[發明專利]一種由煤制備含甲烷的氣體的方法及設備

有效

• 申請號: 201110416109.X
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN102585947A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 畢繼誠;孫志強;崔鑫;祖靜茹;李克忠;毛燕東;康守國
• 申請（專利權）人: 新奧科技發展有限公司
• 主分類號: C10L3/08
• 分類號: C10L3/08
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 任永利

技術領域

本發明涉及煤氣化制備代用天然氣領域，具體地說，涉及用加壓兩段式氣化爐對煤進行氣化來制備含甲烷的氣體的方法及設備。

背景技術

我國是富煤貧油少氣的國家，隨著社會、經濟的快速發展，我國天然氣需求急劇攀升，在能源結構中的比例迅速增加。而國內天然氣仍處于勘探開發早期，進口也處于起步階段，供應能力嚴重滯后，導致天然氣供需矛盾日益突出。利用我國資源優勢相對較大的煤炭，不僅能促進煤炭的高效、清潔利用；而且可利用已有的天然氣管道，以較低的經濟代價，有效緩解天然氣的供需矛盾，這是劣質煤炭資源進行綜合利用的有力措施。

通常的煤氣化制備甲烷的工藝，分為間接法和直接法兩種技術。間接法，又稱為兩步法，是使煤在高溫下與氧氣(或空氣)和/或蒸汽(也稱為水蒸汽)組成的氣化劑進行氣化反應，生成含有少量甲烷(CH₄)的合成氣(主要是氫氣、一氧化碳和二氧化碳)，之后進行水氣變換及甲烷化工序，制備甲烷。該間接法煤氣化技術具有氣化反應所需的溫度高、能耗大、對設備要求高，且需三個反應裝置、工藝較復雜等缺點。

直接法，又成為一步法，是指在一定反應條件下，把煤直接制成富含甲烷氣體產品的工藝，煤催化氣化技術與兩步法煤制甲烷技術相比，具有甲烷含量高、氣化反應流程相對簡單等優點。

煤催化氣化技術是煤潔凈高效利用的一種重要方式。采用煤催化氣化技術，煤在相對較低的溫度下與蒸汽(H₂O)、氫氣(H₂)、一氧化碳(CO)組成的氣化劑在催化劑的催化作用下進行氣化反應，生成高濃度的甲烷(CH₄)。煤催化氣化技術與其他煤氣化技術相比，具有甲烷含量高、氣化反應所需的溫度低等優點。

目前，相關專利中提到的煤催化氣化技術，氣化反應所需的最優溫度和壓力范圍是593～700℃和20～40atm，使用堿金屬碳酸鹽作為催化劑。采用深冷分離將產氣中的甲烷與一氧化碳、氫氣進行分離，將反應氣體中的氫氣和一氧化碳循環到氣化爐中，使之在氣化爐中進行甲烷化反應轉化為甲烷，從而提高系統甲烷的產量。該煤催化氣化技術具有氣化反應速率低、反應時間長，碳轉化率較低，氣體分離系統投資高等缺點；為滿足反應器熱平衡的需要，需將進爐過熱蒸汽加熱到較高溫度，蒸汽過熱系統及熱交換系統負荷較高，經濟性差。

美國專利4,077,778提出采用多級流化床反應器的煤催化氣化工藝，消除原催化氣化工藝的不足，使氣化更高效地進行，充分利用進料碳資源，提高碳轉化率。主流化床反應器操作氣速較高，將部分碳顆粒夾帶至二級流化床反應器，在較低氣速下進行氣化反應，增長固相停留時間，最大限度提高碳轉化率。采用多級氣化較之單級氣化可將碳利用率由70-85％提高至95％以上。但該煤催化氣化工藝采用多個流化床反應器，設備投資高，操作較復雜。

另外，美國專利4,094,650提到在堿金屬的催化作用下，可將含碳固體氣化，制備甲烷，催化劑需回收再用。通過多級水洗回收水溶性催化劑，石灰消化回收非溶性催化劑。美國專利0277437在美國專利4,094,650基礎上，采用一級處理將堿金屬物質從反應器固體殘渣中分離，簡化了堿金屬催化劑回收過程，改善了催化氣化工藝的經濟性及總效率，但該回收系統仍然較復雜，回收方法較昂貴。

另外，為了充分利用熱量，制取煤氣，美國專利5,064,444提出加壓水蒸汽氣化的方法，將流化床氣化爐分為熱解段、氣化段、冷卻段，各段用隔板分開。氣化爐內熱解段、氣化段放置蛇狀盤管(蛇管換熱器)，管中通入900℃-950℃的高溫氣體如燃料燃燒后的氣體加熱煤粉，提供氣化、熱解所需熱量，制取煤氣。該流化床氣化爐可以為立式，也可為臥式，以700℃-800℃的過熱蒸汽為氣化劑，冷卻段通入飽和蒸汽，煤粉夾帶在過熱蒸汽一起進入氣化爐。但是氣化爐內的反應體積利用率低，影響固相加工；僅以過熱蒸汽為氣化劑致使碳轉化率不高，故殘渣中含碳量較高，煤難以得到有效利用；該方法中高溫氣體中的熱量需要通過蛇狀盤管的管壁傳遞給煤粉和蒸汽，與氣固接觸傳熱相比，這種間接加熱方式傳熱速度慢且熱效率低，床層內固相受熱不均；同時設備繁雜，特別是臥式爐。

為了進一步提高煤的氣化效率、甲烷產率，并提高能量利用效率，開發了本發明的方法。

發明內容

本申請提供了一種由煤制備含甲烷的氣體的方法，包括下列步驟：

a.將煤粉加入到從上到下依次包含煤熱解區和催化氣化區的氣化爐的煤熱解區中，在所述煤熱解區中，煤粉與來自催化氣化區的氣化產物物流接觸以至少部分地熱解所述煤粉，形成含甲烷的氣體物流和至少部分熱解的煤粉；