[發(fā)明專利]一種燃煤自供熱的催化氣化制天然氣的工藝和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210196987.X
• 申請(qǐng)日: 2012-06-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103484180A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 畢繼誠(chéng);毛燕東;李克忠;祖靜茹;康守國(guó);崔鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新奧科技發(fā)展有限公司
• 主分類號(hào): C10L3/08
• 分類號(hào): C10L3/08;C10L3/10
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 牛海軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤催化氣化技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及燃煤自供熱的煤催化氣化制天然氣的工藝和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及環(huán)保規(guī)定的日益嚴(yán)格，未來(lái)十幾年，我國(guó)對(duì)天然氣這一清潔能源的需求量呈爆炸式增長(zhǎng)，而天然氣產(chǎn)量雖有增加但卻遠(yuǎn)低于需求的增長(zhǎng)趨勢(shì)，供需矛盾日益突出，供應(yīng)缺口逐年加大。鑒于我國(guó)能源資源狀況“富煤、少油、缺氣”的特點(diǎn)，長(zhǎng)期維持以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會(huì)改變，根據(jù)潔凈煤技術(shù)的發(fā)展走向和世界低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，把煤轉(zhuǎn)化成化石能源中最優(yōu)質(zhì)的燃料—天然氣，是適合我國(guó)國(guó)情、化解能源危機(jī)并保證能源安全的一條捷徑。

通常的煤氣化技術(shù)，即煤在高溫下與氧氣(或空氣)和/或水蒸汽(H₂O)組成的氣化劑進(jìn)行氣化反應(yīng)，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(jìn)行水氣變換及甲烷化工序，采用兩步法制備甲烷。該煤氣化技術(shù)具有氣化反應(yīng)所需的溫度高、能耗大、對(duì)設(shè)備要求高，且需三個(gè)反應(yīng)裝置、工藝較復(fù)雜等缺點(diǎn)。

煤催化氣化技術(shù)是煤潔凈高效利用的一種重要方式，采用煤催化氣化技術(shù)，煤在相對(duì)較低的溫度下與水蒸汽(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(jìn)行氣化反應(yīng)，生成高濃度的甲烷(CH₄)。煤催化氣化技術(shù)與其它煤氣化技術(shù)相比，具有甲烷含量高、氣化反應(yīng)所需的溫度低等優(yōu)點(diǎn)。

美國(guó)Exxon公司對(duì)煤一步法制甲烷技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。美國(guó)專利US?4318712公開(kāi)了一種煤直接甲烷化的整個(gè)工藝流程，其中將煤預(yù)先與催化劑進(jìn)行混合后，進(jìn)入氣化爐，通入的過(guò)熱蒸汽不但作為氣化劑，同時(shí)作為熱源，維持爐內(nèi)反應(yīng)溫度，控制爐內(nèi)溫度在700℃左右，過(guò)熱蒸汽溫度850℃，氣化爐反應(yīng)壓力3.5MPa，煤在催化劑的作用下與過(guò)熱蒸汽發(fā)生反應(yīng)，直接得到產(chǎn)品富甲烷氣體。采用深冷分離將產(chǎn)氣中的甲烷與一氧化碳、氫氣進(jìn)行分離，將反應(yīng)氣體中的氫氣和一氧化碳循環(huán)到氣化爐中，使之在氣化爐中進(jìn)行甲烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，從而提高系統(tǒng)甲烷的產(chǎn)量。該煤技術(shù)具有氣化反應(yīng)速率低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、碳轉(zhuǎn)化率較低、氣體分離系統(tǒng)投資高等缺點(diǎn)，蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)負(fù)荷較高，且催化劑回收系統(tǒng)復(fù)雜，方法昂貴，綜上致使工藝整體經(jīng)濟(jì)性不佳，總效率較低。

美國(guó)GPE公司在EXXON工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究，將原料拓寬為石油焦和生物質(zhì)，并且對(duì)部分技術(shù)進(jìn)行了完善。由于催化氣化過(guò)程溫度較低，達(dá)到90％以上的碳轉(zhuǎn)化率需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間，很難實(shí)現(xiàn)氣化和甲烷化的熱量耦合，需要用大量過(guò)熱蒸汽提供系統(tǒng)所需熱量，工藝的能耗較大。另外取消了深冷分離，改為部分氧化氣化爐產(chǎn)品氣來(lái)提供過(guò)熱蒸汽及甲烷化反應(yīng)所需的一氧化碳和氫氣，或通過(guò)增設(shè)燃氧氣化爐為催化氣化反應(yīng)器提供過(guò)熱蒸汽及CO、H₂，采用的碳質(zhì)原料為回收催化劑后的催化氣化爐排出半焦、氣固分離所得飛灰及備煤工段殘余物料等。以上內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)專利US?20090246120A1、US?20090165376A1。該技術(shù)設(shè)備投資高，工藝流程復(fù)雜，能耗較大，工藝整體經(jīng)濟(jì)性較差，總效率較低。

現(xiàn)有催化氣化工藝均采用外供熱方式，即需要用大量過(guò)熱蒸汽及循環(huán)部分產(chǎn)品氣一氧化碳、氫氣進(jìn)入氣化爐發(fā)生甲烷化反應(yīng)放熱來(lái)提供系統(tǒng)所需熱量，采用深冷分離、產(chǎn)品氣部分氧化或增設(shè)燃氧氣化爐來(lái)提供過(guò)熱蒸汽及CO、H₂，工藝的能耗均較大，設(shè)備投資高，工藝流程復(fù)雜，蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)負(fù)荷較高，綜上致使工藝整體經(jīng)濟(jì)性不佳，總效率較低。

催化劑的加入可催化燃燒反應(yīng)，提高煤粉燃燒放熱量，同時(shí)添加的堿金屬催化劑在一定的工藝條件、反應(yīng)氣氛下可能同煤種礦物質(zhì)形成低溫共融物，會(huì)降低煤的灰熔點(diǎn)；且催化氣化工藝要求較高的氣固接觸時(shí)間，床層相對(duì)較高，全床區(qū)域均勻快速傳熱相對(duì)困難，床內(nèi)局部溫度過(guò)高可導(dǎo)致煤灰顆粒相互粘結(jié)結(jié)渣，造成流化狀態(tài)不好，嚴(yán)重時(shí)排渣困難、甚至失流化等，致使反應(yīng)器難以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，當(dāng)前開(kāi)發(fā)一種能夠以燃煤自供熱方式對(duì)催化氣化反應(yīng)提供所需熱量而無(wú)需追加其它設(shè)備，同時(shí)能夠有效避免設(shè)備內(nèi)結(jié)渣的煤催化氣化制天然氣工藝和系統(tǒng)具有非常重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，從而提供了一種燃煤自供熱的煤催化氣化制天然氣的工藝和系統(tǒng)，其用于簡(jiǎn)單并高效地生產(chǎn)天然氣。