中電石的含量，實際操作中一般要求石灰過量20wt％(wt％為質量百分數)，物耗和能耗較大。副產物一氧化碳逸出反應體系帶走了大量的熱量，造成能量損失。

提高電石爐的電效率和熱效率是目前降低電石生產中的電耗，并提高能量利用率的兩大對策。但是，由于電熱法工藝基于石灰與焦炭直接反應生成電石，為固相吸熱反應，無論如何提高電效率和熱效率都無法改變該工藝高能耗、高物耗、高污染的現狀。為了提高電石生產能量、實現電石生產的綠色化和可持續發展，必須改革電熱法合成路線，采用新的電石合成工藝和合成方法。

煤溫和氣化產生的副產品半焦的量占反應產物的60～90wt％。對半焦進行經濟、有效、合理的利用，將提高整個過程的經濟性，并實現工業化。其中，半焦的性質主要取決于煤的種類、灰含量和反應條件等。

下行床氣化反應中，煤粉自氣化爐頂部由輸送系統送入，與由頂部通入的氣化劑并行向下運動并接觸反應，一般會停留數秒的時間。該反應過程中，氣化溫度較低、煤粉在氣化爐中停留時間較短、碳轉化率相對較低、氣化殘渣中含有大量未反應的碳。以水蒸氣為氣化劑時，在950℃的低溫下進行氣化反應生產富氫合成氣后，固體產物氣化半焦(氣化殘渣)中仍含有60wt％的碳。目前，氣化半焦一般用于燃燒發電，資源利用效率較低。

中低階煤反應性較高，富含揮發分，在較低的溫度和壓力下進行氣化，會產生較多的焦油。焦油對氣化系統和用氣設備的影響為：①高溫煤氣攜帶的焦油在輸送過程中逐漸冷凝，黏附在管道和設備內壁上，使管道堵塞，焦油中含有堿金屬或堿土金屬，會腐蝕設備，影響系統安全運行。②氣化焦油中含有較多酸性的酚類物質，造成廢水二次污染。③氣化焦油占氣化用煤總量的3～10wt％，極大的降低了氣化效率，低溫條件下焦油與可燃氣體燃燒不完全，產生的炭黑嚴重損壞燃氣利用設備，且浪費能源。因此，簡單的氣化發電系統，要求焦油含量在20～50mg/Nm³范圍內；內燃系統，要求焦油的含量低于10mg/Nm³；甲醇合成過程，要求焦油的含量低于0.1mg/Nm³。為實現低溫氣化處理中低階煤炭的目標，需要研究氣化焦油的脫除方法。

有研究指出，半焦可以作為新型的焦油裂解催化劑或催化劑載體。半焦對焦油的脫除具有很高的催化活性，含有焦油的氣體通過熱的半焦床層時，大部分焦油裂解產生氣體和水。在950℃時，焦油在半焦中幾乎完全轉化為低熱值氣體。

技術實現要素：

本發明的目的在于利用煤溫和氣化過程的副產品半焦1，半焦1作為催化劑催化、凈化含焦油合成氣脫除焦油，得到的半焦2作為冶煉制備電石的原料，實現了能源的回收利用，適于工業應用。

本發明首先公開了一種耦合制備無焦油煤氣和電石的系統，所述系統包括下行床氣化爐、催化凈化裝置、混合裝置、高溫成型裝置、電石爐。

所述下行床氣化爐包括煤入口、氣化劑入口、含焦油煤氣出口、半焦1出口。

所述催化凈化裝置包括半焦1入口、含焦油煤氣入口、無焦油煤氣出口、半焦2出口。所述半焦1入口與所述下行床氣化爐的半焦1出口通過輸送裝置連接。

所述混合裝置包括半焦1入口、熱CaO入口、粘結劑入口、混合粉料出口。所述半焦2入口與所述催化凈化裝置的半焦2出口通過輸送裝置連接。

所述高溫成型裝置包括混合粉料入口、混合型料出口。所述混合粉料入口與所述混合裝置的混合粉料出口通過輸送裝置連接。

所述電石爐包括混合型料入口、電石出口、高溫電石爐氣出口。所述混合型料入口與所述高溫成型裝置的混合型料出口通過輸送裝置連接。

上述系統中，進一步包括預熱器，所述預熱器具有CaO入口、熱CaO出口、高溫電石爐氣入口、低溫電石爐氣出口。所述熱CaO出口與所述混合裝置的熱CaO入口通過輸送裝置連接，所述高溫電石爐氣入口與所述電石爐的高溫電石爐氣出口連接。

優選的，所述催化凈化裝置、混合裝置、高溫成型裝置中均設置有保溫裝置。所述輸送裝置均為保溫輸送裝置。

本發明還公開了一種利用上述系統耦合制備無焦油煤氣和電石的方法，包括以下步驟：

煤氣化：將煤、氣化劑送入所述下行床氣化爐中，在T1溫度下反應得到半焦1和含焦油煤氣。

脫除焦油：將所述含焦油煤氣、半焦1分別送入所述催化凈化裝置中，反應得到無焦油煤氣和半焦2。

混合：將所述半焦2、粘結劑、熱CaO送入所述混合裝置中，混合得到混合粉料。

成型：將所述混合粉料送入所述高溫成型裝置中，制備混合型料。

電石冶煉：將所述混合型料送入所述電石爐中，在T2溫度下反應得到電石，并排出高溫電石爐氣。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述高溫電石爐氣通入所述預熱器中與所述CaO進行換熱，得到的熱CaO送入所述混合裝置中進行混合。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述T1為850～1050℃。所述T2為1900～2100℃，其優選溫度為1950℃。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述氣化劑為水蒸氣，所述水蒸氣占所述煤的百分比≤96wt％，優選≤80wt％。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述煤的粒徑≤0.5㎜，優選粒徑≤0.1㎜。所述煤的含水率≤8wt％。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述煤氣化步驟還加入了催化劑，所述催化劑占所述煤的百分比≤5wt％。

上述耦合制備無焦油煤氣和電石的方法中，所述熱CaO、半焦2、粘結劑的質量配比為：1：0.60～0.70：0.01～0.03。

本發明可充分利用煤溫和氣化過程產生的半焦1作為催化劑催化、凈化含焦油合成氣，然后利用生成的半焦2作為制備電石的原料。并且，可充分利用半焦1、半焦2和電石冶煉產生的高溫電石爐氣的顯熱，極大程度的降低了損耗，節約能源。

附圖說明

圖1為本發明耦合制備無焦油煤氣和電石的系統示意圖。

圖2為本發明實施例利用圖1所示的系統耦合制備無焦油煤氣和電石的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標記如下：

1、下行床氣化爐；2、催化凈化裝置；3、預熱器；4、混合裝置；5、高溫成型裝置；6、電石爐。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

如圖1所示，為本發明中耦合制備無焦油煤氣和電石的系統示意圖。該系統中包括下行床氣化爐1、催化凈化裝置2、預熱器3、混合裝置4、高溫成型裝置5、電石爐6。其中，各裝置之間的連接關系如下：

下行床氣化爐1用于煤的溫和氣化，可得到含焦油煤氣和副產物半焦1，其包括煤入口、氣化劑入口、含焦油煤氣出口、半焦1出口。

催化凈化裝置2用于含焦油煤氣中焦油的脫除，利用半焦1作為催化劑時，可得到半焦2和無焦油煤氣，其包括半焦1入口、含焦油煤氣入口、無焦油煤氣出口、半焦2出口。其中，半焦1入口與下行床氣化爐1的半焦1出口連接。

預熱器3用于對CaO進行預熱，可得到熱CaO，其包括CaO入口、熱CaO出口、高溫電石爐氣入口、低溫電石爐氣出口。

混合裝置4用于半焦2和熱CaO的混合，可得到混合粉料，其包括半焦2入口、熱CaO入口、粘結劑入口、混合粉料出口。其中，半焦2入口與催化凈化裝置2的半焦2出口連接，熱CaO入口與預熱器3的熱CaO出口連接。

高溫成型裝置5用于混合粉料的高溫成型，可得到混合型料，其包括混合粉料入口、混合型料出口。其中，混合粉料入口與混合裝置4的混合粉料出口連接。

電石爐6用于對由半焦2和CaO形成的混合型料進行冶煉，可得到電石和高溫電石爐氣，其包括混合型料入口、電石出口、高溫電石爐氣出口。其中，混合型料入口與高溫成型裝置5的混合型料出口連接，高溫電石爐氣出口與預熱器3的高溫電石爐氣入口連接。

本發明中，上述催化凈化裝置2、混合裝置4、高溫成型裝置5中均設置了保溫裝置，并且，其內部的工作環境均為阻燃環境。上述系統中，各個裝置單元之間固體物料的輸送是通過輸送裝置實現的，并均將輸送裝置設置為保溫裝置，且保證輸送裝置內部為阻燃環境。設置保溫裝置的目的是，保證進入電石爐6的混合型料的溫度不低于下行床氣化爐1的操作溫度下100℃。

如圖2所示，為本發明實施例中利用圖1所示的系統，耦合制備無焦油煤氣和電石的方法流程示意圖，包括步驟：

(1)煤氣化

將煤和氣化劑送入下行床氣化爐1中，在常壓、850～1050℃的溫度條件下進行氣化反應，得到含焦油煤氣和副產物半焦1。

本發明實施例中，選用0.6MPa、200℃的過熱水蒸氣作為煤氣化反應的氣化劑。其中，水蒸氣占煤的百分比≤96wt％，實施例中優選≤80wt％。

本發明選用中低階劣質煤炭作為原料煤，其含水率≤8wt％，灰分含量≤10wt％，揮發分含量≥30wt％，比表面積≥50m²/g，灰熔點≥1200℃，粒徑≤0.5㎜，本發明實施例中優選粒徑≤0.1㎜的煤。

本步驟還加入了粉狀CaO作為催化劑，可催化煤和水蒸氣氣化生成富氫合成氣。并且，粉狀CaO的粒徑≤0.5㎜，實施例優選粒徑≤0.1㎜，加入的質量占原料煤的百分比≤5wt％。粉狀CaO中CaO的含量≥95％，Al₂O₃的含量≤1％，MgO的含量≤1％，SiO₂含量≤1％。

(2)脫除焦油

上述步驟得到的含焦油煤氣自催化凈化裝置2的底部通入，同時，將上述步驟得到的高溫半焦1送入催化凈化裝置2中。含焦油煤氣自下而上經過熱的半焦層進行催化裂化反應，其中的焦油被脫除，得到的無焦油煤氣自催化凈化裝置2的頂部排出。半焦1經催化裂化反應后，生成半焦2。

(3)物料混合

粉狀CaO在預熱器3中升溫，得到熱CaO，并送入混合裝置4中。同時，上述步驟得到的半焦2也送入混合裝置4中，并向其中加入粘結劑。熱CaO、半焦2、粘結劑在混合裝置4中混合均勻，得到混合粉料。本發明實施例中，控制熱CaO、半焦2、粘結劑的質量配比為：1：0.60～0.70：0.01～0.03。

本步驟中，粘結劑選用干性、粉狀粘結劑，其在高溫下具有良好的粘接及固化的性能，可顯著增強混合粉料成型后的熱強度。其是以煤為原料進行提取并純化、脫揮發分的有機物為主體，然后配入一定量的無機物而成的混合物。該粘結劑在較大溫度范圍內具有較高的熱塑性及分散性能，能夠充分分散在半焦2、粉狀CaO中促進混合物料的液相炭化，改善半焦2的軟化熔融性，使半焦2各向異性組織變得發達，最終提高成型物料的熱強度。

本步驟中，CaO、半焦2、粘結劑是通過定量螺旋輸送裝置送入混合裝置4中的，可通過調整定量輸送裝置的轉數對加入的物料的量進行控制。

粉狀CaO預熱至≥850℃后再加入混合裝置4中與半焦2進行混合，可以避免由于溫度差導致半焦2的溫度降低，為后續的電石冶煉過程節約能源。并且，粉狀CaO的預熱是利用了電石冶煉過程生成的高溫電石爐氣的顯熱，實現資源的回收利用。

(4)混合粉料的成型

將上述步驟得到的混合粉料送入高溫成型裝置5中，進行高溫成型處理后，可得到塊狀的混合型料，以滿足電石爐6的進料要求。

(5)電石冶煉

將由半焦2和CaO混合得到的混合型料送入電石爐6中，在1900～2100℃的溫度條件下進行冶煉，可得到電石。同時，該步驟還會生成高溫電石爐氣。實施例中，優選電石冶煉溫度為1950℃。

由于圖1所示的系統做了保溫處理，可保證該步驟的混合型料溫度不低于下行床氣化爐1的操作溫度下100℃。

并且，將該步驟生成的高溫電石爐氣通入預熱器3中，與粉狀CaO進行直接換熱或間接換熱，充分利用高溫電石爐氣的顯熱。

實施例1

煤粉的含水率為8％、灰分含量為10％、揮發分含量為30％、比表面積為50m²/g、灰熔點為1200℃、粒徑≤0.5㎜。粉狀CaO中CaO含量為95％、MgO含量為1％、Al₂O₃含量為0.8％，SiO₂含量為0.3％。將上述煤粉、粉狀CaO、水蒸氣送入下行床氣化爐中。在常壓、1050℃的溫度條件下進行氣化反應。其中，水蒸氣占煤的百分比為96wt％，粉狀CaO占原料煤的百分比5wt％。氣化反應得到的含焦油煤氣和半焦1送入催化凈化裝置中，含焦油煤氣經催化裂化后脫除焦油，半焦1生成半焦2。將半焦2送入混合裝置中，并向其中加入粒徑為0.5㎜的熱CaO和粘結劑，熱CaO、半焦2、粘結劑的質量配比為1：0.70：0.03，均勻混合得到混合粉料。混合粉料在高溫成型裝置中進行成型處理，得到的955℃的混合型料送入電石爐中，在2100℃的溫度條件下進行電石冶煉，制備電石。同時，生成的高溫電石爐氣送入預熱爐中對粉狀CaO進行預熱升溫。

實施例2

煤粉的含水率為7％、灰分含量為6％、揮發分含量為35％、比表面積為57m²/g、灰熔點為1220℃、粒徑≤0.1㎜。粉狀CaO中CaO含量為97％、MgO含量為0.5％、Al₂O₃含量為1％，SiO₂含量為1％。將上述煤粉、粉狀CaO、水蒸氣送入下行床氣化爐中，在常壓、950℃的溫度條件下進行氣化反應。其中，水蒸氣占煤的百分比為80wt％，粉狀CaO占原料煤的百分比為4wt％。氣化反應得到的含焦油煤氣和半焦1送入催化凈化裝置中，含焦油煤氣經催化裂化后脫除焦油，半焦1生成半焦2。將半焦2送入混合裝置中，并向其中加入粒徑為0.3㎜的熱CaO和粘結劑，熱CaO、半焦2、粘結劑的質量配比為1：0.65：0.02，均勻混合得到混合粉料。混合粉料在高溫成型裝置中進行成型處理，得到的890℃的混合型料送入電石爐中，在1950℃的溫度條件下進行電石冶煉，制備電石。同時，生成的高溫電石爐氣送入預熱爐中對粉狀CaO進行預熱升溫。

實施例3

煤粉的含水率為4％、灰分含量為7％、揮發分含量為36％、比表面積為61m²/g、灰熔點為1250℃、粒徑≤0.1㎜。粉狀CaO中CaO含量為96％、MgO含量為0.2％、Al₂O₃含量為0.7％，SiO₂含量為0.5％。將上述煤粉、粉狀CaO、水蒸氣送入下行床氣化爐中。在常壓、850℃的溫度條件下進行氣化反應。其中，水蒸氣占煤的百分比為64wt％，粉狀CaO占原料煤的百分比3wt％。氣化反應得到的含焦油煤氣和半焦1送入催化凈化裝置中，含焦油煤氣經催化裂化后脫除焦油，半焦1生成半焦2。將半焦2送入混合裝置中，并向其中加入粒徑為0.1㎜的熱CaO和粘結劑，熱CaO、半焦2、粘結劑的質量配比為1：0.60：0.01，均勻混合得到混合粉料。混合粉料在高溫成型裝置中進行成型處理，得到的890℃的混合型料送入電石爐中，在1900℃的溫度條件下進行電石冶煉，制備電石。同時，生成的高溫電石爐氣送入預熱爐中對粉狀CaO進行預熱升溫。

上述實施例中的百分數均為質量百分數。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。