本發(fā)明涉及煤氣化技術領域，尤其涉及一種高鐵煤的催化氣化方法及系統(tǒng)。

背景技術：

新疆地區(qū)煤炭資源儲量豐富，其中，大多以低變質(zhì)程度的褐煤、長焰煤以及弱粘煤為主，新疆伊犁煤田中存在大量的高鐵煤，這種煤的煤灰中鐵含量在50％以上，且灰中Si、Al含量很低，用于煤氣化反應時存在很大的結渣風險，限制了其應用。

在現(xiàn)有的煤催化氣化工藝中，通常將催化劑負載的煤在氣化爐中進行催化氣化反應以制取富含甲烷的煤氣。催化氣化反應的發(fā)生需提供一定熱量來維持反應進行，需要通入氧氣供給燃燒產(chǎn)生燃燒熱，氧氣的通入易造成氣化爐局部高溫而發(fā)生結渣，同時氧氣還會與富含甲烷的可燃氣體反應而造成產(chǎn)品氣產(chǎn)量及質(zhì)量下降；同時采用氧氣作為氣化劑需增設空分裝置，增加投資成本；另外工藝還存在催化劑失活及從氣化灰渣中回收K催化劑等技術問題，大大影響了工藝技術經(jīng)濟性。

如何在實現(xiàn)高鐵煤的高效利用的同時，解決上述所述的現(xiàn)有的煤催化氣化工藝中存在的技術問題成為人們的研究熱點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種高鐵煤的催化氣化方法及系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高鐵煤的高效利用，同時還能夠減少煤催化氣化工藝的結渣現(xiàn)象，提高產(chǎn)品氣收率。

為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案：

一方面，本發(fā)明實施例提供一種高鐵煤的催化氣化方法，包括：

步驟1)將高鐵煤進行催化劑負載；

步驟2)對催化劑負載后的高鐵煤進行催化氣化反應和氧化反應，獲得富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

步驟3)將所獲得的富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化反應，獲得富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

步驟4)將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應。

優(yōu)選的，所述將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應具體包括：

將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體在通有還原性氣化劑的氣化爐中為煤粉進行催化氣化反應提供氧、熱和催化劑，自身被還原獲得含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

通過對所獲得的含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化反應，重新獲得富含高價氧化物和催化劑的灰渣。

可選的，所述高鐵煤的煤灰中赤鐵礦含量不小于50％。

優(yōu)選的，所述低價鐵氧化物包括氧化亞鐵和四氧化三鐵。

進一步的，所述高價鐵氧化物為三氧化二鐵。

可選的，所述還原性氣化劑選自過熱蒸汽、氫氣、一氧化碳和二氧化碳中的一種或者幾種。

優(yōu)選的，所述催化氣化反應的溫度為650-750℃，壓力為0.2-4MPa。

優(yōu)選的，所述氧化反應的溫度為800-900℃，壓力為0.1-4MPa。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)，應用于如上所述的催化氣化方法；包括：

氣化爐；所述氣化爐包括氣化劑進口、煤料入口以及第一排渣口；

燃燒爐，所述燃燒爐包括物料進口、空氣進口以及第二排渣口；

所述第一排渣口與所述物料進口連通，所述第二排渣口與所述煤料入口連通；

所述氣化爐用于使所述催化劑負載后的高鐵煤進行催化氣化反應，所述高鐵煤催化氣化反應產(chǎn)生的灰渣可通過所述物料進口進入所述燃燒爐；所述燃燒爐用于使高鐵煤催化氣化后產(chǎn)生的灰渣與空氣進行氧化反應，氧化反應后獲得的所述富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣可作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應。

可選的，所述燃燒爐選自固定床、移動床、流化床和氣流床中的任意一種。

優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括：鍋爐，所述鍋爐包括過熱蒸汽出口，所述過熱蒸汽出口與所述氣化劑進口連通。

進一步的，所述鍋爐和所述氣化劑進口之間還設置有第一換熱器，所述第一換熱器包括第一過熱蒸汽流道，以及用于對過熱蒸汽進行換熱的第一熱源通道，所述第一過熱蒸汽流道包括進口和出口，所述第一熱源通道包括進口和出口；

所述氣化爐還包括產(chǎn)品氣出口，所述產(chǎn)品氣出口與所述第一熱源通道的進口連通，所述第一過熱蒸汽流道的進口與所述過熱蒸汽出口連通，所述第一過熱蒸汽流道的出口與所述氣化劑進口連通。

優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括第二換熱器，所述第二換熱器包括第二過熱蒸汽流道，以及用于對過熱蒸汽進行換熱的第二熱源通道，所述第二過熱蒸汽流道包括進口和出口，所述第二熱源通道包括進口和出口；

所述燃燒爐還包括出氣口，所述出氣口與所述第二熱源通道的進口連通，所述第二過熱蒸汽流道的進口與所述過熱蒸汽出口連通，所述第二過熱蒸汽流道的出口與所述氣化劑進口連通。

本發(fā)明實施例提供了一種高鐵煤的催化氣化方法及系統(tǒng)，通過利用高鐵煤的特點，將高鐵煤應用于催化氣化工藝，利用高鐵煤催化氣化反應所獲得的灰渣經(jīng)氧化反應后作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應，為煤催化氣化反應提供氧、熱和催化劑，使得其得以重復利用，實現(xiàn)對高鐵煤的高效利用，同時還能夠避免催化氣化工藝中直接通入氧氣容易發(fā)生結渣的現(xiàn)象，并防止通入氧氣使得氣化爐出口產(chǎn)品氣的產(chǎn)量、質(zhì)量降低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種高鐵煤的催化氣化方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的另一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的另一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的另一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)的結構示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的再一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明實施例提供的一種高鐵煤的催化氣化方法和催化氣化系統(tǒng)進行詳細描述。

術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。

一方面，本發(fā)明實施例提供一種新疆高鐵煤的催化氣化方法，參見圖1，包括：

步驟1)將高鐵煤進行催化劑負載；

步驟2)使催化劑負載后的高鐵煤進行催化氣化反應，獲得富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

步驟3)將所獲得的富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化反應，獲得富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

步驟4)將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應。

本發(fā)明實施例提供一種高鐵煤的催化氣化方法及系統(tǒng)，通過利用高鐵煤的特點，將高鐵煤應用于催化氣化工藝，利用高鐵煤催化氣化反應所獲得的灰渣經(jīng)氧化反應后作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應，為煤催化氣化反應提供氧、熱和催化劑，使得其得以重復利用，實現(xiàn)對高鐵煤的高效利用，同時還能夠避免催化氣化工藝中直接通入氧氣容易發(fā)生結渣的現(xiàn)象，并防止通入氧氣使得氣化爐出口產(chǎn)品氣的產(chǎn)量、質(zhì)量降低。

其中，對所述步驟1)所采用的具體方法不做限定。將高鐵煤進行催化劑負載可以采用浸漬法，也可以采用其他負載方法。

本發(fā)明的一實施例中，將高鐵煤進行催化劑負載采用浸漬法。

在將高鐵煤進行催化劑負載之前，可以將高鐵煤進行破碎篩分成粒徑小于等于5mm的煤粉，便于催化劑負載；在通過浸漬法進行催化劑負載之后，通過對催化劑負載后的高鐵煤干燥至水分含量小于等于5％，便于參與后續(xù)反應。

本發(fā)明的一實施例中，所述高鐵煤的煤灰中赤鐵礦含量不小于50％。采用此高鐵煤，能夠提高所述富含高價鐵氧化物和催化劑的載氧量和載熱量。

其中，對催化劑的種類不做限定，通常，堿金屬、堿土金屬催化劑的催化活性較高，優(yōu)選碳酸鉀催化劑。由于高鐵煤中的Si、Al含量較低，與現(xiàn)有的煤催化氣化反應相比，不可溶性催化劑量大大降低，可簡化催化劑回收工藝，降低催化劑回收成本。

本發(fā)明的一實施例中，所述步驟2)具體包括：將催化劑負載后的高鐵煤通入氣化爐中發(fā)生催化氣化反應；

所述步驟3)具體包括：將所述富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣在通有空氣的燃燒爐中發(fā)生氧化反應。

通過將所述催化劑負載后的高鐵煤分別在氣化爐和燃燒爐中發(fā)生催化氣化反應和氧化反應，所述步驟2)中最初啟動時可以將催化劑負載后的高鐵煤與含有少量氧氣的氣化劑通入氣化爐中，氧氣量根據(jù)反應所需控制的爐溫調(diào)節(jié)，爐內(nèi)發(fā)生催化氣化反應和部分氧化反應，得到富含低價鐵氧化物及催化劑的灰渣，再將其在燃燒爐中與氧氣發(fā)生氧化反應得到富含高價鐵的氧化物和催化劑的灰渣；能夠防止在所述催化劑負載后的高鐵煤在氣化爐中發(fā)生催化氣化反應和氧化反應時，通入氧氣量大使得氣化爐內(nèi)容易發(fā)生結渣。

本發(fā)明的一實施例中，所述將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應具體包括：

將所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱和催化劑的載體在通有還原性氣化劑的氣化爐中為煤粉進行催化氣化反應提供氧、熱和催化劑，自身被還原獲得含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣；

通過對所獲得的含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化反應，重新獲得富含高價氧化物和催化劑的灰渣。

在本發(fā)明實施例中，催化劑還能夠催化富含高價鐵氧化物的還原反應的進行，同時，通過在富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣為還原性氣氛中的煤催化氣化反應提供氧、熱和催化劑之后對其進行氧化反應，能夠不斷重復獲得富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣。

其中，需要說明的是，所述通有還原性氣化劑的氣化爐可以為所述催化劑負載后的高鐵煤發(fā)生催化氣化反應的氣化爐，也可以為另外設置的氣化爐。當通有還原性氣化劑的氣化爐為所述催化劑負載后的高鐵煤發(fā)生催化氣化反應的氣化爐時，在所述富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣參與煤催化氣化反應時，可以使氣化爐內(nèi)保持無氧操作，通入的氣化劑可以為還原性氣化劑。

本發(fā)明的又一實施例中，所述還原性氣化劑選自過熱蒸汽、氫氣、一氧化碳和二氧化碳中的一種或者幾種。

以還原性氣化劑為H₂、CO和過熱蒸汽為例，將催化劑負載后的高鐵煤和還原性氣化劑發(fā)生催化氣化反應的具體反應如下：

C+H₂O→CO+H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

CO+3H₂→CH₄+H₂O

總體來講，氣化爐中為還原性氣氛，煤中的碳大都被氣化轉化掉，殘余灰渣主要成分為低價鐵的氧化物、催化劑，可能還包含少量殘?zhí)考安糠痔妓徕}鹽等；氣化后得到富含甲烷產(chǎn)品氣進入后續(xù)系統(tǒng)進行處理。

其中，對所述低價鐵氧化物和所述高價鐵氧化物的種類不做限定，本發(fā)明的一實施例中，所述低價鐵氧化物包括氧化亞鐵和四氧化三鐵。通過對反應過程進行控制，所述低價鐵氧化物通常以氧化亞鐵的形式存在，也可能含有少量的四氧化三鐵，使得氧載體中攜帶的氧更多的釋放在氣化爐內(nèi)，獲得最低價態(tài)的鐵的氧化物。

本發(fā)明的又一實施例中，所述高價鐵氧化物為三氧化二鐵。同樣的，通過對反應過程進行控制，所述高價鐵氧化物通常以三氧化二鐵的形式存在，鐵以最高價鐵的氧化物形式存在，攜帶飽和的氧循環(huán)回氣化爐。

將富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化反應，灰渣中低價鐵氧化物(以鐵和氧化亞鐵為例)被氧化為高價鐵氧化物，如三氧化二鐵，所含有的部分碳酸鈣被分解為氧化鈣、殘?zhí)勘蝗紵瑫r釋放高溫熱量，具體反應如下：

Fe/FeO+O₂→Fe₂O₃

CaCO₃→CaO+CO₂

C+O₂→CO₂

所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱以及催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應的具體反應如下：

Fe₂O₃+CO→Fe/FeO+CO₂

Fe₂O₃+H₂→Fe/FeO+H₂O

灰渣中攜帶的催化劑及氧化鈣可由氧載體遷移至煤質(zhì)表面進而催化煤氣化反應及煤與氧載體反應的進行，之后催化劑預存于氣化灰渣中，隨灰渣通入燃燒爐進行氧化反應，循環(huán)使用。

當然，若在不斷循環(huán)過程中，氣化爐中積存的灰渣太多時，可以將部分灰渣從所述氣化爐中排出留作催化氣化裝置啟爐時使用，或者，采用低灰煤為原料進行催化氣化反應。

其中，對所述催化氣化反應的條件不做限定，只要能夠使得高鐵煤發(fā)生催化氣化反應生成富含甲烷的產(chǎn)品氣即可。

本發(fā)明的一實施例中，所述催化氣化反應的溫度為650-750℃，壓力為0.2-4MPa。在此條件下，能夠保證高鐵煤發(fā)生催化氣化反應，同時保證氣化爐出口得到高甲烷含量的產(chǎn)品氣，并且能夠避免溫度過高容易發(fā)生結渣。

其中，對所述氧化反應的條件也不做限定，只要所述低價鐵氧化物能夠被氧化為高價鐵氧化物，并且灰渣中攜帶大量熱量即可。

本發(fā)明的一實施例中，所述氧化反應的溫度為800-900℃，壓力為0.1-4MPa。在此條件下，能夠使得所獲得的灰渣攜帶飽和的氧和足夠熱量。

另一方面，本發(fā)明實施例提供一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)，應用于如上所述的催化氣化方法；參見圖2，包括：

氣化爐1；所述氣化爐1包括氣化劑進口、煤料入口以及第一排渣口；

燃燒爐2，所述燃燒爐2包括物料進口、空氣進口以及第二排渣口；

所述第一排渣口與所述物料進口連通，所述第二排渣口與所述煤料入口連通；

所述氣化爐1用于使所述催化劑負載后的高鐵煤進行催化氣化反應，所述高鐵煤催化氣化反應產(chǎn)生的灰渣可通過所述物料進口進入所述燃燒爐2；所述燃燒爐2用于使高鐵煤催化氣化后產(chǎn)生的灰渣與空氣進行氧化反應，氧化反應后獲得的所述富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣可作為氧、熱和催化劑的載體循環(huán)參與煤催化氣化反應。

本發(fā)明實施例提供一種高鐵煤的催化氣化系統(tǒng)，通過分別設置氣化爐1和燃燒爐2，并將其連接成循環(huán)回路，高鐵煤可以經(jīng)所述煤料入口進入所述氣化爐1中與氣化劑發(fā)生催化氣化反應，所產(chǎn)生的催化氣化灰渣可通過所述第一排渣口進入所述燃燒爐2中與空氣發(fā)生氧化反應，所獲得的富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣可通過所述第二排渣口進入所述氣化爐1中為煤催化氣化反應提供氧、熱量和催化劑，而煤催化氣化反應產(chǎn)生的灰渣又可通過所述第一排渣口進入所述燃燒爐2中再次與空氣發(fā)生氧化反應，進而又獲得富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣，又一次通過所述第二排渣口進入所述氣化爐1中為煤催化氣化反應提供氧、熱量和催化劑，這樣不斷通過富含高價鐵氧化物和催化劑的灰渣作為氧、熱量和催化劑的載體為煤催化氣化反應提供氧、熱量和催化劑，并使得所攜帶的氧、熱量和催化劑遷移至煤質(zhì)表面，能夠實現(xiàn)對高鐵煤的高效利用，同時還能夠避免直接通入氧氣容易發(fā)生結渣的現(xiàn)象，防止通入氧氣使得氧氣與產(chǎn)品氣發(fā)生反應，使得產(chǎn)品氣的產(chǎn)量、質(zhì)量降低，以及采用空氣代替氧氣對所述富含低價鐵氧化物和催化劑的灰渣進行氧化能夠減少空氣分離裝置的投資。

本發(fā)明的又一實施例中，所述燃燒爐2選自固定床、移動床、流化床和氣流床中的任意一種。

本發(fā)明的一實施例中，參見圖3，所述系統(tǒng)還包括：鍋爐3，所述鍋爐包括過熱蒸汽出口，所述過熱蒸汽出口與所述氣化劑進口連通。

在本發(fā)明實施例中，可以通過所述鍋爐3向所述氣化爐1提供過熱蒸汽。

本發(fā)明的又一實施例中，所述鍋爐3和所述氣化劑進口之間還設置有第一換熱器4，所述第一換熱器4包括第一過熱蒸汽流道，以及用于對過熱蒸汽進行換熱的第一熱源通道，所述第一過熱蒸汽流道包括進口和出口，所述第一熱源通道包括進口和出口；

所述氣化爐1還包括產(chǎn)品氣出口，所述產(chǎn)品氣出口與所述第一熱源通道的進口連通，所述第一過熱蒸汽流道的進口與所述過熱蒸汽出口連通，所述第一過熱蒸汽流道的出口與所述氣化劑進口連通。

通過設置第一換熱器4，將產(chǎn)品氣所攜帶的熱量傳遞給所述過熱蒸汽，能夠增大過熱蒸汽的溫度，減少能量損失。

本發(fā)明的又一實施例中，參見圖4，所述系統(tǒng)還包括第二換熱器5，所述第二換熱器5包括第二過熱蒸汽流道，以及用于對過熱蒸汽進行換熱的第二熱源通道，所述第二過熱蒸汽流道包括進口和出口，所述第二熱源通道包括進口和出口；

所述燃燒爐2還包括出氣口，所述出氣口與所述第二熱源通道的進口連通，所述第二過熱蒸汽流道的進口與所述過熱蒸汽出口連通，所述第二過熱蒸汽流道的出口與所述氣化劑進口連通。

通過設置第二換熱器5，將燃燒爐產(chǎn)生的氣體所攜帶的熱量傳遞給所述過熱蒸汽，能夠增大過熱蒸汽的溫度，提高能量利用效率。

本發(fā)明的一實施例中，參見圖5，所述氣化爐1的底部設置有氣體分布板11，所述氣體分布板11與所述氣化爐1的爐壁圍合成氣室12，所述氣化劑進口設置在所述氣室12上。

通過將所述氣化劑進口設置在氣化爐1的氣室12上，所述氣化劑能夠通過氣體分布板11均勻分布至催化氣化反應區(qū)。

本發(fā)明的又一實施例中，所述氣化爐1的產(chǎn)品氣出口與所述第一換熱器4之間還設置有氣固分離裝置13，所述氣固分離裝置13的進口與所述產(chǎn)品氣出口連通，氣體出口與所述第一換熱器4的熱源進口連通，固體出口與所述氣化爐1或者燃燒爐2連通。

通過在所述氣化爐1和所述第一換熱器4之間設置氣固分離裝置13，能夠對產(chǎn)品氣進行除塵，避免粉塵進入所述第一換熱器4中造成堵塞，并且通過將分離的粉塵送回氣化爐1或者燃燒爐2，還能夠提高煤粉利用效率。

本發(fā)明的一實施例中，參見圖6，所述系統(tǒng)還包括氣液分離系統(tǒng)6，所述氣液分離系統(tǒng)6包括產(chǎn)品氣進口、氣體出口與液體出口，所述產(chǎn)品氣進口與所述第一換熱器4的熱源出口連通。

通過對所述產(chǎn)品氣進行氣液分離，能夠獲得焦油和富含甲烷的產(chǎn)品氣。

本發(fā)明的又一實施例中，所述系統(tǒng)還包括產(chǎn)品氣凈化系統(tǒng)7，所述產(chǎn)品氣凈化系統(tǒng)7包括產(chǎn)品氣進口和產(chǎn)品氣出口，所述產(chǎn)品氣進口與所述氣液分離系統(tǒng)6的氣體出口連通。

通過所述產(chǎn)品氣凈化系統(tǒng)7對富含甲烷的產(chǎn)品氣進行凈化處理，能夠獲得凈化后的富含甲烷的產(chǎn)品氣，可直接應用于生產(chǎn)生活。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。