專利名稱：一種由煤制備含甲烷的氣體的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤氣化制備代用天然氣領(lǐng)域，具體地說，涉及用加壓兩段式氣化爐對(duì)煤進(jìn)行氣化來制備含甲烷的氣體的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
我國(guó)是富煤貧油少氣的國(guó)家，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)天然氣需求急劇攀升，在能源結(jié)構(gòu)中的比例迅速增加。而國(guó)內(nèi)天然氣仍處于勘探開發(fā)早期，進(jìn)口也處于起步階段，供應(yīng)能力嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致天然氣供需矛盾日益突出。利用我國(guó)資源優(yōu)勢(shì)相對(duì)較大的煤炭，不僅能促進(jìn)煤炭的高效、清潔利用；而且可利用已有的天然氣管道，以較低的經(jīng)濟(jì)代價(jià)， 有效緩解天然氣的供需矛盾，這是劣質(zhì)煤炭資源進(jìn)行綜合利用的有力措施。通常的煤氣化制備甲烷的工藝，分為間接法和直接法兩種技術(shù)。間接法，又稱為兩步法，是使煤在高溫下與氧氣(或空氣)和/或蒸汽(也稱為水蒸汽)組成的氣化劑進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成含有少量甲烷(CH4)的合成氣(主要是氫氣、一氧化碳和二氧化碳)，之后進(jìn)行水氣變換及甲烷化工序，制備甲烷。該間接法煤氣化技術(shù)具有氣化反應(yīng)所需的溫度高、能耗大、對(duì)設(shè)備要求高，且需三個(gè)反應(yīng)裝置、工藝較復(fù)雜等缺點(diǎn)。直接法，又成為一步法，是指在一定反應(yīng)條件下，把煤直接制成富含甲烷氣體產(chǎn)品的工藝，煤催化氣化技術(shù)與兩步法煤制甲烷技術(shù)相比，具有甲烷含量高、氣化反應(yīng)流程相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。煤催化氣化技術(shù)是煤潔凈高效利用的一種重要方式。采用煤催化氣化技術(shù)，煤在相對(duì)較低的溫度下與蒸汽(H2O)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)組成的氣化劑在催化劑的催化作用下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成高濃度的甲烷(CH4)。煤催化氣化技術(shù)與其他煤氣化技術(shù)相比，具有甲烷含量高、氣化反應(yīng)所需的溫度低等優(yōu)點(diǎn)。目前，相關(guān)專利中提到的煤催化氣化技術(shù)，氣化反應(yīng)所需的最優(yōu)溫度和壓力范圍是593 700°C和20 40atm，使用堿金屬碳酸鹽作為催化劑。采用深冷分離將產(chǎn)氣中的甲烷與一氧化碳、氫氣進(jìn)行分離，將反應(yīng)氣體中的氫氣和一氧化碳循環(huán)到氣化爐中，使之在氣化爐中進(jìn)行甲烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，從而提高系統(tǒng)甲烷的產(chǎn)量。該煤催化氣化技術(shù)具有氣化反應(yīng)速率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，碳轉(zhuǎn)化率較低，氣體分離系統(tǒng)投資高等缺點(diǎn)；為滿足反應(yīng)器熱平衡的需要，需將進(jìn)爐過熱蒸汽加熱到較高溫度，蒸汽過熱系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)負(fù)荷較高， 經(jīng)濟(jì)性差。美國(guó)專利4，077，778提出采用多級(jí)流化床反應(yīng)器的煤催化氣化工藝，消除原催化氣化工藝的不足，使氣化更高效地進(jìn)行，充分利用進(jìn)料碳資源，提高碳轉(zhuǎn)化率。主流化床反應(yīng)器操作氣速較高，將部分碳顆粒夾帶至二級(jí)流化床反應(yīng)器，在較低氣速下進(jìn)行氣化反應(yīng)， 增長(zhǎng)固相停留時(shí)間，最大限度提高碳轉(zhuǎn)化率。采用多級(jí)氣化較之單級(jí)氣化可將碳利用率由 70-85%提高至95%以上。但該煤催化氣化工藝采用多個(gè)流化床反應(yīng)器，設(shè)備投資高，操作較復(fù)雜。另外，美國(guó)專利4，094，650提到在堿金屬的催化作用下，可將含碳固體氣化，制備甲烷，催化劑需回收再用。通過多級(jí)水洗回收水溶性催化劑，石灰消化回收非溶性催化劑。 美國(guó)專利0277437在美國(guó)專利4，094, 650基礎(chǔ)上，采用一級(jí)處理將堿金屬物質(zhì)從反應(yīng)器固體殘?jiān)蟹蛛x，簡(jiǎn)化了堿金屬催化劑回收過程，改善了催化氣化工藝的經(jīng)濟(jì)性及總效率，但該回收系統(tǒng)仍然較復(fù)雜，回收方法較昂貴。另外，為了充分利用熱量，制取煤氣，美國(guó)專利5，064，444提出加壓水蒸汽氣化的方法，將流化床氣化爐分為熱解段、氣化段、冷卻段，各段用隔板分開。氣化爐內(nèi)熱解段、氣化段放置蛇狀盤管(蛇管換熱器)，管中通入900°C _950°C的高溫氣體如燃料燃燒后的氣體加熱煤粉，提供氣化、熱解所需熱量，制取煤氣。該流化床氣化爐可以為立式，也可為臥式， 以700°C _800°C的過熱蒸汽為氣化劑，冷卻段通入飽和蒸汽，煤粉夾帶在過熱蒸汽一起進(jìn)入氣化爐。但是氣化爐內(nèi)的反應(yīng)體積利用率低，影響固相加工；僅以過熱蒸汽為氣化劑致使碳轉(zhuǎn)化率不高，故殘?jiān)泻剂枯^高，煤難以得到有效利用；該方法中高溫氣體中的熱量需要通過蛇狀盤管的管壁傳遞給煤粉和蒸汽，與氣固接觸傳熱相比，這種間接加熱方式傳熱速度慢且熱效率低，床層內(nèi)固相受熱不均；同時(shí)設(shè)備繁雜，特別是臥式爐。為了進(jìn)一步提高煤的氣化效率、甲烷產(chǎn)率，并提高能量利用效率，開發(fā)了本發(fā)明的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N由煤制備含甲烷的氣體的方法，包括下列步驟a.將煤粉加入到從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)的氣化爐的煤熱解區(qū)中，在所述煤熱解區(qū)中，煤粉與來自催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流接觸以至少部分地?zé)峤馑雒悍?，形成含甲烷的氣體物流和至少部分熱解的煤粉；b.將所述至少部分熱解的煤粉送入催化氣化區(qū)并在催化劑作用下與通入所述催化氣化區(qū)的氣化劑接觸，生成的氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，未充分反應(yīng)的煤殘?jiān)懦鲈摯呋瘹饣瘏^(qū)；其中所述氣化劑包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳。本申請(qǐng)還提供由煤制備含甲烷的氣體的裝置，所述裝置包括a.氣化爐，其從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)；其中所述煤熱解區(qū)具有至少一個(gè)煤進(jìn)料口和至少一個(gè)氣體出料口 ；所述催化氣化區(qū)具有至少一個(gè)煤和/或催化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)氣化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)排渣口、任選的循環(huán)固體物料進(jìn)料口和氣體分布板；且所述氣化爐內(nèi)還具有用于將部分熱解的煤從所述煤熱解區(qū)導(dǎo)入所述催化氣化區(qū)的溢流管；b.位于所述氣化爐外部的氣化劑供應(yīng)源，用于向所述氣化爐供應(yīng)所述氣化劑。


圖I為本發(fā)明的方法的示意性工藝流程圖?？梢岳斫獾氖牵綀D僅僅是說明性的，不打算以任何方式限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍應(yīng)由權(quán)利要求的內(nèi)容所確定。發(fā)明詳述本發(fā)明的方法所采用的核心氣化設(shè)備是氣化爐。該氣化爐一般豎直放置或傾斜放置，傾斜放置時(shí)其傾斜角度足以使得爐中的固體物料例如煤粉在其自身重力下向下運(yùn)動(dòng)。在最一般的情況下，可將氣化爐從上至下分為兩區(qū)或兩段，按照各段的功能，依次為煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)。其中，所述煤熱解區(qū)具有至少一個(gè)煤進(jìn)料口和至少一個(gè)氣體出料口 ；所述催化氣化區(qū)具有至少一個(gè)煤和/或催化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)氣化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)排渣口、任選的循環(huán)固體物料進(jìn)料口和氣體分布板；且所述氣化爐內(nèi)還具有用于將部分熱解的煤從所述煤熱解區(qū)導(dǎo)入所述催化氣化區(qū)的溢流管。當(dāng)該氣化爐工作時(shí)，固體物料，例如煤， 從所述煤進(jìn)料口進(jìn)入煤熱解區(qū)，并從上向下運(yùn)動(dòng)，最終從氣化爐底部的排渣口離開氣化爐， 而氣體物料，例如包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳的氣化劑，則從所述氣化劑進(jìn)料口進(jìn)入所述催化氣化區(qū)，并從下向上運(yùn)動(dòng)，最終從氣化爐頂部的氣體出料口離開氣化爐。固體物料和氣體物料在氣化爐內(nèi)基本上呈逆流接觸的形式。本發(fā)明的氣化爐，基本上越靠近底部溫度越高，越靠近頂部溫度越低。本發(fā)明的方法中，煤、氣化劑和催化劑的進(jìn)料位置可以根據(jù)需要加以選擇或調(diào)整。 例如，至少一部分煤可以從本發(fā)明的氣化爐的煤熱解區(qū)和/或催化氣化區(qū)的任意一處或幾處進(jìn)入氣化爐，但優(yōu)選將大部分煤、更優(yōu)選將全部的煤從煤熱解區(qū)進(jìn)入氣化爐。而催化劑可以獨(dú)立地從氣化爐的煤熱解區(qū)和/或催化氣化區(qū)通入氣化爐，但優(yōu)選將催化劑隨煤粉一起通入氣化爐。最優(yōu)選將催化劑與煤粉混合在一起，例如煤粉直接與催化劑本身混合，或煤粉與催化劑水溶液混合，然后從所述煤進(jìn)料口進(jìn)入氣化爐的煤熱解區(qū)。氣化劑則從催化氣化區(qū)的底部和/或側(cè)面通入氣化爐中，優(yōu)選從催化氣化區(qū)的底部和側(cè)面共同通入。對(duì)本發(fā)明中使用的煤沒有限制，其可以選自煙煤、無煙煤、褐煤等，并且優(yōu)選在進(jìn)入本發(fā)明的氣化爐之前被粉碎成煤粉，煤粉的粒度一般可為O. I 2mm。本發(fā)明的步驟a發(fā)生在氣化爐的煤熱解區(qū)，加入到該區(qū)中的煤粉與來自催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流接觸以至少部分地?zé)峤馑雒悍郏纬珊淄榈臍怏w物流和至少部分熱解的煤粉。其中所述“至少部分熱解“包括如下幾種情況使全部煤粉發(fā)生部分熱解、使部分煤粉發(fā)生全部熱解和使部分煤粉發(fā)生部分熱解，換句話說，“至少部分”是在煤粉的量和熱解反應(yīng)進(jìn)行程度二者中至少一者不是完全的。該煤熱解區(qū)中的所有氣體從所述氣體出料口離開氣化爐，而所述至少部分熱解后的煤則經(jīng)由所述溢流管沿氣化爐向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到所述催化氣化區(qū)。在該步驟a中，將至少一部分煤從所述煤熱解區(qū)通入氣化爐，優(yōu)選將絕大部分煤、甚至更優(yōu)選將全部的煤從所述煤熱解區(qū)通入氣化爐。這樣做的好處是充分利用了在催化氣化區(qū)中的氣化反應(yīng)所放出的熱量，該熱量隨著催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入煤熱解區(qū)，與從煤熱解區(qū)進(jìn)入氣化爐的煤接觸，使該煤預(yù)熱并快速熱解，把煤中揮發(fā)份熱解出來，由于煤的揮發(fā)份中含有甲烷，因此該區(qū)不僅起到對(duì)煤進(jìn)行預(yù)熱的作用，而且還進(jìn)一步通過煤的部分熱解增加了所述氣化產(chǎn)物物流中的甲烷含量。如下文所述，由于一部分催化劑隨著所述催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流被帶入煤熱解區(qū)，且該催化劑還有催化熱解作用，故使得該煤熱解反應(yīng)得以強(qiáng)化。煤的熱解還產(chǎn)生了焦油，焦油在該區(qū)的條件下隨著氣體產(chǎn)物離開氣化爐，而至少部分熱解后的煤粉則向下進(jìn)入到氣化爐下段各區(qū)繼續(xù)反應(yīng)。該煤熱解區(qū)中的溫度主要通過下段各區(qū)的氣體流量及加入到該區(qū)中的煤粉的進(jìn)料量來調(diào)節(jié)，一般是400-600°C。煤熱解區(qū)的壓力為O. I 4. IMPa(本文中所有的壓力均為絕對(duì)壓力)。本發(fā)明的步驟b發(fā)生在氣化爐的催化氣化區(qū)。在該步驟中，將所述至少部分熱解的煤粉送入催化氣化區(qū)并在催化劑作用下與通入所述催化氣化區(qū)的氣化劑接觸，生成的氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，未充分反應(yīng)的煤殘?jiān)懦鲈摯呋瘹饣瘏^(qū)；其中所述氣化劑包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳。在該催化氣化區(qū)中發(fā)生的主要反應(yīng)如下2C+2H20 — 2H2+2C0 (I)C0+H20 — C02+H2(2)3H2+C0 — CH4+H20 (3)C+2H2 — CH4(4)所述催化氣化區(qū)的反應(yīng)溫度為600 800°C，壓力為O. I 4. IMPa0在催化氣化區(qū)中，反應(yīng)所需熱量的至少一部分來自于氣化劑所帶來的顯熱，通常控制該氣化劑物流的溫度在800°C以上。其中所述催化劑選自堿金屬的氧化物或堿土金屬的氧化物、堿金屬的碳酸鹽或堿土金屬的碳酸鹽、堿金屬的氫氧化物或堿土金屬的氫氧化物、堿金屬的醋酸鹽或堿土金屬的醋酸鹽、堿金屬的硝酸鹽或堿土金屬的硝酸鹽、堿金屬的齒化物或堿土金屬的鹵化物、或它們中至少兩種的混合物。在步驟b中，所述氣化劑與所述煤的重量比為I : I 5 : 1，且催化劑與煤粉的重量比為I : 100 20 : 100，所述氣化劑中水蒸汽氫氣一氧化碳摩爾比為I 5 0.6 3 O. 2 I。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述氣化劑包含小于I體積％的氧氣(該氧氣可能是水蒸汽生產(chǎn)過程中或氣化劑輸送過程中因?yàn)楣艿罋饷苄圆粐?yán)而作為雜質(zhì)混入的)，優(yōu)選不包含任何刻意添加的氧氣，在這種情況下，所述氣化爐在無氧條件下操作。所述氣化劑可以來自獨(dú)立設(shè)置的氣化劑供應(yīng)源，或者如下文所述，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，可以將至少一部分離開氣化爐的氣體進(jìn)行甲烷重整反應(yīng)，并將所得物流用作氣化劑。在另一優(yōu)選的實(shí)施方案中，還可將所述氣化劑分為兩股進(jìn)入所述催化氣化區(qū)，第一股流經(jīng)位于所述催化氣化區(qū)中的氣體分布板以分布式進(jìn)入；第二股從位于氣體分布板的中心孔集中進(jìn)入；并通過控制第二股的氣速來控制催化氣化區(qū)的排渣。本發(fā)明的方法中，催化劑在氣化爐內(nèi)存在如下內(nèi)部循環(huán)所述催化氣化區(qū)中的至少一部分催化劑以飛灰形式隨所述氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，所述煤熱解區(qū)中的至少一部分催化劑隨著所述至少部分熱解的煤粉向下進(jìn)入到所述催化氣化區(qū)。催化劑的該內(nèi)部循環(huán)可以減少隨煤殘?jiān)懦鰵饣癄t的催化劑的損失，提高了催化劑使用效率，減少催化劑回收工藝的負(fù)荷。其中飛灰是指細(xì)小的固體顆粒。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述煤熱解區(qū)中的絕大部分催化劑隨著所述至少部分熱解的煤粉向下進(jìn)入到所述催化氣化區(qū)。催化劑以這種方式進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，可以提高催化劑的使用效率。此外，有一小部分催化劑和煤粉會(huì)隨著氣體被帶出氣化爐，它們?cè)诤罄m(xù)的除塵操作中也會(huì)被收集下來，并作為循環(huán)固體物料經(jīng)由設(shè)置在催化氣化區(qū)上的循環(huán)固體物料進(jìn)料口返回至所述氣化爐內(nèi)，以重復(fù)使用。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，還包括以下步驟c.任選地將來自所述煤熱解區(qū)的含甲烷的氣體物流經(jīng)過除塵和/或除焦油；然后，d.進(jìn)行氣體分離，得到富含甲烷的氣體物流和富含氫氣和一氧化碳的氣體物流; 然后，e.將所述富含氫氣和一氧化碳的氣體物流送至位于所述氣化爐外部的甲烷化反應(yīng)器中以使氫氣和一氧化碳發(fā)生甲烷化反應(yīng)，生成另一股含甲烷的氣體物流；以及，f.任選地，將所述富含甲烷的氣體物流的至少一部分和/或由步驟c的得到的物流的至少一部分通入位于所述氣化爐外部的甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向該甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以使甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，并將所述甲烷重整反應(yīng)器的流出物作為所述氣化劑。其中，步驟c中的除塵操作可以通過本領(lǐng)域常規(guī)的除塵技術(shù)來進(jìn)行，例如通過旋風(fēng)分離器來進(jìn)行。除焦油操作也可以通過本領(lǐng)域常規(guī)的除焦油技術(shù)來進(jìn)行，例如通過冷卻分離器來進(jìn)行。該步驟c可以不存在，但是優(yōu)選存在。其中步驟d通過本領(lǐng)域常規(guī)的氣體分離技術(shù)來進(jìn)行，例如通過深冷分離、吸附分離或膜分離來進(jìn)行。其中步驟e在位于所述氣化爐外部的甲烷化反應(yīng)器中進(jìn)行，該步驟使氫氣和一氧化碳發(fā)生甲烷化反應(yīng)，再生成一些甲烷。其中步驟f是將由步驟a得到的所述含甲烷的氣體物流的至少一部分和/或由步驟c的得到的物流的至少一部分和/或由步驟e得到的物流的至少一部分通入位于所述氣化爐外部的甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向該甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以使甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，并將所述甲烷重整反應(yīng)器的流出物作為所述氣化劑。通入甲烷重整反應(yīng)器的水蒸汽的量可以根據(jù)甲烷重整反應(yīng)的進(jìn)行程度和氣化劑中的所要求的水蒸汽氫氣 一氧化碳摩爾比加以選擇，這些可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體工藝條件加以確定。另一方面，本發(fā)明還涉及由煤制備含甲烷的氣體的裝置，所述裝置包括a.氣化爐，其從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)；其中所述煤熱解區(qū)具有至少一個(gè)煤進(jìn)料口和至少一個(gè)氣體出料口 ；所述催化氣化區(qū)具有至少一個(gè)煤和/或催化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)氣化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)排渣口、任選的循環(huán)固體物料進(jìn)料口和氣體分布板；且所述氣化爐內(nèi)還具有用于將部分熱解的煤從所述煤熱解區(qū)導(dǎo)入所述催化氣化區(qū)的溢流管；b.位于所述氣化爐外部的氣化劑供應(yīng)源，用于向所述氣化爐供應(yīng)所述氣化劑。其中氣化爐各區(qū)之間可以用氣體分布板隔開，該分布板上具有供氣體物料通過的孔。氣體分布板上還貫通設(shè)有呈兩端開放的溢流管，該溢流管用于使固相原料自上而下，從上層的煤熱解區(qū)通過溢流管流向下層的催化氣化區(qū)。在氣化爐的各區(qū)都可根據(jù)需要設(shè)有用于將物料，例如煤、催化劑、煤與催化劑的混合物、氣化劑等通入氣化爐的進(jìn)料設(shè)備，這些進(jìn)料設(shè)備是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，例如料倉、旋轉(zhuǎn)給料設(shè)備以及必要的連接管道，等等。此外，在氣化爐的底部和頂部還設(shè)有供氣體和煤殘?jiān)x開氣化爐的出料設(shè)備，這些出料設(shè)備也是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。所述氣化劑供應(yīng)源可以是獨(dú)立設(shè)置的用于供應(yīng)氣化劑的任何發(fā)生設(shè)備或存儲(chǔ)設(shè)備；或者，如下文所述，可以將一個(gè)甲烷重整反應(yīng)器作為所述氣化劑供應(yīng)源。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述裝置還包括c.任選的除塵設(shè)備和除焦油設(shè)備，用于對(duì)來自所述氣化爐的含甲烷的氣體物流進(jìn)行除塵和除焦油；d.氣體分離器，用于將任選地經(jīng)過除塵和除焦油的來自所述氣化爐的含甲烷的氣體物流分離成富含甲烷的氣體物流和富含氫氣和一氧化碳的氣體物流；e.位于所述氣化爐外部的甲烷化反應(yīng)器，其用于使所述富含氫氣和一氧化碳的氣體物流中的氫氣和一氧化碳發(fā)生甲烷化反應(yīng)，生成另一股含甲烷的氣體物流；和f.任選的，位于所述氣化爐外部的甲烷重整反應(yīng)器，其用作所述氣化劑供應(yīng)源，其中將所述含甲烷的氣體物流的至少一部分和/或由步驟c的得到的物流的至少一部分和/ 或由步驟e得到的物流的至少一部分通入該甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向該甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以使將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，并將所述甲烷重整反應(yīng)器的流出物作為所述氣化劑。關(guān)于除塵設(shè)備和除焦油設(shè)備、氣體分離器、甲烷化反應(yīng)器和甲烷重整反應(yīng)器的作用，已經(jīng)在上文對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行介紹的章節(jié)中加以說明。關(guān)于這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)，可參見相關(guān)設(shè)備供應(yīng)商提供的說明書或技術(shù)手冊(cè)，因?yàn)檫@些設(shè)備本身都是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
實(shí)施例給出以下實(shí)施例以舉例說明本發(fā)明，這些實(shí)施例并非限制性的。實(shí)施例I參見圖1，該圖示意性地示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的工藝流程圖。所選用的煤種為煙煤或褐煤，原煤經(jīng)過破碎到粒徑O. l-2mm,并將堿金屬催化劑 K2CO3與煤粉按I : 10的重量比進(jìn)行濕式混合，干燥后，經(jīng)過加壓，通過旋轉(zhuǎn)給料器進(jìn)入氣化爐，氣化爐內(nèi)絕對(duì)壓力為3. 5MPa，氣化劑則由甲烷重整反應(yīng)器生成，氣化劑的溫度在 800°C以上，進(jìn)入氣化爐的氣化劑煤重量比為2 1，氣化劑分兩股進(jìn)入氣化爐，一股從氣化爐分布板進(jìn)入氣化爐，另一股從氣化爐分布板的中心孔進(jìn)入氣化爐，通過控制分布板中心的操作氣速對(duì)煤氣化完后的煤殘?jiān)M(jìn)行順利的排出，這些煤殘?jiān)罱K以灰渣的形式離開本發(fā)明的工藝系統(tǒng)。在氣化爐底部的催化氣化區(qū)，通過調(diào)節(jié)氣化劑/煤的重量比控制該區(qū)的溫度在600-800°C，在該催化氣化區(qū)主要完成煤轉(zhuǎn)化生成甲烷和合成氣的過程，并為煤熱解區(qū)的反應(yīng)提供熱量來源，該催化氣化區(qū)中碳的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到90%以上，甲烷產(chǎn)率可達(dá) O. 35Nm3/kg煤。在氣化爐的煤熱解區(qū)，是產(chǎn)焦油和甲烷的主要區(qū)域，來自催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流加熱進(jìn)入熱解段的煤粉，控制該煤熱解區(qū)的溫度在400 600°C左右，利用堿金屬催化劑的催化熱解作用，使煤在此處生成大量焦油與CH4，所有氣體產(chǎn)物一起離開氣化爐。 如圖I中所示，在氣化爐內(nèi)，催化氣化區(qū)中的一部分催化劑飛灰被氣流帶到上面的煤熱解區(qū)，而在煤熱解區(qū)中，催化劑又部分地通過溢流管隨著至少部分熱解的煤被帶到下面的催化氣化區(qū)，如此往復(fù)循環(huán)，發(fā)揮催化作用。離開氣化爐的氣體出料口的氣體進(jìn)入到旋風(fēng)分離器內(nèi)進(jìn)行氣/固分離，被旋風(fēng)分離器分離的固體粉末被循環(huán)回到氣化爐的催化氣化區(qū)再進(jìn)行反應(yīng)，以提高碳的轉(zhuǎn)化率。從旋風(fēng)分離器出來的氣體經(jīng)過除焦油操作后，再經(jīng)過氣體分離器，得到富含甲烷的氣體物流和富含氫氣和一氧化碳的氣體物流。前者可以直接作為產(chǎn)品燃?xì)?，后者則被送入甲烷化反應(yīng)器，使CO和H2在包含鑰系金屬的耐硫甲烷化催化劑的作用下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，進(jìn)一步增加甲烷的含量，然后可以另作它用或者與前述富含甲烷的氣體物流進(jìn)行混合后共同作為產(chǎn)品燃?xì)狻＝?jīng)過除焦油后的氣化爐出口氣體在進(jìn)入氣體分離器之前，分出一股支流，送入甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以便在其中發(fā)生甲烷重整反應(yīng)，將得到的產(chǎn)物氣流(該產(chǎn)物氣流包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳)作為氣化劑通入氣化爐中。由于采用逆流換熱和雙段耦合形式的流化床反應(yīng)器，冷煤氣效率可達(dá)75%以上，且得到了附加值較高的部分焦油產(chǎn)品。其中冷煤氣效率η定義如下
9
權(quán)利要求
1.一種由煤制備含甲烷的氣體的方法，包括下列步驟a.將煤粉加入到從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)的氣化爐的煤熱解區(qū)中， 在所述煤熱解區(qū)中，煤粉與來自催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流接觸以至少部分地?zé)峤馑雒悍?，形成含甲烷的氣體物流和至少部分熱解的煤粉；b.將所述至少部分熱解的煤粉送入催化氣化區(qū)并在催化劑作用下與通入所述催化氣化區(qū)的氣化劑接觸，生成的氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，未充分反應(yīng)的煤殘?jiān)懦鲈摯呋瘹饣瘏^(qū)；其中所述氣化劑包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中所述催化劑選自堿金屬的氧化物或堿土金屬的氧化物、堿金屬的碳酸鹽或堿土金屬的碳酸鹽、堿金屬的氫氧化物或堿土金屬的氫氧化物、堿金屬的醋酸鹽或堿土金屬的醋酸鹽、堿金屬的硝酸鹽或堿土金屬的硝酸鹽、堿金屬的齒化物或堿土金屬的鹵化物、或它們中至少兩種的混合物。
3.權(quán)利要求I的方法，其中煤熱解區(qū)的溫度在400-600°C范圍內(nèi)，催化氣化區(qū)溫度在 600-800°C范圍內(nèi)，氣化爐內(nèi)的絕對(duì)壓力在O. 1-4. IMPa范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中所述氣化劑包含小于I體積％的氧氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中所述氣化劑與所述煤的重量比為I: I 5 : 1，且其中催化劑與煤粉的重量比為I : 100 20 : 100，所述氣化劑中水蒸汽氫氣一氧化碳摩爾比為I 5 0.6 3 O. 2 I。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中催化劑在氣化爐內(nèi)存在如下內(nèi)部循環(huán)所述催化氣化區(qū)中的至少一部分催化劑以飛灰形式隨所述氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，所述煤熱解區(qū)中的至少一部分催化劑隨著所述至少部分熱解的煤粉向下進(jìn)入到所述催化氣化區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，還包括以下步驟c.任選地將來自所述煤熱解區(qū)的含甲烷的氣體物流經(jīng)過除塵和/或除焦油；然后，d.進(jìn)行氣體分離，得到富含甲烷的氣體物流和富含氫氣和一氧化碳的氣體物流；然后，e.將所述富含氫氣和一氧化碳的氣體物流送至位于所述氣化爐外部的甲烷化反應(yīng)器中以使氫氣和一氧化碳發(fā)生甲烷化反應(yīng)，生成另一股含甲烷的氣體物流；以及，f.任選地，將所述富含甲烷的氣體物流的至少一部分和/或由步驟c的得到的物流的至少一部分通入位于所述氣化爐外部的甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向該甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以使甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，并將所述甲烷重整反應(yīng)器的流出物作為所述氣化劑。
8.權(quán)利要求I的方法，其中所述氣化劑分為兩股進(jìn)入所述催化氣化區(qū)，第一股流經(jīng)位于所述催化氣化區(qū)中的氣體分布板以分布式進(jìn)入；第二股從位于氣體分布板的中心孔集中進(jìn)入；并通過控制第二股的氣速來控制催化氣化區(qū)的排渣。
9.由煤制備含甲烷的氣體的裝置，所述裝置包括a.氣化爐，其從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)；其中所述煤熱解區(qū)具有至少一個(gè)煤進(jìn)料口和至少一個(gè)氣體出料口 ；所述催化氣化區(qū)具有至少一個(gè)煤和/或催化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)氣化劑進(jìn)料口、至少一個(gè)排渣口、任選的循環(huán)固體物料進(jìn)料口和氣體分布板； 且所述氣化爐內(nèi)還具有用于將部分熱解的煤從所述煤熱解區(qū)導(dǎo)入所述催化氣化區(qū)的溢流管；b.位于所述氣化爐外部的氣化劑供應(yīng)源，用于向所述氣化爐供應(yīng)所述氣化劑。
10.權(quán)利要求9的裝置，所述裝置還包括c.任選的除塵設(shè)備和/或除焦油設(shè)備，用于對(duì)來自所述氣化爐的含甲烷的氣體物流進(jìn)行除塵和/或除焦油；d.氣體分離器，用于將任選地經(jīng)過除塵和/或除焦油的來自所述氣化爐的含甲烷的氣體物流分離成富含甲烷的氣體物流和富含氫氣和一氧化碳的氣體物流；e.位于所述氣化爐外部的甲烷化反應(yīng)器，其用于使所述富含氫氣和一氧化碳的氣體物流中的氫氣和一氧化碳發(fā)生甲烷化反應(yīng)，生成另一股含甲烷的氣體物流；和f.任選的，位于所述氣化爐外部的甲烷重整反應(yīng)器，其用作所述氣化劑供應(yīng)源，其中將所述富含甲烷的氣體物流的至少一部分和/或由步驟c的得到的物流的至少一部分通入該甲烷重整反應(yīng)器，同時(shí)向該甲烷重整反應(yīng)器中通入水蒸汽，以使將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，并將所述甲烷重整反應(yīng)器的流出物作為所述氣化劑。
全文摘要
公開了一種由煤制備含甲烷的氣體的方法，包括下列步驟a.將煤粉加入到從上到下依次包含煤熱解區(qū)和催化氣化區(qū)的氣化爐的煤熱解區(qū)中，在所述煤熱解區(qū)中，煤粉與來自催化氣化區(qū)的氣化產(chǎn)物物流接觸以至少部分地?zé)峤馑雒悍?，形成含甲烷的氣體物流和至少部分熱解的煤粉；b.將所述至少部分熱解的煤粉送入催化氣化區(qū)并在催化劑作用下與通入所述催化氣化區(qū)的氣化劑接觸，生成的氣化產(chǎn)物物流向上進(jìn)入所述煤熱解區(qū)，未充分反應(yīng)的煤殘?jiān)懦鲈摯呋瘹饣瘏^(qū)；其中所述氣化劑包含水蒸汽、氫氣和一氧化碳。還公開了一種由煤制備含甲烷的氣體的裝置，其使用上述方法。
文檔編號(hào)C10L3/08GK102585947SQ201110416109
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者孫志強(qiáng), 崔鑫, 康守國(guó), 李克忠, 畢繼誠(chéng), 毛燕東, 祖靜茹 申請(qǐng)人:新奧科技發(fā)展有限公司