專(zhuān)利名稱(chēng)：一種煤的液化方法及其反應(yīng)器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤的液化方法及其反應(yīng)器設(shè)備，特別是涉及一種采用水煤漿或油煤漿的煤的液化新方法及其反應(yīng)器設(shè)備隨著可開(kāi)采石油資源日益減少，油價(jià)不斷上漲，人們企圖將貯藏豐富的煤轉(zhuǎn)變成便于運(yùn)輸和熱值高可與石油比美的合成液體燃料，開(kāi)發(fā)煤的液化技術(shù)。在早期，開(kāi)發(fā)煤的液化技術(shù)需要大量投入，還需要大量外部供應(yīng)昂貴的氫和氧，氫不是來(lái)自煤本身，此外還伴隨著產(chǎn)生大量CO2的溫室氣體，所以成本高，效率低。例如美國(guó)專(zhuān)利5336395公開(kāi)一種煤液化的方法，該方法分兩部進(jìn)行，首先將煤與CO和水混合，在高溫高壓下進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理過(guò)的煤與溶劑和催化劑存在下，在更高溫度和氫氣壓力下進(jìn)行液化得液體產(chǎn)物，該方法技術(shù)復(fù)雜，條件苛刻，需要外部供應(yīng)大量氫及高壓高溫設(shè)備，投資大，成本高。
本發(fā)明的另一目的提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單獨(dú)特，操作簡(jiǎn)便，高效煤的液化反應(yīng)器設(shè)備。
本發(fā)明提供的煤的液化新方法，包括1.CO、富含CH4氣經(jīng)混合器按化學(xué)計(jì)算量與空氣混合均勻進(jìn)入煤的液化反應(yīng)器設(shè)備的反應(yīng)區(qū)；2.在煤的液化反應(yīng)器設(shè)備中，水煤漿或油煤漿在反應(yīng)區(qū)內(nèi)與上述步驟1的混合氣進(jìn)行快速高溫液化，其中水煤漿或油煤漿中水或油的含量為水煤漿或油煤漿總重量的30-60％，液化溫度為600-1100℃，優(yōu)選為700-900℃，反應(yīng)壓力為2.0-5.0Mpa，優(yōu)選為3.0-4.0Mpa，停留時(shí)間為30-300毫秒，優(yōu)選為100-200毫秒；3.液化反應(yīng)產(chǎn)物在驟冷區(qū)與來(lái)自霧化噴嘴層的冷卻液充分接觸，驟冷至400-450℃終止反應(yīng)，固體物料由反應(yīng)器設(shè)備在錐形底部排出口排出，汽體物料經(jīng)導(dǎo)管導(dǎo)出，送入產(chǎn)品回收系統(tǒng)，經(jīng)分離純化得液體產(chǎn)品，其中部分液體油餾份如輕油餾份或重油餾份，如果需要返回煤液化反應(yīng)器設(shè)備中作為冷卻液，氣體產(chǎn)物回收再利用。
按照本發(fā)明提供的煤的液化方法中，所述水煤漿或油煤漿是由各種各樣的原煤如煙煤褐煤等的氫裂解煉制煤的副產(chǎn)物，或者由上述各種原煤的精細(xì)煤顆，一般將原煤粉碎到20％小于200目脫灰除硫的精細(xì)煤顆，按一定比例水或油如輕油餾分配置而成，其中水或油為水煤漿或油煤漿總重量的30-60％，水是提供煤液化所需的重要?dú)湓础?br> 這種水煤漿或油煤漿已除去硫的產(chǎn)物。硫含量已＜1％至0.1％，原料比較干凈，使液化反應(yīng)容易，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單，省去或簡(jiǎn)化脫硫脫灰設(shè)備。
所述混合氣是按化學(xué)計(jì)算量的CO、富含甲烷氣體例如甲烷氣或天然氣或沼氣與空氣的混合氣體，其中氧和CH4/CO的摩爾比約0.3-1.25，優(yōu)選為0.5-0.75(以甲烷和CO體積比為1∶1計(jì))，混合氣在煤液化反應(yīng)器設(shè)備的頂上部反應(yīng)區(qū)內(nèi)，甲烷與O2進(jìn)行反應(yīng)，生成CO或CO2、氫，并放出大量熱，……(1)……(2)為了控制反應(yīng)向有利于生成CO和H2的反應(yīng)方向發(fā)展，控制氧的平衡所需量，即空氣量，使反應(yīng)自始至終按照反應(yīng)(1)式進(jìn)行，將反應(yīng)式(2)的反應(yīng)降到最低程度，即產(chǎn)生大量H2和CO，又不斷放出熱量，使反應(yīng)區(qū)溫度至700-1100℃，與此同時(shí)，CO與來(lái)自水煤漿中的水進(jìn)行反應(yīng)，生成H2，并放出大量熱，
總之上述反應(yīng)幾乎同時(shí)進(jìn)行提供大量煤液化所需H2及熱量使煤液化順利進(jìn)行。本發(fā)明提供的煤液化反應(yīng)器設(shè)備確保完成上述反應(yīng)是至關(guān)重要的，它與煤液化整個(gè)工藝密切相關(guān)，因此CH4、CO與空氣的混合氣經(jīng)過(guò)設(shè)在進(jìn)料口正下方的分布盤(pán)，使混合氣均勻分布在反應(yīng)器上部整個(gè)空間，進(jìn)行CH4與O2的轉(zhuǎn)變反應(yīng)，產(chǎn)生高達(dá)700-1100℃的高溫，瞬間與水煤漿或油煤漿接觸進(jìn)行熱交換，大量水汽化產(chǎn)生蒸汽，與CO反應(yīng)，產(chǎn)生H2，并放出熱量，能迅速達(dá)到煤液化所需溫度。同時(shí)通過(guò)設(shè)在反應(yīng)器設(shè)備上的多層環(huán)形霧化噴嘴層的霧化噴嘴與水平或一角度，而且上下兩層各噴嘴交叉排布，呈立體空間狀，因此使進(jìn)入反應(yīng)器的水煤漿或油煤漿呈旋流狀霧化分布于整個(gè)反應(yīng)區(qū)，與處于高溫反應(yīng)狀態(tài)CH4與O2的反應(yīng)氣體形成煤汽霧簾混合均勻，充分接觸，能以104-105°F/秒加熱速率進(jìn)行熱交換升溫，在極短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到煤液化溫度700-1100℃，進(jìn)行液化反應(yīng)，短的停留時(shí)間一般30-300毫秒，優(yōu)選為100-200毫秒，選擇最佳停留時(shí)間，進(jìn)行煤液化反應(yīng)，煤中有機(jī)大分子特別芳環(huán)或稠環(huán)間化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生帶有自由基的烴斷片或碎片或炭。煤液化反應(yīng)隨著加熱速度增加而增加，在高的加熱速率如104-105°F/S速率下，精細(xì)煤顆與加熱速率之間達(dá)到熱平衡大約需要18-25毫秒，從熱平衡角度出發(fā)，加熱速率高，停留時(shí)短，有利于精細(xì)煤粉的急速液化反應(yīng)，水煤漿中的水迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸汽，在高溫下，迅速與CO反應(yīng)生成H2，作為煤液化時(shí)的氫源。煤中的揮發(fā)物質(zhì)或芳環(huán)分子間的鍵的斷裂速率大于裂解后烴的或芳環(huán)的斷片重新進(jìn)行縮合反應(yīng)速率，裂解的活性中間體的自由基能迅速被上述反應(yīng)釋放的氫所覆蓋，有效防止縮合反應(yīng)，而且有利于煤裂解一次產(chǎn)物進(jìn)一步裂解，降低在足夠活性氫源存在下重質(zhì)油餾分的生成；同時(shí)以揮發(fā)產(chǎn)物存在的氮和硫釋放率達(dá)到最大程度，最終煤裂解液化產(chǎn)物朝有利于輕質(zhì)油，進(jìn)一步除去氮和硫方向發(fā)展。
所述煤液化反應(yīng)壓力大約為2.0-5.0Mpa，優(yōu)選為3.0-4.0Mpa，通過(guò)控制反應(yīng)壓力同時(shí)控制物料如水煤漿，混合氣的進(jìn)料速率，一定程度控制反應(yīng)物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，總之它由反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)、容積(能力)，反應(yīng)條件如溫度、壓力、物料進(jìn)料速率和進(jìn)料量等因素密切相關(guān)，也就是說(shuō)本發(fā)明的煤液化工藝與煤液化反應(yīng)器設(shè)備密切相關(guān)，由于反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)獨(dú)特，保證煤液化反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)程度。
按照本發(fā)明提供的煤的液化方法中，所述驟冷是將煤液化反應(yīng)產(chǎn)物向下流動(dòng)時(shí)，與來(lái)自設(shè)置在煤液化反應(yīng)器設(shè)備中下部的多層環(huán)形霧化噴嘴層的冷卻液例如水或輕重油餾份及其混合物在驟冷區(qū)進(jìn)行立體充分接觸進(jìn)行驟冷，驟冷不僅決定于液化反應(yīng)的停留時(shí)間，也決定液化反應(yīng)持續(xù)溫度，最終控制著煤液化產(chǎn)物的分布。由于驟冷霧化噴嘴層分別設(shè)置在煤液化反應(yīng)器設(shè)備的中下部的環(huán)形圓截面上，優(yōu)選為二層分別設(shè)在反應(yīng)器設(shè)備60％至20％間的高度處，每層噴嘴優(yōu)選設(shè)有4-12個(gè)均勻分布在環(huán)形截面上，而且上下兩層噴嘴層相互交叉排列呈立體空間狀，經(jīng)過(guò)霧化噴嘴層的冷卻液在驟冷區(qū)形成霧化旋流均勻分布在驟冷區(qū)的整個(gè)空間，而沒(méi)有死角，與處于高溫狀態(tài)的煤液化反應(yīng)產(chǎn)物在整個(gè)驟冷區(qū)內(nèi)充分接觸，迅速驟冷，例如經(jīng)二層霧化噴嘴驟冷，使液化產(chǎn)物溫度降至400-450℃，終止反應(yīng)。采用二級(jí)驟冷有利于液化反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為輕油，增加烴餾分的氫含量，即增加輕油餾分，同時(shí)進(jìn)一步降低硫和氮含量，使分別轉(zhuǎn)化成H2S和NH3。冷卻液的用量是由蒸發(fā)潛熱和吸收反應(yīng)器中蒸汽濕熱的能力和生產(chǎn)能力等諸因素決定。
經(jīng)驟冷后的反應(yīng)產(chǎn)物由于液化反應(yīng)產(chǎn)物物流在反應(yīng)器設(shè)備中呈旋流霧化狀，固體物料如焦碳?；蛭捶磻?yīng)的精細(xì)煤粒等，由于離心力作用甩向反應(yīng)器內(nèi)壁圓筒體四周而落入反應(yīng)器底部圓錐體中而被排出，并進(jìn)行回收再利用。經(jīng)冷卻自動(dòng)分離的液化反應(yīng)產(chǎn)物蒸汽或氣體經(jīng)由設(shè)在圓錐體上端面中心處的導(dǎo)出管導(dǎo)出，送至產(chǎn)物回收處理裝置(為現(xiàn)有技術(shù)中通用分離回收技術(shù)及設(shè)備)中，蒸汽產(chǎn)物如在洗滌塔中進(jìn)行再冷卻洗滌、分離處理，分別得到以輕、中油餾分為主要產(chǎn)物的液化產(chǎn)品，如果需要，其中部分輕油餾份作為驟冷冷卻液，返回反應(yīng)器設(shè)備中，以及H2S、NH3等產(chǎn)物；未被冷卻的氣體，如含CO2氣體可以進(jìn)一步處理回收有用的氣體，加以利用。
本發(fā)明提供的一種煤液化反應(yīng)器設(shè)備，其特征在于包括一外圓筒體1和一個(gè)內(nèi)圓筒體2，內(nèi)圓筒體和外圓筒體間有一內(nèi)腔3，內(nèi)腔上段為水煤漿或油煤漿的通道內(nèi)腔3a，其下段為冷卻液通道內(nèi)腔3b；內(nèi)外圓筒體有一個(gè)共同圓頂4，圓頂中心上方設(shè)有混合器5，通過(guò)管線(xiàn)與反應(yīng)器相連；圓頂中心下方設(shè)有分配盤(pán)10，反應(yīng)器底部為圓錐形固體排出口6，在圓錐體上端截面中心處設(shè)有氣或汽體液化產(chǎn)物導(dǎo)出管7，其一端管口設(shè)在與圓錐體上端截面中心處7a，另一端7b與液體產(chǎn)物后處理設(shè)備相連；在反應(yīng)器圓筒體上部設(shè)1-4層水煤漿或油煤漿物料環(huán)形噴嘴層8，優(yōu)選為2層，每層噴嘴層的噴嘴數(shù)目可以相同或不同，為4-60個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形圓截面上，與水平面呈一傾斜角，上下層噴嘴交叉排列，呈立體空間狀，在反應(yīng)器圓筒體中下部設(shè)至少一層冷卻液進(jìn)料環(huán)形噴嘴層9，優(yōu)選為2層，每層噴嘴層的噴嘴數(shù)目可以相同或不同，為4-60個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形圓截面上，上下層噴嘴交叉排列，呈立體空間狀；反應(yīng)器設(shè)備長(zhǎng)徑比(指內(nèi)徑)為1-5，優(yōu)選1∶3-4。
按照本發(fā)明提供的煤液化反應(yīng)器設(shè)備中，所述內(nèi)圓筒體和外圓筒體間內(nèi)腔設(shè)上下內(nèi)腔，上腔為水煤漿或油煤漿的進(jìn)料通道，水煤漿或油煤漿經(jīng)由設(shè)在上內(nèi)腔環(huán)形圓截面上的霧化噴嘴層進(jìn)入反應(yīng)器設(shè)備的反應(yīng)區(qū)，呈霧化旋流狀充滿(mǎn)于整個(gè)反應(yīng)區(qū)，與經(jīng)設(shè)在反應(yīng)器物料入口處下方的分布盤(pán)分布均勻后處于高溫反應(yīng)狀態(tài)的CO、富含CH4氣和空氣的反應(yīng)混合氣在反應(yīng)區(qū)上部充分接觸；下腔為冷卻液的進(jìn)料通道，冷卻液由設(shè)在下內(nèi)腔內(nèi)的環(huán)形霧化噴嘴層進(jìn)入反應(yīng)器設(shè)備的冷卻區(qū)內(nèi)呈霧化旋流狀與煤液化反應(yīng)產(chǎn)物充分接觸。
所述水煤漿或油煤漿環(huán)形霧化噴嘴層為1-4層，優(yōu)選為2層，每層噴嘴層為4-60個(gè)噴嘴，優(yōu)選為4-12個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形圓截面上，噴嘴數(shù)的多少與生產(chǎn)能力、噴嘴尺寸及反應(yīng)參數(shù)有密切關(guān)系。如果需要可與水平面呈一傾斜角，一般10-40°角，每層噴嘴數(shù)可以相同或不同，通常上層噴嘴層數(shù)目多于下層噴嘴數(shù)，上下層的噴嘴交叉排列分布呈立體空間狀，使由噴嘴層的噴嘴噴出的水煤漿或油煤漿呈霧化旋流狀分布在整個(gè)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，保證處于高溫反應(yīng)狀態(tài)的CO、CH4和空氣進(jìn)行不斷反應(yīng)，同時(shí)與水煤漿汽化的水蒸氣充分接觸，同時(shí)進(jìn)行著CH4和O2、CO與水蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生H2和放出大量熱，產(chǎn)生的大量H2為煤液化反應(yīng)提供所需的氫源；放出大量熱使反應(yīng)溫度迅速升至700-1100℃，使上述兩反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，為煤的液化裂解反應(yīng)提供高溫反應(yīng)條件和源源不斷所需的氫源。
所述冷卻環(huán)形噴嘴層至少為一層，優(yōu)選為二層，每層噴嘴數(shù)目可以相同或不同，為4-60個(gè)，均勻分布在環(huán)形圓截面上，噴嘴數(shù)的多少與所用反應(yīng)器的生產(chǎn)能力、噴嘴尺寸及冷卻工藝密切相關(guān)，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，噴嘴尺寸小，所需冷卻霧化噴嘴層及每層噴嘴數(shù)多。上下層霧化噴嘴層交叉排列分布呈立體空間狀，保證液化反應(yīng)物料在整個(gè)冷卻區(qū)充分接觸迅速驟冷降至400-450℃。冷卻后的液化反應(yīng)物料由于物料流呈旋流狀，借助于離心作用力，固體物料甩向反應(yīng)器內(nèi)圓筒的四周而落入圓錐體中，由底端排出口排出，而蒸汽液化反應(yīng)物由設(shè)在圓錐體截面中心處的導(dǎo)出管導(dǎo)出，進(jìn)入回收系統(tǒng)。
本發(fā)明提供的煤的液化新方法及其煤的液化反應(yīng)器設(shè)備的特點(diǎn)1.煤液化反應(yīng)器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單獨(dú)特，操作簡(jiǎn)便靈活，不用外來(lái)氫，煤液化效率高，設(shè)備投資低。2.液化條件溫和，煤的液化產(chǎn)物收率高，以中、輕油餾分為主要產(chǎn)品。3.無(wú)污染，硫除去率達(dá)90％，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兼優(yōu)。4.產(chǎn)物的附加值因可高達(dá)1.9(褐煤)(石油為1.44)，經(jīng)濟(jì)效率高。
圖2為環(huán)形噴嘴橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中代號(hào)
1.外圓筒體2.內(nèi)圓筒體 3.內(nèi)腔(3a、3b)4.圓頂5.混合器6.固體排出口7.導(dǎo)出管(7a、7b) 8.水煤漿或油煤漿環(huán)形噴嘴層9.冷卻液環(huán)形噴嘴層10.分布盤(pán)
權(quán)利要求
1.一種煤的液化方法，包括1)將CO、富含CH4氣經(jīng)混合器按化學(xué)計(jì)算量與空氣混合均勻進(jìn)入煤的液化反應(yīng)器設(shè)備的反應(yīng)區(qū)；2)在煤的液化反應(yīng)器設(shè)備中，水煤漿或油煤漿在反應(yīng)區(qū)內(nèi)與上述步驟1的混合氣進(jìn)行快速高溫液化，其中水煤漿或油煤漿中水或油的含量為水煤漿或油煤漿總重量的30-60％，液化溫度為600-1100℃，反應(yīng)壓力為2.0-5.0Mpa，停留時(shí)間為30-300毫秒；3)液化反應(yīng)產(chǎn)物在驟冷區(qū)與來(lái)自霧化噴嘴層的冷卻液充分接觸，驟冷至400-450℃，終止反應(yīng)；固體物料由反應(yīng)器設(shè)備的錐形底部排出口排出，汽體物料經(jīng)導(dǎo)管導(dǎo)出，送入產(chǎn)品回收系統(tǒng)，經(jīng)分離回收得各液體產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的煤的液化方法，其中所述煤液化溫度700-900℃，反應(yīng)壓力3.0-4.0Mpa，停留時(shí)間100-200毫秒，冷卻液為水、油餾份及其混合液。
3.一種煤液化反應(yīng)器設(shè)備，其特征在于包括一外圓筒體(1)和一個(gè)內(nèi)圓筒體(2)，內(nèi)外圓筒體間有一內(nèi)腔(3)，內(nèi)腔上段為水煤漿或油煤漿的通道內(nèi)腔(3a)，下段為冷卻液通道內(nèi)腔(3b)；圓頂(4)，圓頂中心上方設(shè)有混合器(5)，通過(guò)管線(xiàn)與反應(yīng)器相連，圓頂中心下方設(shè)有分配盤(pán)(10)，底部為圓錐形固體排出口(6)，在圓錐體上端截面中心處設(shè)產(chǎn)物導(dǎo)出管(7)，其一端管口設(shè)在與圓錐體上端截面中心處(7a)，另一端(7b)與產(chǎn)物后處理設(shè)備相連；圓筒體上部設(shè)1-4層水煤漿或油煤漿物料環(huán)形噴嘴層(8)，每層噴嘴數(shù)為4-60個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形圓截面上，上下層噴嘴交叉排列，呈立體空間狀；圓筒體中下部設(shè)至少一層冷卻液進(jìn)料環(huán)形噴嘴層(9)，每層噴嘴層的噴嘴數(shù)為4-60個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形圓截面上，上下層噴嘴交叉排列呈立體空間狀；反應(yīng)器設(shè)備長(zhǎng)徑比為1-5。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的煤液化反應(yīng)器設(shè)備，其特征在于所述水煤漿或油煤漿進(jìn)料噴嘴層為2層，每層噴嘴數(shù)為4-12個(gè)噴嘴；所述冷卻液進(jìn)料噴嘴層為2層，每層噴嘴數(shù)為4-12個(gè)噴嘴，所述長(zhǎng)徑比為2-4。
5.根據(jù)權(quán)利要求3-4任一權(quán)利要求的煤液化反應(yīng)器設(shè)備，其特征在于所述水煤漿或油煤漿進(jìn)料噴嘴層的每層噴嘴數(shù)可相同或不同；冷卻液進(jìn)料噴嘴層每層噴嘴數(shù)可以相同或不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的煤液化反應(yīng)器設(shè)備，其特征在于所述冷卻液進(jìn)料噴嘴層設(shè)在反應(yīng)器高度60％至20％間的環(huán)形圓截面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤的液化方法及其反應(yīng)器設(shè)備，該方法在所述反應(yīng)器設(shè)備中，由水煤漿或油煤漿與處于反應(yīng)狀態(tài)的CO、CH
文檔編號(hào)C10G1/06GK1445338SQ03121869
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月15日
發(fā)明者王逢旦, 王祖納, 芮素生 申請(qǐng)人:王逢旦