高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置及方法，装置主要包括提质反应室、废液催化气化反应室、温度压力监控器、气体进出管道、支架等。将高碱煤与去离子水放入提质反应室进行碱金属脱除提质反应，反应后废液经废液管排入催化气化反应室，提质煤被过滤取出后重新添加新煤进行新一轮提质反应；与此同时，催化气化反应室中废液与催化剂反应生成CO、H2、CH4和水，反应完成后排出气体和水，重新再接收上一级废液，进行新一轮催化气化反应。本发明结构简单，不仅能大幅度降低煤中碱金属含量，提升煤的品质，改善物理化学性质，解决高碱煤的沾污、结渣、腐蚀等问题，而且同时实现了废液催化气化利用。
【专利说明】
高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于高碱煤改性提质及废液处理领域，具体涉及一种高碱煤提质及废液催 化气化双级反应一体化装置及方法。
【背景技术】
[0002] 我国是能源消费大国，而以煤为主的能源结构决定了我国也是一个煤炭消费大 国，煤炭消耗量的逐年增大导致我国优质动力煤资源越来越少，开采费用日益增高，因此， 近年来各种低阶煤、劣质煤、高碱煤的开发利用技术越来越受到全社会范围内的关注。
[0003] 准东煤田位于新疆昌吉回族自治州，2005年被勘探确认储藏着3900亿吨的煤炭资 源，是我国目前最大的整装煤田，以我国目前煤炭年消耗量计算，一个准东煤田就能够全国 使用一百年以上。因此，准东煤田成为"新电东送"、"西气东输"、"新煤东运"最主要的能源 保障基地，也是新疆煤电煤化工最主要的煤炭供应来源。
[0004] 准东煤的煤质具有特低灰、低硫、开采成本低、燃烧活性好、低污染排放、易着火、 易燃尽等优点和中高水分、中低热值、高碱金属含量、强沾污结渣积灰结焦等缺点。由于历 史成因和准东地区当地特殊的自然地理环境，准东煤灰中碱金属Na20的含量总体都在2% 以上，有的煤种Na20含量高达5%以上甚至10%，远高于其他地区动力用煤Na20含量（中国其 他地区动力煤Na20含量基本小于1%)。因此，虽然准东煤作为动力煤使用具有开采成本低、 燃烧活性好、低污染排放等诸多优点，但其高碱金属含量易导致燃用准东煤的锅炉出现结 渣、沾污、积灰和腐蚀等问题，严重影响锅炉的正常运行，致使目前准东煤的大规模开发利 用受到局限。
[0005] 目前针对准东高碱煤出现的上述问题，国内主要采取如下几种解决措施缓解降低 高碱煤的结渣特性:合理掺烧、在燃烧中投入添加剂、锅炉重新设计改造、燃烧优化运行调 整、防腐材料和防腐喷涂以及增加吹灰次数等。以上几个措施均为被动方法，成本高昂且只 能一定程度上减轻高碱煤燃烧结渣造成的影响，不能从源头、根本上解决问题。
[0006] 近年来高碱煤燃烧前提质改性处理越来越受到关注。水热提质改性处理从源头入 手，在燃烧前对燃料进行预处理脱Na，不仅能大幅度降低煤中碱金属含量，而且能提升煤的 煤阶、成熟度和品质，改善煤的物理化学性质，解决高碱煤燃烧中出现的沾污、积灰、结渣、 腐蚀等问题，但是水热提质处理后会产生大量废液，废液中含有大量有机碳T0C、碱金属、重 金属等，至今尚未有经济、有效、大规模的妥善处理方法。
[0007] 综上所述，我国高碱煤储量巨大，但是高碱金属含量导致的结渣问题十分严重;高 碱煤燃烧前提质改性处理可以大幅度降低煤中碱金属含量，提升煤的品质，但是如何解决 提质工艺中产生的大量废液是个难题。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的迫切技术需求，本发明提出一种用于高碱煤提质及废液催化气化 双级反应一体化装置及方法，其目的在于，实现高碱煤燃烧前提质改性处理，大幅度降低煤 中碱金属含量，提升煤的煤阶、成熟度、品质和发热量，改善煤的物理化学性质，解决高碱煤 燃烧中出现的沾污、积灰、结渣、腐蚀等问题，与此同时，实现提质工艺中大量废液的催化气 化和重复利用。
[0009] 为了实现本发明的技术目的，本发明采用了以下技术方案：
[0010] -种用于高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置，装置包括提质反应 室、废液催化气化反应室、废液管、温度压力监控器、供气装置、进气管道、出气管道、气体阀 门、加热丝、传感器、磁力搅拌器、螺旋桨、储水罐、支架等。
[0011] 供气装置通过进气管道连通提质反应室与废液催化气化反应室，通过出气管道将 气体排出；气体管道上设有气体阀门；提质反应室的底端与废液催化气化反应室的顶端通 过废液管连通;提质反应室和废液催化气化反应室内均设有加热丝和传感器，加热丝与传 感器均连接温度压力监控器。
[0012] 应用所述装置实现高碱煤提质及废液催化气化双级反应的方法具体为：
[0013] 将高碱煤与去离子水放入提质反应室，在高温高压下进行碱金属脱除等提质反 应，反应后废液经废液管排入下一级的催化气化反应室，在提质煤被过滤取出后，重新添加 新煤进行新一轮提质反应;与此同时，催化气化反应室中废液与催化剂在高温高压环境下 催化气化生成C0、H2、CH4等气体和水，催化气化完成后排出气体和水，重新再接收上一级提 质反应室的废液，进行新一轮催化气化反应。
[0014] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置还具有这样的特征： 两级反应室中均安装有磁力搅拌器，通过磁力搅拌器来调整螺旋桨转速，使反应物混合均 匀，反应更加充分。
[0015] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置还具有这样的特征： 催化气化反应室生成的水由储水罐收集，可用于重复利用等。
[0016] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置还具有这样的特征： 两级反应室由铁架固定，提质反应室在上，废液催化气化反应室在下，中间由废液管相连。
[0017] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法还具有这样的特征:其所述 尚碱煤与去呙子水的质量比在1:1~1:5之间。
[0018] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法还具有这样的特征:其所述 提质反应中的温度在150 °C~350 °C之间。
[0019] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法还具有这样的特征:其所述 催化气化反应中催化剂为Ni/C基或Ni/Al/C基催化剂中的任意一种。
[0020] 进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法还具有这样的特征:其所述 废液催化气化反应的温度在250 °C~350 °C之间。
[0021 ]进一步地，高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法还具有这样的特征:其所述 提质反应室初压为1MP，废液催化气化反应室初压为4MP。
[0022] 综上所述，本发明有益技术效果体现在：
[0023] 1)本发明结构简单，实现起来方便有效，能大幅度降低煤中碱金属含量，提升煤的 煤阶、成熟度和品质，改善物理化学性质，解决高碱煤燃烧中出现的沾污、积灰、结渣、腐蚀 等问题。
[0024] 2)同时实现了废液催化气化重复利用，为解决高碱煤提质后大量废液处理问题提 供了一种新的方法。
[0025] 3)提质反应室和废液催化气化反应室既相互独立又相互协调，可以分别调节至各 自最适合的温度，从而达到各自最优的反应效率，同时兼顾了高碱煤的改性提质处理和废 液处理问题。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明较佳实施例的双级反应一体化装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及 到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028] 图1是本实施例的双级反应一体化装置的结构示意图，装置主要包括提质反应室 4、废液催化气化反应室5,两反应室由支架3支撑，通过供气装置1经由进气管道13供给气 体，阀门2用来控制进气开关，高碱煤15与去离子水按一定比例放入提质反应室4,温度压力 监控器12通过传感器16和加热丝7来控制两个反应室内温度和压力，磁力搅拌器6用来调整 螺旋桨8的转速，提质反应后废液经废液管9排入下一级的催化气化反应室5;在提质煤被过 滤取出后，重新添加新煤进行新一轮提质反应。
[0029] 与此同时，催化气化反应室5中废液与催化剂10在高温高压环境下催化气化生成 C0、H2、CH4等气体和水，气体通过出气管道14排出，水由储水罐11收集;催化气化完成后，重 新再接收上一级提质反应室4的废液，进行新一轮催化气化反应。
[0030] 提质反应室和废液催化气化反应室既相互独立又相互协调，可以分别调节至各自 最适合的温度，从而达到各自最优的反应效率。
[0031] 下面以准东五彩湾高碱煤为例，利用该高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体 化装置开展试验，具体为：
[0032] (1)本实例选用的原料为典型的新疆准东高钠煤五彩湾(WCW)煤，样品经干燥、缩 分、研磨后筛分，粒径小于〇. 2mm(电厂入炉煤粉粒径要求）。
[0033] (2)高碱煤提质实验:将30g原煤与去离子水按照1:1~1:5的比例放入提质反应室 搅拌均匀，用氮气排出反应室所有空气，设置初压IMPa，升温速率5k/min，螺旋桨转速200r/ min，温度选取150°C~350°C之间，恒温时间设为lh，反应后提质煤被过滤取出，进行工业分 析、元素分析;碱金属含量采用ICP-0ES(电感耦合等离子体原子发射光谱仪分析法)测定。 [0034] (3)废液催化气化实验:采用Ni/C基或Ni/Al/C基催化剂，设置初压4MPa，升温速率 5k/min，螺旋桨转速200r/min，温度选取250 °C~350 °C之间，恒温时间设为lh，采用总有机 碳(T0C)检测仪测量废液中T0C浓度变化规律，采用气相色谱仪(GC)分析测量各气体成分。
[0035] 实施例1
[0036] 本轮高碱煤提质实验：原煤与去离子水分别按照1:5的比例添加，提质温度选取 150°C、200°C、250°C、300°C、350°C五个点；废液催化气化实验:采用Ni/Al/C基催化剂，温度 选取350 °C。其余参数、步骤均不变。
[0037] 表1为提质煤前后工业分析及元素分析对比，从表中可以看出，随着改性提质处理 的温度的升高，煤中的水分Mad、挥发分Vd、氢Hdaf、氧Odaf含量下降明显，固定碳FCd含量、发热 量Qd,net上升明显，250°C后变化更显著！
[0038] 表1提质煤前后工业分析及元素分析对比
[0039]
[0040] 表2提质煤前后煤阶参数变化
[0041]
1234 表2是提质煤前后煤阶参数变化，从上面的结果可以看出随着改性提质处理的温 度的升高，煤阶参数AH/C、AQ/C都呈下降的趋势，芳香度fa呈升高的趋势，250°C后变化更显 著!说明煤样经历了逐步成熟的过程，煤阶逐渐升高。总之，提质改性处理对高碱煤煤质提 升改性效果明显，显著提升了煤的煤阶、成熟度和品质，250°C后变化更明显！ 2 表3改性提质处理后碱金属Na脱除率 3
[0044]
4 表3为改性提质处理后碱金属Na脱除率，可以看出，高碱煤中碱金属脱除效率随着 改性提质处理的温度的升高而显著增加，达到了79.6%~95.9%，换算成煤灰中Na20含量 时，含量最高为1.02%，最低为0.21%，远低于我国动力用煤的平均钠含量水平，脱钠效果 非常显著。其中，250°C后脱钠效果更明显！
[0046] 表4废液催化气化前后T0C含量变化及气体浓度(ppm)
[0047]
[0048] 表4为废液催化气化前TOC含量变化及气体浓度，可以看出，废液催化气化效率随 着改性提质处理的温度的升高而显著增加，其中，250°C后转化效率在80%以上，最高达到 了 85.6 % ;对催化气化后生成的气体进行GC检测，发现催化气化反应室中废液与催化剂在 高温高压环境下催化气化生成了 C0、H2、CH4等可燃烧气体，并且气体产量也随提质温度升高 而升高。
[0049] 对该实施例总结发现，提质温度越高，提质、脱钠、催化气化效率越好，但是能耗也 越大，提质煤损失率也越大;兼顾能耗与提质效果，提质温度应优选300°C附近。
[0050] 实施例2
[0051 ]本轮高碱煤提质实验:原煤与去离子水分别按照1:1、1:1、1: 3、1:4、1: 5的比例添 加，提质温度选取300 °C;废液催化气化实验:采用Ni/Al/C基催化剂，温度选取350 °C。其余 参数、步骤均不变，测得改性提质处理后碱金属Na脱除率如表5。
[0052] 表5改性提质处理后碱金属Na脱除率
[0053]
[0054] 从表5可以看出，高碱煤中碱金属脱除效率随着煤水比例的增大而增加，煤水比例 1:3之后Na脱除率均大于88%。此实施例说明，提质水煤比例应优选1:3~1:5之间。
[0055] 实施例3
[0056] 本轮高碱煤提质实验：原煤与去离子水分别按照1:5的比例添加，提质温度选取 300 °C ;废液催化气化实验:分别采用Ni/C基、Ni/Al/C基催化剂，温度选取350 °C。其余参数、 步骤均不变，测得废液催化气化前后T0C含量变化如表6。
[0057] 表6废液催化气化前后TOC含量变化(ppm)
[0058]
[0059] 此实施例说明，废液催化气化应优选Ni/Al/C基催化剂。
[0060] 实施例4
[0061] 本轮高碱煤提质实验：原煤与去离子水分别按照1:5的比例添加，提质温度选取 300°C ;废液催化气化实验:采用Ni/Al/C基催化剂，催化气化温度分别选取250°C、275°C、 300°C、350°C。其余参数、步骤均不变，测得废液催化气化前后TOC含量变化如表7。
[0062]表7废液催化气化前后T0C含量变化(ppm)
[0063]
[0064] 此实施例说明，废液催化气化温度应优选300°C~350°C之间（兼顾能耗与催化效 果)。
[0065]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不 用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改 进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置，其特征在于，包括提质反应 室、废液催化气化反应室、废液管、温度压力监控器、供气装置、进气管道、出气管道、气体阀 门、加热丝等； 供气装置通过进气管道连通提质反应室与废液催化气化反应室，通过出气管道将气体 排出；气体管道上设有气体阀门；提质反应室的底端与废液催化气化反应室的顶端通过废 液管连通;提质反应室和废液催化气化反应室内均设有加热丝和传感器，加热丝与传感器 均连接温度压力监控器。2. 根据权利要求1所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置，其特征在 于，所述提质反应室和与废液催化气化反应室中均安装有磁力搅拌器。3. 根据权利要求1所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置，其特征在 于，还包括连通催化气化反应室的储水罐。4. 根据权利要求1或2或3所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应一体化装置，其 特征在于，还包括固定所述提质反应室和与废液催化气化反应室的支架，提质反应室在上， 废液催化气化反应室在下。5. -种高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，包括以下步骤： 将高碱煤与去离子水放入提质反应室，进行碱金属脱除提质反应，反应后废液经废液 管排入催化气化反应室，在提质煤被过滤取出后，重新添加新煤进行新一轮提质反应； 与此同时，催化气化反应室中废液与催化剂催化气化反应生成CO、H2、CH4和水，催化气 化完成后排出气体和水，重新再接收上一级提质反应室的废液，进行新一轮催化气化反应。6. 根据权利要求5所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，其 中，所述高碱煤与去离子水的质量比在1:1~1:5之间。7. 根据权利要求5所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，其 中，所述提质反应的温度在150°C~350°C之间。8. 根据权利要求5所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，其 中，所述催化气化反应中催化剂为Ni/C基或Ni/Al/C基催化剂。9. 根据权利要求5所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，其 中，所述废液催化气化反应的温度在250°C~350°C之间。10. 根据权利要求5所述的高碱煤提质及废液催化气化双级反应方法，其特征在于，其 中，所述提质反应室的初压为1MP，废液催化气化反应室的初压为4MP。
【文档编号】C10L9/08GK105838473SQ201610388406
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】张 成, 张小培, 葛江, 马仑, 李鑫, 谭鹏, 方庆艳, 陈刚
【申请人】华中科技大学