双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法与流程

本发明属于煤催化气化制甲烷的技术领域。具体涉及双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置及方法。

背景技术：

天然气是优质的燃料和重要的化工原料，具有安全可靠、绿色环保的优点。随着我国经济的快速发展以及城镇化步伐的加快，对天然气的需求日益增加。我国自身的天然气产量以无法达到天然气的需求量，供需矛盾日益突出，供应缺口唯有依赖进口得以弥补，极大程度上影响了我国的能源安全。我国又是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。将煤转化成天然气，是煤炭清洁高效利用的重要途径，因其能量转化率高，适合我国国情，成为当前煤化工领域的研究热点之一。

现有的煤制天然气技术可分为：两步法和一步法两种。两步法煤制天然气技术属于较为传统的技术，是先将煤转换成合成气(co+h2)，再进行甲烷化得到sng的方法，需要经历以下几个步骤：气化、变换冷却、净化、甲烷合成等。一步法煤制天然气技术是以煤为原料直接合成甲烷，在气化炉内通过催化剂实现气化、变换和甲烷化反应过程，得到富含甲烷的合成气。两步法煤制天然气技术由于涉及的单元繁多，设备结构相对较为复杂，从而投资成本非常高。

美国专利us4077778提出了一种煤一步法制甲烷的工艺，采用碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物为催化剂，通过过热蒸汽控制炉内反应温度在700℃左右，并与煤粉在催化剂的作用下进行反应，直接得到富甲烷气体。该工艺需要将过热蒸汽加热至850℃左右，能耗较高，碳转化率较低，在没有外供热的条件下难以维持反应温度，并且该技术尚处于研发阶段。中国新奥集团的专利cn102465047b提出了一种煤催化气化一步法制甲烷的工艺，将气化炉分为合成气产生段、煤甲烷化段和合成气甲烷化段，使燃烧、气化、甲烷化反应和热解反应分段进行，提高了甲烷产率。然而气化炉内结构复杂，催化剂的回收难度大、成本高，并且该技术尚无工业化装置。

现有的一步法煤制天然气技术均处于研发或者放大阶段，还未形成工业化，系统碳转化率不高，且投资和运行成本也并未真正改善。因此，对于煤制天然气技术而言，不论是一步法还是两步法，如何提高碳转化率和甲烷产率，简化结构，实现气化炉稳定运行成为煤制天然气技术的发展关键。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题之一是现有技术中结构复杂、碳转化率低的问题，本发明提出了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置，该装置主体是有两个相互连通的鼓泡床组成，在简化设备结构的同时，有效提高了碳转化率和甲烷产率。

本发明所解决的技术问题之二，是与技术问题一相对应的一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的方法。

为解决技术问题一，本发明提供了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的装置，其特征在于：包括第一料斗)、气化炉2、第一气体分布器3、渣斗4、第二气体分布器5、甲烷化单元6、第二料斗7、第二气固分离设备8、第一气固分离设备9、灰斗10、气体净化单元11；气化炉2中部连接料斗1、气化炉2顶部及顶部侧面分别连接第二气固分离设备8固体出口以及第一气固分离设备9入口、气化炉2底部连接第一气体分布器3，第一气体分布器3底部与渣斗4相连，渣斗顶部侧面与第二气体分布器5相连接，第二气体分布器5顶部连接甲烷化单元6，甲烷化单元6中部设有第二料斗7、甲烷化单元6顶部与第二气固分离设备8入口相连接，第一气固分离设备9底部的固体出口连接灰斗10、第一气固分离设备9顶部的气体出口与气体净化单元11相连接。

上述技术方案中，气化炉2与甲烷化单元6采用相等的内径，气化炉2高度大于甲烷化单元6的高度，并且甲烷化单元6高度的1.5-2.0倍。

上述技术方案中，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20～120个圈气孔，开孔率1～6％。

所述的第一气体分布器3及第二气体分布器5均与水平轴线呈30°-60°的夹角。

为解决技术问题二，本发明提供了一种双鼓泡床煤催化气化制甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.气化炉2中的反应：原料煤及第一催化剂a从第一料斗1加入至气化炉2中，并与来自第一气体分布器3的气化剂b发生催化气化反应，生成灰渣、飞灰以及合成气e，灰渣由于自身重力掉落至渣斗4中，而合成气e携带飞灰经第一气固分离设备9分离后，飞灰被灰斗10收集，合成气e被送入气体净化单元11处理，并被继续送至第二气体分布器5作为甲烷化单元6的反应物；

b.甲烷化单元6中的反应：第二气体分布器5将来自气化炉2中反应生成的合成气e送入至甲烷化单元6，并与第二料斗7送入的第二催化剂c接触，发生强烈的甲烷化反应生成富甲烷的产品气d，并由第二气固分离设备8分离后作为产品被收集，而大部分第二催化剂c经长周期运行失活后，落入到渣斗4，少部分细颗粒的第二催化剂c被产品气d携带经第二气固分离设备8分离后进入气化炉2作为气化反应催化剂使用。

所述的原料煤及第一催化剂a为煤与催化剂的混合物，所述的第一催化剂选自碱金属、碱土金属、过渡金属或者其混合物；所述的第一催化剂的负载量占原料煤a的5～15％。

所述的气化剂b选自水蒸气与氧气的混合物或水蒸气与空气的混合物。

所述的第二催化剂c为耐硫甲烷化催化剂，选自负载在氧化硅上的含镍化合物或含铬化合物的共熔物。

所述的气化炉2及甲烷化单元6均采用鼓泡流化床方式，气化炉2线速为0.2-0.5m/s、操作温度为750-950℃，甲烷化单元6线速为0.15-0.4m/s、操作温度为600-750℃。

本发明的优点简介

本发明将气化和甲烷化反应通过双鼓泡床反应器耦合，在鼓泡床气化炉主要进行热解、燃烧和气化反应，产生高温合成气，在鼓泡床甲烷化单元主要进行甲烷化反应，通入气化产生的合成气作为该区的反应气，增大了气体产能，提高了甲烷收率。

采用本发明的技术方案通过双鼓泡床反应器层设置，气化单元的高度大于甲烷化单元，保证了在气化反应原料的停留时间足够长，使反应物的煤颗粒能够充分接触气化剂进行气化反应，保证了较高的碳转化率。可使反应器出口碳转化率可达93％，甲烷浓度达到37％，同时气化炉结构简单，较大程度上降低了设备费用，具有良好的应用前景。

附图说明

附图图1为本发明提供的双鼓泡床煤催化气化制甲烷装置的示意图。

图中，1-第一料斗；2-气化炉；3-第一气体分布器；4-渣斗；5-第二气体分布器；6-甲烷化单元；7-第二料斗；8-第二气固分离设备；9-第一气固分离设备；10-灰斗；11-气体净化单元；a-原料煤及第一催化剂；b-气化剂；c-第二催化剂；d-产品气；e-合成气。

原料煤及第一催化剂a加入至气化炉2中与气化剂b发生气化反应生成灰渣、飞灰以及合成气b，合成气的气流向上进入第一气固分离设备9及气体净化单元11进行分离、净化，并继续进入到甲烷化单元6中作为反应原料气与第二催化剂c接触发生强烈的甲烷化反应生成富甲烷的产品气d，产品气d携带少量细颗粒第二催化剂c由第二气固分离设备8分离后，产品气d被收集，少量的第二催化剂c则进入气化炉2中作为催化剂催化气化反应的进程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明的特点。

【实施例1】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为88％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到23％，其结果详见表1。

【实施例2】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为90％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到30％，其结果详见表1。

【实施例3】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为91％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到30％，其结果详见表1。

【实施例4】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于750℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为92％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到33％，其结果详见表1。

【实施例5】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈60°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/铬的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到35％，其结果详见表1。

【实施例6】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈45°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/铬的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到36％，其结果详见表1。

【实施例7】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的2.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈45°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有120个圈气孔，开孔率6％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以950℃的操作温度以及0.5m/s的线速下与气化剂(水蒸气+氧气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/(镍+铬)的共熔物于750℃的操作温度以及0.4m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为93％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到37％，其结果详见表1。

【比较例1】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.0倍，且两者的内径相等，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为83％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到17％，其结果详见表1。

【比较例2】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且气化炉内径为甲烷化单元内径的1.2倍，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.2m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.10m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为88％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到11％，其结果详见表1。

【比较例3】

该实施例中，气化炉高度为甲烷化单元高度的1.5倍，且气化炉内径为甲烷化单元内径的0.8倍，第一气体分布器3及第二气体分布器5均采用相同的孔板式分布器，且与水平轴线呈30°，分布器锥面上设置有气孔，气孔沿圆周均匀布置，设有20个圈气孔，开孔率1％。该实施例选用的第一催化剂为碳酸钾，并将其与煤炭的混合物原料加入到气化炉中，以750℃的操作温度以及0.13m/s的线速下与气化剂(水蒸气+空气)发生催化气化反应，生成的合成气作为甲烷化反应的反应气，经分离、净化后被送入甲烷化单元，并与第二催化剂氧化硅/镍的共熔物于600℃的操作温度以及0.15m/s的线速进一步发生甲烷化反应，生成更多的甲烷，得到富甲烷的产品气。整个系统中碳转化率为83％，气化炉出口合成气中甲烷的含量达到14％，其结果详见表1。

【比较例4】

采用新奥集团提出的煤催化气化制甲烷的气化反应装置，实验所用的流化床反应器不变径，催化剂为10％的碳酸钾，操作温度900℃，气相线速度0.15m/s。实验得到的出口气体组分中甲烷含量19％，碳转化率85％，其结果详见表1。

【比较例5】

采用传统的两步法煤制甲烷工艺中煤气化反应装置，以鲁奇炉为例，反应温度800℃，气相线速度1.0m/s。实验得到的出口气体组分通过两步法中甲烷含量仅12％，碳转化率90％。

表1

表1(续)