CN108624360A - 一种气化炉以及煤气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种气化炉以及煤气化方法。不需要对粗煤气进行净化分离即可进行甲烷化反应，提高甲烷含量的同时降低耗能量，同时还能够避免分布板区结渣。本发明实施例提供一种气化炉，包括：炉体，所述炉体内空间竖直设置有筒状结构，所述筒状结构将炉体内空间分隔为第一腔室以及环绕在所述第一腔室周围的第二腔室；所述第一腔室和所述第二腔室中的其中一个为煤气化反应室，用于使煤发生煤气化反应，另一个为甲烷化反应室，所述甲烷化反应室用于填充甲烷化催化剂，使一氧化碳和氢气发生甲烷化反应；所述筒状结构上设有允许所述煤气化反应产生的粗煤气通过的气体连通口。本发明实施例用于气化炉制甲烷。

Description

一种气化炉以及煤气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种气化炉以及煤气化方法。

背景技术

催化气化技术是洁净高效利用煤的一种重要方式，煤气化技术即是将煤与气化剂通入气化炉中，在高温高压下进行煤气化反应以副产甲烷的技术。

在现有技术中，煤气化反应产生的粗煤气在经过净化分离之后获得富甲烷的净化气体，将富甲烷的净化气体经深冷分离可以获得一氧化碳和氢气，为了进一步提高甲烷产量，通常将所获得的一氧化碳和氢气作为循环气与水蒸气混合一同通过气体分布板通入气化炉中进行甲烷化反应。但是，在此过程中，一方面，将一氧化碳和氢气分离出来再返回到气化炉时需要耗费大量的能量，能源利用效率低下。另一方面，大量的一氧化碳和氢气返炉时，会在气体分布板处剧烈燃烧，从而引起气体分布板区局部高温而导致结渣，导致装置不能连续稳定运行。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种气化炉以及煤气化方法，不需要对粗煤气进行净化分离即可进行甲烷化反应，提高甲烷含量的同时降低耗能量，同时还能够避免分布板区结渣。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种气化炉，包括：

炉体，所述炉体内空间竖直设置有筒状结构，所述筒状结构将炉体内空间分隔为第一腔室以及环绕在所述第一腔室周围的第二腔室；

所述第一腔室和所述第二腔室中的其中一个为煤气化反应室，用于使煤发生煤气化反应，另一个为甲烷化反应室，所述甲烷化反应室用于填充甲烷化催化剂，使一氧化碳和氢气发生甲烷化反应；

所述筒状结构上设有允许所述煤气化反应产生的粗煤气通过的气体连通口。

可选的，所述煤气化反应室采用流化床形式，所述甲烷化反应室采用固定床形式。

可选的，所述第一腔室为煤气化反应室，所述第二腔室为甲烷化反应室。

可选的，所述煤气化反应室的底部设有气体分布板，所述气体分布板与所述壳体围合成气室，且所述气体分布板的下方连接有贯穿所述炉体的排渣管。

可选的，所述煤气化反应室靠近顶部处设有扩大段，且所述气体连通口开设于所述筒状结构对应扩大段的侧壁上。

可选的，所述甲烷化反应室还设置有与外界连通的气体出口，所述气体出口设置在所述气化炉靠近底部的侧壁上。

可选的，所述甲烷化反应室还设有分别与外界连通的催化剂进口和催化剂出口，所述催化剂进口设置在所述气化炉靠近顶部的侧壁上，所述催化剂出口设置在所述气化炉的靠近底部的侧壁上。

可选的，所述炉体包括壳体，以及设置在所述壳体内侧一周的保温层。

可选的，所述保温层为浇筑在壳体内表面的耐火材料层，或者，

所述保温层为砌筑在壳体内表面的耐火砖层；或者，

所述保温层包括浇筑在壳体内表面的耐火材料层和砌筑在耐火材料层内表面的耐火砖层；或者，

所述保温层包括砌筑在壳体内表面的耐火砖层和浇筑在所述耐火砖层内表面的耐火材料层。

另一方面，本发明实施例提供一种煤气化方法，包括：

将甲烷化催化剂填充入甲烷化反应室内；

将煤和气化剂通入煤气化反应室内，使煤在所述煤气化反应室内发生气化反应；

煤气化反应产生的粗煤气通过所述气体连通口进入所述甲烷化反应室内，所述粗煤气中的一氧化碳和氢气发生甲烷化反应生成富甲烷粗煤气。

可选的，所述甲烷化催化剂为钼基催化剂。

可选的，所述钼基催化剂的载体为氧化铝、氧化钛、氧化钴或氧化锆。

可选的，所述气化剂为温度为700-850℃的过饱和蒸汽，或者温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体。

可选的，当所述气化剂为温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体时，所述氧气的浓度不高于30％。

可选的，所述煤气化反应的温度为600-800℃，压力为1-5MPa。

本发明实施例提供一种气体分布器及气化炉，通过在炉体内空间竖直设置筒状结构，将该炉体内空间分隔为第一腔室和环绕在该第一腔室周围的第二腔室，由于该第一腔室和第二腔室中的其中一个为煤气化反应室，另一个为甲烷化反应室，通过向该甲烷化反应室内填充入甲烷化催化剂，在向该煤气化反应室内通入煤和气化剂使煤发生煤气化反应时，一方面，煤气化反应室产生的热量可通过该筒状结构传递给甲烷化反应室，无需额外对甲烷化反应室加热，另一方面，粗煤气可通过所述气体连通口进入该甲烷化反应室内，而进入该甲烷化反应室内的粗煤气中的一氧化碳和氢气可在甲烷化催化剂的催化作用下发生甲烷化反应。这样一来，煤气化反应室和甲烷化反应室耦合在一个气化炉内，不需要对粗煤气进行净化分离即可直接进行甲烷化反应，能够在提高甲烷含量的同时降低耗能量，同时，还能够避免将大量的一氧化碳和氢气与水蒸气一同通入分布板区，使得分布板区局部温度过高而发生结渣。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种气化炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种煤气化方法的流程示意图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一方面，本发明实施例提供一种气化炉，参见图1，包括：炉体1，所述炉体1内空间竖直设置有筒状结构2，该筒状结构2将炉体1内空间分隔为第一腔室A以及环绕在该第一腔室A周围的第二腔室B；该第一腔室A和该第二腔室B中的其中一个为煤气化反应室，用于使煤发生煤气化反应，另一个为甲烷化反应室，该甲烷化反应室用于填充甲烷化催化剂，使一氧化碳和氢气发生甲烷化反应；该筒状结构2上设有允许该煤气化反应产生的粗煤气通过的气体连通口a。

本发明实施例提供一种气化炉，通过在炉体1内空间竖直设置筒状结构2，将该炉体1内空间分隔为第一腔室A和环绕在该第一腔室A周围的第二腔室B，由于该第一腔室A和第二腔室B中的其中一个为煤气化反应室，另一个为甲烷化反应室，通过向该甲烷化反应室内填充入甲烷化催化剂，在向该煤气化反应室内通入煤和气化剂使煤发生煤气化反应时，一方面，煤气化反应室产生的热量可通过该筒状结构2传递给甲烷化反应室，无需额外对甲烷化反应室加热，另一方面，粗煤气可通过所述气体连通口a进入该甲烷化反应室内，而进入该甲烷化反应室内的粗煤气中的一氧化碳和氢气可在甲烷化催化剂的催化作用下发生甲烷化反应。这样一来，煤气化反应室和甲烷化反应室耦合在一个气化炉内，不需要对粗煤气进行净化分离即可直接进行甲烷化反应，能够在提高甲烷含量的同时降低耗能量，同时，还能够避免将大量的一氧化碳和氢气与水蒸气一同通入分布板区，使得分布板区局部温度过高而发生结渣。

其中，该筒状结构2的材质可以为传热系数较高的金属材质。如碳钢、不锈钢、奥氏体耐热合金等。示例性的，该不锈钢可以为304不锈钢或316L不锈钢，该奥氏体耐热合金可以为奥氏体耐热钢。

其中，该煤气化反应室可以采用流化床形式，也可以采用固定床形式，该甲烷化反应室可以采用固定床形式，也可以采用流化床或移动床形式。

本发明的一实施例中，该煤气化反应室采用流化床形式，该甲烷化反应室采用固定床形式。

流化床是指将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征。这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。

固定床又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度(或厚度)的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。

这样一来，进入煤气化反应室内的煤与通入煤气化反应室内的气化剂能够充分接触，而通过在甲烷化反应室内填充甲烷化催化剂，煤气化反应产生的粗煤气可以在该气化剂的流化作用下，通过气体连通口a进入甲烷化反应室内，与填充在该甲烷化反应室内的甲烷化催化剂发生甲烷化反应，实现甲烷化催化剂的重复利用，同时，还能够充分利用煤气化反应产生的粗煤气所携带的热量。

其中，该第一腔室A可以为煤气化反应室，也可以为甲烷化反应室，在此不做限定。

本发明的一优选实施例中，该第一腔室A为煤气化反应室，该第二腔室B为甲烷化反应室。在此结构中，通过在气化炉的侧壁上设置贯穿该炉体1和该筒状结构2的管道3，就可以在该煤气化反应室上形成煤入口b和气化剂入口，实现煤与气化剂的通入。而同时，当所述煤气化反应室采用流化床形式时，通过在该煤气化反应室的底部设置气体分布板，并在气体分布板的下方连接贯穿该炉体1的排渣管，就能够实现气化剂的通入，以及煤气化反应产生的灰渣的排渣，类似于现有的气化炉的结构。

本发明的一实施例中，该煤气化反应室的底部设有气体分布板4，该气体分布板4与该炉体1围合成气室5，且该气体分布板4的下方连接有贯穿该炉体1的排渣管6。

在本发明实施例中，通过向气室5中通入气化剂，气化剂经该气体分布板4分布至该气体分布板4的上方，与进入该煤气化反应室内的煤发生煤气化反应，煤气化反应产生的粗煤气在气化剂的流化作用下向上运动，煤气化反应产生的灰渣经该气体分布板4下方的排渣管6排出。

本发明的又一实施例中，该煤气化反应室靠近顶部处设有扩大段，且该气体连通口a开设于该筒状结构2对应该扩大段的侧壁上。

在本发明实施例中，通过将该煤气化反应室靠近顶部处设有扩大段，煤气化反应产生的粗煤气向上运动至顶部后速度降低，能够避免粉尘被粗煤气带出至甲烷化反应室内。

本发明的又一优选实施例中，该甲烷化反应室还设置有与外界连通的气体出口c，该气体出口c设置在该气化炉靠近底部的侧壁上。

在本发明实施例中，由于该气体出口c设置在该气化炉靠近底部的侧壁上，而当将气体连通口a设置在该筒状结构2靠近该煤气化反应室的顶部的侧壁上时，能够增大粗煤气与催化剂的接触面积，使得粗煤气中的一氧化碳和氢气能够与甲烷化催化剂充分接触而生成富甲烷粗煤气自该气体出口c排出。

其中，需要说明的是，在实际应用中，该甲烷化反应室内的甲烷化催化剂可以在气化炉启动之前加入，在使用一定时间之后根据催化剂的催化活性来判断是否对该甲烷化催化剂进行更换。

因此，优选的，该甲烷化反应室还设有分别与外界连通的催化剂进口d和催化剂出口e，该催化剂进口d设置在该气化炉靠近顶部的侧壁上，该催化剂出口e设置在该气化炉的靠近底部的侧壁上。在此结构中，可以在该气化炉的侧壁上设置贯穿该炉体1的倾斜管道7，以在该甲烷化反应室上形成该催化剂进口d和催化剂出口e，并在该催化剂进口d和催化剂出口e处分别设置加料阀和排料阀，以对甲烷化催化剂进行更换。具体的，在气化炉大修完成之后，启动之前，仅需要开启设置在催化剂进口d处的加料阀即可在重力作用下将甲烷化催化剂加入甲烷化反应室内，而在下一个气化炉大修(通常为一年)时，或者需要更换甲烷化催化剂时，开启设置在催化剂出口e处的排料阀即可在重力作用下实现甲烷化催化剂的排出，而后开启设置在催化剂进口d处的加料阀即可在重力作用下实现新鲜的甲烷化催化剂的加入。

其中，贯穿该炉体1的倾斜管道7可以与该气化炉法兰连接，便于更换和维修。

本发明的一实施例中，该炉体1包括壳体11，以及设置在该壳体11内侧一周的保温层12。通过设置保温层12，能够对该气化炉内的稳定进行保温，充分利用煤气化反应产生的热量。

本发明的一优选实施例中，该保温层12为浇筑在壳体11内表面的耐火材料层，或者，该保温层12为砌筑在壳体11内表面的耐火砖层；或者，该保温层12包括浇筑在壳体11内表面的耐火材料层和砌筑在耐火材料层内表面的耐火砖层；或者，该保温层12包括砌筑在壳体11内表面的耐火砖层和浇筑在所述耐火砖层内表面的耐火材料层。

其中，该耐火材料层可以为碱土金属的硅酸盐，刚玉等。

其中，该壳体11可以由金属材料制成，优选由碳钢制成。碳钢是含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。一般碳钢中含碳量较高则硬度越大，强度也越高，适用于对力学性能要求较高的设备。

另一方面，本发明实施例提供一种煤气化方法，参见图2，包括：

步骤1)将甲烷化催化剂填充入甲烷化反应室内；步骤2)将煤和气化剂通入煤气化反应室内，使煤在该煤气化反应室内发生气化反应；步骤3)煤气化反应产生的粗煤气通过该气体连通口进入所述甲烷化反应室内，该粗煤气中的一氧化碳和氢气发生甲烷化反应生成富甲烷粗煤气。

本发明实施例提供一种煤气化方法，通过在炉体内空间竖直设置筒状结构，将该炉体内空间分隔为第一腔室和环绕在该第一腔室周围的第二腔室，由于该第一腔室和第二腔室中的其中一个为煤气化反应室，另一个为甲烷化反应室，通过向该甲烷化反应室内填充入甲烷化催化剂，在向该煤气化反应室内通入煤和气化剂使煤发生煤气化反应时，一方面，煤气化反应室产生的热量可通过该筒状结构传递给甲烷化反应室，无需额外对甲烷化反应室加热，另一方面，粗煤气可通过该气体连通口进入该甲烷化反应室内，而进入该甲烷化反应室内的粗煤气中的一氧化碳和氢气可在甲烷化催化剂的催化作用下发生甲烷化反应。这样一来，煤气化反应室和甲烷化反应室耦合在一个气化炉内，不需要对粗煤气进行净化分离即可直接进行甲烷化反应，能够在提高甲烷含量的同时降低耗能量，同时，还能够避免将大量的一氧化碳和氢气与水蒸气一同通入分布板区，使得分布板区局部温度过高而发生结渣。

其中，对该甲烷化催化剂的具体种类不做限定，如可以为镍基催化剂，也可以为钼基催化剂等。

本发明的一优选实施例中，该甲烷化催化剂为钼基催化剂。钼基催化剂具有耐硫、抗析碳，变换和甲烷化等多种作用，对原料气成分要求降低，不需要反应前精脱硫和预变换，能够避免硫化物中毒，从而能够在保证甲烷化催化剂的催化活性的同时减小甲烷化催化剂的更换频率。

其中，该钼基催化剂的载体可以为氧化铝、氧化钛、氧化钴或氧化锆。

通过实验发现，以氧化锆为载体的钼基催化剂的热稳定性为最佳。因此，优选的，该钼基催化剂的载体为氧化锆。

其中，该煤可以为原煤，也可以为负载有催化剂的煤，在此不做限定。

其中，对该煤气化反应的温度和压力不做限定，只要能够使煤和气化剂发生煤气化反应即可。

本发明的一优选实施例中，该煤气化反应的温度为600-800℃，压力为1-5MPa。能够使煤和气化剂发生煤气化反应，同时，还能够将煤气化反应产生的热量通过该筒状结构传递给甲烷化反应室内，不需要对甲烷化反应室进行额外加热。

进一步优选的，该煤气化反应的温度为700-800℃，压力为2-4MPa。

其中，对该气化剂的种类与温度也不做限定，在实际应用中，该气化剂通常为水蒸气和/或氧气。而该气化剂的温度可以根据煤气化反应所需要的温度进行合理设置。

本发明的一实施例中，该气化剂为温度为700-850℃的过饱和蒸汽，或者温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体。能够为煤气化反应提供足够的热量。

为了避免因氧气的浓度过高而使得气化炉内局部温度过高而产生结渣，优选的，当该气化剂为温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体时，该氧气的浓度不高于30％。

优选的，该氧气的浓度介于10％-20％之间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种气化炉，其特征在于，包括：

炉体，所述炉体内空间竖直设置有筒状结构，所述筒状结构将炉体内空间分隔为第一腔室以及环绕在所述第一腔室周围的第二腔室；

所述第一腔室和所述第二腔室中的其中一个为煤气化反应室，用于使煤发生煤气化反应，另一个为甲烷化反应室，所述甲烷化反应室用于填充甲烷化催化剂，使一氧化碳和氢气发生甲烷化反应；

所述筒状结构上设有允许所述煤气化反应产生的粗煤气通过的气体连通口。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，

所述煤气化反应室采用流化床形式，所述甲烷化反应室采用固定床形式。

3.根据权利要求1或2所述的气化炉，其特征在于，

所述第一腔室为煤气化反应室，所述第二腔室为甲烷化反应室。

4.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，

所述煤气化反应室的底部设有气体分布板，所述气体分布板与所述壳体围合成气室，且所述气体分布板的下方连接有贯穿所述炉体的排渣管。

5.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，

所述煤气化反应室靠近顶部处设有扩大段，且所述气体连通口开设于所述筒状结构对应所述扩大段的侧壁上。

6.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，

所述甲烷化反应室还设置有与外界连通的气体出口，所述气体出口设置在所述气化炉靠近底部的侧壁上。

7.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，

所述甲烷化反应室还设有分别与外界连通的催化剂进口和催化剂出口，所述催化剂进口设置在所述气化炉靠近顶部的侧壁上，所述催化剂出口设置在所述气化炉的靠近底部的侧壁上。

8.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，

所述炉体包括壳体，以及设置在所述壳体内侧一周的保温层。

9.根据权利要求8所述的气化炉，其特征在于，

所述保温层为浇筑在壳体内表面的耐火材料层，或者，

所述保温层为砌筑在壳体内表面的耐火砖层；或者，

所述保温层包括浇筑在壳体内表面的耐火材料层和砌筑在耐火材料层内表面的耐火砖层；或者，

所述保温层包括砌筑在壳体内表面的耐火砖层和浇筑在所述耐火砖层内表面的耐火材料层。

10.一种煤气化方法，其特征在于，包括：

将甲烷化催化剂填充入甲烷化反应室内；

将煤和气化剂通入煤气化反应室内，使煤在所述煤气化反应室内发生气化反应；

煤气化反应产生的粗煤气通过所述气体连通口进入所述甲烷化反应室内，所述粗煤气中的一氧化碳和氢气发生甲烷化反应生成富甲烷粗煤气。

11.根据权利要求10所述的煤气化方法，其特征在于，

所述甲烷化催化剂为钼基催化剂。

12.根据权利要求11所述的煤气化方法，其特征在于，

所述钼基催化剂的载体为氧化铝、氧化钛、氧化钴或氧化锆。

13.根据权利要求10所述的煤气化方法，其特征在于，

所述气化剂为温度为700-850℃的过饱和蒸汽，或者温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体。

14.根据权利要求13所述的煤气化方法，其特征在于，

当所述气化剂为温度为500-700℃的过饱和蒸汽和氧气的混合气体时，所述氧气的浓度不高于30％。

15.根据权利要求10所述的煤气化方法，其特征在于，

所述煤气化反应的温度为600-800℃，压力为1-5MPa。