煤的气化

摘要

煤加工操作方法(10)，包括在重介质分选阶段(12)，使包含矿物的煤原料(18)经受重介质分选，产生第一煤料流(20)和第二煤料流(22)。与第二煤料流(22)中的煤相比，第一煤料流(20)中的煤的灰分更低并具有更低的灰分熔融温度。来自第一煤料流(20)的煤在高温煤加工操作(44)中被加工，并且来自第二煤料流(22)的煤在中温煤加工操作(16)中被加工。

权利要求

1.一种煤加工方法，其包括：

在重介质分选阶段中，使包括矿物的原料煤经受重介质分选，产生第一煤料流和第二煤料流，与所述第二煤料流中的煤相比，所述第一煤料流中的煤的灰分更低并具有更低的灰分熔融温度；

在选自煤焦化操作、高温煤气化操作和用于产生热和/或蒸汽的煤燃烧操作的高温煤加工操作中加工来自所述第一煤料流的煤；以及在选自煤热解操作或中温煤气化操作的中温煤加工操作中加工来自所述第二煤料流的煤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述第一煤料流的煤在煤焦化操作中被加工，并且来自所述第二煤料流的煤在中温煤气化操作中被加工。

3.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述第一煤料流的煤在煤燃烧操作中被加工以产生蒸汽，其中所述蒸汽被用于在中温煤气化操作中气化所述第二煤料流。

4.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述第一煤料流的煤在高温煤气化操作中被加工，并且来自所述第二煤料流的煤在中温煤气化操作中被加工。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述高温煤气化操作采用至少一个高温夹带流气化器，并且其中所述中温煤气化操作采用至少一个固定床干底气化器，或者至少一个中温流化床气化器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述重介质分选阶段中的相对密度分离被选择为使所述第一煤料流具有在还原性气氛中测定的低于1400℃的灰分流体或流动温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述重介质分选阶段中的相对密度分离被选择为使所述第二煤料流具有在还原性气氛中测定的高于1400℃的灰分流体或流动温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述重介质分选阶段中的相对密度分离被选择为使所述第一煤料流具有在还原性气氛中测定的低于1380℃的灰分流体或流动温度，并且所述第二煤料流具有在还原性气氛中测定的高于1450℃的灰分流体或流动温度。

说明书

煤的气化

技术领域

[0001] 本发明涉及煤加工操作。

背景技术

[0002] 通常，在进一步加工煤之前，采用共混和清洗系统通过减少煤原料的矿物含量来改善原矿煤原料的品质。共混和清洗产生两个产品料流，即低矿物(灰分)含量的第一脱矿化料流，以及高矿物含量的第二废弃料流，所述第一脱矿化料流通常进一步用于单个下游过程中，例如，采用特定的气化技术。

[0003] 废弃料流的产生是不合期望的。废弃料流含有至少一些煤(碳)，并且不利用该料流会降低任何使用原矿煤的过程的总体碳效率。

发明内容

[0004] 根据本发明，提供一种煤加工操作，其包括：

[0005] 在重介质分选阶段中，使包含矿物的煤原料经受重介质分选，产生第一煤料流和第二煤料流，所述第一煤料流中的煤比所述第二煤料流中的煤灰分更低并具有更低的灰分熔融温度；

[0006] 在高温煤加工操作中加工来自所述第一煤料流的煤；以及

[0007] 在中温煤加工操作中加工来自所述第二煤料流的煤。

[0008] 本说明书中的高温煤加工操作通常是结渣煤加工操作，即，可以容许灰分结渣的煤加工操作，而本说明书中的中温煤加工操作通常是无结渣煤加工操作，即，不能容许灰分结渣的煤加工操作。

[0009] 高温煤加工操作可以选自煤焦化操作、高温煤气化操作和用于产生热和/或蒸汽的煤燃烧操作。所有这些例子中，均发生煤灰分结渣，或者至少在原则上可以容许结渣。

[0010] 中温煤加工操作可以是煤热解操作或者中温煤气化操作。在这样的中温煤气化操作中，煤灰分的结渣不能被容许并且产生干灰分。

[0011] 根据本发明的一个实施方案，来自第一煤料流的煤在煤焦化操作中被加工，并且来自第二煤料流的煤在中温煤气化操作中被加工。

[0012] 跟据本发明的另一实施方案，来自第一煤料流的煤在煤燃烧操作中被加工以产生蒸汽，其中所述蒸汽被用于在中温煤气化操作中气化第二煤料流。

[0013] 在本发明的一个优选实施方案中，来自第一煤料流的煤在高温煤气化操作中被加工，并且来自第二煤料流的煤在中温煤气化操作中被加工。

[0014] 在本说明书中，高温煤气化操作是采用高温气化器的煤气化操作，其中最高连续操作温度超过煤中包含的矿物的熔点。通常，这意味着最高连续操作温度超过1300℃，更通常地超过1400℃。中温煤气化操作是采用中温煤气化器的煤气化操作，其中最高连续操作温度低于煤中包含的矿物的熔点。通常，这意味着最高连续操作温度在1000℃和1400℃之间。

[0015] 有利地，本发明的煤加工操作允许从最初的共用煤原料平行操作两个煤利用过程或操作，从而消除了煤废弃料流的产生。

[0016] 高温煤气化操作可以采用至少一个高温夹带流气化器。中温煤气化操作可以采用至少一个固定床干底气化器，或者至少一个中温流化床气化器。

[0017] 高温夹带流气化器通常是用于在包括至少氧和可选的蒸汽的气化剂的存在下通过部分氧化原料来从诸如煤的固体含碳原料产生合成气体的非催化、高温、增压或非增压(例如，大气压)气化器，其中原料被研磨或粉碎得很细并且被夹带在气化剂中，并且所述气化器在高于煤中包含的矿物的熔点的温度操作。非增压高温夹带流气化器的实例是大气夹带流和大气等离子气化器。

[0018] 固定床干底气化器通常是用于在包括至少氧和蒸汽或者空气和蒸汽的气化剂的存在下通过部分氧化原料来从诸如煤的固体含碳原料产生合成气体的非催化、中温、增压或非增压(例如，大气压)气化器，其中原料为团块或颗粒形式，并在固定床中与气化剂接触，并且所述固定床在低于煤中包含的矿物的熔点的温度操作。

[0019] 中温流化床气化器通常是用于在包括至少氧和蒸汽或者空气和蒸汽的气化剂的存在下通过部分氧化原料来从诸如煤的固体含碳原料产生合成气体的非催化、中温、增压或非增压(例如，大气压)气化器，其中原料为团块或颗粒形式，并在流化床中与气化剂接触，并且所述流化床在低于煤中包含的矿物的熔点的温度操作。

[0020] 热解过程是用于在提升的温度下对包含挥发物的含碳原料进行脱挥发成分作用(例如通过闪热解进行)来产生固体炭产物和包含液体挥发物的产物的过程。

[0021] 燃烧过程是用于快速氧化含碳原料(例如在燃煤锅炉中)来产生热能的过程。热能可以用于产生蒸汽。

[0022] 焦化是用于在无氧气氛中(并且可能在高于煤中包含的矿物的熔点的温度)通过高温处理煤来驱除煤中的挥发性组分(包括水、煤气和煤焦油)，以将碳和残留灰分融合到一起的过程。

[0023] 本发明的中心是在灰分熔融温度的基础上，使用重介质分选来分离煤，以使分离过的高灰分熔融温度煤和低灰分熔融温度煤随后用于采用不同技术的平行煤加工操作中。可以采用任意的常规重介质分选阶段或技术，只要其能够使用1.4到2.1范围的相对密度分离来分离煤。

[0024] 煤源的灰分熔融温度给出灰分团聚、熔结或结渣在气化器内可能发生的程度的指示。固定床气化器内部的灰分熔结可能造成通道燃烧、压力降低问题和气化器操作不稳定，而在夹带流气化技术中，助熔剂的添加和炉渣粘度是受被气化的煤的灰分熔融温度影响的关键操作参数。

[0025] 在灰分熔融温度分析中，测量灰分随着其通过各种温度范围加热至特定温度的软化和流动(熔化或结渣)行为。一般地，取决于器械限制，该温度在氧化条件下至多1600℃。通过标准灰化程序，例如在ASTM方法D1875或ISO方法ISO540中所描述的，制备灰锥，并随后在氧化气氛中以受控的速率加热灰锥，以模拟灰分床中的气化环境。灰分熔融温度分析的结果由四个温度组成，即，灰锥的尖端发生第一次变圆时的初始变形温度、锥高度等于锥宽度时的软化或球温度、锥高度等于锥宽度的一半时的半球温度以及锥高度等于1.6mm时的流体或流动温度。

[0026] 尽管灰分熔融温度测试被广泛采用，但是它们并不总是精确预测灰分熔融温度行为。具有明显相似矿物组成的两种灰分可能具有显著不同的熔化行为。标准灰分熔融测试如ASTM D1857的优点是，它们是被广泛采用、标准化、廉价且能够自动化。对标准灰分熔融温度测试的顾虑是，由于它们是基于观察而非测量，因而它们是主观的；它们的可再现性差；初始变形温度不是熔化开始时的温度；以及灰分熔融温度是在短的时间段上测量的，而沉积(通常积累数小时)在冷却期间形成。

[0027] 灰分熔融温度可以在氧化或者还原条件，或者两种条件下测量，其中氧化与还原结果之间的差别常常与诸如铁的助熔剂强相关。

[0028] 使用Sasol FBDBTM气化器的操作经验已表明，当气化器内获得的最大温度被维持为高于初始变形温度以获得足够的团聚来改善床透气性；和低于流体或流动温度以预防过度熔结时，获得理想的气化器操作。用于固定床干底气化的理想煤源具有在初始变形温度和流体或流动温度之间的大的温度范围。目前在南非用于气化的煤源具有高于1300℃的流体或流动温度，以及高于1200℃但低于1400℃的初始变形温度。

[0029] 本发明的额外或所伴随优点是，在诸如高温夹带流气化器的高温气化器中使用较低灰分熔融温度煤可导致高温气化作用期间炉渣粘度较低。然而这并不总是这样，因为炉渣粘度还取决于煤矿物组成，而不仅仅取决于灰分熔融温度。在高温气化器中较低灰分熔融温度煤的使用不导致降低的炉渣粘度的情况中，为控制出渣可能有利地需要向气化器添加较少的助熔剂。

[0030] 第一煤料流可以具有低于1400℃，优选地低于1380℃，更优选地低于1350℃，例如1320℃的灰分流体或流动温度(在还原气氛中测定)。

[0031] 第二煤料流可以具有高于1400℃，优选地高于1450℃，更优选地低于1500℃，例如1550℃的灰分流体或流动温度(在还原气氛中测定)。

[0032] 在本发明的一个实施方案中，第一煤料流具有低于1380℃的灰分流体或流动温度(在还原性气氛中测定)，并且第二煤料流具有高于1450℃的灰分流体或流动温度(在还原性气氛中测定)。

[0033] 在重介质分选阶段中，为确保第一煤料流和第二煤料流具有期望的灰分熔融温度特性，将由此选择相对密度分离。对于南非煤，典型的相对密度分离将是约1.8或1.9。针对大多数原矿煤，或至少针对大多数从南非矿获得的原矿煤，第二煤料流将显著地小于第一煤料流，例如在重量基础上为第一煤料流的约四分之一。

附图说明

[0034] 现在将参照所附的示意性附图和实施例，以举例的方式描述本发明。

[0035] 附图中，

[0036] 图1示出根据本发明用于加工煤的方法；

[0037] 图2示出高温夹带流气化器的典型温度曲线；

[0038] 图3示出固定床干底气化器的典型温度曲线；

[0039] 图4示出累计产率和灰分含量作为针对典型的南非煤相对密度的函数的图；

[0040] 图5示出钙含量和灰分流动温度作为图4的典型南非煤相对密度的函数的图；以及

[0041] 图6示出钙长石(CaAl2Si2O8)和渣液在1250℃的质量分数作为图4的典型南非煤相对密度的函数的图。

具体实施方式

[0042] 参照附图的图1，附图标记10一般指示根据本发明用于加工煤的过程。过程10在TM广义上包括重介质分选阶段12、高温夹带流气化器14和Sasol FBDB 气化器16。

[0043] 原矿煤进料管线18通向重介质分选阶段12。第一煤料流管线20从重介质分选阶段12通向高温夹带流气化器14，并且第二煤料流管线22从重介质分选阶段12通向固定床干底气化器16。

[0044] 原料合成气体管线24和炉渣管线26离开高温夹带流气化器14。类似地，原料合成气体管线28和干灰分管线30离开固定床干底气化器16。

[0045] 使用中，原矿煤通过原矿煤进料管线18被进料至重介质分选阶段12。重介质分选阶段12是包括重介质容器的常规重介质分选阶段，煤被进料至所述重介质容器中。在重介质容器中维持向上的分离介质顺流。通常，来自原料煤筛和/或预湿筛(未示出)的煤与通过可调节浸没式折流板引导的、作为推动介质的大部分体积的循环分选介质合并。煤被深度进料至重介质容器中。剩余体积的循环分选介质从重介质容器底部的吹扫和排泄料斗进入。这在分离器中产生温和的向上分离介质顺流，其防止重介质分层和沉淀并合并为推动介质的一部分。

[0046] 基于浮沉分析(例如，使用诸如ISO7936的方法)，运行重介质分选阶段12以产生较低密度、较低灰分并具有较低灰分熔融温度的第一煤料流或上浮级分，以及较高密度、较高灰分并具有较高灰分熔融温度的第二煤料流或下沉级分。针对典型的南非煤，可运行重介质分选阶段12以用约1.8或1.9的相对密度分离第一煤料流和第二煤料流。

[0047] 第一煤料流通过第一煤料流管20移除，并被进料至高温夹带流气化器14，在此，煤以常规方式、利用如图2中示出的典型的气化器温度特征被气化，产生通过原料合成气体管线24收回的原料合成气体，以及通过炉渣管线26收回的熔融炉渣。类似地，第二煤料TM流通过第二煤料流22被进料至固定床干底气化器，例如Sasol FBDB 气化器，在此，煤以常规方式、利用如图3中示出的典型的气化器温度特征被气化，产生通过原料合成气体管线28收回的原料合成气体，以及通过灰分管线30收回的干灰分。

[0048] 通常，过程10将采用数个平行操作的高温夹带流气化器，全部接收来自第一煤料流的煤；以及数个平行操作的固定床干底气化器，全部接收来自第二煤料流的煤。

[0049] 实施例1

[0050] 过程10可以用来气化典型的南非高原矿煤源。在从1.4到2.1的相对密度范围上500kg样品煤的不同上浮级分的煤的浮沉分析，以及灰分析和灰分熔融温度(流动温度或FT)分析提供以下结果：

[0051]

[0052] 所给出的产率是累加的。煤的清洗是通过根据ISO 7936标准的浮/沉分析进行模拟，其中通过压碎和筛分步骤制备-25mm+0.5mm尺寸级分样品。＞25mm的各个粒径级分被压碎至-25mm并在清洗之前于0.5mm筛分。

[0053] 煤样品的清洗曲线以及煤的灰分含量(针对累加上浮级分)，在图4中给出。

[0054] 原矿煤料流的灰分含量是28.4％并且灰分熔融温度(流动温度)＞1450℃。为了分离煤以具有最佳条件下的多于一种的煤料流上运行的气化技术，煤可以以1.8或1.9的相对密度使用重介质分选阶段12来分离。这将产生具有如下指示的显著不同性质的两个流。

[0055]

[0056]

[0057] 用于高温气化的第一煤料流或上浮级分将具有21.2％的灰分含量和低于约1380℃的灰分熔融温度(流动温度)，而用于中温气化的第二煤料流或下沉级分将具有＞
30％的灰分含量和高于约1450℃的灰分熔融温度(流动温度)，或者在一些情形中高于
1350℃，其取决于煤的性质。第一煤料流对第二煤料流的质量比率将是约85∶15。

[0058] 实施例2

[0059] 与实施例1中所使用的相同的煤也是实施例2中所研究的对象。重介质分选以及灰分和组成分析提供如下表1中更详细陈述的信息。

[0060] 表1

[0061]

[0062]

[0063] 与给出累加产率的实施例1中不同，表1中，提供针对每个相对密度上浮级分的分析的每个上浮级分的实际产率。

[0064] 从表1中清楚可见，通过重介质分选得到灰分含量以及灰分组成的显著不同。

[0065] 相对密度(RD)＝1.8以上的累加产率(上浮级分)相对地高(＞80％)，此后，产率向着在较低相对密度处的清洗显著降低，如图4中示出的。

[0066] 灰分含量从在RD＝1.95的21.9％降低至在RD＝1.4的低至9.5％。考虑到这一点，预计不同级分的矿物组成将显著不同，其通过表1中的数据得出，所述数据还清楚地示出在RD＝1.8和RD＝2.1之间的各个上浮级分的高灰分含量。

[0067] 另一个有趣的结果是重介质分选对灰分熔融温度(流动温度)和产物的矿物组成上的作用。针对累加上浮级分的灰分熔融温度(流动温度)改变以及矿物组成改变(对于各个上浮级分的Ca-含量而言)在图5中示出。

[0068] 从图5可以得出几个观察结果：

[0069] ●灰分流动温度(AFT)随着相对密度增加而增加。在最高相对密度(RD＝2.1)处观察到最高灰分流动温度，该处也具有最低的Ca-含量(图5)。

[0070] ●Ca-含量随着重介质分选而显著改变。在较低的相对密度(在此情况中即，RD＝1.5)观察到最高Ca-含量。

[0071] 级分的特征(直接的以及灰分组成)被逐个用来利用FactSage(商品名)模型对气化期间的渣-液形成进行量化。各个级分被视为各个煤源，就如同对每个所制备的级分逐个地气化那样。

[0072] 参照图6，结果表明煤灰中钙长石(CaAl2Si2O8)的量随着煤的相对密度降低而增加，并且在气化期间以1250℃存在的渣液的量随着煤的相对密度降低而降低。较低密度煤中较高浓度的CaO看起来导致较高量的钙长石形成。钙长石形成为SiO2、Al2O3和含钙物种之间的产物。由此，随后存在最小量的助熔剂以形成渣液物料，所述助熔剂增强渣液形成和钙长石结晶以及高浓度的酸性组分SiO2(其抑制渣液形成)。具有最高浓度的CaO和酸性组分(Al2O3和SiO2)的煤级分导致最高百分数的Ca-Al-Si矿物(CaAl2Si2O8-钙长石加上CaAl4Si2O10(OH)2珍珠云母)形成。煤源的矿物结构中的游离-SiO2然后导致形成含有Mg、Na或Ca的矿物，以形成诸如KAl3Si3O10(OH)2(白云母)、Mg5Al2Si3O10(OH)8(斜绿泥石)，或其他捕获高氧分子的矿物化合物的新矿物化合物。由此，如果气化之后，即通过与RD＝1.4的上浮级分一样的钙长石形成的增加，游离-SiO2降低或不存在，则捕获Si-氧的化合物的浓度相对地低，形成高浓度的钙长石，如该实施例中RD＝1.4处的所制备的级分那样。

[0073] 还观察到，针对CaO含量＜10％，由FACT-Win/F*A*C*T(商品名)模型预测的渣液温度与根据灰分熔融温度分析的标准流动温度相当，差别小于10℃。然而，应进一步解释随着增加CaO含量而增加的差别。已知的是，针对含高Ca和Fe煤源，也观察到由FACT-Win/F*A*C*T模型预测的液体温度与灰分熔融温度之间的差别。含较高CaO的煤源(例如该实施例中，在较低相对密度制备的级分)，比渣液含有更高浓度的钙长石(CaAl2Si2O8)，如该研究中也观察到并证实了的。在高CaO含量煤源中，Al-Si-Ca颗粒造成渣液形成的延迟。

[0074] 本发明的方法，如举例说明的，有利地允许在两个或更多个不同操作中加工包含显著浓度矿物的共用煤源，所述操作的至少一个可以容许炉渣形成并且至少一个不能容许炉渣形成。在本发明的一个优选实施方案中，煤加工操作，如举例说明的，使得整个原料煤料流能够使用不同的气化技术被平行地气化，从而消除或至少显著地减小高矿物含量煤废弃料流的产生。