專利名稱：流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種制取合成氣的方法，具體地說涉及一種流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制取合成氣的方法。
背景技術(shù)：
甲烷是天然氣、煤層氣和化肥廠馳放氣的主要成分，我國富甲烷燃料氣即天然氣、煤層氣、化肥廠馳放氣等，儲量豐富，在今后的能源化工合成工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。由于甲烷分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以直接化工轉(zhuǎn)化，通常需首先轉(zhuǎn)化為合成氣(CO+H2)，進一步合成氨、甲醇等一系列精細化工產(chǎn)品以及燃料和烯烴，甲烷制合成氣工藝是整個天然氣化工的基礎(chǔ)。
甲烷轉(zhuǎn)化制合成氣的主要方法有蒸汽催化轉(zhuǎn)化、空氣部分氧化(APO)轉(zhuǎn)化(包括選擇氧化轉(zhuǎn)化)及CO2-CH4轉(zhuǎn)化等。
(1)甲烷蒸汽催化轉(zhuǎn)化工藝已工業(yè)化，現(xiàn)代氨廠普遍采用的蒸汽轉(zhuǎn)化流程有美國Kellogg法、英國ICI法、丹麥Halder Topsφe法、法國ONIA-GEGA法、美國Chemico法和Foster-Wheeler法等。但是，1摩爾CH4生成1摩爾CO和3摩爾H2，合成氣中H2/CO比高達3。此比例對合成一系列有機化合物而言，H2/CO比太高，鑒于此工業(yè)上往往還要采用二段富氧部分氧化等工藝來提高合成氣中CO含量。為保證轉(zhuǎn)化管內(nèi)不析炭的最小水碳比大約為1.0，但實際生產(chǎn)中常常要大2～3倍。因此該工藝的主要問題是轉(zhuǎn)化工藝流程長、投資大、水碳比高、能耗大、易燒結(jié)、抗中毒能力低等缺點。
(2)由美國福斯特—惠勒能源公司開發(fā)的APO工藝優(yōu)點是，無需一段和二段轉(zhuǎn)化爐，用水量小，有催化劑時，反應(yīng)溫度可大大降低(＜800℃)，合成氣中H2/CO比低，甲烷單程轉(zhuǎn)化率接近90％，但催化劑壽命不長且價格昂貴。無催化劑時，在900～1000℃條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率極低，要使甲烷部分氧化反應(yīng)較為徹底，反應(yīng)溫度應(yīng)在1350℃上下，對設(shè)備材質(zhì)提出更高的要求。
(3)CO2與甲烷催化轉(zhuǎn)化制合成氣反應(yīng)是一可逆的強吸熱反應(yīng)，對反應(yīng)器的設(shè)計要求高，能耗較大，至今未能廣泛使用。
目前石油及天然氣的價格上漲，以天然氣為原料的化工合成廠面臨著成本上升、產(chǎn)品缺乏競爭力的嚴重問題。合成氣制備的開發(fā)方向主要集中在按產(chǎn)品要求靈活地調(diào)節(jié)其中的H2/CO比，從而達到合理利用資源、節(jié)省投資、降低能耗和生產(chǎn)成本的目的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種廉價高效的由天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣富甲烷燃料氣制取合成氣的方法。
從理論上分析，煤氣化的主要反應(yīng)為+409kJ/mol-119kJ/mol-162kJ/mol+42.3kJ/mol燃燒反應(yīng)提供大量熱，使氣化反應(yīng)進行。加入甲烷后，只要燃燒反應(yīng)(炭與氧或甲烷與氧)提供足夠的熱量，就可以同時進行水蒸汽、二氧化碳與炭及甲烷的氣化反應(yīng)。
在流化床煤氣化過程中，煤炭在熱解、氣化后生成煤半焦，半焦具有多孔、高比表面積(BET＞200m2/g)的特性，而且半焦具有多種官能團，可能為甲烷轉(zhuǎn)化提供了轉(zhuǎn)化活性位，產(chǎn)生中間過渡物，然后進一步轉(zhuǎn)化為CO和H2。在流化床氣化爐內(nèi)，甲烷與蒸汽反應(yīng)可在950～1000℃溫度范圍內(nèi)進行，并達到合理的轉(zhuǎn)化率，而且通過煤與甲烷共氣化制得H2/CO比約1～1.5的合成氣，從而達到簡化轉(zhuǎn)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和調(diào)控合成氣中H2/CO比的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，原煤先破碎至小于8mm，再經(jīng)干燥系統(tǒng)、原煤料倉、進煤計量系統(tǒng)進入流化床氣化爐；蒸汽、氧氣經(jīng)氣體分布板、排灰環(huán)管和中心射流管進入氣化爐，天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣富甲烷燃料氣由下部或側(cè)部進氣管進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，在950～1100℃溫度下與煤共氣化制取合成氣。
本發(fā)明的處理方法包括如下步驟(1)將原煤破碎后再經(jīng)過篩分，小于8mm的煤烘干除去外在水，加入煤斗；(2)加熱使流化床氣化爐底部溫度800℃～950℃，頂部溫度400℃～500℃；(3)經(jīng)氣化爐下部通入一定量的空氣和蒸汽，將粒度小于8mm原煤加入氣化爐內(nèi)，空氣與煤之比為2.0～3.5Nm3/kg，蒸汽與煤之比為0.3～0.6kg/kg。床層建立、系統(tǒng)穩(wěn)定后切換為氧氣/蒸汽鼓風(fēng)，流化床內(nèi)物料靜止床層高度與反應(yīng)器直徑比0.5～1.5，氧氣與煤之比為0.25～0.5Nm3/kg，蒸汽與煤之比為0.5～1.0kg/kg；(4)將天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣富甲烷燃料氣由下部或側(cè)部進氣管進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，在950～1100℃溫度下、常壓或加壓，富甲烷燃料氣與煤之比為0.3～0.8Nm3/kg，總氧量與富甲烷燃料氣之比為1.4～3Nm3/Nm3，水蒸汽量與富甲烷燃料氣)之比為3～5kg/Nm3的條件下，進行流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制取合成氣。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明，采用了流化床氣化爐裝置及工藝流程，工藝流程包括備煤、進料、供氣、氣化、除塵、廢熱回收等系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)該過程反應(yīng)溫度適中(950～1100℃)，無需催化劑的加入，甲烷轉(zhuǎn)化率最高可達90％，合成氣中甲烷含量低，其他烴類物質(zhì)含量總和＜0.5％，無C6以上物質(zhì)。
(2)煤與富甲烷燃料氣共氣化所制合成氣組成中H2/CO比小于1.5，通常為1.3左右，完全符合各種化工合成的需要。
(3)操作穩(wěn)定，操作范圍較寬，操作成本低，能耗小。
(4)流化床適合各種煤種，因此煤與天然氣共氣化不受煤種限止。
(5)該工藝的煤與富甲烷燃料氣進料比例可在較寬范圍內(nèi)調(diào)整，因此該工藝即可以以煤為原料制合成氣，也可以根據(jù)市場價格和合成需求配入一定量的富甲烷燃料氣，加入蒸汽轉(zhuǎn)化的二段催化反應(yīng)器，實現(xiàn)現(xiàn)有工藝的技改。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1是本發(fā)明的流程圖。
如圖所示，1是氣瓶，2是氣體流量計，3是蒸餾水儲罐，4是水流量計，5是蒸餾水，6是蒸汽發(fā)生及氣體混合器，7是0～8mm的原煤，8是煤斗，9是原煤進料器，10是流化床氣化爐，11是天然氣(或甲烷)進氣管，12是氣化爐10下部排灰器，13是排灰器12下部的灰斗，14是灰渣，15是與氣化爐10上部相連的旋風(fēng)分離器，16是與旋風(fēng)分離器15下部相連的飛灰收集罐，17是飛灰，18是空氣，19是與旋風(fēng)分離器15上部出氣管相連的氣體水冷卻器，20是進水，21是出水，22是合成氣，23是與氣體水冷卻器19下部相連的氣液分離器，24是冷卻水。
具體實施例方式實施例1將原煤破碎至粒度小于8mm，干燥后裝入煤斗8待用。加熱使流化床氣化爐底部溫度達到900℃，頂部溫度達到400℃。由氣化爐10下部通入空氣，開啟蒸汽發(fā)生及氣體混合器6，由水流量計4控制通入水蒸汽。將粒度為0～8mm原煤經(jīng)原煤進料器9由煤斗10加入氣化爐10內(nèi)，進煤量1.58kg/h，空氣量4.5Nm3/h，蒸汽量0.8kg/h。床層建立、系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開氣瓶1中的O2和N2氣，經(jīng)過流量計2計量，由氣化爐底部進入氣化爐，同時加大水蒸汽量，進氧量1.55Nm3/h，水蒸汽量2.4kg/h，氮氣量0.30Nm3/h，關(guān)閉空氣。穩(wěn)定操作后，打開天然氣氣瓶，經(jīng)過流量計2計量后由氣化爐底部天然氣進氣管11進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，天然氣進氣量0.5Nm3/h，流化床氣化爐操作溫度1007℃。天然氣與煤之比為0.316Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為3Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為4.8kg/Nm3。氣化爐10內(nèi)的灰渣經(jīng)過氣化爐下部排灰器12定期排入灰斗13中，從灰斗13排出灰渣。合成氣從氣化爐10頂部進入旋風(fēng)分離器15，使飛灰和氣體分離；飛灰進入飛灰收集罐16，從飛灰收集罐16排出飛灰；從旋風(fēng)分離器15出來的合成氣經(jīng)過氣體冷卻器19冷卻后進入氣液分離器23，最后得到潔凈合成氣。所產(chǎn)合成氣的指標見表1。
實施例2將進氧量調(diào)至1.45Nm3/h，天然氣與煤之比為0.316Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為2.9Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為4.8kg/Nm3。氣化爐溫度控制在1021℃，其余同實施例1。
實施例3將天然氣進氣量調(diào)節(jié)到0.75Nm3/h，水蒸汽量2.3kg/h，進氧量1.55Nm3/h，氮氣量0.32Nm3/h，天然氣與煤之比為0.475Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為2.07Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.07kg/Nm3。氣化溫度1017℃，其余同實施例1。
實施例4調(diào)節(jié)天然氣進氣量0.75Nm3/h，進煤量1.58kg/h，進氧量1.75Nm3/h，水蒸汽量2.94kg/h，氮氣量0.31Nm3/h，天然氣與煤之比為0.475Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為2.33Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.92kg/Nm3。氣化溫度1027℃，其余同實施例1。
實施例5調(diào)節(jié)天然氣進氣量0.75Nm3/h，進煤量1.62kg/h，進氧量1.35Nm3/h，水蒸汽量2.4kg/h，氮氣量0.30Nm3/h，天然氣與煤之比為0.463Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為1.8Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.2kg/Nm3。氣化溫度1030℃，其余同實施例1。
實施例6調(diào)節(jié)天然氣進氣量0.75Nm3/h，進煤量1.62kg/h，進氧量1.25Nm3/h，水蒸汽量2.4kg/h，氮氣量0.30Nm3/h，天然氣與煤之比為0.463Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為1.67Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.2kg/Nm3。氣化溫度1032℃，其余同實例1。
實施例7調(diào)節(jié)天然氣進氣量0.75Nm3/h，進煤量1.21kg/h，進氧量1.25Nm3/h，水蒸汽量2.76kg/h，氮氣量0.27Nm3/h，天然氣與煤之比為0.620Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為1.67Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.68kg/Nm3。氣化溫度1037℃，其余同實施例1。
實施例8調(diào)節(jié)天然氣進氣量0.875Nm3/h，進煤量1.21kg/h，進氧量1.25Nm3/h，水蒸汽量2.76kg/h，氮氣量0.30Nm3/h，天然氣與煤之比為0.723Nm3/kg，總氧量與天然氣之比為1.43Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.15kg/Nm3。氣化溫度1020℃，其余同實施例1。
實施例9進入0.75Nm3/h模擬化肥廠馳放氣(60％H2，25％N2，15％CH4)，進煤量1.51kg/h，進氧量1.55Nm3/h，水蒸汽量2.46kg/h，氮氣量0.30Nm3/h，馳放氣與煤之比為0.50Nm3/kg，總氧量與馳放氣之比為2.07Nm3/Nm3，水蒸汽量與天然氣之比為3.28kg/Nm3。氣化溫度1025℃，其余同實施例1。
實施例10進入0.75Nm3/h模擬煤層氣(85％CH4，9％C2H4，3％N2，3％CO2)，進煤量1.58kg/h，進氧量1.68Nm3/h，水蒸汽量2.9kg/h，氮氣量0.31Nm3/h，煤層氣與煤之比為0.475Nm3/kg，總氧量與煤層氣之比為2.24Nm3/Nm3，水蒸汽量與煤層氣之比為3.87kg/Nm3。氣化溫度1015℃，其余同實施例1。
如實施例1-10條件下進行的流化床煤與天然氣共氣化制得的合成氣氣體組成及甲烷轉(zhuǎn)化率列于表1。表1

注*不同條件和不同甲烷轉(zhuǎn)化率用于生產(chǎn)H2/CO比不同的合成氣，殘余甲烷可用配套工藝解決。
權(quán)利要求
1.一種流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制合成氣的方法，其特征在于原煤先破碎至小于8mm，再經(jīng)干燥系統(tǒng)、原煤料倉、進煤計量系統(tǒng)進入流化床氣化爐；蒸汽、氧氣經(jīng)氣體分布板、排灰環(huán)管和中心射流管進入氣化爐，天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣富甲烷燃料氣由下部或側(cè)部進氣管進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，在950～1100℃溫度下與煤共氣化制取合成氣。
2.如權(quán)利要求1所述的一種流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制合成氣的方法，其特征在于包括如下步驟(1)將原煤破碎后再經(jīng)過篩分，小于8mm的煤烘干除去外在水，加入煤斗；(2)加熱使流化床氣化爐底部溫度800℃～950℃，頂部溫度400℃～500℃；(3)經(jīng)氣化爐下部通入一定量的空氣和蒸汽，將粒度小于8mm原煤加入氣化爐內(nèi)，空氣與煤之比為2.0～3.5Nm3/kg，蒸汽與煤之比為0.3～0.6kg/kg。床層建立、系統(tǒng)穩(wěn)定后切換為氧氣/蒸汽鼓風(fēng)，流化床內(nèi)物料靜止床層高度與反應(yīng)器直徑比0.5～1.5，氧氣與煤之比為0.25～0.5Nm3/kg，蒸汽與煤之比為0.5～1.0kg/kg；(4)將天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣富甲烷燃料氣由下部或側(cè)部進氣管進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，在950～1100℃溫度下、常壓或加壓，富甲烷燃料氣與煤之比為0.3～0.8Nm3/kg，總氧量與富甲烷燃料氣之比為1.4～3Nm3/Nm3，水蒸汽量與富甲烷燃料氣)之比為3～5kg/Nm3的條件下，進行流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制取合成氣。
全文摘要
流化床煤與富甲烷燃料氣共氣化制合成氣的方法，是將原煤先破碎至粒度小于8mm，再經(jīng)干燥系統(tǒng)、原煤料倉、進煤計量系統(tǒng)進入流化床氣化爐；蒸汽、氧氣經(jīng)氣體分布板、排灰環(huán)管和中心射流管進入氣化爐，含甲烷的天然氣、煤層氣或化肥廠馳放氣由下部或側(cè)部進氣管進入流化床氣化爐濃相段反應(yīng)區(qū)，在950～1100℃溫度下與煤共氣化制取合成氣。本發(fā)明操作穩(wěn)定，范圍較寬，成本低，能耗小，可實現(xiàn)現(xiàn)有工藝的技改。
文檔編號C10J3/54GK1428403SQ0113167
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者房倚天, 王洋, 張建民, 胡振, 白秀剛, 吳晉滬, 張林仙, 陳富艷, 馬小云 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所