[发明专利]流化床和熔融床组合式煤催化气化反应装置及其方法

说明书

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熔融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。

熔融床气化技术是一种较为新颖的气化技术，是将煤粉和气化剂高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内进行气化反应，具有煤种适应性广，气化强度高、良好的污染物控制和较低的气化剂需求量的特点。因而，可以考虑将高效的熔融床气化炉和流化床气化炉相结合应用于催化气化领域，研究一种气化强度高，气化反应速率快，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、甲烷产率偏低以及气化炉运行稳定性和可靠性差的问题，本发明提出了一种流化床和熔融床相组合的催化气化装置，该装置由流化床气化段和熔融床气化段组成，流化床气化段内通入循环合成气和高温混合气体，进行热解、气化和甲烷化反应。将流化床气化段中的细灰半焦颗粒，循环至熔融床气化段中进行燃烧气化反应，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：一种熔融床和流化床相组合的催化气化反应装置，包括原料进口、流化床气化段、气体分布器、喉口、熔融床气化段、冷却夹套、气化剂喷嘴、下渣口、旋风分离器、灰斗、回料直管、回料装置、回料进口和分离装置组成。其特征在于原料进口与流化床气化段相连通，气体分布器位于流化床气化段底部，熔融床气化段周边至少设有一层气化剂喷嘴，熔融床气化段底部与下渣口相连通，熔融床气化段通过喉口与流化床气化段底部相连通，旋风分离器与流化床气化段出口相连通，旋风分离器出口与分离装置相连通，旋风分离器底部设有灰斗和回料直管，回料直管底部与回料装置相连通，回料进口与熔融床气化段相连通。

所述的原料进口的位置低于流化床气化段密相区高度的1/2，原料进口角度与水平轴线呈0～75°的夹角。

所述的流化床气化段分为密相段和稀相段，稀相段的内径大于或等于密相段的内径，为密相段内径的1.0～5.0倍。

所述的气体分布器位于流化床气化段底部，与水平轴线呈小于或等于60°的夹角，气体分布器锥面上设有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有5～50圈气孔，开孔率1～5％。

所述的喉口用于连接流化床气化段和熔融床气化段，其内径小于流化床密相段的内径，为密相段内径的0.1～0.5倍。