CN109652152A - 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碳转化率低、甲烷产率低、能耗高、结构复杂的问题，本发明通过采用上下空间变径的鼓泡湍动床气化炉，包括以下步骤：原煤和催化剂在下层空间，与气化剂进行催化气化反应，气化反应产生的合成气在上层空间与部分循环合成气、催化剂混合，进一步强化甲烷化反应，从而产生富含甲烷的合成气的技术方案，而整个系统反应所产生的灰渣及CO、H2、CH4均循环返回至气化炉的不同位置，强化系统的整体碳转化率和甲烷产率，可应用于煤制天然气领域。
Description
技术领域
本发明属于煤炭气化领域，具体涉及一种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需要在不同的反应器内实现，因而造成各反应过程的温度和压力不相匹配，在系统内部循环时热损失较多，降低了系统的能源转化效率。而一步法煤制天然气技术有效解决了上述问题，实现了物流和热量的耦合，具有较高的经济性和可行性，因而成为煤制天然气领域的重要研究方向。
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。如何进一步提高气化炉的气化效率，降低投资和运行成本；简化炉膛结构，实现气化炉的自供热和稳定运行成为一步法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碳转化率低、甲烷产率低、能耗高、结构复杂的问题，本发明提出了一种煤催化气化制甲烷的装置，该装置主体仅由一个上下结构变径的流化床反应器构成，简化了炉膛结构，降低了设备投资，实现了物料、能量的充分利用，并且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，本发明提供了一种煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：包括鼓泡湍动床气化炉1、气固分离设备2、飞灰收集器3、气体净化分离单元4、渣斗5；鼓泡湍动床气化炉1底部连接渣斗5、鼓泡湍动床气化炉1顶部侧面连接气固分离设备2，气固分离设备2底部固体出口连接飞灰收集器3、气固分离设备2顶部气体出口与气体净化分离单元4相连接。
上述技术方案中，鼓泡湍动床气化炉1采用上下层管径变径设计，所述上层空间的内径大于所述的下层空间，并为下层空间内径的1.2倍至2倍之间；所述的上层空间的高度等于所述的下层空间。
优选地，所述上层空间的内径为下层空间内径的1.5倍至1.8倍之间；
上述技术方案中，鼓泡湍动床气化炉1上下两层均设有物料入口，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉1每层空间距顶部1/3-1/2处。
上述技术方案中，鼓泡湍动床气化炉1底部或底部侧面设有气化剂入口。
上述技术方案中，气体净化分离单元4将循环气体I(C)、产品气(D)以及循环气体II(E)进行分离；并将分离后的循环气体I(C)循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间、循环气体II(E)送至鼓泡湍动床气化炉1底部或底部侧面气化剂入口与气化剂F混合一起进行入炉膛；其中，循环气体I(C)为CO2，循环气体II(E)为CO和H2的混合气。
上述技术方案中，渣斗5中收集到的灰渣G任选地返回到鼓泡湍动床气化炉1上下层空间的任何一个物料入口。
为解决技术问题二，本发明提供了一种煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：原料煤A和催化剂B从鼓泡湍动床气化炉1下层空间的物料入口加入，并与气化剂F及循环气体II(E)接触，发生剧烈的催化气化反应，生成合成气和灰渣，灰渣由自身重力作用掉至渣斗(5)中，并从物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，合成气的气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉1上层空间，并与来自鼓泡湍动床气化炉1上层空间进入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下使合成气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；产品气携带着炉膛内细小的飞灰颗粒经过气固分离设备2进行分离，分离后的固体飞灰颗粒从气固分离设备2的固体出口掉落并由飞灰收集器3收集，而分离后的富甲烷的产品气进入到气体净化分离单元4做进一步净化和分离，得到循环气体I(C)、循环气体II(E)以及最终产品气，其中循环气体I(C)循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，循环气体II(E)与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应。
所述的催化剂B为选自碱金属碳酸盐、碱土金属碳酸盐、过渡金属氧化物或者其混合物；所述的催化剂的负载量占原料煤A的2.5～10％。
所述的鼓泡湍动床气化炉1下层空间操作温度为750-950℃、线速为0.6-0.9m/s；上层空间操作温度为600-750℃、线速为0.15-0.4m/s。
所述的气化剂F选自水蒸气与氧气的混合物或水蒸气与空气的混合物。
采用本发明的技术方案通过下层空间和上层空间的两层设置，上层空间的内径大于下层空间，保证了在气化反应处于密相区，使作为反应物的煤颗粒能够充分接触气化剂进行气化反应，而甲烷化反应处于稀相区，延长了气体的停留时间，保证了甲烷化反应达到平衡。可使反应器出口碳转化率可达96％，甲烷浓度达到33％，同时气化炉结构简单紧凑，实现了物流和热量的耦合，较大程度上降低了设备费用，降低了生产成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的下行床-湍动鼓泡床热解-气化一体化装置的示意图。
图中，1-鼓泡湍动床气化炉；2-气固分离设备；3-飞灰收集器；4-气体净化分离单元；5-渣斗；A-原料煤；B-催化剂；C-循环气体I；D-产品气；E-循环气体II；F-气化剂；G-灰渣。
原料煤A和催化剂B从鼓泡湍动床气化炉1下层空间的物料入口加入，并与气化剂F及循环的循环气体IICO2接触，发生剧烈的催化气化反应，生成合成气，合成气的气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉1上层空间，并在催化剂B的作用下使合成气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；经过气固分离设备2分离后的固体飞灰颗粒由飞灰收集器3收集，而富甲烷的产品气进入到气体净化分离单元4做进一步净化和分离，得到循环气体I、循环气体II以及最终产品气，其中，循环气体I循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，循环气体IICO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应。
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，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.4m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。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20％，其结果详见表1。
【实施例2】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。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24％，其结果详见表1。
【实施例3】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为94％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到29％，其结果详见表1。
【实施例4】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口分别设置于鼓泡湍动床气化炉上层空间与下层空间距各自顶部1/3及1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为94％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到28％，其结果详见表1。【实施例5】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为94％，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6】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.9m/s的线速下与来自气化炉底部侧面的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.23m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为95％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到31％，其结果详见表1。
【实施例7】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸锂负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.9m/s的线速下与来自气化炉底部侧面的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.23m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为95％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到32％，其结果详见表1。
【实施例8】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.8倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸锂负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.9m/s的线速下与来自气化炉底部侧面的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.23m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为95％，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9】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.8倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/2处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部侧面。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将5％的碳酸锂和5％的Fe2O3负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以950℃的操作温度以及0.9m/s的线速下与来自气化炉底部侧面的(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从上层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于750℃的操作温度以及0.23m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。整个系统中碳转化率为96％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到33％，其结果详见表1。
【比较例1】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径与下层空间内径相等，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.4m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。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16％，其结果详见表1。
【比较例2】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.2倍，且上层空间的高度为所述的下层空间的1.5倍，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.4m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。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16％，其结果详见表1。
【比较例3】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.2倍，且上层空间的高度为所述的下层空间的0.5倍，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.4m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CO2与气化剂F混合，被送入鼓泡湍动床气化炉1下层空间促进催化气化反应，而CH4则为最终主要气体产品。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14％，其结果详见表1。
【比较例4】
该实施例中，湍动鼓泡床气化炉上层空间的内径为下层空间内径的1.2倍，且上层空间的高度等于所述的下层空间，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉每层空间距顶部1/3处，而气化剂入口设置于鼓泡湍动床气化炉下层空间的底部。该实施例选用的催化剂为碳酸钾，将10％的碳酸钾负载至原料煤上，并将其混合物通过物料入口加入到鼓泡湍动床气化炉中，原料煤和催化剂的混合物在鼓泡湍动床气化炉下层空间，以750℃的操作温度以及0.6m/s的线速下与来自气化炉底部的气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气及灰渣，灰渣渣斗(5)收集，并从下层空间的物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉上层空间与上层空间物料入口加入的原料煤A和催化剂B接触，并在催化剂B的作用下，于600℃的操作温度以及0.4m/s的线速使合成气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；产品气经分离、净化后得到的CO+H2、CO2以及CH4，其中，CO+H2循环送入鼓泡湍动床气化炉1上层空间进一步促进甲烷化反应，CH4则为最终主要气体产品，而CO2不再循环进入炉膛。整个系统中碳转化率为89％，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5】
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6】
采用新奥集团PDU气化反应装置，原料采用褐煤，且添加10％碳酸钾作为催化剂，线速1m/s，操作温度800℃，气化得到的出口气体组分中甲烷含量14％，但其碳转化率为90％，其结果详见表1。
表1
表1(续)
Claims (10)
1.一种煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：包括鼓泡湍动床气化炉(1)、气固分离设备(2)、飞灰收集器(3)、气体净化分离单元(4)、渣斗(5)；鼓泡湍动床气化炉(1)底部连接渣斗(5)、鼓泡湍动床气化炉(1)顶部侧面连接气固分离设备(2)，气固分离设备(2)底部固体出口连接飞灰收集器(3)、气固分离设备(2)顶部气体出口与气体净化分离单元(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：鼓泡湍动床气化炉(1)采用上下层管径变径设计，所述上层空间的内径大于所述的下层空间，并为下层空间内径的1.2倍至2倍之间；所述的上层空间的高度等于所述的下层空间。
3.根据权利要求2所述的煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：鼓泡湍动床气化炉(1)上下两层均设有物料入口，物料入口均设置于鼓泡湍动床气化炉(1)每层空间距顶部1/3-1/2处。
4.根据权利要求1所述的煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：鼓泡湍动床气化炉(1)底部或底部侧面设有气化剂(F)入口。
5.根据权利要求1所述的煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：气体净化分离单元(4)将循环气体I(C)、产品气(D)以及循环气体II(E)进行分离；并将分离后的循环气体I(C)循环送入鼓泡湍动床气化炉(1)上层空间、循环气体II(E)送至鼓泡湍动床气化炉(1)底部或底部侧面气化剂入口与气化剂(F)混合一起进行入炉膛；其中，循环气体I(C)为CO2，循环气体II(E)为CO和H2的混合气。
6.根据权利要求1所述的煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：渣斗(5)中收集到的灰渣(G)任选地返回到鼓泡湍动床气化炉(1)上下层空间的任何一个物料入口。
7.一种煤催化气化制甲烷的方法，采用权利要求1-6所述的任意一种煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于，包括以下步骤：
原料煤(A)和催化剂(B)从鼓泡湍动床气化炉(1)下层空间的物料入口加入，并与气化剂(F)及循环气体II(E)接触，发生剧烈的催化气化反应，生成合成气和灰渣，灰渣由自身重力作用掉至渣斗(5)中，并从物料入口循环加入至鼓泡湍动床气化炉(1)作为催化介质，而合成气的气流向上进入到鼓泡湍动床气化炉(1)上层空间，并与来自鼓泡湍动床气化炉(1)上层空间进入的原料煤(A)和催化剂(B)接触，并在催化剂(B)的作用下使合成气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；产品气携带着炉膛内细小的飞灰颗粒经过气固分离设备(2)进行分离，分离后的固体飞灰颗粒从气固分离设备(2)的固体出口掉落并由飞灰收集器(3)收集，而分离后的富甲烷的产品气进入到气体净化分离单元(4)做进一步净化和分离，得到循环气体I(C)、循环气体II(E)以及最终产品气，其中，循环气体I(C)循环送入鼓泡湍动床气化炉(1)上层空间进一步促进甲烷化反应，循环气体II(E)与气化剂(F)混合，被送入鼓泡湍动床气化炉(1)下层空间促进催化气化反应。
8.根据权利要求7所述的煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于：所述的催化剂(B)选自碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物；所述的催化剂的负载量占原料煤(A)的2.5～10％。
9.根据权利要求7所述的煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于：鼓泡湍动床气化炉(1)下层空间操作温度为750-950℃、上层空间操作温度为600-750℃；下层空间的线速为0.6-0.9m/s、上层空间的线速为0.15-0.4m/s。
10.根据权利要求7所述的煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于：气化剂(F)选自水蒸气与氧气的混合物或水蒸气与空气的混合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190419 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |