CN107760377A - 流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流化床和固定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差的问题。本发明由上方流化床气化段和下方固定床气化段组成，其特征在于两个气化段采用喉口相连接，流化床气化段中设有原料进口、循环合成气进口、一级回料进口和气体分布器，固定床气化段内设有炉蓖和二级回料进口。主要包括以下步骤：含碳原料、催化剂、一级回料的半焦颗粒、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，未反应完全粗渣和二级细灰颗粒进入固定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，可应用于煤制富甲烷合成气领域。

Description

流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种煤催化气化反应装置及方法，更具体地，本发明设计一种流化床和固定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。
背景技术
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GPE公司的专利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。
由于流化床气化炉颗粒粒度较小、温度分布均匀，并且具有相对较高的热质传递速率和颗粒停留时间，是煤催化气化较为合适的反应器，现有的GPE和新奥的催化气化技术均采用流化床反应器。但是在以制富甲烷合成气为目的的低温催化气化过程中，仍然存在气化强度低、碳转化率低和运行稳定性差的问题。因而，有必要研究一种气化强度高，气化反应速率快，甲烷化反应程度高、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。
发明内容
本发明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、甲烷产率偏低以及运行稳定性差的问题，本发明提出了一种流化床和固定床相组合的催化气化装置，该装置由流化床气化段和固定床气化段组成，流化床气化段内通入负载催化剂的含碳原料、循环合成气和高温混合气体，进行热解、气化和甲烷化反应。将一级旋风分离器得到的半焦和灰通入流化床底部，二级旋风分离器得到的半焦和灰以及流化床气化段产生的粗渣通入固定床气化段，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。
本发明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，本发明采用的技术方案如下：一种流化床和固定床组合式催化气化反应装置，包括原料进口1、流化床气化段2、气体分布器3、喉口4、固定床气化段5、炉蓖6、传动装置7、下渣口8、气化剂导管9、流化床气化段出口10、一级旋风分离器11、一级灰斗12、一级回料直管13、一级回料装置14、一级回料进口15、二级旋风分离器16、二级灰斗17、二级回料直管18、二级回料装置19、二级回料进口20、分离装置21以及循环合成气进口22组成。其特征在于原料进口1与流化床气化段2相连接，气体分布器3位于流化床气化段2底部，流化床气化段2通过喉口4与固定床气化段5相连接，炉蓖6与传动装置7相连接，固定床气化段5底部与下渣口8相连接，流化床气化段出口10与一级旋风分离器11和二级旋风分离器16相连接，二级旋风分离器16出口与分离装置21相连接，一级旋风分离器11底部通过一级灰斗12和一级回料直管13与一级回料装置14相连接，一级回料进口15与流化床气化段9相连接，二级旋风分离器16底部通过二级灰斗17和二级回料直管18与二级回料装置19相连接，二级回料进口20与固定床气化段5相连接，循环合成气进口22与流化床气化段2相连接。
所述的原料进口1设有1～4个，原料进口1的位置为流化床气化段2高度的1/4～3/4，原料进口1的角度与水平轴线呈0～75°的夹角。
所述的气体分布器3位于流化床气化段2的底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，气体分布器3的锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～20圈气孔，开孔率0.1～5％。
所述的喉口4用于连接流化床气化段2和固定床气化段5，其内径小于流化床气化段2的内径，为其内径的0.1～0.5倍。
所述的炉蓖6设在固定床气化段5的底部，炉蓖6由4～6层组成，炉蓖6各层上设有气孔，气孔为等间距布置，孔径10～20mm，开孔率15～30％。
所述的固定床气化段5底部设有下渣口8，下渣口8的内径为固定床气化段5的0.1～0.6倍。
所述的一级旋风分离器11底部连接一级灰斗12，一级灰斗12的内径为一级旋风分离器11筒体内径的0.5～0.8倍；二级旋风分离器16底部连接二级灰斗17，二级旋风分离器16筒体内径为一级旋风分离器的0.8～1.0倍，二级灰斗17的内径为二级旋风分离器16筒体内径的0.5～0.8倍。
所述的一级回料装置14和二级回料装置19底部通有返料气，用于疏松和流化一级旋风分离器11和二级旋风分离器16分离下来的飞灰。
所述的一级回料进口15的位置位于流化床气化段2底部，为流化床气化段2高度的1/8～1/3，一级回料进口15的角度与水平轴线呈15～75°的夹角。
所述的二级回料进口20的位置位于固定床气化段5中部，为固定床气化段5高度的1/3～2/3，二级回料进口20的角度与水平轴线呈15～75°的夹角。
所述的循环合成气进口22的位置位于流化床气化段2中部，为流化床气化段2高度的1/3～2/3，循环合成气进口22的角度与水平轴线呈-30～30°的夹角。
为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种流化床和固定床相组合的气化反应方法，其特征在于，包括以下步骤：含碳原料和催化剂通过原料进口1进入流化床气化段2内，与来自气体分布器3的气化剂I B、喉口4的高温混合气体以及循环合成气进口22的循环合成气混合接触，进行热解、气化反应和甲烷化反应，被富集、粘聚和团聚之后的灰渣颗粒，粒径和质量增加，会通过喉口4进入固定床气化段5中，上方流化床气化段出口10的富甲烷合成气和煤灰颗粒进入一级旋风分离器11，通过一级回料装置14和一级返料气D的作用下将半焦颗粒送回到流化床气化段2的底部，二级旋风分离器16分离得到的细粉煤灰颗粒通过二级回料装置19和二级返料气E送入到固定床气化段5内，净化除尘后的气相产物经过分离装置21将焦油F分离出来，分离装置21出口的合成气中一部分作为循环合成气H从循环合成气进口22通入流化床气化段2内，其余部分合成气G进入后续的合成气净化装置。二级回料进口20的细灰与从喉口4落入的粗渣落于旋转运动的炉蓖6上，与气化剂导管9中通入的气化剂II C进行高温燃烧气化反应，反应后产生的燃尽的灰渣I从固定床气化段5底部的下渣口8排出，高温混合气体通过喉口4进入流化床气化段2内。
所述的原料进口1中的含碳原料选自：煤、石油焦、生物质或者其混合物，粒径小于等于10mm。
所述的催化剂选自碱金属、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％。
所述的气体分布器3中通入的气化剂I B选自空气、氧气、富氧空气、水蒸气、二氧化碳或者其混合物。
所述的流化床气化段2中的氧碳比范围0.5～0.9mol/mol，水碳比范围0.7～1.5mol/mol，流化床气化段2的操作温度600～800℃，操作压力3～6.5MPa，线速度0.1～10m/s。
所述的气化剂导管9中通入的气化剂II C选自空气、氧气、富氧空气、水蒸气、二氧化碳或者其混合物。
所述的固定床气化段5中的氧碳比范围0.8～2.0mol/mol，操作温度700～1200℃，操作压力范围3～6.5MPa，线速度0.1～1m/s。
所述的炉蓖4用于均匀分布气化剂，炉蓖4气孔出口气体速度2～10m/s，气量分布自下层到上层依次减少，采用液压或者电机转动方式来驱动炉蓖4的旋转，旋转速度0～12r/h。
所述的一级回料装置14和二级回料装置19底部的返料风选自氮气、氩气、水蒸气、二氧化碳或者其混合物。
所述的一级回料进口15的循环倍率范围2～20倍，二级回料进口20的循环倍率范围1～5倍。
所述的循环合成气的流量占出口合成气总流量的10～50％。所述的循环合成气，优选的技术方案为循环合成气的流量占出口合成气总流量的20～40％。
使用本发明的设备所采用的工艺过程简述：
将含碳原料和催化剂经原料进口进入流化床气化段内，与来自气体分布器中的气化剂、下方喉口的高温混合气体和循环合成气进口的循环合成气混合，进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度范围600～800℃，压力3.0～6.5MPa，生成CH4、CO、H2、CO2等气体，被富集、粘聚和团聚之后的灰渣颗粒，粒径和质量增加，通过喉口进入固定床气化段内进一步反应。流化床气化段出口合成气中夹带的未反应完全的煤灰颗粒进入一级旋风分离器中，在离心力的作用下，煤灰颗粒被分离下来并收集于一级回料装置中，在底部返料风的作用下，经一级回料进口通入流化床气化段内进行气化反应，未分离下来的细粉煤灰颗粒进入二级旋风分离器中分离并送入固定床气化段内进行燃烧气化反应，固定床气化段内温度较高，操作温度达到700～1200℃，反应产生的大量高温混合气体，主要为H2、CO、H2O、CO2等气体由喉口向上进入流化床气化段，为流化床气化段内的气化反应补充了热量和气化剂。反应产生的灰渣通过旋转炉蓖从底部的下渣口排出。分离装置出口的合成气将被送到后续的洗涤冷却室中，经脱硫脱氮得到净化处理后的富含甲烷的合成气。
本发明的优点简述：
1)采用流化床气化段和固定床气化段相组合的催化气化装置，将流化床催化气化段中未完全反应的半焦颗粒和细灰在高温的固定床气化段中进行燃烧气化反应，提高了碳转化率，而高温固定床气化段产生的高温混合气体直接通入上方流化床气化炉中，为流化床气化段内的气化反应补充了热量和气化剂，实现了热流和物流的耦合。
2)流化床气化段出口连接两级旋风分离器，一级旋风分离器的回料进口位于流化床气化段内，可控制线速度，实现循环流化气化反应，二级旋风分离器的回料进口位于固定床气化段内，将难以流化的细灰直接通入固定床气化段中进行燃烧气化反应，有利于提高流化稳定性。
3)在流化床气化段中部通入循环合成气，强化了炉内的甲烷化反应过程，提高了出口合成气中甲烷的含量，同时由于从气化炉的中部通入，有效避免了循环合成气与气体分布器中气化剂的直接混合，防止了循环合成气的直接燃烧过程。
4)固定床气化段内的炉篦采用传动装置驱动，旋转的炉篦能够使整个床层移动，保证了气化反应均匀，有效防止了固定床气化反应过程中的偏流和沟流，促进了气化反应均匀性。
采用本发明的技术方案通过流化床和固定床的耦合，流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，其未反应完全的半焦颗粒通过回料装置继续通入流化床内进行反应，细灰和反应后的粗渣进入固定床气化段内进行燃烧气化反应。可使气化装置出口碳转化率达到95％，出口合成气中甲烷含量25％，同时具有气化强度大、能量利用率高、结构简单紧凑、运行稳定性好的特点，较大程度上降低了设备投资和生产成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为流化床和固定床相组合的气化反应装置的流程示意图：
图1中，1为原料进口、2为流化床气化段、3为气体分布器、4为喉口、5为固定床气化段、6为炉蓖、7为传动装置、8为下渣口、9为气化剂导管、10为流化床气化段出口、11为一级旋风分离器、12为一级灰斗、13为一级回料直管、14为一级回料装置、15为一级回料进口、16为二级旋风分离器、17为二级灰斗、18为二级回料直管、19为二级回料装置、20为二级回料进口、21为分离装置、22为循环合成气进口。A为含碳原料+催化剂；B为气化剂I；C为气化剂II；D为一级返料气；E为二级返料气；F为焦油；G为合成气；H为循环合成气；I为灰渣。
含碳原料和催化剂A通过原料进口1进入流化床气化段2中，与来自气体分布器3的气化剂I B、喉口4的高温混合气体以及循环合成气进口22的循环合成气H混合，进行热解、气化和甲烷化反应，被富集、粘聚和团聚之后的灰渣颗粒，粒径和质量增加，通过喉口4直接落入下方固定床气化段5中。流化床气化段出口10的合成气中含有未反应完全的半焦颗粒和细灰，进入一级旋风分离器11中，在离心力的作用下，半焦颗粒被分离出来经一级灰斗12和一级回料直管13落入一级回料装置14中，在一级返料风D的作用下送入流化床气化段2的底部进行循环反应，未分离下来的细灰通过二级旋风分离器16，通过二级灰斗17和二级回料直管落入二级回料装置19中，在二级回料风E的作用下送入固定床气化段5的中部。一级回料进口15的半焦颗粒在流化床气化段2内继续参与气化反应，而二级回料进口20的细灰由于较难流化直接送入固定床气化段内与从喉口4落入的粗渣落于旋转运动的炉蓖6上，与气化剂导管9中通入的气化剂II C进行高温燃烧气化反应，反应后产生的燃尽的灰渣I从固定床气化段5底部的下渣口8排出。反应产生的高温混合气体向上通过喉口4进入固定床气化段3，为固定床气化段3内的气化反应提供了显热和气化剂。通过旋风分离器净化除尘后的富甲烷合成气进入分离装置21将合成气中焦油F分离出来，分离装置21出口的合成气中一部分作为循环合成气H从循环合成气进口22通入流化床气化段2内，其余部分合成气G进入后续的合成气净化装置。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/6，一级回料进口的循环倍率为5倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖采用固定形式，转速60r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的1/2，二级回料进口的循环倍率为2倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的20％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度20％，甲烷产率0.50Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到90％。
【实施例2】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/6，一级回料进口的循环倍率为5倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖旋转，转速6r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的1/2，二级回料进口的循环倍率为2倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的20％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度25％，甲烷产率0.62Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到98％。
【实施例3】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/8，一级回料进口的循环倍率为5倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖旋转，转速6r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的1/2，二级回料进口的循环倍率为2倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的20％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度25％，甲烷产率0.67Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到99％。
【实施例4】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/6，一级回料进口循环倍率为10倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖旋转，转速6r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的1/2，二级回料进口的循环倍率为2倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的20％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度28％，甲烷产率0.70Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到99.5％。
【实施例5】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/6，一级回料进口的循环倍率为5倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖旋转，转速6r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的2/3，二级回料进口的循环倍率为2倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的30％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度24％，甲烷产率0.62Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到97％。
【实施例6】
一种流化床和固定床组合式催化气化装置，流化床气化段内径1.0m，高度12m，原料进口高度位于流化床气化段高度的1/3，循环合成气进口位于流化床气化段高度的1/2，一级回料进口位于流化床气化段高度的1/6，一级回料进口的循环倍率为5倍，气体分布器的倾斜面与水平面的夹角为30°，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置10圈，开孔率2％。固定床气化段内径1.0m，高度6m，炉蓖位于固定床气化段高度1/3处，设有4层，各层上的气孔孔径15mm，开孔率20％，炉蓖旋转，转速6r/h，二级回料进口位于固定床气化段高度的1/2，二级回料进口的循环倍率为3倍。
实验选用内蒙褐煤与10％的碳酸钾催化剂混合，从原料进口加入流化床气化段内，气体分布器中氧气和水蒸气，循环合成气进口中通入循环合成气，循环合成气的气量占气化装置出口合成气总量的30％，原料在流化床气化段内进行热解、气化和甲烷化反应，操作温度700℃，操作压力3.5MPa，氧碳比0.5mol/mol，水碳比1.0mol/mol，生成富含甲烷的合成气，出口合成气中CH4浓度27％，甲烷产率0.69Nm3/kg。合成气中未反应完全的半焦颗粒通过一级回料装置收集并循环送入流化床气化段，再次进行气化反应。流化床气化段产生的粗渣和二级回料装置通入的细灰在固定床气化段内与气化剂导管通入的氧气和水蒸气进行燃烧气化反应，氧碳比控制在1.0mol/mol，固定床气化段的操作温度为1000℃，产生的高温混合气体向上进入流化床气化段，为流化床内的气化反应提供了显热和气化剂，气化装置出口的碳转化率达到98.5％。
【比较例1】
采用Exxon公司提出的一步法煤制甲烷工艺中的催化气化反应装置，选用10％碳酸钾催化剂，操作压力3.5MPa，过热蒸汽850℃，操作温度700℃。实验得到出口气体组分中甲烷含量19％，甲烷产率0.39Nm3/kg，碳转化率85％。
【比较例2】
采用新奥集团提出的多层流化床催化气化制富甲烷气体的工艺中的气化反应装置，实验选用内蒙褐煤为原料，负载10％的碳酸钾催化剂，操作压力3.5MPa，操作温度700℃。得到的出口气体组分中甲烷含量8.4％，甲烷产率0.15Nm3/kg，碳转化率50％。

Claims (10)

1.一种流化床和固定床组合式催化气化反应装置，包括原料进口(1)、流化床气化段(2)、气体分布器(3)、喉口(4)、固定床气化段(5)、炉蓖(6)、传动装置(7)、下渣口(8)、气化剂导管(9)、流化床气化段出口(10)、一级旋风分离器(11)、一级灰斗(12)、一级回料直管(13)、一级回料装置(14)、一级回料进口(15)、二级旋风分离器(16)、二级灰斗(17)、二级回料直管(18)、二级回料装置(19)、二级回料进口(20)、分离装置(21)以及循环合成气进口(22)组成；其特征在于原料进口(1)与流化床气化段(2)相连接，气体分布器(3)位于流化床气化段(2)底部，流化床气化段(2)通过喉口(4)与固定床气化段(5)相连接，炉蓖(6)与传动装置(7)相连接，固定床气化段(5)底部与下渣口(8)相连接，流化床气化段出口(10)与一级旋风分离器(11)和二级旋风分离器(16)相连接，二级旋风分离器(16)出口与分离装置(21)相连接，一级旋风分离器(11)底部通过一级灰斗(12)和一级回料直管(13)与一级回料装置(14)相连接，一级回料进口(15)与流化床气化段(9)相连接，二级旋风分离器(16)底部通过二级灰斗(17)和二级回料直管(18)与二级回料装置(19)相连接，二级回料进口(20)与固定床气化段(5)相连接，循环合成气进口(22)与流化床气化段(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的原料进口(1)设有1～4个，原料进口(1)的位置为流化床气化段(2)高度的1/4～3/4，原料进口(1)的角度与水平轴线呈0～75°的夹角。
3.根据权利要求1所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的循环合成气进口(22)的位置位于流化床气化段(2)中部，为流化床气化段(2)高度的1/3～2/3。
4.根据权利要求1所述的流化床和固定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)和固定床气化段(5)，其内径小于流化床气化段(2)的内径，为其内径的0.1～0.5倍。
5.根据权利要求1所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的炉蓖(4)的位置设在固定床气化段(3)的底部，炉蓖(4)由4～6层组成，炉蓖(4)各层上设有气孔，气孔为等间距布置，气孔孔径10～20mm，开孔率15～30％。
6.根据权利要求1所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应装置，其特征在于所述的一级回料进口(15)的位置位于流化床气化段(2)底部，为流化床气化段(2)高度的1/8～1/3，一级回料进口(15)的角度与水平轴线呈15～75°的夹角；所述的二级回料进口(20)的位置位于固定床气化段(5)中部，为固定床气化段(5)高度的1/3～2/3，二级回料进口(20)的角度与水平轴线呈15～75°的夹角。
7.一种流化床和固定床组合式煤催化气化反应方法，采用权利要求1～6所述的流化床和固定床相组合的气化反应装置，其特征在于主要步骤为：含碳原料和催化剂(A)通过原料进口(1)进入流化床气化段(2)内，与来自气体分布器(3)的气化剂I(B)、喉口(4)的高温混合气体以及循环合成气进口(22)的循环合成气混合接触，进行热解、气化反应和甲烷化反应，粘聚团聚的粗渣颗粒通过喉口(4)进入固定床气化段(5)中，上方流化床气化段出口(10)的富甲烷合成气和煤灰颗粒进入一级旋风分离器(11)，通过一级回料装置(14)和一级返料气(D)的作用下将半焦颗粒送回到流化床气化段(2)的底部，二级旋风分离器(16)分离得到的细灰颗粒通过二级回料装置(19)和二级返料气(E)送入到固定床气化段(5)内，净化除尘后的气相产物经过分离装置(21)将焦油(F)分离出来，分离装置(21)出口的合成气中一部分作为循环合成气(H)从循环合成气进口(22)通入流化床气化段(2)内，其余部分合成气(G)进入后续的合成气净化装置；二级回料进口(20)的细灰与从喉口(4)落入的粗渣落于旋转运动的炉蓖(6)上，与气化剂导管(9)中通入的气化剂II(C)进行高温燃烧气化反应，反应后产生的燃尽的灰渣(I)从固定床气化段(5)底部的下渣口(8)排出，高温混合气体通过喉口(4)进入流化床气化段(2)内。
8.根据权利要求7所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应方法，其特征在于所述的流化床气化段(2)中的氧碳比范围0.5～0.9mol/mol，水碳比范围0.7～1.5mol/mol，流化床气化段(2)的操作温度600～800℃，操作压力3～6.5MPa，线速度0.1～10m/s；所述的固定床气化段(5)中的氧碳比范围0.8～2.0mol/mol，操作温度700～1200℃，操作压力范围3～6.5MPa，线速度0.1～1m/s。
9.根据权利要求7所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应方法，其特征在于所述的炉蓖(4)气孔出口气体速度2～10m/s，气量分布自下层到上层依次减少，采用液压或者电机转动方式来驱动炉蓖(4)的旋转，旋转速度0～12r/h。
10.根据权利要求7所述的流化床和固定床组合式煤催化气化反应方法，其特征在于所述的一级回料进口(15)的循环倍率范围2～20倍，二级回料进口(20)的循环倍率范围1～5倍，循环合成气进口(22)中通入循环合成气，循环合成气的流量占分离装置(21)出口合成气总流量的10～50％。
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