技术领域
[0001] 本
发明涉及一种低阶煤梯级利用多联产工艺，可用于
褐煤等低质煤综合高效利用技术领域，特别涉及以褐煤低温干馏、化学链气化联产煤气、焦油、海绵
铁的工艺。
背景技术
[0002] 化学链气化是利用
氧载体中的晶格氧来代替常规气化反应中的富氧空气等气化介质，为
固体燃料气化提供所需的氧元素，得到以CO和H2为主的
合成气。与传统气化方式相比，具有如下优点：省去制备纯氧设备，节省成本；氧载体的氧化是放热反应，可为后续的工艺提供热量，起到热载体的作用。
[0003] 煤的热解是将褐煤和高挥发分
烟煤在惰性气氛下加热，制取半焦、煤气、焦油等产品。与气化或
液化过程相比，煤热解工艺简单，条件温和，生产成本低等优势。近年来，基于循环
流化床的固体热载体煤热解工艺作为煤炭资源综合利用的最佳方式之一，具有煤种适用性强、清洁高效、炉内
脱硫等优点，还可以高效燃烧劣质煤，炉内稳定的高温热灰循环流可携带大量可在炉外利用的热量。
[0004] 我国拥有储量丰富的煤资源，煤炭资源的高效清洁可持续利用一直以来是煤炭利用的难题。煤低温热解技术在得到煤焦油和热解气的同时，可得到热解半焦，而热解半焦延续了煤的高活性和
反应性的特点。目前，大部分研究集中在单个的独立系统，对于将化学链气化和煤低温热解工艺进行耦合的应用研究则较少。若把以煤为资源的煤低温热解工艺和
煤气化学链气化工艺作为一个系统来考虑，即煤的多联产系统。从整体利用效率来讲，可提高煤炭资源利用率，实现低阶煤的梯级利用。此外，还可利用各个反应系统的
温度梯度，通过载氧体的物料循环实现热量的传递，大大提高了
能源的利用率。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有褐煤多联产技术的缺点，提供一种基于煤低温热解和煤基化学链气化的多联产工艺，既可得到附加值更高的煤焦油，同时还可得到以CO和H2为主的合成气，作为合成LNG(液化
天然气)的原料。从而实现了低阶煤的梯级利用，并利用各个反应系统的温度梯度，通过载氧体的物料循环实现热量的传递，大大提高了能源的利用率。此外，若以铁
矿石作为氧载体，参与气化反应系统中热解半焦的气化反应，可利用热解半焦的高活性还原铁氧化物制备海绵铁，实现了各物质的综合利用。煤热解生成的气体循环利用，节能的同时还可强化还原气氛。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] 一种基于低阶煤梯级利用的煤热解化学链气化耦合工艺，包括热解反应系统，半焦气化的气化反应系统，载氧体氧化的载氧体再生反应系统，对原料进行
破碎、筛分、干燥的原料预处理系统以及对产物进行分离、冷凝的产品处理系统；
[0008] 1)原料煤在破碎筛分装置中破碎、筛分至所需的粒度，并经预热干燥后，进入热解反应系统与来自气化反应系统中低价态的铁氧化物(以FeO/Fe为主)混合，发生热解反应，热解反应温度为400℃～600℃；其中，铁氧化物作为煤热解反应系统中的固体热载体，为煤热解提供反应所需热量，提高
能量利用率；
[0009] 在热解反应系统中，主要发生如下反应：煤→半焦+荒煤气；
[0010] 热解产生的半焦进入气化反应系统，生成的荒煤气经过换热器冷凝处理后得到液相产物和煤热解气，液相产物经分离后得到酚
废水和焦油，其中煤热解气和酚废水作为气化反应系统的气化介质；
[0011] 2)热解反应系统中生成的半焦进入到气化反应系统与来自载氧体再生反应系统中高价态的铁氧化物(主要成分Fe2O3)混合，发生气化反应，气化反应温度为750℃～950℃；来自载氧体再生反应系统中的铁氧化物温度作为气化反应系统提供反应所需热量，提高能量利用率；压缩的煤热解气作为流化介质并参与反应，主要发生如下反应：
[0012] 煤热解气CO、H2、CH4：CO，H2，CH4+Fe2O3→Fe+FeO+CO2+H2O
[0013]
焦炭颗粒还原：C+CO2，H2O→CO+H2
[0014] 气化反应系统中生成的低价态的铁氧化物(FeO/Fe为主)进入到载氧体再生反应系统中重新被氧化，产生的合成气(CO和H2为主)部分还可作为气化反应系统中的流化介质，来加强流化床气化反应系统的还原气氛。在获得煤焦油、合成气等化学产品的同时还可调节气化反应系统中合成气的循环量、煤/载氧体比等操作参数使Fe2O3被还原成Fe，以此来制备海绵铁。
[0015] 3)来自气化反应系统和煤热解反应系统中低价态的铁氧化物(FeO/Fe为主)进入到载氧体再生反应系统中，通过控制压缩空气的进料量使得低价态的铁氧化物被完全氧
化成Fe2O3并放出大量热。载氧体再生反应系统反应温度900℃—1100℃左右。氧化后得到的高价态的又进入到气化反应系统，进行下一个循环。利用三个反应系统的温度梯度，通过控制载氧体的循环量来传递晶格氧的同时传递热量，最终实现整个反应系统的自热平衡，提高反应系统的能量利用率。
[0016] 上述技术方案中，气化反应系统中生成的低价态的铁氧化物一部分进入到煤热解反应系统中，作为固体热载体，为煤热解反应系统提供反应所需热量，提高能量利用率。
[0017] 上述技术方案中，煤热解反应系统可设计为流化床形式，并以压缩的煤热解气或气化反应系统产生的合成气为流化介质，热解生成的热解半焦进入到气化反应系统，与来自载氧体再生反应系统中高价态的铁氧化物混合并反应。高价态的铁氧化物作为载氧体和热载体为半焦气化提供晶格氧和所需热量，实现低阶煤的梯级利用。
[0018] 上述技术方案中，气化反应系统可设计为流化床形式，流化介质既可以是煤热解反应系统生成的酚废水和煤热解气，也可以是气化反应系统中产生的合成气，并可控制流化气体的进料量得到最佳的工艺条件。
[0019] 上述技术方案中，载氧体再生反应系统可设计为流化床形式，气化反应系统和煤热解反应系统中低价态的铁氧化物进入到载氧体再生反应系统被空气压缩氧化，重新得到高价态的铁氧化物，实现了载氧体的循环利用。
[0020] 上述技术方案中，可通过控制气化反应系统中载氧体/煤比、流化气/煤比以及煤热解反应系统中载氧体的循环量等操作参数，得到最佳工艺条件。
[0021] 上述技术方案中，该耦合工艺中所用到的载氧体并不局限于铁氧化物，其他金属或非金属(如Mn、Ni、Co、Cu等)的氧化物以及盐类物质(如CaSO4等)均为作为该耦合工艺的载氧体。
[0022] 本发明的有益效果：本发明耦合了化学链气化技术、煤固体热载体热解技术及循环流化床技术，系统整体热利用效率较高、污染物排放少，同时煤热解生成的气体又可在铁氧化物还原中循环利用，节能的同时强化还原气氛。该系统对各工艺单元设备要求较低，生产操作简单，具有良好的经济效益。
附图说明
[0023] 图1是一种基于低阶煤梯级利用的煤热解化学链气化耦合工艺的物料和能量流动示意图。
[0024] 图2是一种基于低阶煤梯级利用的煤热解化学链气化耦合工艺
流程图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明并不局限于具体实施例。
[0026] 采用上述系统实施基于低阶煤梯级利用的煤热解化学链气化耦合工艺，以下实施例中涉及的百分比均为
质量百分比(％)。实验使用的煤样性质如表1和表2所示。
[0027] 表1褐煤的工业分析与元素分析
[0028]
[0029] 注：*为差减法得到
[0030] 表2褐煤低温干馏实验(20g
铝甑法)wt/％，空气干燥基
[0031]
[0032] 实施例1：本实施例使用原料为褐煤。具体操作工艺流程图见附图2；原煤的进料温度25℃。对原煤进行破碎、筛分、干燥等预处理操作后通过螺旋给料机送入热解反应系统，与来自气化反应系统中低价态的铁氧化物Me混合并发生热解反应，生成的荒煤气经
过冷凝处理后得到焦油和煤气，其中煤气可作为气化反应系统和煤热解反应系统的流化介质，热解产生的半焦进入气化反应系统。热解反应系统中温度为460℃，常压。热解反应系统产物的分布如表3所示：
[0033] 表3热解反应系统产物分布
[0034]
[0035]
[0036] 热解半焦进入到气化反应系统与来自载氧体再生反应系统中高价态的铁氧化物MeO(本实施例中指Fe2O3)混合并发生反应，压缩的煤热解气或合成气作为流化介质并参与反应，生成的低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中重新被氧化，合成气部分作为气化反应系统中的流化介质。载氧体MeO/煤比为7.5(其中载氧体的活性组分Fe2O3和惰性载体Al2O3的质量比为3:2)，合成气的循环量/煤比0.3，温度为700℃，常压。气化反应系统产物分布如表4和表5所示：
[0037] 表4气化反应系统载氧体分布
[0038]
[0039] 表5气化反应系统气相产物分布
[0040]
[0041] 来自气化反应系统和煤热解反应系统中低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中，并通入压缩空气使得低价态的铁氧化物Me被完全氧化MeO并放出大量热。载氧体再生反应系统中空气/载氧体MeO比为0.6(其中N2体积分数为79％，O2体积分数为21％)，温度为900℃，常压。载氧体再生反应系统产物分布如表6所示：
[0042] 表6载氧体再生反应系统产物分布
[0043]
[0044] 实施例2：本实施例使用原料为褐煤。具体操作工艺流程图见附图2；原煤的进料温度25℃。对原煤进行破碎、筛分、干燥等预处理操作后通过螺旋给料机送入热解反应系统，与来自气化反应系统中低价态的铁氧化物Me混合并发生热解反应，生成的荒煤气经过冷凝处理后得到焦油和煤气，其中煤气可作为气化反应系统和煤热解反应系统的流化介质，热解产生的半焦进入气化反应系统。热解反应系统中温度为500℃，压
力为20atm。热解反应系统产物的分布如表7所示：
[0045] 表7热解反应系统产物分布
[0046]
[0047]
[0048] 热解半焦进入到气化反应系统与来自载氧体再生反应系统中高价态的铁氧化物MeO((本实施例中指Fe2O3))混合并发生反应，压缩的煤热解气或合成气作为流化介质并参与反应，生成的低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中重新被氧化，合成气部分作为气化反应系统中的流化介质。载氧体MeO/煤比为4.8(其中载氧体的活性组分Fe2O3和惰性载体Al2O3的质量比为3:2)，合成气的循环量/煤比0.2，温度为800℃，压力为20atm。气化反应系统产物分布如表8和表9所示：
[0049] 表8气化反应系统载氧体分布
[0050]
[0051] 表9气化反应系统气相产物分布
[0052]
[0053] 来自气化反应系统和煤热解反应系统中低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中,并通入压缩空气使得低价态的铁氧化物Me被完全氧化MeO并放出大量热。载氧体再生反应系统中空气/载氧体MeO比为1.0(其中N2体积分数为79％，O2体积分数为21％)，温度为1000℃，压力为20atm。载氧体再生反应系统产物分布如表10所示：
[0054] 表10载氧体再生反应系统产物分布
[0055]
[0056] 实施例3：本实施例使用原料为褐煤。具体操作工艺流程图见附图2；原煤的进料温度25℃。对原煤进行破碎、筛分、干燥等预处理操作后通过螺旋给料机送入热解反应系统，与来自气化反应系统中低价态的铁氧化物Me混合并发生热解反应，生成的荒煤气经过冷凝处理后得到焦油和煤气，其中煤气可作为气化反应系统和煤热解反应系统的流化介质，热解产生的半焦进入气化反应系统。热解反应系统中温度为580℃，压力为30atm。热解反应系统产物的分布如表11所示：
[0057] 表11热解反应系统产物分布
[0058]
[0059] 热解半焦进入到气化反应系统与来自载氧体再生反应系统中高价态的铁氧化物MeO((本实施例中指Fe2O3))混合并发生反应，压缩的煤热解气或合成气作为流化介质并参与反应，生成的低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中重新被氧化，合成气部分作为气化反应系统中的流化介质。载氧体MeO/煤比为7.5(其中载氧体的活性组分Fe2O3和惰性载体Al2O3的质量比为3:2)，合成气的循环量/煤比0.3，温度为900℃，压力为30atm。气化反应系统产物分布如表12和表13所示：
[0060] 表12气化反应系统载氧体分布
[0061]
[0062] 表13气化反应系统气相产物分布
[0063]
[0064] 来自气化反应系统和煤热解反应系统中低价态的铁氧化物Me进入到载氧体再生反应系统中，并通入压缩空气使得低价态的铁氧化物Me被完全氧化MeO并放出大量热。载氧体再生反应系统中空气/载氧体MeO比为0.84(其中N2体积分数为79％，O2体积分数为21％)，温度为1100℃，压力为30atm。载氧体再生反应系统产物分布如表14所示：
[0065] 表14载氧体再生反应系统产物分布
[0066]
[0067]
