[发明专利]一种煤的跨临界催化气化方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤的催化气化方法，尤其涉及利用交替的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，中国84％以上的煤炭作为燃料直接燃烧，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超临界水氧化反应制氢，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，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效果，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，且催化剂的有效回收和循环都是很难解决的技术问题并致成本提高。 

专利CN101613377公开了一种使纤维素类生物质先后在超临界水和亚临界水中水解生成发酵糖的方法，其中离开超临界反应器的反应后混合物要通过外部的冷却系统冷却和减压系统减压才能水的超临界状态过渡到水的亚临界状态，这样的冷却系统和减压系统过于复杂，且因一部分热量被冷却水带走而没有实现能量的充分利用。 

发明概述 

第一方面，本发明提供一种煤的跨临界催化气化方法，包括将煤粉、水和催化剂加到一组串联反应器中进行处理，其中所述煤粉、水和催化剂加到所述一组串联反应器中的第一个反应器，所述一组串联反应器的温度和压力从第一个反应器开始依次交替处于水的亚临界状态-超临界状态，其中煤被气化得到包括可燃气体在内的反应后混合物，且上一个反应器的反应后混合物全部作为下一个反应器的进料；并且经由热泵系统从处于水的亚临界状态的反应器向处于水的超临界状态的反应器中供应热量。 

第二方面，本发明提供一种煤的跨临界催化气化方法，包括将煤粉、水和催化剂加到一组串联反应器中进行处理，其中所述煤粉和水加入到所述一组串联反应器中的第一个反应器，所述催化剂以水溶液的形式加入到位于第一个反应器和第二个反应器之间的连接管道中或加入到第二个反应器中，所述一组串联反应器的温度和压力从第一个反应器开始依次交替处于水的亚临界状态-超临界状态，其中煤被气化得到包括可燃气体在内的反应后混合物，上一个反应器的反应后混合物全部作为下一个反应器的进料，并且经由热泵系统从处于水的亚临界状态的反应器向处于水的超临界状态的反应器中供应热量。 

第三方面，本发明提供一种煤的跨临界催化气化方法与气体膨胀发电工艺的耦合方法，包括以下步骤： 

a将煤粉、水和催化剂加到一组串联反应器中进行处理，其中所述煤粉、水和催化剂加到所述一组串联反应器中的第一个反应器，所述一组串联反应器的温度和压力从第一个反应器开始依次交替处于水的亚临界状态-超临界状态，其中煤被气化得到包括可燃气体在内的反应后混合物，上一个反应器的反应后混合物全部作为下一个反应器的进料，并且经由热泵系统从处于水的亚临界状态的反应器向处于水的超临界状态的反应器中供应热量； 

b将离开最后一个反应器的反应后混合物除水除渣以得到可燃气体，然后使该可燃气体膨胀做功而发电； 

c将所述电供应至步骤a中的所述热泵系统作为其动力。