CN105273764A - 煤气化装置及气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加载催化剂条件下煤气化装置及气化方法,解决现有技术中存在的煤气化温度高、碳转换率低等工艺参数导致了对设备要求高和能耗高的问题。本发明通过采用煤在催化剂的作用下与气化剂进行气化反应,主要包括流化床反应器(12)、旋风分离器(13)、热交换设备(14)、净化设备(15);流化床反应器(12)开有径向有进料口Ⅰ(27)、进料口Ⅱ(28),底部开有进气口(24),流化床反应器(12)分为下部密相区(26)和上部稀相区(29);旋风分离器(13)包括“J”型管下料段(34)和“J”型管出料段(35),本发明通过间歇性排渣,实现在反应器设备内煤粉低温气化,降低合成气的生产成本和对设备的要求,循环利用催化剂,提高碳的转化率,此技术方案较好地解决该问题,可用于煤气化工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种加载催化剂条件下煤气化装置及气化方法。
背景技术
我国是富煤贫油缺气的国家,随着石油和天然气资源的日益减少,发展洁净高效的煤炭转化技术具有长远意义。
传统的煤气化技术,即煤在高温下与氧气或空气和水蒸气组成的气化剂进行气化,生成合成气(主要是氢气、一氧化碳和二氧化碳),大致可以分为三大类:高压固定床气化、气流床气化和流化床气化等。该煤气化技术具有气化反应所需的温度高,能耗大,对设备要求高等缺点。
加载催化剂条件下煤气化装置及气化方法是煤洁净高效利用的一种重要方式,采用煤催化气化技术,煤在相对较低的温度下与水蒸气、空气或者氧气组成的气化剂在催化剂的作用下进行气化反应,生成合成气,该技术与其它煤气化技术相比较,具有气化温度低,合成气含量高、对装备要求条件低等优点。
该技术能使被流化的物料与催化剂充分混合,有利于传热、传质和气化反应,有利于粉状物料的利用,但同时也带来了排放以及旋风分离器中灰中碳的损失较大等不足。
USP4,057,402提出了一种流化床气化过程,煤经过预处理后进入流化床反应器中,采用灰熔聚法排除灰渣,飞灰先经炉内旋风分离器分离,再经炉外旋风分离器分离,循环含碳飞灰从熔聚分离管返回气化装置,所述的气化过程,要先经过高温状态下炉内旋风分离器,所以对它的材质要求更高,飞灰通过熔聚灰的分离器进行循环,操作控制困难。
US4,077,778提出采用多级流化床煤催化气化工艺,消除原催化气化工艺的不足,使气化更高效的进行,充分利用进料碳资源,提高碳转化率。主流化床操作气速较高,将部分碳颗粒夹带至二级流化床,在较低气速下进行气化反应,增大固体颗粒的停留时间,最大限度提高碳转化率。多级流化床煤催化气化工艺采用多个流化床反应器,设备投资巨大,操作较复杂。
美国GPE公司在EXXON工艺技术基础上进行了进一步研究,US20070000177AI公开了煤一步法制甲烷的工艺,催化剂是碱金属氧化物或碱金属盐,气化剂是水蒸气,其主要技术特征除了加入高效的甲烷化催化剂之外,还加入了氧化钙到反应的煤粉当中,吸收反应过程产生的二氧化碳,进一步提高甲烷含量,上述工艺的确定是由于加入甲烷生成的催化剂,但高温不利用甲烷的生成,反应温度一般控制在700℃左右,反应速度慢,需要额外提供热量维持反应温度,这些技术还尚处于研发阶段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中存在的对煤气化温度高的问题,提出了一种新的煤气化装置。该装置可以用于煤气化生产,具有实现煤的温和气化,同时流化床装置设计简单,进而对设备要求低的优点。
本发明所要解决的技术问题之二是现有技术中存在碳转化率低的问题,采用上述煤气化装置,提出了一种新的煤气化方法。该方法可以用于煤气化生产,具有温度低,碳转化率高,同时对工艺能耗消耗低的优点。
为解决上述技术问题之一,本发明所采用的技术方案如下:一种加载催化剂条件下煤气化装置,主要设备包括破碎设备7、研磨设备8、混合搅拌设备9、干燥设备10、流化床反应器12、旋风分离器13、热交换设备14、净化设备15,其中流化床反应器10上部为稀相区29和下部为密相区26,下部密相区26开有径向进料口Ⅰ27和进料口Ⅱ28,底部装有布风装置25和进气口24;上部稀相区29开有气体出口30连接到旋风分离器13,旋风分离器13内有分离室31,完成气固分离,下部有“J”型管下料段34和“J”型管出料段35,旋风分离器出口33与热交换设备14相连;经过热交换后的气体通过气体净化设备16后收集。
上述技术方案中,所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是煤和催化剂在研磨设备内完成,所述的研磨设备为球磨机或者胶体磨机。所述流化床反应器12的上部稀相区29和下部密相区26的直径之比为(2.0~10.5):1;高度之比为(3.0~12.0):1。所述的下部密相区径向进料口Ⅰ27和进料口Ⅱ28为轴向对称布置与水平夹角为45℃。所述旋风分离器的“J”型管下料段(34)底部开有排灰口(36),“J”型管出料段(34)距离底部排灰口(36)为30~60cm。
在本发明提出加载催化剂条件下煤气化装置,目的在于更好的混合煤粉和催化剂,高效回收未反应的煤粉颗粒,有效降低气化温度和提高碳的转化率,同时使用设计简单的流化床反应器,进而使该工艺适合低成本和大规模处理我国储量丰富的煤气化方法。
为解决上述技术问题之二,本发明所用的技术方案如下:煤粉和催化剂经过研磨、浸渍、搅拌,混合均匀,混合后的煤粉和催化剂作为原料进入流化床反应器中,与气化剂接触,在反应压力以表压计为0.1~3MPa,反应区域的平均温度为650~800℃,气流速度为0.1~0.6m/s的条件下,催化剂在煤粉表面侵蚀、开孔、降低反应活化能,将煤转化为合成气,灰的产品,温度较高的合成气通过热交换回收部分热量。
上述技术方案中,所述催化剂可以为碱性氧化物、金属盐,其中碱性氧化物可以为Fe2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O等中的至少一种;金属盐可以为KCl、K2CO3、K2SO4和Na2CO3等中的至少一种。所述的煤粉和催化剂被研磨至粒度为20~200μm,催化剂和煤的重量比为(0.05~0.20):1。所述的密相区流速为0.4~0.6m/s,稀相区流速为0.1~0.4m/s。
本发明的方法中煤粉和催化剂磨至指定粒度20~200μm,在混合搅拌设备中充分混合,使催化剂颗粒有效的附着在煤粉颗粒上,有效扩大煤粉的接触面积,让煤粉颗粒在后期气化时候进一步扩大微孔的表面积,催化剂与煤形成络合物,降低化学能,从而改变反应动力学条件提高反应效率,将附着催化剂的煤粉,空气或者氧气和水蒸气加入到反应器下部的密相区,密相区处于温和气化反应状态,流速为0.4~0.6m/s,随着反应进行,催化剂附着在半焦上进入上部稀相区,该区域具有更好的气固接触面积和更高的反应温度,更加有利于半焦的气化,上部稀相区的流速更有利于反应,流速为0.1~0.4m/s,温度为650~800℃,由上部稀相区进入到旋风分离器的颗粒(含有未反应的碳和催化剂等)经“J”型管出料段送回至反应器下部密相区参与反应,在提高碳转换率的同时也使催化剂得以循环利用。此外由于本发明方法,反应器温度得到大幅度降低,实现了煤的温和气化,减少了对设备要求以及对冷却气体的处理,使操作更加便利,有效的提高了能量的利用,降低了热损失,降低了工艺的能耗。
以上介绍了本发明的工艺装置以及方法,但本领域技术人员显然可以根据本发明的内容对本发明进行一系列变化。虽然本发明重在阐述煤制备合成气,但显然本发明的方法也可以用来处理石油焦或生物质,同时也可以用来制备煤焦油等。对本发明做的各种改动或者修改,这些等价形式同样落于本申请所附专利要求所限定范围。
采用本发明的方法,实现了煤的温和气化,降低了对气化设备的要求以及减少煤气化过程中能量的消耗。流化床反应器稀相区与流化床反应器密相区直径之比为10.5:1,高度之比为12.0:1,流化床反应器的平均温度为800℃,煤平均粒度为100um,催化剂平均粒度为100um,在此条件下,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4占合成气成分的2.8%,56.1%,25.2%和13.2%,碳的转化率达到95%。
附图说明
图1为一种加载催化剂条件下煤气化装置结构示意图。
图1中,1为煤;2为催化剂;3为载气;4为空气(氧气);5为水蒸气;6为载气;7为破碎设备;8为研磨设备;9为混合搅拌设备;10为干燥器;11为给料***;12为流化床反应器;13为旋风分离器;14为换热器;15为净化器;16为储液罐;17为预热器;18为排灰渣口;19为煤气;20为热量回收。
图2为给料***、流化床反应器和旋风分离器的装置结构详解图。图2中,(a)为图1中的给料***11的详解图,(b)为图1中的流化床反应器12的详解图,(c)为图1中的旋风分离器13的详解图,其中21为煤仓;22为螺旋给料器;23为给料机下端出口;24为进气口;25为布风装置;26为反应器密相区;27为“J”型管返料入口;28为炉料入口;29为反应器稀相区;30为合成气出口;31为旋风分离器分离室;32为旋风分离器入口;33为旋风分离器出口;34为“J”型管下料段;35为“J”型管出料段;36为排灰口。
原料煤1经过破碎设备7破碎,破碎设备7与研磨设备8相连,进行研磨,催化剂2(碱性氧化物或者碱金属)进入研磨设备8中进行研磨;研磨设备8与混合搅拌设备9相连,在混合搅拌设备9中进行浸渍、搅拌,将混合均匀的煤和催化剂经干燥器10干燥后加至给料***11中的煤仓21,煤仓21下面接有螺旋给料机22,煤和催化剂由螺旋给料机22输送,经过给料机下端出口23,送至反应器密相区26内进行反应;生成的合成气和灰经过旋风分离器13分离后,灰进入到“J”型管下料段34,再经过“J”型管出料段35,“J”型管出料段35与密相区返料入口28相连接,最后灰返回至反应器密相区26进行再次充分气化;循环流化床反应器产生的炉渣从反应器底部24排出,分离出来的气体进入到热交换设备14,热交换设备14与净化器设备15相连接。
下面通过实施例对本发明做进一步的阐述,但不局限于本施例。
具体实施方式
【实施例1】
在图1、2所示的工艺反应流程装置中,流化床反应器稀相区与流化床反应器密相区直径之比为4.0:1,高度之比为3.0:1,将煤在破碎设备经初步破碎,在研磨设备中研磨至平均粒度为100um,催化剂在研磨设备中研磨至平均粒度为100um,流化床反应器的平均温度为700℃,流化床反应器顶部压力以表压计为0.1MPa,流化床反应器径向进料口由给料***控制进料量,轴向进气口以计量泵计量水蒸气的量;流化床反应器密相区内气体线速为0.4m/s,流化床反应器稀相区气体线速为0.1m/s。催化剂为Na2CO3,催化剂的量和煤的重量比为0.05:1,保持床层平均温度波动在±30℃以内,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4约占合成气成分的2%,57%,28%和10%,其余为未反应的O2和惰性气体等,碳的转化率达到85%。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件,煤的平均粒度为100um,催化剂的平均粒度为100um,流化床反应器稀相区与流化床反应器密相区直径之比为6.5:1,高度之比为7.0:1,流化床反应器的平均温度为750℃,流化床反应器顶部压力以表压计为2.5MPa,催化剂为Fe2O3,催化剂的量和煤的重量比为0.10:1,保持床层平均温度波动在±30℃以内,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4约占合成气成分的3%,55%,25%和12%,其余为未反应的O2和惰性气体等,碳的转化率达到90%。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件,煤的平均粒度为100um,催化剂的平均粒度为100um,流化床反应器稀相区与流化床反应器密相区直径之比为10.5:1,高度之比为12.0:1,流化床反应器的平均温度为800℃,流化床反应器顶部压力以表压计为3.0MPa,催化剂为K2CO3,催化剂的量和煤的重量比为0.15:1,保持床层平均温度波动在±30℃以内,保持流化床反应器顺利运行,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4约占合成气成分的2.8%,56.1%,25.2%和13.2%,其余为未反应的O2和惰性气体等,碳的转化率达到95%。
【比较例1】
传统常压Winkler煤气化技术气化温度在950℃以上,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4约占合成气成分的17%,25%,32%和0.8%,其余为未反应的O2和惰性气体等,碳的转化率仅为81%。
【比较例2】
传统高压Winkler煤气化技术气化温度在1000℃以上,气化后合成气成分中,CO2,CO,H2和CH4约占合成气成分的8.2%,48.2%,30.6%和2.8%,其余为未反应的O2和惰性气体等,碳的转化率在91%。
Claims (10)
1.一种加载催化剂条件下煤气化装置,主要设备包括破碎设备(7)、研磨设备(8)、混合搅拌设备(9)、干燥设备(10)、流化床反应器(12)、旋风分离器(13)、热交换设备(14)、净化设备(15),其中流化床反应器(10)中,上部为稀相区(29)、下部为密相区(26),下部密相区(26)开有径向进料口Ⅰ(27)、进料口Ⅱ(28),底部装有布风装置(25)和进气口(24);上部稀相区(29)开有气体出口(30)连接到旋风分离器(13),旋风分离器(13)内有分离室(31),完成气固分离,旋风分离器(13)下部有“J”型管下料段(34)和“J”型管出料段(35),旋风分离器出口(33)与热交换设备(14)相连;经过热交换后的气体通过气体净化设备(16)后收集。
2.根据权利要求1所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是煤和催化剂在研磨设备内研磨,所述的研磨设备为球磨机或者胶体磨机。
3.根据权利要求1所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是流化床反应器(12)上部稀相区(29)和下部密相区(26)的直径之比为(2.0~10.5):1;高度之比为(3.0~12.0):1。
4.根据权利要求1所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是流化床反应器(12)底部装有布风装置(25),其孔为三边形、六边形或圆形。
5.根据权利要求1所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是所述的下部密相区(26)径向至少有两个进料口,进料口Ⅰ(27)和进料口Ⅱ(28),且为轴向对称布置与水平夹角为45℃。
6.根据权利要求1所述的加载催化剂条件下煤气化装置,其特征是旋风分离器的“J”型管下料段(34)底部开有排灰口(36),“J”型管出料段(34)距离底部排灰口(36)为30~60cm。
7.一种加载催化剂条件下煤气化方法,采用权利要求1~7的装置,反应方法为:煤粉和催化剂经过研磨、浸渍、搅拌,混合均匀,混合后的煤粉和催化剂作为原料进入流化床反应器中,与气化剂接触,在反应压力以表压计为0.1~3MPa,反应区域的平均温度为650~800℃,气流速度为0.1~0.6m/s的条件下,催化剂在煤粉表面侵蚀、开孔、降低反应活化能,将煤转化为合成气,灰的产品,温度较高的合成气通过热交换回收部分热量。
8.根据权利要求7所述的加载催化剂条件下煤气化方法,其特征是催化剂为碱性氧化物或金属盐,其中碱性氧化物为Fe2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O中的至少一种;金属盐为KCl、K2CO3、K2SO4和Na2CO3中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的加载催化剂条件下煤气化方法,其特征是煤粉和催化剂被研磨至粒度为20~200μm,催化剂和煤的重量比为(0.05~0.20):1。
10.根据权利要求7所述的加载催化剂条件下煤气化方法,其特征是密相区流速为0.4~0.6m/s,稀相区流速为0.1~0.4m/s。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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