[发明专利]煤在超临界水中转化制备活性炭同时副产燃气及焦油的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于煤化工领域，特别涉及一种煤在超临界水中转化制备活性炭同时副产燃气及焦油的方法和装置。

背景技术

我国煤炭资源丰富，特别是低品位煤的储量及分布相对集中，但是均位于偏远地区。煤焦化及气化工艺为精细化工和能源需求提供必需的原材料，但是随着环境问题日益突出，煤炭的清洁高效利用是目前关注的焦点，如何提高工艺过程的热效率、经济效益及环境效益等是亟需解决的关键。

超临界水是指温度和压力分别位于临界点(374℃，22.1MPa)以上的水的状态，其不同于常规状态下的水和水蒸气，其对有机物具有极强的溶解性，消除了传质和传热阻力，加速了煤中有机物在低温条件下的转化，特别适用于高水、高挥发分含量的低阶煤。当温度升高至600℃后，气化反应速率远远高于常规水蒸气气化，气体产物中主要为氢气、二氧化碳和甲烷。同时超临界水能很好地控制污染物的排放，得到的半焦产品具有多孔的结构。日本东北大学及美国能源局对褐煤在超临界水中的转化研究表明，超临界水可以作为低阶煤清洁高效利用的途径之一。国内西安交通大学和山西煤化所等对超临界水对褐煤气化过程进行研究，发现超临界水对煤气化制氢具有良好的促进作用，添加适量的碱金属催化剂能进一步提高气体产物中氢气的含量，添加碱土金属催化剂能起到固定CO₂的作用，提高了气体中有效气体的含量。1989年公开的专利号为1032027的中国专利“煤的超临界气体连续抽提方法及其装置”，主要解决了过程连续化的问题，实现了煤浆连续进料、超临界流体(苯、甲苯、二甲苯等)连续抽提、高温高压下定时排渣及溶剂、燃料油的连续回收分离。2003年公开的专利号为2575098Y的中国专利“煤的超临界水连续萃取反应装置”，是对前人专利所述装置进行了改进，添加了超临界水喷头装置，强化了萃取反应过程，并且采用无毒的超临界水为反应介质，反应条件相对安全，对环境无污染，但是尚没有具体的实例列出。2004年，专利号为1544580的中国专利“一种低阶煤在亚临界或超临界水中连续转化的方法”，提出了采用横式管式反应装置进行低阶煤连续转化的方法，并且采用碱金属和碱土金属氧化物作为添加剂，实现了煤浆的稳定输送，并列出了温度从365-650℃，压力17-38.5MPa，水煤浆浓度为15.8-35wt％实例结果。从整个超临界水对低阶煤分级连续转化的方法和装置上看，虽然发挥了超临界水的一些优势，但是目前来说整个工艺的转化率较低，最高可达80％左右，同时体系中大量残余的热蒸汽未得到充分回用，造成热效率较低，过程的经济性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种热效率较高，经济性好的煤在超临界水中连续转化制备活性炭同时副产燃气及焦油的方法和装置。

本发明是利用超临界水高压环境，具有较高的萃取溶解性及极强的传质传热性能的特点，采用煤为原料制取活性炭和高热值煤气及焦油，实现了超临界水对煤热解、气化及萃取耦合为一体的工艺技术。本发明所采用的核心设备为立式超临界水反应器，其中配套催化反应器。超临界水反应器主要针对萃取过程和气化过程，配套的催化反应器为甲烷化过程。

水煤浆在进入立式超临界水反应器后，迅速和超临界水反应，煤颗粒发生热解、水解、气化、缩聚反应。由于超临界水对有机物具有良好的溶解性，反应产生的气体和液体产物能够快速被超临界水从超临界水反应器顶部出口带出。反应生成的固体物料(半焦和灰渣)在重力作用下逐渐向超临界水反应器底部下落，同时发生气化反应，生成多孔的固体产物沉积在超临界水反应器底部。

溶于超临界水的气液相产物随着超临界水从超临界水反应器上部带出到下游催化反应器中进行热转化和催化转化，高选择性的转化为CH₄气体和低含氧量的焦油；气化合成气及CO₂等气体在催化反应器中经过催化甲烷化反应，将CO₂转化为CH₄气体，提高出口气体的热值，降低CO₂的排放。催化反应器中发生的反应主要有：

C_XH_YO_Z→CH₄+CO₂+C_mH_n

CO+3H₂→CH₄+H₂O

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O