CN109401796B - 高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法，主要解决现有技术中存在的碳转化率和气化强度低、甲烷产率偏低、排渣难以及粉煤利用率低的问题。本发明通过一种高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法，负载催化剂的含碳原料在热解炉中进行热解，热解后的焦油气经过分离后收集，负载催化剂的半焦颗粒与气化剂在第一反应区中进行燃烧与气化反应，随后进去第二反应区中进行气化反应，接着产生的合成气以及未完成反应的含碳颗粒在第三反应区进一步气化反应，反应后的含碳颗粒与部分催化剂继续返回热解炉中，反应区底部的灰渣在分级排渣装置中通过声发射监测后有序地被间歇排渣的技术方案，较好的解决了上述技术问题，可应用于煤炭分级转化的工业生产中。

Description

高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法
技术领域
本发明涉及一种高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法。
背景技术
我国是一个煤炭大国，拥有丰富的煤炭资源，随着我国经济的快速发展，煤炭的生产量和消费量节节攀升，2014年我国的煤炭产量达到38.7亿吨，接近世界产量的二分之一。我国已经成为全球最大的煤炭生产国和煤炭消费国。煤炭的直接燃烧利用中释放大量的污染物，导致我国许多地区雾霾频发，严重影响着环境问题。
煤气化是煤炭高效、清洁利用的核心技术，是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料、合成天然气(SNG)、IGCC 发电、制氢、工业燃气及多联产系统等过程工业的基础。我国是世界上最大的煤气化技术应用市场。目前，多种煤气化技术已成功实现工业化应用，均采用非催化气化技术，以高温高压为代价提高碳转化率，这就带来了煤气冷却强度大、气体净化困难、能耗高、对设备要求苛刻等问题。然而，煤的催化气化过程不仅提高了气化反应速率，同时也显著降低了气化反应温度，使煤的温和气化过程得以实现。同时也可以进行许多合成过程，在催化剂的作用下，可在煤气化的同时合成甲烷、甲醇、氨等化工原料，缩短了工艺流程。其中通过煤催化气化的方法直接制取富含甲烷的合成气，是煤催化气化的一个重要研究方向。
在煤气化技术的反应器方面，当前较为广泛的属于气流床气化技术。但是这种技术须使用低灰熔点(＜1350℃)和低灰含量(＜10～15％)的优质煤炭，而解决高灰熔点煤的方法通常是加入10～30％的助熔剂，使得进料的灰份更高，影响其操作性和经济性。同时，气流床熔渣气化技术过高的操作温度使气流床的投资、维修和操作成本提高。美国电力研究院(EPRI) 的研究报告指出，现有工业气流床气化炉不适合高灰、高灰熔点煤的气化，世界需要工业化的流化床气化技术。流化床技术无论燃烧或气化均具有适应高灰熔点、高灰煤种的本性，循环流化床锅炉已成功燃烧煤矸石即为明证。
专利CN201010279560.7公布了一种多层流化床催化气化制甲烷工艺，将气化炉分为合成气产生段、煤甲烷化段和合成气甲烷化段。使燃烧、气化、甲烷化反应和热解反应分段进行，控制各段的反应程度和温度分布，从而提高甲烷产率。然而气化炉上方的热解段中，细小的粉煤未经反应就从气化炉跑出，使得飞灰的碳含量较高，并且未反应完全的煤焦返混至气化炉底部渣口，直接从气化炉排出，导致反应过程中的碳转化率较低。气化炉内煤焦颗粒停留时间为2~3h时，碳转化率基本维持在60~90%的范围内。
专利CN101942344A公开了一种多段分级转化流化床煤气化的方法及装置是由备煤、供气、气化、排渣、及细粉输送所组成，多段分级转化流化床气化装置是由熔聚灰分离单元，多段分级流化床热解气化反应器，半焦细粉循环输送单元组成,具有气化炉体积利用率高、处理量大、总碳利用率高的特性，适合煤分级转化集成系统，且可单独使用生产适合于大规模煤基甲烷合成及煤化工用煤气。该技术的分级气化并没有完全地利用由热解出来的焦油气，在煤质分级利用方面没有更高效地利用附加值较高的焦油气；另外一方面，该技术在排渣技术采用的融聚灰选择性分离后再干式排渣，这种技术较前人的技术有了质的突破，稳定性较高，但是由于在反应器内造渣的过程无法控制结渣的位置与大小，同时排渣过程中，由于结构的制约，无法完全地分离半焦与灰渣，因此会造成排渣效率不高，渣内碳含量不低，总体碳转化率不高。
如何实现气化原料本地化，开发出适合不同煤种特性、下游产品的气化炉对我国的煤化工发展至关重要。现有气化技术的提级，实现煤炭的分级转化，将不同技术集成优化也是煤气化技术发展的一个重要趋势。同时也需要开发出适合除煤炭以外含碳固体物质的气化技术，包括生物质、液化残渣、石油残渣及含碳固体废弃物等。
综上所述，煤催化气化技术由于需考虑甲烷化反应，其反应温度较低，导致反应速率和碳转化率降低，气化炉底部粗渣的直接排放，在较大程度上也影响着碳转化率的提升，从能量的利用率而言，焦油的直接燃烧气化，造成能量与经济的较大浪费，而碳转化率较低时，残炭的热值并未完全利用。因而有必要开发一种能够提高碳转化率并提高气化强度、甲烷产率以及粉煤利用率高的煤分级转化方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中存在的碳转化率和气化强度低、甲烷产率偏低、排渣难以及粉煤利用率低的问题，提供一种新的高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法。该方法中流化床反应器具有碳转化率高、气化强度高、甲烷产率高、排渣可控、稳定且高效以及气化炉运行稳定的特点，保证反应的高效与稳定。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的反应方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种高效分级转化组合流化床反应装置及反应方法，主要设备包括：第一反应区5、第二反应区6、第三反应区7、热解炉9以及分级排渣装置4，其中第一反应区5上端缩径后与第二反应区6底部相连通，第二反应区6上端扩径后与第三反应区7底部相连通，第三反应区7与热解炉9通过旋风分离器相连通，热解炉9与第一反应区5通过第一返料机构11相连通，分级排渣装置4与第一反应区5相连通。
上述技术方案中，所述第一反应区5与第三反应区7直径是第二反应区6直径的1.5~6倍。所述分级排渣装置4由上下两段不同筒径的排渣装置组成，所述上段排渣装置直径是下段排渣装置直径的2~10倍，所述分级排渣装置4内设有分级挡板，所述分级挡板的型式为多孔挡板、斜挡板、格栅挡板或环核挡板。上述技术方案中，优选的技术方案是分级挡板为环核挡板。上述技术方案中，优选的上段排渣装置直径是下段排渣装置直径的7~10倍。
所述分级排渣装置4边壁与声发射导波杆14相连接，声发射信号首先传播给声发射检测系统2中的导波杆14。所述声发射检测系统2由导波杆14、探头15、放大器16、声信号采集处理仪17与计算机18组成。所述第一返料机构11与第二返料机构10为非机械返料机构，所述非机械返料机构型式为U阀、J阀、L阀或W阀。上述技术方案中优选的非机械返料机构型式为W阀。所述W阀由返料管20、阻力管21、斜管22与立管23组成；所述返料管20底部设有返料管充气风I；阻力管21底部设有阻力管充气风J；所述返料管20、阻力管21与斜管22的管径是立管23管径的0.5~1倍；所述W阀的返料角α与阻力角β为45°~75°，且返料角α大于或等于阻力角β。上述技术方案中优选的W阀的返料角与阻力角为60°~75°，阻力管21与斜管22的管径是立管23管径的0.7~1倍。为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种高效分级转化组合流化床反应方法，采用高效分级转化组合流化床反应装置，包括如下几个步骤：
a、负载催化剂的含碳原料G进入热解炉9中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉9与旋风分离器8内进行分离后，煤焦油F进入后续设备进行净化与分离；
b、分离后的半焦分别流经第一返料机构11与第二返料机构10，与气化剂H同时进入第一反应区5进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置4中，经过颗粒分级后，通过声发射检测系统2监测出内部的颗粒流动状态，再有序控制底部闭锁料斗1排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置4的上部流入第一反应区5的上端继续参与反应；
c、第一反应区5中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区6中与注入的二次气化剂C混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区7中进一步气化反应；
d、反应生成的粗煤气E经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉9中，为负载催化剂的含碳原料G热解提供热量。
上述技术方案中，所述催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属中的至少一种；所述催化剂以浸渍法、干混法或离子交换法方式负载在含碳原料上；所述催化剂的负载量占原煤质量的0.1~20%。所述第一反应区5的反应条件为：反应压力0~6.5MPa、反应温度800~1200℃、气相线速度0.1~2.0m/s，所述第一反应区5内的流态为湍动流态化；所述第二反应区6的反应条件为：反应压力0~6.5MPa、反应温度800~1300℃、气相线速度2.0~15.0m/s，所述第二反应区6内的流态为快速流态化；所述第三反应区7的反应条件为：反应压力0~6.5MPa、反应温度600~1000℃、气相线速度0.1~1.0m/s，所述第三反应区7内的流态为湍动流态化或鼓泡流态化；所述热解炉9内的操作温度比第三反应区7内的温度低100-300℃；所述分级排渣装置4内下段筒体内气相线速度为0.8~3m/s，上段筒体内气相线速度为0.1~0.3m/s；所述W阀中返料管20底部的返料管充气风I与阻力管21底部设有阻力管充气风J的充气压力小于或等于立管23内底部的压力。所述含碳原料选自煤、石油焦、生物质中的至少一种，所述气化剂选自氧气、空气、液态水、水蒸气、二氧化碳或氢气中的至少一种。
本发明中第一反应区5中进入的是热解后的半焦与气化剂，该反应器中以燃烧反应为主，以及部分气化反应。第一反应区中气固两相流动状态为湍动流态化，内部为颗粒浓度较高，湍动床的气固接触效率很高，因而导致燃烧反应速率较快，有助于碳的高效转化。燃烧反应产生的热量用来提供气化反应区中热量的消耗和热损，并为气化反应提供了必要的热量与气化剂。
本发明中第二反应区6中进入的是未反应完的含碳颗粒、气化剂以及部分CO、H2、CO2等粗煤气，该反应器中以气化反应为主，以及部分变换反应、甲烷化反应。为了强化在第二反应区6中的气化反应，可以在第二反应区6底部补充通入二次气化剂C。因此，第二反应器中由于线速较高，气固比比较高，水碳比也偏高，温度控制在800-1300℃范围内，气化反应非常剧烈。含碳原料与返回的含碳颗粒在催化剂的作用下，由于反应器内气固两相流动状态为快速流态化的状态，气体的含量非常高，气固接触效率也很高，因而导致气化反应速率更快，提高了碳转化率和残炭的利用率。
本发明中第三反应区7中主要进行变换反应与甲烷化反应，以及部分气化反应。由第二反应区6中流入的气体组分中CO、H2、CO2、H2O和CH4同时存在，同时在粗反应器5底部通入循环合成气循环合成气是由本系统产出的气体，经过净化与分离系统后，经CO2吸收装置，除去CO2气体后的合成气，提高了第三反应区7内CO与H2的含量，稀释了CO2的含量，促进了变换反应的平衡向右移动，提高了H2/CO的比例，且第三反应区7内气相线速较低，气固流态为鼓泡或湍动流动，气固比较第二反应区6内要低很多，且温度控制在600-1000℃范围内，促进了甲烷化反应平衡的移动，提高了出口CH4产率。
本发明中热解炉9选择反应器为鼓泡流化床或湍动流化床，床内气相线速控制在0.1-1m/s，炉内的热源来自于由气化反应后的高温固体热载体含碳颗粒与灰渣从第三反应区7中带来的，温度控制在比气化反应器第三反应区7内的温度低100-300℃，在催化剂的作用下进行中高温的含碳原料的热解，可以非常容易取得想得到的焦油产物与煤气产物。这部分焦油在现有技术中，由于技术的限制，一般被直接在气化反应器中直接烧掉；如果在没有催化剂的作用下，热载体颗粒由气化炉返回的颗粒热量无法达到高温热解的效果，同样损失较大量的焦油。而在褐煤为原料的气化反应中，褐煤的焦油含量非常高，如果这部分焦油不提取出来而直接烧掉，对经济的影响非常大，因此本发明通过对褐煤在催化剂的作用下先高温热解，提取出绝大部分的焦油作为产物。本发明在催化剂的作用下，强化了含碳原料在中高温的条件下迅速产出焦油与煤气同时生成半焦的热解条件。鼓泡流化床热解炉9中的流化风主要来自于气化反应中的由CO2吸收装置吸收而来的CO2产物，省却了额外需要制取CO2的经费。而优选鼓泡流化床或湍动流化床作为热解装置，热传递效率比传统的移动床技术要高很多，且不易堵塞结块。
本发明中的主要反应器与循环系统装置为成熟的循环流化床系统，内部温度控制较容易，气固接触效率高，传质传热强。所述第一返料机构11与第二返料机构10为非机械返料机构，所述非机械返料机构型式为U阀、J阀、L阀，不容易泄漏堵塞。整体结构简单，设备成熟，不容易出现磨损与泄漏。
本发明中所述第一返料机构11与第二返料机构10为非机械返料机构，所述非机械返料机构型式优选为W阀。循环流化床系统内的颗粒循环速率是影响整个粉煤气化处理量的关键参数，单位面积单位时间通过返料机构的半焦颗粒直接关系到气化的强度与处理量，因此在加压条件下满足了进入反应器内的气化剂的量外，能够有序补给足够量的半焦是技术难点与关键。通用的非机械阀受限于阀前阀后压降的影响，同时担心通入气量太多容易造成立管与顶部的旋风分离器串气，因此颗粒循环速率的操作阈较窄。而W阀有效提高了颗粒循环速率的提高，同时避免了气体的反串，能够起到稳定高通量循环的作用。
本发明中所述分级排渣装置4的作用是可控、有序、高效地排出反应器内的灰渣。现由排渣技术中，由于在反应器内造渣的过程无法控制结渣的位置与大小，同时排渣过程中，由于结构的制约，无法完全地分离半焦与灰渣，因此会造成排渣效率不高，渣内碳含量不低，从而使得总体碳转化率不高。本发明的分级排渣装置4是利用含碳颗粒与灰渣通过其本身的流化特性的不同，通过上下两段或者多段不同直径的流化床轴向串联，再加上挡板的强化离析分级。
本发明采用的声发射检测系统2由导波杆14、探头15、放大器16、声信号采集处理仪17与计算机18组成，声发射检测系统2是用来监测分级排渣装置4内颗粒的流动状态，分级排渣装置4流化床内部的声发射信号通过导波杆14传播至探头15中，信号经过放大器16信号放大后，由声信号采集处理仪17采集下来后，再由计算机18储存。由于声波信号能够直接反应流化床内部的流化状态以及内部颗粒与器壁之间的碰撞状态，而灰渣与含碳颗粒与器壁的碰撞所反馈的信号明显在信号的频率与能量方面存在着差异，因此可以根据小波分析，通过小波包尺度内的能量分率作为特征值来判断分级排渣装置4内的颗粒分级是否完成，待完成后再打开闭锁料斗1的阀门，顺利排出含碳量很低的灰渣。
本发明的反应装置系统中原本为废气的CO2产物得到了充分利用，热解的能量也是由气化反应中传递过来，由于催化剂的加入，使得整个系统的温度都在一个较低的水平，因此本发明在经济性与安全性方面都比现有技术有所提高。
采用本发明的技术方案，相比现有技术，能够有序排渣，排渣效率高，同时具有颗粒循环速率高、碳转化率高、甲烷产率高、增产焦油、排渣效率高以及粉煤利用率高的特点，排出灰渣内碳含量降低了2.7%，颗粒循环速率提高了20%。保证反应的高效与稳定，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为本发明所述声发射检测系统流程示意图；
图3为本发明所述W阀的结构示意图。
图1中，1为闭锁料斗；2为声发射检测系统；3为挡板；4为分级排渣装置；5为第一反应区；6为第二反应区；7为第三反应区；8为旋风分离器；9为热解炉；10为第二返料机构；11为第一返料机构。A为灰渣；B为分级排渣装置的流化风；C为二次气化剂；D为循环合成气；E为粗煤气；F为煤焦油；G为负载催化剂的含碳原料；H为气化剂，包括氧气、空气、液态水、水蒸气、二氧化碳或氢气及其混合物。
负载催化剂的含碳原料G进入热解炉9中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉9与旋风分离器8内进行分离后，煤焦油F进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构11与第二返料机构10，与气化剂H同时进入第一反应区5进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置4中，经过颗粒分级后，通过声发射检测系统2监测出内部的颗粒流动状态，再有序控制底部闭锁料斗1排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置4的上部流入第一反应区5的上端继续参与反应；第一反应区5中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区6中与注入的二次气化剂C混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区7中进一步气化反应；反应生成的粗煤气E经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉9中，为负载催化剂的含碳原料G热解提供热量。
图2中，2为声发射检测系统；4为分级排渣装置；14为导波杆；15为探头；16为放大器；17为声信号采集处理仪；18为计算机。
图3中，5为第一反应区；20为返料管；21为阻力管；22为斜管；23为立管。图中I为返料管充气风；J为阻力管充气风。α为返料角；β为阻力角。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度21.8%，出口碳转化率达到96.8%，焦油含量6.7%，结果详见表1。
【实施例2】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为300mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为300 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.7%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度22.3%，出口碳转化率达到97.2%，焦油含量6.5%。
【实施例3】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为150mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为150 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.6%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度22%，出口碳转化率达到97.1%，焦油含量6.5%。
【实施例4】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为800℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.1%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度21.5%，出口碳转化率达到97.3%，焦油含量6.7%。
【实施例5】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm，温度为1500℃。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为0.55%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度29.9%，出口碳转化率达到98%，焦油含量6.3%。
【实施例6】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为2，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.6%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度21.6%，出口碳转化率达到96.3%，焦油含量6.7%。
【实施例7】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为10，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.4%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度21.8%，出口碳转化率达到96.8%，焦油含量6.7%。
【实施例8】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为8，装置内设有环核挡板，不设置声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.45%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度21.6%，出口碳转化率达到96.6%，焦油含量6.7%。
【实施例9】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为1，返料角与阻力角角度为60°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为39kg/m2·s，出口CH4浓度22.7%，出口碳转化率达到97.2%，焦油含量6.9%，结果详见表2。
【实施例10】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为0.7，返料角与阻力角角度为60°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为38kg/m2·s，出口CH4浓度22.5%，出口碳转化率达到97.1%，焦油含量6.9%。
【实施例11】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为0,5，返料角与阻力角角度为60°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为36kg/m2·s，出口CH4浓度22.4%，出口碳转化率达到96.9%，焦油含量6.9%。
【实施例12】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为1，返料角与阻力角角度为75°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为36kg/m2·s，出口CH4浓度22.3%，出口碳转化率达到97%，焦油含量6.9%。
【实施例13】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为1，返料角与阻力角角度为45°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为35kg/m2·s，出口CH4浓度22.3%，出口碳转化率达到96,8%，焦油含量6.9%。
【实施例14】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为1，返料角角度为60°，阻力角角度为75°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比小于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为33kg/m2·s，出口CH4浓度22.1%，出口碳转化率达到96.7%，焦油含量6.9%。
【实施例15】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板。返料机构采用W阀，W阀的返料管、阻力管与斜管的管径与立管管径之比为1，返料角与阻力角角度为60°，返料管充气风与阻力管充气风的充气压力与立管内底部的压力之比等于1。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.5%，颗粒循环速率为33kg/m2·s，出口CH4浓度22.1%，出口碳转化率达到96.7%，焦油含量6.9%。
【实施例16】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过声发射检测系统监测出内部的颗粒流动状态，再有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。分级排渣装置上段直径与下段直径之比为7，装置内设有环核挡板，设有声发射检测系统。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为0.48%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度22.1%，出口碳转化率达到99.1%，焦油含量6.7%，结果详见表3。
【实施例17】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒采用灰融聚排渣；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。采用灰融聚排渣，设有声发射检测系统。返料机构采用U阀。排渣装置底部排出灰渣内碳含量为1.05%，颗粒循环速率为30kg/m2·s，出口CH4浓度20%，出口碳转化率达到94.1%，焦油含量6.6%。
【比较例1】
负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置中，经过颗粒分级后，通过声发射检测系统监测出内部的颗粒流动状态，再有序控制底部闭锁料斗排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置的上部流入第一反应区的上端继续参与反应；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。采用灰融聚技术排渣。返料机构采用U阀。分级排渣装置底部排出灰渣内碳含量为3.2%，颗粒循环速率为30kg/m2·s，出口CH4浓度19.7%，出口碳转化率达到92.6%，焦油含量6.6%。
【比较例2】
反应流程如下：负载催化剂的含碳原料进入热解炉中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉与旋风分离器内进行分离后，煤焦油进入后续设备进行净化与分离；分离后的半焦分别流经第一返料机构与第二返料机构，与气化剂同时进入第一反应区进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒灰渣灰采用锅炉干式固态排渣技术从底部排出灰渣；第一反应区中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区中与注入的二次气化剂混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区中进一步气化反应；反应生成的粗煤气经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉中，为负载催化剂的含碳原料热解提供热量。
实验选用内蒙褐煤，将其破碎制3mm以下得到粉煤并与5%的碳酸钾催化剂混合。第一反应区直径为75mm，温度为750℃；第二反应区直径为50 mm，温度为800℃；第三反应区直径为75 mm。催化剂的负载量占原煤质量的5%。热解炉选择鼓泡流化床，反应温度为600℃。采用锅炉干式固态排渣技术。底部排出灰渣内碳含量为8.3%，颗粒循环速率为32kg/m2·s，出口CH4浓度20.5%，出口碳转化率达到89.3%，焦油含量6.6%。
【比较例3】
采用现有技术中多层流化床催化气化制富甲烷气体的工艺中的气化反应装置，选用内蒙褐煤，粒径小于1mm，催化剂为15%的碳酸钾，操作压力2.5MPa，操作温度700℃，气相线速度1.2m/s。实验得到的出口气体组分中CO+H2含量60.2%，甲烷含量7.9%，碳转化率55%。
【比较例4】
采用现有技术中鲁奇炉为煤制甲烷工艺中煤气化反应装置，选用内蒙褐煤，粒径小于1mm，催化剂为15%的碳酸钾，操作压力2.5MPa，操作温度700℃，气相线速度1.2m/s。实验得到的出口气体组分中CO+H2含量64%，甲烷含量14.1%，碳转化率91.7%。
表1
Figure 728909DEST_PATH_IMAGE001
表2
Figure 177208DEST_PATH_IMAGE002
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE003

Claims (8)

1.一种高效分级转化组合流化床反应装置，主要设备包括：第一反应区(5)、第二反应区(6)、第三反应区(7)、热解炉(9)以及分级排渣装置(4)，其中第一反应区(5)上端缩径后与第二反应区(6)底部相连通，第二反应区(6)上端扩径后与第三反应区(7)底部相连通，第三反应区(7)与热解炉(9)通过旋风分离器相连通，热解炉(9)与第一反应区(5)通过第一返料机构(11)相连通，分级排渣装置(4)与第一反应区(5)相连通；
所述第一反应区(5)与第三反应区(7)的直径相同；
所述第一反应区(5)与第三反应区(7)直径是第二反应区(6)直径的1.5～6倍；
所述分级排渣装置(4)由上下两段不同筒径的排渣装置组成，所述上段排渣装置直径是下段排渣装置直径的2～10倍，所述分级排渣装置(4)内设有分级挡板，所述分级挡板的型式为多孔挡板、斜挡板、格栅挡板或环核挡板。
2.根据权利要求1所述高效分级转化组合流化床反应装置，其特征在于，所述分级排渣装置(4)边壁与声发射导波杆(14)相连接，声发射信号首先传播给声发射检测系统(2)中的导波杆(14)。
3.根据权利要求2所述高效分级转化组合流化床反应装置，其特征在于，所述声发射检测系统(2)由导波杆(14)、探头(15)、放大器(16)、声信号采集处理仪(17)与计算机(18)组成。
4.根据权利要求1所述高效分级转化组合流化床反应装置，其特征在于，还包括旋风分离器(8)和第二返料机构(10)，所述第二返料机构(10)的入口通过旋风分离器(8)与连接热解炉(9)的气相出口相连通，所述第二返料机构(10)的出口连接第一返料机构(11)的入口，所述第一返料机构(11)与第二返料机构(10)为非机械返料机构，所述非机械返料机构型式为U阀、J阀、L阀或W阀。
5.根据权利要求4所述高效分级转化组合流化床反应装置，其特征在于，所述W阀由返料管(20)、阻力管(21)、斜管(22)与立管(23)组成；所述返料管(20)底部设有返料管充气风(I)；阻力管(21)底部设有阻力管充气风(J)；所述返料管(20)、阻力管(21)与斜管(22)的管径是立管(23)管径的0.5～1倍；所述W阀的返料角(α)与阻力角(β)为45°～75°，且返料角(α)大于或等于阻力角(β)。
6.一种高效分级转化组合流化床反应方法，采用权利要求4或5中的分级转化组合流化床反应装置，包括如下几个步骤：
(a)、负载催化剂的含碳原料(G)进入热解炉(9)中迅速热解，热解后的热解气与半焦在热解炉(9)与旋风分离器(8)内进行分离后，煤焦油(F)进入后续设备进行净化与分离；
(b)、分离后的半焦分别流经第一返料机构(11)与第二返料机构(10)，与气化剂(H)同时进入第一反应区(5)进行混合、燃烧与部分气化反应，反应后的大颗粒渣与部分未完全反应的含碳颗粒经过阀门控制进入分级排渣装置(4)中，经过颗粒分级后，通过声发射检测系统(2)监测出内部的颗粒流动状态，再有序控制底部闭锁料斗(1)排出大颗粒渣，而含碳颗粒则通过分级排渣装置(4)的上部流入第一反应区(5)的上端继续参与反应；
(c)、第一反应区(5)中反应后的含碳颗粒经过气体提升进入第二反应区(6)中与注入的二次气化剂(C)混合并强化气化反应，随后气体与含碳颗粒进入第三反应区(7)中进一步气化反应；
(d)、反应生成的粗煤气(E)经分离后净化收集，分离后的含碳颗粒与灰渣作为热载体进入热解炉(9)中，为负载催化剂的含碳原料(G)热解提供热量。
7.根据权利要求6所述的高效分级转化组合流化床反应方法，其特征在于，所述催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属中的至少一种；所述催化剂以浸渍法、干混法或离子交换法方式负载在含碳原料上；所述催化剂的负载量占原煤质量的0.1～20％。
8.根据权利要求6所述的高效分级转化组合流化床反应方法，其特征在于，所述第一反应区(5)的反应条件为：反应压力0～6.5MPa、反应温度800～1200℃、气相线速度0.1～2.0m/s，所述第一反应区(5)内的流态为湍动流态化；所述第二反应区(6)的反应条件为：反应压力0～6.5MPa、反应温度800～1300℃、气相线速度2.0～15.0m/s，所述第二反应区(6)内的流态为快速流态化；所述第三反应区(7)的反应条件为：反应压力0～6.5MPa、反应温度600～1000℃、气相线速度0.1～1.0m/s，所述第三反应区(7)内的流态为湍动流态化或鼓泡流态化；所述热解炉(9)内的操作温度比第三反应区(7)内的温度低100-300℃；所述分级排渣装置(4)内下段筒体内气相线速度为0.8～3m/s，上段筒体内气相线速度为0.1～0.3m/s；所述W阀中返料管(20)底部的返料管充气风(I)与阻力管(21)底部设有阻力管充气风(J)的充气压力小于或等于立管(23)内底部的压力。
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