一种煤加氢催化气化方法及装置与流程

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种煤加氢催化气化方法及装置。

背景技术：

目前，我国能源资源状况具有“富煤、少油、缺气”的特点，将煤转化成化石能源中最优质的燃料-天然气，即煤制气技术，是适合我国国情、化解能源危机、保证能源安全的捷径。

煤催化气化技术是煤制气技术中最有效的工艺途径之一。现有的煤催化气化技术是采用碱金属催化剂使煤在相对较低的温度下与水蒸汽发生反应生成H2、CO，生成的H2、CO在碱金属催化剂的作用下进一步发生变换反应、甲烷化反应最终生成CH4。碱金属催化剂的添加使得煤催化气化技术中的多个反应可以同时在一个装置内发生，提高了能源热效率。但是，此种煤催化气化技术的气化炉出气口中的CH4体积含量低(仅为20％左右)，而且，后续需要将气体中未反应的H2、CO与CH4分离，再将未反应的H2、CO输送气化炉或者甲烷化装置进一步再合成CH4，上述分离、再合成等工序势必会造成工艺复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤加氢催化气化方法及装置，解决现有煤催化气化技术中气化炉出气口CH4含量低、工艺复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将煤粉和催化剂进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉；

S2：负载催化剂的煤粉进入加氢催化气化部，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉与加氢催化气化部内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部内所存在的CO2与H2反应生成CH4；

S3：含催化剂的残焦进入残焦气化部，水蒸汽和O2的混合气体通入所述残焦气化部，在催化剂的作用下，使得含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2；

S4：生成的H2、CO2输送至加所述氢催化气化部，负载催化剂的煤粉与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至含催化剂的残焦转化为含催化剂的残渣，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

与现有技术相比，本发明提供的煤加氢催化气化方法，首先，将煤粉和催化剂进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉；然后，将负载催化剂的煤粉输送至加氢催化气化部，在催化剂的作用下，负载催化剂的煤粉与H2能够在较低的气化温度下直接转化为CH4，同时生成富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部生成的富含催化剂的残焦进入残焦气化部与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部生成的H2和CO2又能够循环进入加氢催化气化部，进一步与煤粉生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部和残焦气化部两者组成一个循环体系，如此循环往复，当煤加氢催化气化装置中的反应达到或接近热力学平衡极限时，就能够产生大量的CH4，提高了CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部的气体出口的CH4含量，碳转化率达95％以上，加氢催化气化部的气体出口的CH4含量可达80％，且减少了CO、CO2等副产物的生成，有效地解决了现有催化气化工艺气化炉出气口CH4含量不高、需分离再CH4化及现有加氢热解碳转化率低的问题。同时，在煤粉与H2发生加氢催化气化反应生成CH4的同时，煤粉还能够与H2反应生成高经济价值的苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物。

第二方面，本发明提供了一种煤加氢催化气化装置，用于上述煤加氢催化气化方法，该煤加氢催化气化装置包括：催化剂负载单元和加氢催化气化反应单元；所述加氢催化气化反应单元包括相互相连的加氢催化气化部和残焦气化部；其中，所述催化剂负载单元的煤粉入口与煤粉输送管道相连，所述催化剂负载单元的煤粉出口与加氢催化气化部的煤粉入口相连；所述催化剂负载单元的催化剂入口与催化剂输送管道相连；所述残焦气化部的混合气体入口与用于输送水蒸汽和O2的进气管道相连，所述加氢催化气化部的气体出口与甲烷收集装置相连。

与现有技术相比，本发明提供的煤加氢催化气化装置，将催化剂负载单元的煤粉入口与煤粉输送管道相连，将催化剂负载单元的催化剂入口与催化剂输送管道相连，煤粉和催化剂分别通过煤粉输送管道和催化剂输送管道输送至催化剂负载单元，在催化剂负载单元中，煤粉和催化剂进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉；将负载催化剂的煤粉输送至加氢催化气化反应单元，加氢催化气化反应单元划分为加氢催化气化部和残焦气化部，两者组成一个循环体系，在催化剂的作用下，负载催化剂的煤粉与H2能够在较低的气化温度下直接转化为CH4，同时生成富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部生成的富含催化剂的残焦进入残焦气化部与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部生成的H2和CO2又能够循环进入加氢催化气化部，进一步与煤粉生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，如此循环往复，当煤加氢催化气化装置中的反应达到或接近热力学平衡极限时，就能够产生大量的CH4，提高了CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部的气体出口的CH4含量，碳转化率达95％以上，加氢催化气化部的气体出口的CH4含量可达80％，且减少了CO、CO2等副产物的生成，有效地解决了现有催化气化工艺气化炉出气口CH4含量不高、需分离再CH4化及现有加氢热解碳转化率低的问题。同时，在煤粉与H2发生加氢催化气化反应生成CH4的同时，煤粉还能够与H2反应生成高经济价值的苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明所提供的煤加氢催化气化装置的结构示意图，其中，加氢催化气化部和残焦气化部为一体式装置；

图2为本发明所提供的煤加氢催化气化装置的另一种结构示意图，其中，加氢催化气化部和残焦气化部为分体式装置；

图3为本发明所提供的煤加氢催化气化方法的流程图。

附图标记：

1-催化剂负载单元； 2-加氢催化气化反应单元；

201-加氢催化气化部； 202-残焦气化部；

3-排渣单元； 4-催化剂回收单元；

5-气固分离单元； 6-间接冷凝单元；

7-煤气净化单元； 8-氢气分离单元。

具体实施方式

为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明提供了一种煤加氢催化气化装置，包括催化剂负载单元1和加氢催化气化反应单元2，加氢催化气化反应单元2包括相互相连的加氢催化气化部201和残焦气化部202，其中，催化剂负载单元1的煤粉入口与煤粉输送管道相连，催化剂负载单元1的煤粉出口与加氢催化气化部201的煤粉入口相连；催化剂负载单元1的催化剂入口与催化剂输送管道相连；残焦气化部202的混合气体入口与用于输送水蒸汽和O2的进气管道相连，加氢催化气化部201的气体出口与甲烷收集装置相连。

催化剂负载单元1用于煤粉负载催化剂过程，加氢催化气化部201用于煤粉与H2进行加氢催化气化反应，残焦气化部202用于残焦与水蒸汽和O2进行残焦气化反应。

下面结合附图对本发明提供的煤加氢催化气化装置的工作过程如下：

S1：将煤粉和催化剂在催化剂负载单元1进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉。

S2：负载催化剂的煤粉进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4。

具体地，由于加氢催化气化部201中入炉原料为负载催化剂煤粉，在催化剂作用下煤粉中碳颗粒的C-C键断裂生成具有反应活性的C原子，同时，加氢催化气化部201中存在H2，催化剂的存在激发H2发生解离生成具有反应活性的H原子，在催化剂的作用下，生成的具有反应活性的H原子溢出到具有反应活性的C原子表面并发生加氢催化气化反应生成CH4。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂的作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4。

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

与现有技术相比，本发明提供的煤加氢催化气化装置，将催化剂负载单元1的煤粉入口与煤粉输送管道相连，将催化剂负载单元1的催化剂入口与催化剂输送管道相连，煤粉和催化剂分别通过煤粉输送管道和催化剂输送管道输送至催化剂负载单元1，在催化剂负载单元1中，煤粉和催化剂进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉；将负载催化剂的煤粉输送至加氢催化气化反应单元2，加氢催化气化反应单元2划分为加氢催化气化部201和残焦气化部202，两者组成一个循环体系，在催化剂的作用下，负载催化剂的煤粉与H2能够在较低的气化温度下直接转化为CH4，同时生成富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部201生成的富含催化剂的残焦进入残焦气化部202与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部202生成的H2和CO2又能够循环进入加氢催化气化部201，进一步与煤粉生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，如此循环往复，当煤加氢催化气化装置中的反应达到或接近热力学平衡极限状态时，就能够产生大量的CH4，提高了CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量，碳转化率达95％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量可达80％，且减少了CO、CO2等副产物的生成，有效地解决了现有催化气化工艺气化炉出气口CH4含量不高、需分离再CH4化及现有加氢热解碳转化率低的问题。同时，在煤粉与H2发生加氢催化气化反应生成CH4的同时，煤粉还能够与H2反应生成高经济价值的苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物。

在此，需要说明的是，虽然，在反应初期，空气中H2和CO2的含量较低，且生成的CH4、富含催化集的残焦较少，但是，由于本发明提供的煤加氢催化气化装置的加氢催化气化部201和残焦气化部202为一个循环体系，当循环体系达到动态平衡时，就能够产生大量的H2和CO2，从而生成大量的CH4。

优选地，加氢催化气化部201在重力方向的位置高于残焦气化部202在重力方向的位置；这样位于上方的加氢催化气化部201中生成的CH4从加氢催化气化部201的顶部排出，生成的富含催化剂的残焦在重力的作用下落入位于下方的残焦气化部202与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部202中生成的高温H2和CO2上升进入位于上方的加氢催化气化部201进一步参与反应。可见，上述富含催化剂的残焦和各种气体的移动或流动均是利用重力或气流的作用，无需附加动力装置，实现了加氢催化气化部201和残焦气化部202的自动循环。

具体地，加氢催化气化反应单元2中的加氢催化气化部201和残焦气化部202可以为一体式的装置，也可以为分体式装置。

当加氢催化气化部201和残焦气化部202为一体式装置时，加氢催化气化反应单元2为气化炉，气化炉沿重力方向分为加氢催化气化部201和残焦气化部202，加氢催化气化部201和残焦气化部202无明确的界限；将加氢催化气化部201和残焦气化部202为一体式装置，加氢催化气化部201中煤粉与H2进行加氢催化气化反应后生成的富含催化剂的残焦在重力的作用下直接落入残焦气化部202与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部202中生成的高温H2和CO2直接上升进入加氢催化气化部201，加氢催化气化部201和残焦气化部202之间的循环无需经过管道输送，使得反应更加充分，且能够简化装置的内部结构，有利于后期的检修。

当加氢催化气化部201和残焦气化部202为分体式装置时，加氢催化气化部201和残焦气化部202均为气化炉，即加氢催化气化部201为加氢催化气化炉，残焦气化部202为残焦气化炉。

需要说明的是，加氢催化气化部201可以为流化床，残焦气化部202可以为流化床或移动床。加氢催化气化部201采用流化床，残焦气化部202采用流动床或移动床的具体原因是：加氢催化气化部201中发生的反应是煤粉与H2之间进行的加氢催化气化反应，选择流动床的操作形式使得煤粉与H2充分接触，且流动床的运行速率与加氢催化气化反应速率更加匹配；而对于残焦气化部202，残焦气化部202中发生的反应是富含催化剂的残焦与水蒸汽和O2之间进行的残焦气化反应，采用流动床或移动床的操作形式使得富含催化剂的残焦与水蒸汽和O2之间充分接触，且流动床或移动床的运行速率与残焦气化反应的反应速率更加匹配。通过加氢催化气化部201采用流化床，残焦气化部202采用流动床或移动床，能够进一步提高CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量。

通常地，本发明的煤加氢催化气化装置还包括后处理单元，后处理单元包括依次相连的气固分离单元5、间接冷凝单元6、煤气净化单元7和氢气分离单元8，加氢催化气化部201的甲烷出口依次通过气固分离单元5、间接冷凝单元6、煤气净化单元7、用于分离H2和CH4的氢气分离单元8与甲烷收集装置相连。

具体实施时，首先，将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进入气固分离单元5，将CH4、H2、CO2、芳香族油类化合物与粉尘进行气固分离，得到粉尘以及除去粉尘后的夹带H2、CO2以及芳香族油类化合物的CH4。

接着，将夹带H2、CO2以及芳香族油类化合物的CH4进入间接冷凝单元6降温，回收热量产生水蒸汽，将该水蒸汽输送至残焦气化部202中，与O2和富含催化剂的残焦发生残焦气化反应生成H2和CO2，当然也可以直接将水蒸气输送至蒸汽轮机中进行发电；同时，按照馏程的不同能够得到苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物，并且能够得到除去水蒸汽和芳香族油类化合物的夹带H2和CO2的CH4。

其次，将夹带H2和CO2的CH4经过煤气净化单元7进行脱酸处理，去除气体中的CO2，得到夹带H2的CH4。

最后，夹带H2的CH4经过氢气分离单元8，将H2和CH4进行分离，得到CH4。

上述后处理单元中，气固分离单元5可以为多级旋风分离器，采用多级旋风分离器作为气固分离单元5，能够更有效地将CH4、H2、CO2、芳香族油类化合物与粉尘进行分离，得到固体粉尘含量较少的CH4、H2、CO2、芳香族油类化合物；间接冷凝单元6可以为多级间接换热器，通过回收不同的热量，能够产生不同品质的水蒸汽；氢气分离单元8可以优选为变压吸附氢气分离装置，变压吸附氢气分离装置具有耗能低、分离彻底、工艺流程简单、自动化程度高、环境效益好等特点，采用变压吸附氢气分离装置进行H2和CH4的分离，能够得到更纯净的CH4，且更有利于实现本发明提供的煤加氢催化气化装置的自动化和环保化。

优选地，气固分离单元5的粉尘出口与残焦气化部202的粉尘入口相连，气固分离单元5的气体出口与间接冷凝单元6的气体进口相连，使得气固分离单元5中分离出的粉尘输送至残焦气化部202与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，进一步提高CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量。

氢气分离单元8的氢气出口与加氢催化气化部201的氢气进口相连，分离出的H2输送至加氢催化气化部201与煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4。

本发明的煤加氢催化气化装置还包括排渣单元3和催化剂回收单元4，残焦气化部202的残渣出口依次通过排渣单元3、催化剂回收单元4与催化剂负载单元1相连。

具体实施时，当煤加氢催化气化装置中的反应达到极限状态时，煤粉深度裂解后得到的C含量＜10％的富含催化剂的残渣将从残焦气化部202输送至排渣系统3和催化剂回收单元4进行催化剂回收，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用，提高了催化剂的利用率。

本发明还提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的煤粉和催化剂在催化剂负载单元1进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉。

S2：负载催化剂的煤粉进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4(如式I所示)、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4(如式II所示)；

C+2H2→CH4——(I)

4H2+CO2→CH4+2H2O——(II)

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂的作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2(如式III～VI所示)。

2C+2H2O→2H2+2CO——(III)

CO+H2O→CO2+H2——(IV)

2C+O2→2CO——(V)

C+O2→CO2——(VI)

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4。

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

与现有技术相比，本发明提供的煤加氢催化气化方法，首先，将煤粉和催化剂进行煤粉负载催化剂的过程，生成负载催化剂的煤粉；然后，将负载催化剂的煤粉输送至加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，负载催化剂的煤粉与H2能够在较低的气化温度下直接转化为CH4，同时生成富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，加氢催化气化部201生成的富含催化剂的残焦进入残焦气化部202与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，残焦气化部202生成的H2和CO2又能够循环进入加氢催化气化部201，进一步与煤粉生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，如此循环往复，当煤加氢催化气化装置中的反应达到或接近热力学平衡极限时，就能够产生大量的CH4，提高了CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量，碳转化率达95％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量可达80％，且减少了CO、CO2等副产物的生成，有效地解决了现有催化气化工艺气化炉出气口CH4含量不高、需分离再CH4化及现有加氢热解碳转化率低的问题。同时，在煤粉与H2发生加氢催化气化反应生成CH4的同时，煤粉还能够与H2反应生成高经济价值的苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物。

需要说明的是，本发明的煤加氢催化气化方法中，煤粉可选为褐煤粉、烟煤粉、次烟煤粉或无烟煤粉中的一种或多种任意比例混合，优选为褐煤粉、次烟煤粉或挥发分的质量百分比高于30％的烟煤粉中的一种或多种任意比例混合。这是因为，褐煤粉、次烟煤粉或挥发分的质量百分比高于30％的烟煤粉具有低灰、低硫、高挥发分、活性强等特点，能够获得更多的油品和CH4。

另外，煤粉负载催化剂的方式可选为干混、浸渍及部分干混、部分浸渍混合法中的一种。

对于催化剂的选择，催化剂可以为单一催化剂或复合催化剂。

当催化剂为单一催化剂时，所述单一催化剂为过渡金属盐，优选为Fe盐、Co盐、Ni盐的一种或多种任意比例混合。

本发明提供的煤加氢催化气化方法中，催化剂优选为复合催化剂，当催化剂为复合催化剂时，复合催化剂中主催化剂优选为Fe盐、Co盐、Ni盐的一种或多种任意比例混合，助催化剂优选为Ca盐、Ca的氧化物、Mg盐或Mg的氧化物中的一种或多种任意比例混合。

对于复合催化剂来说，主催化剂分别催化C和H2、CO2和H2生成CH4的反应，助催化剂主要为了增加主催化剂的分散性和催化活性，提高主催化剂在活性位上的吸附能力，形成更多活性中心，抑制失活，降低失活几率，提高催化性能；同时加氢催化气化反应后富含催化剂的残焦进一步进行残焦气化时，助催化剂，即碱土金属催化剂，有利于残焦气化反应向生成H2和CO2方向进行。

进一步地，负载催化剂的煤粉中，复合催化剂中主催化剂的质量占煤粉质量的3％～8％，助催化剂的质量占煤粉质量的0.2％～2％；优选为：负载催化剂的煤粉中，复合催化剂中主催化剂的质量占煤粉质量的4％～6％，助催化剂的质量占煤粉质量的助催化剂0.4％～0.8％。其中，由于煤粉的颗粒上活性位数量有限，主催化剂的添加量太高，活性位饱和后多余的主催化剂并不能起到催化作用，过量添加会使经济成本增加；但是，如果主催化剂的添加量过低则无法完全催化煤粉的颗粒上的活性位，起不到预期的催化效果，导致加氢催化气化炉出气口CH4含量以及碳转化率降低；助催化剂的添加量过高则会同主催化剂竞争煤粉的颗粒上的活性位，导致活性位被助催化剂覆盖，进而降低主催化剂同活性位接触几率，使得活性降低，助催化剂的添加量过低，则无法有效地增加主催化剂的分散性和催化活性，也无法有效地抑制主催化剂的失活，因此，当催化剂优选为复合催化剂时，主催化剂和助催化剂的添加量受催化性能及技术经济性的限制，负载催化剂的煤粉中，复合催化剂中主催化剂的质量限定为占煤粉质量的3％～8％，助催化剂的质量限定为占煤粉质量的0.2％～2％；优选为：负载催化剂的煤粉中，复合催化剂中主催化剂的质量占煤粉质量的4％～6％，助催化剂的质量占煤粉质量的助催化剂0.4％～0.8％。

优选地，加氢催化气化反应的操作压力为0.5MPa-8MPa，优选为1MPa-7MPa，加氢催化气化反应的反应温度为650℃-900℃，优选为700℃-800℃。对于加氢催化气化反应的操作压力的选择，根据热力学平衡，加氢催化气化反应的操作压力在0.5MPa-8MPa范围内更有利于加氢催化气化反应向生成CH4的方向进行，能够提高加氢催化气化反应速率，增加单位时间内的处理量，加氢催化气化反应的操作压力高于8MPa，加氢催化气化反应速率过快，会导致反应不可控，增加操作危险，且高压对设备要求高，增加设备投资，而加氢催化气化反应的操作压力低于0.5MPa，则不利于加氢催化气化反应向生成CH4的方向进行，反应速率过慢，单位时间处理量降低；对于加氢催化气化反应的反应温度的选择，催化剂在650℃-900℃范围内更能够激发煤中C-C键断裂并促进H2的解离，H原子溢出到具有反应活性的C表面上发生反应生成CH4，加氢催化气化反应的反应温度高于900℃会导致催化剂烧结失活，而反应温度低于650℃则会导致催化效果不佳、反应速率慢。

优选地，残焦气化反应的操作压力为0.5MPa-8MPa，优选为1MPa-7MPa，残焦气化反应的反应温度为800℃-1000℃。对于残焦气化反应的操作压力的选择，根据热力学平衡，残焦气化反应的操作压力在0.5MPa-8MPa范围内更有利于残焦气化反应向生成H2、CO2的方向进行，能够提高残焦气化反应速率，残焦气化反应的操作压力高于8MPa，残焦气化反应速率过快，会导致反应不可控，增加操作危险，且高压对设备要求高，增加设备投资，而残焦气化反应的操作压力低于0.5MPa，则不利于残焦气化反应向生成CH4的方向进行，反应速率过慢，单位时间处理量降低，进一步地，残焦气化反应的操作压力等于加氢催化气化反应的操作压力，整个加氢催化气化反应单元2的系统压力保持平衡，更有利于操作；对于残焦气化反应的反应温度的选择，催化剂在800℃-1000℃会促进残焦气化反应向生成H2、CO2的方向进行，生成更多的H2、CO2用于生成CH4。

本发明提供的煤加氢催化气化方法在步骤S5之后，还包括后处理阶段，后处理阶段包括气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段。

具体地，气固分离阶段包括：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进入气固分离单元5，将CH4、H2、CO2、芳香族油类化合物与粉尘进行气固分离，得到粉尘以及除去粉尘后的夹带H2、CO2以及芳香族油类化合物的CH4。

间接冷凝阶段包括：将夹带H2、CO2以及芳香族油类化合物的CH4进入间接冷凝单元6降温，回收热量，按照馏程得到苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)、苯酚-甲酚-二甲酚混合物(PCX)、萘等高附加值芳香族油类化合物，且得到除去水蒸汽和芳香族油类化合物的夹带H2和CO2的CH4。

煤气净化阶段包括：将夹带H2和CO2的CH4经过煤气净化单元7进行脱酸处理，去除气体中的CO2，得到夹带H2的CH4。

氢气分离阶段包括：夹带H2的CH4经过氢气分离单元8，将H2和CH4进行分离，得到最终产品CH4。

进一步地，气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2，进一步提高CH4的生成速率、碳转化率以及加氢催化气化部201的气体出口的CH4含量。

进一步地，氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4。

本发明提供的煤加氢催化气化方法在步骤S5之后，还包括：催化剂回收阶段。

具体地，催化剂回收阶段为C含量＜10％的富含催化剂的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行催化剂回收，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用，提高了催化剂的利用率。

需要说明的是：催化剂回收阶段的方式为水洗、酸洗、碱洗、氨浸中的一种或几种，具体可以根据实际情况选择。

下面结合附图给出本发明提供的煤加氢催化气化方法的几种可选的实施例，其仅在于说明，并不在于限定本发明的保护范围。

实施例一

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的无烟煤粉和催化剂在催化剂负载单元1进行干混，生成负载Fe盐的无烟煤粉，催化剂为Fe盐。

S2：负载催化剂的无烟煤粉进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的无烟煤粉与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为0.5MPa，加氢催化气化反应的反应温度为900℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂的作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为0.5MPa，残焦气化反应的反应温度为1000℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的无烟煤粉与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与无烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含催化剂的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行水洗，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为95％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为80％。

实施例二

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的次烟煤粉、催化剂在催化剂负载单元1进行浸渍及部分干混，生成负载催化剂的次烟煤粉，催化剂为Co盐与Ni盐的混合物。

S2：负载催化剂的混合物的次烟煤粉进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的次烟煤粉与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为8MPa，加氢催化气化反应的反应温度为650℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂的作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为8MPa，残焦气化反应的反应温度为800℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的次烟煤粉与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含Co盐与Ni盐的混合物的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与次烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含催化剂的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行酸洗，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为96％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为82％。

实施例三

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的煤粉混合物、催化剂在催化剂负载单元1进行浸渍及部分干混，生成负载催化剂的煤粉混合物，煤粉混合物为次烟煤粉与挥发分的质量百分比高于30％的烟煤粉的混合物，催化剂为复合催化剂，复合催化剂的主催化剂为Fe盐，助催化剂为Mg盐，Fe盐的质量占煤粉的质量的3％，Mg盐的质量占煤粉的质量的0.2％。

S2：负载催化剂的煤粉混合物进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉混合物与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为1MPa，加氢催化气化反应的反应温度为800℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为1MPa，残焦气化反应的反应温度为1000℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉混合物与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与次烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含Co盐与Ni盐的混合物的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行碱洗，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为97％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为85％。

实施例四

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的煤粉混合物、催化剂在催化剂负载单元1进行部分浸渍混合法，生成负载催化剂的煤粉混合物，煤粉混合物为次烟煤粉与挥发分的质量百分比高于30％的烟煤粉的混合物，催化剂为复合催化剂，复合催化剂的主催化剂为Co盐，助催化剂为Ca盐和Mg的氧化物的混合物，Co盐的质量占煤粉的质量的8％，Ca盐和Mg的氧化物的混合物的质量占煤粉的质量的2％。

S2：负载催化剂的煤粉混合物进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉混合物与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为7MPa，加氢催化气化反应的反应温度为700℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为7MPa，残焦气化反应的反应温度为800℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉混合物与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与次烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含Co盐与Ni盐的混合物的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行氨浸，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为97％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为88％。

实施例五

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的煤粉混合物、催化剂在催化剂负载单元1进行部分浸渍混合法，生成负载催化剂的煤粉混合物，煤粉混合物为褐煤粉和次烟煤粉，催化剂为复合催化剂，复合催化剂的主催化剂为Ni盐，助催化剂为Ca盐和Ca的氧化物的混合物，Ni盐的质量占煤粉的质量的4％，Ca盐和Ca的氧化物的混合物的质量占煤粉的质量的0.4％。

S2：负载催化剂的煤粉混合物进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉混合物与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为7MPa，加氢催化气化反应的反应温度为700℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为7MPa，残焦气化反应的反应温度为800℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉混合物与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与次烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含Co盐与Ni盐的混合物的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行氨浸，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为97％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为90％。

实施例六

本实施例提供了一种煤加氢催化气化方法，该方法包括如下步骤：

S1：将粒径为6mm以下、含水量＜5％的煤粉混合物、催化剂在催化剂负载单元1进行部分浸渍混合法，生成负载催化剂的煤粉混合物，煤粉混合物为褐煤粉和次烟煤粉，催化剂为复合催化剂，复合催化剂的主催化剂为Ni盐，助催化剂为Ca盐和Ca的氧化物的混合物，Ni盐的质量占煤粉的质量的6％，Ca盐和Ca的氧化物的混合物的质量占煤粉的质量的0.8％。

S2：负载催化剂的煤粉混合物进入加氢催化气化部201，在催化剂的作用下，使得负载催化剂的煤粉混合物与氢催化气化部202内所存在的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，氢催化气化部202内所存在的CO2与H2反应生成CH4，其中，加氢催化气化反应的操作压力为7MPa，加氢催化气化反应的反应温度为700℃。

S3：富含催化剂的残焦进入残焦气化部202，水蒸汽和O2的混合气体通过进气管道通入残焦气化部202，在催化剂作用下，使得富含催化剂的残焦与水蒸汽、O2的混合气体进行残焦气化反应生成H2、CO2，其中，残焦气化反应的操作压力为7MPa，残焦气化反应的反应温度为800℃。

S4：生成的H2、CO2输送至加氢催化气化部201，负载催化剂的煤粉混合物与生成的H2发生加氢催化气化反应生成CH4、富含催化剂的残焦以及芳香族油类化合物，生成的CO2与H2发生反应生成CH4；

S5：重复步骤S3～S4，直至富含催化剂的残焦转化为富含催化剂的残渣(残渣的含碳量＜10％)，得到夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4。

S6：将夹带H2、CO2、粉尘以及芳香族油类化合物的CH4进行依次进行气固分离阶段、间接冷凝阶段、煤气净化阶段和氢气分离阶段，得到最终产品CH4；气固分离阶段得到的粉尘输送至残焦气化部202进一步与水蒸汽和O2反应生成H2和CO2；氢气分离阶段得到的H2输送至加氢催化气化部201进一步与次烟煤粉发生加氢催化气化反应生成CH4；C含量＜10％的富含Co盐与Ni盐的混合物的残渣经过排渣系统3和催化剂回收单元4进行氨浸，回收的催化剂输送至催化剂负载单元1循环使用。

通过测试可得，本实施例提供的煤加氢催化气化方法的碳转化率为97％以上，加氢催化气化部201的气体出口的CH4的体积含量为94％。

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。