BGL气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用_江成广.pdf

BGL 气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用 江成广, 张晓敏, 王 忠, 曹文旭 中煤鄂尔多斯能源化工有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 017317 摘 要 BGL 气化副产物煤焦油渣是一种固态危废, 应集中进行无害化处理。 中煤鄂尔多 斯能源化工有限公司联合相关科研院所、 技术公司开展了一系列的研究试验和应用实践, 取得 了较好效果 一是进行离心机分离中型试验, 并建设了一套两相离心机分离系统和一套三相离 心机分离系统; 二是开展三废锅炉处理煤焦油渣、 生化污泥、 化工尾气研究, 进行了燃烧试 验, 编制了技术方案; 三是开展了煤焦油渣热解试分离中试试验并取得成功, 为彻底解决煤焦 油渣的环保问题提供了技术依据。 关键词 BGL 气化; 煤气水; 煤焦油渣; 离心机分离; 热解分离; 三废锅炉; 无害化处理 中图分类号 X789 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202008-0059-05 收稿日期 2020-06-16 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 08. 017 作者简介 江成广1968, 男, 湖北丹江口人, 2010 年毕业于武汉工程大学化学工程专业, 工程硕士, 中煤鄂尔多斯能源化工有限公 司科技环保部副经理, 高级工程师。 引用格式 江成广, 张晓敏, 王 忠, 曹文旭. BGL 气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20208 59 -63. 中煤鄂尔多斯能源化工有限公司以下简称 鄂能化公司100 万 t/ a 合成氨/175 万 t/ a 尿素项 目采用了 BGL 煤气化技术。 该项目气化装置 2013 年 12 月 31 日开始投料试车并顺利产出粗合 成气[1]。 BGL 气化副产物煤焦油渣与焦化工业的 煤焦油渣成分相近, 根据 GB 5085. 72007 危 险废物鉴别标准 规定, 应集中进行无害化处 理。 该公司在煤焦油渣的无害化处理方面进行了 一系列研究试验, 建设了离心分离装置, 以期消 除环保风险, 为绿色发展奠定基础。 1 煤焦油渣的来源及特性 BGL 气化炉结构示于图 1。 与鲁奇加压气化 炉相同, BGL 气化炉原料碎煤由顶部进入, 下部 气化段反应产生的高温粗煤气向上逆流通过原料 煤[2], 将原料煤加热并干馏、 热解, 原料煤中分 离出的酚、 氨、 CH4、 焦油等与粗煤气一同由颈 部出气化炉。 约 500 ℃的粗煤气经激冷洗涤、 废 热锅炉换热等处理, 温度降至约 175 ℃送至煤气 变换装置, 再经气液分离塔分离出含尘煤气水后 进入变换炉。 该气化装置配套 2 个系列的煤气/ 水分离装 图 1 BGL 气化炉结构示意 置。 在气化装置废热锅炉、 变换装置气/ 液分离 塔分离出的含尘煤气-水集中送煤气/ 水分离系 统。 含尘煤气-水经减压闪蒸分离出 CO2、 SO2 等溶解气体后, 在粗焦油分离器中重力沉降, 分 离出含尘煤焦油后进入油分离器, 油分离器分离 出中油后的含酚、 氨的洁净煤气-水送储罐。 超 过 2/3 的洁净煤气-水循环回气化、 变换装置, 约 1/3 洁净煤气-水经过双介质过滤器后送酚氨 回收装置见图 2。 粗焦油分离器底部存积的含 油固态物质即为煤焦油渣。 粗焦油分离器底部排出的煤焦油渣是黑色黏 95 煤炭加工与综合利用 No. 8, 2020 COAL PROCESSING 2 2018 年 7 月 23 日两相离心分离机产出含油煤粉; 3 2019 年 12 月 29 日三相离心分离机产出含油煤粉。 由表 1 可知, 鄂能化公司煤焦油渣发热量 高, 挥发分高, 而灰分和硫分都较低, 可以作为 高价值的化工原料或燃料进行综合利用。 2 国内煤焦油渣主要处理技术 2. 1 作为燃料直接利用 1直接作为烧砖等土窑的燃料。 由于燃烧 温度较低, 且供 O2不足, 致使燃烧不完全而产 生大量的含有多环芳烃等有毒废气排入空气 中[3], 造成大气严重污染, 已经被明令禁止。 2与煤按一定比例混合制成型煤, 送到高 温锅炉充分燃烧, 产生蒸汽。 刘淑萍、 曲雁秋等人的发明专利报告, 将焦 油渣中加入一定比例的稀释剂和稳定分散剂, 制 成混合均匀的乳化态液体燃料, 发热量达到 31. 65 MJ/ kg 以上, 可以稳定、 完全燃烧[4]。 2. 2 作为原料 2. 2. 1 配煤炼焦 配煤炼焦是工业上煤焦油渣利用的主要方 法。 煤焦油渣具有低灰、 低硫、 高挥发分、 高粘 结性等特点[5], 将煤焦油渣与煤按一定的比例混 合压制成炼焦型煤, 回炉炼焦[6], 可以增加焦炭 和煤气产量, 具有良好的经济效益和环保效益。 2. 2. 2 煤气化原料 近年来, 科研人员对煤气化原料的研究较 多, 但还没有工业成功应用的报道。 下列 2 项成 果对于煤焦油渣用作气化原料有重大借鉴意义。 1西北化工研究院先后承担并完成了 “煤 油-水混合料浆制备及气化研究”、“煤焦-水乳 化制浆及气化研究”、 “煤沥青-水制浆及气化研 究” 和 “多元料浆气化新型气化技术开发研 究”, 成功开发了多元料浆气化新型气化技术 MCSG [8], 并实现了广泛的工业化应用[7]。 2延长石油集团的煤-油共炼装置产生的 残渣含有大量的重油和沥青质, 杨东元、 扈广法 等进行了该残渣掺配水煤浆气化试验[9]。 试验结 果表明, 掺配 5残渣的水煤浆对成浆特性、 气 化及后续工段工艺无明显影响, 经济性较好。 2. 3 深度处理综合利用 采用物理或化学方法将煤焦油渣中的油、 渣 进行分离, 并从中回收有价值的焦油和煤粉分别 利用, 实现无害化处理。 还可以对煤粉进行进一 步的加工, 制备活性炭、 石墨烯等高附加值化工 材料[10]; 对焦油的进一步处理, 一是蒸馏以回 收多种馏分物质; 二是加氢制备轻质油品[11]。 深度加工可实现焦油和煤粉的综合利用, 达到利 用价值最大化。 目前已经开发出的方法有多种, 其中一些已经实现工业化。 2. 3. 1 溶剂萃取分离 利用煤焦油渣中有机组分与萃取溶剂的互溶 原理, 将煤焦油渣与萃取溶剂按合理比例混合, 达到完全混溶, 再经过滤、 离心或沉降等工艺实 现油、 渣分离, 最后通过汽提、 蒸馏等方法将油 品与萃取剂分离开。 萃取分离的方法高效、 处理 量大, 但溶剂的选择较难, 流程较长, 运行的经 济性、 毒性等问题需深入研究, 继续完善。 06 煤炭加工与综合利用2020 年第 8 期 ChaoXing 2. 3. 2 机械离心分离 依据煤焦油渣中不同物质密度不同的特性, 在高速旋转设备内产生的离心力不同而相互分 离。 该方法的特点是工艺流程简单、 可操作性 强, 效率和经济效益高, 但难以将不同物料彻底 分离, 且设备费用较高。 2. 3. 3 热解分离 在无氧或缺氧的条件下, 高温加热煤焦油 渣, 使其中有机物分解, 大分子裂解成为小分 子, 从而获得可燃气体、 油品和焦炭等化工产 品。 随着研究的深入和工艺技术的逐步成熟, 该 方法具有广阔的发展前景。 3 鄂能化公司煤焦油渣无害化处理研究进展 鄂能化公司气化装置满负荷运行时, 粗焦油 分离器底部的沉积物 煤焦油渣间歇排出到油 罐车中约 200 t/ d, 运送到公司附近一家固废处 理公司有危废处理资质。 该公司对煤焦油渣进 行分离处理, 产出的焦油销售获利, 产出的残渣 主要成分是煤粉返回到鄂能化公司。 卾能化公 司将该残渣与燃料煤混合后送高压粉煤锅炉燃 烧。 为应对设备检修、 道路运输等风险, 鄂能化 公司建设了 375 m3的地面缓冲池水去油分离 罐, 渣去固废处理公司。 为彻底消除经营风险 和环保风险, 确保气化装置长周期安全运行, 鄂 能化公司联合相关科研院所、 技术公司进行了一 系列煤焦油渣无害化的研究试验和应用实践, 取 得了一定成效。 3. 1 离心分离 3. 1. 1 两相离心分离系统 2014 年, 组织相关设备厂家到生产现场进行 离心分离中型试验, 委托赛鼎工程公司设计建设 了一套两相离 心 分 离 系 统 离 心 机 型 号 LW 1000BD-SM, 设计处理量 10 15 m3/ h, 投资 399 万元。 该装置 2017 年 11 月 1 日投入运行, 成功地将煤气-水二系列煤焦油渣进行离心分离。 产出的液相送油-水罐, 静置后分离出煤焦油送 罐区; 产出的固相送煤场, 与燃料煤掺混后送锅 炉燃烧。 3. 1. 2 三相离心分离系统 2019 年又接收了黑龙江省龙化公司退役的三 相离心机福乐伟三相离心机, 型号 Z4E-3/441, 安装到煤气-水系列粗焦油分离器出口处见图 3, 12 月 25 日投入运行, 产出的固相 含油煤 粉较干散, 可堆放见图 4。 可与燃料煤混合后 送锅炉。 该离心分离器设计处理量 10 m3/ h。 图 3 三相离心分离器系统流程 两相离心机运行工况与之相比, 其固相出料 较湿、 较黏见图 5, 与燃料煤搅拌后输送时, 易出现堵塞备煤系统溜槽、 粘胶带的现象, 对磨 煤机的运行也有不良影响。 三相离心机与两相离 心机进出料成分比较列于表 2。 图 4 三相离心机出料固相 图 5 两相离心机出料固相 表 2 离心机进出料成分对分平均值 离心机 类型 原料 油尘水 油相 油尘水 两相离心机72. 2518. 379. 3875. 728. 2616. 02 三相离心机74. 625. 6219. 7683. 843. 3212. 84 3. 1. 3 离心分离经济效益 2 台离心分离器一起投运后, 每天产焦油约 16 2020 年第 8 期江成广, 等 BGL 气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用 ChaoXing 9 t, 送罐区销售增加了经济效益。 3. 2 三废锅炉 选择固定床气化的大型煤化工企业, 副产废 物有煤焦油渣、 生化污泥、 污甲醇、 高 COD 浓 盐水、 酸性尾气、 LNG 尾气等。 鄂能化公司考虑 建设三废锅炉, 一起处理厂区产生的各种废物, 生产高压蒸汽。 2016 年, 鄂能化公司委托西安交通大学研究 煤焦油渣燃烧特性, 了解煤焦油渣的运动粘度和 热值, 煤焦油渣入炉完全燃烧所需温度、 氧量及 燃烧后烟气成分、 灰渣成分等。 其燃烧试验分为 850900 ℃、 9001 000 ℃及 1 000 ℃以上三个 阶段。 实验完成后出具了正式报告。 试烧在河北省某公司锅炉装置75 t/ h、 3. 82 MPa进行。 试烧结论 1煤焦油渣按 115 kg/ min 均匀加入炉膛, 试烧过程炉膛沸腾正常, 加入油渣后炉膛燃烧更 剧烈, 沸腾燃烧无任何障碍。 2燃烧过程中, 炉膛温度 900 ℃, 氧过剩 量为 5 7, 在该条件下煤焦油渣完全燃烧, 完全转化为 CO2和水。 3整个试烧过程烟囱排烟指标无任何变化。 鄂能化公司委托陕西某工程公司编制了 煤 气化副产物综合利用装置初步设计。 设计处理 煤焦油渣 176 t/ d, 最低掺烧烟煤 2 t/ h, 生产蒸 汽 75 t/ h, 其规格与现有高压蒸汽相同10. 5 MPa, 540 ℃。 设计炉膛温度 920 1 000 ℃, 高温段内物料停留时间控制在 34 s 内, 充足的 氧气供给, 能够保证含油煤渣完全燃烧, 尾气二 噁不超标。 三废炉本体工程静态总投资 4 386 万元, 占地约 1 758 m2, 运行人员 12 人。 加上 煤焦油渣的封闭输送, 烟气的脱硫、 脱硝等工程 费用, 总投资达到七千余万元。 初步设计评审 时, 专家提出锅炉尾气二噁超标风险大、 投资 过高、 经济性差等问题, 项目暂停。 3. 3 热解分离 煤焦油渣经过二、 三相离心机处理之后产生 的含油煤粉中焦油含量 40左右, 具有较高利用 价值。 鄂能化公司联合河北省、 宁夏自治区两家 技术公司及赛鼎工程公司研究煤焦油渣的热解工 艺技术方案, 进行了热解分离的中型试验, 制定 了含油煤粉处理工艺技术路线。 3. 3. 1 中型试验 利用宁夏自治区某技术公司 2 t/ h 物料处理 量热相分离设备对含油煤粉进行液固分离试验。 首先采用间接加热方式将加热腔里的含油煤粉加 热到 600 ℃, 在无氧环境下加热 45 min, 从而使 含油煤粉中的可挥发物质大部分汽化挥发出来。 然后油-水混合气经冷却单元冷却后送入油/ 水分 离装置中进行油/ 水分离, 油送入油产品储罐。 分离后的煤粉残渣、 水进行回收处理。 原料含油 煤粉目测呈现为颗粒状, 分析结果为含油率 35. 4, 含水率 11. 8, 含固率 52. 8。 本次试验共计处理 500 kg 含油煤粉。 物料经 热相分离设备处理后出料残渣呈现干粉状, 化验 分析结果见表 3。 表 3 热相分离设备处理后出料残渣化验结果 检测 项目 全水分 Mt/ 灰分 Aad/ 油含 率/ 硫分 Stad/ 固定碳 FCad/ 挥发分 Vad/ 收到基低位发热量/ MJkg -1 检测结果0. 656. 101. 860. 7436. 566. 7614. 39 由表 3 可见 1煤焦油渣经热解后变为粉末状, 焦油渣 中的油含量由进料时的 35. 4下降至出料时的 1. 86; 2热解分离过程中采用无氧环境间接加热、 化学品 0 添加、 无二噁和扬尘产生, 产生的烟 气满足 GB 162971996 大气污染物综合排放 标准。 试验结果表明, 鄂能化公司副产物含油煤粉 适合使用间接加热热相分离技术进行液/ 固分离 处理, 且处理后的固体残渣含油率在 1左右, 焦油的回收率达到 98以上。 3. 3. 2 热解分离工艺路线 根据试验报告和国内煤焦油渣热解技术最新 成果, 研究团队制定了无害化、 资源化处置含油 煤粉工艺技术方案, 在无氧环境下对含油煤粉进 26 煤炭加工与综合利用2020 年第 8 期 ChaoXing 行间接加热, 实现热解分离, 达到分离后的固体 残渣含油率小于 2, 含油煤粉油回收率大于 98的目标。 工艺流程如图 6 所示。 图 6 含油煤粉热解分离工艺流程 根据相关设计规范, 建设 1 套含油煤粉处理 能力 4 t/ h 的热解装置总投资约 3 077 万元。 4 存在的主要问题及下一步研究方向 4. 1 存在的主要问题 1煤焦油渣黏度大、 气味大, 输送难, 应 就近建设处理装置, 而现场空间有限, 技术选择 受限制。 2煤焦油渣流动性差、 含尘量高、 腐蚀性 强, 对设备、 管道、 阀门质量要求高, 难以实现 自动化。 3除配煤炼焦外, 煤焦油渣无害化处理技 术应用成功的案例较少, 且多数技术保密。 一般 处理装置投资高, 产出物价值低, 经济效益低。 4. 2 下一步研究方向 根据公司现状及前期研究成果, 煤焦油渣无 害化处理下一步主要研究方向如下。 1优化二、 三相离心机运行工况, 提高分 离效果, 总结运行经验, 与相关设备厂家合作进 行工艺改进, 实现技术升级。 2继续煤焦油渣热解分离研究, 优化工艺 技术方案, 降低总体投资, 适时建设煤焦油渣热 解分离装置, 提高煤焦油渣无害化处理水平。 3与西北化工研究院、 应用多元料浆气化 的煤化工企业合作开展煤焦油渣制浆、 气化试 验, 为公司长远发展做好技术储备。 5 结 论 鄂能化公司针对气化装置副产物煤焦油渣的 无害化处理投入大量人力物力, 进行了一系列的 技术改造和新技术试验, 取得了丰硕成果。 一是煤焦油渣经过离心分离, 产出了焦油和 含油煤粉。 焦油销售和含油煤粉掺烧燃料煤成 功, 增加了企业经济效益。 二是积累了以下经验和技术储备 ① 采用 三废锅炉技术, 投资较高, 适合大型煤化工园区 集中处理三废项目; ② 离心分离热解分离技 术可以有效解决煤焦油渣无害化处理问题, 投资 也较高; ③ 多元料浆气化技术是解决煤焦油渣 无害化处理问题的较佳途径, 适合新增气化装置 的企业应用。 参考文献 [1] 宋文健, 崔书明, 张上龙, 于春海, 曲秀清. BGL 碎煤 加压熔渣气化炉运行实践 [J].煤炭科学技术, 2018, 增刊 2 241-245. [2] 郭良元. 鲁奇炉碎煤熔渣气化技术的新进展 [J]. 煤质 技术, 20166 17-23. [3] 王雄雷, 牛艳霞, 刘 刚, 等. 煤焦油渣处理技术的研 究进展 [J]. 化工进展, 20157 2016-2022. [4] 刘淑萍, 曲雁秋, 李 冰, 等. 焦化厂焦油渣改质制燃 料油及其制备方法 [P].中国, 1500853A, 2004-06- 02. [5] 吴样明, 陈榕生, 曾广智, 等.焦油渣制型煤的实践 [J]. 燃料与化工, 2012, 435 31-32. [6] 闫志刚, 周宇曌. 焦油渣配煤炼焦新工艺研究 [J]. 冶 金设备, 20165 36-38. [7] 徐红东, 门长贵. 多元料浆气化工艺过程模拟 [J]. 化 肥设计, 20084 9-12. [8] 罗进成, 张 勇, 葛启明, 等. 工业有机废弃物的多元 料浆气化制合成气技术 [J].化工进展, 20175 1940-1945. [9] 杨东元, 扈广法, 齐永红, 等. 煤油共炼残渣掺配水煤 浆气化评价研究 [J]. 应用化工, 2016, 4512 2248 -2251. [10] 杨春杰, 胡成秋. 以焦油渣为原料制备高比表面积的活 性炭 [J]. 冶金能源, 20045 55-58. [11] 刘淑萍, 曲雁秋, 李 冰. 焦油渣改质制燃料油的研究 [J]. 冶金能源, 20037 40-42. 36 2020 年第 8 期江成广, 等 BGL 气化煤焦油渣无害化处理技术研究与应用 ChaoXing