一種煤催化氣化方法
【專利摘要】本發(fā)明實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。
[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，采用將煤在相對較低的溫度下與氣化劑在催化劑的催化作用下進行氣化反 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，即需要大量過熱蒸汽及循環(huán)部分產(chǎn)品氣一氧化碳、氫氣進入氣化爐發(fā)生甲烷 化反應(yīng)放熱來提供系統(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，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并無經(jīng)濟優(yōu)勢。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抑制氣化反應(yīng)，降低碳轉(zhuǎn)化率，還會因反應(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] 針對上述問題，提供一種能夠同時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] 為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(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，同時發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成甲烷。
[0013] 進一步的，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熱蒸汽。
[0016] 進一步的，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，對有氧氣化進行了改進，一方面 通過在反應(yīng)器主體內(nèi)通入氫氣，通過抑制反應(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)實現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外部過熱蒸 汽供熱，更有利于煤催化氣化技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化。

【具體實施方式】
[0022] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范 圍。
[0023] 本發(fā)明實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 入，氣化劑主要為含氧氣體，經(jīng)由分布板進入反應(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)過各個區(qū)，并與各個區(qū)中的混合氣體發(fā)生反應(yīng)，最 終成為低碳含量的殘渣由排渣管排出。其中，煤料在各個區(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。需要說明的是，在本實施例中，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 施例中對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)器主體從上至下運動，而氣化劑經(jīng)由反應(yīng)器主體 從下至上運動，在本實施例中，我們按照煤的運動方向進行描述。
[0032] 向加氫熱解區(qū)中通入氫氣，以使所述氫氣與進入所述反應(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較低，而〇)、4濃度較高，使得從熱力學(xué)平衡角度來看更易發(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)進入的一氧化碳、 氫氣、二氧化碳和未完全分解的蒸汽，此時，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，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，同時由于該區(qū)中相比其它兩個區(qū)而言溫度較低，可進一步確保甲烷 化反應(yīng)的發(fā)生，增加甲烷收率以及高價值的附加產(chǎn)物輕質(zhì)焦油的收率。需要說明的是，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 以進料吹送氣形式通入氫氣，本發(fā)明實施例不對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，是為了在促進甲烷化反應(yīng)的同 時，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?？梢岳斫獾氖?，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實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，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 以進料吹送氣形式通入氫氣，本發(fā)明實施例不對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）實現(xiàn)物料匹 配，達到抑制水煤氣變換反應(yīng)，促進一氧化碳更多參與甲烷化反應(yīng)，從而提高甲烷收率?？?以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)實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，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)。進一步的，由于本發(fā)明實施例中含氧氣體包括氧氣和過熱蒸汽，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)可實現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外部過熱蒸汽供熱，待煤焦中的活性碳反應(yīng)完畢后，最終 碳含量低的殘渣由排渣管排出。
[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，避 免因氧氣濃度過高發(fā)生強放熱反應(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，在該方法中對有氧氣化進行了改進，一方面 通過在反應(yīng)器主體內(nèi)的不同區(qū)通入氫氣，通過抑制反應(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)實現(xiàn)內(nèi)部供熱代替外 部過熱蒸汽供熱，更有利于煤催化氣化技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化。
[0043]為了更好地說明本發(fā)明所提供的煤催化氣化技術(shù)，下面將以實施例的方式作具體 闡述。將通過對比實驗來驗證本發(fā)明所提供的煤催化氣化技術(shù)的優(yōu)勢，具體實驗條件見表 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 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 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】C10L3/08GK104119971SQ201410363062
【公開日】2014年10月29日 申請日期: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, 李克忠 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司