一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统及工艺的制作方法

2021-01-31 04:01:22|

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本发明涉及一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统及工艺。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

煤炭是我国能源消费的主力，约70％的煤炭消耗直接用于燃烧，煤燃烧势必会排放so2，目前，应用最广泛的烟气脱硫技术是钙基湿法脱硫技术，但其存在耗水量大，导致石灰石资源过度开采，增加co2排放，产生过剩脱硫石膏及脱硫废水引起二次污染等缺陷，使其应用越来越受局限。而干法烟气脱硫技术中的活性焦脱硫技术，脱硫过程中基本不耗水，无废水、废渣产生，无二次污染问题，同时可实现硫的资源化回收利用，是一种绿色的、可实现硫的资源化回收利用的脱硫技术。

目前，活性焦烟气脱硫技术回收的硫资源主要为硫酸溶液，其主要用于钢铁、冶金行业，未能广泛推广应用的原因在于其投资、运行成本较高，而钢铁、冶金行业本身需要消耗硫酸，其在钢铁、冶金行业能应用主要是回收的硫酸溶液可抵消部分投资、运行成本。导致其投资、运行成本较高的原因之一是活性焦吸附剂制备成本较高，目前，烟气脱硫用活性焦为直径5～9mm的柱状活性焦，其制备工艺复杂，导致其制备成本高，市场价格贵；另外，其内表面利用率低，导致其吸附性能较差，进而增加运行成本。

为降低脱硫用活性焦的制备成本，提高其吸附性能，发明人曾在专利号为cn104787761a的“一种粉末活性焦快速制备装置和方法”中提出了用于烟气脱硫的粉末活性焦的快速制备。经过发明人研究发现，这种工艺虽然可行，但其存在热利用率低的缺陷，粉焦制备完成后的高温气体(约900℃)还属于中高温品位热源，而且粉焦产率较低、粉焦性能有待提高。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统及工艺，本发明充分利用中高温品位余热，实现煤粉炭化、活化两步法制备粉焦，在燃烧段消耗同等燃料的情况下，相较于一步法，粉焦产量及吸附性能均得到大幅提升。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统，包括燃烧炉、炭化炉、活化炉、粉焦旋风分离器；

燃烧炉、活化炉均竖直设置，燃烧炉的燃烧煤粉进口设置在燃烧炉顶部，燃烧炉的烟气出口设置在燃烧炉底部，活化炉气相进口设置在活化炉底部，活化炉的炭化半焦进口设置在活化炉下部侧壁，活化炉的出口设置在活化炉的上部，活化炉气相进口设置水蒸气调质喷口和/或空气调质喷口；

燃烧炉的烟气出口与活化炉的气相进口连接，活化炉的出口连接粉焦旋风分离器的进口，粉焦旋风分离器的气相出口连接炭化炉的气相进口，炭化炉的固相出口连接活化炉的炭化半焦进口，炭化炉的固相进口连接制焦煤粉源。

本发明经过研究发现，采用燃烧后的烟气进行一步制备粉状活性焦后的烟气温度较高，作为热源品位较高，可以有多种用途。而经过试验发现，当原制焦炉分离后的烟气重新引入新的炭化设备时，该新炭化设备能够对利用原制焦炉分离的烟气对制焦用煤粉源进行部分炭化制成半焦，而此时原制焦炉仅需要进行活化过程即可，即引入新炭化设备作为炭化炉进行炭化，原制焦炉作为活化炉进行活化，从而使得工艺发生改变，利用改变后的系统制备粉状活性焦的工艺不仅提高了能量的利用率，而且制备的粉状活性焦的产量及二氧化硫的吸附性能均得到显著提升。

另一方面，一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的工艺，提供上述系统；

燃料煤粉在燃烧炉进行燃烧产生燃烧烟气，利用水蒸气和或空气将燃烧烟气在活化炉气相进口进行调温调质，调温调质后的燃烧烟气与炭化半焦混合制成粉状活性焦，活化炉的出口的粉状活性焦与烟气的混合物经过粉焦旋风分离器分离获得粉状活性焦及活化烟气，活化烟气与制焦煤粉混合制备所述炭化半焦。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的同时添加炭化炉使制备改变粉焦的制备工艺，可充分利用原一步法快速制备粉焦工艺中的余热，在相同燃烧段燃烧工况下，提升粉焦产量达1.5～2.5倍。

(2)本发明的制备的粉焦的so2吸附性能可提升10～30％，其中，褐煤基粉焦吸附性能可提升约10％，烟煤基粉焦吸附性能可提升30％。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例1的三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统结构示意图；

其中，1、燃烧煤粉；2、燃烧用助燃风；3、燃烧炉；4、灰斗；5、灰渣；6、水/水蒸气调质喷口；7、空气/氧气调质喷口；8、活化炉；9、粉焦旋风分离器；10、成品粉状活性焦；11、制焦煤粉；12、炭化炉；13、炭化半焦旋风分离器；14、热解气；15、炭化半焦。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于现有快速制备粉焦工艺中存在热利用率低、粉焦产率较低、粉焦性能较差等缺陷，本发明提出了一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统及工艺。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统，包括燃烧炉、炭化炉、活化炉、粉焦旋风分离器；

本发明以原一步法制备粉状活性焦的系统作为基础，引入新炭化设备作为炭化炉进行炭化，原制焦炉作为活化炉进行活化，从而使得工艺发生改变，利用改变后的系统制备粉状活性焦的工艺不仅提高了能量的利用率，而且制备的粉状活性焦的产量及二氧化硫的吸附性能均得到显著提升。

本发明中活化炉为上行气流床反应器。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述炭化炉竖直设置，炭化炉的气相进口和固相进口均设置在炭化炉的顶部，炭化炉的固相出口设置在炭化炉的底部，炭化炉的气相出口设置在炭化炉的下部侧壁。炭化炉为下行气流床反应器。

该实施方式的一种或多种实施例中，包括炭化半焦旋风分离器，炭化炉的气相出口连接炭化半焦旋风分离器的进口，炭化半焦旋风分离器的固相出口连接活化炉的炭化半焦进口。

该实施方式的一种或多种实施例中，包括灰斗，燃烧炉的烟气出口连接灰斗气相进口，灰斗气相出口连接活化炉的气相进口。

在一种或多种实施例中，水蒸气调质喷口和/或空气调质喷口设置在灰斗气相出口处。

本发明的另一种实施方式，提供了一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的工艺，提供上述系统；

燃料煤粉在燃烧炉进行燃烧产生燃烧烟气，利用水蒸气和/或空气将燃烧烟气在活化炉气相进口进行调温调质，调温调质后的燃烧烟气与炭化半焦混合制成粉状活性焦，活化炉的出口的粉状活性焦与烟气的混合物经过粉焦旋风分离器分离获得粉状活性焦及活化烟气，活化烟气与制焦煤粉混合制备所述炭化半焦。

该实施方式的一些实施例中，燃料煤粉在燃烧炉采用液态排渣燃烧方式进行燃烧。尽可能使燃烧后灰渣以液态形式由底部排出，减少燃烧飞灰进入活化炉和炭化炉而最终混入粉焦中影响粉焦产品的品质。

该实施方式的一些实施例中，活化炉中的上行气速为4～6m/s。保证气流能携带炭化半焦上行，不塌床。

该实施方式的一些实施例中，炭化半焦在活化炉内的停留时间为3～7s。

该实施方式的一些实施例中，炭化炉中的下行气速3～5m/s。保证制焦煤粉在该段内停留时间3～7s完成快速热解炭化。

该实施方式的一些实施例中，制焦煤粉在炭化炉内的停留时间为3～7s。

该实施方式的一些实施例中，进入活化炉的烟气温度为1100～1200℃。

该实施方式的一些实施例中，进入活化炉的烟气中氧气体积浓度为4～8％。

该实施方式的一些实施例中，进入活化炉的烟气中水蒸气体积浓度为15～35％。

该实施方式的一些实施例中，炭化炉气相出口的温度为600～700℃。可有效避免焦油问题。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

一种三段炉两步法制备脱硫用粉状活性焦的系统，如图1所示，包括三大核心装置：(高温段)燃烧炉3、(中温段)活化炉8及(低温段)炭化炉12。

所述高温段燃烧炉3属现有常用系统，为一立式煤粉燃烧锅炉形式，主要包括燃烧器、炉体等。其中，燃烧采用液态排渣燃烧方式，使煤粉燃烧的灰渣以液态形式由灰斗4排除，避免其进入中、低温段混入粉焦及炭化半焦的制备中而影响最终产品的品质。

所述中温段活化炉8为一个上行气流床，下端由灰斗4与高温段燃烧炉连通，上端与旋风分离器9连通。具体的，来自高温段燃烧炉的高温烟气在灰斗4处经水/水蒸气喷口6和空气/氧气喷口7调节烟温及烟气中水蒸气、氧气浓度后进入中温段活化炉8，与其底部送入的炭化半焦15一同上行完成粉状活性焦的快速制备，经旋风分离器9气固分离后，得到成品粉焦10，旋风分离器9的气体出口端进入低温段炭化炉12。

所述低温段炭化炉12为一个下行气流床，上端接旋风分离器9的气体出口端，下端固体沉降端接炭化半焦输送管道，下端气体出口端接炭化半焦旋风分离器13。具体的，来自中温段活化炉的高温气体由顶部进入低温段活化炉，以顶部给入的煤粉11混合一同下行，完成煤粉的快速热解，制备活化用前驱体炭化半焦。

具体的，高温段燃烧炉3炉体结构可布置水冷不受热面，前提保证液态排渣燃烧方式，其出口烟温控制在所用燃煤的灰熔点以上100～150℃。如果布置了水冷壁受热面，产生的水蒸气一部分可用于水/水蒸气喷口6用于调节进入低温段气化炉8的烟气，其余用于外供。

具体的，高温段燃烧炉3与中温段活化炉8由灰斗4连接，两段结构呈u型布置。

具体的，来自高温段燃烧炉3的烟气在灰斗经调温调质后，进入中温段活化炉8的烟气温度控制在1100～1200℃，烟气中氧气浓度可调至4～8％，水蒸气浓度调可至15～35％。

具体的，炭化半焦15在中温段活化炉8内的停留时间为3～7s，在调温调质后的烟气氛围下快速完成粉焦制备。

具体的，制焦用煤粉11在低温段炭化炉12内的停留时间为3～7s，利用炭化半焦活化后的高温气体快速完成煤粉热解炭化，制备炭化半焦。

具体的，最终的气体出口热解气14直接送入焚烧炉/锅炉燃烧，以完全消除焦油问题，所用后续设备及工艺均为现有常用设备及工艺。

以锦界烟煤为原料，在一维沉降炉试验系统中，先以750℃反应温度，在纯氮气氛围中，控制停留时间为4s，给料量为2.5g/min，制备炭化半焦约500g；随后，以炭化半焦为原料，在该系统中，以950℃反应温度，在模拟烟气(6％o2，12％co2，20％h2o，62％n2)氛围中，控制停留时间为4s，给料量为5.0g/min，制备两步法粉状活性焦。通过该工艺制备的活性焦的比表面为291m²/g，两小时固定床吸附硫容为73.79mg/g，焦产量约为2.38g/min。

作为比较，以锦界烟煤为原料，在一维沉降炉试验系统中，以950℃反应温度，在模拟烟气(6％o2，12％co2，20％h2o，62％n2)氛围中，控制停留时间为4s，给煤量为2.5g/min，直接完成煤粉在烟气氛围中的粉状活性焦一步法制备。通过改工艺制备的活性焦的比表面为213m²/g，两小时固定床吸附硫容为55.56mg/g，焦产量约为1.23g/min。比较得出，两步法制备粉状活性焦的比表面积提升了36.6％，吸附硫容提升了32.8％，相同条件下粉焦产量提升了1.93倍，总体分析，两步法优势明显。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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