[发明专利]一种用超临界水对含碳物质进行气化的方法

说明书

发明领域

本发明涉及含碳物质的气化方法，更具体地，涉及用超临界水对含碳物质进行气化的方法。

背景技术

将含碳物质气化为可燃气体以供城市居民或工业使用一直是人们关注的焦点。含碳物质包括煤、生物质、石油焦、含有机物的污泥或它们的任意混合物等。以煤为例，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超临界水氧化(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，并致使成本提高。

与本发明同一申请人的PCT专利WO2010/069146公开了一种利用亚临界和超临界水特性对煤进行综合加工的方法，该方法包括将煤粉、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，上一个反应器的产物不经任何分离全部作为下一个反应器的进料，最后将全部反应后混合物送去进行气-液-固分离。该专利由于采用亚临界和超临界条件的交替而使催化剂极为有效地分散于固体煤颗粒上，故气化效率有了很大提高，但由于在每一个反应器中产生的气体未与反应物进行分离而进入下一个反应器，造成后续反应器的负荷不合理地偏重，影响了该方法的处理效率的提高。

以上各专利技术均采用先反应后分离的工艺路线，其效率仍有提高的余地。

发明概述

为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种用超临界水对含碳物质进行气化的方法，包括以下步骤：

a.加热并增压包含含碳物质和水以及任选的催化剂的原料浆以使其中的水变成超临界水，从而得到超临界浆；

b.使所述超临界浆进入旋流反应器中，在该旋流反应器中同时发生以下过程：i)含碳物质与超临界水发生反应，得到气体产物和残渣；ii)固体与流体的分离，其中固体包括所述残渣和任选的催化剂，其从旋流反应器底部离开，而流体包括所述气体产物和超临界水，其从旋流反应器顶部离开；

c.使来自步骤b的所述流体降温以实现气液分离，得到气体产物和亚临界水。

同样为了解决上述问题，本发明的第二方面提出了一种用超临界水对含碳物质进行气化的方法，包括以下步骤：

a.加热并增压包含含碳物质和水的原料浆以使其中的水变成超临界水，然后向其中引入催化剂水溶液，所引入的催化剂水溶液的量使得引入该溶液后所有的水处于超临界状态，从而得到超临界浆；