CN112920868A - 粗煤气甲烷催化转化***和方法及煤气化合成氨*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种粗煤气甲烷催化转化***和方法及煤气化合成氨***。粗煤气甲烷催化转化***包括：气化炉，包括壁部和由壁部围合形成的腔室，壁部具有顶部的进料口和底部的排渣口，腔室由进料口至排渣口的方向上至少区分为干馏区、气化区和燃烧区，壁部设有与腔室连通的煤气出口，以送出含CH₄的粗煤气；重整气体产生装置，其产生重整气体，重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种；混合器，用于接收来自气化炉的粗煤气和来自重整气体产生装置的重整气体，并混合煤气和重整气体以获得混合气体；重整反应器，用于对混合气体进行催化重整，以使其中的CH₄转变为CO和H₂，送出贫CH₄煤气。采用本发明的***和方法能有效降低煤气中的CH₄含量。

Description

粗煤气甲烷催化转化***和方法及煤气化合成氨***

技术领域

本发明属于煤化工技术领域，具体涉及一种粗煤气甲烷催化转化***和方法及煤气化合成氨***。

背景技术

煤炭作为一种化石燃料，是目前甚至未来很长一段时间内人们生产生活必不可缺的能源之一。如果将煤炭直接燃烧不仅浪费了大量资源，更会排放SO₂、NO_x、CO等有害气体，造成环境污染。因此，推动煤炭的清洁利用已经成为行业发展的必然选择。

煤气化是煤炭清洁利用的重要途径之一。现有的煤气化技术是将煤炭加入气化炉内，在气化剂的作用下，使煤炭转化成煤气，其含有CO、H₂、CH₄和焦油等，之后由炉顶排出。由于该煤气中的CH₄含量较高，为后续用于合成氨等化学合成具有不利影响。

发明内容

本发明第一方面提供一种粗煤气甲烷催化转化***，其包括：

气化炉，包括壁部和由壁部围合形成的腔室，壁部具有顶部的进料口和底部的排渣口，腔室由进料口至排渣口的方向上至少区分为干馏区、气化区和燃烧区，壁部设有与腔室连通的煤气出口，以送出含CH₄的粗煤气；

重整气体产生装置，其产生重整气体，重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种；

混合器，用于接收来自气化炉的粗煤气和来自重整气体产生装置的重整气体，并混合煤气和重整气体以获得混合气体；

重整反应器，用于对混合气体进行催化重整，以使其中的CH₄转变为CO和H₂，送出贫CH₄煤气。

本发明第二方面提供一种粗煤气甲烷催化转化方法，其包括以下步骤：

(A)以含氧气体和水蒸气作为气化剂，将原料煤在加压条件下进行气化，获得含CH₄的粗煤气；

(B)提供重整气体，重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种；

(C)将粗煤气与重整气体混合，获得混合气体；

(D)对混合气体进行催化重整，以使粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，获得贫CH₄煤气。

本发明第三方面提供一种煤气化合成氨***，其包括：

气化工段，包括根据本发明第一方面的粗煤气甲烷催化转化***；

变换工段，用于接收来自气化工段的贫CH₄煤气，并对贫CH₄煤气进行变换处理，以使CO变换为CO₂，送出变换气体；

脱碳工段，用于对来自变换工段的变换气体进行脱碳处理，获得脱碳气体；

双甲精制工段，用于对来自脱碳工段的脱碳气体进行双甲精制，获得原料气；

合成氨工段，用于接收来自双甲精制工段的原料气，并用原料气合成氨。

本发明人巧妙地利用含CO₂和/或H₂O的重整气体对煤气化产生的含CH₄的粗煤气进行催化重整，使粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，能有效降低煤气中的CH₄含量，获得贫CH₄煤气。将该贫CH₄煤气用作合成氨的原料气，降低了合成氨***的驰放气量和能耗，且简化了合成氨工艺，提高了合成氨的经济性。

另外，本发明可采用锅炉燃烧含碳和氢元素的可燃物产生的烟气作为重整气体，实现了对烟气的有效利用，提高了资源利用率，且减少了污染物排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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，还可以根据附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种粗煤气甲烷催化转化***的流程图。

图2是本发明实施例提供的另一种粗煤气甲烷催化转化***的流程图。

图3是本发明实施例提供的另一种粗煤气甲烷催化转化***的流程图。

图4是本发明实施例提供的一种煤气化合成氨***的流程图。

图5是本发明实施例提供的另一种煤气化合成氨***的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100、气化炉；101、进料口；102、排渣口；103、煤气出口；104、气化剂喷嘴；110、壁部；111、内壁部；112、外壁部；120、腔室；

200、重整气体发生器；

300、混合器；

400、重整反应器；

500、除尘和除焦油单元；510、旋风除尘器；520、洗涤塔；530、冷却器；540、澄清槽；550、循环泵；

600、除尘设备；

700、气体加压设备；

800、余热回收器；

1、气化工段；2、变换工段；3、脱碳工段；4、双甲精制工段；5、合成氨工段；6、变脱工段；7、脱硫工段；

a、原料煤；b、气化剂；c、粗煤气；d、熔渣；e、灰尘；f、高温烟气；g、贫CH₄煤气；h、常温锅炉水；i、中压蒸汽。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数；“多个(种)”、“几个(种)”的含义是两个(种)以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的上述发明内容并不意欲描述本发明中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

首先，本发明第一方面的实施方式提供一种粗煤气甲烷催化转化方法，其包括以下步骤：

S10、以含氧气体和水蒸气作为气化剂，将原料煤在加压条件下进行气化，获得含CH₄的粗煤气。

S20、提供重整气体，重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种。

S30、将粗煤气与重整气体混合，获得混合气体；

S40、对混合气体进行催化重整，以使粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，获得贫CH₄煤气。

本发明人巧妙地利用含CO₂和/或H₂O的重整气体对煤气化产生的含CH₄的粗煤气进行催化重整，使粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，能有效降低煤气中的CH₄含量，获得贫CH₄煤气。该贫CH₄煤气中的有效气(CO+H₂)含量也得到提高。将该贫CH₄煤气用作合成氨的原料气，降低了合成氨***的驰放气量和能耗，且简化了合成氨工艺，提高了合成氨的经济性。当然，所述贫CH₄煤气也可用作其它化工合成的原料气。

在一些实施例中，在步骤S10，原料煤可选自低阶煤、中阶煤、高阶煤中的一种或几种，优选包括低阶煤。其中低阶煤占我国煤炭总储量的55％以上，其具有水分含量高、挥发分含量高、煤活性高等特点。采用本发明的方法对低阶煤进行气化，可避免其直接燃烧造成的资源浪费和排放SO₂、NO_x、CO等有害气体，并且可产出高价值的煤气、副产油等资源。

原料煤可采用块煤或碎煤。例如，原料煤的粒度可以为6mm～60mm，如6mm～50mm。

在一些实施例中，在步骤S10，含氧气体可选自空气、氧气。优选地，气化剂采用水蒸气和氧气的混合气体。更优选地，在该气化剂中，水蒸气和氧气之比可为0.9kg/Nm³～1.1kg/Nm³。水蒸气和氧气之比指的是水蒸气以kg计的质量与氧气以Nm³计的体积之比，单位为kg/Nm³。其中Nm³是标准立方米，其表示在一个标准大气压(101.325kPa)的压力，0℃的温度，0％的相对湿度下，1立方米的气体量。

在一些实施例中，本方法可采用固定床气化炉。固定床气化技术具有煤种适应性强、能耗低等优点。气化炉包括进料口和排渣口。可以是，进料口位于气化炉顶部，排渣口位于气化炉底部。气化炉内具有腔室，其由进料口至排渣口的方向上至少区分为干馏区、气化区和燃烧区。气化炉还包括煤气出口，该煤气出口与腔室连通以送出煤气化产生的含CH₄的粗煤气。具体来说，粗煤气的主要成分为CO、H₂、CO₂和CH₄。

在气化炉内，原料煤在加压条件下进行气化。由于采用加压气化，使得气化炉的气化强度高，生产能力大。在一些实施例中，气化炉的操作压力可控制在2MPa～4MPa，如2.5MPa～3.5MPa。气化炉的产气量大大提高。

在一些实施例中，在步骤S10，将原料煤由进料口间歇送入气化炉的腔室，在干馏区进行干馏。干馏区的温度区间可控制在300℃～800℃。在此情况下，原料煤发生低温干馏，产生的干馏煤气主要成分为CH₄、H₂、CO和焦油。

原料煤经干馏产生的半焦继续向下移动至气化区，与水蒸气接触发生一系列化学反应。其中气化区的温度＞800℃，如气化区的温度区间为800℃～1400℃。在气化区获得的煤气主要成分为CO、CO₂、H₂和H₂O。气化区的煤气质量较高，其有效气(CO+H₂)的含量很高，如≥90％，尤其是＞90％。气化区的煤气上升至干馏区，对干馏区进行显热交换，以使干馏区满足温度需求。尤其是，由于气化剂中采用氧气，使气化炉内的整体温度提高，煤热解较为充分，能提高产气量。

在气化区经历反应后的剩余半焦移动至燃烧区，与氧气接触发生燃烧反应。燃烧反应产生大量的热和CO、CO₂等。燃烧产生的热量可以使整个气化炉内的温度满足需求。在一些实施例中，燃烧区的高温气体上升可使气化区的终温为1400℃，使半焦在气化区内进行充分反应。

在一些实施例中，气化炉的腔室还包括位于干馏区和进料口之间的干燥区。原料煤进入气化炉内，先经干燥区进行干燥，以便于后续的干馏处理。对原料煤进行干燥的温度可以为室温～300℃。

可在粗煤气送出气化炉之前，先使其上升至干燥区，对原料煤进行加热干燥。干燥区的终温可为300℃。之后将粗煤气由粗煤气出口送出气化炉。

燃烧后的煤渣则由排渣口排出。在一些实施例中，气化炉的腔室还包括位于燃烧区和排渣口之间的熔渣区。燃烧区未反应的煤渣在高温作用下转变为液态，向下流至熔渣区，之后通过排渣口间歇式排出。

由于采用氧气替代了现有技术的空气，加上采用液态排渣方式，使得炉内气化区温度大大提高，从而获得高的碳转化率和蒸汽分解率。其中，碳转化率可大于99％，蒸汽分解率可大于90％。所得粗煤气中的CH₄含量可根据煤种的不同在4％～9％。例如粗煤气组成可为：CO 51％～62％，H₂23％～31％，CO₂ 2％～8％，CH₄ 4％～9％。

在一些实施例中，在熔渣区可设有熔渣池。熔渣池收集熔渣。可选地，熔渣池呈倒锥形结构。

在一些实施例中，由气化炉排出的熔渣可经冷却水被激冷成小颗粒的玻璃态固体渣。该玻璃态固体渣可用于造砖、铺路等，变废为宝。

例如，熔渣可经气化炉下方的连接短节进入激冷室，在激冷室内与冷却水接触，从而被激冷成小颗粒的玻璃态固体渣。玻璃态固体渣之后可送至激冷室下方的渣锁进行缓存，然后间歇式排出。

在一些实施例中，在步骤S10之后，还可包括步骤S50：对粗煤气进行预处理。可通过步骤S50的预处理，除去粗煤气中的灰尘、焦油。这样能降低灰尘和焦油对后续催化重整步骤S40的影响，提高催化剂使用寿命，延长***运行时间。

在步骤S50，还可通过预处理对粗煤气进行降温。这样，当重整气体为来自锅炉的高温烟气时，粗煤气与高温烟气混合后，得到的混合气体中CH₄的量与CO₂和H₂O的总量比例适当，且温度适宜，可直接进行CH₄催化重整。

在一些实施例中，步骤S50可利用旋风除尘器对粗煤气进行除尘，之后可采用洗涤塔对除尘后的粗煤气进行洗涤。洗涤塔洗涤可对粗煤气进行精除尘，进一步降低其含尘量，同时除去粗煤气中的焦油，还可以实现粗煤气的降温冷却。可采用本领域公知的洗涤液进行洗涤，例如水。

在步骤S50对粗煤气除尘的效率可≥95％。在步骤S50处理后的粗煤气焦油含量可≤1％。

在一些实施例中，由粗煤气出口送出的粗煤气的温度可为200℃～500℃。粗煤气经洗涤后的温度可降至150℃～160℃。

在步骤S20，本领域技术人员可根据实际情况选择含有CO₂和/或H₂O的重整气体。在一些实施例中，重整气体可采用来自锅炉燃烧含碳和氢元素的可燃物产生的烟气。该烟气的主要成分通常是CO₂和H₂O。含碳和氢元素的可燃物可以是煤炭、石油燃料(如汽油、柴油、重油等)、生物质(如木材等)、气体燃料(如天然气、沼气等)。

采用锅炉燃烧含碳和氢元素的可燃物产生的烟气作为重整气体，实现了对烟气的有效利用，提高了资源利用率，且减少了污染物排放。

在一些实施例中，重整气体的温度可为1100℃～1200℃。例如，重整气体采用来自动力锅炉的高温烟气，该高温烟气的温度通常在1100℃～1200℃。可利用重整气体的热量来满足CH₄催化重整的温度需求。

若重整气体中含有较多的灰尘，可在步骤S30之前包括步骤S60：对重整气体进行除尘。可采用本领域公知的方法和装置来进行重整气体的除尘，如旋风除尘器。例如，重整气体采用来自锅炉的烟气，在其与粗煤气混合之前采用旋风除尘器对其除尘。

重整气体，如来自锅炉的烟气，通常为常压。在一些优选地实施例中，在步骤S30之前，还可包括步骤S70：对重整气体进行加压，以使其与粗煤气的压力相匹配。可采用本领域公知的气体加压设备对重整气体加压，如压缩机。

在一些实施例中，在步骤S30，可采用本领域公知的混合装置来进行粗煤气和重整气体的混合。例如气体混合器，再例如管道混合器。

本方法可根据CH₄催化重整所需的CO₂和/或H₂O的量和所需温度来调控粗煤气和重整气体的混合比例。例如，CH₄催化重整的温度优选为600℃～800℃，由此，混合气体的温度可为600℃～800℃。当粗煤气的温度为150℃～160℃且重整气体的温度为1100℃～1200℃时，能在适当的混合比例下，使混合气体的温度在600℃～800℃，且使混合气体中含有足以使CH₄充分催化转化的CO₂和/或H₂O的量。

在一些实施例中，粗煤气经除尘和除焦油后的温度为150℃～160℃，重整气体为来自动力锅炉的温度为1100℃～1200℃的高温烟气，高温烟气与粗煤气的体积比可为1:1～3:1，优选为1.5:1～2:1。

在步骤S40，对CH₄催化重整的原理主要是CH₄+H₂O＝CO+3H₂；CH₄+CO₂＝2CO+2H₂。其中可采用本领域公知的催化剂对CH₄催化重整，例如镍基催化剂。在一些实施例中，采用耐硫耐尘的镍基催化剂对CH₄进行催化重整。该催化剂具有较高的催化活性，可使粗煤气进行催化重整后的CH₄含量≤0.5％。该催化剂还具有较高的使用寿命，能保证***长时间运行。

在一些实施例中，耐硫耐尘的镍基催化剂可包括Ni/Al₂O₃和Ni-Mo/Al₂O₃中的一种或几种，优选包括Ni-Mo/Al₂O₃。该催化剂耐硫耐尘性能好，且对CH₄催化活性高，能提高催化重整效率。优选地，Ni-Mo/Al₂O₃中含有5wt％～20wt％的Ni和0.05wt％～1wt％的Mo。更优选地，Ni-Mo/Al₂O₃中含有8wt％～15wt％的Ni和0.1wt％～0.5wt％的Mo。

本文采用的催化剂可以商购获得，也可以按照本领域已知的方法制备获得。例如，可采用浸渍法、共沉淀法、溶胶-凝胶法制备催化剂。催化剂制备的示例性方法如下：采用γ-Al₂O₃颗粒为载体。称取一定质量的Ni(NO₃)₂·6H₂O，溶解后浸渍于γ-Al₂O₃上；经干燥、煅烧后得到NiO/Al₂O₃，其中煅烧温度可以为500℃～800℃，优选600℃～700℃，如650℃。称取一定质量的(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O，溶解后浸渍于NiO/Al₂O₃上；经干燥、煅烧后得到NiO-MoO₃/Al₂O₃，其中煅烧温度可以为400℃～600℃，优选400℃～500℃，如450℃。之后经还原得到Ni-Mo/Al₂O₃催化剂，其中还原温度可为600℃～800℃，如700℃。制备采用的溶剂可选自水、乙醇、苯、甲苯等。

在一些实施例中，在步骤S40之后还可包括步骤S80：回收步骤S40所得贫CH₄煤气的余热。可以采用换热器或废热锅炉回收贫CH₄煤气的余热，进行余热有效利用的同时，还实现对贫CH₄煤气的冷却，满足后续使用需求。例如冷却后的贫CH₄煤气可直接用于合成氨等化工合成。可选地，冷却后的贫CH₄煤气温度可为180℃～190℃，可直接送入合成氨***中的变换工段。

在一些实施例中，可采用换热器或废热锅炉来回收贫CH₄煤气的余热，以产生中压蒸汽。这样提高了资源的利用率，产生的中压蒸汽可根据需求进行使用。

在一些实施例中，在步骤S80之后还可包括步骤S90：将步骤S80得到的中压蒸汽送至步骤S40中用于CH₄重整。这样可进一步提高CH₄重整效率。

在一些实施例中，可根据粗煤气中CH₄的含量来确定送至步骤S40的中压蒸汽的量。例如，送至步骤S40的中压蒸汽和粗煤气的体积比可为0.05:1～0.15:1。

本发明第二方面的实施方式提供一种粗煤气甲烷催化转化***。该***可用于进行本文中所描述的方法。

图1是作为一个示例的粗煤气甲烷催化转化***的流程图。参照图1，本发明实施例提供的一种粗煤气甲烷催化转化***包括气化炉100、重整气体产生装置200、混合器300和重整反应器400。

请一并参照图2，气化炉100包括壁部110和由壁部110围合形成的腔室120。壁部110具有顶部的进料口101和底部的排渣口102。腔室120由进料口101至排渣口102的方向上至少区分为干馏区、气化区和燃烧区，壁部110设有与腔室120连通的煤气出口103，以送出含CH₄的粗煤气。

气化炉100可以含氧气体和水蒸气作为气化剂，在加压条件下，对原料煤依次进行干馏、气化和燃烧，以产生粗煤气。原料煤在气化炉100中的气化过程可以如前文所述，在此不再赘述。

重整气体产生装置200用于产生重整气体，重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种。重整气体产生装置200可以是本领域公知的可产生CO₂和/或H₂O的装置，例如锅炉，优选动力锅炉。

混合器300用于接收来自气化炉100的粗煤气和来自重整气体产生装置200的重整气体，并混合煤气和重整气体以获得混合气体。混合器300可采用本领域公知的用于气体混合的设备，例如气体混合器，再例如管道混合器。

重整反应器400用于对混合气体进行催化重整，以使其中的CH₄转变为CO和H₂，送出贫CH₄煤气。重整反应器400可采用本领域公知的催化重整反应器，例如固定床反应器等。

采用本发明的***可利用含CO₂和/或H₂O的重整气体对煤炭气化产生的含CH₄的粗煤气进行催化重整，使粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，从而能有效降低煤气中的CH₄含量，获得贫CH₄煤气。该贫CH₄煤气中的有效气(CO+H₂)含量也得到提高。该贫CH₄煤气可直接用作合成氨的原料气，且能降低合成氨***的驰放气量和能耗，且简化了合成氨工艺，提高了合成氨***运行的经济性。当然，所述贫CH₄煤气也可用作其它化工合成的原料气。

在一些实施例中，气化炉100的壁部110可包括相互套设并彼此间隔设置的内壁部111和外壁部112，内壁部111围合形成腔室120，内壁部111和外壁部112之间形成供换热介质流动的夹层。即壁部110形成夹套结构，其夹层内可通入冷却水，以对壁部110进行降温保护。

在一些实施例中，气化炉100还可包括炉衬(图中未示出)，其设置于壁部110朝向腔室120的表面。炉衬可起到对壁部110的保护作用，以提高其对气化炉100的高温作业环境的适应性。

在一些实施例中，炉衬可包括耐火砖砌层。例如，炉衬是由耐火砖堆砌形成的。采用耐火砖砌层能使炉衬具有较高的耐高温性和强度，提高其使用寿命。可选地，耐火砖砌层可通过浇注料牢固地粘接于壁部110。

在一些实施例中，腔室120还包括位于进料口101和干馏区之间的干燥区、以及位于燃烧区和排渣口102之间的熔渣区。即，气化炉100的腔室120由进料口101至排渣口102的方向上依次区分为干燥区、干馏区、气化区、燃烧区和熔渣区。

此时，煤气出口103可位于干燥区和进料口101之间。原料煤由进料口101进入气化炉100内，先利用粗煤气的显热对原料煤进行干燥，之后原料煤依次经历干馏、气化和燃烧。燃烧区未反应的煤渣在高温作用下转变为液态，向下流至熔渣区，之后通过排渣口102间歇式排出。

在一些实施例中，气化炉100还包括原料分布装置(图中未示出)，对应进料口101设置于腔室120内。通过原料分布装置可以使原料煤形成分布均匀平整的固定床煤层。作为示例的原料分布装置可包括分布器和搅拌器。

在一些实施例中，在熔渣区可设有熔渣池。熔渣池收集熔渣。可选地，熔渣池呈倒锥形结构。

可在气化炉100上设置气化剂喷嘴104，以向气化炉100的燃烧区提供气化剂。在一些实施例中，气化剂喷嘴104可设置于壁部110的对应燃烧区的区域。例如，可沿壁部110的周向间隔设置有4～6个气化剂喷嘴104，如4个、5个或6个。

在一些实施例中，***还包括加煤单元，用于向气化炉100的进料口101提供原料煤。加煤单元可包括本领域已知的向气化炉100输入原料煤的装置。例如，加煤单元可包括输煤胶带、煤仓和煤锁等。例如，煤锁连接于进料口101上方，煤仓连接于煤锁上方，输煤胶带向煤仓输煤。

在一些实施例中，***还可包括排渣单元，用于气化炉100排渣。例如，排渣单元可包括依次连接于排渣口102的连接短节、激冷室和渣锁等。

在一些实施例中，***还可包括气化剂供给单元，用于为气化炉100供应气化剂。例如，气化剂供给单元可包括蒸汽管道、氧气管道、以及与蒸汽管道和氧气管道连接的混合器等。混合器将蒸汽和氧气混合后，经气化剂喷嘴104送入腔室120。

在一些实施例中，***还可包括夹套水循环单元，用于壁部110的夹层水循环，以带走壁部110的热量，从而保护气化炉100。

在一些实施例中，***还可包括除尘和除焦油单元500，其与气化炉100的煤气出口103连接，用于接收粗煤气，并对粗煤气进行除尘和除焦油。

在一些实施例中，除尘和除焦油单元500可包括旋风除尘器510和洗涤塔520。旋风除尘器510与气化炉100的煤气出口103连接，用于对粗煤气除尘。旋风除尘器510可有效降低粗煤气的含尘量。洗涤塔520与旋风除尘器510的气相出口连接，其可对除尘后的粗煤气进行精除尘，进一步降低粗煤气的含尘量，同时实现粗煤气的除焦油和冷却。洗涤塔520可以是填料洗涤塔、喷淋塔等。

在一些实施例中，除尘和除焦油单元500还可包括连接于洗涤塔520的塔釜液出口和塔顶洗涤液进口之间的冷却器530、澄清槽540和循环泵550，以将洗涤塔520分离出的洗涤液返回到洗涤塔520，实现循环利用。

在一些实施例中，重整气体产生装置200为锅炉，其包括烟气出口，所述锅炉燃烧含碳和氢元素的可燃物产生包含CO₂和H₂O的烟气作为重整气体。***还可包括除尘设备600，其与锅炉的烟气出口连接，以接收重整气体，并对重整气体除尘。除尘设备600可采用本领域公知的用于烟气除尘的设备，例如旋风除尘设备。优选地，重整气体产生装置200采用动力锅炉。其可以是厂区任意的动力锅炉。

在一些优选的实施例中，请一并参照图3，***还可包括气体加压设备700，其设置于重整气体产生装置200和混合器300之间。优选地，当***包括所述除尘设备600时，气体加压设备700设置于除尘设备600和混合器300之间。通过气体加压设备700对重整气体加压，可使其与粗煤气的压力相匹配，之后再送入混合器300。

在一些实施例中，***还可包括余热回收器800，其用于接收来自重整反应器400的贫CH₄煤气，并回收贫CH₄煤气的余热。余热回收器800可以是本领域公知的换热器或废热锅炉。

在一些实施例中，余热回收器800包括贫CH₄煤气的进口和出口、水进口和水蒸气出口，余热回收器800用于接收贫CH₄煤气和水，并回收贫CH₄煤气的余热来加热水，以产生水蒸气。可选地，余热回收器800采用换热器或废热锅炉。可选地，产生的水蒸气为中压蒸汽。

在一些实施例中，余热回收器800的水蒸气出口与重整反应器400的进口连接，以将水蒸气送入重整反应器400用于CH₄重整。

本文中，对本发明的粗煤气甲烷催化转化方法所描述的优选方案和优选特征也可以适用于本发明的粗煤气甲烷催化转化***中。

本发明第三方面的实施方式提供一种煤气化合成氨***。

图4是作为一个示例的煤气化合成氨***的流程图。参照图4，本发明实施例提供的一种煤气化合成氨***包括气化工段1、变换工段2、脱碳工段3、双甲精制工段4和合成氨工段5。

气化工段1包括本发明所提供的粗煤气甲烷催化转化***。气化工段1对原料煤进行气化，产出贫CH₄煤气。其中，贫CH₄煤气的有效气(CO+H₂)的含量很高，如≥90％，尤其是＞90％。并且，贫CH₄煤气中CH₄含量很低，如≤1％，尤其是≤0.5％。因此，该贫CH₄煤气可直接送入变换工段2进行变换处理。

另外，经洗涤后的贫CH₄煤气还可含有20％～50％的水蒸气。将该贫CH₄煤气直接送入变换工段2，可减少变换工段2补入的蒸汽量。

变换工段2与气化工段1的煤气出口连接，用于接收来自气化工段1的贫CH₄煤气，并对煤气进行变换处理，以使CO变换为CO₂，送出变换气体。

脱碳工段3用于对来自变换工段2的变换气体进行脱碳处理，获得脱碳气体。通过脱碳处理使得脱碳气体中的CO₂含量明显降低。

双甲精制工段4用于对来自脱碳工段3的脱碳气体进行双甲精制，获得原料气。双甲精制是用甲醇化、甲烷化精制精炼脱碳气体中的CO、CO₂，并副产甲基化合物。通过双甲精制处理，使得原料气中的碳氧化物的含量达到合成氨的严格要求。

合成氨工段5用于接收来自双甲精制工段4的原料气，并用原料气合成氨。

在一些实施例中，若来自气化工段1的煤气的硫含量大于0.05ppm，***还可包括变脱工段6和脱硫工段7。参照图5，变脱工段6和脱硫工段7依次设置于变换工段2和脱碳工段3之间，用于对煤气进行脱硫。

变换工段2、脱碳工段3、双甲精制工段4、合成氨工段5、变脱工段6和脱硫工段7均可采用本领域公知的工艺和装置。因此，根据本发明，可方便地实现对现有煤气化合成氨的***的改造。

本文中，对本发明的粗煤气甲烷催化转化方法和***所描述的优选方案和优选特征也可以适用于本发明的煤气化合成氨***中。

在本文中，煤气中的组分含量指的是体积百分含量。

实施例

以下实施例中所选用的催化剂的制备：采用γ-Al₂O₃小球为载体，将γ-Al₂O₃小球于550℃焙烧6h～8h以除去其中的水分及其它杂质，经过研磨后得到20～40目的颗粒，密封保存待用。称取一定质量的Ni(NO₃)₂·6H₂O，溶解后浸渍于γ-Al₂O₃小球上，浸渍时间可为8h左右，如7h～9h；然后于110℃干燥6h，650℃煅烧后得到NiO/Al₂O₃。称取一定质量的(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O，溶解后浸渍于NiO/Al₂O₃上，浸渍时间可为8h左右，如7h～9h；然后于110℃干燥6h，450℃煅烧后得到NiO-MoO₃/Al₂O₃。之后于700℃还原得到Ni-Mo/Al₂O₃催化剂，其中Ni的负载量为10wt％，Mo负载量为0.2wt％。

实施例1

(1)原料块煤a采用山西晋城无烟煤，由备煤***加入固定床气化炉100内，在气化炉100内依次经历干燥、干馏、气化、燃烧几个阶段，与来自气化炉100底部的气化剂喷嘴104喷入的气化剂b进行气化反应，之后由煤气出口103送出以CO、H₂、CO₂、CH₄为主的300℃～500℃的粗煤气c。其中，气化炉100的气化压力为2MPa～4MPa；气化剂b为氧气和水蒸汽的混合气体，且水蒸气与氧气之比为0.9kg/Nm³～1.1kg/Nm³。粗煤气c中的CH₄含量为4.5％。反应剩余的灰渣在炉内高温下熔化，形成液态熔渣d，间歇的通过气化炉100底部的排渣口102排出。

(2)粗煤气c经过旋风除尘器510除去粗煤气中的大部分灰尘，灰尘e通过旋风除尘器510底部收集。然后粗煤气经过洗涤塔520洗涤除尘、除焦油、降温后，粗煤气中的灰尘除尘效率大于95％，温度降至150℃～160℃。

(3)来自厂区动力锅炉的温度为1100℃～1200℃的高温烟气f经过旋风除尘器除尘和压缩机加压后，与粗煤气c进入混合器300混合，其中高温烟气f与粗煤气c的体积比为1.5～2，所得混合气体温度为600℃～800℃。随后气体进入重整反应器400进行反应，气体中的CH₄在Ni-Mo/Al₂O₃催化剂作用下发生重整反应生成贫CH₄煤气(即合成气)g。重整反应为：CH₄+H₂O＝CO+3H₂；CH₄+CO₂＝2CO+2H₂。粗煤气c经催化重整后产生的合成气g的CH₄含量小于0.5％。

(4)重整反应器400出口的合成气g在换热器中与常温锅炉水h进行间接换热，温度降至180℃～190℃，同时产生中压蒸汽i。中压蒸汽i送入重整反应器400参与CH₄的重整反应。其中，送入重整反应器400的中压蒸汽i与粗煤气c的体积比为0.06:1。降温后的合成气g直接送入合成氨***的变换工段。

实施例2

(1)原料块煤a采用内蒙烟煤，由备煤***加入固定床气化炉100内，在气化炉100内依次经历干燥、干馏、气化、燃烧几个阶段，与来自气化炉100底部的气化剂喷嘴104喷入的气化剂b进行气化反应，之后由煤气出口103送出以CO、H₂、CO₂、CH₄为主的300℃～500℃的粗煤气c。其中，气化炉100的气化压力为2MPa～4MPa；气化剂b为氧气和水蒸汽的混合气体，且水蒸气与氧气之比为0.9kg/Nm³～1.1kg/Nm³。粗煤气c中的CH₄含量为8.0％。反应剩余的灰渣在炉内高温下熔化，形成液态熔渣d，间歇的通过气化炉100底部的排渣口102排出。

(2)粗煤气c经过旋风除尘器510除去粗煤气中的大部分灰尘，灰尘e通过旋风除尘器510底部收集。然后粗煤气经过洗涤塔520洗涤除尘、除焦油、降温后，粗煤气中的灰尘除尘效率大于95％，温度降至150℃～160℃。

(3)来自厂区动力锅炉的温度为1100℃～1200℃的高温烟气f经过旋风除尘器除尘和压缩机加压后，与粗煤气c进入混合器300混合，其中高温烟气f与粗煤气c的体积比为1.5～2，所得混合气体温度为600℃～800℃。随后气体进入重整反应器400进行反应，气体中的CH₄在Ni-Mo/Al₂O₃催化剂作用下发生重整反应生成贫CH₄煤气(即合成气)g。重整反应为：CH₄+H₂O＝CO+3H₂；CH₄+CO₂＝2CO+2H₂。粗煤气c经催化重整后产生的合成气g的CH₄含量小于0.5％。

(4)重整反应器400出口的合成气g在换热器中与常温锅炉水h进行间接换热，温度降至180℃～190℃，同时产生中压蒸汽i。中压蒸汽i送入重整反应器400参与CH₄的重整反应。其中，送入重整反应器400的中压蒸汽i与粗煤气c的体积比为0.12:1。降温后的合成气g直接送入合成氨***的变换工段。

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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种粗煤气甲烷催化转化***，其特征在于，包括：

气化炉，包括壁部和由壁部围合形成的腔室，所述壁部具有顶部的进料口和底部的排渣口，所述腔室由所述进料口至所述排渣口的方向上至少区分为干馏区、气化区和燃烧区，所述壁部设有与所述腔室连通的煤气出口，以送出含CH₄的粗煤气；

重整气体产生装置，其产生重整气体，所述重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种；

混合器，用于接收来自所述气化炉的粗煤气和来自所述重整气体产生装置的重整气体，并混合所述煤气和重整气体以获得混合气体；

重整反应器，用于对所述混合气体进行催化重整，以使其中的CH₄转变为CO和H₂，送出贫CH₄煤气。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述气化炉的所述腔室由所述进料口至所述排渣口的方向上依次区分为干燥区、干馏区、气化区、燃烧区和熔渣区。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括除尘和除焦油单元，其包括：

旋风除尘器，与所述气化炉的所述煤气出口连接，用于对所述粗煤气除尘；

洗涤塔，与所述旋风除尘器的气相出口连接，用于对除尘后的所述粗煤气进行精除尘、除焦油和冷却。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述除尘和除焦油单元还包括连接于所述洗涤塔的塔釜液出口和塔顶洗涤液进口之间的冷却器、澄清槽和循环泵，以将所述洗涤塔分离出的洗涤液返回到所述洗涤塔。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，在所述重整气体产生装置和所述混合器之间还设有气体加压设备，用于对所述重整气体加压，将加压后的所述重整气体送入所述混合器。

6.根据权利要求1或5所述的***，其特征在于，重整气体产生装置为锅炉，其包括烟气出口，所述锅炉燃烧含碳和氢元素的可燃物产生包含CO₂和H₂O的烟气作为重整气体；

所述***还包括除尘设备，所述除尘设备与所述锅炉的所述烟气出口连接，以接收所述重整气体，并对所述重整气体除尘。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，

所述除尘设备采用旋风除尘设备；和/或，

所述锅炉为动力锅炉。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：

余热回收器，用于接收来自所述重整反应器的贫CH₄煤气，并回收所述贫CH₄煤气的余热。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述余热回收器包括所述贫CH₄煤气的进口和出口、水进口和水蒸气出口，所述余热回收器用于接收所述贫CH₄煤气和水，并用所述贫CH₄煤气的余热来加热水，以产生水蒸气；

所述余热回收器的水蒸气出口与所述重整反应器的进口连接，以将所述水蒸气送入所述重整反应器用于CH₄重整；

优选地，所述余热回收器采用废热锅炉或换热器，和/或，所述水蒸气为中压蒸汽。

10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，

所述重整反应器采用固定床反应器；和/或，

所述混合器选自管道混合器。

11.一种粗煤气甲烷催化转化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)以含氧气体和水蒸气作为气化剂，将原料煤在加压条件下进行气化，获得含CH₄的粗煤气；

(B)提供重整气体，所述重整气体含有CO₂和H₂O中的一种或几种；

(C)将所述粗煤气与重整气体混合，获得混合气体；

(D)对所述混合气体进行催化重整，以使所述粗煤气中的CH₄转变为CO和H₂，获得贫CH₄煤气。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述混合气体的温度为600℃～800℃。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述粗煤气经除尘和除焦油后的温度为150℃～160℃，所述重整气体为来自动力锅炉的温度为1100℃～1200℃的高温烟气，所述高温烟气与所述粗煤气的体积比为1:1～3:1，优选为1.5:1～2:1。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述步骤(C)之前还包括：

(E)对所述重整气体进行加压，以使其与所述粗煤气的压力相匹配。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

(F)回收所述贫CH₄煤气的余热，以产生中压蒸汽；

(G)将所述中压蒸汽送至所述步骤(D)中用于CH₄重整。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，用于CH₄重整的所述中压蒸汽和所述粗煤气的体积比为0.05:1～0.15:1。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)采用耐硫耐尘的镍基催化剂进行催化重整；

优选地，所述催化剂包括Ni/Al₂O₃和Ni-Mo/Al₂O₃中的一种或几种；

优选地，所述催化剂包括Ni-Mo/Al₂O₃，所述Ni-Mo/Al₂O₃中含有5wt％～20wt％的Ni和0.05wt％～1wt％的Mo。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(A)满足下述(a)～(d)中的一个或几个：

(a)气化压力为2MPa～4MPa，优选为2.5MPa～3.5MPa；和/或，

(b)所述含氧气体为氧气，优选地，水蒸气与氧气之比为0.9kg/Nm³～1.1kg/Nm³；和/或，

(c)所述原料煤选自低阶煤、中阶煤和高阶煤中的一种或几种；和/或，

(d)所述原料煤依次经历干燥、干馏、气化和燃烧，产生所述粗煤气和液态煤渣。

19.一种煤气化合成氨***，其特征在于，包括：

气化工段，包括权利要求1-10任一项所述粗煤气甲烷催化转化***；

变换工段，用于接收来自所述气化工段的贫CH₄煤气，并对所述贫CH₄煤气进行变换处理，以使CO变换为CO₂，送出变换气体；

脱碳工段，用于对来自所述变换工段的所述变换气体进行脱碳处理，获得脱碳气体；

双甲精制工段，用于对来自所述脱碳工段的所述脱碳气体进行双甲精制，获得原料气；

合成氨工段，用于接收来自所述双甲精制工段的所述原料气，并用所述原料气合成氨。

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