本發(fā)明涉及化工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種粉煤氣化制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

煤加氫氣化是指使原煤粉與含氫反應氣體在高溫、高壓條件下反應生成富甲烷氣以及輕質(zhì)油品的過程。與傳統(tǒng)的煤氣化相比，煤加氫氣化具有工藝簡單、熱效率高、污染小的特點，因而受到廣泛地關(guān)注和應用。在煤加氫氣化過程中，氣化半焦的產(chǎn)量約占進料量(煤粉質(zhì)量)的50％左右，且攜帶大量的熱量，造成了能源的浪費，因此有必要將該部分半焦以及其攜帶的熱量進行充分利用，以提高整個工藝的原料及能量利用率。

現(xiàn)有技術(shù)報道了一種利用煤氣化半焦制備活性炭的方法。該方法首先將煤氣化產(chǎn)生的氣化氣進行分離獲得還原氣和二氧化碳，并將分離所得二氧化碳對氣化半焦進行活化，制得活性炭。但是，該工藝以軟化水作激冷劑對反應產(chǎn)生的氣固相進行冷卻，使氣化產(chǎn)物攜帶的熱量未得到充分利用；同時，煤氣化產(chǎn)生的氣體中二氧化碳的含量較低，將其作為氣化半焦的活化劑存在活化不充分的問題。

由此，現(xiàn)有技術(shù)沒能充分利用煤加氫氣化得到的氣化半焦熱量，也沒能將煤加氫氣化同活性炭制備過程耦合起來，實現(xiàn)氣化半焦的高效利用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

面臨上述技術(shù)問題，本發(fā)明旨在充分利用煤加氫氣化氣化產(chǎn)物的熱量，將煤氣化與生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的氣體進行分離獲得富氫還原氣及二氧化碳，并將煤加氫氣化同活性炭制備過程耦合起來，同時，以富氫還原氣作為煤加氫氣化的氫氣來源，實現(xiàn)煤及生物質(zhì)的分級分質(zhì)利用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種粉煤氣化制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)，包括煤加氫氣化單元、旋風分離單元、催化裂解單元、氣體分離單元以及混合半焦活化單元；其中，

所述煤加氫氣化單元包括煤粉噴嘴、富氫還原氣噴嘴、生物質(zhì)激冷劑噴嘴、混合半焦出口和氣化混合物出口；

所述旋風分離單元包括氣化混合物入口、分離后半焦出口以及除塵氣出口，所述氣化混合物入口與所述氣化混合物出口相連；

所述催化裂解單元包括除塵氣入口與凈化氣出口，所述除塵氣入口與所述除塵氣出口相連；

所述氣體分離單元包括凈化氣入口以及二氧化碳出口，所述凈化氣入口與所述凈化氣出口相連；

所述混合半焦活化單元包括混合半焦入口、二氧化碳入口、活性炭出口以及活化后二氧化碳出口，所述混合半焦入口分別與所述混合半焦出口和所述分離后半焦出口相連，所述二氧化碳入口與所述氣體分離單元的二氧化碳出口相連。

進一步地，所述氣體分離單元還包括富氫還原氣出口，所述富氫還原氣出口和所述富氫還原氣噴嘴相連。

具體地，所述煤加氫氣化單元使用的裝置為氣流床加氫氣化爐。所述旋風分離單元使用的裝置是旋風分離器。所述催化裂解單元使用的裝置是高溫催化反應器。所述氣體分離單元使用的裝置是氣體分離器。所述半焦活化單元使用的裝置是活化室。

具體地，所述氣流床加氫氣化爐包括反應區(qū)、激冷區(qū)和混合半焦儲存區(qū)；其中，

所述煤粉噴嘴、所述富氫還原氣噴嘴和所述氣化混合物出口均設置在所述反應區(qū)。優(yōu)選地，所述富氫還原氣噴嘴的個數(shù)為偶數(shù)，對稱排列在所述煤粉噴嘴的四周。更優(yōu)選地，所述煤粉噴嘴設置在所述氣流床加氫氣化爐爐頂。

所述生物質(zhì)激冷劑噴嘴設置在靠近所述反應區(qū)下方的所述激冷區(qū)的爐側(cè)壁上。優(yōu)選地，所述生物質(zhì)激冷劑噴嘴的個數(shù)為偶數(shù)，對稱分布在爐體的四周。

所述混合半焦出口設置在所述混合半焦儲存區(qū)的爐體底端。

進一步地，所述混合半焦儲存區(qū)還設有混合半焦擋板和混合半焦刮板。優(yōu)選地，所述混合半焦擋板與水平方向的夾角為30-60°。

進一步地，所述高溫催化反應器包括設在底部的氣體分布器、以及從下往上依次排列的過濾層和焦油催化裂解催化劑層，所述過濾層為陶瓷過濾板。

本發(fā)明還提供了一種制備還原氣和活性炭的方法，其特征在于，包括步驟：

a.粉煤加氫氣化：在所述煤加氫氣化單元用生物質(zhì)作為激冷劑對原料煤粉與還原氣的反應產(chǎn)物進行激冷，得到混合半焦以及氣化混合物；

b.旋風分離：在所述旋風分離單元將所述氣化混合物分離后，得到一定粒度的分離后的混合半焦以及除塵氣；

c.催化裂解：在所述催化裂解單元將所述除塵氣依次經(jīng)過過濾和焦油催化裂解處理得到凈化氣；

d.氣體分離：在所述氣體分離單元將所述凈化氣分離，得到富氫還原氣以及二氧化碳；

e.半焦活化：所述混合半焦活化單元利用二氧化碳對粉煤加氫氣化后得到的混合半焦及旋風分離得到的混合半焦進行活化，形成活性炭。

進一步地，所述方法還包括：將氣體分離后得到所述富氫還原氣，作為粉煤加氫氣化的還原氣氫氣來源通入所述煤加氫氣化單元，與所述原料煤粉發(fā)生反應。

優(yōu)選地，在步驟a中，將所述所述原料煤粉的粒度控制在小于100um，所述生物質(zhì)的粒度控制在小于1mm。

進一步地，在步驟a中，所述原料煤粉與所述富氫還原氣的反應溫度被控制在800-1000℃，反應壓力2-4mpa，氣化時間＜2s。

進一步地，在步驟a中，所述生物質(zhì)對所述反應產(chǎn)物激冷后的溫度被控制在600℃以下。

優(yōu)選地，所述步驟b中，所述分離后的混合半焦粒度被控制在5-100um。

具體地，所述步驟c中，所述焦油裂解催化中所用的催化劑為cao。優(yōu)選地，所述焦油催化裂解的溫度為750-900℃。

進一步地，所述步驟d中，所述分離方法為變壓吸附法。

優(yōu)選地，所述步驟e中，將所述活化溫度控制在800-950℃。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案有如下優(yōu)點：

(1)充分利用煤加氫氣化與生物質(zhì)熱解的溫度差，將生物質(zhì)作為煤加氫氣化的激冷劑，在冷卻氣化產(chǎn)物的同時完成熱解，充分利用氣化產(chǎn)物的熱量，并使得生物質(zhì)變廢為寶，獲取油氣產(chǎn)品；

(2)將煤氣化與生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的混合半焦用作制備活性炭的原料，充分利用混合半焦比表面積大的優(yōu)勢，實現(xiàn)混合半焦的綜合高效利用；

(3)將煤氣化與生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的氣化混合物進行分離獲得富氫還原氣及二氧化碳，并將部分富氫還原氣用作煤加氫氣化的氫氣來源，降低煤加氫氣化反應氫源的成本；同時，獲得的二氧化碳用作混合半焦制備活性炭的活化劑，實現(xiàn)煤及生物質(zhì)的分級分質(zhì)利用。

(4)熱解產(chǎn)生的混合半焦及氣化混合物均在高溫下直接利用，充分利用了氣固產(chǎn)物所攜帶的熱量，提高整個系統(tǒng)的熱效率。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的粉煤氣化制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)示意圖；

1-加氫氣化單元，2-旋風分離單元，3-催化裂解單元，4-氣體分離單元，5-混合半焦活化單元；

11-煤粉噴嘴，12-富氫還原氣噴嘴，13-氣化混合物出口，14-生物質(zhì)激冷劑噴嘴，15-混合半焦擋板，16-混合半焦刮板，17-混合半焦出口，18-反應區(qū)，19-激冷區(qū)，10-混合半焦儲存區(qū)；

21-氣化混合物入口，22-分離后半焦出口，23-除塵氣出口；

31-除塵氣入口，32-氣體分布器，33-過濾層，34-焦油催化裂解催化劑層，35-凈化氣出口；

41-凈化氣入口，42-富氫還原氣出口，43-二氧化碳出口；

51-半焦入口，52-二氧化碳入口，53-活性炭出口，54-活化后二氧化碳出口。

圖2為本發(fā)明的粉煤氣化制備還原氣和活性炭的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案及其各個方面的優(yōu)點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制。

為解決煤加氫過程中激冷劑的選擇、和氫氣來源問題，同時實現(xiàn)氣化半焦的高效利用，本發(fā)明提出了一種粉煤氣化制備還原氣和活性炭的系統(tǒng)，包括煤加氫氣化單元1、旋風分離單元2、催化裂解單元3、氣體分離單元4以及混合半焦活化單元5；其中，

所述煤加氫氣化單元1包括煤粉噴嘴11、富氫還原氣噴嘴12、生物質(zhì)激冷劑噴嘴14、混合半焦出口17和氣化混合物出口13；

所述旋風分離單元2包括氣化混合物入口21、分離后半焦出口22以及除塵氣出口23，所述氣化混合物入口21與所述氣化混合物出口13相連；

所述催化裂解單元3包括除塵氣入口31與凈化氣出口35，所述除塵氣入口31與所述除塵氣出口23相連；

所述氣體分離單元4包括凈化氣入口41以及二氧化碳出口43，所述凈化氣入口41與高溫催化反應器的凈化氣出口35相連；

所述混合半焦活化單元5包括混合半焦入口51、二氧化碳入口52、活性炭出口53以及活化后二氧化碳出口54，所述混合半焦入口51分別與所述混合半焦出口17和所述分離后半焦出口22相連，所述二氧化碳入口52與所述氣體分離單元4的二氧化碳出口43相連。

進一步地，所述氣體分離單元4還包括富氫還原氣出口42，所述富氫還原氣出口42和所述富氫還原氣噴嘴12相連。

具體地，所述煤加氫氣化單元1使用的裝置為氣流床加氫氣化爐。所述旋風分離單元2使用的裝置是旋風分離器。所述催化裂解單元3使用的裝置是高溫催化反應器。所述氣體分離單元4使用的裝置是氣體分離器。所述半焦活化單元5使用的裝置是活化室。

具體地，所述氣流床加氫氣化爐包括反應區(qū)18、激冷區(qū)19和混合半焦儲存區(qū)10；其中，

所述煤粉噴嘴11、所述富氫還原氣噴嘴12和所述氣化混合物出口13均設置在所述反應區(qū)18。優(yōu)選地，所述富氫還原氣噴嘴12的個數(shù)為偶數(shù)，對稱排列在所述煤粉噴嘴11的四周。更優(yōu)選地，所述煤粉噴嘴11設置在所述氣流床加氫氣化爐爐頂。

所述生物質(zhì)激冷劑噴嘴14設置在靠近所述反應區(qū)18下方的所述激冷區(qū)19的爐側(cè)壁上，以便使反應區(qū)18產(chǎn)生的氣化半焦與生物質(zhì)激冷劑進行充分混合。優(yōu)選地，所述生物質(zhì)激冷劑14噴嘴的個數(shù)為偶數(shù)，對稱分布在爐體的四周。

所述混合半焦出口17設置在所述混合半焦儲存區(qū)10的爐體底端，以加大出口與生物質(zhì)激冷劑噴嘴14的距離。進一步地，所述混合半焦儲存區(qū)10還設有混合半焦擋板15和混合半焦刮板16。優(yōu)選地，所述混合半焦擋板15與水平方向的夾角為30-60°。

進一步地，所述高溫催化反應器包括設在底部的氣體分布器32、以及從下往上依次排列的過濾層33和焦油催化裂解催化劑層34，所述過濾層33為陶瓷過濾板，用于除去除塵氣，即荒煤氣中的煙塵，并起到蓄熱的作用；所述焦油催化裂解催化劑層34用于將除塵氣中的焦油充分催化以獲取凈化氣。

本發(fā)明還提供了一種制備還原氣和活性炭的方法，其工藝參見圖2，該方法包括步驟：

a.粉煤加氫氣化：原料煤粉與還原氣反應后，其反應產(chǎn)物進入激冷室，和生物質(zhì)激冷劑直接接觸后溫度降低，同時，生物質(zhì)在氣化反應產(chǎn)物攜帶的高溫下，充分利用氣化半焦的熱量發(fā)生熱解，其熱解產(chǎn)物與上述氣化反應產(chǎn)物混合后共同形成混合半焦以及氣化混合物；

b.旋風分離：所述氣化混合物從激冷室進入所述旋風分離單元，分離后得到一定粒度的分離后的混合半焦以及除塵氣，該除塵氣由旋風分離單元頂端排出進入所述催化裂解單元；

c.催化裂解：在氣體分布器的作用下，所述除塵氣均勻分布在高溫催化裂解反應器內(nèi)，并進一步經(jīng)過過濾和焦油催化裂解處理得到凈化氣；

d.氣體分離：在所述氣體分離單元將所述凈化氣分離，得到富氫還原氣以及二氧化碳；所述分離方法可以為變壓吸附法；

e.半焦活化：所述混合半焦活化單元利用二氧化碳對粉煤加氫氣化后得到的混合半焦及旋風分離得到的混合半焦進行活化，形成活性炭。

進一步地，所述方法還包括：將氣體分離后得到所述富氫還原氣，作為粉煤加氫氣化的還原氣氫氣來源通入所述煤加氫氣化單元，與所述原料煤粉充分混合發(fā)生加氫氣化反應。

優(yōu)選地，在步驟a中，將所述所述原料煤粉的粒度控制在小于100um，所述生物質(zhì)的粒度控制在小于1mm。

進一步地，在步驟a中所述原料煤粉與所述富氫還原氣的反應溫度被控制在800-1000℃，反應壓力2-4mpa，氣化時間＜2s。

進一步地，在步驟a中所述生物質(zhì)對所述反應產(chǎn)物激冷后的溫度被控制在600℃以下。

優(yōu)選地，所述步驟b中，所述分離后的混合半焦粒度被控制在5-100um。

具體地，所述步驟c中，所述焦油裂解催化中所用的催化劑為cao。優(yōu)選地，所述焦油催化裂解的溫度為750-900℃。

優(yōu)選地，所述步驟e中，將所述活化溫度控制在800-950℃。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明制備還原氣和活性炭的工藝作進一步地具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進行。

實施例1

將粒度小于100um的原料粉煤和富氫還原氣分別通過煤粉噴嘴和富氫還原氣噴嘴噴入氣流床加氫氣化爐內(nèi)，粉煤與富氫還原氣在下行的過程中充分混合，并在850℃，3mpa條件下發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生氣固混合物；該氣固混合物在激冷室內(nèi)與激冷生物質(zhì)直接接觸，降溫至600℃以下，使得生物質(zhì)熱解，產(chǎn)生油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦；油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦與氣化反應所得產(chǎn)物(包括氣化半焦和煤氣化氣)混合后，形成的混合半焦(包括生物質(zhì)焦和氣化半焦)作為活性炭的原料，形成的氣化混合物(包括煤氣化氣和生物質(zhì)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)品)從激冷室進入旋風分離器；

上述氣化混合物經(jīng)過旋風分離器進行氣固分離，得到5-100um的分離后的混合半焦后被輸送至活化室；而由旋風分離器排出的除塵氣從頂端排出后進入高溫催化裂解反應器，在900℃高溫cao的催化下促使焦油裂解，并經(jīng)進一步過濾后得到凈化氣；凈化氣在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到的富氫還原氣和二氧化碳，分別以高溫輸送方式被送至氣流床加氫氣化爐及混合半焦活化室內(nèi)；最終，從氣流床加氫氣化爐和旋風分離器輸送到活化室內(nèi)的混合半焦在高溫co2作用下，活化溫度為850℃，最后制得活性炭。

實施例2

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度小于100um的原料粉煤和富氫還原氣分別通過煤粉噴嘴和富氫還原氣噴嘴噴入氣流床加氫氣化爐內(nèi)，粉煤與富氫還原氣在下行的過程中充分混合，并在800℃，3mpa條件下發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生氣固混合物；該氣固混合物在激冷室內(nèi)與激冷生物質(zhì)直接接觸，降溫至600℃以下，使得生物質(zhì)熱解，產(chǎn)生油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦；油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦與氣化反應所得產(chǎn)物(包括氣化半焦和煤氣化氣)混合后，形成的混合半焦(包括生物質(zhì)焦和氣化半焦)作為活性炭的原料，形成的氣化混合物(包括煤氣化氣和生物質(zhì)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)品)從激冷室進入旋風分離器；

上述氣化混合物經(jīng)過旋風分離器，進行氣固分離，得到5-100um的分離后的混合半焦后被輸送至活化室；而由旋風分離器排出的除塵氣從頂端排出后進入高溫催化裂解反應器，在800℃高溫cao的催化下促使焦油裂解，并經(jīng)進一步過濾后得到凈化氣；凈化氣在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到的富氫還原氣和二氧化碳，分別以高溫輸送方式被送至氣流床加氫氣化爐及混合半焦活化室內(nèi)；最終，從氣流床加氫氣化爐和旋風分離器輸送到活化室內(nèi)的混合半焦在高溫co2作用下，活化溫度為900℃，最后制得活性炭。

實施例3

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度小于100um的原料粉煤和富氫還原氣分別通過煤粉噴嘴和富氫還原氣噴嘴噴入氣流床加氫氣化爐內(nèi)，粉煤與富氫還原氣在下行的過程中充分混合，并在1000℃，2mpa條件下發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生氣固混合物；該氣固混合物在激冷室內(nèi)與激冷生物質(zhì)直接接觸，降溫至600℃以下，使得生物質(zhì)熱解，產(chǎn)生油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦；油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦與氣化反應所得產(chǎn)物(包括氣化半焦和煤氣化氣)混合后，形成的混合半焦(包括生物質(zhì)焦和氣化半焦)作為活性炭的原料，形成的氣化混合物(包括煤氣化氣和生物質(zhì)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)品)從激冷室進入旋風分離器；

上述氣化混合物經(jīng)過氣固分離，得到5-100um的分離后的混合半焦后被輸送至活化室；而由旋風分離器排出的除塵氣從頂端排出后進入高溫催化裂解反應器，在750℃高溫cao的催化下促使焦油裂解，并經(jīng)進一步過濾后得到凈化氣；凈化氣在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到的富氫還原氣和二氧化碳，分別以高溫輸送方式被送至氣流床加氫氣化爐及混合半焦活化室內(nèi)；最終，從氣流床加氫氣化爐和旋風分離器輸送到活化室內(nèi)的混合半焦在高溫co2作用下，活化溫度為950℃，最后制得活性炭。

實施例4

本實施例制備還原氣和活性炭的工藝和實施例1步驟相同，但工藝參數(shù)不同，具體如下：

將粒度小于100um的原料粉煤和富氫還原氣分別通過煤粉噴嘴和富氫還原氣噴嘴噴入氣流床加氫氣化爐內(nèi)，粉煤與富氫還原氣在下行的過程中充分混合，并在900℃，4mpa條件下發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生氣固混合物；該氣固混合物在激冷室內(nèi)與激冷生物質(zhì)直接接觸，降溫至600℃以下，使得生物質(zhì)熱解，產(chǎn)生油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦；油氣產(chǎn)品以及生物質(zhì)焦與氣化反應所得產(chǎn)物(包括氣化半焦和煤氣化氣)混合后，形成的混合半焦(包括生物質(zhì)焦和氣化半焦)作為活性炭的原料，形成的氣化混合物(包括煤氣化氣和生物質(zhì)產(chǎn)生的油氣產(chǎn)品)從激冷室進入旋風分離器；

上述氣化混合物經(jīng)過旋風分離器進行氣固分離，得到5-100um的混合半焦被輸送至活化室；而由旋風分離器排出的除塵氣從頂端排出后進入高溫催化裂解反應器，在900℃高溫cao的催化下促使焦油裂解，并經(jīng)進一步過濾后得到凈化氣；凈化氣在氣體分離器內(nèi)通過變壓吸附，分離得到的富氫還原氣和二氧化碳，分別以高溫輸送方式被送至氣流床加氫氣化爐及混合半焦活化室內(nèi)；最終，從氣流床加氫氣化爐和旋風分離器輸送到活化室內(nèi)的混合半焦在高溫co2作用下，活化溫度為900℃，最后制得活性炭。

以上實施例中，生物質(zhì)作為煤加氫氣化的激冷劑，在冷卻氣化半焦的同時充分利用氣化半焦的熱量后發(fā)生熱解；所得混合半焦及氣化混合物經(jīng)分離凈化后可作為制備活性炭的碳基原料、煤加氫氣化的氫氣來源以及混合半焦制備活性炭的活化劑，實現(xiàn)了熱解產(chǎn)品的分級分質(zhì)利用，整個系統(tǒng)的碳利用率及熱效率大大提高?？梢?，該發(fā)明的技術(shù)方案能同時解決煤加氫過程中激冷劑的選擇和氫氣來源問題，并能同時實現(xiàn)氣化半焦的高效利用。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。