煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置及反应方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置及反应方法，解决了现有技术中存在的碳转化率低、甲烷产率低、能耗高、结构复杂的问题，本发明专利技术通过采用由下层空间气化反应段和上层空间甲烷合成段构成，其特征在于上层空间的内径大于下层空间，两层空间底部分别设有一级和二级气体分布器；主要包括以下步骤：原煤和催化剂在下层空间，与含氧气体和水蒸气进行燃烧气化反应，气化反应产生的合成气在上层空间与部分循环合成气混合，进行甲烷化反应，从而产生富含甲烷的合成气的技术方案，较好地解决了上述问题，可应用于煤制天然气领域。

Fluidized bed reactor and method for preparing methane rich synthesis gas by catalytic gasification of coal

The invention relates to a fluidized bed reaction apparatus and method for catalytic gasification of coal rich methane gas, solves problems in the prior art, the carbon conversion rate of methane of low yield, high energy consumption, complicated structure, the invention adopts a lower space composed of the gasification reaction section and the upper section of the space methane synthesis. Characterized in that the upper space of the inner diameter is larger than the lower space at the bottom of the two layer space are respectively provided with one and two gas distributor; mainly comprises the following steps: raw coal and catalyst in the lower space of combustion and gasification with oxygen gas and water vapor, the gasification reaction produces synthesis gas in the upper part of circulation space and synthesis gas mixture for the methanation reaction, technical scheme of synthesis gas to produce methane rich, can solve the above problems, application of natural gas produced from coal Field.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤气化制甲烷的反应装置及方法，更具体地，本专利技术涉及一种气化和甲烷化反应分段的煤催化气化制取富甲烷气体的装置及方法。
技术介绍
天然气是优质的燃料和重要的化工原料，具有安全可靠、绿色环保的优点。随着我国经济的快速发展以及城镇化步伐的加快，对天然气的需求日益增加。我国自身的天然气产量以无法达到天然气的需求量，供需矛盾日益突出，供应缺口唯有依赖进口得以弥补，极大程度上影响了我国的能源安全。鉴于我国是一个煤炭大国，煤炭产量丰富，煤炭消费量占总能源比重的70％左右，并且在较长时间内以煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。将煤转化成天然气，是煤炭清洁高效利用的重要途径，因其能量转化率高，适合我国国情，成为当前煤化工领域的研究热点之一。现有的煤制天然气技术可分为：两步法和一步法两种。两步法煤制天然气技术属于较为传统的技术，是先将煤转换成合成气(CO+H2)，再进行甲烷化得到SNG的方法，需要经历以下几个步骤：气化、变换冷却、净化、甲烷合成等。一步法煤制天然气技术是以煤为原料直接合成甲烷，在气化炉内通过催化剂实现气化、变换和甲烷化反应过程，得到富含甲烷的合成气。两步法煤制天然气技术需要在不同的反应器内实现，因而造成各反应过程的温度和压力不相匹配，在系统内部循环时热损失较多，降低了系统的能源转化效率。而一步法煤制天然气技术有效解决了上述问题，实现了物流和热量的耦合，具有较高的经济性和可行性，因而成为煤制天然气领域的重要研究方向。美国专利US4077778提出了一种煤一步法制甲烷的工艺，采用碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物为催化剂，通过过热蒸汽控制炉内反应温度在700℃左右，并与煤粉在催化剂的作用下进行反应，直接得到富甲烷气体。该工艺需要将过热蒸汽加热至850℃左右，能耗较高，碳转化率较低，在没有外供热的条件下难以维持反应温度，并且该技术尚处于研发阶段。新奥集团的专利CN10201038A提出了一种多层流化床催化气化制富甲烷气体的工艺，将气化炉分为合成气产生段、煤甲烷化段和合成气甲烷化段。使燃烧、气化、甲烷化反应和热解反应分段进行，提高了甲烷产率。然而气化炉内需要设置多层布风板和溢流通道，炉内结构复杂，并且煤粉在不同反应区内流化时易造成流化效果不一，并且该技术尚无工业化装置。现有的一步法煤制天然气技术均处于研发或者放大阶段，还未形成工业化。如何进一步提高气化炉的气化效率，降低投资和运行成本；简化炉膛结构，实现气化炉的自供热和稳定运行成为一步法煤制天然气技术的发展关键。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题之一是现有技术中碳转化率低、甲烷产率低、能耗高、结构复杂的问题，本专利技术提出了一种新型的一步法煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，该装置由气化反应段和甲烷化反应段组成，简化了炉膛结构，降低了设备投资，实现了自供热反应以及能量的充分利用，并且提高了碳转化率和甲烷产率。本专利技术所要解决的技术问题二是提供一种与解决技术问题之一相对应的气化反应方法。为解决上述技术问题之一，本专利技术采用的技术方案如下：一种煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，包括原料进口、下层空间的气化反应段、一级气体分布器、辅助进料口、上层空间的甲烷合成段、二级气体分布器、旋风分离器、返料管。其特征在于原料进口与下层空间相连通，辅助进料口与上层空间相连通，上层空间顶部与旋风分离器入口相连通，旋风分离器底部连接有返料管，与下层空间底部相连通，旋风分离器顶部为合成气出口。上述催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置中不同高度处布置两层气体分布器，包括一级气体分布器和位于一级气体分布器上方的二级气体分布器，所述的二级气体分布器将所述壳体内部空间分为上层空间气化反应段和下层空间甲烷合成段。上层空间的内径大于所述的下层空间，为下层空间内径的1.2倍至5.0倍之间，所述的上层空间的高度大于等于所述的下层空间，为上述下层空间高度的1.0倍至3.0倍之间。所述的原料入口的位置低于下层空间的1/2。上述的一级气体分布器位于所述下层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，一级气体分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50圈气孔，开孔率1～5％。上述的一级气体分布器的底部设置灰渣出口。二级气体分布器位于所述上层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，二级气体分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50圈气孔，开孔率1～5％。返料管底部通有返料气，返料进口的位置低于下层空间高度的1/2。上层空间设有1～5个辅助进料口，用于补加催化剂或者催化剂与原煤的混合物，辅助进料口的位置低于上层空间的1/3，其进口的角度与水平呈小于或等于60°的夹角。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述的一级气体分布器与水平轴线优选形成30°至50°的夹角，所述的二级气体分布器与水平轴线优选形成30°至50°的夹角。为解决上述问题之二，本专利技术采用的技术方案如下：煤催化气化制富甲烷合成气的反应方法，其特征在于主要步骤为：原煤和催化剂从原料进口进入反应装置的下层空间中，与来自一级气体分布器的含氧气体和水蒸气进行燃烧气化反应，产生的高温合成气在上层空间中与来自二级气体分布器的部分循环合成气和水蒸气混合，在残留灰渣中的催化剂以及由辅助进料口的补充催化剂的作用下进行甲烷化反应，产生富含甲烷的合成气，煤灰和未反应完全的煤焦颗粒在旋风分离器中分离出来，通过返料管重新进入气化反应段进行燃烧气化反应。反应压力在3～5MPa，下层空间的反应温度在800～1000℃，上层空间的反应温度在600～800℃，气相线速度1～10m/s。一级气体分布器中通入的含氧气体包括氧气、空气、富氧空气或者其混合物，二级气体分布器中通入循环合成气和水蒸气，所述循环合成气,占气化工艺出口的总合成气量的10％～50％。所述的催化剂包括碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物，所述的催化剂以浸渍法、干混法或离子交换法等方式负载在原煤上，催化剂的负载量占原煤质量的0.1～30％。由于煤催化气化反应过程中，煤需要在下层空间与含氧气体进行燃烧气化反应，为整个反应装置提供热量，并且生成CO、H2、CO2、H2O等气体进入上层空间，同时反应后的灰渣和催化剂也一并进入上层空间。下层空间中进行的主要反应如下：C+O2→CO2C+CO2→2COC+H2O→CO+H2CO+H2O→CO2+H2在上层空间来自二级气体分布器的部分循环合成气和水蒸气与来自下层空间的气体产物混合，提高了该区域内CO和H2的含量，并且降低了上层空间中的反应温度。在煤灰中催化剂以及辅助进料口补充催化剂的作用下，进行甲烷化反应，该方法同时优化了反应动力学和热力学，从而提高出口合成气中甲烷的浓度及其产率。下层空间中进行的主要反应如下：CO+H2O→CO2+H2CO+3H2→CH4+H2OC+2H2→CH4合成气与煤焦颗粒通过旋风分离器进行分离，过滤出的煤焦颗粒收集在返料管中，通过返料气进口通入松动风，将煤焦颗粒返回至气化炉的下层空间继续进行反应，从而提高了碳转化率，而合成气从旋风分离器的出口排出。部分合成气与补加的水蒸气将作为循环气，从二级气体分布器中通入强化了甲烷化反应过程。气化反应区中产生的灰渣从气化炉出口中排出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，包括原料入口、下层空间的气化反应段、一级气体分布器、辅助进料口、上层空间的甲烷合成段、二级气体分布器、旋风分离器、返料管；其特征在于原料进口与下层空间相连通，辅助进料口与上层空间相连通，上层空间顶部与旋风分离器入口相连通，旋风分离器底部连接有返料管，与下层空间相连通，旋风分离器顶部为合成气出口。

【技术特征摘要】
1.一种煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，包括原料入口、下层空间的气化反应段、一级气体分布器、辅助进料口、上层空间的甲烷合成段、二级气体分布器、旋风分离器、返料管；其特征在于原料进口与下层空间相连通，辅助进料口与上层空间相连通，上层空间顶部与旋风分离器入口相连通，旋风分离器底部连接有返料管，与下层空间相连通，旋风分离器顶部为合成气出口。2.根据权利要求1所述的煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，其特征在于上层空间的内径大于所述的下层空间，为下层空间内径的1.2倍至5.0倍之间；所述的上层空间的高度大于等于所述的下层空间，为所述下层空间高度的1.0倍至3.0倍之间。3.根据权利要求1所述的煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，其特征在于一级气体分布器位于所述下层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，一级气体分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50个圈气孔，开孔率1～5％；二级气体分布器位于所述上层空间底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，二级气体分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50个圈气孔，开孔率1～5％。4.根据权利要求3所述的煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，其特征在于一级气体分布器与水平轴线夹角的范围30～50°；二级气体分布器与水平轴线的夹角的范围30～50°。5.根据权利要求1所述的煤催化气化制富甲烷合成气的流化床反应装置，其特征在于所述进料口的位置低于下层空间高度的1/2；所述返料管底部通有返料气，返料进口的位置低于下层空间高度的1/2。6.根据权利要求1所述的煤催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：金渭龙，顾松园，钟思青，金永明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11