[发明专利]移动床加压煤气化生产富甲烷煤气的工艺和装置

说明书

移动床加压煤气化生产富甲烷煤气的工艺和装置，将移动床加压气化炉内煤气化的床层的高径比提高以优化甲烷产率的气化条件。在气化炉底部的富氧蒸汽入炉管路上，增设氢气气化剂加入管路，让富氧蒸汽气化剂和氢气气化剂，分别轮流从炉底送入加压气化炉，对炉内炭层周期性的重复进行，富氧蒸汽制低甲烷水煤气工艺过程和氢气制高甲烷氢煤气工艺过程。在两种入炉气化剂相互转换前，设计有惰性气体置换过程，以防止两种气化剂在入炉管路内和炉底内部相遇而出现安全事故。由于移动床加压煤气化工艺中增加了氢气制高甲烷氢煤气工艺过程，使煤气中甲烷含量大幅增加，既提高煤气热值又提高煤制气热效率。

技术领域

本发明属于煤制气领域，特别涉及移动床(固定床)加压煤气化生产富甲烷煤气的工艺技术与流程装置。

背景技术

煤制天然气(SNG)主要方法之一就是，首先要生产出含有较多甲烷的煤气。目前主要有3种工艺方法，即固定床(移动床)加压煤气化法，煤加氢气化法和煤蒸汽催化气化法。

固定床(移动床)加压煤气化能生产出含11％左右甲烷的煤气，如美国大平原公司、中国大唐克旗和阜新等的煤制天然气的煤气化工艺，均是采用移动床(固定床)加压煤气化工艺装置，即鲁奇炉加压煤气化工艺，将富氧蒸汽(氧气/蒸汽≈1/6左右)混合气化剂，从加压固定床底部连续送入炉内，气化剂进入炉内炭层后，气化剂中的氧气首先与炭层底部的碳元素反应：C+O₂＝CO₂，2C+O₂＝2CO放出热量，为炭层中部吸热的水煤气反应：C+H₂O＝CO+H₂，提供热量并制出水煤气后，含有大量水蒸汽的水煤气进入炭层上部的干馏层和干燥层，在加热其炭层的同时为其干馏和干燥提供热量。所以这种固定床生产的煤气中就含有富含甲烷的干馏煤气。由于干馏煤气量远小于水煤气量，因此，此类煤气中的甲烷总量并不高，即使采用高挥发分的褐煤为原料，煤气中的甲烷也只有10～12％左右，所以本案称之为低甲烷水煤气。要用水煤气生产出甲烷产品，还需要配置较大规模的甲烷催化合成工序，导致装置投资、甲烷产品成本增加。但该煤气化工艺的炉渣中的残炭低，通常低于10％，甚至在5％以下；单位煤气氧气耗量低，仅为气流床煤气化工艺的40％，所以被业内首选为煤制天然气的煤气化工艺。

煤加氢气化，包括煤加氢催化气化法生产富甲烷煤气，多为加压流化床气化工艺。煤气中的甲烷浓度能够大于30％。目前还在实验阶段。由于煤加氢气化是放热反应，在高温下甲烷的平衡浓度低，所以煤加氢气化工艺的温度，通常设计在较低的600℃～800℃，这又导致碳的加氢气化速率降低，再加上C+2H₂＝CH₄反应后期，焦粒上的活性中心减少，加氢气化速率大幅降低，实验室加氢气化，煤的粒度在5mm左右，加氢反应2小时，碳转化率一般只有50％左右。要使煤加氢转化后渣中的残炭低于10％，需要加氢反应6小时以上，即使加入催化剂，加快C+2H₂＝CH₄反应速率的程度也不令人满意。所以目前煤加氢气化法生产富甲烷煤气成本还较高，尚无商业化运行装置。

煤蒸汽催化气化法，通常也采用加压流化床工艺。虽然不用氢气和氧气，煤气中的甲烷浓度也能够大于30％。气化工艺受甲烷平衡浓度的限制，气化温度通常也设计在600℃～800℃，再加上C+2H₂＝CH₄反应后期，焦粒上的活性中心减少，加氢气化速率大幅降低，除同样存在碳转化率低的问题外，还有催化剂的回收利用的成本和维持床层温度的能耗问题，所以至今也没有商业化装置面世。

鉴于加氢气化和催化气化的碳转化率低，最近也出现了多级流化床流化方案，主要特点：①是采用富氧蒸汽，在900～1000℃温度下，对加氢气化或蒸汽催化气化后期难以气化的焦粒进行低甲烷水煤气反应，来提高碳的转化率；②是利用反应余热为煤干馏工艺提供热量。这种增加了富氧气化的多级流化气化，由于流化的固体物料的数倍增加，不仅大幅增加了装置的复杂性和投资，还会大幅增加本来就已经很高的流化动力消耗。