专利名称：煤直接液化磁力刮刀环流反应器及其煤直接液化方法
技术领域：
本发明涉及煤直接液化领域，特别是涉及一种煤直接液化磁力刮刀环流反应器及其煤直接液化方法。
背景技术：
世界三大基本能源来自固体矿物燃料煤、石油及天然气。煤是世界上最丰富的固体矿物燃料，分布在世界各国，例如中国、北美、澳洲、南非、俄罗斯、欧洲等有大量贮藏和开采，然而人们一直以固体原煤形式用作燃料，很少进行加工炼制，其主要原因煤是固体，不象石油和天然气易加工炼制及运输；原煤中含有大量硫和氮之类杂质，以原煤形式用作燃料时，产生大量有害气体及杂质，污染环境，造成大面积酸雨，危害人类生存环境。固体原煤中杂质含量、水份、物理特性、热值和燃烧特性等随着不同煤品种差别很大，煤本身化学结构极其复杂，煤中分子是以单环、双环、三环等环状芳烃，特别是稠环芳烃或杂环芳烃的大分子组成，这种环状结构大分子结构稳定，很难裂解液化，而且煤中碳比小，例如天然气(甲烷)碳氢比4，石油约为2∶1，而煤一般不到1∶1，所以要使煤液化必须依靠外部提供氢或氢给予体，否则只能得到焦炭，少量焦油和焦炉气。
随着可开采石油资源日益减少，油价不断上涨，人们试图将贮藏丰富的煤转变成便于运输和热值高可与石油媲美的合成液体燃料，世界各国纷纷开发煤液化技术。开发煤液化技术需要大量投入，煤液化装置里的设备种类多、结构复杂，技术要求高。在煤直接液化工艺中，液化反应器是整个液化过程的核心设备之一，目前发达国家开发的煤直接液化工艺中，液化反应器采用鼓泡床反应器或强制循环悬浮床反应器。其中鼓泡床反应器存在气泡分布不均匀，并有气泡短路现象，气含率偏高，反应器有效容积偏小，流体流动紊乱，沿轴向表观液速较小。煤在加氢过程中，有可能在反应器底部和壁面等处发生聚集或结焦现象。强制循环悬浮床反应器主要依赖于外置循环泵，达到反应物料循环和充分混合的目的，由于循环泵在高温高压下操作，运行条件苛刻，维持稳定运转的成本较高、风险较大，由于处理的物系固含量高，循环泵磨损严重，长期稳定运行难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术煤液化反应器存在不足，经发明人长期从事煤液化技术的开发研究和实践，开发一种提高物料的循环速度和湍动强度，能避免结焦现象发生，传热与传质效率较高的煤直接液化磁力刮刀环流反应器。
本发明的另一目的在于提供一种新的煤直接液化的方法。
本发明提供的煤直接液化磁力刮刀环流反应器，其特征在于包括外筒1，外筒为圆管或圆筒，两端为半球形封头，分别设有出料口7和进料口3；中心管4为圆管，其上端和底端分别与半球形封头有一定距离，外径小于外筒的内径，中心管使反应物料沿中心管内上升，充分利用原料氢气的浮力和进口油煤浆的动能，使反应物料在中心管内向上流动，并在中心管与外筒的环间形成向下流动；由于环间气泡较少，导致环间物料密度大于中心管内的物料密度，密度差进一步推动物料的环流运动，使得环间流体的循环流速增大，防止煤粉在加氢反应过程中结焦，同时获得更高的循环速度和湍动强度，提高了传热、传质效率。
气体分布器2，设置在中心管底端中央，为孔板式气体分布器，使进料的氢气与油煤浆均匀分布进入反应器内。
磁力刮刀为多个，优选为2-3个，呈圆环形，其断面呈三角形，其外径略小于外筒内径，上下均等自由设置在外筒和中心管间，靠磁力对其定位，在磁力牵引下作上下移动；磁力牵引装置6为永磁体，设在外筒的外壁面上，通过磁力牵引装置支架8与道轨相接，可沿道轨上下移动，磁力牵引装置支架8，是两根或者三根螺杆轨道(小型反应器只是两根，按圆周180度间隔即可；大型反应器可以有三根，间隔120度放置)，分别列在反应器的周围。磁力牵引装置上有电动装置和内置的旋转丝母，从而牵引永磁体在反应器外面的高度方向移动。磁力刮刀可在磁力牵引装置的牵引下，上下来回刮取外筒内壁，有效防止壁面的结焦，确保磁刀刮刀环流反应器的长期稳定运行。
本发明提供一种煤直接液化方法，包括(1)将煤粉与加氢循环溶剂和高分散的铁基催化剂(见CNl579623A)一起制成可泵送的煤浆，经高压煤浆泵与部分循环H2混合后加热到350-450℃；(2)预热后的煤浆从第一段逆流反应器上部进入，经压缩预热后的循环气体，其中H2浓度为60-80％，从底部进入与煤浆形成逆流进行加氢液化，反应温度为400-450℃，部分液化产品随循环气体一道通过冷却器冷却后进入第一高温分离器进行气液分离，分离气体作循环气体循环使用，液体中的油和水送去进一步分离，水送往废水处理单元处理，油经脱酚后进入在线加氢反应器；(3)由第一段逆流反应器底部排出物料，与新鲜H2经压缩后和循环H2混合预热后一道由底部进入第二段磁力刮刀环流反应器进行煤加氢液化，反应温度为400-470℃，H2浓度为75-95％，优选85-90％液化产物经冷却后再经第二高温分离器分离出顶流物料，及底流物料经减压蒸馏除去残渣一道进入在线加氢反应器；(4)来自脱掉酚后的油与减压蒸馏单元的塔顶油和第二高温分离器顶流物料一道进入在线加氢反应器进行催化加氢，加氢反应产物经中温分离器分离出来的液体作为循环溶剂去制备煤浆，气相经冷却器进入低温分离器进行分离，离开低温分离器的气体经净化后部分去第一段逆流反应器，大部分去第二段磁力刮刀环环流反应器，液化油去常压蒸馏单元分别得到汽油馏份，柴油馏份。
本发明提供的煤直接液化方法有两个循环氢回路，第一循环回路以第一段逆流反应器为中心，氢浓度较低为60-80％；第二循环回路以第二段磁力刮刀环环流反应器和在线加氢反应器为中心，氢浓度较高为75-95％，使第二段磁力刮刀环环流反应器的氢浓度提高到85-90％。
煤液化过程中煤中的氧加氢生成水的反应主要在第一段逆流反应器中进行，生成的水经过第一高温分离器后，很快离开煤液化反应系统，这样进入在线加氢反应器的物料中水的含量大大减少，煤液化在线加氢反应器中的在线加氢催化剂的工作气氛得到根本性地改善，从而使在线加氢反应器能够长时间稳定运转，得到的溶剂有很好的供氢性能，液化油有一个比较稳定的组成。本发明提供的逆流、环流、在线加氢反应器串联的煤直接液化方法可以较好同时满足煤液化反应的轻质液化产品在反应器停留时间较短，难液化煤和重质煤液化产品在反应器停留时间较长并与气相氢有较高的传质速率和较长的反应时间的要求，提高煤液化反应效率，增加煤液化液体收率(参见CNl438294A)。
本发明提供的煤直接液化磁力刮刀环流反应器及其液化方法特点在磁力刮刀环流反应器中进行二段反应，磁力刮刀环流反应器结构新颖独特，上下循环流动效果好，既提高了循环速度和湍流强度，又能有效消除结焦现象，具有传热、传质效率高的特点，从而实现了化反应器的长周期稳定运行。该反应器及液化方法操作简单，煤液化产品收率高，特别轻质产品收率高。
图1为磁力刮刀环流反应器结构示意2磁力刮刀结构剖视图
具体实施例方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1针对气液体系，以常压空气为气体介质，液相介质为蒸馏水-Span体系，其密度和粘度与实际反应条件下的油煤浆性质基本一致，实验用反应器分别为鼓泡床液化反应器和磁力刮刀环流反应器。其中，鼓泡床液化反应器的外筒内径为0.07m，反应器总高度2.0m，反应器为平底，无中心管，分布器为内径6mm的空管，分布器出口平面与底面齐平。磁力刮刀环流反应器的外筒直径为0.07m，中心管内径为0.045m，壁厚5mm，反应器总高度2.0m，反应器为平底，中心管高为1.8m，距底高度为5mm，环间宽度为7.5mm，分布器为内径6mm的空管，分布器出口平面与底面齐平。
在操作气速分别为2、3、4、5、6、7L/min的条件下，鼓泡床液化反应器的上部气泡数量较多，下部气泡数量较少，气泡分布很不均匀，气泡在塔内通过时有从塔中心线短路的现象发生；而磁力刮刀环流反应器内能形成强烈的环流运动，气泡分布均匀，气泡在反应器内有较长的运动路径，停留时间长，环流液速大。从流动形态上判断，磁力刮刀环流反应器明显优于鼓泡床液化反应器。
以浓度为0.4mol/L的氯化钾溶液作示踪剂，采用电导法，计算机采样测定液体循环流速。在操作气速分别为2、3、4、5、6、7L/min的条件下，鼓泡床液化反应器的循环流速分别为0.0081、0.0095、0.010、0.011、0.012、0.012m/s；磁力刮刀环流反应器的循环流速分别为0.15、0.19、0.28、0.39、0.45、0.49m/s，较鼓泡床液化反应器增大75.5％-94.6％。
实施例2针对气液体系，以常压空气为气体介质，液相介质为蒸馏水-Span体系，其密度和粘度与实际反应条件下的油煤浆性质基本一致，实验用反应器分别为鼓泡床液化反应器和磁力刮刀环流反应器。其中，鼓泡床液化反应器的外筒内径为0.07m，反应器总高度2.0m，反应器为平底，无中心管，分布器为孔径为1mm的孔板分布器，分布器出口平面与底面齐平。液相体系中加入少量粘稠、易于黏附在外筒内壁面的油污。
带磁力刮刀环流反应器(如图1)的外筒1直径为0.07m，中心管3内径为0.045m，壁厚5mm，反应器总高度2.0m，反应器为平底，中心管高为1.8m，距底高度为5mm，环间宽度为7.5mm，气体分布器2为孔径为1mm的孔板分布器，分布器出口平面与底面齐平；外筒内壁设计有磁力刮刀5，外筒外壁上安装有磁力牵引装置5。
在正常操作气速下，开启磁力刮壁器，磁力刮刀随外壁上的磁力牵引装置上下移动，将附着在外筒内壁面上的粘稠的油污刮掉，保持了内壁的清洁，有效防止了将在真实反应条件下发生的结焦现象；磁力刮壁器运行正常，易于维护。
实施例3实验采用一种年轻烟煤在与实施例1的相同第一段逆流反应器和第二段磁力刮刀环流反应器与在线加氢反应器串联的煤直接液化方法的液化结果与一种年轻烟煤在两个鼓泡床串联的反应器的传统煤液化工艺的液化结果列于表1。
表1
实施例4一种中国褐煤在与实施例1相同第一段逆流反应器、第二段磁力刮刀环流反应器和在线加氢反应器串联的煤直接液化方法的液化结果与一种中国褐煤传统液化工艺的液化结果列于表2。
表2
权利要求
1.一种煤直接液化磁力刮刀环流反应器，其特征在于包括外筒(1)，外筒为圆筒或圆管，两端为半球形封头，分别设有出料口(7)和进料口(3)；中心管(4)为圆管，其上端和底端分别与半球形封头有一定距离，外径小于外筒的内径；气体分布器(2)，设置在中心管底端中央，为孔板分布器；磁力刮刀(5)为多个，呈圆环形，其断面呈三角形，其外径略小于外筒内径，上下均等自由设置在外筒和中心管间，靠磁力对它定位；磁力牵引装置(6)为永磁体，设在外筒的外壁面上与磁力牵引装置支架(8)道轨相接。
2.根据权利要求1的煤直接液化磁力刮刀环流反应器，其特征在于所述磁力刮刀为2-3个。
3.一种煤直接液化方法，包括(1)将煤粉与加氢循环溶剂和高分散的铁基催化剂一起制成可泵送的煤浆，经高压煤浆泵与部分循环H2混合后加热到350-450℃；(2)预热后的煤浆从第一段逆流反应器上部进入，经压缩预热后的循环气体，其中H2浓度为60-80％，从底部进入与煤浆形成逆流进行加氢液化，反应温度为400-450℃，部分液化产品随循环气体一道通过冷却器冷却后进入第一高温分离器进行气液分离，分离气体作循环气体循环使用，液体中的油和水送去进一步分离，水送往废水处理单元处理，油经脱酚后进入在线加氢反应器；(3)由第一段逆流反应器底部排出物料，与新鲜H2经压缩后和循环H2混合预热后一道由底部进入第二段磁力刮刀环流反应器进行煤加氢液化，反应温度为400-470℃，H2浓度为75-95％，液化产物经冷却后再经第二高温分离器分离出顶流物料，及底流物料经减压蒸馏除去残渣一道进入在线加氢反应器；(4)来自脱掉酚后的油与减压蒸馏单元的塔顶油和第二高温分离器顶流物料一道进入在线加氢反应器进行催化加氢，加氢反应产物经中温分离器分离出来的液体作为循环溶剂去制备煤浆，气相经冷却器进入低温分离器进行分离，离开低温分离器的气体经净化后部分去第一段逆流反应器，大部分去第二段磁力刮刀环流反应器，液化油去常压蒸馏单元分别得到汽油馏份，柴油馏份。
4.根据权利要求3的煤直接液化方法，其特征在于第一段逆流反应器为鼓泡床反应器，在线加氢反应器为固定床加氢反应器。
5.根据权利要求3的煤直接液化的方法，其特征在于第二段磁力刮刀环流反应器内H2的浓度为85-90％。
全文摘要
本发明涉及一种煤直接液化磁力刮刀环流反应器及其煤直接液化方法。该反应器包括外筒、中心管、气体分布器，多个磁力刮刀，上下均等自由设置在外筒和中心管间，磁力牵引装置及装置支架。它是一种提高物料循环速度和湍流强度，有效避免结焦，提高了传热、传质效率、操作简单的工艺设备，可广泛应用于各种煤的液化中。
文档编号C10G1/00GK1803985SQ200510097409
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者毛在砂, 李克健, 禹耕之, 霍卫东, 杨超, 史士东, 张广积, 李文博 申请人:煤炭科学研究总院, 中国科学院过程工程研究所