[发明专利]一种由煤制备含甲烷的气体的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及煤气化制备代用天然气领域，具体地说，涉及用加压两段式气化炉对煤进行气化来制备含甲烷的气体的方法及设备。

背景技术

我国是富煤贫油少气的国家，随着社会、经济的快速发展，我国天然气需求急剧攀升，在能源结构中的比例迅速增加。而国内天然气仍处于勘探开发早期，进口也处于起步阶段，供应能力严重滞后，导致天然气供需矛盾日益突出。利用我国资源优势相对较大的煤炭，不仅能促进煤炭的高效、清洁利用；而且可利用已有的天然气管道，以较低的经济代价，有效缓解天然气的供需矛盾，这是劣质煤炭资源进行综合利用的有力措施。

通常的煤气化制备甲烷的工艺，分为间接法和直接法两种技术。间接法，又称为两步法，是使煤在高温下与氧气(或空气)和/或蒸汽(也称为水蒸汽)组成的气化剂进行气化反应，生成含有少量甲烷(CH₄)的合成气(主要是氢气、一氧化碳和二氧化碳)，之后进行水气变换及甲烷化工序，制备甲烷。该间接法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，且需三个反应装置、工艺较复杂等缺点。

直接法，又成为一步法，是指在一定反应条件下，把煤直接制成富含甲烷气体产品的工艺，煤催化气化技术与两步法煤制甲烷技术相比，具有甲烷含量高、气化反应流程相对简单等优点。

煤催化气化技术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蒸汽(H₂O)、氢气(H₂)、一氧化碳(CO)组成的气化剂在催化剂的催化作用下进行气化反应，生成高浓度的甲烷(CH₄)。煤催化气化技术与其他煤气化技术相比，具有甲烷含量高、气化反应所需的温度低等优点。

目前，相关专利中提到的煤催化气化技术，气化反应所需的最优温度和压力范围是593～700℃和20～40atm，使用碱金属碳酸盐作为催化剂。采用深冷分离将产气中的甲烷与一氧化碳、氢气进行分离，将反应气体中的氢气和一氧化碳循环到气化炉中，使之在气化炉中进行甲烷化反应转化为甲烷，从而提高系统甲烷的产量。该煤催化气化技术具有气化反应速率低、反应时间长，碳转化率较低，气体分离系统投资高等缺点；为满足反应器热平衡的需要，需将进炉过热蒸汽加热到较高温度，蒸汽过热系统及热交换系统负荷较高，经济性差。

美国专利4,077,778提出采用多级流化床反应器的煤催化气化工艺，消除原催化气化工艺的不足，使气化更高效地进行，充分利用进料碳资源，提高碳转化率。主流化床反应器操作气速较高，将部分碳颗粒夹带至二级流化床反应器，在较低气速下进行气化反应，增长固相停留时间，最大限度提高碳转化率。采用多级气化较之单级气化可将碳利用率由70-85％提高至95％以上。但该煤催化气化工艺采用多个流化床反应器，设备投资高，操作较复杂。

另外，美国专利4,094,650提到在碱金属的催化作用下，可将含碳固体气化，制备甲烷，催化剂需回收再用。通过多级水洗回收水溶性催化剂，石灰消化回收非溶性催化剂。美国专利0277437在美国专利4,094,650基础上，采用一级处理将碱金属物质从反应器固体残渣中分离，简化了碱金属催化剂回收过程，改善了催化气化工艺的经济性及总效率，但该回收系统仍然较复杂，回收方法较昂贵。

另外，为了充分利用热量，制取煤气，美国专利5,064,444提出加压水蒸汽气化的方法，将流化床气化炉分为热解段、气化段、冷却段，各段用隔板分开。气化炉内热解段、气化段放置蛇状盘管(蛇管换热器)，管中通入900℃-950℃的高温气体如燃料燃烧后的气体加热煤粉，提供气化、热解所需热量，制取煤气。该流化床气化炉可以为立式，也可为卧式，以700℃-800℃的过热蒸汽为气化剂，冷却段通入饱和蒸汽，煤粉夹带在过热蒸汽一起进入气化炉。但是气化炉内的反应体积利用率低，影响固相加工；仅以过热蒸汽为气化剂致使碳转化率不高，故残渣中含碳量较高，煤难以得到有效利用；该方法中高温气体中的热量需要通过蛇状盘管的管壁传递给煤粉和蒸汽，与气固接触传热相比，这种间接加热方式传热速度慢且热效率低，床层内固相受热不均；同时设备繁杂，特别是卧式炉。

为了进一步提高煤的气化效率、甲烷产率，并提高能量利用效率，开发了本发明的方法。

发明内容

本申请提供了一种由煤制备含甲烷的气体的方法，包括下列步骤：

a.将煤粉加入到从上到下依次包含煤热解区和催化气化区的气化炉的煤热解区中，在所述煤热解区中，煤粉与来自催化气化区的气化产物物流接触以至少部分地热解所述煤粉，形成含甲烷的气体物流和至少部分热解的煤粉；