CN104974799A - 煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统，属于催化气化领域，能够有效简化煤与生物质共气化工艺的工序，提高热利用率及气化效率，在富产甲烷产物的同时，得到大量高附加值的焦油副产物。所述煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，包括：a、将煤粉和气化剂供应到气化热解装置的气化区内进行气化反应，生成富甲烷高温气体；b、在富甲烷高温气体气氛下，将生物质供应到所述气化区上方的热解区内发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油；c、将所述生物质焦直接通入所述气化区内与煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。本发明可用于煤与生物质共气化制备富甲烷气的过程中。

Description

煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统

技术领域

本发明涉及催化气化领域，尤其涉及一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统。

背景技术

随着经济的迅速发展以及环保规定的日益严格，对天然气这一清洁能源的需求量呈爆炸式增长。催化气化技术是洁净高效利用煤的一种重要方式，采用催化气化技术，煤与气化剂可在相对较低的温度下在催化剂的催化作用下进行气化反应，生成高浓度的甲烷，但催化剂的添加成本、催化剂的回收等因素一直制约着煤炭催化气化的工业化应用。

生物质能源是一种可再生能源，净增产量巨大，相当于目前世界总能耗的10倍。与煤炭相比，生物质中富含碱/碱土金属催化剂，且挥发分含量高、碳反应活性高，硫、氮和灰分含量低，但由于其分布的分散性以及在处理后形成为具有不规则性的颗粒，不易在流化床气化炉内形成稳定料层等原因限制了生物质作为燃料的规模化利用。

因此，利用现已发展的煤炭转化利用技术与设备，将生物质与煤进行共气化反应，不仅可以解决生物质单独气化存在的问题，还可实现生物质资源的清洁高效资源化利用。专利申请CN 102154034中提出了一种烟草秸秆废弃物与煤共转化催化气化的方法，其首先将秸秆预处理、热解转化为固相生物质焦，之后将生物质焦粉碎筛分后，与煤进行湿法混合、干燥，之后在气化炉中于700-1200℃下气化，利用烟草秸秆中富含的钾催化煤与水蒸气、氧气的气化反应制备燃气或合成气。

但在上述工艺中，生物质的热解转化过程需要提供单独的热源维持热解温度，并且生物质在热解成焦后还需与煤进行湿混、干燥等处理才可进行气化，整个气化反应过程中所产生的热量最终并没有得到充分利用，且气化温度高，未利用秸秆中的钾催化甲烷化反应进而在低温下获取甲烷的同时利用甲烷化强放热反应放出的热量。因此使得该工艺不仅工序复杂，而且整体热利用率及气化效率低。

发明内容

本发明提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统，能够有效地简化煤与生物质共气化工艺的工序，提高热利用率及气化效率，在富产甲烷产物的同时，得到大量高附加值的焦油副产物。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，包括：

a、将煤粉和气化剂供应到气化热解装置的气化区内进行气化反应，生成富甲烷高温气体；

b、在富甲烷高温气体气氛下，将生物质供应到所述气化区上方的的热解区内发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油；

c、将所述生物质焦直接通入所述气化区内与煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

可选的，在将煤粉、生物质供应到所述气化热解装置前，分别对所述煤粉、生物质进行预处理，使所述煤粉的粒度小于5mm、含水量小于5wt％，所述生物质的粒度小于10mm、含水量小于5wt％。

可选的，所述生物质与所述煤粉的质量比为1:10-2:1。

优选的，所述生物质焦中碱/碱土金属的含量大于10％。

可选的，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。

进一步的，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。

可选的，所述气化区和所述热解区分别位于分体连接的气化装置与热解装置内，且所述热解区内的操作压力小于所述气化区内的操作压力。

具体的，所述富甲烷高温气体主要包括CH₄、CO、H₂、CO₂和水蒸气，以及少量的H₂S、NH₃。

可选的，所述气化热解装置内的操作压力为0-5MPa，所述气化区内的反应温度为600-800℃，所述热解区内的反应温度为450-650℃。

可选的，所述供应到气化热解装置的气化区的煤粉上负载有碱/碱土金属催化剂，所述供应到气化热解装置的热解区的生物质中混有煤。

可选的，在步骤c之后，在所述热解区的顶部得到出口产物，对所述出口产物进行除尘、换热、分离净化，得到富甲烷气。

一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的系统，包括气化热解装置，所述气化热解装置包括气化区以及位于所述气化区上方的热解区，所述气化区用于使煤粉与气化剂发生气化反应，生成富甲烷高温气体；所述热解区用于使生物质在富甲烷高温气体气氛下发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油，将所述生物质焦直接与所述气化区内的煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

可选的，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。

进一步的，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。

可选的，所述气化热解装置包括分体连接的气化装置和热解装置，其中，所述气化区位于所述气化装置内，所述热解区位于所述热解装置内。

本发明提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，该方法在将煤与生物质共气化的同时，利用煤与气化剂发生气化反应产生的富甲烷高温气体使生物质发生热解反应，并利用热解反应中由生物质热解生成的富含碱/碱土金属的生物质焦进一步催化煤粉气化、甲烷化反应，从而可有效提高甲烷及焦油副产物含量。该方法相比于现有技术中的煤与生物质共气化方法而言，生物质的热解反应在煤与气化剂气化产生的富甲烷高温气体气氛下即可发生，无需提供单独的热源，同时高温气体中存在的水蒸气、氢气、甲烷等气体为生物质热解提供了小分子自由基，大大提高了生物质热解轻质焦油产率，且生物质在热解后生成的生物质焦直接与煤粉混合并同气化剂在较低温度范围内发生催化气化反应生成富甲烷气体，而无需再经过复杂的前处理，具有工序简单、整体热利用率和气化效率高、技术经济性好等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种煤和生物质共气化制备富甲烷气的系统及方法；

图3为本发明实施例提供的另一种煤和生物质共气化制备富甲烷气的系统及方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法的示意图。如图1所示，本发明实施例提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，包括：

步骤a、将煤粉和气化剂供应到气化热解装置的气化区内进行气化反应，生成富甲烷高温气体。

在本步骤中，煤粉通过进料装置供应到气化热解装置的气化区内，气化剂通过气化热解装置下方的分布板通入气化区内，并与煤粉发生气化反应，生成包含CH₄、H₂和CO等有效气体及未分解的水蒸气的富甲烷高温气体。其中，气化剂为过热蒸汽，或O₂、CO、H₂和CO₂中的至少一种与过热蒸汽的混合气体，煤粉可为无烟煤、次烟煤、烟煤、褐煤中的至少一种，向气化区内通入的煤粉还可负载少量催化剂，从而可在反应启动之时即可发生催化气化反应。

步骤b、在富甲烷高温气体气氛下，将生物质供应到所述气化区上方的热解区内发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油。

在本步骤中，生物质经气化区上方的热解区进入气化热解装置后，在上述富甲烷高温气体气氛下，发生热解反应，脱除水分及挥发分，生成CO、CO₂、H₂、CH₄、焦油、生物质焦等物质，然后在富甲烷高温气体气氛进一步提供的小分子自由基的条件下，与生物质脱挥发分过程中产生的自由基结合，生成轻质焦油，大大提高焦油产率。可以理解的是，在本步骤中通入的生物质中也可混有部分的煤粉，由于生物质脱挥发分过程中产生的自由基也很容易与煤粉热解时产生的自由基反应，所以还可增加煤的热分解，提高煤热解焦油产物含量及煤焦反应活性。

步骤c、将所述生物质焦直接通入所述气化区内与煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

在本步骤中，将步骤b中获得的生物质焦直接通入气化区内与煤粉混合，由于生物质焦中富含碱/碱土金属，可作为催化剂同时催化碳水、水气变换、甲烷化反应的进行，因此可有效提高反应速率并增加出口产物中的甲烷含量。此外，利用生物质焦催化煤气化反应还可实现生物质资源的清洁高效资源化利用，不仅降低了因采用钾钙基催化剂的较高含量添加及回收工序成本，同时还解决了高变质程度煤种钾钙基催化剂有效负载难、催化活性差、损失大的问题。

本发明实施例提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，该方法在将煤与生物质共气化的同时，利用煤与气化剂发生气化反应产生的富甲烷高温气体使生物质发生热解反应，并利用热解反应中由生物质热解生成的富含碱/碱土金属的生物质焦进一步催化煤粉气化、甲烷化反应，从而可有效提高甲烷及焦油副产物含量。该方法相比于现有技术中的煤与生物质共气化方法而言，生物质的热解反应在煤与气化剂气化产生的富甲烷高温气体气氛下即可发生，无需提供单独的热源，同时高温气体中存在的水蒸气、氢气、甲烷等气体为生物质热解提供了小分子自由基，大大提高了生物质热解轻质焦油产率，且生物质在热解后生成的生物质焦直接与煤粉混合并同气化剂在较低温度范围内发生催化气化反应生成富甲烷气体，而无需再经过复杂的前处理，具有工序简单、整体热利用率和气化效率高、技术经济性好等特点。

在本发明一实施例中，将煤粉、生物质供应到所述气化热解装置前，分别对煤粉、生物质进行预处理，使所述煤粉的粒度小于5mm、含水量小于5wt％，所述生物质的粒度小于10mm、含水量小于5wt％。在本实施例中，对煤粉、生物质进行破碎、筛分、干燥处理，是为了得到粒度、含水量均适宜的原料，从而能够在气化热解装置中充分有效地发生气化/热解反应。可以理解的是，上述所列举的煤粉、生物质的粒度、含水量并不是局限的，本领域技术人员可根据实际生产情况在上述数值左右上下浮动。

在本发明一实施例中，所述生物质与所述煤粉的质量比为1:10-2:1。在本实施例中，向气化热解装置中供应合理量的生物质与煤粉，有助于每阶段所供应的生物质与煤粉能够充分反应，不仅有利于生物质发生热解，还有利于生物质生成有效量的生物质焦催化气化反应，从而提高甲烷及焦油副产物的含量。可以理解的是，生物质与煤粉的质量比可根据实际生产情况进行调整，如1:10-1:5，1:5-4:5，4:5-3:2，3:2-2:1等。在一优选实施例中，生物质与煤粉的质量比为4:5-3:2，可使每阶段所供应的生物质与煤粉的反应利用率达到最大化。

在本发明一实施例中，所述生物质焦中碱/碱土金属的含量大于10％。在本实施例中，优选富钾生物质，这样生物质在热解后生成的生物质焦中可含有较高量的碱/碱土金属，优选大于10％，从而可有效催化气化反应发生。在本实施例中，生物质可选自农林业生产、农副产品加工及畜牧业生产过程中产生的生物质废弃物，包括各种秸秆、稻壳、牲畜粪便、豆渣、木屑等。

在本发明一实施例中，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。在本实施例中，所述气化热解装置包括上下一体连接的热解区和气化区，两个区并不通过实质性构件相分隔，而是依据两个区内发生反应的不同进行划分，且热解区的直径大于或等于气化区的直径，也可选择采用实质性构件将热解区和气化区分割，如平板分布板或锥形分布板等。为了保证生物质的充分热解同时使气化区内煤粉催化气化反应产生的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘能够在热解区内有较长的停留时间，以提高碳转化率，热解区的直径可大于气化区的直径，从而通过调控气速控制不同区域的形态。可以理解的是，根据处理规模、进料情况等因素，本领域技术人员可自行对两区的直径以及气速进行调节。

在本发明进一实施例中，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。在本实施例中，为了使气化区内的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘能够在热解区内有较长的停留时间，可将热解区的直径设置为大于气化区的直径，结合气速控制，可调控热解区内粉尘的沉降速度及量。具体地，气化区可采用流化床形式，热解区可采用低速流化床、移动床或固定床形式。当然，为了最大程度的获取富甲烷热解气及焦油产物，减少粉尘夹带，热解区也可更优选采用移动床形式。

在本发明一实施例中，所述气化区和所述热解区分别位于分体连接的气化装置与热解装置内，且所述热解区内的操作压力小于所述气化区内的操作压力。在本实施例中，气化热解装置可包括气化装置和热解装置，且二者为分体连接，可以理解的，气化区位于气化装置内，热解区位于热解装置内。将气化区与热解区相分离，可利于扩宽生物质原料的种类来源，这样可使质轻、软的生物质原料也可有效用于与煤的共气化反应中。

需要注意的是，当气化装置和热解装置分体连接时，在实际操作过程中，热解区内的操作压力要略低于气化区内的操作压力，以保证富甲烷高温气体能够进入热解区内。可以理解的是，为了保证生物质的充分热解同时使气化区内的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘在该种形式的热解区内也能有较长的停留时间，本实施例中的气化区也可采用流化床形式，热解区可采用低速流化床、移动床或固定床形式。

在本发明一实施例中，所述富甲烷高温气体主要包括CH₄、CO、H₂、CO₂和水蒸气，以及少量的H₂S、NH₃。在本实施例中，煤粉在催化剂的作用下同过热蒸汽、O₂反应主要生成包括CH₄、CO、H₂等有效气体及未分解的水蒸气在内的富甲烷高温气体，利用该富甲烷高温气体不仅可使生物质有效热解，还可为其热解提供小分子自由基，生成轻质焦油，大大提高焦油产率，主要反应如下：

2C+2H₂O→2H₂+2CO  1)

O+H₂O→CO₂+H₂  2)

3H₂+CO→CH₄+H₂O  3)

C+2H₂→CH₄  4)

2C+O₂→2CO  5)

C+O₂→CO₂  6)

在本发明一实施例中，所述气化热解装置内的操作压力为0-5MPa，所述气化区内的反应温度为600-800℃，所述热解区内的反应温度为450-650℃。在本实施例中，气化热解装置内的操作压力为0-5MPa，优选为0.1-4MPa；以煤为主原料(包括生物质焦)的气化区内的催化气化反应温度为600-800℃，优选为650-750℃；以生物质为主原料的热解区内的热解反应温度为450-650℃。从整体反应来看，采用了相对温和的气化和热解过程，从而可在相对低温下制备得到甲烷。

在本发明一实施例中，在步骤c之后，在所述热解区的顶部得到出口产物，对所述出口产物进行除尘、换热、分离净化，得到富甲烷气。在本实施例中，经气化热解装置内气化、热解反应后得到的出口产物为高温含尘油富甲烷气，需对其进一步除尘、换热、分离净化，才能得到富甲烷气。

其中，在热换过程中，换热介质可为水，这样可联产水蒸气，当然，也可将水蒸气及其他气化剂与气化热解装置顶部的出口产物进行换热再通入气化热解装置中，但换热后的温度需高于焦油冷凝温度，以避免焦油冷凝。在净化分离过程中，可将出口产物中二氧化碳及硫化氢等酸性气体进行脱除，硫化氢可后续用于生产硫磺。分离后得到的富甲烷气后续可经气体分离、合成气甲烷化得到管道等级的天然气。

本发明实施例还提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的系统，包括气化热解装置，所述气化热解装置包括气化区以及与位于所述气化区上方的热解区，所述气化区用于使煤粉与气化剂发生气化反应，生成富甲烷高温气体；所述热解区用于使生物质在富甲烷高温气体气氛下发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油，将所述生物质焦直接与所述气化区内的煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

本发明提供了一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的系统，该系统中设有气化热解装置，该气化热解装置中设有煤(包含生物质焦)与气化剂发生气化反应的气化区以及生物质发生热解反应的热解区，可使生物质能够有效利用煤与气化剂发生气化反应产生的富甲烷高温气体发生热解生成生物质焦，并利用该生物质焦中富含的碱/碱土金属催化气化反应。该系统相比于现有技术中的煤与生物质共气化的系统而言，无需在气化区前再额外设置单独的用于热解生物质的热解区，操作单元设置较为简单，且热解区位于气化区的上方，可使生物质充分利用气化区内产生的富甲烷高温气体进行热解，获取高含量轻质焦油，从而可有效提高热利用率及气化效率。

在本发明一实施例中，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。在本实施例中，所述气化热解装置包括上下一体连接的热解区和气化区，两个区并不通过实质性构件相分隔，而是依据两个区内发生反应的不同进行划分，且热解区的直径大于或等于气化区的直径，也可选择采用实质性构件将热解区和气化区分割，如平板分布板或锥形分布板等。为了使气化区内煤粉催化气化反应产生的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘能够在热解区内有较长的停留时间，以提高碳转化率，热解区的直径可大于气化区的直径，从而通过调控气速控制不同区域的形态。可以理解的是，根据处理规模、进料情况等因素，本领域技术人员可自行对两区的直径以及气速进行调节。

在本发明一实施例中，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。在本实施例中，为了使气化区内的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘能够在热解区内有较长的停留时间，可将热解区的直径设置为大于气化区的直径，结合气速控制，可调控热解区内粉尘的沉降速度及量。具体地，气化区可采用流化床形式，热解区可采用低速流化床、移动床或固定床形式。当然，为了最大程度的获取富甲烷热解气及焦油产物，减少粉尘夹带，热解区也可更优选采用移动床形式。

在本发明一实施例中，所述气化热解装置包括分体连接的气化装置和热解装置，其中，所述气化区位于所述气化装置内，所述热解区位于所述热解装置内。在本实施例中，气化热解装置可包括气化装置和热解装置，且二者为分体连接，可以理解的，气化区位于气化装置内，热解区位于热解装置内。将气化区与热解区相分离，可利于扩宽生物质原料的种类来源，这样可使质轻、软的生物质原料也可有效用于与煤的共气化反应中。可以理解的是，为了能够使气化区内富甲烷高温气体中夹带的细粉尘在热解区有进一步较长的停留时间，本实施例中的气化区也可采用流化床形式，热解区可采用低速流化床、移动床或固定床形式。

在本发明的上述实施例中，在所述气化热解装置的顶部还包括：气固分离装置，用于对所述热解区的出口处的出口产物进行气固分离；换热装置，用于回收所述出口产物中的余热；气液冷却分离装置及油水分离装置，用于对所述出口产物进行分离，得到水、焦油及气体产物；煤气净化装置，用于对所述气体产物进行净化分离，得到富甲烷气。

其中，气化热解装置排出的出口产物进入气固分离装置，其可为多级高温旋风分离器及高温除尘器，用于对气化热解装置顶部的出口产物进行气固分离，并将分离出的固体粉尘返回气化热解系统继续进行气化反应。

气固分离装置还与换热装置相连，除尘后的出口产物经换热系统降温回收余热，换热系统具体可为废锅，换热介质可为水。

换热装置与气液冷却分离装置及油水分离装置相连，换热后的出口产物进入气液冷却分离装置，可以采用一级或多级间壁式冷却器，未分解的水蒸汽冷凝成水，混同冷凝的液体焦油一并从气体中分离出来，水、焦油通过油水分离装置进行分离，焦油进入焦油储罐，水可用于换热产水蒸汽或用于配置催化剂水溶液，气体产物则进入后续煤气净化装置。

进入煤气净化装置的气体产物在经气体净化工艺处理后，可将气体产物中的二氧化碳及硫化氢等酸性气体脱除，得到富甲烷气。硫化氢可用于生产硫磺。富甲烷气后续可经过气体分离、合成气甲烷化得到管道等级的天然气。

在本发明的上述实施例中，在所述气化热解装置的上游还包括：预处理装置，用于对煤粉、生物质进行破碎、干燥处理；进料装置，用于将处理后的煤粉、生物质供应到所述气化热解装置中。并且，在进料装置中还可包括有催化剂配置装置，从而可对进入进料装置的煤粉进行负载催化剂。

下面将结合具体实施例及附图更详细地描述本发明所提供的煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法及系统。需要说明的是，本发明并不仅限于所述附图和实施例方案，实施例方案仅仅是本发明构思的优选的实施方式，可以对本发明的优选技术方案进行变化或更改。例如，对工艺参数进行改变。

实施例1

如附图2所示，具体介绍了一种煤和生物质共气化制备富含甲烷气体的系统及方法。

首先将经预处理后粒度小于10mm、含水量小于5wt％的生物质料经气化热解装置3上部的进料装置2通入热解区中，经预处理后粒度小于5mm，含水量小于5wt％的煤粉经气化热解装置3下部的进料装置1通入气化区中(可选的，生物质及煤粉可经同一进料装置送入气化热解装置3中，且生物质料中可混有部分煤粉，而煤粉也可采用负载少量碱/碱土金属催化剂的煤粉)。进入气化热解装置3的生物质同煤粉的质量比控制在1:10-2:1。

气化热解装置3与气固分离装置31相连，可以为流化床气化炉，煤粉或负载催化剂煤粉经下部的进料装置1通入气化区，气化剂为过热蒸汽、O₂及其他气化剂如CO、H₂、CO₂等的混合气体，经气化热解装置3下部的分布板通入气化区中。煤粉在催化剂的作用下同气化剂发生气化反应，生成富甲烷高温气体(包括甲烷、一氧化碳、氢气、水蒸气等)；以生物质为主的原料经上部的进料装置2通入气化热解装置3，生物质的主要组成是C、H、O、N，在下部产生的富甲烷高温气体气氛下，入炉生物质首先发生热解反应，生成CO、CO₂、H₂、CH₄、焦油、生物质焦等物质。富甲烷高温气体中如水蒸气、氢气、甲烷等的存在还为生物质热解提供了小分子自由基，与脱挥发分过程中产生的自由基结合，生成轻质焦油，大大提高了焦油产率。生物质热解后的生物质焦向下运动，同下部进入的煤粉混合，利用生物质焦中富含的碱/碱土金属作为催化剂催化气化反应。气化后灰渣经气化热解装置3底部排渣系统4排出。

优选的，为了能够使生物质充分热解同时保证气化区中气化反应产生的富甲烷高温气体中夹带的细粉尘能够在热解区中被分离下来，提高碳转化率，气化区也可采用流化床形式，热解区可采用低速流化床、移动床或固定床形式。气化热解装置3内的操作压力为0～5MPa，煤、生物质焦催化气化反应温度为600～800℃，生物质或含部分煤粉的热解温度为450-650℃。

气固分离装置31与气化热解装置3及换热装置5相连，用于对气化热解装置3顶部的出口产物进行气固分离，将分离出的固体粉尘返回气化热解装置3继续进行气化反应。换热装置5与气固分离装置31及气液冷却分离装置32相连，用于对除尘后的出口产物进行降温回收余热。气液冷却分离系统32与换热装置5及油水分离系统33相连，从而使出口产物中的水、焦油及气体产物得以分离。除油尘后的气体产物进入煤气净化装置34进行气体净化分离，最终得到富甲烷气，该富甲烷气后续可经过气体分离、合成气甲烷化制备得到管道等级的天然气。

实施例2

如附图3所示，具体介绍了另一种煤和生物质共气化制备富甲烷气的系统及方法。

首先分别将生物质及部分煤在预处理装置10中进行破碎、筛分、混合、干燥处理，得到粒度小于10mm、含水量小于5wt％的生物质料以及粒度小于5mm，含水量小于5wt％的煤粉混合物；生物质及部分煤粉混合物经进料装置11通入热解装置12中，热解装置12可以为低速流化床、移动床或固定床形式，热解介质为气化装置15产生的富甲烷高温气体，即夹带粉尘的甲烷、一氧化碳、氢气、二氧化碳、水蒸气等气体，热解装置反应温度为450-650℃，压力为0.1-4MPa，生物质及部分煤粉混合物在富甲烷高温气体气氛下发生热解反应，脱除水分及挥发分，得到焦油、富含甲烷热解气等产物，且富甲烷高温气体气氛还为生物质热解提供了小分子自由基，与脱挥发分过程中产生的自由基反应，生成轻质焦油，大大提高了焦油产率，并且生物质热解脱挥发分过程中产生的氢及小分子自由基容易和煤热解自由基反应，增加了煤的热分解，同时提高了煤热解焦油产物含量及轻质化程度，阻止了二次焦的形成，提高了焦的反应性；同时，富甲烷高温气体夹带的粉尘可在热解装置12中分离下来，同热解生物质焦混合一同排出进入气化装置15继续进行气化反应。经热解装置12顶部排出的出口产物后续进入净化分离系统。

煤在预处理装置13中经破碎、筛分、干燥后，得到粒度小于5mm，含水量小于5wt％的煤粉，该预处理装置13可包含催化剂配置装置，得到负载少量碱/碱土金属催化剂的煤粉。煤粉经进料装置14通入气化装置15。气化装置15为流化床气化炉，气化剂过热蒸汽、O₂经气化装置15下部的分布板通入气化装置15中，煤粉同热解装置12排出的生物质焦混合，并利用生物质焦中富含的碱/碱土金属作为催化剂催化气化反应，煤粉在催化剂的作用下同气化剂发生气化反应，气化炉反应温度为600～800℃，压力为0～4.9MPa，在O₂和水蒸汽的作用下生成CH₄，CO，H₂等有效气体成分及CO₂、少量的H₂S和NH₃等。气化后灰渣经气化装置15底部排渣系统20排出。

实施例3

采用负载碳酸钾催化剂煤粉与生物质和煤混合原料分别于流化床气化热解装置中进行气化评价，试验条件及结果见表1。

表1：

由表1得出：烤烟秸秆中富含的K、Ca对煤气化反应有很好的催化作用，同时生物质热解过程中产生的甲烷热解气量明显增多，使得产物中甲烷含量大大增加。同时，生物质中富含碱/碱土金属催化剂，可成为煤催化气化高效、廉价而无需回收的催化剂来源。

实施例4

采用低反应活性的无烟煤为原料，负载不同种类催化剂(保证添加生物质原料中M/C摩尔比与负载10％碳酸钾及负载8％氧化钙煤粉一致，M代表K、Ca等碱/碱土金属)进行催化气化反应，结果见表2。

表2：

由表2可知，无烟煤变质程度高，煤质表面含氧官能团少，催化剂有效负载量低，相比2％的碳酸钾添加，负载10％碳酸钾煤粉，同一气化条件下碳转化率变化不大，可见添加的碳酸钾并没有同煤质表面结合形成有效催化活性组分，尚未起到催化作用；同样负载钙基催化剂效果也较差；利用生物质同高变质程度、低反应活性煤共气化，协同作用明显，生物质中富含的碱/碱土金属催化剂可成为煤催化气化反应的催化剂，有利于降低反应温度，提高碳转化率。

实施例5

采用本发明实施例所提供的工艺方法，考察不同工艺条件对热解产物特性的影响，见表3。

表3：

由表3可知，相比于生物质在氮气气氛下热解，生物质在水蒸气、甲烷、氢气气氛热解，其热解焦油产率得到了有效提高；此外，相比于同等条件下煤、生物质单独的热解过程而言，在煤与生物质共热解过程中，由于生物质热解脱挥发分过程中产生的氢及小分子自由基容易和煤热解自由基反应，使得煤的热分解效率得到了有效提高，同时，也提高了煤热解焦油产物含量，阻止了二次焦的形成，提高了焦的反应性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (15)

1.一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的方法，其特征在于，包括：

a、将煤粉和气化剂供应到气化热解装置的气化区内进行气化反应，生成富甲烷高温气体；

b、在富甲烷高温气体气氛下，将生物质供应到所述气化区上方的热解区内发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油；

c、将所述生物质焦直接通入所述气化区内与煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将煤粉、生物质供应到所述气化热解装置前，分别对所述煤粉、生物质进行预处理，使所述煤粉的粒度小于5mm、含水量小于5wt％，所述生物质的粒度小于10mm、含水量小于5wt％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述生物质与所述煤粉的质量比为1:10-2:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质焦中碱/碱土金属的含量大于10％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气化区和所述热解区分别位于分体连接的气化装置与热解装置内，且所述热解区内的操作压力小于所述气化区内的操作压力。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富甲烷高温气体主要包括CH₄、CO、H₂、CO₂和水蒸气，以及少量的H₂S、NH₃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气化热解装置内的操作压力为0-5MPa，所述气化区内的反应温度为600-800℃，所述热解区内的反应温度为450-650℃。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述供应到气化热解装置的气化区的煤粉上负载有碱/碱土金属催化剂，所述供应到气化热解装置的热解区的生物质中混有煤。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c之后，在所述热解区的顶部得到出口产物，对所述出口产物进行除尘、换热、分离净化，得到富甲烷气。

12.一种煤与生物质共气化制备富甲烷气的系统，其特征在于，包括气化热解装置，所述气化热解装置包括气化区以及位于所述气化区上方的热解区，所述气化区用于使煤粉与气化剂发生气化反应，生成富甲烷高温气体；所述热解区用于使生物质在富甲烷高温气体气氛下发生热解反应，生成生物质焦、热解气和焦油，将所述生物质焦直接与所述气化区内的煤粉进行混合，并利用所述生物质焦中富含的碱/碱土金属催化所述煤粉的气化、甲烷化反应。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述气化热解装置为一体式装置，且所述热解区的直径大于或等于所述气化区的直径。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述热解区的直径大于所述气化区的直径时，所述气化区采用流化床形式，所述热解区采用低速流化床、移动床或固定床形式。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述气化热解装置包括分体连接的气化装置和热解装置，其中，所述气化区位于所述气化装置内，所述热解区位于所述热解装置内。