CN108410506B - 一种无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法，涉及煤气化技术领域，以保证碳水气化反应正常进行，使得炉内碳转化率提高，从而增大催化气化炉的煤炭处理量。所述无氧催化气化炉的炉腔沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向至少分为气室区以及与排渣口连通的密相区，炉壳对应气室区的表面开设有与所述气室区连通的水蒸气入口，炉壳对应密相区的表面分别开设有与密相区连通的飞灰入口、合成气入口和密相煤粉入口，飞灰入口到炉腔底部所在平面的距离小于所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离。所述催化气化系统包括上述无氧催化气化炉。本发明提供的无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法用于煤制甲烷。

Description

一种无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法。

背景技术

天然气是一种以甲烷为主要成分的混合气体，其燃烧产物主要为水和二氧化碳，对空气的污染度较小，被认为是替代传统煤炭燃料的清洁能源。然而，由于天然气在自然界中的存储量有限，属于不可再生资源，因此，人们一般采用催化气化技术对煤炭进行清洁化处理，生成高浓度的甲烷，以使得煤炭的应用无害化。

现有技术采用无氧催化气化对煤炭进行清洁化处理，其具体是在无氧催化气化炉内使得煤粉与水蒸气发生碳水气化反应，将生成的初始煤气进行净化处理，生成高浓度的甲烷，与此同时，将净化处理过程中所分离出的一氧化碳、氢气等气体所组成的循环合成气从无氧催化气化炉的底部注入无氧催化气化炉内，以利用一氧化碳和氢气反应放热，向碳水气化反应提供反应所需的热量。但是，由于循环合成气所含有的一氧化碳、氢气会抑制煤粉与水蒸气所发生的碳水气化反应，导致炉内碳转化率低、固相停留时间长、无氧催化气化炉的煤炭处理量低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无氧催化气化炉、催化气化系统及煤甲烷化方法，以保证碳水气化反应正常进行，使得炉内碳转化率提高，从而增大无氧催化气化炉的煤炭处理量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无氧催化气化炉，该无氧催化气化炉包括炉壳以及设在所述炉壳内的炉腔，所述炉腔的底部开设有排渣口，所述炉腔的顶部开设有煤气出口；沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，所述炉腔至少分为气室区，以及与排渣口连通的密相区，所述炉壳对应气室区的表面开设有与所述气室区连通的水蒸气入口，所述炉壳对应密相区的表面分别开设有与所述密相区连通的飞灰入口、合成气入口和密相煤粉入口，所述密相煤粉入口到炉腔底部所在平面的距离大于所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离；所述飞灰入口到炉腔底部所在平面的距离小于所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离。

与现有技术相比，本发明提供的无氧催化气化炉中，炉壳对应气室区的表面开设有与气室区连通的水蒸气入口，炉壳对应密相区的表面分别开设有与所述密相区连通的飞灰入口、合成气入口和密相煤粉入口，而飞灰入口到炉腔底部所在平面的距离小于合成气入口到炉腔底部所在平面的距离，这使得水蒸气从炉腔底部进入气室区并分布至密相区后，可以在没有合成气或者合成气含量较低的情况下，与飞灰及床料中所含有的碳发生碳水气化反应，这样就能够降低合成气所含有的一氧化碳和氢气对于碳水气化反应的抑制能力，使得炉内碳转化率提高，固相停留时间缩短，从而在一次能够程度上保证无氧催化气化炉的煤炭处理量。

本发明还提供了一种催化气化系统，该催化气化系统包括备料单元和上述技术方案所述的无氧催化气化炉，所述备料单元用于将煤粉和催化剂混合；所述备料单元与所述无氧催化气化炉包括的密相煤粉入口连通。

与现有技术相比，本发明提供的催化气化系统的有益效果与上述技术方案提供的无氧催化气化炉的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供了一种煤甲烷化方法，该煤甲烷化方法应用上述技术方案所述的催化气化系统，所述煤甲烷化方法包括：

利用备料单元将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；

利用密相煤粉入口将所述负载煤粉送入无氧催化气化炉所包括的密相区，利用水蒸气入口将水蒸气送入无氧催化气化炉所包括的气室区；

利用飞灰入口将飞灰送入密相区，利用合成气入口将合成气送入密相区，进入气室区的水蒸气分布至密相区，使得进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生发应，生成反应气；

反应气携带飞灰向密相区靠近煤气出口所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生反应，获得含有甲烷的初始煤气。

与现有技术相比，本发明提供的煤甲烷化方法的有益效果与上述技术方案提供的无氧催化气化炉的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的无氧催化气化炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的催化气化系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的煤无氧甲烷化方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的煤无氧甲烷化方法的流程图一；

图5为本发明实施例提供的煤无氧甲烷化方法的流程图二。

附图标记：

100-无氧催化气化炉， 101-进料单元；

102-排渣单元， 111-锥形分布板；

112-平板分布板， 200-备料单元；

201-破碎模块， 202-筛分模块；

203-混料模块， 300-气体净化单元；

301-气固分离模块， 202-换热模块；

203-气液分离模块， 304-纯化模块；

304a-气体冷却模块， 304b-洗涤模块；

304c-深冷分离模块， 305-储气罐；

306-油水分离模块， 307-废热锅炉；

308-储油罐， 309-压缩泵；

400-催化剂分离单元， a-排渣口；

b-煤气出口， c-水蒸气入口；

d-飞灰入口， e-合成气入口；

f1-密相煤粉入口， f2-稀相煤粉入口；

MI-第一子密相区， MII-第二子密相区；

MIII-第三子密相区， X1-第一子稀相区；

X2-第二子稀相区， X3-第三子稀相区；

X4-第四子稀相区。

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作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。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的无氧催化气化炉100包括炉壳以及设在炉壳内的炉腔，炉腔的底部设有排渣口a，炉腔的顶部设有煤气出口b。沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，炉腔至少分为气室区以及与排渣口a连通的密相区，炉壳对应气室区的表面开设有与气室区连通的水蒸气入口c，炉壳对应密相区的表面分别开设有与密相区连通的飞灰入口d、合成气入口e和密相煤粉入口f1，密相煤粉入口f1到炉腔底部所在平面的距离大于合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离；飞灰入口d到炉腔底部所在平面的距离小于合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离。

下面结合图1-图3对本发明实施例提供的无氧催化气化炉100进行煤甲烷化的具体过程。其中，无氧催化气化炉100的操作压力为2MPa～4MPa，无氧催化气化炉100的炉温为700℃～800℃。

第一步：将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；负载煤粉的粒径小于6mm，负载煤粉中含有质量百分数小于5％的水分；

第二步，利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入无氧催化气化炉100所包括的密相区，利用水蒸气入口c将水蒸气送入无氧催化气化炉100所包括的气室区；

第三步，水蒸气从气室区分布至密相区，并与进入密相区的负载煤粉发生甲烷化、气化等反应，获得初始煤气；

第四步，将初始煤气所包括的飞灰利用飞灰入口d送入密相区，将初始煤气所包括的合成气利用合成气入口e送入密相区，使得进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生下述发应，生成反应气；合成气所包括的氢气和一氧化碳的摩尔比为(2.1～4.3)：1；

2C+2H₂O→2H₂+2CO

CO+H₂O→CO₂+H₂

当然也会发生少量下述甲烷化反应(可以忽略不计)：

3H₂+CO→CH4+H2O

第五步：反应气携带飞灰(当然也包括炉内床料)向密相区靠近煤气出口b所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

第六步：气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生下述甲烷化、气化等反应：

2C+2H₂O→2H₂+2CO

CO+H2O→CO₂+H₂

3H₂+CO→CH₄+H₂O

C+2H₂→CH₄

基于本发明实施例提供的无氧催化气化炉100的结构和煤甲烷化过程可知，炉壳对应气室区的表面开设有与气室区连通的水蒸气入口c，炉壳对应密相区的表面分别开设有与密相区连通的飞灰入口d、合成气入口e和密相煤粉入口f1，而飞灰入口d到炉腔底部所在平面的距离小于合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离，这使得水蒸气从炉腔底部进入气室区并分布至密相区后，可以在没有合成气或者合成气含量较低的情况下，与飞灰及床料中所含有的碳发生碳水气化反应，这样就能够降低合成气所含有的一氧化碳和氢气对于碳水气化反应的抑制能力，使得炉内碳转化率提高，固相停留时间缩短，从而在一次能够程度上保证无氧催化气化炉100的煤炭处理量。

需要说明的是，本发明实施例中飞灰和合成气，可以是从本发明实施例提供的无氧催化气化炉100所生成的初始煤气分离出的，也可以是从其他现有无氧催化气化炉100的煤气分离出的。

当飞灰和合成气是从其他现有无氧催化气化炉100的煤气分离出来的，那么，本发明实施例提供的无氧催化气化炉100刚在开始进行煤气化、甲烷化的时候，即可向无氧催化气化炉100中通入飞灰和合成气，而无需如上述无氧催化气化炉100进行煤甲烷化的顺序执行。

可选的，本发明实施例提供的无氧催化气化炉100的类型为加压流化床反应器，当然也可以是其他类型结构的气化炉；基于此，如图1所示，本发明实施例中气室区与密相区之间设有锥形分布板111，锥形分布板111的锥底与密相区相对，排渣口a开设在锥形分布板111的锥顶，排渣口a还与排渣单元102连通；锥形分布板111的板面上开有1mm-3mm的分布孔，供进入气室区的水蒸气分布至密相区；分布孔的孔深方向垂直于锥形分布板111的板面，当然也可以是水平方向开设在锥形分布板111上，但不仅限于此。

进一步，如图1所示，上述锥形分布板111的锥顶开设有底部开孔，底部开孔内设有射流管，以向密相区喷射流化气体(如水蒸气)，此时射流管的外壁和底部开孔的内壁之间形成环状的排渣口a。

可选的，如图1和图2所示，本发明实施例中炉腔为变径圆柱和圆台组合结构。具体的，沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，密相区分为第一子密相区MI、第二子密相区MII和第三子密相区MIII；第一子密相区MI位于气室区和第二子密相区MII之间，第二子密相区MII位于第一子密相区MI和第二子密相区MII之间；飞灰入口d开设在炉壳对应第一子密相区MI的表面，飞灰入口d与第一子密相区MI连通，合成气入口e开设在炉壳对应第二子密相区MII的表面，合成气入口e与第二子密相区MII连通，以保证合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离大于飞灰入口d到炉腔底部所在平面的距离，密相煤粉入口f1开设在第三子密相区MIII的表面，密相煤粉入口f1与第三子密相区MIII连通，以保证密相煤粉入口f1到炉腔底部所在平面的距离大于合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离。

如图1和图2所示，考虑到无氧催化气化炉100的床层整体较高、压差大，经通过炉腔底部的锥形分布板111布气后，通入的合成气容易存在分布不均匀、气体短路的问题，合成气接触不到固相催化剂，甲烷化效果大大降低。基于此，本发明实施例对密相区所包括的各个子密相区进行结构设计，以提高气固分布均匀性和甲烷化效果。其中，

对于第一子密相区MI来说，第一子密相区MI为柱体结构，其轴向长度是径向长度的1倍-2倍，第一子密相区MI与气室区之间设有锥形分布板111，并保证锥形分布板111所承受的压差是密相区所承受的压差的0.3倍-0.5倍，使得水蒸气能够通过锥形分布板111所具有的分布孔均匀的分布密相区，以提高流化质量，避免气体短路发生。

其中，飞灰入口d的数量大于等于1，也就是说，飞灰入口d的数量既可以为一个，也可以为两个或两个以上，当飞灰入口d的数量为两个或两个以上，各个飞灰入口d到炉腔底部所在平面的距离相等，即沿着第一子密相区MI的同一高度的径向截面，各个飞灰入口d均匀分布在该径向截面上。当然考虑到飞灰入口d数量过多容易影响旋风及返料系统运行效率，本发明实施例中飞灰入口d的数量一般为一个或两个，最多四个，当然也可以根据实际情况增加飞灰入口d数量。

对于第二子密相区MII来说，第二子密相区MII为台状结构，且第二子密相区MII相对第一子密相区MI的表面径向长度与第二子密相区MII相对第三子密相区MIII的表面径向长度的比例为1:(1.1-1.3)，使得第二子密相区MII呈现下窄上宽的结构(其中“下”是指炉腔底部，“上”是指炉腔顶部)，这种结构下反应气携带飞灰向密相区靠近煤气出口b所在方向分布的速度逐渐降低，从而保证反应气携带飞灰(当然也包括炉内床料)与合成气混合均匀，所形成的气固混合体系能够以更为缓慢的速度与进入密相区的负载煤粉混合发生气化、甲烷化等反应，从而提高甲烷生成量。

合成气入口e的数量为多个，各个合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离相等或不等。当各个合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离相等时，沿着第二子密相区MII的同一高度的径向截面，各个合成气入口e均匀分布在该径向截面上。当各个合成气入口e到炉腔底部所在平面的距离不相等时，沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，各个合成气入口e以螺旋式的方式分布在炉壳表面，这样反应气携带飞灰，当然也包括炉内床料向密相区靠近煤气出口b所在方向分布时，合成气能够分批与携带飞灰及床料的反应气混合形成气固混合体系，使得所形成的气固混合体系所包含的组分更为均匀。

另外，为了尽量减少不必要的流体扰动，降低合成气经喷嘴喷入直接冲击气化炉避免导致磨损严重等问题，本发明实施例中合成气入口e的数量为偶数个。

对于第三子密相区MIII来说，第三子密相区MIII的轴向长度是第三子密相区MIII的径向长度的3倍-5倍，以提供充分的空间供负载碳粉发生充分气化、甲烷化等反应。

同时，第二子密相区MII和第三子密相区MIII之间设有平板分布板112，且考虑到气固混合体系从平板分布板112的边缘容易分布至第三子密相区MIII，而从平板分布板112中心难以分布至第三子密相区MIII，因此，从平板分布板的边缘到平板分布板的几何中心，平板分布板112所具有的各个分布孔的孔径逐渐增加，即中心具有一圈最大的分布孔，然后最外围具有一圈最小的分布孔，且沿着从中心到外围的方向，分布孔的孔径越来越小。平板分布板112所具有的最大的分布孔的孔径等于15mm，最小的分布孔的孔径为2mm，以平衡气固混合体系通过平板分布板112各孔至第三子密相区MIII的压降，从而保证气固混合通过平板分布板112均匀分布至第三子密相区MIII内，并保证进入第三子密相区MIII的负载煤粉颗粒可以经由平板分布板112所具有的不同孔径的孔进入下部第一子密相区MI和第二子密相区MII，实现无氧催化气化炉100上下部床料的均匀混合。

具体的，平板分布板112的压差是第三子密相区MIII的压差的0.3倍～0.5倍，以使得气固混合体系能够以较慢的速度逐渐分布至第三子密相区MIII(实现二次布气)，以更好的与进入第三子密相区MIII的负载煤粉颗粒混合接触，从而提高流化效果，使得返炉的合成气、飞灰能够更好的与水蒸气、负载煤粉接触。

考虑到合成气存在的情况下容易抑制水蒸气与飞灰的碳水气化反应，本发明实施例中飞灰入口d内设有飞灰喷嘴，飞灰喷嘴的喷射方向与重力方向所呈的飞灰喷射夹角为锐角，此时飞灰喷嘴的喷射方向斜向下(即斜向指向炉腔的底部)；合成气入口e内设有合成气喷嘴，合成气喷嘴的喷射方向与重力方向所呈的合成气喷射夹角为钝角，此时合成气喷嘴的喷射方向斜向上(即斜向指向炉腔的顶部)，以在下部区域内避免飞灰及床料与合成气的接触机率，使得飞灰及床料所含有的碳与水蒸气更为彻底的反应，从而减小固相停留时间。

进一步，飞灰喷射夹角为35°～65°，合成气喷射夹角为115°～145°，在这种角度范围下，进入第一子密相区MI的飞灰和第二子密相区MII的合成气能够更为慢的接触。当飞灰喷射夹角和合成气喷射夹角互补时，进入第一子密相区MI的飞灰和第二子密相区MII的合成气能够以最慢的速度实现接触，从而最大化的防止合成气抑制碳与水蒸气的碳水气化反应。

可选的，如图1所示，本发明实施例中炉腔还包括稀相区，沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，密相区位于气室区和稀相区之间，炉壳对应稀相区的表面开设有与稀相区连通的稀相煤粉入口f2，密相煤粉入口f1和稀相煤粉入口f2分别与进料单元101连通，以使得进料单元101所提供的负载煤粉能够同时提供给密相区和稀相区。

进一步，如图1和图2所示，送入无氧催化气化炉100所包括的气室区的水蒸气与送入无氧催化气化炉100所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.7～1.5)：1，送入无氧催化气化炉100所包括的密相区的合成气与送入无氧催化气化炉100所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.25～0.4)：1，以使得负载煤粉所含有的煤粉甲烷化比较彻底。

进一步，如图1所示，沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，稀相区包括第一子稀相区X1、第二子稀相区X2、第三子稀相区X3和第四子稀相区X4，第一子稀相区X1为柱状结构，稀相煤粉入口f2设在第一子稀相区X1。第二子稀相区X2为台状结构，且第二子稀相区X2相对第一子稀相区X1的表面的径向长度与第二子稀相区X2相对第三子稀相区X3的表面的径向长度的比例为1：(1.3～1.7)，第三子稀相区X3为圆柱结构，第四子稀相区X4为圆锥形结构，且第四子稀相区X4的锥底与第三子稀相区X3接触，煤气出口b设在第四子稀相区X4的锥顶。

本发明实施例还提供了一种催化气化系统，如图2所示，该催化气化系统包括备料单元200和上述实施例提供的无氧催化气化炉100；其中，备料单元200用于将煤粉和催化剂混合；备料单元200分别与无氧催化气化炉100包括的密相煤粉入口f1连通。至于无氧催化气化炉100如何实现煤气化、甲烷化等反应，则参照前文所述即可。

与现有技术相比，本发明实施例提供的催化气化系统的有益效果与上述实施例提供的无氧催化气化炉100的有益效果相同，在此不做赘述。

其中，如图2所示，本发明实施例中备料单元200至少包括破碎模块201和用于混合煤和催化剂的混料模块203，破碎模块201的出口与混料模块203的入口连通，混料模块203的出口与密相煤粉入口f1连通。当无氧催化气化炉100还包括稀相煤粉入口f2时，混料模块203的出口还可以与稀相煤粉入口f2连通。

而为了控制负载煤粉所含有的煤粉粒径，本发明实施例中备料单元200还可以包括筛分模块202，破碎模块201的出口与筛分模块202的入口连通，筛分模块202的出口与混料模块203的出口连通，这样当破碎模块201对煤炭进行破碎后，就能够利用筛分模块202对所得的煤粉进行筛分，以获得所需粒径的煤粉。

同时，为了控制负载煤粉的含水量，避免负载煤粉所含有的水分对煤甲烷化的影响，本发明实施例中混料模块203不仅能够实现煤粉与催化剂的混料，还可以实现对负载煤粉的干燥功能，使得负载煤粉达到所需要求。其中，混料模块203的混料干燥功能可通过混料干燥剂实现。

进一步，如图2所示，催化气化系统还包括与排渣口a连通的催化剂分离单元400，催化剂分离单元400的催化剂出口与混料模块203连通，以将回收的催化剂再次利用，而废渣排放即可。

而考虑到初始煤气的固体颗粒和杂质气体比较多，如图3所示，本发明实施例中催化气化系统还包括气体净化单元300，气体净化单元300的入口与无氧催化气化炉100包括的煤气出口b连通，气体净化单元300的飞灰出口与无氧催化气化炉100包括的飞灰入口d连通，气体净化单元300的合成气入口e与无氧催化气化炉100包括的合成气入口e连通。

具体的，如图2所示，本发明实施例中气体净化单元300包括气固分离模块301、气液分离模块203和纯化模块304，气固分离模块301包括多级高温旋风分离器和高温除尘器，当然也可以是其他可实现气固分离的装置、设备，气液分离模块203具体为一级或多级间壁式冷却器，当然也可以是其他可实现气液分离的装置、设备。气固分离模块301的入口与煤气出口b连通，气固分离模块301的固体出口与飞灰入口d连通，气固分离模块301的气体出口与气液分离模块203的入口连通，气液分离模块203的液体出口与油水分离模块306的入口连接，油水分离模块306的油分出口与储油罐308连通，油水分离模块306的水分出口至少与废热锅炉307连通，废热锅炉307的水蒸气出口与水蒸气入口c连通，气液分离模块203的气体出口与纯化模块304的入口连通，纯化模块304的出口分别与储气罐305和合成气入口e连通。

具体工作时，通过多级高温旋风分离器和高温除尘器的联合使用，对初始煤气进行除尘处理，获得飞灰和一次处理煤气；将飞灰通过飞灰入口d送入密相区，而一次处理煤气则通过气液分离模块203进行气液分离，获得液态油水混合物和二次处理煤气；液态油水混合物通过油水分离模块306进行油水分离，获得液态焦油和液态水，液态焦油通过储油罐308储存，液态水传送至废热锅炉307联产水蒸气，并利用水蒸气入口c将水蒸气送入无氧催化气化炉100的气化室内。当然液态水还可以与储水罐连通，以将液态水存储起来，用以配制催化剂水溶液等。利用纯化模块304纯化二次处理煤气，并从二次处理煤气分离出合成气，将合成气通过合成气入口e送入密相区，将所分离出的甲烷存储。

而为了降低煤甲烷化成本，如图2所示，本发明实施例中气体净化单元300还包括换热模块202，气固分离模块301的气体入口通过换热模块202的吸热侧与气液分离模块203的入口连通，废热锅炉307的水蒸汽出口通过换热模块202的放热侧与水蒸气入口c连通，以使得废热锅炉307中的水蒸气吸热变成过热水蒸气通入无氧催化气化炉100内，以向碳水气化反应提供更多的热量，从而促进煤甲烷化。

其中，换热模块202可以为普通的换热器，也可以为废热锅炉，换热介质可为水，联产蒸汽，也可将来自蒸汽锅炉的水蒸汽及其他气化剂与气化系统的出口高温气体进行换热，并将换热后的过热水蒸气送入气化系统。当然在换热模块202存在的情况下，油水分离模块306的水分出口通过换热模块202的放热侧与水蒸气入口c连通，使得油水分离模块306所分离出的水分能够在换热模块202的放热侧吸热而气化成水蒸气，以通过水蒸气入口c送入无氧催化气化炉100内。

需要说明的是，本发明实施例中换热模块202的放热侧是从换热模块202的角度出发，换热模块202的放热侧是向流过该处的换热介质放热，换热模块202的吸热侧是从换热模块202的角度出发，换热模块202的吸热侧是吸收流过该处的换热介质的热量。

进一步，如图2所示，本发明实施例中纯化模块304包括气体冷却模块304a、洗涤模块304b和深冷分离模块304c，气液分离模块203的气体出口依次通过气体冷却模块304a、洗涤模块304b与深冷分离模块304c的入口连通，深冷分离模块304c的第一出口与储气罐305的入口连通，深冷分离模块304c的第二出口与合成气入口e连通。其中，

气体冷却模块304a可将二次处理煤气液化成40℃的二次处理煤气；洗涤模块304b一般使用低温甲醇(低温甲醇的温度应当等于或低于二次处理煤气的温度)洗涤二次处理煤气，去除二次处理煤气中酸性气体，使得二次处理煤气主要包含甲烷、氢气、一氧化碳，然后最后通过深冷分离模块304c对二次处理煤气进行深冷分离，以将甲烷和合成气分离，甲烷利用储气罐305储存，合成气利用合成气入口e通入无氧催化气化炉100内，合成气通入无氧催化气化炉100前，可利用压缩泵309提压至高于无氧催化气化炉100的操作压力(合成气压力大于无氧催化气化炉100的操作压力0.5MPa-1MPa)，以保证无氧催化气化炉100的操作压力正常稳定。

图2示出了一种催化气化系统，作为一种具体实施例，在实现煤甲烷化时，负载煤粉为负载碳酸钾催化剂的煤粉，催化气化系统所包含的无氧催化气化炉100为流化床气化炉，对该催化气化系统进行气化评价，保持工艺参数一致，对比三种气化工艺，结果见表1：

表1催化气化系统进行气化评价结果

由表1得出：本发明提供的催化气化系统中无氧催化气化炉100采用无氧催化气化工艺，可以取消空分，节省设备投资；同时无氧催化气化炉100出口甲烷含量更高，达26％，无氧催化气化炉100碳转化率更好，可提高无氧催化气化炉100的碳处理量。

本发明实施例还提供了一种煤甲烷化方法，应用上述实施例提供的催化气化系统，如图2～图4所示，该煤甲烷化方法包括：

利用备料单元200将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；负载煤粉的粒径小于6mm，负载煤粉中含有质量百分数小于5％的水分；

利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入无氧催化气化炉100所包括的密相区，利用水蒸气入口c将水蒸气送入无氧催化气化炉100所包括的气室区；

利用飞灰入口d将飞灰送入密相区，利用合成气入口e将合成气送入密相区，进入气室区的水蒸气分布至密相区，使得进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生发应，生成反应气；

反应气携带飞灰向密相区靠近煤气出口b所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生甲烷化反应，获得含有甲烷的初始煤气。

当合成气和飞灰来自其他现有无氧催化气化炉100的煤气分离产物时，如图1-图3所示，本发明实施例提供的煤甲烷化方法包括如下步骤：

步骤S100：利用备料单元200将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；

步骤S211：利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入无氧催化气化炉100所包括的密相区，利用水蒸气入口c将水蒸气送入无氧催化气化炉100所包括的气室区；利用飞灰入口d将飞灰送入密相区，利用合成气入口e将合成气送入密相区；

步骤S212：进入气室区的水蒸气分布至密相区，进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生发应，生成反应气；

步骤S213：反应气携带飞灰(当然也包括炉内床料)向密相区靠近煤气出口b所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

步骤S214：气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生气化、甲烷化等反应，获得含有甲烷的初始煤气。

当合成气和飞灰来自其本发明实施提供的无氧催化气化炉100的煤气分离产物时，如图1、图2和图4所示，本发明实施例提供的煤甲烷化方法包括如下步骤：

步骤S100：利用备料单元200将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；

步骤S221：利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入无氧催化气化炉100所包括的密相区，利用水蒸气入口c将水蒸气送入无氧催化气化炉100所包括的气室区；

步骤S222：进入气室区的水蒸气分布至密相区，并与进入密相区的负载煤粉发生气化、甲烷化等反应，获得含有甲烷的初始煤气；

步骤S223：从初始煤气中分离出的合成气通过合成气入口e送入密相区，从初始煤气中分离出的飞灰通过飞灰入口d送入密相区；

步骤S224：进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生发应，生成反应气；

步骤S225：反应气携带飞灰(当然也包括炉内床料)向密相区靠近煤气出口b所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

步骤S226：气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生气化、甲烷化等反应。

与现有技术相比，本发明实施例提供的煤甲烷化方法的有益效果与上述实施例提供的无氧催化气化炉100的有益效果相同，在此不做赘述。

其中，负载煤粉的粒径小于6mm，负载煤粉中含有质量百分数小于5％的水分，无氧催化气化炉100的操作压力为2MPa～4MPa，无氧催化气化炉100的炉温为700℃～800℃，合成气所包括的氢气和一氧化碳的摩尔比为(2.1～4.3)：1。

当无氧催化气化炉100包括稀相区时，本发明实施例提供的煤甲烷化方法还包括：利用稀相煤粉入口f2将负载煤粉送入稀相区。

送入无氧催化气化炉100所包括的气室区的水蒸气与送入无氧催化气化炉100所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.7～1.5)：1，送入无氧催化气化炉100所包括的密相区的合成气与送入无氧催化气化炉100所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.25～0.4)：1。

当气室区与密相区之间设有锥形分布板111，进入气室区的水蒸气分布至密相区包括：

进入气室区的水蒸气通过锥形分布板111所具有的分布孔分布至密相区，锥形分布板111的压差是密相区的压差的0.3倍-0.5倍。

当密相区分为第一子密相区MI、第二子密相区MII和第三子密相区MIII，第二子密相区MII和第三子密相区MIII之间设有平板分布板112；平板分布板112的压差是第三子密相区MIII的压差的0.3倍～0.5倍；此时：

上述利用飞灰入口d将飞灰送入密相区包括：利用飞灰入口d将飞灰送入第一子密相区MI；

上述利用合成气入口e将合成气送入密相区包括：利用合成气入口e将合成气送入第二子密相区MII；

上述利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入无氧催化气化炉100所包括的密相区包括：利用密相煤粉入口f1将负载煤粉送入第三子密相区MIII；

上述气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生甲烷化反应，获得含有甲烷的初始煤气包括：气固混合体系通过平板分布板112从第二子密相区MII分布至第三子密相区MIII，并与进入密相区的负载煤粉发生反应，获得含有甲烷的初始煤气。

可选的，如图1、图2和图5所示，当催化气化系统包括气体净化单元300，且气体净化单元300包括气固分离模块301、气液分离模块203、纯化模块304和换热模块202时；获得初始煤气后，本发明实施例提供的煤甲烷化方法还包括：

步骤S310：气固分离模块301对初始煤气进行除尘处理，获得飞灰和一次处理煤气；

步骤S320：将飞灰通过飞灰入口d送入密相区，一次处理煤气通过换热模块202放热，获得降温煤气；

步骤S330：利用气液分离模块203对降温煤气进行气液分离，获得液态油水混合物和二次处理煤气；

步骤S340a：液态油水混合物通过油水分离模块306进行油水分离，获得液态焦油和液态水，并利用储油罐308储存液态焦油；液态水传送至废热锅炉307，获得过热水蒸气，过热水蒸气在换热模块202中吸收一次处理煤气所放出的热量后，利用水蒸气入口c送入气室区；

步骤S340b：通过纯化模块304纯化二次处理煤气，并从二次处理煤气分离出合成气，将合成气通过合成气入口e送入密相区，将分离出的甲烷储存。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种无氧催化气化炉，其特征在于，包括炉壳以及设在所述炉壳内的炉腔，所述炉腔的底部开设有排渣口，所述炉腔的顶部开设有煤气出口；沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，所述炉腔至少分为气室区，以及与排渣口连通的密相区，所述炉壳对应气室区的表面开设有与所述气室区连通的水蒸气入口，所述炉壳对应密相区的表面分别开设有与所述密相区连通的飞灰入口、合成气入口和密相煤粉入口，所述密相煤粉入口到炉腔底部所在平面的距离大于所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离；所述飞灰入口到炉腔底部所在平面的距离小于所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离；沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，所述密相区分为第一子密相区、第二子密相区和第三子密相区；所述第一子密相区位于所述气室区和所述第二子密相区之间，所述第二子密相区位于所述第一子密相区和所述第三子密相区之间；

所述飞灰入口开设在所述炉壳对应第一子密相区的表面，所述飞灰入口与所述第一子密相区连通，所述合成气入口开设在所述炉壳对应第二子密相区的表面，所述合成气入口与所述第二子密相区连通，所述密相煤粉入口开设在所述第三子密相区的表面，所述密相煤粉入口与所述第三子密相区连通；

所述气室区与所述密相区之间设有锥形分布板，所述锥形分布板的锥底与所述密相区相对，所述排渣口开设在所述锥形分布板的锥顶，所述排渣口还与排渣单元连通；所述第二子密相区和所述第三子密相区之间设有平板分布板，从所述平板分布板的边缘到所述平板分布板的几何中心，所述平板分布板所具有的各个分布孔的孔径逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的无氧催化气化炉，其特征在于，所述第一子密相区的轴向长度是所述第一子密相区的径向长度的1倍-2倍，所述第二子密相区相对第一子密相区的表面径向长度与所述第二子密相区相对第三子密相区的表面径向长度的比例为1:(1.1-1.3)；所述第三子密相区的轴向长度是所述第三子密相区的径向长度的3倍-5倍。

3.根据权利要求1所述的无氧催化气化炉，其特征在于，所述飞灰入口的数量大于等于1，当所述飞灰入口的数量为多个，各个所述飞灰入口到炉腔底部所在平面的距离相等；

所述合成气入口的数量为多个，各个所述合成气入口到炉腔底部所在平面的距离相等或不等。

4.根据权利要求1所述的无氧催化气化炉，其特征在于，所述飞灰入口内设有飞灰喷嘴，所述飞灰喷嘴的喷射方向与重力方向所呈的飞灰喷射夹角为锐角；

所述合成气入口内设有合成气喷嘴，所述合成气喷嘴的喷射方向与重力方向所呈的合成气喷射夹角为钝角。

5.根据权利要求4所述的无氧催化气化炉，其特征在于，所述飞灰喷射夹角为35°～65°，所述合成气喷射夹角为115°～145°。

6.根据权利要求1～5任一项所述的无氧催化气化炉，其特征在于，所述锥形分布板的锥顶开设有底部开孔，所述底部开孔内设有射流管，所述射流管的外壁和所述底部开孔的内壁之间形成所述排渣口；

所述炉腔还包括稀相区，沿着炉腔底部到炉腔顶部的方向，所述密相区位于所述气室区和所述稀相区之间，所述炉壳对应稀相区的表面开设有与所述稀相区连通的稀相煤粉入口，所述密相煤粉入口和所述稀相煤粉入口分别与进料单元连通。

7.一种催化气化系统，其特征在于，包括备料单元和权利要求1～6任一项所述的无氧催化气化炉，所述备料单元用于将煤粉和催化剂混合；所述备料单元与所述无氧催化气化炉包括的密相煤粉入口连通。

8.根据权利要求7所述的催化气化系统，其特征在于，所述无氧催化气化炉还包括稀相煤粉入口时，所述备料单元至少包括破碎模块和用于混合煤和催化剂的混料模块，所述破碎模块的出口与所述混料模块的入口连通，所述混料模块的出口分别与所述密相煤粉入口和/或所述稀相煤粉入口连通。

9.根据权利要求8所述的催化气化系统，其特征在于，所述催化气化系统还包括与所述排渣口连通的催化剂分离单元，所述催化剂分离单元的催化剂出口与所述混料模块连通。

10.根据权利要求7所述的催化气化系统，其特征在于，所述催化气化系统还包括气体净化单元，所述气体净化单元的入口与所述无氧催化气化炉包括的煤气出口连通，所述气体净化单元的飞灰出口与所述无氧催化气化炉包括的飞灰入口连通，所述气体净化单元的合成气入口与所述无氧催化气化炉包括的合成气入口连通。

11.根据权利要求10所述的催化气化系统，其特征在于，所述气体净化单元包括气固分离模块、气液分离模块和纯化模块，所述气固分离模块的入口与所述煤气出口连通，所述气固分离模块的固体出口与所述飞灰入口连通，所述气固分离模块的气体出口与所述气液分离模块的入口连通，所述气液分离模块的液体出口与油水分离模块的入口连接，所述油水分离模块的油分出口与储油罐连通，所述油水分离模块的水分出口至少与废热锅炉连通，所述废热锅炉的水蒸气出口与所述水蒸气入口连通，所述气液分离模块的气体出口与所述纯化模块的入口连通，所述纯化模块的出口分别与储气罐和合成气入口连通。

12.根据权利要求11所述的催化气化系统，其特征在于，所述气体净化单元还包括换热模块，所述气固分离模块的气体入口通过所述换热模块的吸热侧与所述气液分离模块的入口连通，所述废热锅炉的水蒸气出口通过所述换热模块的放热侧与所述水蒸气入口连通。

13.根据权利要求11所述的催化气化系统，其特征在于，所述纯化模块包括气体冷却模块、洗涤模块和深冷分离模块，所述气液分离模块的气体出口依次通过所述气体冷却模块、所述洗涤模块与所述深冷分离模块的入口连通，所述深冷分离模块的第一出口与所述储气罐的入口连通，所述深冷分离模块的第二出口与所述合成气入口连通。

14.一种煤甲烷化方法，其特征在于，应用权利要求7～13任一项所述的催化气化系统，所述煤甲烷化方法包括：

利用备料单元将煤粉和催化剂混料，获得负载煤粉；

利用密相煤粉入口将所述负载煤粉送入无氧催化气化炉所包括的密相区，利用水蒸气入口将水蒸气送入无氧催化气化炉所包括的气室区；

利用飞灰入口将飞灰送入密相区，利用合成气入口将合成气送入密相区，进入气室区的水蒸气分布至密相区，使得进入密相区的飞灰与进入密相区的水蒸气混合并发生发应，生成反应气；

反应气携带飞灰向密相区靠近煤气出口所在方向分布，并与合成气混合，获得气固混合体系；

气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生反应，获得含有甲烷的初始煤气。

15.根据权利要求14所述的煤甲烷化方法，其特征在于，所述负载煤粉的粒径小于6mm，所述负载煤粉中含有质量百分数小于5％的水分，所述无氧催化气化炉的操作压力为2MPa～4MPa，所述无氧催化气化炉的炉温为700℃～800℃，所述合成气所包括的氢气和一氧化碳的摩尔比为(2.1～4.3)：1；

当所述无氧催化气化炉包括稀相区时，所述煤甲烷化方法还包括：

利用稀相煤粉入口将所述负载煤粉送入稀相区；

送入所述无氧催化气化炉所包括的气室区的水蒸气与送入所述无氧催化气化炉所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.7～1.5)：1，送入所述无氧催化气化炉所包括的密相区的合成气与送入所述无氧催化气化炉所包括的密相区和稀相区的负载煤粉的总质量之比为(0.25～0.4)：1。

16.根据权利要求14所述的煤甲烷化方法，其特征在于，当所述气室区与所述密相区之间设有锥形分布板，进入气室区的水蒸气分布至密相区包括：

进入气室区的水蒸气通过锥形分布板所具有的分布孔分布至密相区，所述锥形分布板的压差是所述密相区的压差的0.3倍-0.5倍。

17.根据权利要求14所述的煤甲烷化方法，其特征在于，当所述密相区分为第一子密相区、第二子密相区和第三子密相区，所述第二子密相区和所述第三子密相区之间设有平板分布板；所述平板分布板的压差是第三子密相区的压差的0.3倍～0.5倍；

所述利用飞灰入口将飞灰送入密相区包括：

利用飞灰入口将飞灰送入第一子密相区；

所述利用合成气入口将合成气送入密相区包括：

利用合成气入口将合成气送入第二子密相区；

所述利用密相煤粉入口将所述负载煤粉送入无氧催化气化炉所包括的密相区包括：

利用密相煤粉入口将所述负载煤粉送入第三子密相区；

所述气固混合体系与进入密相区的负载煤粉混合发生反应，获得含有甲烷的初始煤气包括：

所述气固混合体系通过平板分布板从第二子密相区分布至第三子密相区，并与进入密相区的负载煤粉发生反应，获得含有甲烷的初始煤气。

18.根据权利要求14所述的煤甲烷化方法，其特征在于，当所述催化气化系统包括气体净化单元，且所述气体净化单元包括气固分离模块、气液分离模块、纯化模块和换热模块时；

获得初始煤气后，所述煤甲烷化方法还包括：

气固分离模块对初始煤气进行除尘处理，获得飞灰和一次处理煤气；

将飞灰通过飞灰入口送入密相区，一次处理煤气通过换热模块放热，获得降温煤气；

利用气液分离模块对降温煤气进行气液分离，获得液态油水混合物和二次处理煤气；

液态油水混合物通过油水分离模块进行油水分离，获得液态焦油和液态水，并利用储油罐储存液态焦油；液态水传送至废热锅炉，获得过热水蒸气，过热水蒸气在换热模块中吸收一次处理煤气所放出的热量后，利用水蒸气入口送入气室区；

通过纯化模块纯化二次处理煤气，并从二次处理煤气分离出合成气，将合成气通过合成气入口送入密相区，将分离出的甲烷储存。

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