一种煤制天然气与轻油的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种合成气化及快速热解一体化的装置及方法，特别涉及一种煤制天然气与轻油的装置及方法。
【背景技术】
[0002]将加氢气化与氧气-蒸汽气化技术进行集成早已有之，类似的通过加氢热解与气化一体化工艺来生产油品、合成气、天然气的工艺也为大家所熟知。
[0003]在煤制天然气领域，已有的技术文献中曾推荐采用两段气化炉作为原料气制取装置。其中具有代表性的就是被称为B1-gas工艺的两段式加压气流床气化炉。该气化炉是1960?1970年之间由美国烟煤研究所开发的一项技术。(详见论文D0E/METC/SP-1DE858)。该工艺中，二段炉捕集的半焦颗粒返回一段炉与水蒸汽及氧气反应用于制取合成气。一段气化炉的操作温度约为3000° F (1648.89°C )，并且采用熔渣排渣。一段炉产生的合成气将作为二段炉的热源。煤及水蒸汽加入二段炉后进行加氢气化以生产SNG。二段炉的操作温度约为1700° F(927°C )。粗合成气被冷却至800° F(427°C )后再进入旋风分离器中进行气-固两相的分离。随后，合成气经过净化、变换反应后再进行甲烷化用以生产SNG。一部分净化后的合成气还要循环返回气化炉。上述的两段式气化炉仍然有很多需要改进的地方。例如:气流床反应器中物料的混合效果比较差，在1700° F(927°C )的反应温度下，物料混合效果不佳可能会导致焦油的生成(大约1%以下)，而合成气中低浓度的焦油基本无回收价值。其投资及运行成本会远高于回收如此少量焦油所带来的价值。因为煤气中甲烷浓度较低(小于10% )，该工艺须有合成气甲烷化反应器。
[0004]美国专利3，779，725对上述的B1-Gas工艺进行了改进。该专利所公开的技术试图省去甲烷化反应器。通过从净化合成气中分离出甲烷并将净化后的有效气(C(HH2)循环回二段炉中进行加氢气化反应。因为合成气中的平衡甲烷浓度随反应体系温度的升高而降低。当反应器内温度为1700° F(927°C )时，合成气中的甲烷浓度在10%以下。实际上，根据《煤炭利用化学》(《煤炭利用化学-第二版增发》，编辑Martin Ell1tt)P1722?1723所披露的内容，5t/h投煤量的B1-Gas中试装置所产合成气中的甲烷浓度仅有4.3%。如此低浓度的甲烷含量，就需要通过低温冷凝的方式将甲烷与其他合成气组分进行分离，再将分离甲烷后的合成气循环回气化炉。由此一来，该工艺在经济性上就变的不具有可行性。与此同时，气化过程产生的废水中也会含有少量的焦油，这些含焦油的废水也需要更长的流程进行后续处理。
[0005]另外一种针对B1-Gas气化工艺进行改进的有效尝试就是采用以流化床反应器为核心的多段加氢气化工艺，将加氢气化与蒸汽气化工艺进行高效的耦合，因为流化床反应器中物料的混合效果比气流床反应器要好。如HYGAS气化工艺及英国合成气公司的加氢合成气化工艺就是很好的例子。英国合成气化工艺就包括蒸汽/氧气与加氢气化两个气化段。加氢气化段的氢源来自蒸汽/氧气气化段。然而，与其他的流化床气化工艺相类似，当气化原料为烟煤时，总碳转化率一般较低。较低的总碳转化率就导致氢气产率较低，因此加氢气化反应所需的氢气量就供应不足。
[0006]该发明专利中没有描述在各段气化中如何去平衡氢气产率与碳转化率问题。有时在纸上画条线很容易:例如，在一级加氢气化炉上引出一条侧线，将一级加氢气化炉产生的半焦送往二级加氢气化炉进行气化，二级加氢气化炉产生的半焦再送往蒸汽-氧气气化炉用于制氢。但是，自从1926年第一台流化床气化炉投入商业化运营以来，流化床气化炉中半焦的捕集就从未很好的解决。如果半焦颗粒捕集问题得不到解决，那么所有的设想都无法变为现实。该工艺同样面临这样的问题:由于最后一级气化炉操作温度为800 ° F (426.67 °C )，在此温度下，合成气中的甲烷平衡浓度低于15 %。所以，就有必要在气化炉之后再增设一个甲烷化反应器用于SNG的生产。
[0007]另外一种解决方法则是通过合成气化-煤干馏或合成气化-煤加氢热解一体化技术同时生产SNG与燃料油品。具有代表性的工艺就是20世纪60年代与70年代发展起来的Coalcon工艺。此工艺中，煤被加入加氢干馏炉中通过加氢热解用以生产油品及热解气。热解半焦进入气化炉中气化制氢为热解炉提供氢源。虽然Coalcon气化工艺中带有合成气洗涤净化及变换系统，理论上将气化炉中所产生的高温合成气直接输入加氢热解炉以实现合成气化-加氢热解一体化应该不难实现。但Coalcon工艺及其他类似的工艺中对于如何将氧气-蒸汽气化、加氢气化与加氢热解工艺相耦合用于SNG及高品质油品生产进行具体说明。上述工艺中都没有意识到:加氢气化需要物料在反应系统内有较长的停留时间，而加氢热解则需要物料在反应系统内有较短的停留时间，以最大限度的限制半焦颗粒与焦油的接触，因为合成气中的半焦颗粒是焦油组分发生深度裂解变成轻质气体组分的催化剂。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种煤制天然气与轻油的装置及方法，通过合成气化、加氢气化、加氢热解集成技术来制取天然气、合成气及燃料油品的工艺，且总碳转化率接近100%。
[0009]为达到上述目的，本发明的装置包括:包括与原料煤管道相连的由催化加氢气化段及加氢快速热解段所组成的催化加氢气化-加氢热解一体化装置、氧气-蒸汽气化炉、一级加氢气化炉、粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统、气-液、液-液分离单元、气体净化系统；
[0010]催化加氢气化-加氢热解一体化装置的半焦物流管道与一级加氢气化炉相连通，一级加氢气化炉的合成气物流管道与催化加氢气化-加氢热解一体化装置相连通，催化加氢气化-加氢热解一体化装置输出的热解气物流经管道与粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统相连通，粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统的合成气物流经管路与气-液及液-液分离单元相连通，气-液及液-液分离单元的出口分三路，分别为分离所得的水、回收所得的油品以及与气体净化系统相连通的初级净化合成气物流，经气体净化系统净化分离所得的C02、H2S混合物流继续进入下游进行分离及深度处理，分离后的甲烷和其他气相烷烃作为产物输出，分离后所得的CO和H2作为循环气返回一级加氢气化炉和粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统；一级加氢气化炉的大颗粒灰渣物流经管道排出，半焦物流经管道与氧气-蒸汽气化炉相连通，氧气-蒸汽气化炉顶部输出的合成气经管道与一级加氢气化炉相连通，初级净化合成气物流还经循环气物流与合成气的管道相连通，氧气-蒸汽气化炉的入炉物料分别为蒸汽物流、氧气物流及粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统排出的半焦物流，氧气-蒸汽气化炉的出口为熔渣管道。
[0011]所述的氧气-蒸汽气化炉的气化段采用向下倾斜式结构，半焦物流、蒸汽物流、氧气物流通过切向注入气化段混合产物切向进入气-渣分离罐，灰渣进入气-渣分离罐的底部，气-渣分离罐捕集所得的灰渣颗粒顺着内壁向下流动，激冷水从气-熔渣分离罐底部加入，加入的位置在气-熔渣混合物入口下方，离开分离罐的合成气进入一级加氢气化炉。
[0012]所述的氧气-蒸汽气化炉的气化段采用垂直朝下的方向，半焦物流、蒸汽物流、氧气物流切向注入气化段，气相与灰渣并流向下进入连接段，在连接段熔渣向下逐渐流入管道底部排渣口，连接段切向进入气-渣分离罐，气-渣分离罐捕集所得的灰渣颗粒顺着内壁向下流动，激冷水从气-熔渣分离罐底部加入，加入的位置在气-熔渣混合物入口下方，离开分离罐的合成气进入一级加氢气化炉。
[0013]所述的一级加氢气化炉包括锥体结构，锥体结构垂直方向的柱体上端还设置有用于连接炉体的斜切向的锥体，锥体结构的下部与半焦物流管道、原料煤管道相连通，其外形为向内倾斜的偏心锥体，合成气、循环气物流由其底部一侧中心部位进入一级加氢气化炉，而大颗粒灰渣物流、灰颗粒物流则从另一侧锥体的最底部排出并可循环到加氢裂解段，在炉体内位于锥体的正上方设置有密相区，在密相区内沿炉体圆周设置有若干个一级旋风分离器，在一级旋风分离器上端还设有与一级旋风分离器的出口管相连通的多管旋风分离器，多管旋风分离器分离的合成气物流经导流槽与合成气物流输送管道相连，在多管旋风分离器的下端设置有料封管，多管旋风分离器的旋风料腿伸入料封管中，料封管的一个出口的半焦颗粒作为循环颗粒进入床层，料封管的一个出口的半焦颗粒作为燃料加入到氧气-蒸汽气化炉。
[0014]所述的锥体结构排出大颗粒灰渣物流、半焦物流的一侧还开设有流化气入口 ；锥体的侧壁上开设有锥体流化气入口，料封管上连接有流化气通入管道。
[0015]所述的一级旋风分离器上部筒体的直径为0.4-0.Sm，产生的粗合成气由入口切向进入一级旋风分离器，一级旋风分离器捕集的固体颗粒通过旋风分离器的料腿返回床层，且料腿出口的位置与锥体内壁之间的距离为旋风料腿直径的2-4倍。
[0016]所述的多管旋风分离器包括若干组小型旋风分离器单元，经一级旋风分离器气-固分离后含半焦细颗粒的粗合成气通过旋风分离器顶部的出口管进入多管旋风分离器的气体入口缓冲仓，主要由半焦组成的细颗粒被多管旋风捕集后收集在颗粒捕集仓内，随后由旋风料腿进入料封管。
[0017]所述的催化加氢气化-加氢热解一体化装置的加氢热解段内热解炉的提升管与原料煤相连通，原料煤通过输送气进行输送，分为两个支路，一个支路进入催化加氢气化-加氢热解一体化装置的加氢快速热解段，另一个支路进入一级加氢气化炉，加氢快速热解段顶部输出的热解气与热解炉一级旋风分离器入口相连，从热解炉一级旋风分离器顶部离开旋风分离器后进入热解炉二级旋风分离器，热解炉二级旋风分离器输出的气-固混合物流经管道与粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统相连通，热解炉二级旋风分离器捕获的半焦物流进入料腿后一部分由固体物流通道循环返回催化加氢气化-加氢热解一体化装置，另一部分半焦物流经管道与一级加氢气化炉入口相连通，热解炉一级旋风分离器分离出的含碳固体颗粒经直立料腿循环返回加氢快速热解段，同时，为了保证循环固体的循环倍率，在与加氢快速热解段相连通的直立料腿上还开设有与松动气相连的入口；
[0018]催化加氢气化段为流化床反应器，床内物料负载有气化催化活性组分的颗粒，合成气物流与自加氢快速热解段返回的半焦物流相混合，同时进行气相及气-固两相间的加氢甲烷化反应。
[0019]所述的粗合成气-细颗粒分离及半焦返料系统包括与热解气物流、循环合成气相连的由若干个单元旋风分离器组成的返料旋风分离器；与粉尘导流槽相连通的内置高效滤芯的气-固过滤罐；与过滤罐底部出口导流管相连接的料斗，返料旋风分离器底部输出的合成气物流经管路与气-固分离单元相连通，返料旋风分离器捕获的粉尘通过导流槽进入由过滤罐的壁面与裙座所围成的