煤炭高效催化气化系统及方法
技术领域
本公开涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种煤炭高效催化气化系统及方法。
背景技术
实现煤炭的清洁高效利用成为能源技术行业不断探索的课题。随着科技进步，煤气化逐渐成为煤炭高效、清洁利用的主要途径之一。目前煤气化技术主要采用两段炉褐煤气化、碎煤加压气化、高压流化床气化、水煤浆气流床气化、粉煤气流床气化等工艺。其中水煤浆气流床气化、粉煤气流床气化工艺的气化温度和压力要求相对较高，主要生产合成气(CO、H2)用于合成化学品，碳转化率较高，但没有甲烷、焦油等副产品。高压流化床气化工艺的气化温度和压力比气流床气化工艺低，煤气产品中虽含有甲烷，但比例相对较低，且碳转化率不高。碎煤加压气化工艺能够产生焦油和一定含量的甲烷产品，但原料主要为块煤，碳转化率相对气流床气化工艺较低。两段炉褐煤气化工艺能够产生较多焦油和高甲烷含量煤气，但碳转化率只有50％至60％。
上述气化技术由于受到原料、操作条件等制约，不能同时满足高碳转化率、高焦油和高甲烷生成率等技术需求，无法实现目前提倡的煤炭分级转化、梯级利用发展目标，一定程度影响了煤气化技术的适用性和经济性。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种煤炭高效催化气化系统及方法，实现高碳转化率，提高焦油和甲烷产率。
本公开提供了一种煤炭高效催化气化系统，包括灰浆气化单元、催化气化单元及催化热解单元；催化热解单元用于通入原料煤和催化气化单元生成的高温粗煤气，原料煤和高温粗煤气发生热解反应和甲烷化反应生成煤焦、粗煤气、焦油及煤灰；灰浆气化单元用于通入氧气、水、催化气化单元生成的炉灰和催化热解单元生成的煤灰，氧气、水、炉灰和煤灰发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应生成高温湿煤气和灰渣；催化气化单元用于通入灰浆气化单元生成的高温湿煤气和催化热解单元生成的煤焦，高温湿煤气和煤焦发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应生成高温粗煤气和炉灰；灰浆气化单元、催化气化单元及催化热解单元的反应温度依次递减。
可选的，还包括分离单元和灰浆制备单元，分离单元用于对催化热解单元生成的粗煤气、焦油及煤灰进行分离；灰浆制备单元用于对分离单元分离的煤灰和催化气化单元生成的炉灰进行灰浆制备，制备出的灰浆通入灰浆气化单元。
可选的，还包括催化剂回收单元，催化剂回收单元用于对催化气化单元生成的炉灰和催化热解单元生成的煤灰中的催化剂进行回收，经过催化剂回收的炉灰和煤灰通入灰浆制备单元。
可选的，催化热解单元与分离单元之间设置有气固分离单元，气固分离单元的进口与催化热解单元连接，气固分离单元的气体出口与分离单元连接，气固分离单元的粉尘出口与催化气化单元连接。
可选的，催化气化单元与催化热解单元之间设置有废热锅炉单元，废热锅炉单元用于对由催化气化单元通入催化热解单元中的高温粗煤气进行换热降温。
可选的，灰浆气化单元的反应温度为850至1300℃。
可选的，催化气化单元的反应温度为650至800℃。
可选的，催化热解单元的反应温度为400至600℃。
本公开还提供了一种煤炭高效催化气化方法，包括如下步骤：
步骤一、催化热解单元中通入原料煤和催化气化单元生成的高温粗煤气，原料煤和高温粗煤气发生热解反应生成煤焦、粗煤气、焦油及煤灰，其中煤焦通入催化气化单元，煤灰通入灰浆气化单元；
步骤二、灰浆气化单元中通入氧气和水，氧气、水、炉灰和煤灰发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应生成高温湿煤气和灰渣，高温湿煤气通入催化气化单元；
步骤三、催化气化单元中的高温湿煤气和煤焦发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应生成高温粗煤气和炉灰，其中炉灰通入步骤二中的灰浆气化单元，高温粗煤气通入步骤一中的催化热解单元。
催化热解单元生成的煤焦、粗煤气、焦油及煤灰先通入气固分离单元进行气固分离，再通入分离单元；
分离单元将催化热解单元生成的粗煤气中的一氧化碳、氢气及甲烷分离作为煤气产品，将生成的焦油分离作为焦油产品，将煤灰分离通入催化剂回收单元；
催化气化单元生成的炉灰和分离单元分离的煤灰先通入催化剂回收单元进行催化剂回收，再通入灰浆制备单元，制备出的灰浆通入灰浆气化单元；
催化气化单元生成的高温粗煤气先通入废热锅炉单元进行换热降温，再通入催化热解单元。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：灰浆气化单元作为系统的供气供热单元，为整个系统提供所需蒸汽、煤气和热量，其中主要发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应；催化气化单元是系统的核心单元，是煤气产品产生的主要反应单元，利用灰浆气化单元生成的高温湿煤气和催化热解单元生成的煤焦生成煤气，其中主要发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应；催化热解单元是系统的重要组成部分，是系统焦油副产品的生成单元，通过操作可调控焦油品质和产率，同时提高甲烷生成率，其中主要发生热解反应和甲烷化反应；上述三个单元的布置创造性的将催化热解、催化气化、灰浆气化三个反应单元有序组合，将冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触，实现了煤炭低温热解、煤焦中温气化、灰浆高温燃烧反应的合理控制，实现了不同反应温度的控制，实现了热量的有效匹配，实现了煤炭的分级转化、梯级利用，对各个反应的生成产物进行有效的利用，提高了碳转化率，保证了焦油和甲烷等目标产品量的最大化。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的煤炭高效催化气化系统示意图。
其中，1、灰浆气化单元；2、催化气化单元；3、催化热解单元；4、分离单元；5、灰浆制备单元；6、催化剂回收单元；7、气固分离单元；8、废热锅炉单元。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本公开提供的一种煤炭高效催化气化系统，包括灰浆气化单元1、催化气化单元2及催化热解单元3；催化热解单元3用于通入原料煤和催化气化单元2生成的高温粗煤气，原料煤和高温粗煤气发生热解反应和甲烷化反应生成煤焦、粗煤气、焦油及煤灰；灰浆气化单元1用于通入氧气、水、催化气化单元2生成的炉灰和催化热解单元3生成的煤灰，氧气、水、炉灰和煤灰发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应生成高温湿煤气和灰渣；催化气化单元2用于通入灰浆气化单元1生成的高温湿煤气和催化热解单元3生成的煤焦，高温湿煤气和煤焦发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应生成高温粗煤气和炉灰；灰浆气化单元1、催化气化单元2及催化热解单元3的反应温度依次递减。
与现有技术相比，灰浆气化单元1作为系统的供气供热单元，为整个系统提供所需蒸汽、煤气和热量，其中主要发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应；催化气化单元2是系统的核心单元，是煤气产品产生的主要反应单元，利用灰浆气化单元1生成的高温湿煤气和催化热解单元3生成的煤焦生成煤气，其中主要发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应；催化热解单元3是系统的重要组成部分，是系统焦油副产品的生成单元，通过操作可调控焦油品质和产率，同时也可提高甲烷生成率，其中主要发生热解反应和甲烷化反应；上述三个单元的布置创造性的将催化热解、催化气化、灰浆气化三个反应单元有序组合，将冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触，实现了煤炭低温热解、煤焦中温气化、灰浆高温燃烧反应的合理控制，实现了不同反应温度的控制，实现了热量的有效匹配，实现了煤炭的分级转化、梯级利用，对各个反应的生成产物进行有效的利用，提高了碳转化率，保证了焦油和甲烷等目标产品量的最大化。
具体的，“冷物料与热煤气在不同反应单元逆向接触”体现在如下两方面：
一、系统内各单元之间物料的逆向接触，常温原料煤先进入低温的催化热解单元3，生成的煤焦通入中温的催化气化单元2，然后生成的炉灰通入高温的灰浆气化单元1，实现了煤的梯级转化，提高了副产品产率和碳转化率；从灰浆气化单元1生成的高温湿煤气依次经中温的催化气化单元2及低温的催化热解单元3，对应与煤焦及原料煤逆向接触，实现热量的梯级利用，提高了系统的热效率；
二、单个反应单元内的逆向接触，比如催化热解单元3，常温原料煤自中上部通入向下移动，生成的煤焦由下部排出，高温粗煤气由下部通入，向上流动生成新的粗煤气排出；比如催化气化单元2，煤焦自中上部通入向下移动，生成的炉灰由下部排出，高温湿煤气由下部通入，向上流动生成新的高温粗煤气排出；单个反应单元内发生冷热物料逆向接触，提高了系统碳转化效率和热效率。
在一些实施例中，如图1所示，还包括分离单元4和灰浆制备单元5，分离单元4用于对催化热解单元3生成的粗煤气、焦油及煤灰进行分离；灰浆制备单元5用于对分离单元4分离的煤灰和催化气化单元2生成的炉灰进行灰浆制备，制备出的灰浆通入灰浆气化单元1。还包括催化剂回收单元6，催化剂回收单元6用于对催化气化单元2生成的炉灰和催化热解单元3生成的煤灰中的催化剂进行回收，经过催化剂回收的炉灰和煤灰通入灰浆制备单元5。
催化气化单元2生成的炉灰和分离单元4分离的煤灰都含有一定的催化剂，催化剂回收单元6可通入水使得催化剂溶于水，催化剂回收单元6可配置固液分离装置将催化剂溶液分离回收，也可通入消解液使非水溶性的催化剂得到回收，分离得到的灰浆则通入灰浆制备单元5进行进一步的制备灰浆。
在一些实施例中，如图1所示，催化热解单元3与分离单元4之间设置有气固分离单元7，气固分离单元7的进口与催化热解单元3连接，气固分离单元7的气体出口与分离单元4连接，气固分离单元7的粉尘出口与催化气化单元2连接。催化热解单元3反应会生成一定量的飞灰，可采用气固分离单元7将催化热解单元3上部出气口排出的飞灰尽可能的分离回收，然后将飞灰通入催化气化单元2进行气化反应，充分的提高碳转化率。
在一些实施例中，如图1所示，催化气化单元2与催化热解单元3之间设置有废热锅炉单元8，废热锅炉单元8用于对由催化气化单元2通入催化热解单元3中的高温粗煤气进行换热降温。催化热解单元3内主要发生热解反应和甲烷化反应，其温度需求不高，所以设置废热锅炉单元8对高温粗煤气进行适当的降温，利用粗煤气高品位热量副产蒸汽，提高技术经济性。
在一些实施例中，灰浆气化单元1的反应温度为850至1300℃。灰浆气化单元1内发生燃烧反应，为整个系统提供热量，所以反应温度较高。
在一些实施例中，催化气化单元2的反应温度为650至800℃。此温度适于高温湿煤气和煤焦反应生成煤气。
在一些实施例中，催化热解单元3的反应温度为400至600℃。此温度适于原料煤与高温粗煤气发生热解反应和甲烷化反应。
本公开提供的一种煤炭高效催化气化方法，包括如下步骤：
步骤一、催化热解单元3中通入原料煤和催化气化单元2生成的高温粗煤气，原料煤和高温粗煤气发生热解反应生成煤焦、粗煤气、焦油及煤灰，其中煤焦通入催化气化单元2，煤灰通入灰浆气化单元1；
步骤二、灰浆气化单元1中通入氧气和水，氧气、水、炉灰和煤灰发生燃烧反应、煤气化反应及水煤气变换反应生成高温湿煤气和灰渣，高温湿煤气通入催化气化单元2；
步骤三、催化气化单元2中的高温湿煤气和煤焦发生煤气化反应、水煤气变换反应及甲烷化反应生成高温粗煤气和炉灰，其中炉灰通入步骤二中的灰浆气化单元1，高温粗煤气通入步骤一中的催化热解单元3。
在一些实施例中，催化热解单元3生成的煤焦、粗煤气、焦油及煤灰先通入气固分离单元7进行气固分离，再通入分离单元4；
分离单元4将催化热解单元3生成的粗煤气中的一氧化碳、氢气及甲烷分离作为煤气产品，将生成的焦油分离作为焦油产品，将煤灰分离通入催化剂回收单元6；
催化气化单元2生成的炉灰和分离单元4分离的煤灰先通入催化剂回收单元6进行催化剂回收，再通入灰浆制备单元5，制备出的灰浆通入灰浆气化单元1；
催化气化单元2生成的高温粗煤气先通入废热锅炉单元8进行换热降温，再通入催化热解单元3。
本发明其中一实施例的具体工作过程如下：
灰浆气化单元1作为系统的供气供热单元，为整个系统提供所需蒸汽、煤气和热量。灰浆气化单元1采用气化炉，气化炉可选用但不限于单喷嘴水煤浆气化炉、多喷嘴水煤气气化炉、水煤浆锅炉等，由灰浆制备单元5送来的具有一定碳含量的灰浆与氧气在气化炉内充分反应生成高温湿煤气，高温湿煤气由气化炉的出气口通入催化气化单元2，灰渣由排料口排出，气化反应温度为850至1300℃，反应压力为4.5至6.0MPa。当灰浆碳含量较低不足以维持反应温度时，可通过催化气化单元2进行调控，提高炉灰碳含量，也可在灰浆制备单元5中直接加入原料煤。
高温湿煤气的主要成分为二氧化碳、过热蒸汽、氢气、一氧化碳，温度为850至1300℃，压力为4.5至5.5MPa。灰浆气化单元1的主要化学反应有：
燃烧反应：C+O2→CO+CO2
煤气化反应：C+H2O→CO+H2
水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2。
催化气化单元2是系统的核心单元，是煤气产品产生的主要反应单元。由催化热解单元3送来的煤焦和气固分离单元7送来的飞灰在催化气化单元2内与灰浆气化单元1送来的高温湿煤气充分发生催化气化反应，实现煤焦和飞灰中碳的高效转化，生成高温粗煤气和炉灰，高温粗煤气由气化炉的出气口通入催化热解单元3，炉灰由排料口排至催化剂回收单元6。催化气化单元2采用气化炉，气化炉可选用但不限于高压流化床，反应温度为650至800℃，反应压力为3.5至4.5MPa。
根据灰浆气化单元1的需求可调节催化气化反应停留时间进而控制炉灰的碳含量，一般控制碳含量为10％至35％，同时催化剂跟随炉灰一同排出气化炉进入催化剂回收单元6。
高温粗煤气的主要成分有氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、蒸汽等，温度为650至800℃，压力为3.5至4.0MPa。催化气化单元2的主要化学反应有：
煤气化反应：C+H2O→CO+H2
水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2
甲烷化反应：CO+H2→CH4+H2O。
催化热解单元3是系统的重要组成部分，是系统焦油副产品的生成单元，通过操作可调控焦油品质和产率，同时可提高甲烷生成率。由催化气化单元2送来的高温粗煤气经过废热锅炉单元8调控降温与负载催化剂的原料煤充分接触，原料煤可为烟煤，粒径5mm以下，负载碱金属催化剂，经过干燥后原料煤水分控制在10％以下。使原料煤快速热解，生成富含焦油的粗煤气和煤焦。催化热解单元3可选用但不限于高压流化床、固定床、输运床等，热解反应温度为400至600℃，热解压力为3.0至4.0MPa。催化热解单元的主要化学反应有：
热解反应：煤富氢富蒸汽环境→挥发分+焦油+煤焦
甲烷化反应：CO+H2→CH4+H2O。
由于催化热解单元3内存在一定高度的含有催化剂的煤焦床料，在低温400至600℃高压3.0至4.0MPa下催化气化产生粗煤气中的一氧化碳和氢气可以进一步发生甲烷化反应，进一步提高煤气中的甲烷含量。
废热锅炉单元8位于催化气化单元2与催化热解单元3之间，主要作用为根据催化热解单元3的煤质特点和运行温度及时调控高温粗煤气温度，同时回收高温粗煤气热量副产中压过热蒸汽供系统使用或进行发电。废热锅炉单元8可选用但不限于立式火管锅炉或卧式火管锅炉，可根据粗煤气中粉尘含量进行选型。
气固分离单元7、分离单元4为整个系统的后处理单元，主要对催化热解单元3送来的粗煤气进行气固分离和冷却降温，先分离出来的飞灰返回催化气化单元2再利用，提高系统碳转化率。气固分离单元7可选用但不限于旋风分离器、金属过滤器、陶瓷过滤器、布袋过滤器，也可以是其中几种的组合使用。分离单元4主要作用为实现气、水、油、尘的有效分离，其中气作为煤气产品、油作为焦油产品、水和尘混合成煤灰进入催化剂回收单元6。分离单元4通常是几种设备或系统的组合，主要由冷却器、水洗塔、分离罐等构成。
催化剂回收单元6主要是对炉灰和煤泥中的催化剂进行回收，一般方法为水洗回收可溶部分催化剂，消解回收不可溶部分催化剂，水洗和消解后产生催化剂溶液产品实现循环使用；
灰浆制备单元5接收来自催化剂回收单元6的灰浆，通过磨机将灰浆、水、添加剂均匀混合制成灰浆，作为灰浆气化单元1的主要原料。根据灰浆气化单元1运行需求，制浆过程中也可添加一定量的原煤，灰浆浓度一般控制在15％至50％。
【实施例】
利用本发明的煤炭高效催化气化系统及方法对不连沟烟煤进行综合转化利用。灰浆气化单元1采用单喷嘴气流床，操作温度950℃，操作压力5.0MPa，灰浆浓度设为35％，碳含量40％，生成900℃、4.8MPa的高温湿煤气送至催化气化单元2，在高压流化床内与催化热解单元3送来的550℃煤焦、气固分离单元7送来的500℃飞灰进行催化气化反应，催化气化温度控制在700℃至750℃，压力为4.0MPa，排出的炉灰(碳含量控制38％至40％)送至催化剂回收单元6，生成700℃的高温粗煤气经过废热锅炉单元8冷却至620℃后送至催化热解单元3，对负载12％ECC-K01催化剂的不连沟粉煤(粉煤粒径≤5mm)进行加压快速催化热解，热解温度为565℃，压力为3.8MPa，生成的粗煤气经过气固分离单元7、分离单元4处理，最终分为各类产品送出系统；冷却降温系统对焦油产品进行分离收集后送至焦油储罐，煤灰送至催化剂回收单元6；催化剂回收单元6对炉灰和煤灰进行催化剂水洗和消解回收，水洗条件为80℃、常压、停留时间20min，消解条件为180℃、饱和蒸汽压力、停留时间120min，消解剂添加量为炉灰和煤灰重量的45％，生成浓度40％ECC-K01催化剂溶液产品循环利用，催化剂回收率为96％，灰浆送至灰浆制备单元制备浓度40％灰浆。通过本发明所述系统及方法，实现了不连沟煤的高效清洁经济转化，具体数据如表1所示。
【对比例1】
采用现有技术中多层流化床气化反应装置，选用负载12％ECC-K01催化剂的不连沟粉煤(粉煤粒径≤5mm)，气化温度700℃至750℃，压力4.0MPa，生产富含焦油及甲烷的煤气产品，产生的灰渣进行催化剂回收，回收率达到95％，催化剂溶液产品进行循环利用，具体数据如表1所示。
【对比例2】
采用传统碎煤加压气化反应装置，选用5mm至50mm不连沟块煤(粒径太大无法负载催化剂)，气化温度控制700℃至750℃，压力4.0MPa，生产煤气产品，具体数据如表1所示。
表1：运行具体数据
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
