一种制备富氢气体和电石的系统及方法与流程

本发明主要涉及电石的生产领域，尤其涉及一种制备富氢气体和电石的系统及方法。

背景技术：

以粉状中低阶煤和粉状生石灰为原料先经过热解得高温活性半焦后，再通过氧热法制备电石的工艺已得到广泛的研究。该工艺在原料成本及热效率方面均取得了重大突破。但是，在该工艺中，热解后活性半焦的热量得到了充分利用，而荒煤气所携带的大量热量在后续分离过程中被冷却浪费。另外，在继续开发的电石乙炔化工工艺中，电石与水反应，产生大量的电石渣(主要成分是氢氧化钙)，若得不到有效利用不仅会造成资源浪费，还会对周围环境造成恶劣环境。

同时，煤热解产生的热解气中含有大量的甲烷和一氧化碳，而甲烷水蒸气重整和一氧化碳变换反应是目前工业上较成熟的含甲烷和一氧化碳气制富氢气体的方法，其主要反应包括甲烷与水蒸气反应得一氧化碳与氢气，以及一氧化碳与水蒸气反应制二氧化碳和氢气。考虑到型球高温热解所得热解气的温度与甲烷水蒸气重整反应相近，若将热解气中的甲烷与一氧化碳通过水蒸气重整反应和变换反应转化为氢气，则可将热解气变为富H₂气体。

另外，因为在甲烷水蒸气重整和一氧化碳变换过程中均需要水蒸气，因此可以在作为电石生产原料的生石灰中添加部分电石渣。这样不仅能将电石渣中的氧化钙变为原料，降低原料成本，还能使得电石渣中的水同样变为热解气高温催化反应的原料，可省掉电石渣浆干燥和煅烧的步骤，进一步节省了能耗。

因此，针对上述问题，有必要发明一种制备富氢气体和电石的系统及方法，能够充分利用原料中的成分及热解气的能量，将其转化为附加值更高的气体产品。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种制备富氢气体和电石的系统及方法，该系统及方法的目的是解决生产电石时热解气所携带热量损失，热解气利用效率低的问题。进一步地，本发明还可降低电石原料的成本，充分利用电石渣。

本发明提供的制备富氢气体和电石的系统包括：高温热解单元、催化重整单元、变换、脱碳单元以及电石冶炼单元，其中，所述高温热解单元包括煤粉入口、钙基原料入口、荒煤气出口及高温混合粉料出口，用于电石原料的热解；所述催化重整单元包括荒煤气入口和合成气出口，用于甲烷与水蒸气的催化重整；所述荒煤气入口与所述高温热解单元的荒煤气出口相连；所述变换、脱碳单元包括合成气入口和富氢气体出口，用于一氧化碳的催化变换反应与生成气体的脱碳处理；所述合成气入口与所述催化重整单元的合成气出口相连；所述电石冶炼单元包括固体物料入口、含氧气体入口和电石出口，用于氧热法制备电石；所述固体物料入口与所述高温热解单元的高温混合粉料出口相连。

上述的系统，所述催化重整单元为重整反应器，其内部从下往上依次设有过滤层、焦油催化裂解的催化剂层、甲烷重整的催化剂层。

上述的系统，所述变换、脱碳单元包括变换炉，所述变换炉内部设有变换催化剂层。

上述的系统，所述系统还包括保温输送装置，所述保温输送装置与所述电石冶炼单元的固体物料入口及所述高温热解单元的高温混合粉料出口相连。

进一步地，上述的系统中，所述高温热解单元为蓄热式下行床反应器，其内部设置有多层蓄热式辐射管。

进一步地，所述系统还可包括原料处理单元，所述原料处理单元包括依序相连的煤破碎装置、煤中间储仓及煤粉螺旋输送装置，以及依序相连的钙基原料破碎装置、钙基原料中间储仓、钙基原料粉螺旋输送装置。

本发明还提供一种利用上述系统制备富氢气体和电石的方法，包括以下步骤：将粒径<1mm的煤粉、粒径<3mm的钙基原料送入所述高温热解单元进行热解，得到荒煤气及高温混合粉料；将所述荒煤气送入所述催化重整单元，经过滤、焦油催化裂解以及甲烷催化重整得到合成气；将所述合成气送入所述变换、脱碳单元进行变换反应，使得所述合成气中的一氧化碳转化为氢气和二氧化碳，再经脱碳后制得富氢气体；将所述高温混合粉料送入所述电石冶炼单元，氧热法冶炼制得电石。

上述的方法，所述钙基原料包括电石渣和生石灰，所述电石渣的加入量为所述生石灰的20wt％-40wt％；所述钙基原料与所述煤粉的加入质量比为1.0-1.5:1。

上述方法中，所述催化重整的温度为700-900℃，压力为2-4MPa；所述变换反应的温度为200-320℃，所述变换反应的催化剂为Co-Mo系耐硫宽温催化剂。

上述的方法，所述方法还可包括步骤：将煤与钙基原料送入所述原料处理单元，使得煤破碎至<1mm成为煤粉，使得所述钙基原料破碎至<3mm；所述煤为中低价煤。

本发明的技术方案，使得携带高温的水蒸气与热解气在催化重整反应器和变换炉内催化反应后，最终得到富氢气体，一方面可以充分利用热解气的热量，另一方面可以将成分复杂的热解气转化为富氢气体。

本发明还可用部分电石渣替代氧化钙，使得电石渣变废为宝，且无需经过碳化和煅烧步骤，降低了原料成本。同时，利用氢氧化钙分解产生的水蒸气与热解气中的甲烷和一氧化碳反应，由于氢氧化钙分解产生的水蒸气较多，可以减少催化剂的积碳，延长催化剂的寿命。

进一步地，本发明中热解产生的高温混合粉料可保温输送到电石炉，提高了系统的热利用效率。

本发明通过氧热法生产电石，原料从热解到电石冶炼单元始终为粉料，省掉了成型单元，简化了系统与操作工序，且提高了原料间的反应接触面积，因而提高了传热效率。

附图说明

图1是本发明实施例的制备富氢气体和电石的系统结构示意图；

图2是本发明实施例的制备富氢气体和电石的系统流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所描述的电石生产系统由原料处理单元1、高温热解单元2、催化重整单元3、变换、脱碳单元4以及电石冶炼单元5组成。

为了降低原料成本及充分发挥本系统的作用，本发明中的煤为中低阶粉煤。

原料处理单元1用于对原料煤和石灰或电石渣的破碎，其包括煤破碎装置11、钙基原料破碎装置12、煤中间储仓13、钙基原料中间储仓14、煤粉螺旋输送装置15和钙基原料粉螺旋输送装置16。所述破碎装置依次与中间储仓螺旋输送装置相连。当然在本发明中，原料处理单元1不是必须设置，可根据来料大小决定是否需要设置。

高温热解单元2的装置为快速热解炉，设有煤粉入口21、钙基原料入口22、荒煤气出口23以及高温混合粉料出口24；所述煤粉入口21可与煤粉螺旋输送装置15相连；所述钙基原料入口22可与钙基原料螺旋输送装置16相连；其中所述的快速热解炉是指蓄热式下行床反应器，内部设置有多层蓄热式辐射管。高温热解单元2用于把原料热解后输出高温混合粉料及荒煤气。

催化重整单元3的装置为重整反应器，用于将热解气中的甲烷与水蒸气进行催化重整反应，设有荒煤气入口31和合成气出口36。所述荒煤气入口31与高温热解单元2的荒煤气出口23相连。所述重整反应器内部设有气体分布器32、以及从下往上依次排列的过滤层33、焦油催化裂解催化剂层34、甲烷重整催化剂层35。气体分布器32用于使气体能够较均匀的通过催化剂层。所述过滤层可为陶瓷过滤板，目的是除去荒煤气中的灰尘并起到蓄热的作用。所述焦油催化裂解催化剂的目的是将荒煤气中的焦油充分催化以获取热解气。所述重整催化剂层的目的是催化热解气中的甲烷与水蒸气反应，将甲烷转换为氢气和一氧化碳。

变换、脱碳单元4的装置包括变换炉和二氧化碳吸收装置，用于一氧化碳的变换反应及生成气体的脱碳处理，以制得富氢气体，设有合成气入口41和富氢气体出口44。所述合成气入口41与催化重整单元3的合成气出口36相连。所述变换炉内部设有气体分布器42和变换催化剂层43。气体分布器42的设置是为了使气体能够较均匀的通过催化剂层。变换催化剂层43的目的是催化一氧化碳进行变换反应，生成富二氧化碳与氢气。再经二氧化碳吸收装置脱去二氧化碳后，可制得富氢气。

电石冶炼单元5的装置是气流床，用于氧热法生成电石，设有固体物料入口51、含氧气体入口52、电石炉气出口53以及电石出口54。熔融的电石由电石液出口54导出后经冷却形成电石产品。所述固体物料入口51可通过保温输送装置与高温热解单元的高温混合粉料出口24相连。所述保温输送装置可以是保温桶或保温链板中的一种。设置保温输送装置可进一步提高系统的热利用效率。该保温输送装置也不是必须设置。

如图2所示的系统流程图，揭示了本发明利用上述系统制备富氢气体和电石的方法，包括以下步骤：

原料预处理，即通过破碎装置将中低阶煤破碎至<1mm，钙基原料破碎至<3mm；当然该步骤不是必须设置，具体视来料大小而定。

混合热解，将粉状的煤、钙基原料加入粉料热解装置，获取荒煤气和高温混合粉料。其中，电石渣的加入量为生石灰的20wt％-40wt％；钙基原料与煤粉的加入质量比为1.0-1.5:1。热解温度为800-1100℃，热解时间为15-45min。

催化重整，热解荒煤气进入催化重整单元，经过过滤、焦油催化裂解以及甲烷催化重整得到合成气。其中，催化重整单元的温度为700-900℃；压力为2-4MPa。

催化变换、脱碳，催化重整后的合成气，进一步经过变换反应，将一氧化碳转化为氢气和二氧化碳，再经脱碳后可得富氢气体。变换反应的温度为200-320℃，所用催化剂为Co-Mo系耐硫宽温催化剂。

高温混合粉料经保温输送装置送入电石冶炼装置，并在1750-2200℃氧热法冶炼，制得液态电石及电石炉气。

根据本发明的上述技术方案，将携带高温的水蒸气与热解气在催化重整反应器和变换炉内催化反应后，最终得到富氢气体，一方面可以充分利用热解气的热量，另一方面可以将成分复杂的热解气转化为富氢气体。进一步，本发明还可用部分电石渣替代氧化钙，使得电石渣变废为宝，且无需经过碳化和煅烧步骤，降低了原料成本。同时，利用氢氧化钙分解产生的水蒸气与热解气中的甲烷和一氧化碳反应，由于氢氧化钙分解产生的水蒸气较多，可以减少催化剂的积碳，延长催化剂的寿命。

作为拓展，本发明还可将得到的电石与水反应产生乙炔和电石渣，电石渣经净化后又可作为原料，系统可形成闭路循环。

进一步地，本发明中热解产生的高温混合粉料可保温输送到电石炉，进一步提高了热利用效率。

本发明通过氧热法生产电石，原料从热解到电石冶炼单元始终为粉料，省掉了成型单元，简化了系统与操作工序，且提高了原料间的反应接触面积，因而提高了传热效率。

本文中出现的“wt％”均指重量百分比。

实施例1

以长焰煤和添加30wt％电石渣的生石灰为原料，首先通过破碎磨粉装置将原煤粒度破碎到<1mm，钙基原料粒度破碎到<3mm；然后将煤粉与钙基原料粉以1.0:1.0的质量比例混合经螺旋输送装置送至高温热解装置，并在850℃下热解25min，获得荒煤气和高温混合料粉。荒煤气在高温下直接输送至催化重整转换反应器，保持反应器内温度为800℃，压力为2MPa，荒煤气依次经过净化除尘、焦油催化裂解反应后获取合成气，合成气被输送到变换炉内320℃下催化变换后，最终使得热解气成分以二氧化碳和氢气为主，之后再经过脱碳，得到高浓度的富H2气体；高温混合粉料经密闭保温输送设备送入电石冶炼单元内，在1900℃下氧热法生成电石；后续电石与水反应后可得大量电石渣，净化后可循环用作电石生产的原料。

实施例2

以长焰煤和添加20wt％电石渣的生石灰为原料，首先通过破碎磨粉装置将原煤粒度破碎到<1mm，钙基原料粒度破碎到<3mm；然后将煤粉与钙基原料粉以1.0:1.5的质量比例混合，经螺旋输送装置送至高温热解装置内在900℃下热解30min，获得荒煤气和高温混合粉料。荒煤气在高温下直接输送至催化重整转换反应器，保持反应器内温度为700℃，压力为4MPa，荒煤气依次经过净化除尘、焦油催化裂解反应后获取合成气，合成气被输送到变换炉内260℃下催化变换后，最终使得热解气成分以二氧化碳和氢气为主，之后再经过脱碳，得到高浓度的富H₂气体；高温混合粉料经密闭保温输送设备送入电石冶炼单元内，在2000℃下氧热法生成电石；后续电石与水反应后可得大量电石渣，净化后可循环用作电石生产的原料。

实施例3

以长焰煤和添加40wt％电石渣的生石灰为原料，首先通过破碎磨粉装置将原煤粒度破碎到<1mm，钙基原料粒度破碎到<3mm；然后将煤粉与钙基原料粉以1.0:1.25:0.12的质量比例混合，经螺旋输送装置送至高温热解装置内在1000℃下热解30min，获得荒煤气和高温混合粉料。荒煤气在高温下直接输送至催化重整转换反应器，保持反应器内温度为900℃，压力为3MPa，荒煤气依次经过净化除尘、焦油催化裂解反应后获取合成气，合成气被输送到变换炉内200℃下催化变换后，最终使得热解气成分以二氧化碳和氢气为主，之后再经过脱碳，得到高浓度的富H₂气体；高温混合粉料经密闭保温输送设备送入电石炉内，在2000℃下下氧热法生成电石；后续电石与水反应后可得大量电石渣，净化后可循环用作电石生产的原料。

由上述实施例可见，本发明的技术方案解决了生产电石时热解气浪费的问题。进一步地，本发明还可降低电石原料的成本，充分利用电石渣。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。