[发明专利]合成气制备工艺及装置

说明书

本发明公开了一种合成气制备工艺，铁基载氧体在燃料反应器内被煤热解产生的气体还原，并与热解焦炭共同进入气化反应器内发生水蒸气‑铁法制氢反应和焦炭气化反应，一步实现煤化工过程气体/液体燃料合成所需的高品质合成气，同时铁基载氧体被氧化后进入空气反应器内，与空气反应实现氧化再生，从而完成合成气制备工艺的循环反应过程。本发明还公开了专用于上述工艺的装置。相比较于现有技术，本工艺能够一步实现煤化工过程所需的高H₂/CO比合成气，且合成气中无CO₂、焦油、H₂S等杂质；所述工艺装置省去了传统煤化工过程所需的水汽变换反应装置、空分装置等高耗能设备，系统工艺流程大幅简化，能量利用效率更高，投资、运行成本低。

技术领域

本发明属于能源转化及环境保护技术，特别是涉及一种适合煤化工过程的高品质合成气制备工艺及装置。

技术背景

我国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了油、气资源在未来较长时间内仍将依赖于国外进口，这对我国的能源安全产生巨大威胁。通过以煤气化工艺为基础的能源热转化技术可以实现以甲烷为主的气体燃料和以醇类、醛类、汽油等液体产品的合成，对我国煤炭资源的清洁高效利用和能源资源的战略储备具有重大意义。

传统煤化工制备气体/液体燃料主要包括煤气化、净化与调整、产品合成三个过程，其中煤气化制备合成气是燃料合成的核心技术之一，是后续环节成功实施的必要前提。然而，传统煤气化制备的合成气品质低(H₂和CO含量低、CO₂含量高)、H₂/CO比例低，且合成气中含有大量焦油、H₂S等杂质，无法满足后续产品合成阶段对合成气品质及H₂/CO比的要求(如甲烷合成需要H₂/CO比达到3、甲醇合成需要H₂/CO比达到2)。目前，提高合成气中的H₂/CO比主要通过一步或多步水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)实现，合成气中的杂质通过多种净化工艺实现，CO₂需要通过脱碳工艺实现脱除，因而整个系统复杂程度较高、工艺流程长，导致能耗、投资和运行成本大幅上升。在此背景下，开发高效、低成本且满足产品合成阶段要求的煤气化技术至关重要。

近年来，采用载氧体提供氧源的煤基化学链气化技术受到广泛关注，该技术将传统煤气化过程的一步反应分解为两步反应，实现了煤炭化学能的梯级利用和能源转化效率的提高。通过控制气化反应器内煤/载氧体的质量比可以产生低成本、热值高、具备不同H₂/CO比例的合成气，但合成气中存在的CO₂含量高，焦油、H₂S气体等杂质无法直接去除的问题并没有得到有效解决，使得整个煤化工工艺系统仍旧比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能源转化效率高、系统工艺简单的煤基合成气制备新工艺。该方法克服了传统煤气化和常规化学链气化存在的上述问题，通过合成气制备阶段煤热解反应和气化反应的分离以及具备焦油催化裂解功能的铁基载氧体，实现了合成气中焦油、H₂S等杂质的直接去除；通过气化反应器内焦炭气化反应和水蒸气-铁法制氢反应的结合一步实现所需H₂/CO比例的合成气，同时合成气热值高、无CO₂。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种合成气制备工艺，包括以下步骤：

(1)将煤加入燃料反应器内，并在惰性或CO₂气氛下发生快速热解反应生成以H₂、CO、CH₄为主的热解气体、焦油和焦炭，其中，焦油被来自于空气反应器的铁基载氧体催化裂解成小分子气体，同时热解气体和小分子气体被铁基载氧体氧化生成CO₂和H₂O排出，焦炭和被还原后的铁基载氧体一并进入气化反应器；