煤氣化裝置及氣化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種加載催化劑條件下煤氣化裝置及氣化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是富煤貧油缺氣的國(guó)家，隨著石油和天然氣資源的日益減少，發(fā)展?jié)崈舾咝У拿禾哭D(zhuǎn)化技術(shù)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。
[0003]傳統(tǒng)的煤氣化技術(shù)，即煤在高溫下與氧氣或空氣和水蒸氣組成的氣化劑進(jìn)行氣化，生成合成氣(主要是氫氣、一氧化碳和二氧化碳)，大致可以分為三大類:高壓固定床氣化、氣流床氣化和流化床氣化等。該煤氣化技術(shù)具有氣化反應(yīng)所需的溫度高，能耗大，對(duì)設(shè)備要求聞等缺點(diǎn)。
[0004]加載催化劑條件下煤氣化裝置及氣化方法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)較低的溫度下與水蒸氣、空氣或者氧氣組成的氣化劑在催化劑的作用下進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成合成氣，該技術(shù)與其它煤氣化技術(shù)相比較，具有氣化溫度低，合成氣含量高、對(duì)裝備要求條件低等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]該技術(shù)能使被流化的物料與催化劑充分混合，有利于傳熱、傳質(zhì)和氣化反應(yīng)，有利于粉狀物料的利用，但同時(shí)也帶來(lái)了排放以及旋風(fēng)分離器中灰中碳的損失較大等不足。
[0006]USP4, 057，402提出了一種流化床氣化過(guò)程，煤經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入流化床反應(yīng)器中，采用灰熔聚法排除灰渣，飛灰先經(jīng)爐內(nèi)旋風(fēng)分離器分離，再經(jīng)爐外旋風(fēng)分離器分離，循環(huán)含碳飛灰從熔聚分離管返回氣化裝置，所述的氣化過(guò)程，要先經(jīng)過(guò)高溫狀態(tài)下?tīng)t內(nèi)旋風(fēng)分離器，所以對(duì)它的材質(zhì)要求更高，飛灰通過(guò)熔聚灰的分離器進(jìn)行循環(huán)，操作控制困難。
[0007]US4, 077，778提出采用多級(jí)流化床煤催化氣化工藝，消除原催化氣化工藝的不足，使氣化更高效的進(jìn)行，充分利用進(jìn)料碳資源，提高碳轉(zhuǎn)化率。主流化床操作氣速較高，將部分碳顆粒夾帶至二級(jí)流化床，在較低氣速下進(jìn)行氣化反應(yīng)，增大固體顆粒的停留時(shí)間，最大限度提高碳轉(zhuǎn)化率。多級(jí)流化床煤催化氣化工藝采用多個(gè)流化床反應(yīng)器，設(shè)備投資巨大，操作較復(fù)雜。
[0008]美國(guó)GPE公司在EXXON工藝技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究，US20070000177AI公開(kāi)了煤一步法制甲烷的工藝，催化劑是堿金屬氧化物或堿金屬鹽，氣化劑是水蒸氣，其主要技術(shù)特征除了加入高效的甲烷化催化劑之外，還加入了氧化鈣到反應(yīng)的煤粉當(dāng)中，吸收反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳，進(jìn)一步提高甲烷含量，上述工藝的確定是由于加入甲烷生成的催化劑，但高溫不利用甲烷的生成，反應(yīng)溫度一般控制在700°C左右，反應(yīng)速度慢，需要額外提供熱量維持反應(yīng)溫度，這些技術(shù)還尚處于研發(fā)階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是現(xiàn)有技術(shù)中存在的對(duì)煤氣化溫度高的問(wèn)題，提出了一種新的煤氣化裝置。該裝置可以用于煤氣化生產(chǎn)，具有實(shí)現(xiàn)煤的溫和氣化，同時(shí)流化床裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，進(jìn)而對(duì)設(shè)備要求低的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之二是現(xiàn)有技術(shù)中存在碳轉(zhuǎn)化率低的問(wèn)題，采用上述煤氣化裝置，提出了一種新的煤氣化方法。該方法可以用于煤氣化生產(chǎn)，具有溫度低，碳轉(zhuǎn)化率高，同時(shí)對(duì)工藝能耗消耗低的優(yōu)點(diǎn)。
[0011]為解決上述技術(shù)問(wèn)題之一，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:一種加載催化劑條件下煤氣化裝置，主要設(shè)備包括破碎設(shè)備7、研磨設(shè)備8、混合攪拌設(shè)備9、干燥設(shè)備10、流化床反應(yīng)器12、旋風(fēng)分離器13、熱交換設(shè)備14、凈化設(shè)備15，其中流化床反應(yīng)器10上部為稀相區(qū)29和下部為密相區(qū)26，下部密相區(qū)26開(kāi)有徑向進(jìn)料口 I 27和進(jìn)料口 II 28，底部裝有布風(fēng)裝置25和進(jìn)氣口 24 ;上部稀相區(qū)29開(kāi)有氣體出口 30連接到旋風(fēng)分離器13，旋風(fēng)分離器13內(nèi)有分離室31，完成氣固分離，下部有“ J”型管下料段34和“ J”型管出料段35，旋風(fēng)分離器出口 33與熱交換設(shè)備14相連；經(jīng)過(guò)熱交換后的氣體通過(guò)氣體凈化設(shè)備16后收集。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述的加載催化劑條件下煤氣化裝置，其特征是煤和催化劑在研磨設(shè)備內(nèi)完成，所述的研磨設(shè)備為球磨機(jī)或者膠體磨機(jī)。所述流化床反應(yīng)器12的上部稀相區(qū)29和下部密相區(qū)26的直徑之比為(2.0?10.5):1 ;高度之比為(3.0?12.0):1。所述的下部密相區(qū)徑向進(jìn)料口 I 27和進(jìn)料口 II 28為軸向?qū)ΨQ布置與水平夾角為45°C。所述旋風(fēng)分離器的“J”型管下料段(34)底部開(kāi)有排灰口(36)，“J”型管出料段(34)距離底部排灰口 (36)為30?60cm。
[0013]在本發(fā)明提出加載催化劑條件下煤氣化裝置，目的在于更好的混合煤粉和催化劑，高效回收未反應(yīng)的煤粉顆粒，有效降低氣化溫度和提高碳的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)使用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的流化床反應(yīng)器，進(jìn)而使該工藝適合低成本和大規(guī)模處理我國(guó)儲(chǔ)量豐富的煤氣化方法。
[0014]為解決上述技術(shù)問(wèn)題之二，本發(fā)明所用的技術(shù)方案如下:煤粉和催化劑經(jīng)過(guò)研磨、浸潰、攪拌，混合均勻，混合后的煤粉和催化劑作為原料進(jìn)入流化床反應(yīng)器中，與氣化劑接觸，在反應(yīng)壓力以表壓計(jì)為0.1?3MPa，反應(yīng)區(qū)域的平均溫度為650?800°C，氣流速度為0.1?0.6m/s的條件下，催化劑在煤粉表面侵蝕、開(kāi)孔、降低反應(yīng)活化能，將煤轉(zhuǎn)化為合成氣，灰的產(chǎn)品，溫度較高的合成氣通過(guò)熱交換回收部分熱量。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述催化劑可以為堿性氧化物、金屬鹽，其中堿性氧化物可以為Fe2O3, CaO, MgO, K2O和Na2O等中的至少一種；金屬鹽可以為KCl、K2CO3、K2SO4和Na2CO3等中的至少一種。所述的煤粉和催化劑被研磨至粒度為20?200 μ m，催化劑和煤的重量比為(0.05?0.20):1。所述的密相區(qū)流速為0.4?0.6m/s，稀相區(qū)流速為0.1?0.4m/s。
[0016]本發(fā)明的方法中煤粉和催化劑磨至指定粒度20?200 μ m,在混合攪拌設(shè)備中充分混合，使催化劑顆粒有效的附著在煤粉顆粒上，有效擴(kuò)大煤粉的接觸面積，讓煤粉顆粒在后期氣化時(shí)候進(jìn)一步擴(kuò)大微孔的表面積，催化劑與煤形成絡(luò)合物，降低化學(xué)能，從而改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件提高反應(yīng)效率,將附著催化劑的煤粉,空氣或者氧氣和水蒸氣加入到反應(yīng)器下部的密相區(qū)，密相區(qū)處于溫和氣化反應(yīng)狀態(tài)，流速為0.4?0.6m/s,隨著反應(yīng)進(jìn)行，催化劑附著在半焦上進(jìn)入上部稀相區(qū)，該區(qū)域具有更好的氣固接觸面積和更高的反應(yīng)溫度，更加有利于半焦的氣化，上部稀相區(qū)的流速更有利于反應(yīng)，流速為0.1?0.4m/s，溫度為650?800°C，由上部稀相區(qū)進(jìn)入到旋風(fēng)分離器的顆粒(含有未反應(yīng)的碳和催化劑等)經(jīng)“J”型管出料段送回至反應(yīng)器下部密相區(qū)參與反應(yīng)，在提高碳轉(zhuǎn)換率的同時(shí)也使催化劑得以循環(huán)利用。此外由于本發(fā)明方法，反應(yīng)器溫度得到大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了煤的溫和氣化，減少了對(duì)設(shè)備要求以及對(duì)冷卻氣體的處理，使操作更加便利，有效的提高了能量的利用，降低了熱損失，降低了工藝的能耗。
[0017]以上介紹了本發(fā)明的工藝裝置以及方法，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明進(jìn)行一系列變化。雖然本發(fā)明重在闡述煤制備合成氣，但顯然本發(fā)明的方法也可以用來(lái)處理石油焦或生物質(zhì)，同時(shí)也可以用來(lái)制備煤焦油等。對(duì)本發(fā)明做的各種改動(dòng)或者修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附專利要求所限定范圍。
[0018]采用本發(fā)明的方法，實(shí)現(xiàn)了煤的溫和氣化，降低了對(duì)氣化設(shè)備的要求以及減少煤氣化過(guò)程中能量的消耗。流化床反應(yīng)器稀相區(qū)與流化床反應(yīng)器密相區(qū)直徑之比為10.5:1，高度之比為12.0:1，流化床反應(yīng)器的平均溫度為800°C，煤平均粒度為lOOum，催化劑平均粒度為lOOum，在此條件下，氣化后合成氣成分中，CO2, CO，H2和CH4占合成氣成分的2.8%，56.1%，25.2%和13.2%，碳的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為一種加載催化劑條件下煤氣化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖1中，I為煤；2為催化劑；3為載氣；4為空氣(氧氣)；5為水蒸氣；6為載氣；7為破碎設(shè)備；8為研磨設(shè)備；9為混合攪拌設(shè)備；10為干燥器；11為給料系統(tǒng)；12為流化床反應(yīng)器；13為旋風(fēng)分離器；14為換熱器；15為凈化器；16為儲(chǔ)液罐；17為預(yù)熱器；18為排灰渣口 ；19為煤氣；20為熱量回收。
[0021]圖2為給料系統(tǒng)、流化床反應(yīng)器和旋風(fēng)分離器的裝置結(jié)構(gòu)詳解圖。圖2中，(a)為圖1中的給料系統(tǒng)11的詳解圖，(b)為圖1中的流化床反應(yīng)器12的詳解圖，(C)為圖1中的旋風(fēng)分離器13的詳解圖，其中21為煤倉(cāng)；22為螺旋給料器；23為給料機(jī)下端