CN109971511B - 煤加氢气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤加氢气化方法，该方法包括如下步骤：第一反应步骤，向气化反应装置的第一反应区输送粉煤、第一氢气和氧气以进行一次加氢热分解反应；第二反应步骤，一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气在气化反应装置的第二反应区进行半焦加氢反应；第一反应区与第二反应区在气化反应装置内由顶部至底部依次设置且相互连通；输出步骤，将第一反应区与第二反应区产生的反应产物排出。本发明中，通过一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应，能够保证半焦的充分反应，提高半焦的转化率，进而提高原煤一次转化率，从而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

Description

煤加氢气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，具体而言，涉及一种煤加氢气化方法。

背景技术

煤加氢气化反应是指在过量氢气和高温中压环境下，煤发生一系列化学反应，生成甲烷、一氧化碳等气体、高附加值油品以及半焦的过程。该反应过程可分为一次加氢热分解反应和二次反应，具体地，二次反应包括气相产物加氢裂解、聚合、固体半焦加氢等反应。其中，一次加氢热分解反应和二次反应中的气相反应速度相对较快，而二次反应中的固体半焦加氢的反应为慢反应，需要较长的反应时间才能获得较高的转化率。

然而，现有的煤加氢气化反应器多为气流床反应器，属平推流反应器，一次加氢热分解反应中的半焦和气体产物在反应区停留时间相同，只能保证气体产物的充分反应，但对于半焦而言，由于反应时间短，未充分反应就被带出反应区，造成半焦转化率低，影响系统整体经济性。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种煤加氢气化方法，旨在解决现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题。

本发明提出了一种煤加氢气化方法，该方法包括如下步骤：第一反应步骤，向气化反应装置的第一反应区输送粉煤、第一氢气和氧气以进行一次加氢热分解反应；第二反应步骤，一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气在气化反应装置的第二反应区进行半焦加氢反应；第一反应区与第二反应区在气化反应装置内由顶部至底部依次设置且相互连通；输出步骤，将第一反应区与第二反应区产生的反应产物排出。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，向第二反应区输送具有预设压力和预设温度的环流气，环流气带动半焦在第二反应区的边侧与中心之间循环运动以形成环流流场。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，环流气包括：第三氢气，第三氢气带动半焦运动以形成环流流场，并且，第三氢气与半焦进行半焦加氢反应。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，从第二反应区的底部向第二反应区内输送环流气，以带动半焦沿第二反应区的边侧向第二反应区的顶部运动再由第二反应区的中心向第二反应区的底部运动从而形成环流流场。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，气化反应装置包括：外筒、设置于外筒内的内筒，在内筒的外部且对应于第二反应区的底部罩设有壳体；向壳体内输送环流气，环流气在壳体内均匀分布后再输送至第二反应区。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，气化反应装置包括：外筒和设置于外筒内的内筒；通过控制内筒对应于第一反应区的高度和直径，以使半焦以预设速度由第一反应区输送至第二反应区。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，内筒对应于第一反应区的高度与直径之比大于3：1。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，通过控制内筒对应于第一反应区的直径和对应于第二反应区的直径以形成环流流场。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，内筒对应于第二反应区的直径与对应于第一反应区的直径之比大于2：1。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，气化反应装置包括：外筒和设置于外筒内的内筒；内筒内设置有溢流管，溢流管的第一端为自由端且置于第二反应区内，第二端依次穿设内筒和外筒且置于外筒的外部，以将反应产物排出；通过控制溢流管置于第二反应区内的高度和直径来控制环流流场的循环倍量。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，溢流管置于第二反应区内的高度与内筒对应于第二反应区的高度之比大于2：3，并且，内筒对应于第一反应区的直径与溢流管的直径之比大于2：1。

进一步地，上述煤加氢气化方法中，第二反应步骤中，将第一氢气与对应于第二反应区的气化反应装置进行换热，并将换热后的第一氢气输送至气化反应装置内。

本发明中，通过一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应，能够保证了半焦的充分反应，提高了半焦的转化率，解决了现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题，进而提高原煤一次转化率，从而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的煤加氢气化方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的气化反应装置的结构示意图；

图3为图2中A-A处的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的煤加氢气化方法的流程图。如图所示，煤加氢气化方法包括如下步骤：

第一反应步骤S1，向气化反应装置的第一反应区输送粉煤、第一氢气和氧气以进行一次加氢热分解反应。

具体地，参见图2，气化反应装置可以包括：内筒1、外筒2和气化喷嘴3。其中，内筒1设置于外筒2的内部，并且，内筒1的竖向轴线与外筒2的竖向轴线相重合。气化喷嘴3依次穿设外筒2的顶壁和内筒1的顶壁，气化喷嘴3的一端置于外筒2的外部，另一端置于内筒1的内部。气化喷嘴3向内筒1内输送煤粉、第一氢气和氧气。第一反应区4位于内筒1的上部。

工作时，第一氢气加热至一定温度后输送至气化喷嘴3，氧气与第一氢气发生贫氧燃烧，将第一氢气的温度提高至1100℃以上，再与煤粉在气化喷嘴3的出口处进行混合，将煤粉快速加热升温，通过控制氧气量将第一反应区4的反应温度控制在900-1000℃。在第一反应区4，煤粉与第一氢气发生一次加氢热分解反应，产生气体、油品和半焦。由于第一反应区4的温度较高，高温会造成反应产物的过度裂解，特别是油品的裂解，降低高附加值油品的收率，因此，反应产物在第一反应区4的停留时间较短，为3-10秒。

第二反应步骤S2，一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气在气化反应装置的第二反应区进行半焦加氢反应；第一反应区与第二反应区在气化反应装置内由顶部至底部依次设置且相互连通。

具体地，第二反应区位于内筒的下部。第二氢气可以为第一反应区输送的过量的第一氢气，也可以是，第二氢气包括：过量的第一氢气和一次加氢热分解反应中产生的氢气。半焦与第二氢气进行半焦加氢反应，生成甲烷气体和其他的产物。

输出步骤S3，将第一反应区与第二反应区产生的反应产物排出。

可以看出，本实施例中，通过一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应，能够保证了半焦的充分反应，提高了半焦的转化率，解决了现有的煤加氢气化反应中的半焦因反应时间短而无法充分反应导致转化率低的问题，进而提高原煤一次转化率，从而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

上述实施例中，第二反应步骤S2中，向第二反应区输送具有预设压力和预设温度的环流气，环流气带动半焦在第二反应区的边侧与中心之间循环运动以形成环流流场。

具体地，预设压力的环流气输送至第二反应区内，环流气在压差的作用下进行运动，带动了半焦一起运动，其运动轨迹为由第二反应区的边侧向第二反应区的中心处运动，再由第二反应区的中心向第二反应区的边侧处运动，从而形成了循环运动的环流流场。在环流循环过程中，半焦与第二氢气进行半焦加氢反应。因此，第一反应区为平推流反应区，第二反应区为环流反应区。

由于第一反应区中产物的温度较高，所以环流气再与第一反应区中的产物进行混合后，环流气的预设温度应能够对第二反应区的温度进行调节以保证半焦加氢反应的反应温度，进而避免第一反应区中一次加氢热分解反应产生的油品发生深层裂解。具体实施时，预设压力和预设温度均可以根据实际情况来确定，本实施例对此不作任何限制。

具体实施时，第一反应区的反应温度为900-1000℃，第二反应区的反应温度为700-900℃。在第二反应区，环流气的通入能够将第二反应区的温度控制在700-900℃，这样，一次加氢热分解反应产生的油品在第二反应区继续进行部分裂解，由于反应温度低，油品不会发生深层裂解，反应可生成轻质芳烃油品。

优选的，环流气包括：第三氢气。第三氢气带动半焦运动以形成环流流场，并且，第三氢气与半焦进行半焦加氢反应。这样，半焦能够与第二氢气和第三氢气均进行反应，保证了半焦的充分反应，大大提高了半焦的转化率。

可以看出，本实施例中，通过向第二反应区内输送环流气，环流气的流动带动半焦运动形成环流流场，使得半焦在第二反应区内循环，大大延长了半焦在第二反应区内的停留时间，保证了半焦加氢的充分反应，提高了半焦的转化率，并且，环流气的预设温度能够保证半焦加氢反应的反应温度，进而有效地减少一次加氢热分解反应产生的油品产物的二次裂解，环流气的预设压力能够使得环流气带动半焦运动形成环流流场。

上述实施例中，第二反应步骤S2中，从第二反应区的底部向第二反应区内输送环流气，以带动半焦沿第二反应区的边侧向第二反应区的顶部运动再由第二反应区的中心向第二反应区的底部运动从而形成环流流场。

具体地，环流气从第二反应区的底部输入，环流气带动半焦沿第二反应区的边侧向第二反应区的顶部运动，然后在第二反应区的顶部改变流向，从第二反应区的边侧到达第二反应区的中心处，然后，再沿第二反应区的中心处的顶部向第二反应区的底部运动，半焦按照上述运动轨迹进行循环运动，从而形成环流流场。

参见图2，内筒1的底部可以设置有多个喷嘴6，各喷嘴6均对应于第二反应区5的底部。各喷嘴6均向内筒1内输入环流气，则各喷嘴6输入的环流气是由第二反应区5的底部输送至第二反应区5内。内筒1的底壁开设有多个开孔，各喷嘴6与各开孔一一对应，各喷嘴6一一对应地穿设于各开孔，并且，各喷嘴6的出口端均置于内筒1内，更为具体地，各喷嘴6在内筒1内贴设于内筒1的内壁。每个喷嘴6的进口端均连接有一个连接管，每个连接管均穿设于外筒2且置于外筒2的外部，每个连接管均用于接收环流气，并将环流气输送给对应的喷嘴6，各喷嘴6将环流气输送至内筒1内。优选的，各喷嘴6沿内筒1的底壁呈圆周状均匀分布，能够使得各喷嘴6输送的环流气均匀地进入内筒1内，便于形成环流流场。

由于环流气具有预设压力，所以，各喷嘴6喷射出的环流气具有一定的速度，以便于形成环流流场。具体实施时，各喷嘴6喷射环流气的速度为大于15m/s。

可以看出，本实施例中，从第二反应区底部向第二反应区内输入环流气，便于环流气在第二反应区内循环流动，进而便于环流流场的形成。

上述各实施例中，第二反应步骤S2中，气化反应装置包括：外筒、设置于外筒内的内筒，在内筒的外部且对应于第二反应区的底部罩设有壳体。向壳体内输送环流气，环流气在壳体内均匀分布后再输送至第二反应区。

具体地，参见图1和图2，壳体8置于内筒1与外筒2之间，壳体8设置于内筒1底部的外部且置于外筒2的内部，壳体8对应于第二反应区5的底部。壳体8为封闭的结构，壳体8与内筒1的外壁围设成一个环形的腔体11。各喷嘴6均置于腔体11内，也就是说，各喷嘴6在内筒1底部的设置位置置于腔体11内。

气化反应装置还可以包括：输气管9。壳体8开设有气体入口，输气管9穿设于外筒2且与气体入口相连接，即输气管9的第一端置于外筒2的外部，输气管9的第二端置于外筒2的内部且与壳体8的气体入口相连接。输气管9向腔体11内输送环流气，环流气在腔体11内均匀分布后输送给各喷嘴6。

可以看出，本实施例中，预设压力的环流气利用压差在壳体内均匀分布，再将均匀分布的环流气输送至第二反应区内，能够有效地带动半焦运动，便于环流流场的形成。

上述各实施例中，第二反应步骤S2中，气化反应装置包括：外筒和设置于外筒内的内筒。通过控制内筒对应于第一反应区的高度和直径，以使半焦以预设速度由第一反应区输送至第二反应区。优选的，内筒对应于第一反应区的高度与直径之比大于3：1。

具体实施时，预设速度可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。

可以看出，本实施例中，通过控制内筒对应于第一反应区的高度和直径，能够保证半焦在第一反应区以平推流形式输出，并能够保证半焦以预设速度由第一反应区输送至第二反应区，进而在环流气的带动下形成环流流场。

上述各实施例中，第二反应步骤S2中，通过控制内筒对应于第一反应区的直径和对应于第二反应区的直径以形成环流流场。

具体地，内筒对应于第一反应区的直径D1小于内筒对应于第二反应区的直径D3，使得环流气由内筒的底部向上运动被第一反应区和第二反应区之间的变径段所阻挡，改变了环流气的流动方向，沿溢流管向下运动，从而形成环流流场。

优选的，内筒对应于第二反应区的直径D3与内筒对应于第一反应区的直径D1之比大于2：1，能够使得环流气在第二反应区内更好地改变流向，进而形成环流流场。

参见图2，内筒1对应于第二反应区5包括：变径段12和主体段13，变径段12和主体段13相互连通，并且，变径段12与第一反应区4相连通。由于内筒1对应于第一反应区4的直径小于内筒1对应于第二反应区5的直径，所以变径段12使得内筒1的内壁由第一反应区4平滑过渡至第二反应区5，内筒1对应于主体段13的直径即为内筒1对应于第二反应区5的直径D3。内筒1对应于变径段12的内壁与内筒1对应于主体段13的内壁之间具有预设夹角。优选的，该预设夹角为120℃-150℃。

更为优选的，内筒1对应于变径段12处为弧形段，以使内筒整体平滑流场，便于环流流场中环流气和半焦的循环流动。

上述各实施例中，第二反应步骤S2中，气化反应装置包括：外筒和设置于外筒内的内筒；内筒内设置有溢流管，溢流管的第一端为自由端且置于第二反应区内，第二端依次穿设内筒和外筒且置于外筒的外部，以将反应产物排出。

具体地，参见图2，溢流管7设置于内筒1内，溢流管7的第一端(图2所示的上端)为自由端，并且，溢流管7的第一端与第二反应区5的顶部具有预设距离。溢流管7的第二端(图2所示的下端)依次穿设内筒1的底壁和外筒2的底壁，并且，溢流管7的第二端置于外筒2的外部。则溢流管7悬设于内筒1内，并且，溢流管7置于第二反应区5内。具体实施时，预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。

通过控制溢流管置于第二反应区内的高度和直径来控制环流流场的循环倍量。优选的，溢流管置于第二反应区内的高度L与内筒对应于第二反应区的高度之比大于2：3，并且，内筒对应于第一反应区的直径D1与溢流管的直径D2之比大于2：1。具体地，溢流管7置于第二反应区5内的高度L即为溢流管7置于内筒1内的高度L。这样，能够有效地控制环流流场的形成和循环量，延长了半焦在第二反应区内的停留时间，提高了半焦的转化率。

工作时，在第一反应区4中的反应产物输送第二反应区5的过程中，由于内筒1对应于第一反应区4的直径与溢流管7的直径之间存在直径差，所以，一次加氢热分解反应产生的反应产物大部分被环流气携带进入环流流场中进行循环，另一部分则进入溢流管7。在第二反应区5，随着半焦加氢反应的进行，半焦的跟随性增强，半焦被气体夹带至溢流管7内，并且，环流流场中半焦加氢反应的其他产物也会进入溢流管7，即溢流管7将一次加氢热分解反应和半焦加氢反应中产生的反应产物输送至外筒2的外部。

可以看出，本实施例中，溢流管的设置能够将一次加氢热分解反应和半焦加氢反应的反应产物均排出，并且通过控制溢流管的高度和直径来控制环流流场的循环倍量，能够有效地控制环流流场的形成和循环量，延长了半焦在第二反应区内的停留时间，使得半焦与氢气进行充分的半焦加氢反应，提高了半焦的转化率。

上述各实施例中，第二反应步骤S2中，将第一氢气与对应于第二反应区的气化反应装置进行换热，并将换热后的第一氢气输送至气化反应装置内。

具体地，参见图2，气化反应装置还可以包括：盘管10。其中，盘管10置于外筒2和内筒1之间，盘管10绕设于内筒1的外壁，并且，盘管10对应于第二反应区5。盘管10的第一端穿设于外筒2，并且，盘管10的第一端置于外筒2的外部，盘管10的第一端用于接收第一氢气，以使第一氢气与第二反应区5处的内筒1进行换热。盘管10的第二端穿设于外筒2，并且，盘管10的第二端置于外筒2的外部且与气化喷嘴3相连通，盘管10的第二端用于将换热后的第一氢气输送至气化喷嘴3。

具体实施时，盘管10的第一端靠近第二反应区5的底部，盘管10的第二端靠近第二反应区5的顶部。

可以看出，本实施例中，通过盘管10将第一氢气与第二反应区处的内筒进行换热，不仅保证了半焦加氢反应的反应温度，确保了半焦加氢反应的进行，并避免了第一反应区中产生的油品深层裂解，而且，能够对第一氢气进行加热，将加热后的第一氢气输送至第一反应区，保证了第一反应区中一次加氢热分解反应的反应温度，提高了能源利用率。

综上所述，本实施例中，通过一次加氢热分解反应产生的半焦与一次加氢热分解反应中的第二氢气进行半焦加氢反应，能够保证了半焦的充分反应，提高了半焦的转化率，进而提高原煤一次转化率，从而提高了煤加氢气化反应整体的效率，提高了整体的经济性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种煤加氢气化方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一反应步骤，从气化反应装置的顶部向气化反应装置的第一反应区输送粉煤、第一氢气和氧气以进行一次加氢热分解反应；

第二反应步骤，所述一次加氢热分解反应产生的半焦与所述一次加氢热分解反应中的第二氢气在所述气化反应装置的第二反应区进行半焦加氢反应；所述第一反应区与所述第二反应区在所述气化反应装置内由顶部至底部依次设置且相互连通；

输出步骤，将所述第一反应区与所述第二反应区产生的反应产物排出；

所述第二反应步骤中，向所述第二反应区输送具有预设压力和预设温度的环流气，所述环流气在压差的作用下带动所述半焦由所述第二反应区的边侧向所述第二反应区的顶部运动，再由所述第二反应区的中心向所述第二反应区的底部运动以在所述第二反应区的边侧与中心之间循环运动而形成环流流场；

所述环流气从所述第二反应区的底部向所述第二反应区内输送；

所述气化反应装置包括：外筒和设置于所述外筒内的内筒；所述内筒内设置有溢流管，所述溢流管的第一端为自由端且置于所述第二反应区内，第二端依次穿设所述内筒和所述外筒且置于所述外筒的外部，以将所述反应产物排出。

2.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述环流气包括：第三氢气，所述第三氢气带动所述半焦运动以形成所述环流流场，并且，所述第三氢气与所述半焦进行半焦加氢反应。

3.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述第二反应步骤中，

所述气化反应装置包括：外筒、设置于所述外筒内的内筒，在所述内筒的外部且对应于所述第二反应区的底部罩设有壳体；

向所述壳体内输送所述环流气，所述环流气在所述壳体内均匀分布后再输送至所述第二反应区。

4.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述第二反应步骤中，

所述气化反应装置包括：外筒和设置于所述外筒内的内筒；

通过控制所述内筒对应于所述第一反应区的高度和直径，以使所述半焦以预设速度由所述第一反应区输送至所述第二反应区。

5.根据权利要求4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述内筒对应于所述第一反应区的高度与直径之比大于3：1。

6.根据权利要求4所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述第二反应步骤中，

通过控制所述内筒对应于所述第一反应区的直径和对应于所述第二反应区的直径以形成所述环流流场。

7.根据权利要求6所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述内筒对应于所述第二反应区的直径与对应于所述第一反应区的直径之比大于2：1。

8.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述第二反应步骤中，

通过控制所述溢流管置于所述第二反应区内的高度和直径来控制所述环流流场的循环倍量。

9.根据权利要求8所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述溢流管置于所述第二反应区内的高度与所述内筒对应于所述第二反应区的高度之比大于2：3，并且，所述内筒对应于所述第一反应区的直径与所述溢流管的直径之比大于2：1。

10.根据权利要求1所述的煤加氢气化方法，其特征在于，所述第二反应步骤中，

将所述第一氢气与对应于所述第二反应区的所述气化反应装置进行换热，并将换热后的第一氢气输送至所述气化反应装置内。

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