[发明专利]利用亚临界和超临界水特性的煤的综合加工方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及煤的综合加工方法，尤其涉及利用亚临界和超临界状态的水将煤连续、高效地转化成可燃气体、液体和固体产物的加工方法。 

背景技术

煤炭是中国的主要能源，查明储量1万亿吨，占我国各种化石燃料资源总储量的95％以上。一方面，我国84％以的煤炭上作为燃料直接燃烧，不但热效率低，同时也是目前最主要的污染源。另一方面国内对天然气的需求与日俱增，2020年需求量将达到2000亿立方米，同期天然气产量只能达到1400亿～1600亿立方米。另外，煤制天然气可以大规模管道输送，节能、环保、安全，输送费用低。因此，如何合理利用煤炭资源，研究开发先进的清洁高效的煤转化天然气技术，具有重大的意义。 

利用超临界水特性将煤转化为氢气、甲烷等可燃气体是一项新兴的技术。国内外在该领域的研究已经展开，但目前还未到中试阶段。美国General Atomics公司采用40wt％的水煤浆进行超临界水氧化制氢，但结果表明高浓度水煤浆(40wt％以上)在实验中易产生结焦和堵塞。日本CCUJ公司对煤、氧化钙等催化剂的混合物进行SCWO反应制氢，但由于其催化剂用量过大，不适于工业化生产。西安交通大学在煤与生物质共气化方面进行了研究。郭烈锦等在其专利CN1654313A中对生物质模型以及多种生物质和煤在超临界水中共气化，但实验中水煤浆的浓度低(＜2wt％)，增加了转化过程的能耗。山西煤炭化学研究所在低阶煤的SCWO制氢方面做了大量工作。毕继诚等在其专利CN1544580A中，公布了低阶煤的在超临界水中的转化方法，但从其相关实验结果看，煤的转化率低于50％，不利于工业化生产。另外，国内外关于煤在超临界水中制取甲烷的多联产工艺还未见报道。综上所述，煤在超临界水中的转化要实现工业化生产还存在一些技术上的问题，主要是催化剂颗粒粒径偏 大，比表面积偏小，同时催化剂颗粒不能均匀地附着在煤颗粒上，限制了催化剂与煤的接触面积，造成催化剂活性低下。因为催化剂活性低下，所以传统方法中常通过提高催化剂的添加量来提高催化作用，催化剂量一般为20-40wt％，如此大量的催化剂使得有效反应物的通量降低，且催化剂的回收和循环都很成问题。 

发明概述 

本发明的目的是提供一种利用催化剂在亚临界水和超临界水的溶解度特性，经过萃取和催化气化两级反应进行煤炭连续高效转化的加工方法，该方法最终得到可燃气体和可燃液体，主要目标产物为甲烷。该方法包括下列步骤： 

a)将煤粉在亚临界状态或超临界状态水中进行处理形成处理后的煤， 

b)使处理后的煤在催化剂存在下在超临界状态水中进行催化反应形成反应产物，其中所述亚临界状态为16-22MPa和120-374℃，所述超临界状态为22.1-40MPa和374-650℃。 

其中，在a)步骤之前，可以任选地以任何本领域已知的方式将煤粉与水混合制备水煤浆。其中煤可以选自烟煤、无烟煤、褐煤、生物质、有机废物及它们的混合物。煤粉的粒度小于300微米，优选为60-150微米。以水煤浆总重量计，煤粉的含量可以为8-68wt％，优选25-45wt％。 

以上配制的水煤浆以流体输送设备例如泵送入第一反应器中以执行步骤a)。同时向该第一反应器中加入高压水，以调节第一反应器中的煤与水的比例，例如该煤水比例可为5-50∶1。使第一反应器中的水处于亚临界状态或超临界状态，其中亚临界状态为16-22MPa(本文中使用的压力均为绝对压力)和120-374℃，和所述超临界状态为22.1-40MPa和374-650℃。在该亚临界或超临界状态下，对煤粉进行处理，得到固体产物、可燃气体和焦油。其中焦油中含有褐煤蜡、蒽、菲等物质，可燃气体是氢气、甲烷等，固体产物则是经过处理的煤粉，该煤粉超级洁净，类似于活性炭或骨架碳，其反应活性大大提高。 

任选地，水煤浆和水在加到第一反应器中之前在预热器中预热。