CN109652151B - 双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法，解决了现有技术中存在的气化炉结构复杂、碳转化率低以及甲烷含量低等技术问题。本发明通过采用两个耦合在一起的设有相同气体分布器的鼓泡床装置，包括以下步骤：原料煤及第一催化剂在鼓泡床气化炉中和气化剂接触并发生催化气化反应，生成合成气，合成气经分离、净化后作为甲烷化反应的反应气通入到甲烷化单元，在第二催化剂的作用下，反应生成富甲烷的产品气，少量的第二催化剂被产品气携带，经第二气固分离器分离后进入气化炉，作为气化反应的催化剂使用。该技术方案较好地解决了上述问题，可应用于煤制天然气领域。

Description

双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法
技术领域
本发明属于煤催化气化制甲烷的技术领域。具体涉及双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法。
背景技术
天然气是优质的燃料和重要的化工原料，具有安全可靠、绿色环保的优点。随着我国经济的快速发展以及城镇化步伐的加快，对天然气的需求日益增加。我国自身的天然气产量以无法达到天然气的需求量，供需矛盾日益突出，供应缺口唯有依赖进口得以弥补，极大程度上影响了我国的能源安全。我国又是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。将煤转化成天然气，是煤炭清洁高效利用的重要途径，因其能量转化率高，适合我国国情，成为当前煤化工领域的研究热点之一。
现有的煤制天然气技术可分为：两步法和一步法两种。两步法煤制天然气技术属于较为传统的技术，是先将煤转换成合成气(CO+H2)，再进行甲烷化得到SNG的方法，需要经历以下几个步骤：气化、变换冷却、净化、甲烷合成等。一步法煤制天然气技术是以煤为原料直接合成甲烷，在气化炉内通过催化剂实现气化、变换和甲烷化反应过程，得到富含甲烷的合成气。两步法煤制天然气技术由于涉及的单元繁多，设备结构相对较为复杂，从而投资成本非常高。
美国专利US4077778提出了一种煤一步法制甲烷的工艺，采用碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物为催化剂，通过过热蒸汽控制炉内反应温度在700℃左右，并与煤粉在催化剂的作用下进行反应，直接得到富甲烷气体。该工艺需要将过热蒸汽加热至850℃左右，能耗较高，碳转化率较低，在没有外供热的条件下难以维持反应温度，并且该技术尚处于研发阶段。中国新奥集团的专利CN102465047B提出了一种煤催化气化一步法制甲烷的工艺，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，提高了甲烷产率。然而气化炉内结构复杂，催化剂的回收难度大、成本高，并且该技术尚无工业化装置。
现有的一步法煤制天然气技术均处于研发或者放大阶段，还未形成工业化，系统碳转化率不高，且投资和运行成本也并未真正改善。因此，对于煤制天然气技术而言，不论是一步法还是两步法，如何提高碳转化率和甲烷产率，简化结构，实现气化炉稳定运行成为煤制天然气技术的发展关键。
发明内容
本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中结构复杂、碳转化率低的问题，本发明提出了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置，该装置主体是有两个相互连通的鼓泡床组成，在简化设备结构的同时，有效提高了碳转化率和甲烷产率。
本发明所解决的技术问题之二，是与技术问题一相对应的一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的方法。
为解决技术问题一，本发明提供了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：包括第一料斗)、气化炉2、第一气体分布器3、渣斗4、第二气体分布器5、甲烷化单元6、第二料斗7、第二气固分离设备8、第一气固分离设备9、灰斗10、气体净化单元11；气化炉2中部连接料斗1、气化炉2顶部及顶部侧面分别连接第二气固分离设备8固体出口以及第一气固分离设备9入口、气化炉2底部连接第一气体分布器3，第一气体分布器3底部与渣斗4相连，渣斗顶部侧面与第二气体分布器5相连接，第二气体分布器5顶部连接甲烷化单元6，甲烷化单元6中部设有第二料斗7、甲烷化单元6顶部与第二气固分离设备8入口相连接，第一气固分离设备9底部的固体出口连接灰斗10、第一气固分离设备9顶部的气体出口与气体净化单元11相连接。
上述技术方案中，气化炉2与甲烷化单元6采用相等的内径，气化炉2高度大于甲烷化单元6的高度，并且甲烷化单元6高度的1.5-2.0倍。
上述技术方案中，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20～120个圈气孔，开孔率1～6％。
所述的第一气体分布器3及第二气体分布器5均与水平轴线呈30°-60°的夹角。
为解决技术问题二，本发明提供了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.气化炉2中的反应：原料煤及第一催化剂A从第一料斗1加入至气化炉2中，并与来自第一气体分布器3的气化剂B发生催化气化反应，生成灰渣、飞灰以及合成气E，灰渣由于自身重力掉落至渣斗4中，而合成气E携带飞灰经第一气固分离设备9分离后，飞灰被灰斗10收集，合成气E被送入气体净化单元11处理，并被继续送至第二气体分布器5作为甲烷化单元6的反应物；
b.甲烷化单元6中的反应：第二气体分布器5将来自气化炉2中反应生成的合成气E送入至甲烷化单元6，并与第二料斗7送入的第二催化剂C接触，发生强烈的甲烷化反应生成富甲烷的产品气D，并由第二气固分离设备8分离后作为产品被收集，而大部分第二催化剂C经长周期运行失活后，落入到渣斗4，少部分细颗粒的第二催化剂C被产品气D携带经第二气固分离设备8分离后进入气化炉2作为气化反应催化剂使用。
所述的原料煤及第一催化剂A为煤与催化剂的混合物，所述的第一催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物；所述的第一催化剂的负载量占原料煤A的5～15％。
所述的气化剂B选自水蒸气与氧气的混合物或水蒸气与空气的混合物。
所述的第二催化剂C为耐硫甲烷化催化剂，选自负载在氧化硅上的含镍化合物或含铬化合物的共熔物。
所述的气化炉2及甲烷化单元6均采用鼓泡流化床方式，气化炉2线速为0.2-0.5m/s、操作温度为750-950℃，甲烷化单元6线速为0.15-0.4m/s、操作温度为600-750℃。
本发明的优点简介
本发明将气化和甲烷化反应通过双鼓泡床反应器耦合，在鼓泡床气化炉主要进行热解、燃烧和气化反应，产生高温合成气，在鼓泡床甲烷化单元主要进行甲烷化反应，通入气化产生的合成气作为该区的反应气，增大了气体产能，提高了甲烷收率。
采用本发明的技术方案通过双鼓泡床反应器层设置，气化单元的高度大于甲烷化单元，保证了在气化反应原料的停留时间足够长，使反应物的煤颗粒能够充分接触气化剂进行气化反应，保证了较高的碳转化率。可使反应器出口碳转化率可达93％，甲烷浓度达到37％，同时气化炉结构简单，较大程度上降低了设备费用，具有良好的应用前景。
附图说明
附图图1为本发明提供的双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置的示意图。
图中，1-第一料斗；2-气化炉；3-第一气体分布器；4-渣斗；5-第二气体分布器；6-甲烷化单元；7-第二料斗；8-第二气固分离设备；9-第一气固分离设备；10-灰斗；11-气体净化单元；A-原料煤及第一催化剂；B-气化剂；C-第二催化剂；D-产品气；E-合成气。
原料煤及第一催化剂A加入至气化炉2中与气化剂B发生气化反应生成灰渣、飞灰以及合成气B，合成气的气流向上进入第一气固分离设备9及气体净化单元11进行分离、净化，并继续进入到甲烷化单元6中作为反应原料气与第二催化剂C接触发生强烈的甲烷化反应生成富甲烷的产品气D，产品气D携带少量细颗粒第二催化剂C由第二气固分离设备8分离后，产品气D被收集，少量的第二催化剂C则进入气化炉2中作为催化剂催化气化反应的进程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明的特点。
【实施例1】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为88％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到23％，其结果详见表1。
【实施例2】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为90％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到30％，其结果详见表1。
【实施例3】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为91％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到30％，其结果详见表1。
【实施例4】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为92％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到33％，其结果详见表1。
【实施例5】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/铬的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到35％，其结果详见表1。
【实施例6】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈45°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/铬的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到36％，其结果详见表1。
【实施例7】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈45°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/(镍+铬)的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到37％，其结果详见表1。
【比较例1】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为83％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到17％，其结果详见表1。
【比较例2】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且气化炉内径为甲烷化单元内径的1.2倍，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.10m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为88％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到11％，其结果详见表1。
【比较例3】
该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且气化炉内径为甲烷化单元内径的0.8倍，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.13m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为83％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到14％，其结果详见表1。
【比较例4】
采用新奥集团提出的煤催化气化制甲烷的气化反应装置，实验所用的流化床反应器不变径，催化剂为10％的碳酸钾，操作温度900℃，气相线速度0.15m/s。实验得到的出口气体组分中甲烷含量19％，碳转化率85％，其结果详见表1。
【比较例5】
采用传统的两步法煤制甲烷工艺中煤气化反应装置，以鲁奇炉为例，反应温度800℃，气相线速度1.0m/s。实验得到的出口气体组分通过两步法中甲烷含量仅12％，碳转化率90％。
表1
Figure BDA0001431790220000081
Figure BDA0001431790220000091
表1(续)
Figure BDA0001431790220000092

Claims (11)

1.一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置，其特征在于：包括第一料斗(1)、气化炉(2)、第一气体分布器(3)、渣斗(4)、第二气体分布器(5)、甲烷化单元(6)、第二料斗(7)、第二气固分离设备(8)、第一气固分离设备(9)、灰斗(10)、气体净化单元(11)；气化炉(2)中部连接料斗(1)、气化炉(2)顶部及顶部侧面分别连接第二气固分离设备(8)固体出口以及第一气固分离设备(9)入口；气化炉(2)底部连接第一气体分布器(3)，第一气体分布器(3)底部与渣斗(4)相连，渣斗顶部侧面与第二气体分布器(5)相连接，第二气体分布器(5)顶部连接甲烷化单元(6)，甲烷化单元(6)中部设有第二料斗(7)、甲烷化单元(6)顶部与第二气固分离设备(8)入口相连接，第一气固分离设备(9)底部的固体出口连接灰斗(10)、第一气固分离设备(9)顶部的气体出口与气体净化单元(11)相连接，气体净化单元(11)的出口与第二气体分布器(5)的入口连接。
2.根据权利要求1所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：气化炉(2)与甲烷化单元(6)采用相等的内径，气化炉(2)高度大于甲烷化单元(6)的高度，并且是甲烷化单元(6)高度的1.5-2.0倍。
3.根据权利要求1所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置，其特征在于：第一气体分布器(3)及第二气体分布器(5)均采用相同的孔板式分布器，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20～120个圈气孔，开孔率1～6％。
4.根据权利要求1所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置，其特征在于：第一气体分布器(3)及第二气体分布器(5)均与水平轴线呈30°-60°的夹角。
5.一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，采用权利要求1-4所述的任意一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置，其特征在于，包括以下步骤：
a.气化炉(2)中的反应：原料煤及第一催化剂(A)从第一料斗(1)加入至气化炉(2)中，并与来自第一气体分布器(3)的气化剂(B)发生催化气化反应，生成灰渣、飞灰以及合成气(E)，灰渣由于自身重力掉落至渣斗(4)中，而合成气(E)携带飞灰经第一气固分离设备(9)分离后，飞灰被灰斗(10)收集，合成气(E)被送入气体净化单元(11)处理，并被继续送至第二气体分布器(5)作为甲烷化单元(6)的反应物；
b.甲烷化单元(6)中的反应：第二气体分布器(5)将来自气化炉(2)中反应生成的合成气(E)送入至甲烷化单元(6)，并与第二料斗(7)送入的第二催化剂(C)接触，发生强烈的甲烷化反应生成富甲烷的产品气(D)，并由第二气固分离设备(8)分离后作为产品被收集，而大部分第二催化剂(C)经长周期运行失活后，落入到渣斗(4)，少部分细颗粒第二催化剂(C)被产品气(D)携带经第二气固分离设备(8)分离后进入气化炉(2)作为气化反应催化剂使用。
6.根据权利要求5所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：所述的原料煤及第一催化剂(A)为煤与催化剂的混合物，所述的第一催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物。
7.根据权利要求5所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：气化剂(B)选自水蒸气与氧气的混合物或水蒸气与空气的混合物。
8.根据权利要求5所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：第二催化剂(C)为耐硫甲烷化催化剂。
9.根据权利要求8所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：第二催化剂(C)选自负载在氧化硅上的含镍化合物或含铬化合物的共熔物。
10.根据权利要求5所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：气化炉(2)操作温度为750-950℃、甲烷化单元(6)操作温度为600-750℃。
11.根据权利要求5所述的双鼓泡床煤催化气化制甲烷方法，其特征在于：气化炉(2)及甲烷化单元(6)均采用鼓泡流化床方式，气化炉(2)线速为0.2-0.5m/s，甲烷化单元(6)线速为0.15-0.4m/s。
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