CN110172362B - 一种煤催化气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种煤催化气化方法，该方法包括如下步骤：对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧，气化灰渣和飞灰燃烧后得到热渣；将煤催化气化反应生成的粗煤气中的甲烷分离，粗煤气分离出甲烷后得到合成气；将热渣的热量提供给煤催化气化反应，以及使合成气参与甲烷化反应。本发明中，对气化灰渣和飞灰进行燃烧，燃烧所产生热渣会被输送回煤催化气化反应器中，从而使热渣为煤催化气化反应提供热量，实现了残碳的充分利用和热量回收。同时，还循环利用合成气，使合成气在煤催化气化反应器内甲烷化反应的过程中放热，从而维持煤催化气化反应器内热量平衡，以实现无氧气化工艺，并可以省去变换和甲烷化工段。

Description

一种煤催化气化方法
技术领域
本发明涉及煤催化气化技术领域，具体而言，涉及一种煤催化气化方法。
背景技术
煤催化气化制甲烷是最有效的气化工艺之一，现有技术一般采用850℃过热蒸汽作为热源，并且利用炉内产生的合成气回炉进行甲烷化，提供气化反应所需的热量，维持炉内吸放热平衡，实现无氧气化。但工业上850℃蒸汽很难实现，所以整体催化气化炉亏热，必须要补充少量氧气来满足热量需求，这就需要配套相应空分工段的建设和投资。
在流化床煤气化技术中，由于炉内必须维持一定的含碳物质以维持炉内的还原气氛，且因流化状态下灰渣与料层的分离很困难，所以排出的灰渣中含碳量较高。流化床气化炉的原料煤粒径分布较宽，小粒径原料以及在炉内反应过程中形成的细粒径炉料会被气流夹带出气化炉。一般而言，流化床设置有两级旋风，从而将出口煤气夹带的细小飞灰收集下来并将其返回气化炉内。但因飞灰粒径较细，反应性不高，其进入气化炉后又会被夹带到旋风及后续的其它系统中，从而造成飞灰的无效循环。气化灰渣和旋风飞灰含碳量均较高，排放的灰渣和逸出的飞灰都会造成碳的损失，这就会导致整个煤催化气化系统(该系统包括：气化炉、排渣系统和旋风系统)碳转化率不高以及原料煤消耗的增加，并且含碳灰渣的直接排放会造成一定的环境污染，这些都直接影响催化气化技术的经济性和环保性。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种煤催化气化方法，旨在解决目前无氧气化中煤炭利用率低以及热量利用不充分的问题。
本发明提出了一种煤催化气化方法，该方法包括如下步骤：对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧，气化灰渣和飞灰燃烧后得到热渣；将煤催化气化反应生成的粗煤气中的甲烷分离，粗煤气分离出甲烷后得到合成气；将热渣的热量提供给煤催化气化反应，以及使合成气参与甲烷化反应。
进一步地，上述煤催化气化方法中，在对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧后，气化灰渣和飞灰在燃烧反应器内进行燃烧，利用燃烧反应器出口的烟气的热量生产蒸汽，将蒸汽提供给煤催化气化反应。
进一步地，上述煤催化气化方法中，煤催化气化反应中，参与煤催化气化反应的碳占原料煤粉中碳的70％-80％。
进一步地，上述煤催化气化方法中，在对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧时，参与燃烧反应的碳占原料煤粉中碳的30％-20％。
进一步地，上述煤催化气化方法中，在对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧中，燃烧温度大于1200℃。
进一步地，上述煤催化气化方法中，在对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧中，气化灰渣和飞灰在燃烧反应器中进行燃烧，使燃烧反应器内气化灰渣和飞灰燃烧后得到的热渣中具有预设粒径的热渣进入煤催化气化反应器内，以使具有预设粒径的热渣的热量提供给煤催化气化反应。
进一步地，上述煤催化气化方法中，将热渣的热量提供给煤催化气化反应中，使热渣进入煤催化气化反应器中，并使热渣与进入煤催化气化反应器中的原料煤粉进行逆流换热。
进一步地，上述煤催化气化方法中，在热渣进入煤催化气化反应器中的原料煤粉进行逆流换热之后，进一步包括：将与原料煤粉换热后的热渣采出一部分，剩余部分返回燃烧反应器，与煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰一起进行燃烧。
进一步地，上述煤催化气化方法中，与所述原料煤粉换热后的热渣的采出质量为换热后的热渣质量的3％-13％。
进一步地，上述煤催化气化方法中，飞灰为煤催化气化反应生成的粗煤气经分离得到的。
本发明中，对煤催化气化反应生成的气化灰渣和飞灰进行燃烧，即对气化灰渣和飞灰进行燃烧，燃烧所产生热渣会被输送回煤催化气化反应器中，从而使热渣为煤催化气化反应提供热量，实现了气化灰渣和飞灰的循环利用，避免了碳损失，也实现了残碳的充分利用和热量回收，从而提高了煤催化气化反应器的碳转化率，并减少了原料煤粉的消耗，也避免了将气化灰渣和飞灰直接排放会污染环境的问题。同时，还循环利用合成气，使合成气在煤催化气化反应器内进行甲烷化反应，该反应也会放热，从而维持煤催化气化反应器内热量平衡，以实现无氧气化工艺，并可以省去变换和甲烷化工段。
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催化气化方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的煤催化气化装置的结构框图；
图3为本发明实施例提供的煤催化气化方法的又一流程图。
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示出了本实施例提供的煤催化气化方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S110，对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧，气化灰渣和飞灰物燃烧后得到热渣。
具体地，参见图2，图2示出了煤催化气化装置的结构框图。如图2所示，该装置包括：煤催化气化反应器1、排渣系统2、旋风系统3和燃烧反应器4，煤催化气化反应器1的第一出口11与排渣系统2的入口21相连通，排渣系统2的出口22与燃烧反应器4的第一入口41相连通，燃烧反应器4的第一出口42与煤催化气化反应器1的第一入口12相连通，煤催化气化反应器1的第二出口13与旋风系统3的入口31相连通，旋风系统3的飞灰出口33与燃烧反应器4的第二入口43相连通。在煤催化气化反应器1内，负载催化剂的原料煤粉和蒸汽发生催化气化反应生成粗煤气和气化灰渣，粗煤气中携带有飞灰，气化灰渣经过排渣系统2被输送至燃烧反应器4，飞灰则由粗煤气携带进入旋风系统3，旋风系统3对粗煤气和飞灰进行分离，分离出的飞灰也进入燃烧反应器4。向燃烧反应器4中通入含氧气体作为燃烧介质，且燃烧反应器4的温度控制在1200℃以上，在高温及碱性催化剂(钾、钠、钙、铁的氧化物或盐)的作用下，气化灰渣和飞灰在燃烧反应器4内燃烧并升温。碱性催化剂的存在会降低煤中灰分(气化灰渣和飞灰中均含有灰分)的熔融温度，当燃烧反应器4的温度大于1200℃时，该温度会超过灰分的熔融温度，灰分表层出现液相，气化灰渣和飞灰燃烧后形成的煤灰之间发生粘接，使小颗粒煤灰发生团聚，并形成具有预设粒径的高温的热渣。预设粒径为催化气化反应器内原料煤粉平均粒径的1.2倍～5倍，优选1.5倍～3倍，便于热渣与原料煤粉在煤催化气化反应器1中逆流换热。
在煤催化气化反应器1中，参与煤催化气化反应的碳占原料煤粉中的碳的70％-80％。在燃烧反应器4中，参与燃烧反应的碳占原料煤粉中的碳的30％-20％。通过控制反应物料在煤催化气化反应器1和燃烧反应器4中的停留时间即可实现上述比例控制，同时可实现煤催化气化装置整体的热量平衡。
步骤S120，将煤催化气化反应生成的粗煤气中的甲烷分离，粗煤气分离出甲烷后得到合成气。
具体地，再次参见图2，煤催化气化装置还包括间冷系统5和气体分离系统6，旋风系统3的粗煤气出口32还与间冷系统5的入口51相连通，间冷系统5的出口52与气体分离系统6的入口61相连通，气体分离系统6的出口62与煤催化气化反应器1的第二入口14相连通。在煤催化气化反应器1内，负载催化剂的原料煤粉和蒸汽发生催化气化反应生成粗煤气和气化灰渣和飞灰，携带有飞灰的粗煤气经过旋风系统3后与飞灰分离，与飞灰分离的粗煤气进入间冷系统5，经过间冷系统5对粗煤气进行间接冷凝，以回收粗煤气的热量，然后粗煤气进入气体分离系统6进行处理，气体分离系统6分离出粗煤气中的甲烷，剩余的以一氧化碳和氢气为主的气体作为合成气，该合成气作为煤催化气化反应器1底部进气气流的一部分回到煤催化气化反应器1中。
步骤S130，将具有预设粒径热渣的热量提供给煤催化气化反应，以及使合成气参与甲烷化反应。
具体地，具有预设粒径的热渣的分离可以采用风选或筛选，风选即是控制燃烧反应器4内的气流在第一预设流速，从而可使具有预设粒径的热渣落下来；筛选即是在燃烧反应器4的底部设置至少两级筛板，具有预设粒径的热渣从两级筛板之间选出。将具有预设粒径的高温的热渣输送至煤催化气化反应器1内，具有预设粒径的热渣从煤催化气化反应器1的料层(鼓泡床层)中上部输入，负载催化剂的颗粒较小的原料煤粉从煤催化气化反应器1的料层下部进料，具有预设粒径的高温的热渣与原料煤粉之间发生逆流换热，从而保证热渣将热量有效地传递给反应物料，即传递给原料煤粉，从而为煤催化气化反应提供热量，以维持煤催化气化反应的温度。在煤催化气化反应器1底部进气气流的作用下，进气气流和原料煤粉等细颗粒沿煤催化气化反应器1上行并发生催化气化反应和甲烷化反应，并生成粗煤气和气化灰渣，其中，进气气流为合成气和蒸汽的混合物，合成气和蒸汽可由其他设备另行通入煤催化气化反应器1内。粗煤气携带大量飞灰从煤催化气化反应器1的顶部排出，气化灰渣从料层上部溢出煤催化气化反应器1外，并经过排渣系统2，然后被输送至燃烧反应器4中，具体的，气化灰渣需要通过筛板过滤，以阻止大颗粒的气化灰渣和具有预设粒径的热渣溢出，只有比原料煤粉颗粒粒径小的气化灰渣才能溢出煤催化气化反应器1，并通过返料管线进入燃烧反应器4内，从而形成气化灰渣和飞灰的循环。煤催化气化反应器1的料层中的大颗粒的气化灰渣和具有预设粒径的换热后的热渣下行并从煤催化气化反应器1的底部排出。
进一步地，与原料煤粉经过换热后的热渣通过煤催化气化反应器1的第三出口15输出，该热渣温度不高且不含残碳，将其一部分采出，剩余的换热后的热渣通过燃烧反应器4的第三入口45再次进入燃烧反应器4中，与煤催化气化反应生成的气化灰渣一起在燃烧反应器4中进行燃烧，从而保持整个煤催化气化系统的物料平衡，被采出的热渣的质量为换热后的热渣的质量的3％-13％。
同时，气体分离系统6分离出的合成气在输出至煤催化气化反应器1之前，与旋风系统3排出的粗煤气在间冷系统5中进行逆流不接触式换热，对合成气进行预热，然后合成气从煤催化气化反应器1底部的气体分布板进入煤催化气化反应器1的内部，这样，一方面，可以保证合成气在煤催化气化反应器1内的分散，合成气与原料煤粉充分接触；另一方面，可保证原料煤粉和蒸汽的气化反应(吸热反应)与合成气的甲烷化反应(放热反应)在同区间进行，使吸放热有效耦合，促进煤催化气化反应和甲烷化反应均正向进行。另外，合成气从煤催化气化反应器1的底部通入，可使合成气在床层内的停留时间较长，以保证充分反应。CO和H2为煤气化反应的产物，高浓度合成气(合成气的成份主要是CO和H2)的存在会抑制煤气化反应正向进行，影响碳转化率，但因为煤催化气化反应器1的底部大颗粒灰渣残碳低，不需要进一步提高碳的转化率。通入的合成气从煤催化气化反应器1的底部向上流动的过程中，发生甲烷化反应并不断催化合成甲烷，CO和H2浓度减小，对上部煤气化反应的抑制作用减弱，因此，合成气从煤催化气化反应器1的底部通入不影响气化炉整体碳转化率。甲烷化反应产生的热量可为原料煤粉与蒸汽的催化气化反应提供一部分热量，从而实现煤的无氧催化气化，同时也实现了合成气的循环。
需要说明的是，步骤S110和步骤S120不分先后顺序，也可同时进行。
本实施例中，对煤催化气化反应生成的气化灰渣和飞灰进行燃烧，燃烧所产生热渣会被输送回煤催化气化反应器1中，从而使热渣为煤催化气化反应提供热量，实现了气化灰渣和飞灰的循环利用，避免了碳损失，也实现了残碳的充分利用和热量回收，从而提高了煤催化气化反应器1的碳转化率，并减少了原料煤粉的消耗，也避免了将气化灰渣和飞灰直接排放会污染环境的问题。同时，在循环利用气化灰渣和飞灰为煤催化气化反应提供热量的基础上，还循环利用合成气，使合成气在煤催化气化反应器1内进行甲烷化反应，该反应也会放热，从而维持煤催化气化反应器1内热量平衡，以实现无氧气化工艺，并可以省去变换和甲烷化工段。
参见图3，图3示出了本实施例提供的煤催化气化方法的又一流程图。如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S310，对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧，气化灰渣和飞灰燃烧后得到热渣。
步骤S320，将煤催化气化反应生成的粗煤气中的甲烷分离，粗煤气分离出甲烷后得到合成气。
步骤S330，将热渣的热量提供给煤催化气化反应，以及使合成气参与甲烷化反应。
步骤S340，气化灰渣和飞灰在燃烧反应器内进行燃烧，利用燃烧反应器出口的烟气的热量生产蒸汽，将蒸汽提供给煤催化气化反应。
具体地，再次参见图2，煤催化气化装置还包括废热锅炉7，废热锅炉7的入口71与燃烧反应器4的第二出口44相连通，废热锅炉7的出口72与煤催化气化反应器1的第二入口14相连通。气化灰渣和飞灰在燃烧反应器4内燃烧产生的热烟气进入废热锅炉7内，热烟气的热量经废热锅炉7进行回收并副产蒸汽，该蒸汽即为进气气流中的蒸汽，废热锅炉7输出的蒸汽与合成气混合后一起进入煤催化气化反应器1，蒸汽作为煤催化气化反应的气化介质，从而满足煤催化气化反应器1的热量平衡，实现无氧气化。
需要说明的是，步骤S340必须在步骤S310之后，但步骤S340与步骤S320、步骤S330之间没有先后顺序。步骤S310、步骤S320和步骤S330的具体步骤参见上述实施例即可，此处不再赘述。
本实施例中，气化灰渣和飞灰燃烧产生的热烟气可经废热锅炉7进行回收，并副产蒸汽，蒸汽再被输送至煤催化气化反应器1，使蒸汽作为煤催化气化反应的气化介质，从而满足煤催化气化反应器1的热量平衡，实现无氧气化。
综上，本实施例中，对煤催化气化反应生成的气化灰渣和飞灰进行燃烧，即对气化灰渣和飞灰进行燃烧，燃烧所产生热渣会被输送回煤催化气化反应器1中，从而使热渣为煤催化气化反应提供热量，实现了气化灰渣和飞灰的循环利用，避免了碳损失，也实现了残碳的充分利用和热量回收，从而提高了煤催化气化反应器1的碳转化率，并减少了原料煤粉的消耗，也避免了将气化灰渣和飞灰直接排放会污染环境的问题。同时，还循环利用合成气，使合成气在煤催化气化反应器1内甲烷化反应的过程中放热，从而维持煤催化气化反应器1内热量平衡，以实现无氧气化工艺，并可以省去变换和甲烷化工段。
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 (8)

1.一种煤催化气化方法，其特征在于，包括如下步骤：
对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧，所述气化灰渣和所述飞灰燃烧后得到热渣；
将所述煤催化气化反应生成的粗煤气中的甲烷分离，所述粗煤气分离出所述甲烷后得到合成气；
将所述热渣的热量提供给所述煤催化气化反应，以及使所述合成气充入所述煤催化气化反应器的底部以参与甲烷化反应；
其中，
在对所述煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧中，
所述气化灰渣和所述飞灰在燃烧反应器中进行燃烧，使所述燃烧反应器内所述气化灰渣和所述飞灰燃烧后得到的热渣中具有预设粒径的热渣进入煤催化气化反应器内，以使所述具有预设粒径的热渣的热量提供给所述煤催化气化反应，其中，
所述热渣与进入所述煤催化气化反应器中的原料煤粉进行逆流换热。
2.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于，在所述对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧后，
所述气化灰渣和所述飞灰在燃烧反应器内进行燃烧，利用所述燃烧反应器出口的烟气的热量生产蒸汽，将所述蒸汽提供给所述煤催化气化反应。
3.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于，
所述煤催化气化反应中，参与所述煤催化气化反应的碳占原料煤粉中的碳的70%-80%。
4.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于，
在对所述煤催化气化反应产生的所述气化灰渣和所述飞灰进行燃烧时，参与燃烧反应的碳占原料煤粉中的碳的30%-20%。
5.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于，在所述对煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰进行燃烧中，
燃烧温度大于1200℃。
6.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于，在所述热渣进入所述煤催化气化反应器中的原料煤粉进行逆流换热之后，进一步包括：
将与所述原料煤粉换热后的热渣采出一部分，剩余部分返回燃烧反应器，与煤催化气化反应产生的气化灰渣和飞灰一起进行燃烧。
7.根据权利要求6所述的煤催化气化方法，其特征在于，
与所述原料煤粉换热后的热渣的采出质量为所述换热后的热渣质量的3%-13%。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的煤催化气化方法，其特征在于，
所述飞灰为所述煤催化气化反应生成的粗煤气经分离得到的。
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