一种高铁煤的催化气化方法及系统与流程

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种高铁煤的催化气化方法及系统。

背景技术：

新疆地区煤炭资源储量丰富，其中，大多以低变质程度的褐煤、长焰煤以及弱粘煤为主，新疆伊犁煤田中存在大量的高铁煤，这种煤的煤灰中铁含量在50％以上，且灰中Si、Al含量很低，用于煤气化反应时存在很大的结渣风险，限制了其应用。

在现有的煤催化气化工艺中，通常将催化剂负载的煤在气化炉中进行催化气化反应以制取富含甲烷的煤气。催化气化反应的发生需提供一定热量来维持反应进行，需要通入氧气供给燃烧产生燃烧热，氧气的通入易造成气化炉局部高温而发生结渣，同时氧气还会与富含甲烷的可燃气体反应而造成产品气产量及质量下降；同时采用氧气作为气化剂需增设空分装置，增加投资成本；另外工艺还存在催化剂失活及从气化灰渣中回收K催化剂等技术问题，大大影响了工艺技术经济性。

如何在实现高铁煤的高效利用的同时，解决上述所述的现有的煤催化气化工艺中存在的技术问题成为人们的研究热点。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种高铁煤的催化气化方法及系统，能够实现高铁煤的高效利用，同时还能够减少煤催化气化工艺的结渣现象，提高产品气收率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种高铁煤的催化气化方法，包括：

步骤1)将高铁煤进行催化剂负载；

步骤2)对催化剂负载后的高铁煤进行催化气化反应和氧化反应，获得富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣；

步骤3)将所获得的富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化反应，获得富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣；

步骤4)将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应。

优选的，所述将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应具体包括：

将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体在通有还原性气化剂的气化炉中为煤粉进行催化气化反应提供氧、热和催化剂，自身被还原获得含低价铁氧化物和催化剂的灰渣；

通过对所获得的含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化反应，重新获得富含高价氧化物和催化剂的灰渣。

可选的，所述高铁煤的煤灰中赤铁矿含量不小于50％。

优选的，所述低价铁氧化物包括氧化亚铁和四氧化三铁。

进一步的，所述高价铁氧化物为三氧化二铁。

可选的，所述还原性气化剂选自过热蒸汽、氢气、一氧化碳和二氧化碳中的一种或者几种。

优选的，所述催化气化反应的温度为650-750℃，压力为0.2-4MPa。

优选的，所述氧化反应的温度为800-900℃，压力为0.1-4MPa。

另一方面，本发明实施例提供一种高铁煤的催化气化系统，应用于如上所述的催化气化方法；包括：

气化炉；所述气化炉包括气化剂进口、煤料入口以及第一排渣口；

燃烧炉，所述燃烧炉包括物料进口、空气进口以及第二排渣口；

所述第一排渣口与所述物料进口连通，所述第二排渣口与所述煤料入口连通；

所述气化炉用于使所述催化剂负载后的高铁煤进行催化气化反应，所述高铁煤催化气化反应产生的灰渣可通过所述物料进口进入所述燃烧炉；所述燃烧炉用于使高铁煤催化气化后产生的灰渣与空气进行氧化反应，氧化反应后获得的所述富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣可作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应。

可选的，所述燃烧炉选自固定床、移动床、流化床和气流床中的任意一种。

优选的，所述系统还包括：锅炉，所述锅炉包括过热蒸汽出口，所述过热蒸汽出口与所述气化剂进口连通。

进一步的，所述锅炉和所述气化剂进口之间还设置有第一换热器，所述第一换热器包括第一过热蒸汽流道，以及用于对过热蒸汽进行换热的第一热源通道，所述第一过热蒸汽流道包括进口和出口，所述第一热源通道包括进口和出口；

所述气化炉还包括产品气出口，所述产品气出口与所述第一热源通道的进口连通，所述第一过热蒸汽流道的进口与所述过热蒸汽出口连通，所述第一过热蒸汽流道的出口与所述气化剂进口连通。

优选的，所述系统还包括第二换热器，所述第二换热器包括第二过热蒸汽流道，以及用于对过热蒸汽进行换热的第二热源通道，所述第二过热蒸汽流道包括进口和出口，所述第二热源通道包括进口和出口；

所述燃烧炉还包括出气口，所述出气口与所述第二热源通道的进口连通，所述第二过热蒸汽流道的进口与所述过热蒸汽出口连通，所述第二过热蒸汽流道的出口与所述气化剂进口连通。

本发明实施例提供了一种高铁煤的催化气化方法及系统，通过利用高铁煤的特点，将高铁煤应用于催化气化工艺，利用高铁煤催化气化反应所获得的灰渣经氧化反应后作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应，为煤催化气化反应提供氧、热和催化剂，使得其得以重复利用，实现对高铁煤的高效利用，同时还能够避免催化气化工艺中直接通入氧气容易发生结渣的现象，并防止通入氧气使得气化炉出口产品气的产量、质量降低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高铁煤的催化气化方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种高铁煤的催化气化系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种高铁煤的催化气化系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种高铁煤的催化气化系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种高铁煤的催化气化系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的再一种高铁煤的催化气化系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例提供的一种高铁煤的催化气化方法和催化气化系统进行详细描述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

一方面，本发明实施例提供一种新疆高铁煤的催化气化方法，参见图1，包括：

步骤1)将高铁煤进行催化剂负载；

步骤2)使催化剂负载后的高铁煤进行催化气化反应，获得富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣；

步骤3)将所获得的富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化反应，获得富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣；

步骤4)将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应。

本发明实施例提供一种高铁煤的催化气化方法及系统，通过利用高铁煤的特点，将高铁煤应用于催化气化工艺，利用高铁煤催化气化反应所获得的灰渣经氧化反应后作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应，为煤催化气化反应提供氧、热和催化剂，使得其得以重复利用，实现对高铁煤的高效利用，同时还能够避免催化气化工艺中直接通入氧气容易发生结渣的现象，并防止通入氧气使得气化炉出口产品气的产量、质量降低。

其中，对所述步骤1)所采用的具体方法不做限定。将高铁煤进行催化剂负载可以采用浸渍法，也可以采用其他负载方法。

本发明的一实施例中，将高铁煤进行催化剂负载采用浸渍法。

在将高铁煤进行催化剂负载之前，可以将高铁煤进行破碎筛分成粒径小于等于5mm的煤粉，便于催化剂负载；在通过浸渍法进行催化剂负载之后，通过对催化剂负载后的高铁煤干燥至水分含量小于等于5％，便于参与后续反应。

本发明的一实施例中，所述高铁煤的煤灰中赤铁矿含量不小于50％。采用此高铁煤，能够提高所述富含高价铁氧化物和催化剂的载氧量和载热量。

其中，对催化剂的种类不做限定，通常，碱金属、碱土金属催化剂的催化活性较高，优选碳酸钾催化剂。由于高铁煤中的Si、Al含量较低，与现有的煤催化气化反应相比，不可溶性催化剂量大大降低，可简化催化剂回收工艺，降低催化剂回收成本。

本发明的一实施例中，所述步骤2)具体包括：将催化剂负载后的高铁煤通入气化炉中发生催化气化反应；

所述步骤3)具体包括：将所述富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣在通有空气的燃烧炉中发生氧化反应。

通过将所述催化剂负载后的高铁煤分别在气化炉和燃烧炉中发生催化气化反应和氧化反应，所述步骤2)中最初启动时可以将催化剂负载后的高铁煤与含有少量氧气的气化剂通入气化炉中，氧气量根据反应所需控制的炉温调节，炉内发生催化气化反应和部分氧化反应，得到富含低价铁氧化物及催化剂的灰渣，再将其在燃烧炉中与氧气发生氧化反应得到富含高价铁的氧化物和催化剂的灰渣；能够防止在所述催化剂负载后的高铁煤在气化炉中发生催化气化反应和氧化反应时，通入氧气量大使得气化炉内容易发生结渣。

本发明的一实施例中，所述将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应具体包括：

将所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热和催化剂的载体在通有还原性气化剂的气化炉中为煤粉进行催化气化反应提供氧、热和催化剂，自身被还原获得含低价铁氧化物和催化剂的灰渣；

通过对所获得的含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化反应，重新获得富含高价氧化物和催化剂的灰渣。

在本发明实施例中，催化剂还能够催化富含高价铁氧化物的还原反应的进行，同时，通过在富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣为还原性气氛中的煤催化气化反应提供氧、热和催化剂之后对其进行氧化反应，能够不断重复获得富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣。

其中，需要说明的是，所述通有还原性气化剂的气化炉可以为所述催化剂负载后的高铁煤发生催化气化反应的气化炉，也可以为另外设置的气化炉。当通有还原性气化剂的气化炉为所述催化剂负载后的高铁煤发生催化气化反应的气化炉时，在所述富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣参与煤催化气化反应时，可以使气化炉内保持无氧操作，通入的气化剂可以为还原性气化剂。

本发明的又一实施例中，所述还原性气化剂选自过热蒸汽、氢气、一氧化碳和二氧化碳中的一种或者几种。

以还原性气化剂为H₂、CO和过热蒸汽为例，将催化剂负载后的高铁煤和还原性气化剂发生催化气化反应的具体反应如下：

C+H₂O→CO+H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

CO+3H₂→CH₄+H₂O

总体来讲，气化炉中为还原性气氛，煤中的碳大都被气化转化掉，残余灰渣主要成分为低价铁的氧化物、催化剂，可能还包含少量残炭及部分碳酸钙盐等；气化后得到富含甲烷产品气进入后续系统进行处理。

其中，对所述低价铁氧化物和所述高价铁氧化物的种类不做限定，本发明的一实施例中，所述低价铁氧化物包括氧化亚铁和四氧化三铁。通过对反应过程进行控制，所述低价铁氧化物通常以氧化亚铁的形式存在，也可能含有少量的四氧化三铁，使得氧载体中携带的氧更多的释放在气化炉内，获得最低价态的铁的氧化物。

本发明的又一实施例中，所述高价铁氧化物为三氧化二铁。同样的，通过对反应过程进行控制，所述高价铁氧化物通常以三氧化二铁的形式存在，铁以最高价铁的氧化物形式存在，携带饱和的氧循环回气化炉。

将富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化反应，灰渣中低价铁氧化物(以铁和氧化亚铁为例)被氧化为高价铁氧化物，如三氧化二铁，所含有的部分碳酸钙被分解为氧化钙、残炭被燃烧同时释放高温热量，具体反应如下：

Fe/FeO+O₂→Fe₂O₃

CaCO₃→CaO+CO₂

C+O₂→CO₂

所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热以及催化剂的载体循环参与煤催化气化反应的具体反应如下：

Fe₂O₃+CO→Fe/FeO+CO₂

Fe₂O₃+H₂→Fe/FeO+H₂O

灰渣中携带的催化剂及氧化钙可由氧载体迁移至煤质表面进而催化煤气化反应及煤与氧载体反应的进行，之后催化剂预存于气化灰渣中，随灰渣通入燃烧炉进行氧化反应，循环使用。

当然，若在不断循环过程中，气化炉中积存的灰渣太多时，可以将部分灰渣从所述气化炉中排出留作催化气化装置启炉时使用，或者，采用低灰煤为原料进行催化气化反应。

其中，对所述催化气化反应的条件不做限定，只要能够使得高铁煤发生催化气化反应生成富含甲烷的产品气即可。

本发明的一实施例中，所述催化气化反应的温度为650-750℃，压力为0.2-4MPa。在此条件下，能够保证高铁煤发生催化气化反应，同时保证气化炉出口得到高甲烷含量的产品气，并且能够避免温度过高容易发生结渣。

其中，对所述氧化反应的条件也不做限定，只要所述低价铁氧化物能够被氧化为高价铁氧化物，并且灰渣中携带大量热量即可。

本发明的一实施例中，所述氧化反应的温度为800-900℃，压力为0.1-4MPa。在此条件下，能够使得所获得的灰渣携带饱和的氧和足够热量。

另一方面，本发明实施例提供一种高铁煤的催化气化系统，应用于如上所述的催化气化方法；参见图2，包括：

气化炉1；所述气化炉1包括气化剂进口、煤料入口以及第一排渣口；

燃烧炉2，所述燃烧炉2包括物料进口、空气进口以及第二排渣口；

所述第一排渣口与所述物料进口连通，所述第二排渣口与所述煤料入口连通；

所述气化炉1用于使所述催化剂负载后的高铁煤进行催化气化反应，所述高铁煤催化气化反应产生的灰渣可通过所述物料进口进入所述燃烧炉2；所述燃烧炉2用于使高铁煤催化气化后产生的灰渣与空气进行氧化反应，氧化反应后获得的所述富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣可作为氧、热和催化剂的载体循环参与煤催化气化反应。

本发明实施例提供一种高铁煤的催化气化系统，通过分别设置气化炉1和燃烧炉2，并将其连接成循环回路，高铁煤可以经所述煤料入口进入所述气化炉1中与气化剂发生催化气化反应，所产生的催化气化灰渣可通过所述第一排渣口进入所述燃烧炉2中与空气发生氧化反应，所获得的富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣可通过所述第二排渣口进入所述气化炉1中为煤催化气化反应提供氧、热量和催化剂，而煤催化气化反应产生的灰渣又可通过所述第一排渣口进入所述燃烧炉2中再次与空气发生氧化反应，进而又获得富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣，又一次通过所述第二排渣口进入所述气化炉1中为煤催化气化反应提供氧、热量和催化剂，这样不断通过富含高价铁氧化物和催化剂的灰渣作为氧、热量和催化剂的载体为煤催化气化反应提供氧、热量和催化剂，并使得所携带的氧、热量和催化剂迁移至煤质表面，能够实现对高铁煤的高效利用，同时还能够避免直接通入氧气容易发生结渣的现象，防止通入氧气使得氧气与产品气发生反应，使得产品气的产量、质量降低，以及采用空气代替氧气对所述富含低价铁氧化物和催化剂的灰渣进行氧化能够减少空气分离装置的投资。

本发明的又一实施例中，所述燃烧炉2选自固定床、移动床、流化床和气流床中的任意一种。

本发明的一实施例中，参见图3，所述系统还包括：锅炉3，所述锅炉包括过热蒸汽出口，所述过热蒸汽出口与所述气化剂进口连通。

在本发明实施例中，可以通过所述锅炉3向所述气化炉1提供过热蒸汽。

本发明的又一实施例中，所述锅炉3和所述气化剂进口之间还设置有第一换热器4，所述第一换热器4包括第一过热蒸汽流道，以及用于对过热蒸汽进行换热的第一热源通道，所述第一过热蒸汽流道包括进口和出口，所述第一热源通道包括进口和出口；

所述气化炉1还包括产品气出口，所述产品气出口与所述第一热源通道的进口连通，所述第一过热蒸汽流道的进口与所述过热蒸汽出口连通，所述第一过热蒸汽流道的出口与所述气化剂进口连通。

通过设置第一换热器4，将产品气所携带的热量传递给所述过热蒸汽，能够增大过热蒸汽的温度，减少能量损失。

本发明的又一实施例中，参见图4，所述系统还包括第二换热器5，所述第二换热器5包括第二过热蒸汽流道，以及用于对过热蒸汽进行换热的第二热源通道，所述第二过热蒸汽流道包括进口和出口，所述第二热源通道包括进口和出口；

所述燃烧炉2还包括出气口，所述出气口与所述第二热源通道的进口连通，所述第二过热蒸汽流道的进口与所述过热蒸汽出口连通，所述第二过热蒸汽流道的出口与所述气化剂进口连通。

通过设置第二换热器5，将燃烧炉产生的气体所携带的热量传递给所述过热蒸汽，能够增大过热蒸汽的温度，提高能量利用效率。

本发明的一实施例中，参见图5，所述气化炉1的底部设置有气体分布板11，所述气体分布板11与所述气化炉1的炉壁围合成气室12，所述气化剂进口设置在所述气室12上。

通过将所述气化剂进口设置在气化炉1的气室12上，所述气化剂能够通过气体分布板11均匀分布至催化气化反应区。

本发明的又一实施例中，所述气化炉1的产品气出口与所述第一换热器4之间还设置有气固分离装置13，所述气固分离装置13的进口与所述产品气出口连通，气体出口与所述第一换热器4的热源进口连通，固体出口与所述气化炉1或者燃烧炉2连通。

通过在所述气化炉1和所述第一换热器4之间设置气固分离装置13，能够对产品气进行除尘，避免粉尘进入所述第一换热器4中造成堵塞，并且通过将分离的粉尘送回气化炉1或者燃烧炉2，还能够提高煤粉利用效率。

本发明的一实施例中，参见图6，所述系统还包括气液分离系统6，所述气液分离系统6包括产品气进口、气体出口与液体出口，所述产品气进口与所述第一换热器4的热源出口连通。

通过对所述产品气进行气液分离，能够获得焦油和富含甲烷的产品气。

本发明的又一实施例中，所述系统还包括产品气净化系统7，所述产品气净化系统7包括产品气进口和产品气出口，所述产品气进口与所述气液分离系统6的气体出口连通。

通过所述产品气净化系统7对富含甲烷的产品气进行净化处理，能够获得净化后的富含甲烷的产品气，可直接应用于生产生活。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。