一种型煤与加氢气化方法

技术领域

本发明属于煤化工领域，特别涉及煤基能源化工产业中的煤加氢气化技术方法。

背景技术

在中国，煤作为能源化工的原料，通常经气化后再生产合成氨、甲醇、天然气、燃油等产品。其煤气化通常采用加压气流床、移动床、流化床，纯氧、或富氧水蒸汽气化。加压气流床、流化床，纯氧、或富氧水蒸汽气化，因气化炉出气温度高达1000℃以上，不仅单位产品1000Nm

移动床煤气化，尤其是CN112126469A等所述的含有加氢煤气化的加压移动床煤气化，由于煤气出炉温度低，再加上煤加氢C+2H

但现行没直接加氢的加压移动床煤气化的原料煤，不仅需要粒度20～75mm的块煤，而且对块煤还有热稳定性，即不能过多的受热粉化，以免堵塞；粘结性，即不能含有太多的沥青结焦物质，以防止在热解干馏期间大规模结块，导致气体偏流，等气化工艺要求。这就大大减小了气化用煤的范围，使大部分廉价的煤不能成为原料煤，而使成本增加。

由于现行煤炭均是机械化开采，其能够入炉气化的块煤率只有40％，大量的粉煤不能利用，这又大幅增加了成本。尤其是将来日益严格的碳减排限制下，直接燃煤电厂数量锐减，甚至消失，CN112126469A等所述的含有加氢煤气化的加压移动床煤气化，剩下的粉煤更无销路，无疑更将增加产品成本。

现行的型煤及其生产工艺通常在常温、常压、空气环境中生产。由于没有利用煤中固有的粘结物质，必须添加粘结剂，不仅加工成本高，通常还只能用于常压移动床煤气化，用于加压移动床均会出现严重的粉化。导致气化炉无法正常运行。

发明内容

本发明的目的，就是向社会提供一种能够适应加压移动床气化的型煤的生产和加氢煤气化技术方法，以便能够利用各种廉价的粉煤低成本的生产富含天然气、煤焦油等的煤基能源化工产品。

1.一种型煤与加氢气化方法，将原煤干燥(A)至水分≤10％、粉碎(B)、分筛(C)至粒度小于3mm，其特征在于，经配料(D)调节、控制煤料中粘结物、催化剂、脱硫剂组分，并混合(E)均匀后，通过煤锁(1)将混合均匀的粉煤送入气相压力与加压气化炉(6)相同的加压加热窑(2)，加热温度根据煤种加热至80～160℃、或161～300℃，再送入气相压力与加压气化炉(6)相同的加压型煤生产机组(3)加工成型煤(Z、N、W)，型煤(Z、N、W)再，经可伸缩带式输送机(5)送入气化炉(6)内；在加压加热窑(2)与加压型煤生产机组(3)接口，设有无焦油富甲烷氢煤气加入口，以便加入少量无焦油富甲烷氢煤气，以使加压型煤生产机组(3)和可伸缩带式输送机(5)与气化炉(6)，联通的空间充满无焦油富烃氢煤气，以防止气化室上行的富烃氢煤气中的煤焦油蒸汽进入其空间沉积煤焦油；

型煤(Z)共1件，见图1，经可伸缩带式输送机(5)送入气化炉(6)内的中心气化室(7) 上口，型煤(Z)被上方的中心气化室抱煤钳(10)抱起，可伸缩带式输送机(5)退至内环气化室(8)上口，抱煤钳(10)将型煤(Z)放入中心气化室(7)，并将型煤(Z)向下推送一个型煤厚度的距离；

可伸缩带式输送机(5)将型煤(N)，见图2，共6件，分步送至内环气化室(8)上口，被固定在内环步进旋转机构(8a)的6台内环气化室抱煤钳(11)依次抱起，可伸缩带式输送机(5)退至外环气化室(9)上口，6台内环气化室抱煤钳(11)将抱起的型煤(N)共6 件，放入其下方的内环气化室(8)，并将6件型煤(N)向下推送一个型煤厚度的距离；内环气化室(8)由6个截面为扇形的小气化室在中心气化室(7)周围圆周布置，见图4；

可伸缩带式输送机(5)将型煤(W)，见图3，共12件，分步送至外环气化室(9)上口，被固定在外环步进旋转机构(9a)的12台抱煤钳(12)依次抱起，可伸缩带式输送机(5) 退至气化炉(6)外，12台抱煤钳(12)将抱起的型煤(W)共12件，放入其下方的外环气化室(9)，并将12件型煤(W)向下推送一个型煤厚度的距离；外环气化室(9)由12个截面为扇形的小气化室在内环气化室(8)周围圆周布置，见图4；

每件型煤(Z、N、W)由若干单独成型的小型煤拼成，小型煤上设有气流通道(QLTD)，见图 1、2、3；每件型煤内的小型煤之间的垂直拼缝的垂直投影与其气化室内的加氢构件的垂直投影在同一立面内，以便型煤下行穿过加氢构件时，在垂直拼缝处裂开，使型煤顺利下行，并减少型煤的下行阻力及粉化；

在气化炉(6)正常运行期间，上述型煤生产和型煤转运至各气化室的过程，为连续的周期性重复过程；气化炉(6)的氢煤气段也可仅由中心气化室(7)和内环气化室(8)组成、或多环气化室组成、或多个截面为六边形的气化室组成；气化炉(6)的气化工艺压力大于或等于大气压力；

型煤(Z、N、W)的数量、形状由工程设计时具体需要确定；

型煤(Z、N、W)在各自气化室内，在抱煤钳每次将型煤放入气化室的向下推送力和重力作用下，下向下移动，并先后经历(参见图5)：

①在干燥段(13)被来自热解干馏段(14)上行的富烃氢煤气加热到250～350℃，脱出结晶水和羟基水，并进入气相，随富烃氢煤气经富烃氢煤气出口(H)离开气化炉(6)，干燥后的型煤下行，进入热解干馏段(14)；

②进入热解干馏段(14)的型煤，被来自快速加氢气化段(15)的温度更高的富甲烷氢煤气进一步加热到400～600℃后，型煤受热分解后馏出煤焦油，煤焦油在高温作用下，部分气化为气态煤焦油进入气相，使富甲烷氢煤气转变为富烃氢煤气，热解干馏后的型煤转变为富含固态高碳烯烃、炔烃等不饱和烃的活性半焦，活性半焦继续下行进入快速加氢气化段 (15)；

③进入快速加氢气化段(15)的活性半焦上含有丰富的固态不饱和烃，在650℃以上更具优良的加氢化学反应活性，即刻与上行的低甲烷氢煤气中的氢元素进行快速的加氢反应，生成大量甲烷进入气相，并使温度上升到650～750℃，使气相甲烷含量迅速增加，使低甲烷氢煤气变为甲烷含量达到30～45％的富甲烷氢煤气，活性半焦变为焦炭，焦炭继续下行，穿过半焦加氢构件(16)，进入焦炭加氢气化段(17)；

④进入焦炭加氢气化段(17)的焦炭，被来自高温焦炭加氢气化段(19)的高温贫甲烷氢煤气加热的同时，使焦炭中的活性碳元素的内能和数量均得到增加，这些活性碳元素随即与氢气进行加氢反应生成甲烷，并大量放热使温度进一步升高到800～950℃，由于气相甲烷含量远低于工艺温度、压力条件下的平衡浓度，其质量作用定律驱使甲烷迅速生成，使高温贫甲烷氢煤气变成甲烷含量达到15～25％，温度更高的低甲烷氢煤气，焦炭变为高温焦炭，并继续下行，穿过焦炭加氢构件(18)，进入高温加氢气化段(19)；

⑤进入高温加氢气化段(19)的高温焦炭，尽管焦炭中的活性碳相对元素少，再与甲烷含量低于5％的氢气接触，由于此加氢反应段加入氢气气量小，氢气与高温焦炭接触时间长，单位时间带出热少，反应热存量相对多，加之此处焦炭灰分相对增加，既使焦炭比热容降低，还对加氢反应具有催化作用，故更易升高温度；既有甲烷含量远低于平衡浓度的有利条件，还有温度升高对化学速率的指数级别增加的强力推动，因此高温加氢气化段(19)，仍然能获得较高的甲烷产物，并使该反应段形成达1000～1200℃的最高温度，甚至更高的反应温度，从而十分有利于加氢反应的进行；经此反应，来自高温加氢构件(20)的氢气变为甲烷含量 10～15％的高温贫甲烷氢煤气，高温焦炭变为高温残焦，高温残焦继续下行，在将热量传给来自高温焦炭加氢构件(20)的氢气的同时，自身温度降低至500～700℃，并穿过高温焦炭加氢构件(20)继续下行；先后经残焦泄量栅(21)、残焦泄出门(22)后，进入水煤气段进行水蒸汽气化；

⑥残焦进入水煤气段，与水蒸汽反应生产水煤气后，残焦中的碳元素降至5％以下，成为气化炉渣经灰锁离开气化炉；

2.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，小型煤的上平面上设有凹槽并与气流通道(QLTD)相通；小型煤的气流通道(QLTD)的总截面与型煤的垂直投影总面积之比，即开孔率小于40％；小型煤的垂直高度50～300mm；抱煤钳一次抱起的型煤，为1层或多层的小型煤重叠而成，每层型煤由数个或数十个小型煤整齐拼缝组成拼缝型煤。

3.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，加压加热窑(2)中煤料的加热方式为间接加热、或热气流直接加热、或间接与直接的混合加热；煤料以回转、或搅拌、或静态、或移动床方式加热；型煤从可伸缩带式输送机(5)转送至进入各气化室的过程，或采用机械手完成。

4.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，中心气化室(7)为圆台形、内环气化室(8)共由6个扇形截面组成圆台形、外环气化室(9)共12个扇形截面组成圆台形；中心气化室(7)圆台母线(K)与气化炉中心垂线(V)夹角≤2°，内环气化室(8)圆台母线(Y)与气化炉中心垂线(V)夹角≤3°，外环气化室(9)圆台母线(X)与气化炉中心垂线 (V)夹角≤4°。

5.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，每个加氢构件进口设有阀门，本案共57个加氢构件，共设有57个阀门，外环气化室3×12个阀门，内环气化室3×6个阀门，中心气化室3×1个阀门；进入每个加氢构件的氢气量，均可视其加氢反应的温度和甲烷浓度，调节其加氢气量；当加氢构件不加氢时，该气化炉可转变为加压空气煤气的气化炉、或水煤气、富氧蒸汽气化炉。

6.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，残焦泄量门(21)为由2个转轴控制的对开门组成，通过开度控制泄出残焦的数量，转轴一端穿出气化炉壁，由其相联的专门机构驱动；残焦泄出门(22)由2个转轴控制的对开门组成，转轴一端穿出气化炉壁，由其相联的专门机构驱动，在其门关闭状态时，通过设在残焦泄出门框下方的高硅纤维毡实现1200℃以下的软密封，以减少、或消除水煤气段与氢煤气段之间可能出现的窜气，残焦泄出门(22)只在需要析出残焦时才开启。

7.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，残焦中的碳元素在水煤气段与水蒸汽反应需要的热源，由富氧水蒸汽入炉接口(ZQ)送入的富氧水蒸汽中的氧气，与残焦水煤气反应后剩下的碳元素进行氧化燃烧的放热提供。

8.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，残焦中的碳元素在水煤气段与水蒸汽反应需要的水蒸汽，由水蒸汽入炉接口(ZQ)送入的提供水蒸汽；其需要的热源由微波电磁场融熔、或电磁感应熔铁液、或电弧等方式的电能供热。

9.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，进入氢煤气段气化室(7、8、 9)的原料煤为粒度20～75mm的块煤，或常温大气环境加工的型煤。

10.根据本案所述的一种型煤与加氢气化方法，其特征在于，气化压力为0.5～1.59MPa、或1.6～2.49MPa、或2.5～3.95MPa、或4.0～25MPa。

采用本发明具有以下积极效果：

由粉煤通过机械加工成形的型煤，其内部密度相对块煤更疏松，有利于氢气和热解与加氢反应产物的质量传递，从而增加加氢气化产物的产率。

由于采用120～200℃加热：

①温度升高，不仅使水汽分压上升，还使其吸附水、结晶水转变为游离水，使水汽由煤粒内部在分压的驱使下扩散到煤粒表面；由于气相压力高达1MPa以上，露点温度大大提高，水汽凝聚在煤粒表面及内部，并溶解、螯合腐植酸等亲水粘结剂，以增加粉煤微粒间的粘结性能，而不需采用传统的常温型煤，需要加水溶化粘结剂，增加型煤干燥的能耗。本设计优选间接加热，实际实施根据煤中水分含量也可采用热气体流动直接加热、间接+直接加热，以控制凝结水量，以利于保证型煤机械强度。

②加热使煤中的高温中的沥青等粘结物软化，也增加煤炭微粒之间的粘结性能；

③在加压条件下加热利用了煤中固有的粘结物，省去了传统工艺中的泥类粘接剂增加的大量灰分，也减少了残碳。

④在加压密闭环境下加热，既可回收低位余热，还可避免了在空气环境加热时，型煤的自燃事故，更减少有害气体、有机挥发物、粉尘排入环境。

⑤由于采用采用120～200℃加热加压环境下，配料均匀后再搅拌成型，可充分利用煤加氢产出的煤焦油加氢制燃油、芳烃后剩下的具有高粘结性的沥青烯、多环芳烃等高碳下脚料，提高原料煤的利用率，减少环境污染、降低成本。

小型煤的上平面上设有凹槽并与气流通道(QLTD)相通，以便在气化室内气化时，气体通过凹槽进出气流通道(QLTD)，加快型煤内外气体扩散、渗透、迁移，提高气化效率。

型煤的最佳开孔率、粘结剂等配料，由煤的气化特性通过实验确定，再采用加压高温成型和本气化工艺，就使气化的煤种范围扩大到从褐煤到老年无烟煤、石油焦等含碳资源。

将气化炉分隔成多个小气化室，更易实现对每个气化室的物料进出进行精确控制，也大大提高了大截面移动床气化炉的布料、布气均匀性，可大大提高气化炉的生产强度，提高装置投资运行经济性。

附图说明

图1.中心气化室(7)型煤，即Z型煤垂直投影简图；

图2.内环气化室(8)型煤，即N型煤垂直投影简图；

图3.外环气化室(9)型煤，即W型煤垂直投影简图；

图4.气化炉上部氢煤气段的加氢气化室平面布置示意图；

图5.本发明所述的一种型煤与气化方法的工艺过程及气化炉结构示意图；

图中的标记意义如下：

A.原料煤干燥；

B.原料煤分筛；

C.粉碎筛上大粒度煤；

D.配料，调节、控制煤料中粘结物组分、催化剂、脱硫剂比例；

E.搅拌混合，使煤料中各组分均匀；

F.转运，将混合均匀的粉煤转运至煤锁(1)；

H.富烃氢煤气及出口管道；

H1.送入高温焦炭加氢构件(20)的氢气及管路；

H

H3.送入半焦加氢构件(16)的氢气及管路；

S.水煤气及出口管路；

ZQ.蒸汽、或富氧水蒸汽入炉接口；

LZ.炉渣；

Z.放入中心气化室(7)的型煤；

N.送入内环气化室(8)的型煤

W.送入外环气化室(9)的型煤；

CZPF.垂直拼缝

QLTD.气流通道；

X.外环气化室圆台母线、或气化炉氢煤气段炉壁；

Y.内环气化室圆台母线；

K.中心气化室圆`台母线

V.气化炉中心垂线；

1.煤锁，将粉煤由常压空气环境，转送到加压煤气化压力的容器，2台轮流转运，以保证后工序连续运行；

2.加压加热窑；

3.气相压力与加压气化炉(6)相同的加压型煤生产机组；

4.中心气化室抱煤钳操纵杆，用于控制抱煤钳在可伸缩带式输送机(5)上将型煤抱起后，将型煤放入中心气化室的操作；

5.可伸缩带式输送机；

6.气化炉；

7.中心气化室，本案1个；

8.内环气化室，本案6个；

8a.内环步进旋转机构；

8b.内环气化室抱煤钳操纵杆；

8c.内环步进旋转驱动轴，2根；

9..外环气化室，本案12个；

9a.外环步进旋转机构；

9b.外环气化室抱煤钳操纵杆；

9c.外环步进旋转驱动轴，2根；

10.中心气化室抱煤钳；

11.内环气化室抱煤钳；

12.外环气化室抱煤钳；

13.干燥段；

14.热解干馏段；

15.快速加氢气化段；

16.半焦加氢构件；

17.焦炭加氢气化段；

18.焦炭加氢构件；

19.高温焦炭加氢气化段；

20.高温焦炭加氢构件；

21.残焦泄量门；

22.残焦泄出门。

具体实施方式

采用褐煤原料，工业分析如下表所示：

经干燥后水分降到10％，成分如下表：

无水无灰基元素分析：

原料煤分筛、粉碎至粒度≤3mm，粒度≥2mm的≤10％；

配料时，加入0.5％的纯碱，加入1％的煤焦油加氢制油后剩下的高碳残渣粉末，经搅拌混合均匀后，用提升机送入煤锁，粉煤装料达到煤锁容积的80％后，停止进料并关闭进料门；开启真空阀，抽出锁内空气至-0.03MPa后关闭真空阀后，向锁内注入高压煤气，使锁内压力升高到煤气化系统压力3.8MPa；待另一煤锁放料完毕，开启卸料阀，向回转加热窑放料，进入回转加热窑的煤粉经30分钟回转加热后温度升至200℃，进入型煤成型进料槽，经计量加料机，进入各小型煤的成形机压制成小型煤，本案型煤高度取50mm，并送入缓存箱暂存，型煤的机械强度≥1.0MPa，含气流空间在内的型煤堆密度约700/m

本案型煤生产，19个型煤为1个循环周期，时间长度120秒，每个循环中第一个型煤编号为Z1，共1个，即用于中心气化室的型煤；N1至N6为用于内环6个气化室的相同规格的 6个型煤；W1至W12为用于外环12个气化室的相同规格的12个型煤；

可伸缩带式输送机在在同一循环中，由DCS通过步进电机驱动，将各型煤准时送入气化炉指定位置；

炉内的抱煤钳也在同一循环中由DCS程控机操作，周期性的每120秒一次准时将各型煤送到指定气化室。每小时30个循环周期，每个气化室加入同一规格的型煤30个；

整个循环的每一过程由DCS程控机操作。

型煤在气化室内，首先受到流经气流通道的富烃氢煤气的加热，水汽迅速蒸发型煤被加热的同时富烃氢煤气温度被降低，型煤在被加热到250～350℃过程中水汽蒸发，使型煤机械强度上升；型煤温度升高，又使型煤有机粘结剂粘度降低，使型煤机械强度降低，总的过程是型煤机械强度基本不变；

随着型煤位置的下移和温度的升高，煤进入到400～600℃热解干馏时空区间，开始热解、馏出的焦油也受热分解、小分子气化成为气态煤焦油、大分子煤焦油、沥青烯等彼此发生交联反应，并与煤粒粘结在一起，使型煤的机械强度进一步升高，随着干馏气化产物减少，自由粒度组成的型煤转变为彼此胶结成富含高碳不饱和烃的活性半焦；由于各小型煤之间拼缝的存在，其胶结强度自然较低。

富含高碳不饱和烃的活性半焦，继续下行进入到650～750℃快速加氢时空区，受到更高温度和更高氢气分压作用，活性半焦上的大量不饱和烃即刻与氢气发生加氢反应，大量生成甲烷进入气相，使气相甲烷含量达到40％左右，活性半焦转变为焦炭。

焦炭在抱煤钳加入型煤的下推及重力作用下，型煤受到半焦加氢构件的阻碍，在拼缝处裂开，穿过半焦加氢构件，焦炭进入到温度更高的800～950℃，氢气含量更低的的焦炭加氢时空区，焦炭中的活性碳元素在更高氢气分压下继续与氢气反应，并使温度升高到800～ 950℃，气相甲烷含量达到15～25％后，焦炭继续下行穿过焦炭加氢构件，进入高温焦炭加氢时空区间。

在高温焦炭加氢时空区间，高温焦炭与甲烷含量低至2％的入炉原料氢气接触，由于高温使焦炭中的活性碳元素、气相的活性氢元素数量增加；更低甲烷分压，即使反应物氢气分压增加，又使反应产物甲烷减少，这些有利条件均驱使煤加氢：C+2H

高温焦炭经此时空区域的反应变为高温残焦，高温残焦继续下行，在将热量传给来自高温焦炭加氢构件的氢气的同时，自身温度降低至～700℃的残焦，并穿过高温焦炭加氢构件继续下行；先后经残焦泄量栅、残焦泄出门后，进入水煤气段进行水蒸汽气化。

残焦进入水煤气段，与水蒸汽反应生产水煤气后，残焦中的碳元素降至5％以下，成为气化炉渣经灰锁离开气化炉。

上述实施例仅为说明本案的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域普通技术人员，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也不可能举出所有的实施方式，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明创造的保护范围。