CN115109618B - 一种低阶煤与光伏能源协同转化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低阶煤与光伏能源协同转化方法，光伏电提供给水电解单元并产出氧气和氢气，分别作为低阶块煤热解单元、焦油加氢及分离单元的原料气；块煤热解单元产出半焦为产品，产出荒煤气经煤气净化及提氢单元处理后得到煤基氢气和净化煤气，产出粗焦油与界外原料油共同经净化及提酚单元处理后得到含酚废水、低酚焦油和工业粗酚产品；水解氢气与煤基氢气混合后与储氢单元连通，混合氢气与低酚焦油在焦油加氢及分离单元转化后得到燃料油产品和不凝气；不凝气和净化煤气经尾气发电单元转化后得到外送电力和送至供电调控单元的内用电力，含酚废水作为气化剂被送入块煤热解单元；该方法实现了低阶煤与光伏能源的高效共转化，经济和环保效益显著。

Description

一种低阶煤与光伏能源协同转化方法

技术领域

本发明涉及低阶煤利用技术，具体涉及一种低阶煤与光伏能源协同转化方法。

背景技术

我国的低阶煤储量很丰富，块煤热解作为低阶煤分质转化的重要手段，是煤炭高效清洁利用的重要方法。低阶煤块煤热解技术的主产品是半焦（兰炭），副产焦油和荒煤气。其中，半焦作为清洁燃料或冶金等行业的原料用途非常广泛，焦油和荒煤气通过提质加工后同样具有较高的附加值。

目前低阶块煤热解过程采用的主流反应器是内热式反应炉，即将空气鼓入热解炉底部与少部分炽热半焦等发生燃烧反应，产生高温烟气向上流过煤层并发生烟气的部分还原反应以及块煤的热解反应等理化反应，所产气态焦油、热解气随烟气一并作为荒煤气进入下游净化工序，底部半焦经过熄焦后作为主产品外运。

然而，该技术尚有许多不足之处，主要体现在：一是，块煤热解产品净化过程中会产生部分含酚废水，处理难度较大、处理成本高。二是，块煤热解焦油产率较低，通常在6%-10%范围内，根据国家发改委公布的《产业结构调整指导目录（2019年本）》，自2020年1月1日起，5万吨/年及以下的单套煤焦油加工装置属于被淘汰产能，以热解装置自产焦油为原料配套建设焦油深加工通常受到规模效益的制约。三是，荒煤气中氢气浓度偏低，且荒煤气中单位体积的氢气提取成本随着氢气收率的增加而增加，但是低收率的提氢过程难以满足配套煤焦油加氢装置对氢气消耗量的需求。四是，副产荒煤气通常用于发电，然而随着电力改革的推进，白天的高峰电价与夜间低谷电价之间的差距在不断拉大，夜间所发电力厂内难以消纳，而上网外送几乎亏本。

随着技术不断进步以及供应商的规模化经营，光伏发电行业日趋成熟，发电的投资和运营维护成本在不断下降，光伏电力作为绿色能源转换载体逐步迎来爆发式发展期。然而，光伏发电的主要不足是周期性和不稳定性，致使光伏电力在上网过程中遇到瓶颈，大量光伏电力被弃电。

可见，针对现有低阶块煤热解转化过程中的诸多不足以及光伏能源的消纳难题，亟需开发一种能够实现中间副产物在系统内消纳和提质、系统内物料和能量互供互补、废弃物可以资源化循环利用的低阶块煤与光伏能源共同高效综合转化的方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种低阶煤与光伏能源协同转化方法，实现低阶煤与光伏能源的高效共转化，提高经济和环保效益。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种低阶煤与光伏能源协同转化方法，包括以下步骤：

1）、低阶煤、空气、来自水电解单元的水解氧气、来自净化及提酚单元的含酚废水在块煤热解单元内经过燃烧、气化、热解反应以及初步洗涤降温后，输出半焦、荒煤气和粗焦油；其中，经降温熄焦后的半焦作为主产品被外送；

2）、粗焦油与界外原料油在净化及提酚单元内经过除盐、脱酚、脱水处理后产出工业粗酚、含酚废水和低酚焦油；其中，工业粗酚作为产品被外送；

3）、荒煤气流入下游的煤气净化及提氢单元，经脱硫以及气体分离后产出煤基氢气和净化煤气；

4）、净化煤气与来自焦油加氢及分离单元所产的不凝气一同在尾气发电单元内被燃烧，过程中所发交流电被分成内用电力、外送电力两部分；其中，外送电力作为产品通过电缆被外输；

5）、自然界太阳能经过光伏发电单元吸纳后输出光伏电源，在供电调控单元内，内用电力被转换为直流电后与光伏电源汇聚成制氢电源；净化水在水电解单元内被制氢电源转化为水解氢气、和水解氧气；

6）、水解氢气与煤基氢气汇合后，与低酚焦油一并通入焦油加氢及分离单元进行深加工，产出不凝气、燃料油两种主要物流，其中，燃料油作为产品被外送；

7）、在水解氢气与煤基氢气汇合后的总管道上，引出两条并列的支管道，且两条支管道均与储氢单元连通，储氢单元分别通过这两条支管实现灵活吸纳总管道上的氢气和释放氢气到总管道上。

进一步，所述低阶煤的工业分析数据中空气干燥基挥发分含量不低于28%，水分含量不高于17%，低阶煤之中粒度小于3 cm或者大于8 cm物料的质量占比均不超过12%。

进一步，所述块煤热解单元之内包含但不限于块煤进料设备、内热式热解炉、气体洗涤设备、液固分离设备，其中热解炉的操作压力控制在-0.05 ~ 0.5 MPaG范围内。

进一步，所述界外原料油为中低温煤焦油，所述净化及提酚单元之内包含但不限于水洗设备、油水分离设备，所述低酚焦油之中酚类物质的质量占比不高于2%。

进一步，所述煤气净化及提氢单元之内包含但不限于电捕深度除油除尘设备、脱硫设备、膜分离设备、变压吸附设备，所述煤基氢气之中氢气的体积占比不低于98%。

进一步，所述尾气发电单元之内包含不少于2套燃气锅炉及配套发电设备，所述内用电力、外送电力均为交流电。

进一步，所述光伏电源为直流电，所述供电调控单元内包含但不限于整流器设备、变压器设备，所述水电解单元包含碱性水电解设备、固体氧化物水电解设备和质子交换膜纯水电解设备之中的一种或多种。

进一步，所述水解氢气之中氧气分子和水分子的体积占比分别不超过60 ppm、800ppm，且水解氢气之中氢气分子的体积占比不低于99.9%；所述工业粗酚之内非酚类物质的质量占比不高于5%；所述燃料油包含但不限于石脑油、航空煤油、柴油。

进一步，所述焦油加氢及分离单元之内包含但不限于焦油加氢反应器、循环氢压缩机、热高压分离器、冷高压分离器、分馏塔，正常运行期间，焦油加氢反应器温度在320~480 ℃范围，该反应器出口压力在4~22MPaG范围。

进一步，所述不凝气之内氢气分子的体积占比不高于70%，且不凝气的露点不高于40 ℃。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

第一，与低阶煤分质利用过程的结合，使得通过太阳能转换而来的纯绿色光伏电能被高效的消纳，在很大程度上为光伏电上网难而引发的弃电困局开拓了新方向；实现低阶煤与光伏能源的高效共转化，经济和环保效益显著。

第二，电解水过程所产的氢气及氧气两种产品，在低阶煤分质利用的同一系统内，均作为原料被完全消纳转化，大幅降低了中间产物的产出，提高了全系统整体的经济性；

第三，块煤热解单元内纯氧的注入显著提高了热解炉内合成气的浓度，有利于提高热解单元所副产焦油的产率以及品质；

第四，块煤热解单元内纯氧的注入大幅减少了热解炉底部空气的消耗量，从而减少了系统内的氮气含量，进而在提高煤气热值的同时利于部分设备尺寸的缩小，也利于副产煤气提氢过程难度的降低；

第五，块煤热解单元内含酚废水的注入使得废水得以就地资源化利用，且废水与纯氧的匹配进料利于热解炉反应温度的调控，同时显著提高了热解炉内合成气的浓度；

第六，储氢单元的设置，便于提高系统的操作弹性以及应对突发情况的柔性，从而显著提高了全系统运行的安全性及稳定性，通过氢气的缓存实现了不平稳光伏能源的平稳消纳；

第七，水电解制氢与热解煤气提氢的互补，在很大程度上缓解了热解煤气中氢气含量偏低而致使提氢成本高的痛点。此外，通过绿氢将光伏电能消纳，为煤化工行业二氧化碳减排提供了新思路。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

其中：a、块煤热解单元；b、净化及提酚单元；c、煤气净化及提氢单元；d、尾气发电单元；e、光伏发电单元；f、供电调控单元；g、水电解单元；h、储氢单元；j、焦油加氢及分离单元；

1、低阶煤；2、空气；3、界外原料油；4、太阳能；5、净化水；6、光伏电源；7、制氢电源；8、水解氢气；9、水解氧气；10、荒煤气；11、粗焦油；12、含酚废水；13、低酚焦油；14、煤基氢气；15、净化煤气；16、半焦；17、内用电力；18、外送电力；19、工业粗酚；20、不凝气；21、燃料油。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步地解释说明。

如图1所示，一种低阶煤与光伏能源协同转化方法，包括以下步骤：

1）、低阶煤1、空气2、来自水电解单元g的水解氧气9、来自净化及提酚单元b的含酚废水12在块煤热解单元a内经过复杂的燃烧、气化、热解等化学反应以及初步洗涤降温后，输出半焦16、荒煤气10、粗焦油11三种主要物流。其中，经降温熄焦后的半焦16作为主产品被外送；

2）、粗焦油11与界外原料油3在净化及提酚单元b内经过除盐、脱酚、脱水处理后，产出工业粗酚19、含酚废水12、低酚焦油13三种主要物流。其中，工业粗酚19作为产品被外送；

3）、荒煤气10流入下游的煤气净化及提氢单元c，经脱硫以及气体分离后，产出煤基氢气14、净化煤气15两种主要物流；

4）、净化煤气15与来自焦油加氢及分离单元j所产的不凝气20一同在尾气发电单元d内被燃烧，过程中所发交流电被分成内用电力17、外送电力18两部分。其中，外送电力18作为产品通过电缆被外输；

5）、自然界太阳能4经过光伏发电单元e吸纳后输出光伏电源6，在供电调控单元f内，内用电力17被转换为直流电后与光伏电源6汇聚成制氢电源7。净化水5在水电解单元g内被制氢电源7转化为水解氢气8、水解氧气9两种主要物流；

6）、水解氢气8与煤基氢气14汇合后，与低酚焦油13一并通入焦油加氢及分离单元j进行深加工，产出不凝气20、燃料油21两种主要物流，其中，燃料油21作为产品被外送；

7）、在水解氢气8与煤基氢气14汇合后的总管道上，引出两条并列的支管道，且两条支管道均与储氢单元h连通，储氢单元h分别通过这两条支管实现灵活吸纳总管道上的氢气和释放氢气到总管道上。

所述低阶煤1的工业分析数据中空气干燥基挥发分含量不低于28%，水分含量不高于17%，低阶煤1之中粒度小于3 cm或者大于8 cm物料的质量占比均不超过12%。

所述块煤热解单元a之内包含但不限于块煤进料设备、内热式热解炉、气体洗涤设备、液固分离设备，其中热解炉的操作压力控制在-0.05 ~ 0.5 MPaG范围内。

所述界外原料油3为中低温煤焦油，所述净化及提酚单元b之内包含但不限于水洗设备、油水分离设备，所述低酚焦油13之中酚类物质的质量占比不高于2%。

所述煤气净化及提氢单元c之内包含但不限于电捕深度除油除尘设备、脱硫设备、膜分离设备、变压吸附设备，所述煤基氢气14之中氢气的体积占比不低于98%。

所述尾气发电单元d之内包含不少于2套燃气锅炉及配套发电设备，所述内用电力17、外送电力18均为交流电。

所述光伏电源6为直流电，所述供电调控单元f内包含但不限于整流器设备、变压器设备，所述净化水5须满足GB/T 19774-2005之中关于水质的要求，所述水电解单元g包含碱性水电解设备、固体氧化物水电解设备和质子交换膜纯水电解设备之中的一种或多种。

所述水解氢气8之中氧气分子和水分子的体积占比分别不超过60 ppm、800 ppm，且水解氢气8之中氢气分子的体积占比不低于99.9%。

所述焦油加氢及分离单元j之内包含但不限于焦油加氢反应器、循环氢压缩机、热高压分离器、冷高压分离器、分馏塔，正常运行期间，焦油加氢反应器温度在320~480 ℃范围，该反应器出口压力在4~22MPaG范围。

所述不凝气20之内氢气分子的体积占比不高于70%，且不凝气20的露点不高于40℃。

所述工业粗酚19之内非酚类物质的质量占比不高于5%。

所述燃料油21包含但不限于石脑油、航空煤油、柴油。

工作过程：

在白天日照充足的时段，水电解单元g可满负荷运转从而最大限度地利用光伏电源6，且富余的氢气可通过储氢单元h储存。同时，可适度调减煤气净化及提氢单元c的提氢负荷进而减少煤基氢气14的产出，并适度调减内用电力17的流量，进而实现更多外送电力18的产出，以满足白天用电高峰的需求。

在傍晚、清晨或日照微弱的时段，优先释放储氢单元h内储存的氢气。同时，可适度调增煤气净化及提氢单元c的提氢负荷进而增加煤基氢气14的产出，并适度降低焦油加氢及分离单元的加工负荷，从而降低系统对氢气的需求，进而确保外送电力18的产出，以满足白天用电高峰的需求。

在夜间社会面用电低谷时段，优先调增内用电力17的流量用于水解氢气8、水解氧气9的稳定供应，并加大储氢单元h内氢气的存储。同时，可适度调增煤气净化及提氢单元c的提氢负荷进而增加煤基氢气14的产出，并适度增加焦油加氢及分离单元的加工负荷，从而增加系统对氢气的需求，进而确保外送电力18的大幅缩减甚至中断，以缓解夜间低谷电上网外送难的困境。

以上所列出的具体实施例是为了更好的对本发明的结构原理进行说明，并不对本发明进行限制，凡在本发明内涵之内所作的任何修改、等同替换和改进等，也不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、低阶煤（1）、空气（2）、来自水电解单元（g）的水解氧气（9）、来自净化及提酚单元（b）的含酚废水（12）在块煤热解单元（a）内经过燃烧、气化、热解反应以及初步洗涤降温后，输出半焦（16）、荒煤气（10）和粗焦油（11）；其中，经降温熄焦后的半焦（16）作为主产品被外送；

2）、粗焦油（11）与界外原料油（3）在净化及提酚单元（b）内经过除盐、脱酚、脱水处理后产出工业粗酚（19）、含酚废水（12）和低酚焦油（13）；其中，工业粗酚（19）作为产品被外送；

3）、荒煤气（10）流入下游的煤气净化及提氢单元（c），经脱硫以及气体分离后产出煤基氢气（14）和净化煤气（15）；

4）、净化煤气（15）与来自焦油加氢及分离单元（j）所产的不凝气（20）一同在尾气发电单元（d）内被燃烧，过程中所发交流电被分成内用电力（17）、外送电力（18）两部分；其中，外送电力（18）作为产品通过电缆被外输；

5）、自然界太阳能（4）经过光伏发电单元（e）吸纳后输出光伏电源（6），在供电调控单元（f）内，内用电力（17）被转换为直流电后与光伏电源（6）汇聚成制氢电源（7）；净化水（5）在水电解单元（g）内被制氢电源（7）转化为水解氢气（8）、和水解氧气（9）；

6）、水解氢气（8）与煤基氢气（14）汇合后，与低酚焦油（13）一并通入焦油加氢及分离单元（j）进行深加工，产出不凝气（20）、燃料油（21）两种主要物流，其中，燃料油（21）作为产品被外送；

7）、在水解氢气（8）与煤基氢气（14）汇合后的总管道上，引出两条并列的支管道，且两条支管道均与储氢单元（h）连通，储氢单元（h）分别通过这两条支管实现灵活吸纳总管道上的氢气和释放氢气到总管道上。

2.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述低阶煤（1）的工业分析数据中空气干燥基挥发分含量不低于28%，水分含量不高于17%，低阶煤（1）之中粒度小于3 cm或者大于8 cm物料的质量占比均不超过12%。

3.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述块煤热解单元（a）之内包含块煤进料设备、内热式热解炉、气体洗涤设备、液固分离设备，其中热解炉的操作压力控制在-0.05 ~ 0.5 MPaG范围内。

4.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述界外原料油（3）为中低温煤焦油，所述净化及提酚单元（b）之内包含水洗设备、油水分离设备，所述低酚焦油（13）之中酚类物质的质量占比不高于2%。

5.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述煤气净化及提氢单元（c）之内包含电捕深度除油除尘设备、脱硫设备、膜分离设备、变压吸附设备，所述煤基氢气（14）之中氢气的体积占比不低于98%。

6.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述尾气发电单元（d）之内包含不少于2套燃气锅炉及配套发电设备，所述内用电力（17）、外送电力（18）均为交流电。

7.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述光伏电源（6）为直流电，所述供电调控单元（f）内包含整流器设备、变压器设备，所述水电解单元（g）包含碱性水电解设备、固体氧化物水电解设备和质子交换膜纯水电解设备之中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述水解氢气（8）之中氧气分子和水分子的体积占比分别不超过60 ppm、800 ppm，且水解氢气（8）之中氢气分子的体积占比不低于99.9%；所述工业粗酚（19）之内非酚类物质的质量占比不高于5%；所述燃料油（21）包含石脑油、航空煤油、柴油。

9.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述焦油加氢及分离单元（j）之内包含焦油加氢反应器、循环氢压缩机、热高压分离器、冷高压分离器、分馏塔，正常运行期间，焦油加氢反应器温度在320~480 ℃范围，该反应器出口压力在4~22MPaG范围。

10.根据权利要求1所述的低阶煤与光伏能源协同转化方法，其特征在于：所述不凝气（20）之内氢气分子的体积占比不高于70%，且不凝气（20）的露点不高于40 ℃。