本发明涉及含碳原料的高效清洁转化利用、煤制天然气技术领域，具体涉及一种由生物质、低阶煤炭、石油焦、油页岩中的一种或者两种以上根据反应物料的碳氢元素平衡按特定比例混合而成的混合含碳物料同步制取富甲烷合成气与轻质煤焦油的装置及方法。
背景技术：
煤炭燃烧，尤其是劣质煤的散烧，是造成我国目前燃煤型大气污染的主要原因，也是雾霾中硫酸盐、硝酸盐、pm2.5等污染物的重要来源之一。在我国目前的煤炭消费结构中，约20％用于工业锅炉和生活散烧。散煤消费的主体是小型水泥厂、玻璃厂、钢厂与居民家庭取暖，这些散煤消费基本都未安装除尘、脱硫、脱硝装置。解决我国目前的煤炭消费所引起的雾霾污染问题，除了依靠科技创新大力推进煤炭的高效转化与清洁利用，加大散煤清洁化治理力度以外，还应减少煤炭分散直接燃烧，采用成熟的工业脱硫、脱硝、除尘技术，进行煤炭的集中燃烧和转化。煤制天然气即属于煤炭集中高效转化的路径之一，也是实现煤炭燃料原料化与工业锅炉煤改气的重要技术支撑，其生产过程能效高于煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚等过程。煤制天然气是以煤为原料，采用气化、净化和甲烷化技术制取合成天然气的过程，为占据我国能源生产和消费主体的煤炭的低碳化、清洁化利用提供了一条有效途径；通过向目标市场供应清洁的天然气，把项目所在地的煤炭大规模集约化利用，将煤中的诸如硫、氮等造成大气污染的主要物质捕集并转化为硫磺、氨水等产品，实现资源化利用。煤制天然气在一定程度上可缓解“雾霾围城”的大气污染问题，对保障国家能源安全、增加天然气替代、实现煤炭高效清洁利用、降低环境污染具有重要意义。
据国家发改委最新数据显示，2016年我国全年天然气产量约为1371亿立方米，同比增长1.5％；天然气进口量720亿立方米,增长17.4％；天然气消费量2090亿立方米,增长6.6％。天然气对外依存度高达34.44％，截止目前，煤制天然气产业技术已比较成熟，世界上有多套煤制气工业化生产装置在稳定运行。因此发展煤制天然气产业是有效补充我国石油、天然气资源不足、保障国家能源安全的重要途径，将有利于缓解我国天然气供需矛盾，促进社会经济的均衡发展。
常规煤制气流程的第一步与煤制甲醇和煤制合成氨流程相同，都是先进行煤气化生产合成气，然后进行净化处理。不同的是，煤制气流程希望净化气中甲烷含量越高越好，这样既可减少第二步甲烷化装置的运行负荷与也便于控制合成气甲烷化的装置规模与投资成本，煤制甲醇与合成氨则要求净化气中甲烷越低越好。而煤制气前端气化工艺的选择对项目整体的投资强度、运行成本等经济性具有重要影响。截止目前，煤制天然气所采用的气化工艺大多为碎煤加压气化技术，因为与碎煤加压气化技术相比，常规的粉煤气化工艺、水煤浆气化工艺因其所产生的合成气中甲烷含量过低，将其作为煤制天然气的气化工艺并无明显优势。典型的碎煤加压气化为lurgi碎煤加压气化技术、bgl碎煤熔渣气化技术，lurgi碎煤加压气化技术生成的粗煤气中甲烷含量最高(7vol％～12.5vol％)，bgl碎煤熔渣气化技术的粗煤气甲烷含量次之(6.2vol％)。然而lurgi气化技术、bgl气化技术所适用的都是5～50mm的块煤，而基于目前的机采工艺，直接作为上述两种气化工艺的原料煤占比不足30％，煤炭机采过程中所产生的大量粉煤资源无法利用。因此现有的煤制天然气气化工艺存在配煤问题的短板。此外，这两种工艺所产合成气中co体积分数为25vol％～56vol％，h2体积分数为20vol％～35vol％，h2/co比仅为0.6～0.8，而现有的合成气甲烷化反应均要求原料气中h2/co比大于2，需将大部分co通过变化反应以调节h2/co比。另外，bgl气化技术、lurgi碎煤加压气化技术单套装置投煤量仅分别为950t/d、1200t/d，装置规模较小，造成其比投资强度过高，尤其bgl工艺还采用的是液态排渣，需要大量的急冷水，两种气化工艺还会产生大量很难处理的废水，末端废水处理难度与成本都很高。因此，对于现有煤制天然气工艺而言，亟需开发一种合成气中甲烷浓度高、投煤量大、废水产生量小、原料适应性强、合成气中h2/c比大，且以粉煤为原料的干法排渣气化工艺。发明专利干熄焦联产煤制天然气的方法(cn101747918a)公开了一种炼焦过程中用冷煤及其热解过程吸收高温焦炭热能的焦炭冷却方法，提供了一种干熄焦联产煤制天然气的方法，以还原性气体作为载热气体，吸收高温焦炭热能，将高温焦炭冷却，将吸收热能后的高温载热气体与煤料直接接触换热，用煤升温和热解回收热量，将高温焦炭熄焦过程与煤热解过程耦合，生成热解半焦和热解煤气，在上述干熄焦和煤热解的方法的基础上，进一步采用水蒸汽和氧气气化热解半焦生成气化煤气，再将气化煤气与热解煤气的混合气经变换和净化用于甲烷化反应生成天然气。该工艺方法虽然也采用热解煤气与气化煤气混合气作为原料气进行甲烷化反应，但是工艺技术中仍然有半焦产生，且属于高温热解，所产焦油中重质组分较多、具有高附加值的btx与pcx组分含量较少。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种在粉煤加压快速热解生产优质中低温煤焦油的同时产生高浓度富含甲烷合成气，实现煤炭资源的梯级利用、高效清洁转化的同步制取富甲烷合成气与轻质煤焦油的装置及方法。
为达到上述目的，本发明的装置包括含碳物料快速热裂解反应系统以及与其入口相连的连续加压稳态进料系统，与其出口相连的合成气净化与颗粒分流系统，合成气净化与颗粒分流系统的出口依次与轻质煤焦油回收系统、甲烷富集分离系统相连；
所述的含碳物料热裂解反应系统包括自下而上依次相连的循环颗粒二次裂解制氢子系统、快速混合升温子系统、含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统；
所述的合成气净化与颗粒分流系统包括依次相连的高温干法分离子系统、合成气深度净化子系统、颗粒筛分子系统和外置颗粒循环子系统，所述的高温干法分离子系统与含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统的合成气出口相连，外置颗粒循环子系统捕集的含碳颗粒循环返回循环颗粒二次裂解制氢子系统；
所述的轻质煤焦油回收系统包括依次相连的油气吸附分离子系统、轻油分离提纯子系统和轻质煤焦油储存子系统；
所述的甲烷富集分离系统包括甲烷分离提纯子系统和甲烷升压储存子系统，所述的甲烷分离提纯子系统与轻油分离提纯子系统的合成气出口相连。
所述的连续加压稳态进料系统包括依次相连的原料储仓、可控进料粉碎器、一体式循环气干燥器、进料缓冲器和机械气力耦合式粉煤给料装置，所述的机械气力耦合式粉煤给料装置与含碳物料快速热裂解反应系统的入口相连通。
所述的含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统上还安装有捕集不含碳惰性颗粒的内置颗粒循环子系统，该内置颗粒循环子系统将捕集的惰性颗粒再通过多通路内置循环返料系统分别循环返回快速混合升温子系统及循环颗粒二次裂解制氢子系统用以调控两个子系统的床层总热容及床料密度。
所述的循环颗粒二次裂解制氢子系统包括自下而上依次设置的颗粒升温活化区、初级裂解反应区和深度裂解反应区，所述的颗粒升温活化区分别与外置颗粒循环子系统及内置颗粒循环子系统相连。
所述的快速混合升温子系统包括自下而上依次设置的富氢高温气-固混合流体整流区、涡旋流场传递区、混合流体温控区，所述的富氢高温气-固混合流体整流区与循环颗粒二次裂解制氢子系统的深度裂解反应区相连通，混合流体温控区与含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统相连通。
所述的油气吸附分离子系统设有由高吸附活性分子筛、改性接枝聚合物材料、烷基苯系共聚物纤维所组成的吸附填料床层。
所述的含碳物料快速热裂解反应系统的操作压力为3.0～5.0mpa,反应温度为950～1200℃。
所述的快速混合升温子系统通过局部射流构型与50～300高温热载体循环倍率所提供的10-20mj/m2s的热通量，在103～105℃/s的升温速率下，于1～10ms内将新鲜进料快速加热至500～700℃的反应温度。
所述的甲烷分离提纯子系统采用ch4富集分离材料以高强度、高通量高分子筛膜与柔性mofs材料复合材料、多孔活性碳纤维、活性氧化铝、碳分子筛、高分子聚合物中空纤维膜中的一种或者两种以上所组装的分级富集膜组件。
本发明同步制取富甲烷合成气与轻质煤焦油的方法包括以下步骤：
首先，原料储仓中的原料煤依次经由可控进料粉碎器、一体式循环气干燥器所组成的原料制备系统制备出粒径范围10～1000μm且含水率低于2.0wt％的干燥煤粉，制备合格的新鲜煤粉进入进料缓冲器再经过机械气力耦合式粉煤给料装置进入含碳物料快速热裂解反应系统中的快速混合升温子系统，在快速混合升温子系统中与自循环颗粒二次裂解制氢子系统而来的高温气-固混合热载体在50～300倍的颗粒循环倍率下在于1-10ms的时间内进行瞬时换热，煤粉颗粒被加热至热解温度500～700℃后上行进入含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统，之后在3.0～5.0mpa压力条件下于2s内完成快速粉煤快速热解反应，快速热解反应所产生的含高浓度ch4、co、h2、焦油蒸汽、富碳颗粒、惰性颗粒等组分的热解产物再进入合成气净化与颗粒分流系统进行产物净化分离，含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统中粉煤热解所产生的气-固混合流体中粒径范围在50μm～600μm的不含碳惰性颗粒在内置颗粒循环子系统中被捕集，捕集的惰性颗粒再通过多通路内置循环返料系统分别循环返回快速混合升温子系统及循环颗粒二次裂解制氢子系统用以调控两个子系统的床层总热容及床料密度；
然后，经过初步净化后即从内置颗粒循环子系统逃逸的固定碳含量70～75wt％且粒径0.1～50μm范围的亚微米、微米级富碳颗粒的的合成气进入合成气净化与颗粒分流系统，依次通过高温干法分离子系统、合成气深度净化子系统、颗粒筛分子系统、外置颗粒循环子系统在气动力学及机械筛分原理的耦合方式所构建的流道截面渐变式双旋流气固分离器的作用下，与气相有效分离，并循环返回循环颗粒二次裂解制氢子系统，依次通过颗粒升温活化区、初级裂解反应区、深度裂解反应区，最终产生富氢粗合成气，与反应产生的高温无机颗粒一起构成高温、富氢、气-固两相混合热载体，上行进入快速混合升温子系统，依次通过富氢高温气-固混合流体整流区、涡旋流场传递区、混合流体温控区，瞬时将粉煤颗粒加热至预定热解温度；
最后，合成气净化与颗粒分流系统所输出的净化合成气再进入下游的轻质煤焦油回收系统，依次通过油气吸附分离子系统、轻油分离提纯子系统回收气相中的煤焦油组分，最终所获取的液体轻质中低温煤焦油进入轻质煤焦油储存子系统，回收油品后所得的净化富甲烷合成气再进入甲烷富集分离系统，依次通过甲烷分离提纯子系统、甲烷升压储存子系统，最后进入甲烷储罐。
与现有煤制天然气工艺相配套的气化工艺相比，本发明可以由生物质、低阶煤炭、石油焦、油页岩等的一种或者两种以上根据反应物料的碳氢元素平衡按特定比例构成的混合物料作为进料，进料粒径范围0.1～1mm，装置所产的富甲烷合成气组成为co15～30vol％，h220～40vol％ch48～35vol％，cmhn0.1～0.2vol％co28～12vol％，n22～4vol％。最重要的是，在生产富甲烷合成气的同时，还可获取15wt％～20wt％的优质中低温煤焦油，这部分煤焦油经深加工后可以转变为附加值更高的优质燃料油品、芳烃、多种附加值很高的煤基精细化工产品，大幅增强煤制气的经济竞争力，在实现煤炭资源高效、梯级、综合利用的基础上，实现煤制天然气与煤基精细化工产业链间的耦合。
与现有煤制天然气所配套的气化工艺相比，本发明具有如下的优势：
1)以粉煤为原料，通过粉煤的快速加氢热解，实现同步生产富甲烷合成气与优质中低温煤焦油，产生的合成气中甲烷浓度高达25～55vol％，高于现有的碎煤加压气化技术所产生的粗合成气中甲烷浓度，大幅降低后续甲烷化装置规模与投资；
2)所产生的粗合成气中h2/c比高于2.0，无需再通过变换反应来提高h2/c比；
3)本发明所公开的工艺技术系统中轻质煤焦油的收率高达15～20wt％，可与下游的煤焦油深加工产业链高度耦合集成，大幅提高工艺系统的整体经济竞争力；
4)所产合成气中粉尘浓度极低，总碳转化率高，装置规模及操作弹性大，便于工程化应用；
5)实现了装置原料的多元化，既可以低变质烟煤、褐煤为原料，也可以生物质、低阶煤炭、石油焦、油页岩等的一种或者两种以上根据反应物料的碳氢元素平衡按特定比例构成的混合物料，装置进料适应性强。
附图说明
图1为本发明的装置及流程示意图。
图中：1.连续加压稳态进料系统；2.含碳物料快速热裂解反应系统；3.合成气净化与颗粒分流系统；4.轻质煤焦油回收系统；5.甲烷富集分离系统；6.原料储仓；7.可控进料粉碎器；8.一体式循环气干燥器；9.进料缓冲器；10.机械气力耦合式粉煤给料装置；11.循环颗粒二次裂解制氢子系统；12.内置颗粒循环子系统；13.快速混合升温子系统；14.含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统；15.高温干法分离子系统；16.合成气深度净化子系统；17.颗粒筛分子系统；18.外置颗粒循环子系统；19.油气吸附分离子系统；20.轻油分离提纯子系统；21.轻质煤焦油储存子系统；22.甲烷分离提纯子系统；23.甲烷升压储存子系统；24.深度裂解反应区；25.初级裂解反应区；26.颗粒升温活化区；27.混合流体温控区；28.涡旋流场传递区；29.富氢高温气-固混合流体整流区。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明晰，下面结合附图及实施例，对本发明的装置及方法进行进一步详细说明。
参见图1，本发明包括含碳物料快速热裂解反应系统2以及与其入口相连的连续加压稳态进料系统1，与其出口相连的合成气净化与颗粒分流系统3，合成气净化与颗粒分流系统3的出口依次与轻质煤焦油回收系统4、甲烷富集分离系统5相连；
所述的含碳物料热裂解反应系统2包括自下而上依次相连的循环颗粒二次裂解制氢子系统11、快速混合升温子系统13、含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14；
所述的合成气净化与颗粒分流系统3包括依次相连的高温干法分离子系统15、合成气深度净化子系统16、颗粒筛分子系统17和外置颗粒循环子系统18，所述的高温干法分离子系统15与含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14的合成气出口相连，外置颗粒循环子系统18捕集的含碳颗粒循环返回循环颗粒二次裂解制氢子系统11；
所述的轻质煤焦油回收系统4包括依次相连的油气吸附分离子系统19、轻油分离提纯子系统20和轻质煤焦油储存子系统21；
所述的甲烷富集分离系统5包括甲烷分离提纯子系统22和甲烷升压储存子系统23，所述的甲烷分离提纯子系统22与轻油分离提纯子系统20的合成气出口相连。
所述的连续加压稳态进料系统1包括依次相连的原料储仓6、可控进料粉碎器7、一体式循环气干燥器8、进料缓冲器9和机械气力耦合式粉煤给料装置10，所述的机械气力耦合式粉煤给料装置10与含碳物料快速热裂解反应系统2的入口相连通。
所述的含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14上还安装有捕集不含碳惰性颗粒的内置颗粒循环子系统12，该内置颗粒循环子系统12将捕集的粒径50μm～600μm级的惰性颗粒再通过多通路内置循环返料系统分别循环返回快速混合升温子系统13及循环颗粒二次裂解制氢子系统11用以调控两个子系统的床层总热容及床料密度。
所述的循环颗粒二次裂解制氢子系统11包括自下而上依次设置的颗粒升温活化区26、初级裂解反应区25和深度裂解反应区24，所述的颗粒升温活化区26分别与外置颗粒循环子系统18及内置颗粒循环子系统12相连。
所述的快速混合升温子系统13包括自下而上依次设置的富氢高温气-固混合流体整流区29、涡旋流场传递区28、混合流体温控区27，所述的富氢高温气-固混合流体整流区29与循环颗粒二次裂解制氢子系统11的深度裂解反应区24相连通，混合流体温控区27与含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14相连通。
所述的油气吸附分离子系统19设有由高吸附活性分子筛、改性接枝聚合物材料、烷基苯系共聚物纤维所组成的吸附填料床层。
所述的含碳物料快速热裂解反应系统2的操作压力为3.0～5.0mpa,反应温度为950～1200℃。
所述的快速混合升温子系统13通过局部射流构型与50～300高温热载体循环倍率所提供的10-20mj/m2s的热通量，在103～105℃/s的升温速率下，于1～10ms内将新鲜进料快速加热至500～700℃的反应温度。
所述的甲烷分离提纯子系统22采用ch4富集分离材料以高强度、高通量高分子筛膜与柔性mofs材料复合材料、多孔活性碳纤维、活性氧化铝、碳分子筛、高分子聚合物中空纤维膜中的一种或者两种以上所组装的分级富集膜组件。
所述的颗粒筛分子系统17通过内部流道构型所构建的压力场、速度场梯度分布来实现粒径范围50～600μm的惰性颗粒与固定碳含量60～80wt％、粒径＜50μm的富碳颗粒的分级、分段、分类循环返料。
本发明的方法如下:
首先，原料储仓6中的原料煤依次经由可控进料粉碎器7、一体式循环气干燥器8所组成的原料制备系统制备出粒径范围10～1000μm且含水率低于2.0wt％的干燥煤粉，制备合格的新鲜煤粉进入进料缓冲器9再经过机械气力耦合式粉煤给料装置10进入含碳物料快速热裂解反应系统2中的快速混合升温子系统13，在快速混合升温子系统13中与自循环颗粒二次裂解制氢子系统11而来的高温气-固混合热载体在50～300倍的颗粒循环倍率下在于1-10ms的时间内进行瞬时换热，煤粉颗粒被加热至热解温度500～700℃后上行进入含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14，之后在3.0～5.0mpa压力条件下于2s内完成快速粉煤快速热解反应，快速热解反应所产生的含高浓度ch4、co、h2、焦油蒸汽、富碳颗粒、惰性颗粒等组分的热解产物再进入合成气净化与颗粒分流系统3进行产物净化分离，含碳物料恒温-加压-催化加氢快速热裂解反应子系统14中粉煤热解所产生的气-固混合流体中粒径范围在50μm～600μm的不含碳惰性颗粒在内置颗粒循环子系统12中被捕集，捕集的惰性颗粒再通过多通路内置循环返料系统分别循环返回快速混合升温子系统13及循环颗粒二次裂解制氢子系统11用以调控两个子系统的床层总热容及床料密度；
然后，经过初步净化后即从内置颗粒循环子系统12逃逸的固定碳含量70～75wt％且粒径0.1～50μm范围的亚微米、微米级富碳颗粒的的合成气进入合成气净化与颗粒分流系统3，依次通过高温干法分离子系统15、合成气深度净化子系统16、颗粒筛分子系统17、外置颗粒循环子系统18在气动力学及机械筛分原理的耦合方式所构建的流道截面渐变式双旋流气固分离器的作用下，与气相有效分离，并循环返回循环颗粒二次裂解制氢子系统11，依次通过颗粒升温活化区26、初级裂解反应区25、深度裂解反应区24，最终产生富氢粗合成气，与反应产生的高温无机颗粒一起构成高温、富氢、气-固两相混合热载体，上行进入快速混合升温子系统13，依次通过富氢高温气-固混合流体整流区29、涡旋流场传递区28、混合流体温控区27，瞬时将粉煤颗粒加热至预定热解温度；
最后，合成气净化与颗粒分流系统3所输出的净化合成气再进入下游的轻质煤焦油回收系统4，依次通过油气吸附分离子系统19、轻油分离提纯子系统20回收气相中的煤焦油组分，最终所获取的液体轻质中低温煤焦油进入轻质煤焦油储存子系统21，回收油品后所得的净化富甲烷合成气再进入甲烷富集分离系统5，依次通过甲烷分离提纯子系统22、甲烷升压储存子系统(23，最后进入甲烷储罐。