流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种流化床和熔融床组合式催化气化装置及其方法，解决了现有技术中存在的碳转化率和气化强度低、甲烷产率偏低以及气化炉运行稳定性和可靠性差的问题。本发明专利技术由上方流化床气化段和下方熔融床气化段组成，其特征在于两个气化段采用喉口相连接，流化床气化段下部设有原料进口和用于通入循环合成气的气体分布器，熔融床气化段内上部设有回料进口，侧面设有气化剂喷嘴。主要包括以下步骤：含碳原料、循环合成气和高温混合气体在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，未反应完全的半焦分离出来并进入熔融床气化段进行燃烧气化反应的技术方案，较好地解决了上述问题，可应用于煤制合成气领域。

A combination of fluidized bed and molten bed coal catalytic gasification reactor and its method

【技术实现步骤摘要】
流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置及其方法
本专利技术涉及一种煤催化气化反应装置及方法，更具体地，本专利技术设计一种流化床和熔融床相组合的催化气化反应装置及方法，属于煤催化气化领域。
技术介绍
富煤、贫油、少气是我国的能源结构特征，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，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，有效缓解了天然气的供需矛盾，成为当前煤化工领域的研究热点之一。现阶段常用的煤制天然气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，即两步法煤制天然气的过程。该方法反应能耗大、热损失较多，需要多个反应装置因而导致工艺也较为复杂。然而，一步法煤制天然气技术是以煤为原料，在催化剂的作用下直接合成甲烷，通过在同一反应内进行催化气化、催化变换和催化甲烷化反应得到富含甲烷的合成气，该技术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，煤颗粒的停留时间较长，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CN201010279560.7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，实现了自供热反应。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，气化效率和甲烷产率偏低，并且流化床底部氧气的通入容易使灰渣熔融团聚，形成大块的熔渣，堵塞气化炉的出口和气体分布器，从而影响装置的运行稳定性。熔融床气化技术是一种较为新颖的气化技术，是将煤粉和气化剂高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内进行气化反应，具有煤种适应性广，气化强度高、良好的污染物控制和较低的气化剂需求量的特点。因而，可以考虑将高效的熔融床气化炉和流化床气化炉相结合应用于催化气化领域，研究一种气化强度高，气化反应速率快，工艺简单，运行稳定的新型一步法煤催化气化制甲烷的技术。
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和气化强度低、甲烷产率偏低以及气化炉运行稳定性和可靠性差的问题，本专利技术提出了一种流化床和熔融床相组合的催化气化装置，该装置由流化床气化段和熔融床气化段组成，流化床气化段内通入循环合成气和高温混合气体，进行热解、气化和甲烷化反应。将流化床气化段中的细灰半焦颗粒，循环至熔融床气化段中进行燃烧气化反应，实现了物料平衡，提高了气化强度、碳转化率和冷煤气效率，并且该装置运行稳定，易于放大。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：一种熔融床和流化床相组合的催化气化反应装置，包括原料进口、流化床气化段、气体分布器、喉口、熔融床气化段、冷却夹套、气化剂喷嘴、下渣口、旋风分离器、灰斗、回料直管、回料装置、回料进口和分离装置组成。其特征在于原料进口与流化床气化段相连通，气体分布器位于流化床气化段底部，熔融床气化段周边至少设有一层气化剂喷嘴，熔融床气化段底部与下渣口相连通，熔融床气化段通过喉口与流化床气化段底部相连通，旋风分离器与流化床气化段出口相连通，旋风分离器出口与分离装置相连通，旋风分离器底部设有灰斗和回料直管，回料直管底部与回料装置相连通，回料进口与熔融床气化段相连通。所述的原料进口的位置低于流化床气化段密相区高度的1/2，原料进口角度与水平轴线呈0～75°的夹角。所述的流化床气化段分为密相段和稀相段，稀相段的内径大于或等于密相段的内径，为密相段内径的1.0～5.0倍。所述的气体分布器位于流化床气化段底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50圈气孔，开孔率1～5％。所述的喉口用于连接流化床气化段和熔融床气化段，其内径小于流化床密相段的内径，为密相段内径的0.1～0.5倍。所述的熔融床气化炉本体外部设有冷却夹套，熔融床气化段侧面设有1～3层气化剂喷嘴，每层2～4个，喷嘴为等间距布置；所述的技术方案中气化剂喷嘴优选设置3层，每层等间距设置4个喷嘴，不同层的喷嘴之间相错(15°～45°)。所述的气化剂喷嘴的位置低于熔融床气化段高度的1/2，设置的方向由外向内，并且向熔融床气化段底部倾斜，倾斜角的范围为10～60°。所述的熔融床气化段底部设有下渣口，下渣口的内径为熔融床气化段的0.1～0.6倍。所述的旋风分离器底部与灰斗相连接，灰斗的内径为旋风分离器筒体内径的0.5～0.8倍。所述的回料装置底部通有返料气，用于疏松和流化旋风分离器分离下来的飞灰。所述的回料进口的位置高于熔融床气化段高度的1/2，回料进口的角度与水平轴线呈15～75°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：一种流化床和熔融床相组合的气化反应方法，其特征在于，包括以下步骤：负载催化剂的含碳原料通过原料进口进入流化床气化段内，流化床气化段底部的气体分布器中通入循环合成气，在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，产生的合成气中夹带了未反应完全的半焦，进入旋风分离器中在离心力的作用下，半焦颗粒被分离下来，进入回料直管，收集于回料装置中，回料装置中的半焦颗粒在底部流化风的作用下从回料进口送入熔融床气化段内，与高温熔融的灰渣和催化剂的混合物接触，进行高温熔融气化反应。气化剂由熔融床侧面的气化剂喷嘴喷入，反应产生的高温混合气体由喉口向上进入流化床气化段内与循环合成气混合并参与反应，为流化床内的气化反应补充了热量和气化剂；从旋风分离器出来的气体产物经过分离装置将合成气中的焦油分离出来，分离装置出口的合成气中将一部分合成气循环通入流化床气化段底部的气体分布器中。所述的原料进口中的含碳原料包括：煤、石油焦、生物质或者其混合物。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优选的技术方案为催化剂包括碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、硝酸铁或者硝酸钼中的至少一种；上述技术方案中优选的技术方案为催化剂为碳酸钾和硝酸铁的复合型催化剂。上述的技术方案中优选的技术方案为催化剂为碳酸钾和硝酸铁，他们的重量比为(7～9):(3～1)。上述的技术方案中优选的技术方案为催化剂为氢氧化钾和硝酸钼，他们的重量比为(7～9):(3～1)。上述的技术方案中优选的技术方案为催化剂碳为酸钾、氢氧化钙和硝酸铁，他们的重量比为(5～7):(2～1)：(2～1)。所述的催化剂以浸渍法、干混法或离子交换法的方式负载在原煤上；所述的催化剂的负载量占原煤质量的0.1～50％。所述的气化剂喷嘴通入的气化剂包括空气、氧气、富氧空气、水蒸气、二氧化碳或者其混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，包括原料进口(1)、流化床气化段(2)、气体分布器(3)、喉口(4)、熔融床气化段(5)、冷却夹套(6)、气化剂喷嘴(7)、下渣口(8)、旋风分离器(9)、灰斗(10)、回料直管(11)、回料装置(12)、回料进口(13)和分离装置(14)组成；其特征在于原料进口(1)与流化床气化段(2)相连通，气体分布器(3)位于流化床气化段(2)底部，熔融床气化段(5)周边至少设有一层气化剂喷嘴(7)，熔融床气化段(5)底部与下渣口(8)相连通，熔融床气化段(5)通过喉口(4)与流化床气化段(2)相连通，旋风分离器(9)与流化床气化段(2)相连通，旋风分离器(9)出口与分离装置(14)相连通，旋风分离器(9)底部设有灰斗(10)和回料直管(11)，回料直管(11)底部与回料装置(12)相连通，回料进口(13)与熔融床气化段(5)相连通。

【技术特征摘要】
1.一种流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，包括原料进口(1)、流化床气化段(2)、气体分布器(3)、喉口(4)、熔融床气化段(5)、冷却夹套(6)、气化剂喷嘴(7)、下渣口(8)、旋风分离器(9)、灰斗(10)、回料直管(11)、回料装置(12)、回料进口(13)和分离装置(14)组成；其特征在于原料进口(1)与流化床气化段(2)相连通，气体分布器(3)位于流化床气化段(2)底部，熔融床气化段(5)周边至少设有一层气化剂喷嘴(7)，熔融床气化段(5)底部与下渣口(8)相连通，熔融床气化段(5)通过喉口(4)与流化床气化段(2)相连通，旋风分离器(9)与流化床气化段(2)相连通，旋风分离器(9)出口与分离装置(14)相连通，旋风分离器(9)底部设有灰斗(10)和回料直管(11)，回料直管(11)底部与回料装置(12)相连通，回料进口(13)与熔融床气化段(5)相连通。2.根据权利要求1所述的流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的流化床气化段(2)分为密相段和稀相段，稀相段的内径大于或等于密相段的内径，为密相段内径的1.0～5.0倍。3.根据权利要求1所述的流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的气体分布器(3)位于流化床气化段(2)底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，气体分布器(3)锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50圈，开孔率1～5％。4.根据权利要求1所述的流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的喉口(4)用于连接流化床气化段(2)和熔融床气化段(5)，其内径小于流化床密相段的内径，为密相段内径的0.1～0.5倍。5.根据权利要求1所述的流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的熔融床气化段(5)外部设有冷却夹套(6)，熔融床气化段(5)侧面设有1～3层气化剂喷嘴(7)，每层2～4个，等间距布置；所述的气化剂喷嘴(7)的位置低于熔融床气化段(5)高度的1/2，设置的方向由外向内，并且向熔融床气化段(5)底部倾斜，倾斜角的范围为10～60°。6.根据权利要求1所述的流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：金渭龙，顾松园，钟思青，霍威，
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