CN109251770A - 一种煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉，涉及加氢气化技术领域，为解决现有技术中采用加氢气化炉对黏结指数为5以上的低阶弱粘接性煤种进行气化，容易造成喷嘴堵塞，内筒积碳超温的问题而发明。本发明一种煤加氢气化方法，包括以下步骤：将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉，所述第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围；在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，获得第一合成气和第一副产物，在第二加氢气化反应环境内对第二类煤粉进行加氢气化反应，获得第二合成气和第二副产物。

Description

一种煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉
技术领域
本发明涉及煤加氢气化技术领域，尤其涉及一种煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉。
背景技术
煤加氢气化技术是指在800～1000℃温度、5～10MPa的压力和富氢条件下，煤粉和氢气反应直接生成甲烷、轻质芳烃油品和洁净半焦的过程。煤加氢气化技术既能实现煤高效清洁转化制天然气，同时又能副产高附加值芳烃油品，是煤制合成天然气的重要工艺路线之一，融合煤制气和煤制油的优势，通过梯级利用、全价开发，真正实现煤炭资源的清洁、高效、综合利用。
在国内的煤碳资源中，存在大量的低阶弱粘接性煤种，如弱粘煤、部分长焰煤和少量1/2的粘煤，其黏结指数在5～40之间。若该低阶弱粘接性煤种采用加氢气化炉进行气化，热解过程中煤粉产生胶质体，并粘在喷嘴和内筒上，造成喷嘴堵塞，内筒积碳超温等问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉，可解决现有技术中采用加氢气化炉对黏结指数为5以上的低阶弱粘接性煤种进行气化，容易造成喷嘴堵塞，内筒积碳超温的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种煤加氢气化方法，包括以下步骤：将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉，所述第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围；在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，获得第一合成气和第一副产物，在第二加氢气化反应环境内对第二类煤粉进行加氢气化反应，获得第二合成气和第二副产物。
可选地，所述将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉具体包括：利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉。
可选地，在所述将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉前，所述煤加氢气化方法还包括：将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉。
可选地，所述将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉具体包括：以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉。
可选地，在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，还包括：至少将所述第一合成气和第一副产物所含有的热量作为补充热量提供给所述第二加氢气化反应环境。
可选地，所述利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的步骤和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉的步骤为同时进行的。
可选地，所述利用萃取溶剂溶解煤粉所含有的第二类煤粉的加热条件和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉的加热条件均为300～400℃。
可选地，所述利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的反应时间和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换的反应时间均为至少1个小时。
可选地，所述萃取溶剂选自NaOH、HCl、N-甲基吡咯烷酮、轻质油中的任一种或几种。
本发明实施例还包括一种应用上述技术方案所述的煤加氢气化方法的加氢气化炉，包括筒体，所述筒体上间隔设有第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴用于将第一类煤粉导入所述筒体内，所述第二喷嘴用于将第二类煤粉导入所述筒体内。
可选地，所述筒体包括间隔设置的内筒和外筒，所述第一喷嘴设置在所述内筒上，且所述第一喷嘴的喷射方向朝向所述内筒的内侧，所述第二喷嘴设置在所述外筒上，所述第二喷嘴可将所述第二类煤粉导入所述外筒与所述内筒之间的间隙中。
可选地，所述内筒上开设有出口，所述出口与所述外筒连通。
可选地，所述第二喷嘴为多个，多个所述第二喷嘴沿所述外筒的周向间隔分布。
本发明实施例提供的煤加氢气化方法及应用该方法的加氢气化炉，在应用于低阶弱粘接性煤种时，按照分子量分布范围的不同，将煤粉分为第一类煤粉和第二类煤粉，且第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围，使第一类煤粉和第二类煤粉的组分(或组分比例)与原煤粉的组分(或组分比例)不同，通过在气化炉中的两个加氢气化反应环境内对第一类煤粉和第二类煤粉分别进行加氢气化反应，第一类煤粉的反应生成物中气态物质和液态物质的比例减少，而固态物质的比例增多，气固比例不平衡，而第二类煤粉的反应生成物中主要是气态物质，气固比例也不平衡，从而使得反应后的生成物不易生成胶质物，从而可解决加氢气化炉的喷嘴堵塞，内筒积碳超温的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中煤加氢气化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中煤加氢气化方法中将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉的工艺流程图；
图3为本发明实施例中加氢气化炉的结构示意图；
图4为本发明实施例中加氢气化炉上第二喷嘴的分布示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本发明实施例的煤加氢气化方法，包括以下步骤：
将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉，第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围；
在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，获得第一合成气和第一副产物；在第二加氢气化反应环境内对第二类煤粉进行加氢气化反应，获得第二合成气和第二副产物。
在将本发明实施例的煤加氢气化方法应用于低阶弱粘接性煤种时，通过将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉，且第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围，使得第一类煤粉和第二类煤粉的组分(或组分比例)与原煤粉的组分(或组分比例)不同，粘度降低，在气化炉中的两个加氢气化反应环境内对第一类煤粉和第二类煤粉分别进行加氢气化反应，第一类煤粉的反应生成物中气态物质和液态物质的比例减少，而固态物质的比例增多，气固比例不平衡，而第二类煤粉的反应生成物中主要是气态物质，气固比例也不平衡，从而使得反应后的生成物不易生成胶质物，从而可解决加氢气化炉的喷嘴堵塞，内筒积碳超温的问题。
需要说明的是：上述第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围可为：
(1)第一类煤粉的分子量范围与第二类煤粉的分子量范围没有交集，如第一类煤粉包括大分子物质和中分子物质，其中，大分子物质指煤炭中的矿物质和形成煤炭的三维结构骨架——多碳结构，主要包括灰分，中分子物质主要包括蒽、菲、炔烃类、萘以及含有苯环的苯类等物质；第二类煤粉包括小分子物质，小分子物质包括烯烃类、烷基类物质；
(2)第一类煤粉的分子量范围与第二类煤粉的分子量范围有部分交集，如第一类煤粉包括大分子物质和化学性质较稳定的中分子物质，化学性质较稳定的中分子物质包括蒽、菲以及炔烃类物质；第二类煤粉包括小分子物质和部分结构不稳定的中分子物质，部分结构不稳定的中分子物质为苯、甲苯以及萘；
(3)第二类煤粉的分子量范围位于第一类煤粉的分子量范围内，如第一类煤粉包括大分子物质、中分子物质以及小分子物质，如第一类煤粉包括原煤的各种组分，第二类煤粉仅包括原煤中的小分子物质。
可选地，上述将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉具体包括：利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉。该方法可快速将煤粉分为第一类煤粉和第二类煤粉。
进一步地，在将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉前，上述煤加氢气化方法还包括：将第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉。即在加热条件下，将第一类煤粉中化学性质不稳定的组分进行分子结构转换，转换后的组分分子量减小，增加了第二类煤粉的量。
进一步地，将第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉具体包括：以萃取溶剂为反应环境，将第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉。即第一类煤粉所含有的部分结构不稳定的组分在加热条件下产生化学反应(如化学键断裂，裂解)，反应后的生成物可溶解在萃取溶剂中，即经热萃取后，第一类煤粉的总量减少，第二类煤粉的总量增加，使得低阶煤反应后的挥发组分增多，增加了甲烷的产量。
进一步地，在上述第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，还包括：至少将第一合成气和第一副产物所含有的热量作为补充热量提供给第二加氢气化反应环境。该方法回收了第一类煤粉反应后产生的高温气化物的余热，使得热量利用率较高，并且第二类煤粉能够降低第一合成气的温度。
可选地，上述以利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的步骤和以萃取溶剂为反应环境，将第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉可为同时进行的(也可为分别进行的)。
进一步地，上述利用萃取溶剂溶解煤粉所含有的第二类煤粉的加热条件、以及以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉的加热条件可为相同的(也可为不同的)。如，上述加热条件均为300～400℃。
同理，上述利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的反应时间和以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换的反应时间可相同(也可不同)，可根据具体煤种的类型，合理选择。如在本发明实施例的煤加氢气化方法中，上述的反应时间均为至少1个小时。
需要说明的是：上述利用萃取溶剂在加热条件溶解煤粉所含有的第二类煤粉，即第一类煤粉不溶于萃取溶剂，即在萃取溶剂中呈固态，第二类煤粉溶于萃取溶剂中，可通过离心、沉淀以及过滤等方法，将第一类煤粉和含有第二类煤粉的溶液分离。
可选地，上述萃取溶剂选自NaOH、HCl、N-甲基吡咯烷酮、轻质油中的任一种或几种。
需要注意的是：若萃取溶剂为NaOH、HCl或N-甲基吡咯烷酮，在溶解有第二煤粉的溶液中将第二类煤粉分离，可采用水或乙醇进行冲洗，最后加热将水分蒸发，即可获取第二类煤粉；若萃取溶剂为轻质油，在溶解有第二煤粉的溶液中将第二类煤粉分离，可采用反萃取或蒸馏方式，将轻质油与第二类煤粉分开，并采用乙醇清洗第二类煤粉，进一步提纯第二类煤粉，乙醇易混发容易回收，而所采用的轻质油可采用加氢气化产生的轻质油作为补充，不需要另外采用，成本较低，因此，优选地，本发明实施例采用轻质油作为萃取溶剂。
图2为本发明的一个具体的实施例，通过将原煤与萃取溶剂混合并加热至300～400℃，并保持1个小时以上，原煤中的小分子物质溶于萃取溶液中，部分结构不稳定的中分子物质的化学键断裂，形成小分子物质溶于萃取溶液中，获得萃取溶液和原煤混合物，通过离心沉淀或过滤获得第一类煤粉、以及第二类煤粉与萃取溶液混合物，再将第二类煤粉与萃取溶液混合物进行冲洗(或先蒸馏或反萃取后，再冲洗)，从而获得第二类煤粉。
本发明实施例还包括一种应用上述技术方案所述的煤加氢气化方法的加氢气化炉，包括筒体1，筒体1上间隔设有第一喷嘴2和第二喷嘴3，第一喷嘴2用于将第一类煤粉通入筒体1内，第二类煤粉用于将第二类煤粉通入筒体1内，如图3所示。
本发明实施例的加氢气化炉中不同位置的第一喷嘴2和第二喷嘴3，第一喷嘴2将第一类煤粉导入筒体1内，第二喷嘴3将第二类煤粉导入筒体1内，第一类煤粉和第二类煤粉在筒体1的不同位置处发生加氢气化反应，第一类煤粉的反应生成物中气态物质和液态物质的比例减少，而固态物质的比例增多，气固比例不平衡，而第二类煤粉的反应生成物中主要是气态物质，气固比例也不平衡，从而使得反应后的生成物不易生成胶质体，使得第一喷嘴2和第二喷嘴3不易堵塞，减少筒体1内出现积碳超温的问题。
上述筒体1包括间隔设置的内筒11和外筒12。可选地，在一些实施例中，第一喷嘴2和第二喷嘴3均设置在外筒12上，在内筒11上开设第一进料口和第二进料口，第一类煤粉从第一喷嘴2经第一进料口导入内筒11中，第二类煤粉从第二喷嘴3经第二进料口导入内筒11中的另一区域内。可选地，第一喷嘴2将第一类煤粉导入内筒11的顶部，第二喷嘴3将第二类煤粉导入内筒11的中下部或下部，第一类煤粉颗粒度较大，在内筒11中流动的时间较长，可充分进行加氢气化反应，而第二类煤粉颗粒度较小，可迅速极性加氢气化反应，虽然在内筒11中的流动时间较短，但仍可充分进行加氢气化反应。可选地，在另一些实施例中，第一喷嘴2具体用于将第一类煤粉导入内筒11中，第二喷嘴3用于将第二类煤粉导入外筒12和内筒11之间，如第一喷嘴2设置在内筒11上，第一喷嘴2的喷射方向朝向内筒11的内侧，第二喷嘴3设置在外筒12上，第二喷嘴3可将第二类煤粉导入外筒12与内筒11之间的间隙中，如图3所示。在上述实施例中第一类煤粉和第二类煤粉分别在内筒11和外筒12中进行加氢气化反应，可进一步减少胶质物的产生。
进一步地，参照图3，内筒11上开设有出口111，该出口111与外筒12连通，第一喷嘴2喷入的第一类煤粉在内筒11中进行加氢气化反应后，生成第一合成气和第一副产物，第一合成气和第一副产物的混合物经出口进入外筒12内。第一合成气和第一副产物的混合物进入外筒12与内筒11之间后，从第二喷嘴3喷入的第二类煤粉可回收该混合物中的余热进行加氢气化反应，热量利用率较高，且第二类煤粉对第一合成气具有一定的降温作用。
为了第二喷嘴3能够对第二类煤粉均匀输送，本发明实施例中第二喷嘴3为多个，多个第二喷嘴3沿外筒12的周向间隔分布，如图4所示，第二类煤粉可在外筒12与内筒11之间的间隙中形成均匀的气固分布，使第一类煤粉加氢气化反应后的第一合成气(包括气体CO、H2、CH4)以及第一副产物(包括半焦)能够与第二类煤粉充分接触，热传递较快，使第二类煤粉快速发生加氢气化反应。
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 (13)

1.一种煤加氢气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉，所述第一类煤粉的分子量分布范围大于第二类煤粉的分子量分布范围；
在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，获得第一合成气和第一副产物，在第二加氢气化反应环境内对第二类煤粉进行加氢气化反应，获得第二合成气和第二副产物。
2.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉具体包括：
利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉。
3.根据权利要求2所述的煤加氢气化方法，其特征在于，在所述将煤粉分成第一类煤粉和第二类煤粉前，所述煤加氢气化方法还包括：
将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉。
4.根据权利要求3所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉具体包括：
以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉。
5.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，在第一加氢气化反应环境内对第一类煤粉进行加氢气化反应，还包括：
至少将所述第一合成气和第一副产物所含有的热量作为补充热量提供给所述第二加氢气化反应环境。
6.根据权利要求4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的步骤和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换，获得第二类煤粉的步骤为同时进行的。
7.根据权利要求4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述利用萃取溶剂溶解煤粉所含有的第二类煤粉的加热条件和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分进行分子结构转换，获得第二类煤粉的加热条件均为300～400℃。
8.根据权利要求4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述利用萃取溶剂在加热条件下溶解煤粉所含有的第二类煤粉的反应时间和所述以萃取溶剂为反应环境，将所述第一类煤粉所含有的部分组分在加热条件下进行分子结构转换的反应时间均为至少1个小时。
9.根据权利要求2或4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述萃取溶剂选自NaOH、HCl、N-甲基吡咯烷酮、轻质油中的任一种或几种。
10.一种采用上述权利要求1～9中任一项所述的煤加氢气化方法的加氢气化炉，包括筒体，其特征在于，所述筒体上间隔设有第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴用于将第一类煤粉导入所述筒体内，所述第二喷嘴用于将第二类煤粉导入所述筒体内。
11.根据权利要求10所述的加氢气化炉，其特征在于，所述筒体包括间隔设置的内筒和外筒，所述第一喷嘴设置在所述内筒上，所述第一喷嘴的喷射方向朝向所述内筒的内侧，所述第二喷嘴设置在所述外筒上，所述第二喷嘴可将所述第二类煤粉导入所述外筒与所述内筒之间的间隙中。
12.根据权利要求11所述的加氢气化炉，其特征在于，所述内筒上开设有出口，所述出口与所述外筒连通。
13.根据权利要求11所述的加氢气化炉，其特征在于，所述第二喷嘴为多个，多个所述第二喷嘴沿所述外筒的周向间隔分布。
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JP2008169354A (ja) * 2007-01-15 2008-07-24 Nippon Steel Engineering Co Ltd 石炭の水素化熱分解方法及び装置
CN104388124A (zh) * 2014-11-05 2015-03-04 新奥科技发展有限公司 一种气流床气化装置
CN105462618A (zh) * 2015-12-08 2016-04-06 新奥科技发展有限公司 一种加氢气化炉、加氢气化系统和加氢气化方法

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