煤催化气化方法技术

本发明专利技术涉及一种煤催化气化方法，主要解决催化气化反应过程中反应器出口飞灰和底部灰渣中碳损失量高，以及能量利用率低的问题。本发明专利技术通过采用两个反应器相组合的催化气化方法，包括以下步骤：负载催化剂的含碳原料与气化剂和氧化剂同时通入第一反应器中，进行部分燃烧和气化反应，产生合成气与一级渣，带有含碳飞灰的合成气进入气固分离器中将飞灰分离出来，再通过CO2吸收装置得到合成气产物，部分合成气则循环通入第一反应器中，分离下来的飞灰与一级渣通入第二反应器进行完全燃烧反应，生成残炭含量较低的二级渣和高温气体产物，高温气体产物再通入第一反应器的技术方案，较好地解决了上述问题，可应用于煤制合成气领域。

Coal catalytic gasification

The invention relates to a coal catalytic gasification method, which mainly solves the problem of high carbon loss and low energy utilization in fly ash and bottom ash from reactor outlet during the process of catalytic gasification. The invention adopts the method of catalytic gasification of two reactor combination, which comprises the following steps: loading carbon containing feedstock and gasifying agent and oxidant catalyst through the first reactor, partial combustion and gasification reaction, producing synthetic gas and a slag, fly ash with synthesis gas into the gas solid separator the fly ash separated carbon, and then through the CO2 absorption device to produce synthetic gas products, part of synthetic gas circulation into the first reactor, fly ash and slag separated into the second reactor for complete combustion reaction, generating two slag and high temperature gas products with low residual carbon content. High temperature gas product and then pass into the technical scheme of the first reactor, can solve the above problems, which can be applied to synthesis gas from coal field.

【技术实现步骤摘要】
煤催化气化方法
本专利技术涉及一种煤催化气化的方法，更具体地，本专利技术涉及采用两个反应器相组合的煤催化气化方法。
技术介绍
我国是一个煤炭大国，拥有丰富的煤炭资源，随着我国经济的快速发展，煤炭的生产量和消费量节节攀升，2014年我国的煤炭产量达到38.7亿吨，接近世界产量的二分之一，我国已经成为全球最大的煤炭生产国和煤炭消费国。煤炭的直接燃烧利用中释放大量的污染物，导致我国许多地区雾霾频发，严重影响着环境问题。煤气化技术是实现煤洁净、高效、综合利用的关键技术，是煤炭转化的重要途径，也是合成化学品、联合循环发电以及煤制代用天然气的关键技术之一。目前，多种煤气化技术已成功实现工业化应用，均采用非催化气化技术，以高温高压为代价提高碳转化率，这就带来了煤气冷却强度大、气体净化困难、能耗高、对设备要求苛刻等问题。然而，煤的催化气化过程不仅提高了气化反应速率，同时也显著降低了气化反应温度，使煤的温和气化过程得以实现。同时也可以进行许多合成过程，在催化剂的作用下，可在煤气化的同时合成甲烷、甲醇、氨等化工原料，缩短了工艺流程。其中通过煤催化气化的方法直接制取富含甲烷的合成气，是煤催化气化的一个重要研究方向。专利US4318712公开了一种煤一步法制甲烷的工艺，将催化剂与煤粉预混后通入反应器中，气化剂采用过热蒸汽，同时也作为热源维持反应器内的反应温度。过热蒸汽的温度为850℃，气化反应温度控制在700℃左右。煤在催化剂的作用下与过热蒸汽进行气化反应，同时通入CO和H2为主的循环合成气，强化炉内的甲烷化反应，直接得到富甲烷合成气。美国GPE公司基于上述技术的基础上提出了一种先进的煤制甲烷工艺(专利20070000177A1)，采用碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物为催化剂，仍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。其主要的技术特点除了采用高效的甲烷化催化剂以外，还加入了氧化钙用以吸收反应过程中产生的二氧化碳，进一步提高甲烷的含量。以上两种工艺需将过热蒸汽加热至850℃左右，能耗较高，在没有外供热的条件下难以维持反应温度。并且由于高温不利于甲烷的生成，反应温度一般控制在700℃，碳和水蒸气之间的气化反应速率慢，碳的消耗速率和转化率较低。专利CN201010279560.7公布了一种多层流化床催化气化制甲烷工艺，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，控制各段的反应程度和温度分布，从而提高甲烷产率。然而气化炉上方的热解段中，细小的粉煤未经反应就从气化炉跑出，使得飞灰的碳含量较高，并且未反应完全的煤焦返混至气化炉底部渣口，直接从气化炉排出，导致反应过程中的碳转化率较低。煤颗粒在气化炉内停留时间为2～3h时，碳转化率基本维持在60～90％的范围内。综上所述，煤催化气化技术基本采用单一反应器，由于需考虑甲烷化反应，限制了其反应温度，导致反应速率和碳转化率降低。合成气中含碳飞灰的跑漏和气化炉底部粗渣的直接排放，在较大程度上也影响着碳转化率的提升。从能量的利用率而言，残炭仍含有大量并未完全利用的热值，而现已提出的煤催化气化方法中均未提及这部分残炭的利用。因而有必要开发一种能够提高碳转化率和能量利用效率的煤催化气化方法。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是现有的煤催化气化方法中，炉顶带出的飞灰和炉底排出的灰渣中碳损失含量高的问题以及能量利用率低的问题，提供了一种新的用于提高碳转化率和能量利用率的煤催化气化方法。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种煤催化气化的方法，包括以下步骤：负载催化剂的含碳原料与气化剂和氧化剂同时通入第一反应器中，进行部分燃烧和气化反应，产生合成气与一级渣，带有含碳飞灰的合成气进入气固分离器中将飞灰分离出来，再通过CO2吸收装置，得到高浓度CO和H2的合成气产物，将部分合成气作为循环合成气通入第一反应器中，用于调节反应器内的气体成分，从而达到提高目标产物CH4收率的目的。气固分离器分离出来的含碳飞灰与未反应完全的一级渣通入第二反应器中，在氧化剂的作用下进行完全燃烧反应，生成含碳量较低的二级渣和高温气体产物。第二反应器产生的二级渣直接排出反应器，而高温气体产物则通入第一反应器中作为热源和气化剂的补充。上述的技术方案中，所述的第一反应器选自：固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉。所述的第二反应器选自：固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉和熔融床气化炉。所述的第一反应器中通入负载催化剂的含碳原料、气化剂、氧化剂和来自第二反应器的高温气体产物。可选的，也可以在第一反应器中通入部分循环合成气。所述的第二反应器中通入来自第一反应器的含碳灰渣和含碳飞灰及氧化剂。所述的第一反应器内的反应条件为：反应压力0-6.5MPa、反应温度600-1200℃、气相线速度0.1-10.0m/s。第二反应器内的反应条件为：反应压力0-6.5MPa、反应温度800-1600℃、气相线速度0.1-10.0m/s。所述的第一反应器中的氧碳比较低，控制在0.2-0.7mol/mol的范围内。第二反应器中的氧碳比较高，控制在0.8-1.2mol/mol的范围内。所述的含碳原料选自煤、石油焦、生物质及其混合物中的至少一种。所述的催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属及其混合物中的至少一种。例如碳酸钾、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)。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含碳原料上。所述的催化剂的负载量占原煤质量的0.1～30％。所述的气化剂选自液态水、水蒸气、二氧化碳及其混合物。所述的氧化剂选自空气、富氧空气、氧气及其混合物。所述的第一反应器与第二反应器相连通，第一反应器与气固分离器相连通，气固分离器通过CO2吸收装置与第一反应器相连通。所述的第一反应器和第二反应器可以组合于一体，也可以分别设置于两个反应器中。所述的气固分离器选自旋风分离器、沉降器、过滤器等及其组合装置。所述的CO2吸收装置选自低温甲醇法、聚乙二醇二甲醚法、氨水法和乙醇胺法等物理和化学吸收方法。所述的循环合成气是经CO2吸收装置，除去CO2气体后重新通入第一反应器的部分合成气。所述的循环合成气的气体流量占合成气总流量的0～70％。本专利技术的优点简介(1)第一反应器侧重于催化气化反应，第二反应器侧重于燃烧反应，两者有效组合，弥补了第一反应器中反应温度低导致的碳转化率较低的问题，提高了碳转化率，解决了催化气化反应过程中碳转化率低的问题。(2)第一反应器中通过调节循环合成气及氧化剂和气化剂的配比，使第一反应器中的某一特定区域的H2/CO比增加，强化甲烷化反应的进行，达到提高目标产物CH4收率的目的。(3)第二反应器中的操作温度较高，气固反应速率快，产生的高温气体产物直接通入第一反应器中，为第一反应器中的气化反应提供了热源和气化剂，实现了热量和物流的耦合，提高了能量的利用效率。附图说明图1为本专利技术提供的煤催化气化的示意图。图2为两个流化床相组合的实施例示意图。负本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤催化气化的方法，其特征在于，包括以下步骤：负载催化剂的含碳原料与气化剂和氧化剂同时通入第一反应器中，进行部分燃烧和气化反应，产生合成气与一级渣；带有含碳飞灰的合成气进入气固分离器中将飞灰分离出来，再通过CO2吸收装置得到合成气产物，部分合成气作为循环合成气通入第一反应器中；气固分离器中分离得到飞灰连同一级渣投入第二反应器中，在氧化剂的作用下进行完全燃烧反应，生成二级渣和高温气体产物；高温气体产物直接通入第一反应器中。

【技术特征摘要】
1.一种煤催化气化的方法，其特征在于，包括以下步骤：负载催化剂的含碳原料与气化剂和氧化剂同时通入第一反应器中，进行部分燃烧和气化反应，产生合成气与一级渣；带有含碳飞灰的合成气进入气固分离器中将飞灰分离出来，再通过CO2吸收装置得到合成气产物，部分合成气作为循环合成气通入第一反应器中；气固分离器中分离得到飞灰连同一级渣投入第二反应器中，在氧化剂的作用下进行完全燃烧反应，生成二级渣和高温气体产物；高温气体产物直接通入第一反应器中。2.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于所述的含碳原料选自煤、石油焦、生物质及其混合物，所述的气化剂选自液态水、水蒸气、二氧化碳及其混合物，所述的氧化剂选自空气、富氧空气、氧气及其混合物。3.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于所述的催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属中的至少一种；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含碳原料上；所述的催化剂的负载量占原煤质量的0.1～30％。4.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于所述的第一反应器中通入负载催化剂的含碳原料、气化剂、氧化剂、高温气体产物和循环合成气，第二反应器中通入一级渣、飞灰和氧化剂。5.根据权利要求1所述的煤催化气化方法，其特征在于所述的第一反应器的反应条件...

【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