本發(fā)明涉及電石冶煉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耦合制備無(wú)焦油煤氣和電石的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

煤的焦化、氣化、合成電石過(guò)程，為有機(jī)化工工業(yè)提供了豐富的粗苯、焦油、焦?fàn)t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(shù)投資成本高、產(chǎn)品精制不足、產(chǎn)品附加值不高。煤氣化技術(shù)進(jìn)步緩慢、效率低、規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)化程度低。而合成電石的工藝，路線(xiàn)簡(jiǎn)單、產(chǎn)品附加值高、經(jīng)濟(jì)效益好，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，是一種比較有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵜杭夹g(shù)和煤化工的途徑。制備的電石(即乙炔)可以用來(lái)合成苯、橡膠、聚氯乙烯、聚乙炔等有機(jī)產(chǎn)品。與石油乙烯路線(xiàn)相比，煤合成電石具有原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、設(shè)備投資低的優(yōu)點(diǎn)。并且，乙炔比乙烯活性高，更利于有機(jī)合成反應(yīng)的進(jìn)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(zhuǎn)化為熱能，加熱熔融石灰和碳素原料焦炭，發(fā)生化合反應(yīng)制取電石。電熱法歷史悠久，具有高能耗、高污染的缺點(diǎn)。電石合成反應(yīng)為固相吸熱反應(yīng)，原料傳質(zhì)傳熱效率低，化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)設(shè)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(zhǎng)、有機(jī)碳損耗高、電耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重。為了提高石灰-電石共熔速度和產(chǎn)品中電石的含量，實(shí)際操作中一般要求石灰過(guò)量20wt％(wt％為質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，物耗和能耗較大。副產(chǎn)物一氧化碳逸出反應(yīng)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(chǎn)中的電耗，并提高能量利用率的兩大對(duì)策。但是，由于電熱法工藝基于石灰與焦炭直接反應(yīng)生成電石，為固相吸熱反應(yīng)，無(wú)論如何提高電效率和熱效率都無(wú)法改變?cè)摴に嚫吣芎摹⒏呶锖?、高污染的現(xiàn)狀。為了提高電石生產(chǎn)能量、實(shí)現(xiàn)電石生產(chǎn)的綠色化和可持續(xù)發(fā)展，必須改革電熱法合成路線(xiàn)，采用新的電石合成工藝和合成方法。

煤溫和氣化產(chǎn)生的副產(chǎn)品半焦的量占反應(yīng)產(chǎn)物的60～90wt％。對(duì)半焦進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效、合理的利用，將提高整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其中，半焦的性質(zhì)主要取決于煤的種類(lèi)、灰含量和反應(yīng)條件等。

下行床氣化反應(yīng)中，煤粉自氣化爐頂部由輸送系統(tǒng)送入，與由頂部通入的氣化劑并行向下運(yùn)動(dòng)并接觸反應(yīng)，一般會(huì)停留數(shù)秒的時(shí)間。該反應(yīng)過(guò)程中，氣化溫度較低、煤粉在氣化爐中停留時(shí)間較短、碳轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低、氣化殘?jiān)泻写罅课捶磻?yīng)的碳。以水蒸氣為氣化劑時(shí)，在950℃的低溫下進(jìn)行氣化反應(yīng)生產(chǎn)富氫合成氣后，固體產(chǎn)物氣化半焦(氣化殘?jiān)?中仍含有60wt％的碳。目前，氣化半焦一般用于燃燒發(fā)電，資源利用效率較低。

中低階煤反應(yīng)性較高，富含揮發(fā)分，在較低的溫度和壓力下進(jìn)行氣化，會(huì)產(chǎn)生較多的焦油。焦油對(duì)氣化系統(tǒng)和用氣設(shè)備的影響為：①高溫煤氣攜帶的焦油在輸送過(guò)程中逐漸冷凝，黏附在管道和設(shè)備內(nèi)壁上，使管道堵塞，焦油中含有堿金屬或堿土金屬，會(huì)腐蝕設(shè)備，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。②氣化焦油中含有較多酸性的酚類(lèi)物質(zhì)，造成廢水二次污染。③氣化焦油占?xì)饣妹嚎偭康?～10wt％，極大的降低了氣化效率，低溫條件下焦油與可燃?xì)怏w燃燒不完全，產(chǎn)生的炭黑嚴(yán)重?fù)p壞燃?xì)饫迷O(shè)備，且浪費(fèi)能源。因此，簡(jiǎn)單的氣化發(fā)電系統(tǒng)，要求焦油含量在20～50mg/Nm³范圍內(nèi)；內(nèi)燃系統(tǒng)，要求焦油的含量低于10mg/Nm³；甲醇合成過(guò)程，要求焦油的含量低于0.1mg/Nm³。為實(shí)現(xiàn)低溫氣化處理中低階煤炭的目標(biāo)，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(duì)焦油的脫除具有很高的催化活性，含有焦油的氣體通過(guò)熱的半焦床層時(shí)，大部分焦油裂解產(chǎn)生氣體和水。在950℃時(shí)，焦油在半焦中幾乎完全轉(zhuǎn)化為低熱值氣體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于利用煤溫和氣化過(guò)程的副產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了能源的回收利用，適于工業(yè)應(yīng)用。

本發(fā)明首先公開(kāi)了一種耦合制備無(wú)焦油煤氣和電石的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)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(wú)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(guò)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(jié)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(guò)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(guò)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(guò)輸送裝置連接。

上述系統(tǒng)中，進(jìn)一步包括預(yù)熱器，所述預(yù)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(guò)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(yōu)選的，所述催化凈化裝置、混合裝置、高溫成型裝置中均設(shè)置有保溫裝置。所述輸送裝置均為保溫輸送裝置。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種利用上述系統(tǒng)耦合制備無(wú)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(yīng)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(yīng)得到無(wú)焦油煤氣和半焦2。

混合：將所述半焦2、粘結(jié)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(yīng)得到電石，并排出高溫電石爐氣。

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

上述耦合制備無(wú)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(yōu)選溫度為1950℃。

上述耦合制備無(wú)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(yōu)選≤80wt％。

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

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

本發(fā)明可充分利用煤溫和氣化過(guò)程產(chǎn)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(chǎn)生的高溫電石爐氣的顯熱，極大程度的降低了損耗，節(jié)約能源。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明耦合制備無(wú)焦油煤氣和電石的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例利用圖1所示的系統(tǒng)耦合制備無(wú)焦油煤氣和電石的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標(biāo)記如下：

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

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說(shuō)明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明中耦合制備無(wú)焦油煤氣和電石的系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)中包括下行床氣化爐1、催化凈化裝置2、預(yù)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(guān)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(chǎn)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(shí)，可得到半焦2和無(wú)焦油煤氣，其包括半焦1入口、含焦油煤氣入口、無(wú)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(yù)熱器3用于對(duì)CaO進(jìn)行預(yù)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(jié)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(yù)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(duì)由半焦2和CaO形成的混合型料進(jìn)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(yù)熱器3的高溫電石爐氣入口連接。

本發(fā)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(shè)置了保溫裝置，并且，其內(nèi)部的工作環(huán)境均為阻燃環(huán)境。上述系統(tǒng)中，各個(gè)裝置單元之間固體物料的輸送是通過(guò)輸送裝置實(shí)現(xiàn)的，并均將輸送裝置設(shè)置為保溫裝置，且保證輸送裝置內(nèi)部為阻燃環(huán)境。設(shè)置保溫裝置的目的是，保證進(jìn)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(fā)明實(shí)施例中利用圖1所示的系統(tǒng)，耦合制備無(wú)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(jìn)行氣化反應(yīng)，得到含焦油煤氣和副產(chǎn)物半焦1。

本發(fā)明實(shí)施例中，選用0.6MPa、200℃的過(guò)熱水蒸氣作為煤氣化反應(yīng)的氣化劑。其中，水蒸氣占煤的百分比≤96wt％，實(shí)施例中優(yōu)選≤80wt％。

本發(fā)明選用中低階劣質(zhì)煤炭作為原料煤，其含水率≤8wt％，灰分含量≤10wt％，揮發(fā)分含量≥30wt％，比表面積≥50m²/g，灰熔點(diǎn)≥1200℃，粒徑≤0.5㎜，本發(fā)明實(shí)施例中優(yōu)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(shí)施例優(yōu)選粒徑≤0.1㎜，加入的質(zhì)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(shí)，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(jīng)過(guò)熱的半焦層進(jìn)行催化裂化反應(yīng)，其中的焦油被脫除，得到的無(wú)焦油煤氣自催化凈化裝置2的頂部排出。半焦1經(jīng)催化裂化反應(yīng)后，生成半焦2。

(3)物料混合

粉狀CaO在預(yù)熱器3中升溫，得到熱CaO，并送入混合裝置4中。同時(shí)，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(jié)劑。熱CaO、半焦2、粘結(jié)劑在混合裝置4中混合均勻，得到混合粉料。本發(fā)明實(shí)施例中，控制熱CaO、半焦2、粘結(jié)劑的質(zhì)量配比為：1：0.60～0.70：0.01～0.03。

本步驟中，粘結(jié)劑選用干性、粉狀粘結(jié)劑，其在高溫下具有良好的粘接及固化的性能，可顯著增強(qiáng)混合粉料成型后的熱強(qiáng)度。其是以煤為原料進(jìn)行提取并純化、脫揮發(fā)分的有機(jī)物為主體，然后配入一定量的無(wú)機(jī)物而成的混合物。該粘結(jié)劑在較大溫度范圍內(nèi)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(jìn)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(fā)達(dá)，最終提高成型物料的熱強(qiáng)度。

本步驟中，CaO、半焦2、粘結(jié)劑是通過(guò)定量螺旋輸送裝置送入混合裝置4中的，可通過(guò)調(diào)整定量輸送裝置的轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)加入的物料的量進(jìn)行控制。

粉狀CaO預(yù)熱至≥850℃后再加入混合裝置4中與半焦2進(jìn)行混合，可以避免由于溫度差導(dǎo)致半焦2的溫度降低，為后續(xù)的電石冶煉過(guò)程節(jié)約能源。并且，粉狀CaO的預(yù)熱是利用了電石冶煉過(guò)程生成的高溫電石爐氣的顯熱，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行高溫成型處理后，可得到塊狀的混合型料，以滿(mǎn)足電石爐6的進(jìn)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(jìn)行冶煉，可得到電石。同時(shí)，該步驟還會(huì)生成高溫電石爐氣。實(shí)施例中，優(yōu)選電石冶煉溫度為1950℃。

由于圖1所示的系統(tǒng)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(yù)熱器3中，與粉狀CaO進(jìn)行直接換熱或間接換熱，充分利用高溫電石爐氣的顯熱。

實(shí)施例1

煤粉的含水率為8％、灰分含量為10％、揮發(fā)分含量為30％、比表面積為50m²/g、灰熔點(diǎn)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(jìn)行氣化反應(yīng)。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(yīng)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(jīng)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(jié)劑，熱CaO、半焦2、粘結(jié)劑的質(zhì)量配比為1：0.70：0.03，均勻混合得到混合粉料?；旌戏哿显诟邷爻尚脱b置中進(jìn)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(jìn)行電石冶煉，制備電石。同時(shí)，生成的高溫電石爐氣送入預(yù)熱爐中對(duì)粉狀CaO進(jìn)行預(yù)熱升溫。

實(shí)施例2

煤粉的含水率為7％、灰分含量為6％、揮發(fā)分含量為35％、比表面積為57m²/g、灰熔點(diǎn)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(jìn)行氣化反應(yīng)。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(yīng)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(jīng)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(jié)劑，熱CaO、半焦2、粘結(jié)劑的質(zhì)量配比為1：0.65：0.02，均勻混合得到混合粉料?；旌戏哿显诟邷爻尚脱b置中進(jìn)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(jìn)行電石冶煉，制備電石。同時(shí)，生成的高溫電石爐氣送入預(yù)熱爐中對(duì)粉狀CaO進(jìn)行預(yù)熱升溫。

實(shí)施例3

煤粉的含水率為4％、灰分含量為7％、揮發(fā)分含量為36％、比表面積為61m²/g、灰熔點(diǎn)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(jìn)行氣化反應(yīng)。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(yīng)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(jīng)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(jié)劑，熱CaO、半焦2、粘結(jié)劑的質(zhì)量配比為1：0.60：0.01，均勻混合得到混合粉料?；旌戏哿显诟邷爻尚脱b置中進(jìn)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(jìn)行電石冶煉，制備電石。同時(shí)，生成的高溫電石爐氣送入預(yù)熱爐中對(duì)粉狀CaO進(jìn)行預(yù)熱升溫。

上述實(shí)施例中的百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。