CN104673414B - 一种煤催化气化富甲烷化一体化装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤催化气化富甲烷化装置和方法，属于煤化工领域。该装置包括内层煤气化室和外层甲烷化室，煤气化室顶部设有煤料、气化催化剂料斗和搅拌器，煤气化室底部设有氧气、水蒸气入口和排渣口，内层炉体与外层炉体之间为煤气入口，煤气入口处设有单向阀；甲烷化室设有甲烷化催化剂床层，上方设有气体分布板，气体分布板上方为氢气入口，甲烷化室底部为产品气出口。煤在内层发生煤干燥、煤热解、煤气化和煤氧化反应；反应后的混合煤气经单向阀进入外层甲烷化室；与氢气混合后通过甲烷化催化剂床层，发生甲烷化反应。该装置结构简单，煤甲烷化放出的热量可供内层使用，实现能量充分利用，实现了煤气化富甲烷化一体化，有效提高了甲烷产率。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤催化气化富甲烷化一体化装置和方法，属于煤气化制备天然气领域。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，以及环保要求的日趋严格，我国能源资源结构和能源消费需求的矛盾日益突出。目前我国天然气供应的格局不仅制约我国经济和社会发展，而且严重影响我国的能源安全。煤高效制甲烷是以煤为基础实现天然气补充的一项重要技术。
在煤气化领域，目前国内外开发或采用的Shell、GSP和Texco等气流床煤气化技术，在高温反应器中，煤的热解反应和气化反应快速完成，反应温度高达1300~1500℃, 产品气出口温度高，产物中合成气（CO+H2）含量一般>90~95%，而CH4含量很低；虽然流化床灰熔聚、移动床鲁奇和BGL等煤气化技术产品气中CH4含量有所提高，这些气化技术仍然都不能满足煤高效制甲烷的要求。
煤制甲烷技术有间接甲烷化和直接甲烷化两大类。煤间接甲烷化技术把煤气化、一氧化碳变换、脱硫脱碳和高温甲烷化通过独立的单元过程完成。首先，通过高耗能的煤气化反应获得合成气CO+H2，然后通过变换调整CO和H2的比例，最后通过气相甲烷化反应，放出大量的能量，转化为产物CH4。目前拥有煤间接甲烷化技术的公司有美国大平原、丹麦托普索(Topsøe)和英国戴维(Davy) 。这一类工艺流程长，工艺复杂，放热和吸热过程分别单独进行，不耦合，能耗高，并排放大量的二氧化碳。
美国巨点能源公司（GreatPoint Energy）开发了煤富甲烷气化技术“蓝气技术” 。该技术采用自主研发的高效催化剂，实现了在一个反应器中催化三种反应：气化反应、水煤气变换反应和甲烷化反应。该技虽具有煤种适应性广泛、工艺简单、造价低、节能、节水和环保等优点。但该技术存在气化不完全、碳转化率低、适用于低灰原料和催化剂回收困难等不足。
Kwang．K等人提出煤富甲烷气化和把富甲烷气再气相甲烷化联合的煤制甲烷工艺。该工艺将煤在温度400-900℃、压力136atm和炭-碱金属催化的条件下，制成富甲烷气体，然后把这种富甲烷气体再经甲烷化反应器，完成全部甲烷化反应。该技术的主要问题是第一过程的产品气—富甲烷气化产品气中甲烷含量低，过程热损失较大。
煤直接甲烷化技术根据选用气化剂不同，分为煤加氢气化和富甲烷气化。煤加氢气化制甲烷过程公认的模型有两种，一种为连续性模型(Continuums model)；另一种是所谓壳/核模型（Schale / Kern model。这类研究集中于煤\焦与氢气的反应，存在的主要问题是碳转化率低、残渣量大。
美国专利US428441公开的利用煤和水蒸气直接制甲烷的技术，将低灰煤与含水的碱金属混合，用过热蒸汽与炭反应，生成富含甲烷的混合气体，甲烷含量达24.7%。这一技术的问题是催化剂回收难，回收工序很复杂。
中国专利CN 203790923 U公开了一种两层壳体机构的甲烷化反应器，该反应器虽实现了甲烷化反应中能量的充分利用，但该方法还是没有实现煤气化和甲烷化的一体化，且该反应的前序工作的能耗高。
中国专利CN101560423A公开了一种合成甲烷的方法和装置，所述方法是将合成气通入串联的甲烷化反应器中进行反应，甲烷化反应器绝热。该方法未能实现能量的充分利用。
中国专利CN101906339A 公开了一种煤气化和甲烷化一体化生产代用天然气的工艺及装置。该工艺流程长，设备多，投资成本高，且甲烷化反应释放的大量热量并未得到充分有效的利用。
中国专利CN102899112A公开了一种生产合成天然气的方法及装置。该工艺也没有实现能量的充分利用，设备多，投资高。
中国专利CN102021037B公开了一种由煤催化气化制甲烷的方法和装置。该专利煤粉会被气流带出，须经旋风分离器分离再循环入反应炉内循环反应。从而增加了运行成本，且甲烷化反应释放出的热量没有充分利用，能量利用率不高，造成能源浪费。
发明内容
本发明旨在提供一种煤催化气化富甲烷化一体化装置，实现了煤气化、煤热解、甲烷化在一个反应器中进行，实现能量的充分利用，减少了氧气的消耗，设备简单，投资少。本发明还提供了煤催化气化富甲烷化一体化的方法。
本发明提供了一种煤催化气化富甲烷化一体化装置，是通过以下技术方案实现的：
一种煤催化气化富甲烷化一体化装置，包括炉体，其特征在于：所述炉体为双层炉体，包括炉体外壳和炉体内壳，将炉体分为外层炉体和内层炉体，外层炉体为甲烷化室，内层炉体为煤气化室；煤气化室顶部设有煤料、气化催化剂料斗和搅拌器，搅拌器下端为搅拌叶片，煤气化室底部设有氧气、水蒸气入口和排渣口，煤气化室底部设有转动炉箅；内层炉体与外层炉体之间的连接口为煤气入口，煤气入口处设有单向阀；甲烷化室设有甲烷化催化剂床层，催化剂床层上方设有气体分布板，气体分布板上方设有氢气入口，甲烷化室底部设有产品气出口。
所述煤气入口处设有单向阀，煤气入口为内层炉体与外层炉体之间的连接口，设置单向阀以后煤气化制得的煤气只能经该入口由内层炉体进入到外层炉体内。
上述方案中，所述炉体内部件均耐腐蚀，且炉体外壳为耐高压绝热材料，炉体内壳为耐高温导热材料。可把甲烷化放出的热量很好的传递到内层炉体内供煤料预热、气化、热解所用，随着外层炉体不断向内层炉体输送热量，内层炉体内煤的氧化需氧量将减少，煤的热解也将产出更多甲烷。
上述方案中，所述氢气入口处设有气体搅拌装置，如：搅拌器，风扇，使煤气与氢气混合均匀；产品气出口与换热器连接。
上述方案中，煤气入口处的单向阀与内层炉体外壁上的支撑筋板连接；气体分布板与外层炉体内壁上的支撑筋板连接。
上述方案中，所述转动炉箅呈宝塔状，转动炉箅通过炉箅支架支撑，炉箅支架为三角支架，支架另一端焊接在内层炉体与外层炉体焊接处，转动炉箅下方设有炉箅转动轴，炉箅上有分布均匀的正圆锥形的孔道，作为下部气体的气体分布器，锥形的角度为30~45度。所述氧气、水蒸气入口设置在煤气化室底部侧面，氧气、水蒸气直接通过转动炉箅上的孔道进入气化室参与反应。
上述方案中，内层炉体外壁到外层炉体中心的距离0.5~2m。
上述方案中，炉箅的转速视煤质而定，不可过快，应保证炉箅上端灰层厚度为25~35cm,以保证煤充分燃烧减少灰渣中煤炭组分。
本发明提供了一种煤催化气化富甲烷化一体化的方法，采用上述装置实施，其特征在于：包括以下步骤：
（1）煤料、催化剂从料斗进入内层炉体煤气化室内，同时，氧气和水蒸气从炉体底部侧面的入口进入内层炉体，煤在搅拌器作用下，与氧气充分燃烧，释放大量热量，为系统提供充足的能量，灰渣从排渣口排出；
（2）步骤（1）中的高温气体物流上升，煤与气体物流中的水蒸气在催化剂的作用下发生煤气化反应，主要生成CO和H2，煤的气化反应为吸热反应，此时，气体物流成分主要包括CO、H2和CO2，温度有所降低；
（3）步骤（2）中的气体物流上升过程中，其中一部分的CO和H2发生甲烷化反应，生成一部分甲烷，反应放热；
（4）步骤（3）中的高温气体物流上升，使上层的煤在高温下热解，又生成一部分甲烷，此时气体物流主要组分为CO、CO2、CH4；
（5）步骤（4）中的混合煤气经单向阀进入到外层炉体甲烷化室内，与从甲烷化室上部通入的H2在气体分布板中混合均匀后，进入到甲烷化催化剂床层中，与催化剂接触，生成富甲烷气体，放出大量的热；
（6）步骤（5）甲烷化过程中放出的热量通过炉体内壳不断地传入内层气化室，待系统稳定，内层耗氧量将大大减少。
上述方案中，所述步骤（1）中煤料的粒径为0.1-80mm，所述煤料为粉煤或水煤浆。
上述方法中，所述步骤（2）中煤气化温度为1000~1200℃。
上述方法中，步骤（2）中的气化催化剂为耐高温耐硫催化剂，可用复合催化剂；所述步骤（5）中的甲烷化催化剂为耐高温耐硫催化剂，可以是以MoS2为主活性组分的Mo基催化剂。
本发明提供的煤催化气化富甲烷化一体化的方法和装置，与现有技术和装置相比有以下优点：
（1）该装置结构简单，且实现了煤气化、煤热解、甲烷化过程的一体化；
（2）由于甲烷化释放大量热量，该热量可经炉体内壳传给气化室中的煤料，从而可对煤料进行预热，为吸热的气化反应、热解反应提供能量，实现了能量的充分利用从而大大减少了煤气化室的氧气消耗，也可减少煤彻底氧化产物CO2的产生，提高煤的转化率，从而提高了甲烷的产率；
（3）对内层炉体而言，内外两侧压差小，所以内层炉体不再承受高压，仅需耐高温；对外层炉体而言，由于甲烷化发出的热量用于内部煤气化，外层的温度不会太高，因此对外层炉体的耐温性能要求降低，仅需耐高压；
（4）由于外层的热量传递给内层，使得外层甲烷化室温度降低，延长了甲烷化催化剂的寿命。
附图说明
图1为本发明煤催化气化富甲烷化一体化装置的结构示意图。
图中：1、炉体外壳； 2、甲烷化催化剂床层； 3、炉体内壳； 4、气体分布板；5、氢气入口；6、煤气入口；7、煤料、气化催化剂料斗；8、搅拌器；9、搅拌叶片；10、产品气出口；11、炉箅支架；12、炉箅转动轴；13、转动炉箅；14、氧气、水蒸气输入管；15、氧气、水蒸气入口；16、排渣口；17、单向阀。
具体实施方式
下面通过实施例和附图来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1所示，本发明煤催化气化富甲烷化一体化装置的结构为：
一种煤催化气化富甲烷化一体化装置，包括炉体，其特征在于：所述炉体为双层炉体，包括炉体外壳1和炉体内壳3，将炉体分为外层炉体和内层炉体，外层炉体为甲烷化室，内层炉体为煤气化室；煤气化室顶部设有煤料、气化催化剂料斗7和搅拌器8，搅拌器8下端为搅拌叶片9，煤气化室底部设有氧气、水蒸气入口15和排渣口16，排渣口16设有灰锁；煤气化室底部设有转动炉箅13；内层炉体与外层炉体之间的连接口为煤气入口6，煤气入口6处设有单向阀17；甲烷化室设有甲烷化催化剂床层2，催化剂床层上方设有气体分布板4，气体分布板4上方设有氢气入口5，甲烷化室底部设有产品气出口10。
所述煤气入口6处设有单向阀17，煤气入口6为内层炉体与外层炉体之间的连接口，设置单向阀17以后煤气化制得的煤气只能经该入口由内层炉体进入到外层炉体内。
上述方案中，所述炉体内部件均耐腐蚀，且炉体外壳为耐高压绝热材料，炉体内壳为耐高温导热材料。可把甲烷化放出的热量很好的传递到内层炉体内供煤料预热、气化、热解所用，随着外层炉体不断向内层炉体输送热量，内层炉体内煤的氧化需氧量将减少，煤的热解也将产出更多甲烷。
上述方案中，所述氢气入口5处设有气体搅拌装置，如：搅拌器，风扇，使煤气与氢气混合均匀；产品气出口10与换热器连接。（图中未示出）
上述方案中，煤气入口6处的单向阀17与内层炉体外壁上的支撑筋板连接；气体分布板4与外层炉体内壁上的支撑筋板连接。
上述方案中，所述转动炉箅13呈宝塔状，转动炉箅13通过炉箅支架11支撑，炉箅支架11为三角支架，支架另一端焊接在内层炉体与外层炉体焊接处，转动炉箅13下方设有炉箅转动轴12，炉箅上有分布均匀的正圆锥形的孔道，作为下部气体的气体分布器。所述氧气、水蒸气入口15设置在煤气化室底部侧面，氧气、水蒸气直接沿氧气、水蒸气输入管14通过转动炉箅下部的气体分布器进入体系中参与反应。
上述方案中，内层炉体外壁到外层炉体中心的距离0.5~2m。
上述方案中，炉箅的转速视煤质而定，不可过快，应保证炉箅上端灰层厚度为25~35CM,以保证煤充分燃烧减少灰渣中煤炭组分。
本发明提供了一种煤催化气化富甲烷化一体化的方法，采用上述装置实施，包括以下步骤：
（1）煤料、催化剂从料斗进入内层炉体煤气化室内，同时，氧气和水蒸气从炉体底部侧面的入口进入内层炉体，煤在搅拌器作用下，与氧气充分燃烧，释放大量热量，为系统提供充足的能量，灰渣从排渣口排出；
其中，煤料的粒径为0.1-80mm，所述煤料为粉煤或水煤浆。
（2）步骤（1）中的高温气体物流上升，煤与气体物流中的水蒸气在催化剂的作用下发生煤气化反应，主要生成CO和H2，煤的气化反应为吸热反应，此时，气体物流成分主要包括CO、H2和CO2，温度有所降低；
其中煤气化温度为1000~1200℃；
（3）步骤（2）中的气体物流上升过程中，其中一部分的CO和H2发生甲烷化反应，生成一部分甲烷，反应放热；
（4）步骤（3）中的高温气体物流上升，使上层的煤在高温下热解，又生成一部分甲烷，此时气体物流主要组分为CO、CO2、CH4；
（5）步骤（4）中的混合煤气经单向阀进入到外层炉体甲烷化室内，与从甲烷化室上部通入的H2在气体分布板中混合均匀后，进入到甲烷化催化剂床层中，与催化剂接触，生成富甲烷气体，放出大量的热；
甲烷化催化剂为耐高温耐硫催化剂，例如以MoS2为主活性组分的Mo基催化剂。
（6）步骤（5）甲烷化过程中放出的热量通过炉体内壳不断地传入内层气化室，待系统稳定，内层耗氧量将大大减少。
上述煤催化气化富甲烷化一体化的方法分别概述如下：
（1）煤在煤气化室发生煤干燥、煤热解、煤气化，最后燃烧；
（2）煤燃烧为系统提供热量并生产大量CO2，煤气化温度为1000~1200℃，生成CO和H2，煤热解生成部分甲烷和氢气，煤热解和煤气化为吸热反应；
（3）步骤（2）中的混合煤气经单向阀进入外层甲烷化室；
（4）混合煤气与氢气混合均匀后经气体分布板进入甲烷化催化剂床层，发生甲烷化反应，反应进行的同时，热量不断地由甲烷化室传入到煤气化室，这些热量用于预热煤料，供煤料干燥热解吸热，从而可大大减少氧气消耗。
Claims (10)
1.一种煤催化气化富甲烷化一体化装置，包括炉体，其特征在于：所述炉体为双层炉体，包括炉体外壳和炉体内壳，将炉体分为外层炉体和内层炉体，外层炉体为甲烷化室，内层炉体为煤气化室；煤气化室顶部设有煤料、气化催化剂料斗和搅拌器，搅拌器下端为搅拌叶片，煤气化室底部设有氧气、水蒸气入口和排渣口；煤气化室底部设有转动炉箅；内层炉体与外层炉体之间的连接口为煤气入口，煤气入口处设有单向阀；甲烷化室设有甲烷化催化剂床层，催化剂床层上方设有气体分布板，气体分布板上方设有氢气入口，甲烷化室底部设有产品气出口。
2.根据权利要求书1所述的煤催化气化富甲烷化一体化装置，其特征在于：所述炉体内部件均耐腐蚀，且炉体外壳为耐高压绝热材料，炉体内壳为耐高温导热材料。
3.根据权利要求书1所述的煤催化气化富甲烷化一体化装置，其特征在于：所述氢气入口处设有气体搅拌装置，产品气出口与换热器连接。
4.根据权利要求书1所述的煤催化气化富甲烷化一体化装置，其特征在于：煤气入口处的单向阀与内层炉体外壁上的支撑筋板连接；气体分布板与外层炉体内壁上的支撑筋板连接。
5.根据权利要求书1所述的煤催化气化富甲烷化一体化装置，其特征在于：所述转动炉箅呈宝塔状，转动炉箅通过炉箅支架支撑，炉箅支架为三角支架，支架另一端焊接在内层炉体与外层炉体焊接处，转动炉箅下方设有炉箅转动轴，炉箅上有分布均匀的正圆锥形的孔道，作为下部气体的气体分布器，锥形的角度为30~45度。
6.根据权利要求书1所述的煤催化气化富甲烷化一体化装置，其特征在于：内层炉体外壁到外层炉体中心的距离为0. 5~2m。
7.一种煤催化气化富甲烷化一体化的方法，采用权利要求1~6任一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤：
（1）煤料、气化催化剂从料斗进入内层炉体煤气化室内，同时，氧气和水蒸气从炉体底部侧面的入口进入内层炉体，煤在搅拌器作用下，与氧气充分燃烧，释放大量热量，为系统提供充足的能量，灰渣从排渣口排出；
（2）步骤（1）中的高温气体物流上升，煤与气体物流中的水蒸气在气化催化剂的作用下发生煤气化反应，主要生成CO和H2，煤的气化反应为吸热反应，此时，气体物流成分主要包括CO、H2和CO2，温度有所降低；
（3）步骤（2）中的气体物流上升过程中，其中一部分的CO和H2发生甲烷化反应，生成一部分甲烷，反应放热；
（4）步骤（3）中的高温气体物流上升，使上层的煤在高温下热解，又生成一部分甲烷，此时气体物流主要组分为CO、CO2、CH4；
（5）步骤（4）中的混合煤气经单向阀进入到外层炉体甲烷化室内，与从甲烷化室上部通入的H2在气体分布板中混合均匀后，进入到甲烷化催化剂床层中，与甲烷化催化剂接触，生成富甲烷气体，放出大量的热；
（6）步骤（5）甲烷化过程中放出的热量通过炉体内壳不断地传入内层煤气化室，待系统稳定，内层炉体耗氧量将大大减少。
8.根据权利要求书7所述的煤催化气化富甲烷化一体化的方法，其特征在于：所述步骤（1）中煤料的粒径为0.1-80mm，所述煤料为粉煤或水煤浆。
9.根据权利要求书7所述的煤催化气化富甲烷化一体化的方法，其特征在于：步骤（2）中的气化催化剂为耐高温耐硫催化剂；所述步骤（5）中的甲烷化催化剂为耐高温耐硫催化剂。
10.根据权利要求书9所述的煤催化气化富甲烷化一体化的方法，其特征在于：所述气化催化剂为复合催化剂；甲烷化催化剂是以MoS2为主活性组分的Mo基催化剂。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170118 Termination date: 20210201 |