一種煤催化氣化方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例提供了一種煤催化氣化方法，屬于煤催化氣化領(lǐng)域，可以提高甲烷收率及碳轉(zhuǎn)化率。所述煤催化氣化方法，包括：將所述反應(yīng)器主體根據(jù)其內(nèi)部溫度不同從上至下依次分為加氫熱解區(qū)、催化氣化區(qū)和燃燒區(qū)；向所述燃燒區(qū)中通入含氧氣體，以使所述含氧氣體與所述燃燒區(qū)中的煤發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)生成二氧化碳、一氧化碳和氫氣；向所述催化氣化區(qū)中通入氫氣，以抑制所述一氧化碳參與水煤氣變換反應(yīng)，而促進(jìn)一氧化碳參與甲烷化反應(yīng)。本發(fā)明可用于利用流化床反應(yīng)器的煤催化氣化技術(shù)中。
【專利說(shuō)明】一種煤催化氣化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤催化氣化領(lǐng)域，尤其涉及一種煤催化氣化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤催化氣化技術(shù)是指煤在相對(duì)較低的溫度下與水蒸汽等氣化劑在催化劑的催化 作用下發(fā)生氣化反應(yīng)，以生成高濃度甲烷的氣化技術(shù)。與其它煤氣化技術(shù)相比，煤催化氣化 技術(shù)具有制備的甲烷含量高、反應(yīng)溫度低等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 煤制天然氣技術(shù)在最初階段由兩步法制得，但由于兩步法技術(shù)需要空分、氣化、變 換和甲烷化四個(gè)工段，工藝復(fù)雜、投資巨大，使得其并不適用于大規(guī)模的煤制天然氣工藝 中。相比之下，采用將煤在相對(duì)較低的溫度下與氣化劑在催化劑的催化作用下進(jìn)行氣化反 應(yīng)，生成高濃度甲烷的一步法煤制天然氣技術(shù)頗受青睞。在現(xiàn)有的一步法技術(shù)中，大多采用 外供熱方式，即需要大量過(guò)熱蒸汽及循環(huán)部分產(chǎn)品氣一氧化碳、氫氣進(jìn)入氣化爐發(fā)生甲烷 化反應(yīng)放熱來(lái)提供系統(tǒng)所需熱量，但該方式能耗較大，設(shè)備投資高，采用該方式供熱用于小 規(guī)模研發(fā)階段尚可，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并無(wú)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。并且，在該方法中，循環(huán)通入的產(chǎn)品氣 一氧化碳和氫氣不僅會(huì)抑制氣化反應(yīng)，降低碳轉(zhuǎn)化率，還會(huì)因反應(yīng)器主體內(nèi)的一氧化碳主 要參與水煤氣變換反應(yīng)而抑制甲烷化反應(yīng)以降低甲烷的收率。
[0004] 針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種能夠同時(shí)提高甲烷收率及碳轉(zhuǎn)化率的煤催化氣化方法是 本領(lǐng)域技術(shù)人員所面臨的重要課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種煤催化氣化方法，可以提高甲烷收率及碳轉(zhuǎn)化率。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種煤催化氣化方法，包括：
[0008] 將所述反應(yīng)器主體根據(jù)其內(nèi)部溫度不同從上至下依次分為加氫熱解區(qū)、催化氣化 區(qū)和燃燒區(qū)；
[0009] 向所述燃燒區(qū)中通入含氧氣體，所述含氧氣體與所述燃燒區(qū)中的煤發(fā)生燃燒反應(yīng) 和氣化反應(yīng)生成二氧化碳、一氧化碳和氫氣；
[0010] 向所述催化氣化區(qū)中通入氫氣，所述氫氣抑制一氧化碳參與水煤氣變換反應(yīng)，而 促進(jìn)一氧化碳參與甲烷化反應(yīng)。
[0011] 可選的，所述方法還包括：
[0012] 向所述加氫熱解區(qū)中通入氫氣，所述氫氣與進(jìn)入所述反應(yīng)器主體的煤發(fā)生加氫熱 解反應(yīng)，生成輕質(zhì)焦油，同時(shí)發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成甲烷。
[0013] 進(jìn)一步的，在所述加氫熱解區(qū)中，氫氣與所述加氫熱解區(qū)中煤的質(zhì)量比為0. 001 : 1-0. 01 :1。
[0014] 可選的，向所述催化氣化區(qū)中通入的氫氣溫度與所述催化氣化區(qū)的溫度相同，向 所述加氫熱解區(qū)中通入的氫氣溫度與所述加氫熱解區(qū)的溫度相同。
[0015] 可選的，所述含氧氣體包括氧氣和過(guò)熱蒸汽。
[0016] 進(jìn)一步的，所述含氧氣體中氧氣濃度為3-20%。
[0017] 可選的，所述催化氣化區(qū)的溫度為500-800°C。
[0018] 進(jìn)一步的，在所述催化氣化區(qū)中，氫氣與所述催化氣化區(qū)中煤的質(zhì)量比為0.001 : 1-0. 025 :1。
[0019] 可選的，所述加氫熱解區(qū)的溫度為400-600°C。
[0020] 可選的，所述燃燒區(qū)的溫度為800-1000°C。
[0021 ] 本發(fā)明提供了 一種煤催化氣化方法，在該方法中，對(duì)有氧氣化進(jìn)行了改進(jìn)，一方面 通過(guò)在反應(yīng)器主體內(nèi)通入氫氣，通過(guò)抑制反應(yīng)器主體內(nèi)的水煤氣變換反應(yīng)可確保更多的一 氧化碳參與甲烷化反應(yīng)，從而提高甲烷收率，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更佳；另一方面由于氧氣的通入， 不僅可以提高燃燒區(qū)中的碳的轉(zhuǎn)化率，還可在反應(yīng)器主體內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外部過(guò)熱蒸 汽供熱，更有利于煤催化氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0023] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種煤催化氣化方法，包括：
[0024] 將所述反應(yīng)器主體根據(jù)其內(nèi)部溫度不同從上至下依次分為加氫熱解區(qū)、催化氣化 區(qū)和燃燒區(qū)；
[0025] 在本步驟中，煤催化氣化反應(yīng)所采用的反應(yīng)器主體（即流化床氣化爐）的反應(yīng)壓 力為2. 0-4. 5MPa，并且根據(jù)反應(yīng)器主體內(nèi)溫度的不同可分為三個(gè)區(qū)，分別為上段的加氫熱 解區(qū)、中段的催化氣化區(qū)和下段的燃燒區(qū)。其中，在反應(yīng)器主體內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)如下：
[0026] C+02 - C02 燃燒反應(yīng)
[0027] C+H20 - H2+C0 氣化反應(yīng)
[0028] C0+H20 - C02+H2 水煤氣變換反應(yīng)
[0029] 3H2+C0 - CH4+H20 甲烷化反應(yīng)
[0030] 在煤催化氣化反應(yīng)中，煤與催化劑的混合物由反應(yīng)器主體上段的加氫熱解區(qū)進(jìn) 入，氣化劑主要為含氧氣體，經(jīng)由分布板進(jìn)入反應(yīng)器主體下段的燃燒區(qū)。煤料從反應(yīng)器主體 上段的加氫熱解區(qū)投入，從上之下依次經(jīng)過(guò)各個(gè)區(qū)，并與各個(gè)區(qū)中的混合氣體發(fā)生反應(yīng)，最 終成為低碳含量的殘?jiān)膳旁芘懦觥Ｆ渲校毫显诟鱾€(gè)區(qū)中的形態(tài)依次為：在加氫熱解區(qū) 中，由于是剛投入的煤料，所以為原始的煤形態(tài)；在催化氣化區(qū)中，由于煤料在加氫熱解區(qū) 加氫熱解后，落入催化氣化區(qū)中的形態(tài)稱為半焦；在燃燒區(qū)中，同理，煤在催化氣化區(qū)中發(fā) 生氣化反應(yīng)后，落入燃燒區(qū)中的形態(tài)稱為煤焦。需要說(shuō)明的是，在本實(shí)施例中，催化劑主要 為堿金屬、堿土金屬化合物，可以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可選用其它的催化劑，本實(shí) 施例中對(duì)于催化劑的選擇并不作限定。
[0031] 在反應(yīng)器主體內(nèi)，煤料經(jīng)由反應(yīng)器主體從上至下運(yùn)動(dòng)，而氣化劑經(jīng)由反應(yīng)器主體 從下至上運(yùn)動(dòng)，在本實(shí)施例中，我們按照煤的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行描述。
[0032] 向加氫熱解區(qū)中通入氫氣，以使所述氫氣與進(jìn)入所述反應(yīng)器主體的煤發(fā)生加氫熱 解反應(yīng)，生成輕質(zhì)焦油，同時(shí)發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成甲烷。
[0033] 加氫熱解區(qū)位于反應(yīng)器主體的最上部，在該區(qū)中氣相中蒸汽含量與反應(yīng)器主體下 部的蒸汽含量相比相對(duì)較低，而〇)、4濃度較高，使得從熱力學(xué)平衡角度來(lái)看更易發(fā)生甲烷 化反應(yīng)。煤與催化劑（主要為堿金屬、堿土金屬化合物）混合后由反應(yīng)器主體上段的加氫 熱解區(qū)進(jìn)入，在該區(qū)中的氣體主要包括從反應(yīng)器主體中段的催化氣化區(qū)進(jìn)入的一氧化碳、 氫氣、二氧化碳和未完全分解的蒸汽，此時(shí)，向加氫熱解區(qū)通入氫氣，由于加氫熱解區(qū)的溫 度在400-600°C左右，在此溫度范圍內(nèi)煤粉主要與通入的氫氣發(fā)生加氫熱解反應(yīng)，此時(shí)，通 入的氫氣可飽和煤熱解產(chǎn)生的自由基，避免自由基間相互聚合發(fā)生二次反應(yīng)，使自由基與 氫結(jié)合生成輕質(zhì)焦油，同時(shí)由于該區(qū)中相比其它兩個(gè)區(qū)而言溫度較低，可進(jìn)一步確保甲烷 化反應(yīng)的發(fā)生，增加甲烷收率以及高價(jià)值的附加產(chǎn)物輕質(zhì)焦油的收率。需要說(shuō)明的是，在該 區(qū)中通入的氫氣溫度也在400-600°C的范圍內(nèi)，以更好地實(shí)現(xiàn)與該區(qū)中溫度的匹配。
[0034] 可以理解的是，向加氫熱解區(qū)通入氫氣的形式可以有很多種，如以射流管、噴嘴或 以進(jìn)料吹送氣形式通入氫氣，本發(fā)明實(shí)施例不對(duì)氫氣的通入形式作任何限定，只要能將氫 氣較好地通入即可。更可以理解的是，在該區(qū)中通入氫氣，是為了在促進(jìn)甲烷化反應(yīng)的同 時(shí)，更是為了可以獲得高產(chǎn)值的輕質(zhì)焦油，所以在該區(qū)中通入氫氣是本方法的優(yōu)選方案，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況確定是否有必要在該方案中繼續(xù)通入氫氣。在本步驟 中，氫氣與加氫熱解區(qū)中煤的質(zhì)量比為〇. 001 :ι-〇. 01 :1。在該比例下，可確保氫氣更好地 誘導(dǎo)加氫熱解區(qū)發(fā)生甲烷化反應(yīng)，從而增加甲烷收率以及焦油收率。可以理解的是，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況在上述范圍內(nèi)選擇氫氣與煤的質(zhì)量比。
[0035] 向催化氣化區(qū)中通入氫氣，以抑制所述一氧化碳參與水煤氣變換反應(yīng)，而促進(jìn)一 氧化碳參與甲烷化反應(yīng)。
[0036] 催化氣化區(qū)位于反應(yīng)器主體內(nèi)的靠下部位，氣固接觸時(shí)間尚短，所以在該區(qū)中主 要發(fā)生的還是碳水吸熱反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)及甲烷化反應(yīng)。經(jīng)加氫熱解區(qū)熱解所得的半 焦進(jìn)入反應(yīng)器主體內(nèi)中段的催化氣化區(qū)，催化氣化區(qū)溫度范圍在500-800°C，在該區(qū)中氣化 劑主要是下段燃燒區(qū)反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳、氫氣、二氧化碳和未完全分解的蒸汽。為了能夠 確保更多的一氧化碳能夠與氫氣發(fā)生甲烷化反應(yīng)，此時(shí)，向催化氣化區(qū)中通入氫氣，以抑制 一氧化碳參與水煤氣變換反應(yīng)。需要說(shuō)明的是，在該區(qū)中通入的氫氣溫度在500-800°C的范 圍內(nèi)，其目的是為了更好地實(shí)現(xiàn)與該區(qū)中溫度的匹配。
[0037] 可以理解的是，向催化氣化區(qū)通入氫氣的形式可以有很多種，如以射流管、噴嘴或 以進(jìn)料吹送氣形式通入氫氣，本發(fā)明實(shí)施例不對(duì)氫氣的通入形式作任何限定，只要能將氫 氣較好地通入即可。
[0038] 在本步驟中，氫氣與催化氣化區(qū)中煤的質(zhì)量比為0. 001 :1-0. 025 :1。在該比例下， 可更好地確保氫氣通入量與該區(qū)中的半焦及產(chǎn)物氣體（燃燒區(qū)中生成的氣體）實(shí)現(xiàn)物料匹 配，達(dá)到抑制水煤氣變換反應(yīng)，促進(jìn)一氧化碳更多參與甲烷化反應(yīng)，從而提高甲烷收率。可 以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況在上述范圍內(nèi)選擇氫氣與煤的質(zhì)量比。 [0039] 向燃燒區(qū)中通入含氧氣體，以使所述含氧氣體與所述燃燒區(qū)中的煤發(fā)生燃燒反應(yīng) 和氣化反應(yīng)生成二氧化碳、一氧化碳和氫氣。
[0040] 燃燒區(qū)位于反應(yīng)器主體的最下方，在該區(qū)中主要存在的是較大顆粒的煤料，且這 些較大顆粒多為煤料在與大量氣化劑接觸發(fā)生氣化反應(yīng)后剩余的含碳量較低、含灰含量高 的煤焦，燃燒區(qū)的溫度在800-1000°C左右，此時(shí)，向燃燒區(qū)中通入含氧氣體，可使煤焦更好 地發(fā)生反應(yīng)。進(jìn)一步的，由于本發(fā)明實(shí)施例中含氧氣體包括氧氣和過(guò)熱蒸汽，所以煤焦也主 要是和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)生成二氧化碳、和蒸汽發(fā)生氣化反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳。由于 燃燒反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以由其放出的大量熱還可為氣化反應(yīng)提供反應(yīng)所需熱量，使得反 應(yīng)器主體內(nèi)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外部過(guò)熱蒸汽供熱，待煤焦中的活性碳反應(yīng)完畢后，最終 碳含量低的殘?jiān)膳旁芘懦觥?br> [0041] 可以理解的是，含氧氣體中氧氣濃度為3-20%。將氧氣濃度設(shè)在該比例范圍內(nèi)，也 是保證通入的含氧氣體與煤料反應(yīng)后產(chǎn)生的熱量能夠維持該反應(yīng)區(qū)的能量平衡的同時(shí)，避 免因氧氣濃度過(guò)高發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)釋放大量反應(yīng)熱而導(dǎo)致局部高溫煤顆粒相互粘結(jié)結(jié)渣。
[0042] 本發(fā)明提供了 一種煤催化氣化方法，在該方法中對(duì)有氧氣化進(jìn)行了改進(jìn)，一方面 通過(guò)在反應(yīng)器主體內(nèi)的不同區(qū)通入氫氣，通過(guò)抑制反應(yīng)器主體內(nèi)的水煤氣變換反應(yīng)可確保 更多的一氧化碳參與甲烷化反應(yīng)，從而提高甲烷收率，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更佳；另一方面由于氧氣 的通入，不僅可以提高燃燒區(qū)中的碳的轉(zhuǎn)化率，還可在反應(yīng)器主體內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外 部過(guò)熱蒸汽供熱，更有利于煤催化氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
[0043]為了更好地說(shuō)明本發(fā)明所提供的煤催化氣化技術(shù)，下面將以實(shí)施例的方式作具體 闡述。將通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明所提供的煤催化氣化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具體實(shí)驗(yàn)條件見表 1〇
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種煤催化氣化方法，其特征在于，包括： 將所述反應(yīng)器主體根據(jù)其內(nèi)部溫度不同從上至下依次分為加氫熱解區(qū)、催化氣化區(qū)和 燃燒區(qū)； 向所述燃燒區(qū)中通入含氧氣體，所述含氧氣體與所述燃燒區(qū)中的煤發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣 化反應(yīng)生成二氧化碳、一氧化碳和氫氣； 向所述催化氣化區(qū)中通入氫氣，所述氫氣抑制一氧化碳參與水煤氣變換反應(yīng)，而促進(jìn) 一氧化碳參與甲烷化反應(yīng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述方法還包括： 向所述加氫熱解區(qū)中通入氫氣，所述氫氣與進(jìn)入所述反應(yīng)器主體的煤發(fā)生加氫熱解反 應(yīng)，生成輕質(zhì)焦油，同時(shí)發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成甲烷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤催化氣化方法，其特征在于，在所述加氫熱解區(qū)中，氫氣與 所述加氫熱解區(qū)中煤的質(zhì)量比為〇. 001 :1-0. 01 :1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤催化氣化方法，其特征在于，向所述催化氣化區(qū)中通入的 氫氣溫度與所述催化氣化區(qū)的溫度相同，向所述加氫熱解區(qū)中通入的氫氣溫度與所述加氫 熱解區(qū)的溫度相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述含氧氣體包括氧氣和過(guò) 熱蒸汽。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述含氧氣體中氧氣濃度為 3-20%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述催化氣化區(qū)的溫度為 500-800。。。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，在所述催化氣化區(qū)中，氫氣與 所述催化氣化區(qū)中煤的質(zhì)量比為〇. 001 :1-0. 025 :1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述加氫熱解區(qū)的溫度為 400-600。。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤催化氣化方法，其特征在于，所述燃燒區(qū)的溫度為 800-1000。。。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK104119971SQ201410363062
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】鄭巖, 胡利彥, 康守國(guó), 李克忠 申請(qǐng)人:新奧科技發(fā)展有限公司