煤液化残渣制取合成气的系统和方法与流程

本发明涉及煤液化残渣再利用领域，具体而言，涉及一种煤液化残渣制取合成气的系统和方法。

背景技术

煤液化技术是煤炭在一定温度、压力和催化剂存在下，煤加氢裂解生成液态产品的工艺过程，是煤洁净转化和高效利用的重要途径，也是弥补石油资源不足的有效方法之一。但煤炭通过液化技术转化过程中，分出液化油后会产生富含大量沥青质及胶质、芳香烃含量高、热值高、残留金属及催化剂的液化残渣，该液化残渣的环境危害大，必须进行无害化、资源化、减量化处理。

中国神华煤直接液化工艺专利技术(专利号为zl200410070249.6)，采用减压蒸馏直接液化工艺，所生产的煤液化残渣量约占液化原料煤的30％左右，如此大量的煤液化残渣，其综合利用问题一直是煤液化项目亟待解决的关键问题，其利用程度直接影响煤液化过程技术、经济和环境性能。现处理煤液化残渣常规处理方法有焚烧法、焦化法、热解法、溶剂萃取法、道路沥青法等，普遍存在综合成本高、设备投资大、资源回收率低、二次污染严重、经济性差等缺点，难以大面积推广。

煤液化残渣具有较高的碳、氢含量，可以以煤液化残渣为原料通过气化炉非催化部分氧化法制取合成气(h2+co)、h2或其他有用的化工原料气体。公开号为cn106367144a的专利申请公开了一种煤油共炼残渣改性资源化利用的方法，其利用喷吹微粒化技术，将煤油共炼残渣分散为0.1～10mm的微粒，利用高分子表面改性剂对其表面改性，再与煤、水及水煤浆添加剂进行棒磨，即掺配水煤浆后进行气化耦合综合利用得到合成气和灰渣。该专利技术解决了液化残渣制粉的问题，但喷吹工艺、浸渍工艺、磨粉工艺的引入，势必增加工艺的复杂性，增加生产成本，并且煤液化残渣的降温、升温过程造成大量能量损失。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种煤液化残渣制取合成气的系统和方法，以解决现有技术中煤液化残渣气化工艺复杂且能耗大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤液化残渣制取合成气的系统，包括：供料单元，用于提供煤液化残渣和调质油，调质油包括石油基渣油或重油；均质降凝单元，与供料单元相连，用于将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料；以及气化单元，与均质降凝单元相连，用于对均质物料进行气化得到气化合成气。

进一步地，上述均质降凝单元包括：均质罐，具有容纳腔和设置在均质罐器壁上的出料口；搅拌器，设置在容纳腔中，优选搅拌器为框式搅拌器、锚式搅拌器或浆式搅拌器。

进一步地，上述气化单元包括气化炉、气化剂供应管路和氧化剂供应管路，气化炉具有与炉腔连通的喷嘴，喷嘴包括由内向外依次设置的：均质物料通道，与出料口相连；气化剂通道，围绕均质物料通道设置且与气化剂供应管路相连；氧化剂通道，围绕气化剂通道设置且与氧化剂供应管路相连。

进一步地，上述出料口与均质物料通道之间通过第一管路相连，且系统还包括均质物料返混管路，返混管路的一端与第一管路相连，另一端与容纳腔相连。

进一步地，上述气化剂供应管路包括：第一气化剂管路，与均质物料通道通过第一管路相连，且接口位于返混管路与第一管路的接口下游，优选接口为多个；第二气化剂管路，与气化剂通道相连。

进一步地，上述气化炉还包括冷却环管，冷却环管环绕设置在喷嘴的外周。

进一步地，上述均质物料通道、气化剂通道、氧化剂通道和冷却环管同轴设置且长度依次缩短。

进一步地，上述系统还包括冷却单元，冷却单元设置在气化单元的下游对气化合成气进行冷却。

进一步地，上述系统还包括水洗单元，水洗单元设置在冷却单元的下游。

进一步地，上述均质降凝单元还包括用于与均质罐进行换热的换热装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种煤液化残渣制取合成气的方法，该方法包括：将煤液化残渣和调质油混合均质降凝，得到均质物料，调质油包括石油基渣油或重油；以及对均质物料进行气化，得到气化合成气。

进一步地，上述均质物料在300℃时的表观黏度不大于200mpa·s，优选混合均质降凝中均质压力为0.05～0.2mpa，优选为0.1～0.15mpa，均质温度为200～350℃，优选为250～300℃。

进一步地，上述对均质物料进行气化的过程包括：将至少部分均质物料与第一气化剂混合形成的混合物后喷入气化炉的炉腔内；将第二气化剂和氧化剂喷入炉腔内；使均质物料在第一气化剂、第二气化剂和氧化剂存在下进行气化，优选第一气化剂为蒸汽和/或二氧化碳，第二气化剂为蒸汽，氧化剂包括氧气，优选第一气化剂的体积为第一气化剂和第二气化剂总体积的0.5～50％；进一步优选混合物以15～80m/s的速度喷入炉腔内，再优选第二气化剂以15～160m/s的速度喷入炉腔内，更优选氧化剂以65～250m/s的流速喷入炉腔内。

进一步地，上述气化的压力为0.1～10mpa，气化的温度为850～1600℃。

进一步地，上述混合物通过均质物料通道喷入炉腔内，第二气化剂通过气化剂通道喷入炉腔内，氧化剂通过氧化剂通道喷入炉腔内，且均质物料通道、气化剂通道和氧化剂通道沿由内向外的方向依次套设，优选均质物料通道、气化剂通道和氧化剂通道同轴设置且长度依次缩短，进一步优选氧化剂通道外周环绕设置有冷却环管。

进一步地，上述方法还包括对气化合成气进行冷却的过程，优选方法还包括对冷却后的气化合成气进行水洗的过程，进一步优选水洗后的气化合成气中固含量小于1mg/m³。

应用本发明的技术方案，来自煤液化装置固液分离减压塔底部的煤液化残渣温度约320℃，固含量约50％，沥青烯及前沥青烯约30％，因其富含沥青质和胶质，因此黏度大、流动性较差、雾化性能较差；石油基渣油或重油较煤液化沥青灰分低、流动性好、黏度低。当然本申请也可以采用冷却的煤液化残渣然后将其加热再输送至本申请的系统中。将石油基渣油及重油混于煤液化残渣中，不仅可有效降低煤液化残渣的黏度，提升其雾化性能和流动性，同时使得难以加工的石油基渣油和重油得以利用。另外，煤液化渣油中富含多环芳烃，石油基渣油及重油富含直链烃，直链烃分子溶于多环芳烃分子中，可有效间隔多环芳烃分子，促进降黏。本申请的上述系统利用均质降凝单元将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料，使得均质物料的黏度减小、流动性增强，然后在气化剂和氧化剂的作用下进行气化，得到气化合成气。

在上述系统中，不涉及喷吹造粒、表面改性和磨粉等工艺，因此相对于现有技术工艺流程大大简化；而且为了保证煤液化残渣的流动性以及气化效果，煤液化残渣的不存在较大的升温或降温过程，因此不会造成大的能耗损失，进而使得本申请的上述系统具有工艺流程简单、能耗低的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种实施例的煤液化残渣制取合成气的系统的结构示意图；以及

图2示出了示出了本申请另一种实施例的煤液化残渣制取合成气的系统的气化炉的部分结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、供料单元；

20、均质降凝单元；21、均质罐；22、搅拌器；23、换热装置；

30、气化单元；31、气化炉；32、气化剂供应管路；33、氧化剂供应管路；311、均质物料通道；312、气化剂通道；313、氧化剂通道；314、冷却环管；321、第一气化剂管路；322、第二气化剂管路；

40、水洗单元；

50、第一管路；

60、返混管路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术的煤液化残渣气化工艺复杂且能耗大的问题，为了解决该问题，本申请提供了一种煤液化残渣制取合成气的系统和方法。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种煤液化残渣制取合成气的系统，如图1所示，该系统包括供料单元10、均质降凝单元20和气化单元30，供料单元10用于提供煤液化残渣和调质油，调质油包括石油基渣油或重油；均质降凝单元20与供料单元10相连，用于将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料；气化单元30与均质降凝单元20相连，用于对均质物料进行气化得到气化合成气。

来自煤液化装置固液分离减压塔底部的煤液化残渣温度约320℃，固含量约50％，沥青烯及前沥青烯约30％，因其富含沥青质和胶质，因此黏度大、流动性较差、雾化性能较差；石油基渣油或重油较煤液化沥青灰分低、流动性好、黏度低。当然本申请也可以采用冷却的煤液化残渣然后将其加热再输送至本申请的系统中。将石油基渣油及重油混于煤液化残渣中，不仅可有效降低煤液化残渣的黏度，提升其雾化性能和流动性，同时使得难以加工的石油基渣油和重油得以利用。另外，煤液化渣油中富含多环芳烃，石油基渣油及重油富含直链烃，直链烃分子溶于多环芳烃分子中，可有效间隔多环芳烃分子，促进降黏。本申请的上述系统利用均质降凝单元20将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料，使得均质物料的黏度减小、流动性增强，然后在气化剂和氧化剂的作用下进行气化，得到气化合成气。

在上述系统中，不涉及喷吹造粒、表面改性和磨粉等工艺，因此相对于现有技术工艺流程大大简化；而且为了保证煤液化残渣的流动性以及气化效果，煤液化残渣的不存在较大的升温或降温过程，因此不会造成大的能耗损失，进而使得本申请的上述系统具有工艺流程简单、能耗低的特点。

上述煤液化残渣直接来自于液化装置未降温的常减压塔塔底物，石油基渣油来自于石油炼化装置常减压渣油、催化裂化渣油等难以再深加工油，重油包含本身就难以加工的原油。

针对上述煤液化残渣和调质油的特点，优选如图1所示，上述均质降凝单元20包括均质罐21和搅拌器22，均质罐21具有容纳腔和设置在均质罐21器壁上的出料口；搅拌器22设置在容纳腔中，优选搅拌器22为框式搅拌器22、锚式搅拌器22或浆式搅拌器22。利用搅拌器22促进煤液化残渣和调质油的混合，加快混合速度。

在对所获得的均质物料进行气化之前，通过设置气化剂和氧化剂与均质物料的混合方式提高物质间的接触效果，进而改善气化效率，优选如图2所示，上述气化单元30包括气化炉31、气化剂供应管路32和氧化剂供应管路33，气化炉31具有与炉腔连通的喷嘴，喷嘴包括由内向外依次设置的均质物料通道311、气化剂通道312和氧化剂通道313，均质物料通道311与出料口相连；气化剂通道312围绕均质物料通道311设置且与气化剂供应管路32相连；氧化剂通道313围绕气化剂通道312设置且与氧化剂供应管路33相连。

将气化剂和氧化剂通过单独的通道供入气化炉31的炉腔内，并且在喷嘴处的高速喷射的条件下进行混合，提高了气态物料和均质物料的混合效果。而且采用上述由内向外依次环绕的方式，可以利用上述气化剂通道312和氧化剂通道313内气化剂和氧化剂的热量实现对均质物料的保温作用，进一步防止均质物料在喷嘴中的粘结。针对本申请的气化物料的特点，上述气化炉31优选采用气流床气化炉31。

另外，为了灵活调节气化单元30的处理效率以及提高均质物料的均匀性，优选如图1所示，上述出料口与均质物料通道311之间通过第一管路50相连，且系统还包括均质物料返混管路60，返混管路60的一端与第一管路50相连，另一端与容纳腔相连。将部分均质物料返回容纳腔中进行进一步的均质处理提高了均质效果。

优选地，如图1和2所示，上述气化剂供应管路32包括第一气化剂管路321和第二气化剂管路322，第一气化剂管路321与均质物料通道311通过第一管路50相连，且接口位于返混管路60与第一管路50的接口下游，优选接口为多个；第二气化剂管路322与气化剂通道312相连。通过第一气化剂管路321使部分气化剂在进入气化炉31之前即可与均质物料混合，不仅可降低第一管路50的管输粘度而且可防止喷嘴黏壁堵塞喷嘴同时可有效促进均质物料的雾化效果。第二气化剂管路322将另一部分气化剂通过气化剂通道312喷入从而气化剂的组成和用量得到灵活调节。

另外，为了进一步有效调节进入气化炉31的物料温度，优选如图2所示，上述气化炉31还包括冷却环管314，冷却环管314环绕设置在喷嘴的外周。以对物料进行温度调节，使物料以高效地进入气化程序。

进一步地，优选如图2所示，上述均质物料通道311、气化剂通道312、氧化剂通道313和冷却环管314同轴设置且长度依次缩短。有利于气化剂和氧化剂与均质物料匀混、雾化，且有效避免均质物料通道烧结。

在本申请另一种优选的实施例中，上述系统还包括冷却单元，冷却单元设置在气化单元30的下游对气化合成气进行冷却。通过设置冷却单元对气化合成气进行冷却，便于其进行下一步的利用。其中冷却单元可采用激冷流程、废热锅炉馏程或者二者联用来实现。

进一步地，为了便于所得到的气化合成作为其他化工工艺的原料，优选如图1所示，上述系统还包括水洗单元40，水洗单元40设置在冷却单元的下游。对冷却后的气化合成进行洗涤净化，降低其中的固体物含量，便于其用于生产碳氢化合物、氢、煤液化反应以及油品加氢精制等工艺。

另外，由于温度对于均质物料的黏度也存在一定的影响，为了更好地控制均质物料的粘度，优选如图1所示，上述均质降凝单元20还包括用于与均质罐21进行换热的换热装置23。

在本申请另一种典型的实施例中，还提供了一种煤液化残渣制取合成气的方法，该方法包括：将煤液化残渣和调质油混合均质降凝，得到均质物料，调质油包括石油基渣油或重油；以及对均质物料进行气化，得到气化合成气。

来自煤液化装置固液分离减压塔底部的煤液化残渣温度约320℃，固含量约50％，沥青烯及前沥青烯约30％，因其富含沥青质和胶质，因此黏度大、流动性较差、雾化性能较差；石油基渣油或重油较煤液化沥青灰分低、流动性好、黏度低。当然本申请也可以采用冷却的煤液化残渣然后将其加热再输送至本申请的系统中。将石油基渣油及重油混于煤液化残渣中，不仅可有效降低煤液化残渣的黏度，提升其雾化性能和流动性，同时使得难以加工的石油基渣油和重油得以利用。另外，煤液化渣油中富含多环芳烃，石油基渣油及重油富含直链烃，直链烃分子溶于多环芳烃分子中，可有效间隔多环芳烃分子，促进降黏。本申请将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料，使得均质物料的黏度减小、流动性增强，然后在气化剂和氧化剂的作用下进行气化，得到合成气。上述方法不涉及喷吹造粒、表面改性和磨粉等工艺，因此相对于现有技术工艺流程大大简化；而且为了保证煤液化残渣的流动性以及气化效果，煤液化残渣的不存在较大的升温或降温过程，因此不会造成大的能耗损失，进而使得本申请的上述方法具有工艺流程简单、能耗低的特点。

在将煤液化残渣和调质油进行混合时，二者之间的比例调节主要是为了控制所形成的均质物料的黏度，使其具有足够的流动性；在保证了流动性的基础上，其组成基本均可满足后续的气化要求，在通过实验验证后，优选上述均质物料在300℃时的粘度不大于200mpa·s。另外，为了提高混合均质效率，优选混合均质降凝中均质压力为0.05～0.2mpa，优选为0.1～0.15mpa，均质温度为200～350℃，优选为250～300℃。

在本申请一种优选的实施例中，对均质物料进行气化的过程包括：将至少部分均质物料与第一气化剂混合形成的混合物后喷入气化炉的炉腔内；将第二气化剂和氧化剂喷入炉腔内；使均质物料在第一气化剂、第二气化剂和氧化剂存在下进行气化。使第一气化剂先与均质物料混合形成混合物，在该过程中可以对均质物料进行一定程度的雾化降低管路输送黏度压力防止设备堵塞，然后将第二气化剂和氧化剂再喷入，物料混合更均匀，且使气化剂组成和用量以及氧化剂用量得到灵活调节。

用于本申请的气化剂和氧化剂可以选用现有技术中用于煤液化残渣气化用的相应物质，优选上述第一气化剂为蒸汽和/或二氧化碳，第二气化剂为蒸汽，氧化剂包括氧气。二氧化碳作为第一气化剂成分，不仅可有效利用稳定的二氧化碳源而且可以调整气化合成气的碳氢比；选用蒸汽作为第二气化剂，可以提供氢源，有效调整气化合成气的碳氢比。由于气化剂中蒸汽过多会导致气化能耗，优选上述第一气化剂的体积为第一气化剂和第二气化剂总体积的0.5～50％。另外，在保证混合效果以及雾化效果基础上，进一步优选混合物以15～80m/s的速度喷入炉腔内，再优选第二气化剂以15～160m/s的速度喷入炉腔内，更优选氧化剂以65～250m/s的流速喷入炉腔内。上述氧化剂的流速以纯氧计算。

针对上述均质物料，本申请优选上述气化的压力为0.1～10mpa，气化的温度为850～1600℃。从而实现稳定、高效的气化效果。

在本申请另一种优选的实施例中，上述混合物通过均质物料通道喷入炉腔内，第二气化剂通过气化剂通道喷入炉腔内，氧化剂通过氧化剂通道喷入炉腔内，且均质物料通道、气化剂通道和氧化剂通道沿由内向外的方向依次套设。将气化剂和氧化剂通过单独的通道供入气化炉的炉腔内，并且在喷嘴处的高速喷射的条件下进行混合，提高了气态物料和均质物料的混合效果。而且采用上述由内向外依次环绕的方式，可以利用上述气化剂通道和氧化剂通道内气化剂和氧化剂的热量实现对均质物料的保温作用，进一步防止均质物料在喷嘴中的粘结

此外，优选均质物料通道、气化剂通道和氧化剂通道同轴设置且长度依次缩短，有利于气化剂和氧化剂与均质物料匀混、雾化，且有效避免均质物料通道烧结。另外，进一步优选氧化剂通道外周环绕设置有冷却环管。以进一步有效调节进入气化炉的物料温度。

为了便于对气化合成气的进一步利用，优选上述方法还包括对气化合成气进行冷却的过程，优选方法还包括对冷却后的气化合成气进行水洗的过程，进一步优选水洗后的气化合成气中固含量小于1mg/m³。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

实施例

利用图1和2示出的系统进行实施例1的操作，具体如下：

将来自于煤液化残渣(具体物化特性见表1)引入均质罐，再引入石油基减压渣油，在搅拌器的作用下，均质罐物料达到均质降凝至合适黏度得到均质物料；通过进料泵和返混管路将一部分均质循环至均质罐，一部分均质物料与第一气化剂混合后经喷嘴的均质物料通道，第二气化剂经喷嘴的气化剂通道压入德士古气流床气化炉，经氧化剂通道引入的氧化剂，在气化剂和氧化剂的高速雾化作用下，均质物料不完全氧化，产出的合成气经激冷流程降温后，引入洗涤塔脱灰，获得洁净的合成气。其中的操作条件见表2，所得到的气化合成气的组成采用气相色谱法检测，检测结果见表2。

在德士古气流床气化炉中，熔融煤液化残渣流量53500kg/h，石油基减压渣油35700kg/h，第一气化剂为蒸汽和二氧化碳的混合气，第二气化剂为蒸汽，氧化剂为氧气，气化喷嘴中蒸汽用量为煤液化残渣+石油基减压渣油总量的25％，即蒸汽量为22300kg/h，其中引入均质料通道的蒸汽占第一气化剂体积的50％，第一气化剂占总气化剂体积的50％。均质物料和蒸汽形成的混合物的平均喷出速率约80m/s，氧气喷口平均喷出速率为180m/s，第二气化剂的平均喷出速度为100m/s。

对比例1

采用传统德士古水煤浆气化工艺，对实施例中的熔融煤液化残渣冷却制粉，配制水煤液化残渣浆，进行气化。

表1煤液化残渣物化特性

表2

由表2可知，对比例1采用传统德士古水煤浆气化工艺，对实施例1中的熔融煤液化残渣冷却制粉，配制水煤液化残渣浆，再进行气化相比，采用本发明煤液化残渣气化，碳的转化率、冷煤气效率及煤气产品中的co+h2的含量明显提高，氧气消耗(比氧耗)及煤液化残渣消耗(比油渣耗)明显降低，说明煤液化残渣采用熔融气化效果明显优于传统水煤液化残渣浆气化。再则熔融煤液化残渣不经冷却、不需要制粉配制水浆工序，显热得以利用，流程短，节能效果好。

实施例2

采用如实施例1的流程，不同之处在于，第一气化剂占总气化剂体积的30％。

实施例3

采用如实施例1的流程，不同之处在于，均质物料和蒸汽形成的混合物的平均喷出速率约15m/s，氧气喷口平均喷出速率为65m/s，第二气化剂的平均喷出速度为160m/s。

实施例4

采用如实施例1的流程，不同之处在于，均质物料和蒸汽形成的混合物的平均喷出速率约60m/s，氧气喷口平均喷出速率为250m/s，第二气化剂的平均喷出速度为15m/s。

实施例5

采用如实施例1的流程，不同的操作参数见表3。

表3

上述实施例2至8所得到的气化合成气以及主要指标的测试结果见表4。

表4

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

来自煤液化装置固液分离减压塔底部的煤液化残渣温度约320℃，固含量约50％，沥青烯及前沥青烯约30％，因其富含沥青质和胶质，因此黏度大、流动性较差、雾化性能较差；石油基渣油或重油较煤液化沥青灰分低、流动性好、黏度低。当然本申请也可以采用冷却的煤液化残渣然后将其加热再输送至本申请的系统中。将石油基渣油及重油混于煤液化残渣中，不仅可有效降低煤液化残渣的黏度，提升其雾化性能和流动性，同时使得难以加工的石油基渣油和重油得以利用。另外，煤液化渣油中富含多环芳烃，石油基渣油及重油富含直链烃，直链烃分子溶于多环芳烃分子中，可有效间隔多环芳烃分子，促进降黏。本申请的上述系统利用均质降凝单元将煤液化残渣和调质油混合均质降凝形成均质物料，使得均质物料的黏度减小、流动性增强，然后在气化剂和氧化剂的作用下进行气化，得到气化合成气。

在上述系统中，不涉及喷吹造粒、表面改性和磨粉等工艺，因此相对于现有技术工艺流程大大简化；而且为了保证煤液化残渣的流动性以及气化效果，煤液化残渣的不存在较大的升温或降温过程，因此不会造成大的能耗损失，进而使得本申请的上述系统具有工艺流程简单、能耗低的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。