一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，通过“年轻煤种干馏拔头工艺-半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统-燃气发电-超临界/超超临界发电-CO2捕集-干馏拔头气体产物高值利用技术”等六个工艺模块的集成创新，尤其是半焦富氧直燃后不降温除尘除杂的方法直接得到符合燃气轮机工质纯度要求的高温高压燃气，实现煤的热力学-化学全价、清洁利用，发电效率可达60%以上。本发明专利技术与IGCC技术相比，以半焦富氧直燃代替了投资昂贵的煤气化工序，开发了高温除尘技术，充分利用了高温燃气的有用功。具有投资少，工艺简单，发电效率高等特点，同时还副产苯、萘、燃料油等高附加值化学品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤化工生产技术和燃气-蒸汽联合发电技术等领域，具体涉及一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺。
技术介绍
中国是世界上最大的煤炭生产和消费国之一，煤炭储量占世界总储量的20%，其中年轻煤种占50%左右。由于年轻煤种（如褐煤）存在着热值低、传统应用方式利用率低等问题，难以满足普通用户的质量要求，影响了煤资源的直接利用。因此，研究如何高效、清洁利用年轻煤资源具有重大的能源、环境意义。我国从20世纪90年代开始大力推广洁净煤技术，其核心主要是将煤进行气化后转化为洁净燃料再进行综合利用，因此，将煤进行气化制备清洁燃料技术成为褐煤等年轻煤种高效、清洁利用的主要方向。但是，由于煤中挥发分和固定碳所需气化条件迥然不同，造成了气化条件苛刻、工艺设备复杂、投资较高等问题。实际上，煤中的挥发分可以通过干馏的方法实现与固定碳的有效分离，即所谓的煤干馏拔头。挥发分经干馏后生成的气体产物包括煤气、苯、萘、焦油等十分有用的化学品，可用做生产燃料或化工产品的原料；气化后产生固体残留物为半焦，具有高化学活性、高固定碳、低灰、低硫、低磷、低碱金属氧化物等特性，可以进行燃烧或气化得到进一步的利用，从而实现煤的分质利用。通过煤气化将燃气轮机发电和蒸汽轮机相结合可以有效提高煤的发电效率，目前世界上主要采用IGCC工艺。IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）过程的特点是将煤气化后制备得到高温可燃气体，高温可燃气体经过降温、净化后再燃烧得到高温燃气，推动燃气轮机、蒸汽机联合发电。但是，由于其煤炭气化和煤气净化部分附加投资大，运行能耗高，导致目前IGCC的总体热-电效率并不高（美国Tanpa工厂的报告数据仅为38.5%）。为了克服IGCC过程的缺点，美国专利US 5685138提出将IGCC过程中制备得到的高温可燃气体先用于原料煤的干燥，得到含有一定水蒸气的燃气再进入燃气轮机燃烧发电，可一定程度地提高热电效率。专利CN202165134U（基于固体燃料热解和半焦燃烧的分级混合发电系统）则提出了先将煤进行热解产生气体、液体燃料和固体半焦，气体和液体燃料进入燃气轮机进行燃烧发电，固体半焦燃烧推动蒸汽轮机发电，该技术集成了IGCC和超超临界发电的优点，提高了发电效率，但此技术中的煤化学品直接进入燃气轮机燃烧并未得到高值利用。专利201110268971.0（一种粉煤直燃的整体联合循环发电系统）提出了一种粉煤直燃的整体联合循环发电系统。该技术不需要煤气化单元，煤粉直接燃烧后经高温过滤即进入燃气轮机、蒸汽轮机，缩短了流程、避免了整个过程温度经历“升温-降温-升温”过程，提高了热-电效率。但该过程的问题在于：煤粉直燃后得到的高温燃气中含有大量粉尘会对燃气轮机叶片产生磨损，同时高温燃气中还含有一定量的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物，燃气轮机在长期运行过程中，这些物质会在在轮机叶片上的结疤，并对叶片造成腐蚀，因此需要严格控制进入燃气轮机的气体中的腐蚀性杂质的含量。
技术实现思路
本专利技术为解决现在技术中的问题，本专利技术提出将“年轻煤种拔头技术-半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统-燃气发电-超临界/超超临界蒸汽发电系统-CO2捕集技术-干馏拔头气体产物高值利用技术”等六个技术模块进行集成创新，以实现高挥发年轻煤种的热力学-化学全价、清洁利用（Themo-Chemical Comprehensive Utilization of Coal,简称TCCUC），并显著提高过程的热-电效率。本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，它包括六个技术模块组成，所述六个技术模块为技术模块I年轻煤种干馏拔头部分、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统、技术模块III燃气轮机发电系统、技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统、技术模块V为CO2捕集技术和技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分。所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，所述六个技术模块工艺过程如下：所述技术模块I年轻煤种干馏拔头部分,以高挥发性的煤炭年轻煤种为原料，通过干馏拔头技术分别得到半焦固体产品和焦炉煤气、粗苯、粗萘、焦油及其它高温气体产品；得到的半焦进入技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在空气或氧气中进行加压燃烧，生成高温高压、含尘、含少量氧和少量硫化物的气体，再经过预除尘、高温脱硫后进入催化燃净室，在一氧化碳、氢气和甲烷等还原性气氛下将残余氧完全去除；除氧后的高温高压燃气进入“电除尘-高温过滤”装置进行高温除尘，得到符合燃气轮机要求的纯净燃气；所述燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV超临界或超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界/超超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。所述由技术模块I中年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分中，所述焦油通过加氢技术生产轻质燃油；所述焦炉煤气经过净化后，进入变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃油过程；所述粗苯、粗萘及其它气体作为下游精细化学品原料。优选的，所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，所述技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统包括半焦直接燃烧、预除尘、高温脱硫、催化燃净、高温除尘工序，得到的高温高压燃气压力为0.1-8MPa，温度为800-1500℃，含尘量小于10mg/m3；燃气中碱金属总量低于0.024mg/kg。优选的，所述高温高压燃气压力为2MPa，温度为1200℃。优选的，，所述的催化燃净工序为在催化剂的作用下使气体中少量的氧气与还原性气体组分氢气、甲烷和一氧化碳进行反应，以达到除去气体中氧气，延长后续高温过滤介质的寿命；所述的催化剂是呈颗粒层状或网状或蜂窝状的材料，催化剂的活性组分是贵金属、稀土金属和铁系金属中的一种，催化燃净室的操作温度为800-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括六个技术模块组成，所述六个技术模块为技术模块I年轻煤种干馏拔头部分、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统、技术模块III燃气轮机发电系统、技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统、技术模块V为CO2捕集技术和技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分。

【技术特征摘要】
1.一种高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括六个技术模块组成，所述六个技术模块为技术模块I年轻煤种干馏拔头部分、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统、技术模块III燃气轮机发电系统、技术模块IV超临界/超超临界蒸汽发电系统、技术模块V为CO2捕集技术和技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分。 
2.如权利要求1所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是所述六个技术模块工艺过程如下： 
所述技术模块I年轻煤种干馏拔头部分,以高挥发性的煤炭年轻煤种为原料，通过干馏拔头技术分别得到半焦固体产品和焦炉煤气、粗苯、粗萘、焦油及其它高温气体产品；得到的半焦进入技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统中，经粉碎后进入燃烧室，在空气或氧气中进行加压燃烧，生成高温高压、含尘、含少量氧和少量硫化物的气体，再经过预除尘、高温脱硫后进入催化燃净室，在一氧化碳、氢气和甲烷等还原性气氛下将残余氧完全去除；除氧后的高温高压燃气进入“电除尘-高温过滤”装置进行高温除尘，得到符合燃气轮机要求的纯净燃气；所述燃气随后进入技术模块III燃气轮机发电系统中，通过高温气体膨胀做功发电；从燃气轮机出来的高温气体进入技术模块IV超临界或超超临界蒸汽发电系统中，高温气体经蒸汽锅炉将水加热生成超临界/超超临界水蒸汽，推动蒸汽轮机进行发电；从锅炉出来的烟道气进入技术模块V二氧化碳捕集系统中，通过二氧化碳捕集技术实现二氧化碳的减排；从蒸汽轮机出来的背压蒸汽经过余热回收后进行再利用。 
所述由技术模块I中年轻煤种干馏拔头技术得到的焦油、焦炉煤气、粗苯、粗萘及其它高温气体产品进入技术模块VI干馏拔头气体产物高值利用部分中，所述焦油通过加氢技术生产轻质燃油；所述焦炉煤气经过净化后，进入变压吸附脱氢装置，实现一氧化碳、甲烷、二氧化碳与氢气的分离，分离得到的一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体进入技术模块II中的催化燃净室与燃气中的残余氧发生反应，氢气用于焦油加氢制轻质燃油过程；所述粗苯、粗萘及其它气体作 为下游精细化学品原料。 
3.如权利要求2所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统包括半焦直接燃烧、预除尘、高温脱硫、催化燃净、高温除尘工序，得到的高温高压燃气压力为0.1-8MPa，温度为800-1500℃，含尘量小于10mg/m3；燃气中碱金属总量低于0.024mg/kg。 
4.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述高温高压燃气压力为2MPa，温度为1200℃。 
5.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述的催化燃净工序为在催化剂的作用下使气体中少量的氧气与还原性气体组分氢气、甲烷和一氧化碳进行反应，以达到除去气体中氧气，延长后续高温过滤介质的寿命；所述的催化剂是呈颗粒层状或网状或蜂窝状的材料，催化剂的活性组分是贵金属、稀土金属和铁系金属中的一种，催化燃净室的操作温度为800-1500℃，催化燃净室出口气体中O2含量为0.0-0.5%。 
6.如权利要求6所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述催化燃净室的操作温度为1200℃，O2含量为0.10%。 
7.如权利要求3所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是，所述的技术模块II半焦直燃制备高温燃气轮机工质系统中，所述的高温除尘工序步骤包括静电除尘和高温过滤；所述高温过滤中所用的过滤介质为碳纤维、改性碳纤维或石墨化纤维中的一种或多种； 
所述碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维或聚丙烯腈基石墨化碳纤维、黏胶基石墨化碳纤维、沥青基石墨化碳纤维中的一种。所述改性碳纤维材料是二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、二氧化钛（TiO2）、硅酸铝（mSiO2·nAl2O3）、硅酸锆（mSiO2·nZrO2）、碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN）、氮化硅（Si3N4）、玻璃及其它耐氧材料在碳纤维、石墨化纤维表面进行包覆改性； 
所述高温过滤介质的形式是碳纤维布或碳纤维毡，高温过滤装置操作温度为300-1500℃。 
8.如权利要求1所述的高挥发性年轻煤种的高效、清洁利用工艺，其特征是它包括以下具体工艺步骤： 
a、在技术模块I年轻煤种干馏拔头部分中，年轻煤种置于多段低温干馏方炉内，采用外热式热解方式对煤进行低温连续干馏，褐煤在碳化室中自上而下经过100-200℃进行脱水干燥、400-1200℃下进行干馏使煤料进行热解脱除挥发分，生成半焦和荒煤气，其中荒煤气中含有焦炉煤气、粗苯、粗萘和焦油等产品。所得半焦产品已去除掉大部分的碱金属氯化物和其他硫/氯/磷化合物； 
b、技术模块II半焦富氧直燃制备高温燃气轮机工质系统，包括：半焦直燃、高温高压燃气除氧、除尘等过程。由技术模块I得到的固体产物半焦经粉碎...

【专利技术属性】
技术研发人员：金涌，胡永其，胡山鹰，王勇，张志强，余海鹏，
申请(专利权)人：金涌，
类型：发明
国别省市：