由煤制备苯和乙烯的系统的制作方法

本实用新型涉及冶金技术领域，具体而言，本实用新型涉及一种由煤制备苯和乙烯的系统。

背景技术：

苯、甲苯和二甲苯等轻质芳烃为最重要的化工基础原料之一，广泛应用于生产橡胶、纤维、塑料和染料等化工产品。芳烃主要来源于石油化工中的催化重整和烃类热解，仅有约10％来源于煤炭化工。目前石油资源越来越匮乏，而我国又是一个煤炭大国，富煤少油。因此，开发新的有煤炭生产苯等轻质芳烃的技术势在必行。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种由煤制备苯和乙烯的系统，该系统能够实现利用煤最大化制备苯，极大地提高了苯的产量，从而实现从低价值的煤到高附加值的苯的转化，且具有流程简单、加工难度低、工艺成本低且经济性高的优点。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种由煤制备苯和乙烯的系统。根据本实用新型的实施例，该系统包括：

煤破碎装置，所述煤破碎装置具有煤入口和煤粉末出口；

石灰窑，所述石灰窑内具有预热区和烧制区，所述预热区具有石灰石入口，所述烧制区具有生石灰出口和二氧化碳出口；

生石灰破碎装置，所述生石灰破碎装置具有生石灰入口和生石灰粉末出口，所述生石灰入口与所述生石灰出口相连；

混料压球装置，所述混料压球装置具有生石灰粉末入口、煤粉末入口和物料球团出口，所述生石灰粉末入口与所述生石灰粉末出口相连，所述煤粉末入口与所述煤粉末出口相连；

电石炉，所述电石炉具有物料球团入口、电石出口和一氧化碳出口，所述物料球团入口与所述物料球团出口相连；

电石破碎装置，所述电石破碎装置具有电石入口和电石碎料出口，所述电石入口与所述电石出口相连；

乙炔发生器，所述乙炔发生器具有电石碎料入口、水入口和乙炔出口，所述电石碎料入口与所述电石碎料出口相连；

乙炔制苯反应器，所述制苯反应器具有乙炔入口，二氧化碳入口、一氧化碳入口、氢气入口、甲烷入口和苯产物出口，所述乙炔入口与所述乙炔出口相连，所述二氧化碳入口与所述二氧化碳出口相连，所述一氧化碳入口与所述一氧化碳出口相连；

分离装置，所述分离装置具有苯产物入口、乙烯出口和苯出口，所述苯产物入口与所述苯产物出口相连。

由此，根据本实用新型实施例的由煤制备苯和乙烯的系统通过将煤进行粉末碎处理得到煤粉末，将石灰石经烧制后破碎得到生石灰粉末，将煤粉末与生石灰粉末混合制球团，并将物料球团经电石反应得到电石和一氧化碳，进一步将电石与水反应，得到乙炔，最后将乙炔与氢气、甲烷、前面反应产生的二氧化碳和一氧化碳混合通入乙炔制苯反应器进行反应，以便获得目标产物苯并副产乙烯。采用本实用新型的由煤制备苯和乙烯的方法制备苯能够实现利用煤最大化制备苯，极大地提高了苯的产量，从而实现从低价值的煤到高附加值的苯的转化，且具有流程简单、加工难度低、工艺成本低且经济性高的优点。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的由煤制备苯和乙烯的系统结构示意图。

图2是根据本实用新型另一个实施例的由煤制备苯和乙烯的系统结构示意图。

图3是利用本实用新型一个实施例的由煤制备苯和乙烯的系统制备苯和乙烯方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种由煤制备苯的系统。根据本实用新型的实施例，参考图1-2，该系统包括：煤破碎装置100、石灰窑200、生石灰破碎装置300、混料压球装置400、电石炉500、电石破碎装置600乙炔发生器700、乙炔制苯反应器800和分离装置900。

根据本实用新型的实施例，煤破碎装置100具有煤入口101和煤出口102，且适于对煤进行破碎处理，以便得到煤粉末，其中，煤是挥发分不高于10wt％的高品质煤或兰炭。发明人发现，通过将煤进行破碎处理，可以使煤与后续步骤中的其他物料充分混合，从而提高反应效率和产率。

根据本实用新型的实施例，煤的挥发分不高于10wt％。煤炭中挥发分较高时，煤炭与生石灰直接进入电石炉，电石炉中产生的气体过多，容易造成塌料，并提高了电石炉的电耗。

根据本实用新型的实施例，煤粉末的平均粒径可以不高于20微米，优选不高于10微米。发明人通过大量实验意外地发现，通过将煤细磨至微米级别，具体可以磨成不高于20微米的煤粉末，由此可以使得煤粉末与生石灰粉末的接触面积显著增大，进而显著降低二者的反应能，提高二者的反应效率。

根据本实用新型的实施例，石灰窑200具有预热区210和烧制区220，预热区210具有石灰石入口201，烧制区220具有生石灰出口202和二氧化碳出口203，石灰窑200适于对石灰石碎料进行烧制处理，以便得到生石灰和二氧化碳。具体的，先将石灰石运输至石灰窑预热区进行预热，预热后，再将石灰石运输至烧制区进行烧制，得到的二氧化碳可以在后续制备苯反应中作为稀释剂，降低反应气的分压，减少积炭。

根据本实用新型的实施例，石灰石是碳酸钙含量较高(一般在97％以上)，杂质较少的石灰石。

根据本实用新型的实施例，石灰窑预热区的温度为800～850摄氏度。发明人发现，预热区温度过低，则无法达到预热效果，导致后续烧制反应效率降低；而预热区温度过高，则容易造成石灰石的损耗。

根据本实用新型的实施例，石灰窑烧制区的温度为900～1100摄氏度。发明人发现，如果烧制区的温度过低，则无法使石灰石充分转化为生石灰和二氧化碳；而如果烧制区温度过高，则会使能耗升高并发生副反应，导致生石灰和二氧化碳的产率降低。

根据本实用新型的实施例，生石灰破碎装置300具有生石灰入口301和生石灰粉末出口302，且适于将生石灰进行破碎处理，以便得到生石灰粉末。

根据本实用新型的实施例，经破碎得到的生石灰粉末的平均粒径不高于20微米，优选不高于10微米。发明人发现，将生石灰细磨成微米级别，具体可以磨成不高于20微米的生石灰粉末，由此可以使得煤粉末与生石灰粉末的接触面积显著增大，进而显著降低二者的反应能，提高二者的反应效率。

根据本实用新型的实施例，混料压球装置400具有生石灰粉末入口401、煤粉末入口402和物料球团出口403，生石灰粉末入口401与生石灰粉末出口302相连，煤粉末入口402与煤粉末出口102相连，混料压球装置400适于将生石灰与煤粉末进行混合处理，以便得到物料球团。

根据本实用新型的一个实施例，煤粉末与生石灰的混合比例并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本实用新型的一个具体实施例，煤粉末与生石灰可以按照质量比(0.6～0.8)：1进行混合处理，煤粉末配比过高时，电石炉出料中残炭较高，过低时生石灰过剩，影响所产电石质量。

根据本实用新型的实施例，电石炉500具有物料球团入口501、电石出口502和一氧化碳出口503，物料球团入口501与物料球团出口403相连，电石炉500适于将混料压球装置400中制备得到的物料球团进行电石反应，以便得到电石和一氧化碳。其中，得到的一氧化碳可以作为后续乙炔制苯热反应的燃料气，由此可以进一步降低本实用新型的由煤制备苯和乙烯的方法的成本和能耗。

根据本实用新型的实施例，电石破碎装置600具有电石入口601和电石碎料出口602，电石入口601与电石出口502相连，电石破碎装置600适于将将电石破碎为电石碎料。

根据本实用新型的实施例，可以将电石破碎至粒径不高于80mm，优选将电石破碎至粒径为50～80mm。发明人发现，如果电石的粒径过大，则无法与水充分反应制备得到乙炔，且会使所需能耗升高；而如果将电石破碎至更小粒径，则会显著提高破碎处理的成本。发明人通过大量实验发现，将电石破碎至粒径为50～80mm，可以在保证破碎处理成本较低的同时，使制备乙炔的反应效率、能耗和产率最佳。

根据本实用新型的实施例，乙炔发生器700具有电石碎料入口701、水入口702和乙炔出口703，电石碎料入口701与电石碎料出口602相连，乙炔发生器700适于将电石破碎装置600中制备得到的电石碎料与水反应，以便得到乙炔。

根据本实用新型的实施例，乙炔制苯反应器800具有乙炔入口801、二氧化碳入口802、一氧化碳入口803、氢气入口804、甲烷入口805和苯产物出口806，乙炔入口801与乙炔出口703相连，二氧化碳入口802与二氧化碳出口203相连，一氧化碳入口803与一氧化碳出口503相连，乙炔制苯反应器800适于将乙炔发生器700中制备得到的乙炔发生热反应，以便获得苯并副产乙烯。本领域技术人员能够理解的是，乙炔制苯反应器由加热炉和至少一个石英管组成，且加热炉内具有恒温区，上述混合气体由石英管入口进入加热炉恒温区，通过热反应得到苯并副产乙烯，得到的苯和乙烯从石英管出口流出。

根据本实用新型的实施例，石英管内径与恒温区长度比例为1：(50～100)。发明人发现，石英管内径与恒温区长度的比例会影响反应管内部的热场，从而改变热反应的转化率和选择性。

根据本实用新型的实施例，石英管入口和出口的温度可以不高于200摄氏度。发明人发现，当金属管路中的温度超过200摄氏度时，管路中的金属会催化反应气生成大量氢气和一氧化碳，苯和乙烯等其他产物的产率几乎降为0。

根据本实用新型的实施例，上述热反应可以在600～1000摄氏度下进行。发明人发现，反应温度过低时，乙炔转化率大大降低；当反应温度过高时，乙烯热聚反应加剧，降低了苯等轻质产物的收率并增加了焦炭产率。

根据本实用新型的优选实施例，上述热反应可以在850～950摄氏度下进行。发明人发现，在该温度下进行热反应，可以使热反应的效率、能耗和产率最佳。

根据本实用新型的一个实施例，热反应中乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的混合比例并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本实用新型的具体实施例，热反应中乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的体积比可以为(1～2)：(1～4)：(1～2)：(1～3)：(0.5～1)。发明人通过大量实验意外地发现，乙炔比例的改变会影响乙炔的转化率和焦炭的产率；氢气比例改变会影响焦炭和乙烯、乙烷等加氢产物的产率；甲烷和一氧化碳比例改变会影响焦炭产率；二氧化碳比例改变会影响反应气的分压，从而影响反应深度。由此通过采用上述配比可以进一步提高乙炔产率。

根据本实用新型的实施例，分离装置900具有苯产物入口901、乙烯出口902和苯出口903，苯产物入口901与苯产物与出口806相连，分离装置900适于将乙炔制苯反应器800中获得的苯和副产的乙烯分离。

由此，根据本实用新型实施例的由煤制备苯和乙烯的系统通过分别将石灰石和煤进行粉末碎处理得到石灰石碎料和煤粉末，进而将石灰石碎料进行烧制处理，得到生石灰和二氧化碳，生石灰粉末和煤粉末混合成型后，得到的物料球团经电石反应得到电石和一氧化碳，进一步将电石与水反应，得到乙炔，最后将乙炔与氢气、甲烷、前面反应产生的二氧化碳和一氧化碳混合通入乙炔制苯反应器进行反应，以便获得目标产物苯并副产乙烯，进而通过分离装置将二者分离。采用本实用新型的由煤制备苯和乙烯的系统实施制备由煤制备苯和乙烯的方法制备苯能够实现利用煤最大化制备苯，极大地提高了苯的产量，从而实现从低价值的煤到高附加值的苯的转化，且具有流程简单、加工难度低、工艺成本低且经济性高的优点。

为了方便理解本实用新型上述实施例的由煤制备苯的系统，下面参考图3对利用该系统制备苯的方法进行描述。

S100：将煤进行破碎处理，

根据本实用新型的实施例，将煤进行破碎处理，以便得到煤粉末。由此可以进一步提高煤与生石灰的接触面积，提高反应效率。

根据本实用新型的实施例，煤可以为挥发分不高于10wt％的高品质煤。煤炭中挥发分较高时，煤炭与生石灰直接进入电石炉，电石炉中产生的气体过多，容易造成塌料，并提高了电石炉的电耗。根据本实用新型的具体示例，煤可以优选兰炭。

根据本实用新型的实施例，煤粉末的平均粒径可以不高于20微米，优选不高于10微米。发明人发现，将煤细磨成微米级别，具体可以磨成不高于20微米的煤粉末，由此可以使得煤粉末与生石灰粉末的接触面积显著增大，进而显著降低二者的反应能，提高二者的反应效率。

S200：将石灰石进行烧制处理

根据本实用新型的实施例，将石灰石在石灰窑内进行烧制处理，以便得到生石灰和二氧化碳。具体的，石灰石是碳酸钙含量较高(一般在97％以上)，杂质较少的石灰石。

该步骤中，将石灰石在石灰窑内进行烧制处理，以便得到生石灰和二氧化碳。具体的，先将石灰石运输至石灰窑预热区进行预热，预热后，再将石灰石运输至烧制区进行烧制，得到的二氧化碳可以在后续制备苯反应中作为稀释剂，降低反应气的分压，减少积炭。

根据本实用新型的实施例，石灰窑预热区的温度为800～850摄氏度。发明人发现，预热区温度过低，则无法达到预热效果，导致后续烧制反应效率降低；而预热区温度过高，则容易造成石灰石的损耗。

根据本实用新型的实施例，石灰窑烧制区的温度为900～1100摄氏度。发明人发现，如果烧制区的温度过低，则无法使石灰石充分转化为生石灰和二氧化碳；而如果烧制区温度过高，则会使能耗升高并发生副反应，导致生石灰和二氧化碳的产率降低。

S300：将生石灰进行破碎处理

该步骤中，将生石灰进行破碎处理，以便得到生石灰粉末。由此可以进一步提高生石灰粉末与煤粉末的接触面积。

根据本实用新型的实施例，生石灰粉末的平均粒径不高于20微米，优选不高于10微米。发明人发现，将生石灰细磨成微米级别，具体可以磨成不高于10微米的生石灰粉末，由此可以使得煤粉末与生石灰粉末的接触面积显著增大，进而显著降低二者的反应能，提高二者的反应效率。

S400：混合和压球处理

根据本实用新型的实施例，将煤粉末与生石灰粉末进行混合和压球处理，以便得到物料球团。

根据本实用新型的一个实施例，煤粉末与生石灰粉末的混合比例并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本实用新型的一个具体实施例，煤粉末与生石灰粉末可以按照质量比(0.6～0.8)：1进行混合处理，煤粉末配比过高时，电石炉出料中残炭较高，过低时生石灰过剩，影响所产电石质量。

S500：进行电石反应

该步骤中，将S400中制备得到的物料球团供给至电石炉进行电石反应，以便得到电石和一氧化碳。其中，得到的一氧化碳可以作为后续乙炔制苯热反应的燃料气，由此可以进一步降低本实用新型的由煤制备苯和乙烯的方法的成本和能耗。

S600：将电石制备乙炔

该步骤中，将S500中制备得到的电石经破碎后在乙炔发生器内与水反应，以便得到乙炔。

根据本实用新型的实施例，可以将电石破碎至粒径不高于80mm，优选将电石破碎至粒径为50～80mm。发明人发现，如果电石的粒径过大，则无法与水充分反应制备得到乙炔，且会使所需能耗升高；而如果将电石破碎至更小粒径，则会显著提高破碎处理的成本。发明人通过大量实验发现，将电石破碎至粒径为50～80mm，可以在保证破碎处理成本较低的同时，使制备乙炔的反应效率、能耗和产率最佳。

S700：将乙炔制备苯并副产乙烯

该步骤中，将步骤S600中制备得到的乙炔与氢气、甲烷、S200中制备得到的二氧化碳以及S400中制备得到的一氧化碳通入乙炔制苯反应器中并发生热反应，以便获得苯并副产乙烯。本领域技术人员能够理解的是，乙炔制苯反应器由加热炉和至少一个石英管组成，且加热炉内具有恒温区，上述混合气体由石英管入口进入加热炉恒温区，通过热反应得到苯并副产乙烯，得到的苯和乙烯从石英管出口流出。

根据本实用新型的实施例，石英管内径与恒温区长度比例为1：(50～100)。发明人发现，石英管内径与恒温区长度的比例会影响反应管内部的热场，从而改变热反应的转化率和选择性。

根据本实用新型的实施例，石英管入口和出口的温度可以不高于200摄氏度。发明人发现，当金属管路中的温度超过200摄氏度时，管路中的金属会催化反应气生成大量氢气和一氧化碳，苯和乙烯等其他产物的产率几乎降为0。

根据本实用新型的实施例，上述热反应可以在600～1000摄氏度下进行。发明人发现，反应温度过低时，乙炔转化率大大降低；当反应温度过高时，乙烯热聚反应加剧，降低了苯等轻质产物的收率并增加了焦炭产率。

根据本实用新型的优选实施例，上述热反应可以在850～950摄氏度下进行。发明人发现，在该温度下进行热反应，可以使热反应的效率、能耗和产率最佳。

根据本实用新型的一个实施例，热反应中乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的混合比例并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本实用新型的具体实施例，热反应中乙炔、氢气、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的体积比可以为(1～2)：(1～4)：(1～2)：(1～3)：(0.5～1)。发明人通过大量实验意外地发现，乙炔比例的改变会影响乙炔的转化率和焦炭的产率；氢气比例改变会影响焦炭和乙烯、乙烷等加氢产物的产率；甲烷和一氧化碳比例改变会影响焦炭产率；二氧化碳比例改变会影响反应气的分压，从而影响反应深度。由此通过采用上述配比可以进一步提高乙炔产率。

由此，根据本实用新型实施例的由煤制备苯和乙烯的方法通过将煤进行粉末碎处理得到煤粉末，将石灰石经烧制后破碎得到生石灰粉末，将煤粉末与生石灰粉末混合制球团，并将物料球团经电石反应得到电石和一氧化碳，进一步将电石与水反应，得到乙炔，最后将乙炔与氢气、甲烷、前面反应产生的二氧化碳和一氧化碳混合通入乙炔制苯反应器进行反应，以便获得目标产物苯并副产乙烯。采用本实用新型的由煤制备苯和乙烯的方法制备苯能够实现利用煤最大化制备苯，极大地提高了苯的产量，从而实现从低价值的煤到高附加值的苯的转化，且具有流程简单、加工难度低、工艺成本低且经济性高的优点。

下面参考具体实施例，对本实用新型进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本实用新型。

实施例

将石灰石运输至石灰窑进行烧制，石灰窑预热区温度控制在850℃以下，烧制温度控制在1000℃左右。将无烟煤和生石灰粉碎至20μm以下，按煤与生石灰质量比2:3混合，混合后的物料进入压球装置进行压球，成型的球团装入电石生产系统的高位料槽中，再装入电石炉生产电石。所生产的电石冷却粉碎，将电石的粒径控制在50～80mm之间，进入乙炔发生器中反应得到乙炔。电石炉炉气经过净化后得到一氧化碳和少量氢气作为乙炔制苯反应系统的燃料气。经过本系统，以630kg无烟煤和1700kg石灰石为原料，石灰窑可得到904kg生石灰和703kg二氧化碳，电石炉可得到980kg左右的电石、425kg一氧化碳和少量氢气，最终生产350kg左右的乙炔。所得的乙炔、二氧化碳、一氧化碳和氢气、甲烷混合后通入乙炔制苯反应器中进行反应，气体体积比乙炔：甲烷：氢气：二氧化碳：一氧化碳为1:1:3:1.2:0.5，混合气的反应停留时间为10s，反应温度为900℃，反应器使用由内径为4mm的石英管组成的管束，反应器恒温区为300mm。生产得到174kg苯和100kg乙烯。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。