CN105112102A - 含碳物质气化处理方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含碳物质气化处理方法及设备，属于含碳物质气化技术领域，能够在相对温和的工艺条件下一步获得富甲烷气体，降低***能耗。所述含碳物质气化处理方法，包括：将预热后的含碳物质同氧化剂一起通入反应器中，在压力范围为10MPa≤压力值≤22.1MPa、温度范围为550℃-1000℃的水的气体状态条件下进行气化反应，得到富甲烷气体和渣水。本发明可用于含碳物质的气化处理中。

Description

含碳物质气化处理方法及设备

技术领域

本发明涉及含碳物质气化技术领域，尤其涉及一种含碳物质气化处理方法及设备。

背景技术

我国在能源结构上的特点是“缺油、少气、富煤”，发展煤基清洁能源是一条解决能源供应问题的有效途径。煤制天然气的能量效率最高，是最有效的煤炭利用方式。

目前，煤制天然气所利用的气化处理技术主要包括德士古、GSP(航天炉)、四喷嘴煤气化、Shell粉煤气化、熔渣气化炉等多种气化技术。在这些传统的煤气化技术的气化过程中，反应压力范围多在2.0～6.5MPa，反应温度多高达1000℃，工艺过程中可获得以CO和H₂为主要成分的有效气体。然而，为了能够制得甲烷气体，还需将上述获得的有效气体进行额外的洗涤、降温及甲烷化合成处理。

从上述煤气化技术过程中不难得出，现有的气化处理技术多存在工艺操作温度高，且工艺流程复杂化等问题。因此，提供一种能够在相对温度的工艺操作下一步制得富甲烷气体的气化方法是本领域技术人员的重要课题。

发明内容

本发明提供了一种含碳物质气化处理方法及设备，能够在相对温和的工艺条件下一步获得富甲烷气体，降低***能耗。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一方面提供了一种含碳物质气化处理方法，包括：

将预热后的含碳物质同氧化剂一起通入反应器中，在压力范围为10MPa≤压力值≤22.1MPa、温度范围为550℃-1000℃的水的气体状态条件下进行气化反应，得到富甲烷气体和渣水。

优选的，所述氧化剂中氧的量为所述含碳物质完全转化需氧量的0％-10％。

优选的，所述含碳物质的进料粒度小于1.4mm。

可选的，所述氧化剂为含氧气体，所述含氧气体为氧气、富氧空气或空气中的至少一种。

可选的，所述预热后的含碳物质的温度范围为360℃-480℃。

可选的，所述含碳物质的热值达到5.1MJ/kg以上。

可选的，在进行气化反应后、得到富甲烷气体和渣水前，所述方法还包括：

对气化反应后得到的反应产物进行降温降压处理。

优选的，利用气化反应后产物所携带的热量通过热交换对含碳物质进行预热。

本发明的另一方面提供了一种含碳物质气化处理设备，包括含碳物质储罐、氧化剂储罐以及用于使含碳物质与氧化剂发生气化反应的反应器，还包括：

预热器，位于所述含碳物质储罐与所述反应器之间，用于对含碳物质进行预热；

冷却器，与反应器相连，用于对气化反应生成的反应产物进行降温；

降压装置，与所述冷却器相连，用于对降温后的反应产物进行降压；

分离器，与所述降压装置相连，用于对降压后的反应产物进行气液分离。

优选的，所述反应器顶部设有水冷结构。

本发明提供了一种含碳物质气化处理方法和设备，在该气化处理方法中，含碳物质与氧气在一定的温度压力的水的气体状态下发生气化反应，能够将含碳物质中的复杂大分子转化为短链小分子，并生成富甲烷气体。该方法相对于现有技术而言，反应温度相对较低、工艺操作条件较为温和，可一步制得富甲烷气体，可有效降低***能耗，具有普遍适用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的含碳物质气化处理方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的含碳物质气化处理方法的流程图。如图1所示，本发明实施例的一方面提供了一种含碳物质气化处理方法，包括：将预热后的含碳物质同氧化剂一起通入反应器中，在压力范围为10MPa≤压力值≤22.1MPa、温度范围为550℃-1000℃的水的气体状态条件下进行气化反应，得到富甲烷气体和渣水。

该方法主要是在水的气体状态下进行反应，即在相对于超临界状态而言的相对高温、相对低压的状态下进行反应，此时水为气体状态，其作为载体将含碳物质运送至反应器中同氧化剂一起发生气化反应，以最终得到富甲烷气体和渣水。其中，氧化剂应为气态氧化剂，这样可与含碳物质实现高效混合，有助于迅速包裹有机质完成气化反应；富甲烷气体主要包括甲烷、氢气，以及少量的乙烯和乙烷的混合物以及一氧化碳，渣水为清洁水和含碳物质灰渣的混合物。可以理解的是，富甲烷气体在经过后续处理后可用于制备天然气，而所产生的渣水中的灰渣，由于可作为建筑材料使用，不仅可避免造成环境污染，还可提高其经济利用价值。

可以理解的是，本实施例中含碳物质可以为污泥、生物质、褐煤中的至少一种，也可以为废水/污泥、废水/生物质、废水/褐煤、生物质/污泥、污泥/生物质/褐煤、污泥/褐煤、废水/生物质/污泥、废水/污泥/生物质/褐煤、废水/污泥/褐煤中的任意组合。本实施例中并不对含碳物质的来源种类做具体限定。

在本实施例中，具体限定了含碳物质与氧化剂在反应器内的反应压力和温度，压力范围为10MPa≤压力值≤22.1MPa，温度范围为550℃-1000℃，以确保含碳物质在水的气体状态下与氧化剂能够充分反应。可以理解的是，上述所限定的反应压力、温度内的任意值均可满足反应条件，例如压力值可以为12MPa、14MPa、16MPa、18MPa、20MPa、22MPa等，温度可以为600℃、650℃、750℃、850℃、950℃等。

本发明实施例提供了一种含碳物质气化处理方法，在该方法中，含碳物质与氧气在一定的温度压力的水的气体状态条件下发生气化反应，能够将含碳物质中的复杂大分子转化为短链小分子，并生成富甲烷气体。该方法相对于现有技术而言，反应温度相对较低、工艺操作条件较为温和，可一步制得富甲烷气体，可有效降低***能耗，具有普遍适用性。

在本发明的一实施例中，所述氧化剂中氧的量为所述含碳物质完全转化需氧量的0％-10％。由于本实施例中，含碳物质与氧化剂发生的是气化反应，即部分氧化反应，所以氧化剂的加入量相对于含碳物质的用量而言是相对较少的，即本实施例中氧化剂中氧的量为含碳物质完全转化需氧量的0％-10％，优选的，可为2％-8％，更为优选的，可为4％-6％。可以理解的是，本领域技术人员可根据实际反应需要在上述范围内确定氧化剂中氧的量的具体值。

在本发明的一实施例中，所述含碳物质的进料粒度小于1.4mm。为了确保气化反应迅速、彻底进行，可对含碳物质的进料粒度进行优化，例如，可选择进料粒度小于1.4mm，从而可使反应器中的含碳物质能够被氧化剂迅速包裹以进行气化反应。该实施例的一优选实施例中，含碳物质的进料粒度可优选小于420μm，以进一步有利于含碳物质的彻底反应。

在本发明的一实施例中，所述氧化剂为含氧气体，所述含氧气体为氧气、富氧空气或空气中的至少一种。为了能够与含碳物质实现高效混合，本实施例中的氧化剂为气态氧化剂，具体可使用含氧气体作为气态氧化剂。可以理解的是，含氧气化剂可包括氧气、富氧空气或空气中的至少一种，具体可以是它们中的任意一种，也可以是它们的任意组合，但是并不局限于上述所列举的气体，还可以是本领域技术人员所熟知的其它气体构成。

在本发明的一实施例中，所述预热后的含碳物质的温度范围为360℃-480℃。为了使含碳物质能够在反应器内的氧化剂作用下充分发生气化反应，在反应前需将含碳物质预热至一定温度，通常该温度为360℃-480℃，这样含碳物质可在氧化剂的作用下通过发生气化反应释放热量，以将反应器内的温度维持在反应温度范围内，例如，可以是380℃、400℃、420℃、440℃、460℃等这里需说明的是，对含碳物质进行预热这一步骤可通过不同的方式实现，例如可在含碳物质储罐与反应器之间设置预热器进行预热，也可利用气化反应后得到的反应产物所携带的热量与含碳物质换热以对其进行预热。当然，如果可行的话，本领域技术人员也可利用其它方法对含碳物质进行预热，本实施例中对于含碳物质的预热方式并不做具体限定。

在本发明的一实施例中，所述含碳物质的热值达到5.1MJ/kg以上。为了维持***热量的平衡，以及确保整体反应的经济性，即尽量避免再次补充热量来源等，通常希望所选用的含碳物质的热值能够达到5.1MJ/Kg以上。含碳物质的热值一部分转化为反应获得的可燃气体热值，一部分用于原料从低温至进入反应器前升温所需的热量。这种情况下，含碳物质可以为市政污泥、生物质等。当然，本领域技术人员还可以通过将多种含碳有机物混合以使含碳物质的热值达到5.1MJ/Kg以上。

在本发明的一实施例中，在进行气化反应后、得到富甲烷气体和渣水前，所述方法还包括：对气化反应后得到的反应产物进行降温降压处理。为了能够使气化反应后所生成的反应产物气液分离得到富甲烷气体和渣水，需对反应产物进行降温降压处理。其中，在本发明的一优选实施例中，利用气化反应后产物所携带的热量通过热交换对含碳物质进行预热。该方式可使***内的反应热量能够充分利用，确保***的热效率。当然，还可以理解的是，本领域技术人员还可利用其它方式对反应产物进行降温，例如选用水作为冷却介质，通过将产物所携带的热量与水进行换热，以实现热量的转换。

本发明实施例提供了一种含碳物质气化处理设备，包括含碳物质储罐、氧化剂储罐以及用于使含碳物质与氧化剂发生气化反应的反应器，还包括：预热器，位于所述含碳物质储罐与所述反应器之间，用于对含碳物质进行预热；冷却器，与反应器相连，用于对气化反应生成的反应产物进行降温；降压装置，与所述冷却器相连，用于对降温后的反应产物进行降压；分离器，与所述降压装置相连，用于对降压后的反应产物进行气液分离。

本发明实施例提供了一种含碳物质气化处理设备，利用该设备可使含碳物质与氧气在一定温度压力的水的气体状态条件下发生气化反应，使含碳物质中的复杂大分子转化为短链小分子，并生成富甲烷气体。该设备可用于含碳物质的气化处理反应中，该设备结构简单、高效，具有普遍适用性。

在本发明的一实施例中，所述反应器顶部设有水冷结构。为了能够降低反应器顶部的温度，将反应器的顶部温度维持在适宜温度范围内，可以在反应器顶部设置水冷结构。可以理解的是，对于水冷结构的具体实施形式在本实施例中并不做具体限定，例如，可以是冷却盘管结构、冷却水槽结构等，通过在上述结构上通入水作为冷却介质实现顶部冷却功能。

另外，在该含碳物质气化处理设备中，降压装置可为限流降压结构，即通过限流实现反应产物的压力降低，具体可通过限流孔板或小直径长距离管道实现。当然，上述设备还可以变型，例如当冷却介质为含碳物质时，冷却器还可与预热器合并为一个换热装置，以提高***的热效率。可以理解的是，反应器可以为本领域技术人员所公知的下行折流反应器、下行床反应器或上行床反应器中的一种。

下面将结合具体实施例及附图更详细地描述本发明所提供的含碳物质气化处理方法和设备。需要说明的是，本发明并不仅限于所述附图和实施例方案，实施例方案仅仅是本发明构思的优选的实施方式，可以对本发明的优选技术方案进行变化或更改。

实施例1

利用煤种1(以富安煤为例)配制成浓度为45％的水煤浆，水煤浆经高压泵加压至15MPa后，利用反应后的产物的热量进行预热，预热后的原料和氧化剂混合进入反应器，氧化剂的用量为煤中含碳物质完全转化所需氧气的5％，反应器内温度为970℃～1000℃，反应后物料预热原料后，通过降温降压，并完成气液分离，得到富甲烷气体和渣水。

实施例2

利用玉米秸秆配制成浓度为20％的生物质浆，生物质浆经高压泵加压至10MPa后，利用反应后的产物的热量进行预热，预热后的原料和氧化剂混合进入反应器，氧化剂的用量为玉米秸秆中含碳物质完全转化所需氧气的3％，反应器内温度为650℃～670℃，反应后物料预热原料后，通过降温降压，并完成气液分离，得到富甲烷气体和渣水。

实施例3

利用市政污泥配制成浓度为14％的污泥浆，污泥浆经高压泵加压至17MPa后，利用反应后的产物的热量进行预热，预热后的原料和氧化剂混合进入反应器，氧化剂的用量为污泥中含碳物质完全转化所需氧气的10％，反应器内温度为550℃～570℃，反应后物料预热原料后，通过降温降压，并完成气液分离，得到富甲烷气体和渣水。

实施例4

利用煤种2(以鄂尔多斯烟煤为例)和市政污泥配制成浓度为30％的混合料浆，混合料浆经高压泵加压至22MPa后，利用反应后的产物的热量进行预热，预热后的原料进入反应器，反应器内温度为830℃～850℃，反应后物料预热原料后，通过降温降压，并完成气液分离，得到富甲烷气体和渣水。

收集实施例1-4中煤气化反应最终获得的气体成分进行分析，具体结果如表1所示。

表1

由上述表1分析结果可知，本发明实施例所提供的含碳物质气化处理方法可有效地将含碳物质中的复杂大分子转化为短链小分子，从而实现含碳物质的高效转化，转化率均达到99％以上，并生成富甲烷气体。该方法相对于现有技术而言，反应温度相对较低、工艺操作条件较为温和，可一步直接获得富甲烷气体，有效降低***能耗。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种含碳物质气化处理方法，其特征在于，包括：

将预热后的含碳物质同氧化剂一起通入反应器中，在压力范围为10MPa≤压力值≤22.1MPa、温度范围为550℃-1000℃的水的气体状态条件下进行气化反应，得到富甲烷气体和渣水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂中氧的量为所述含碳物质完全转化需氧量的0％-10％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含碳物质的进料粒度小于1.4mm。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化剂为含氧气体，所述含氧气体为氧气、富氧空气或空气中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热后的含碳物质的温度范围为360℃-480℃。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述含碳物质的热值达到5.1MJ/kg以上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行气化反应后、得到富甲烷气体和渣水前，所述方法还包括：

对气化反应后得到的反应产物进行降温降压处理。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用气化反应产物所携带的热量通过热交换对含碳物质进行预热。

9.一种含碳物质气化处理设备，包括含碳物质储罐、氧化剂储罐以及用于含碳物质与氧化剂发生气化反应的反应器，其特征在于，还包括：

预热器，位于所述含碳物质储罐与所述反应器之间，用于对含碳物质进行预热；

冷却器，与反应器相连，用于对气化反应生成的反应产物进行降温；

降压装置，与所述冷却器相连，用于对降温后的反应产物进行降压；

分离器，与所述降压装置相连，用于对降压后的反应产物进行气液分离。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述反应器顶部设有水冷结构。