[发明专利]一种低阶煤与甲烷催化共炼生产轻质化焦油的方法

说明书

本发明属于能源化工领域，特别提供一种低阶煤与甲烷催化共炼生产轻质化焦油的方法，主要是为解决低阶煤热解焦油提质的技术问题，以提高焦油中具有重要应用价值的轻质芳烃的含量。采用下行床——提升管耦合反应器作为主体反应单元，其传热传质效率高、工艺流程简单、集成度高、运行连续可靠；以高温半焦作为催化剂将甲烷裂解为氢气，实现了煤的加氢热解，提高了焦油产率和焦油中轻质芳烃的含量，显著降低了催化剂和氢源的成本；同时将高温半焦作为固体热载体，使得过程热效率大幅提高；另外，本发明为传统化石能源煤和天然气等富含甲烷原料气开辟了一条高效清洁利用的新途径。

技术领域

本发明属于能源化工领域，特别涉及一种低阶煤与甲烷催化共炼生产轻质化焦油的方法。

背景技术

芳烃化合物，尤其是具有重要合成意义的苯、甲苯和二甲苯等单环芳烃，是不可或缺的有机化工基础原料，在国民经济发展中起重要作用。目前，芳烃生产主要来源于石油化工。据《2015年国内外油气行业发展报告》统计，2015年，我国的原油对外依存度达到60.6％。因此，单纯依靠石油化工生产芳烃将面临巨大压力，寻求替代或补充原料势在必行。我国是一个典型的“多煤少油”的国家，采取“以煤代油”的技术路线对于实现我国煤炭资源的清洁高效利用、能源结构调整和维护国家能源安全意义重大。

在我国的煤炭资源中，以褐煤为代表的低阶煤的储量占55％以上。其煤化程度较低、挥发分含量较高，可通过分级梯度转化的方式实现其高效清洁的利用。其中，中低温热解技术是实现其分级梯度利用的重要途径之一，也是实现煤转化为轻质芳烃等高附加值化学品的关键所在。但是，惰性气氛下的传统煤热解工艺中，由于“缺氢”的限制，煤焦油产率较低，焦油中稠环芳烃等重质组分的含量较高。研究表明，煤的催化加氢热解可有效提高煤热解过程中焦油的产率，同时提高焦油中轻质芳烃的含量，有助于改善焦油品质。然而，在该工艺中，制氢成本颇高，氢源的获取成为制约性因素。为使得煤催化加氢热解工艺切实可行，寻求较为廉价的氢源势在必行。

甲烷是天然气和页岩气等的主要组分，来源广泛。随着天然气和页岩气的大量开发，其成本优势日渐突出。甲烷具有较高的H/C比，可通过催化重整反应或催化裂解产生氢气，为煤催化热解提供氢源支持。研究表明，煤热解与甲烷重整反应耦合对于提高焦油产率具有促进作用(Liu J,et al.,Fuel Processing Technology,2010,91(4):419-423)；煤热解半焦对甲烷裂解生成氢气具有催化作用(Sun Z,et al.,EnergyFuels,2007,21(3):1601-1605)。

中国专利CN1664069A和CN102161904A分别提供了一种以富含甲烷的混合气为反应气提高煤热解焦油产率和利用烃类芳构化与煤热解耦合提高焦油产率的方法。在该类方法中，甲烷替代纯氢作为加氢热解的反应气，降低了加氢热解成本，焦油产率也得到了提高。为了便于催化剂的回收利用，催化剂和煤不直接混合。上述技术将甲烷的重整制氢反应与煤的热解反应进行了耦合。然而，甲烷重整制氢反应是吸热反应，而且需要引入额外的催化剂，能源消耗和经济成本都有所增加。因此，从能源效率和经济成本角度考虑，有必要对煤与甲烷的催化共炼过程进一步优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是煤热解焦油的提质升级，即提高煤焦油中轻质芳烃含量、降低重质组分含量。

为解决该技术问题，本发明提供了一种低阶煤与甲烷催化共炼生产轻质化焦油的方法。采用的装置主体为下行床——提升管耦合反应器；下行床反应器可实现较高的气固接触效率，特别适用于煤加氢热解这一气固接触时间短的过程；热解半焦在提升管中通过部分燃烧提温变为高温半焦，一方面可作为甲烷裂解生成氢气的催化剂，另一方面也作为固体热载体，在降低经济成本的同时，大大提高了过程的热效率；煤热解气体通过后续的分子筛类催化剂床层进行焦油的催化裂解提质；含焦油热解气体通过冷凝装置实现气液分离，完成轻质化焦油的收集。该方法具有工艺流程简化、集成度高，操作弹性大等突出优点，是改进优化煤热解技术，实现低阶煤与富含甲烷原料气高效清洁利用的有效途径。