[发明专利]一种煤焦气化与甲烷重整耦合工艺联产活性炭和氢气的方法

说明书

技术领域

本发明属于煤炭与天然气的转化利用领域，具体涉及一种煤焦气化与甲烷重整耦合工艺联产活性炭和氢气的方法。

背景技术

煤热解是煤炭分质高效转化的潜在方式，可以产生焦油、煤气和半焦，它已成为我国陕北、内蒙、新疆等地区拟升级改造或规划实施的一项重要产业。截止2014年，仅陕北榆林地区的煤热解半焦(简称为煤焦，当地称为“兰炭”)已建成产能4946万吨，产量已达2630万吨。然而，随着全球经济整体下行，煤焦这一产业面临着产能过剩、亟需高值化转化与利用的问题。

煤焦具有作为燃料、气化炉进料、铁合金的还原剂等方面应用的潜力，但是存在环保、技术或成本方面的局限性(参考《国家石油和化工网》http://www.cpcia.org.cn/html/6/20121/969736311.html)，仍有待于技术发展或突破。因此，研究与开发以煤焦为原料的高附加值产品，实现煤焦的高值化利用，是发展我国煤热解工艺下游产业链亟待解决的重要科学问题，对煤炭资源的高效分质转化具有重要意义。

关于煤焦的气化剂，国内外的研究成果(Jayaraman K,et al.Fuel,2015,154:370-379；Wang F,et al.Fuel Processing Technology,2016,141:2-8.)均证实：相对于CO₂，水蒸气更有利于提高煤焦的气化反应性、降低煤焦气化的活化能，故水蒸气更适宜作为煤焦的气化剂。华东理工大学王杰课题组在这方面进行了探索性的研究工作(Wang J,et al.Fuel,2010,89(2):310-317；Jiang MQ,et al.Fuel,2012,99:64-71.)，重点考察了碳酸钾催化剂的性能与水蒸气反应的选择性，但尚未研究与关注反应后残余煤焦的结构与性质，故仍未揭示联产活性炭工艺的机制。周安宁课题组以神府煤或其半焦为原料，研究了碱金属(KOH与NaOH)催化水蒸气活化法制备活性炭和氢气的工艺条件(《煤炭转化》2011,34(2):69-72；《应用化工》2012,41(9):1637-1639.)；然而，尚未引入甲烷作为原料气体，因此没有形成煤焦(或煤)催化气化与甲烷水蒸气重整协同作用的机制。而甲烷和水蒸气同时存在的工艺条件，不仅有利于定向提高氢气的纯度和收率，而且有利于改善与调控活性炭的孔结构和性能(Rangel-Mendez JR,et al.Carbon,2005,43:467-479.)。

氢气具有燃烧热值较高、清洁无污染、还原性等特征，是合成氨、生产甲醇及石油炼制等化工工业的重要原料，被誉为21世纪最具潜力的二次能源。用氢气替代化石燃料是目前唯一可满足“既无温室效应、也无污染物威胁”的高质量生活的重要途径。国际上氢能的制备主要来自于化石燃料、生物质和水，生产工艺主要有电解、热解、光催化、放射能水解、等离子电化学法和生物制氢等方法。从长远来看，以生物能、太阳能、风能等可再生能源为动力的制氢技术将逐步成为市场发展的趋势和主流。然而，由于技术的局限性及成本效益比较低的现状，目前乃至将来相当长一段时间内，基于天然气(主要成分是甲烷)与煤炭等化石能源的制氢技术仍将是富有竞争力的技术手段。

相对其它化石能源而言，天然气制氢污染少、成本中等(参考《天然气化工(C₁化学与化工)》2015,40(1):78-82)，欧美地区多采用天然气为原料的制氢技术。近年来，以美国“页岩气革命”为代表的非常规天然气资源的大规模商业化开采，深刻影响了世界天然气供需市场并改变着世界能源的格局。此外，甲烷还是生物质沼气等可再生能源的主要成分，进一步丰富了天然气原料的来源。与此同时，基于国内环境的压力、社会对清洁能源的迫切要求，2014年6月我国国务院印发的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》提出到2020年天然气“消费双倍增”的战略规划，也为国内天然气的发展提供了契机。可见，发展以甲烷为原料的新型制氢技术完全符合我国可持续发展规划和世界“由黑色能源转向绿色能源”的变革趋势，具有广阔的应用前景。