本發(fā)明涉及一種制備富含甲烷熱解氣的裝置，具體涉及一種粉煤制備富含甲烷熱解氣的氣流床熱解爐、系統(tǒng)及方法。

背景技術：

天然氣是工業(yè)過程和民用過程的重要原料，以煤為原料制備天然氣有利于緩解我國目前面臨的天然氣供需緊張。在傳統(tǒng)的氣化工藝中，煤首先被水蒸氣-氧氣氣化為合成氣，然后經(jīng)凈化、變換、甲烷化和分質(zhì)提質(zhì)，才能得到天然氣。此工藝最重要和最基本的單元是氣化爐的選擇。

常見的煤制天然氣工廠一般采用lurgi移動床塊煤加壓氣化技術生產(chǎn)高甲烷含量的合成氣作為制備合成天然氣的原料。以lurgi氣化爐為代表的移動床碎煤加壓氣化的粗煤氣中甲烷含量高，這部分甲烷約占最終產(chǎn)品合成天然氣中甲烷的一半，對于煤制天然氣而言具有很大的優(yōu)勢。然而該技術具有以下缺點：單爐氣化規(guī)模小；直徑<5mm的煤不能進入氣化爐；魯奇爐蒸汽分解率低；氣化廢水量大，成分復雜，含有焦油、萘和酚等污染物，廢水處理困難。

氣流床氣化無論干粉氣化還是水煤漿氣化，都有很好的工業(yè)應用，投煤量大，技術成熟穩(wěn)定，有長期穩(wěn)定運行的經(jīng)驗。但是氣化爐出口合成氣溫度很高，其中幾乎不含有甲烷，并且h2/co比低，對于后續(xù)的合成氣冷卻以及甲烷化裝置投資巨大。

煤熱解是一個非常復雜的過程，以化學反應類型，可將其分為裂解和縮聚兩大類反應。煤熱解是煤加工轉(zhuǎn)化，如燃燒、氣化、液化等工藝極為重要的中間過程。在煤的熱解過程中，溫度和升溫速率對煤熱解產(chǎn)物的組成影響很大，當加熱的終溫較低(約500～600℃)時，增加升溫速率，可以提高揮發(fā)分產(chǎn)率并增加其中液體產(chǎn)物與氣體產(chǎn)物的比例；當加熱的終溫較高(約800～1100℃)時，增加升溫速率，揮發(fā)分的產(chǎn)率會進一步提高，然而其中液體產(chǎn)物與氣體產(chǎn)物的比例反而會降低。煤的熱解過程會產(chǎn)生ch4，在500～700℃熱解溫度范圍內(nèi)，惰性氣氛條件下，ch4的形成主要來源于煤熱解過程中產(chǎn)生的五種前驅(qū)體：煤中甲氧基的斷裂、烷基側(cè)鏈的斷裂、芳香環(huán)上甲基的斷裂、揮發(fā)分的二次熱解、芳烴雜環(huán)的還原反應。上述五種前驅(qū)體主要在500～700℃內(nèi)產(chǎn)生。當用一些還原性氣體，例如h2、co等氣體，來代替惰性氣氛后，會促進煤熱解自由基的裂解過程，影響煤結(jié)構(gòu)中甲基和亞甲基鏈的斷裂，從而促進ch4的形成。氣體停留時間的增長，有利于焦油分子的二次裂化，生成ch4、c2h4等烴類組分?，F(xiàn)有的煤炭粉熱解爐中，熱解溫度一般在470～900℃，為提高熱解速率多采用流化床的形式，為提高熱效率多采用內(nèi)熱式的方法的高溫條件需要消耗大量的熱量來維持，由于熱載體(煙氣、半焦、循環(huán)灰、空氣等)本身的限制，熱解產(chǎn)物與熱載體分離困難，往往導致熱解產(chǎn)物純度不夠。當采用惰性氣氛作為熱載體時，由于不能提供足量的氫自由基來穩(wěn)定煤熱解產(chǎn)生的碎片基團，從而會降低熱解產(chǎn)物中烴類氣體和輕質(zhì)焦油的產(chǎn)率。另外，當采用氫氣作為熱載體時，雖然會提高熱解產(chǎn)物中烴類氣體和輕質(zhì)焦油的產(chǎn)率但也會大大增加工藝成本。本領域技術人員一直致力于開發(fā)一種用于煤粉熱解裝置，以制備富含甲烷的熱解氣提高其中甲烷的產(chǎn)量，滿足后續(xù)的甲烷轉(zhuǎn)化過程。

技術實現(xiàn)要素：

因此，針對現(xiàn)有技術中煤粉熱解爐制備的熱解氣中ch4、c2h4等烴類含量較低的技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種粉煤制備富含甲烷熱解氣的氣流床熱解爐，用于使粉煤快速熱解，制備富含甲烷的熱解氣。

本發(fā)明的氣流床熱解爐包括豎立的爐膛(3)和設于所述爐膛(3)上面的入口腔(1)，所述爐膛(3)中間段為直筒型，所述爐膛(3)底部設有出口(5)，所述爐膛(3)頂部和所述入口腔(1)之間通過隔板(2)隔開，所述隔板(2)上均勻分布有分散孔，所述入口腔(1)頂部設有燒嘴法蘭(6)，所述入口腔(1)旁側(cè)設有氣體熱載體進口(7)，所述入口腔(1)內(nèi)部設有筒狀的工藝燒嘴(4)，所述工藝燒嘴(4)上端穿過所述燒嘴法蘭(6)，下端穿過所述隔板(2)。

所述氣流床熱解爐工作時，以主要成分為還原性氣體(h2、co等)的高溫混合氣體為氣體熱載體(氣體熱源)，將氣體熱載體依次通過所述氣體熱載體進口(7)、入口腔(1)、隔板(2)的分散孔引入爐膛(3)；同時，將待熱解的粉煤通過工藝噴嘴(4)引入爐膛(3)。氣體熱載體與粉煤在爐膛(3)中并流向下流動，在流動過程中，氣體熱載體與粉煤直接接觸換熱，能夠有效提高粉煤顆粒與熱源之間的傳熱效率，增加粉煤的升溫速率，該過程的升溫速率大于100k/s，在快速熱解和閃速熱解范圍內(nèi)，可使粉煤發(fā)生快速熱解反應。由于氣體熱源以還原性氣體為主，粉煤快速熱解的產(chǎn)物將在高溫還原性環(huán)境下，進一步發(fā)生熱裂解反應，熱解產(chǎn)物(焦油等大分子烴類)的二次轉(zhuǎn)化，可有效增加熱解產(chǎn)物中小分子烴類(ch4、c2h4等)的產(chǎn)率。另外通過調(diào)節(jié)氣體熱載體的體積流量，可以控制粉煤在爐內(nèi)的停留時間，以促進煤熱解過程中ch4的生成，提高煤熱解中ch4的產(chǎn)率，從而制備富甲烷含量的熱解氣。粉煤熱解后可得到氣固相產(chǎn)物，氣固相產(chǎn)物從所述出口(5)排出，其中氣體為富含甲烷的熱解氣，固體為半焦，半焦粒度在100μm以下，氣化活性好。因此，所述氣流床熱解爐可以和現(xiàn)有的氣流床氣化爐或者氧化爐配合使用，連接形成循環(huán)系統(tǒng)。氣固相產(chǎn)物中的氣體可經(jīng)氧化爐部分氧化，得到的高溫氣體作為氣體熱載體送回所述氣流床熱解爐。氣固相產(chǎn)物中的半焦可經(jīng)氣化爐氣化，得到的高溫合成氣也可作為氣體熱載體送回所述氣流床熱解爐。

較佳的，所述爐膛(3)、所述工藝燒嘴(4)和所述入口腔(1)共軸線。

較佳的，所述爐膛(3)和所述入口腔(1)的側(cè)壁設有耐火襯里，所述耐火襯里為耐火磚襯里或水冷壁。

較佳的，所述工藝燒嘴(4)外附有用于通燒嘴冷卻水的冷卻層，所述冷卻層外部附有硅鋁酸保溫棉。所述冷卻層和所述硅鋁酸保溫棉可起到隔熱的效果，避免氣體熱載體和粉煤混合前進行熱交換。

較佳的，所述爐膛(3)直筒段內(nèi)徑(d1)與所述爐膛(3)直筒段長度(h1)的比值為d1:h1＝0.05～0.2。將所述爐膛(3)直筒段的長徑比設置為上述范圍，有利于延長粉煤和氣體熱載體在所述爐膛(3)中的停留時間，有利于焦油分子的二次裂化，進而提高ch4、c2h4等烴類組分的產(chǎn)率。

較佳的，所述爐膛(3)下部呈錐形，錐形側(cè)壁的傾角(α)為30～60°；所述出口(5)的內(nèi)徑(d2)與所述爐膛(3)直筒段內(nèi)徑(d1)的比值為d2:d1＝0.1～0.5。所述爐膛(3)下部設置呈錐形便于沉積的固體流出；控制所述出口(5)的內(nèi)徑(d2)，可以控制氣固產(chǎn)物的流量，同時也可以控制粉煤和氣體熱載體在所述爐膛(3)中的停留時間。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種粉煤制備富含甲烷熱解氣的系統(tǒng)，其包括所述的氣流床熱解爐，其還包括氣體熱載體供給裝置，所述氣體熱載體供給裝置為：

氣化爐，所述氣化爐設有熱解固體入口和氣化出口，所述爐膛(3)底部的出口(5)排出的氣固相產(chǎn)物中的熱解固體可通過所述熱解固體入口加入所述氣化爐，所述氣化出口通過管道與所述氣體熱載體進口(7)接通；所述氣化爐可選用現(xiàn)有的用于粉末、焦炭等氣化用的氣流床氣化爐；

或者氧化爐，所述氧化爐設有熱解氣入口和燃燒氣出口，所述爐膛(3)底部的出口(5)排出的氣固相產(chǎn)物中的熱解氣通過所述熱解固體入口加入所述氧化爐，所述燃燒氣出口通過管道與所述氣體熱載體進口(7)接通。所述氧化爐用于將熱解氣部分氧化(不完全燃燒)；所述氧化爐可選用現(xiàn)有的燃燒爐。

本發(fā)明的再一目的在于提供一種粉煤制備富含甲烷熱解氣的方法，所述方法使用了所述的氣流床熱解爐，具體為：

將主要成分為還原性氣體的氣體熱載體依次通過氣體熱載體進口(7)、入口腔(1)、隔板(2)的分散孔引入爐膛(3)；同時，將粉煤通過工藝噴嘴(4)引入爐膛(3)；氣體熱載體與粉煤在爐膛(3)中直接換熱接觸，粉煤發(fā)生快速熱解反應，由于氣體熱載體以還原性氣體為主，粉煤快速熱解的產(chǎn)物在高溫還原性環(huán)境下，進一步發(fā)生熱裂解反應，從而生成更小分子的烴類物質(zhì)；最終熱解得到的氣固相產(chǎn)物從出口(5)排出。

優(yōu)選的，所述粉煤為粒徑小于100μm的干粉態(tài)的粉煤，引入時用載氣輸送通過工藝噴嘴(4)進入，所述載氣可以是氮氣、co2、熱解氣、合成氣等。

所述氣體熱載體為含碳化合物的氣化或氧化后的高溫氣體。溫度優(yōu)選1000～130℃。含碳化合物優(yōu)選煤、石油焦、生物質(zhì)、垃圾以及其他含碳固體廢棄物。

優(yōu)選的，所述氣體熱載體為出口(5)排出的氣固相產(chǎn)物中的固體(半焦)經(jīng)氣化爐氣化產(chǎn)生的高溫合成氣。

或者優(yōu)選的，所述的氣體熱載體為出口(5)排出的氣固相產(chǎn)物中的部分熱解氣經(jīng)氧化爐不完全燃燒產(chǎn)生的高溫氣體。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明的粉煤制備富甲烷熱解氣的氣流床熱解爐包括直筒型的爐膛和入口腔，工作時，還原性的氣體熱載體可經(jīng)所述氣體熱載體入口(7)進入所述入口腔(1)，所述入口腔(1)可起到氣體緩沖的作用，然后氣體熱載體通過所述隔板(2)的分散孔進入所述爐膛(3)中，同時待熱解的粉煤通過所述工藝燒嘴(4)引入，氣體熱載體與粉煤在所述爐膛(3)中并流向下流動。一方面，在流動過程中，氣體熱載體與粉煤直接接觸換熱，能夠有效提高粉煤顆粒與熱源之間的傳熱效率，增加粉煤的升溫速率，可使粉煤發(fā)生快速熱解反應和二次裂化，有效增加熱解產(chǎn)物中小分子烴類(ch4、c2h4等)的產(chǎn)率。另一方面，以氣體熱載體作為熱源熱，可使爐膛溫度分布均勻，有利于熱解產(chǎn)物發(fā)生二次熱解反應形成小分子烴類化合物。另外通過調(diào)節(jié)氣體熱載體的體積流量，可以控制粉煤在爐內(nèi)的停留時間，以促進煤熱解過程中ch4的生成，提高煤熱解中ch4的產(chǎn)率，從而制備富甲烷含量的熱解氣。

2、粉煤熱解后可得到氣固相產(chǎn)物中的氣體為富含甲烷的熱解氣，可經(jīng)氧化爐部分氧化，得到的高溫氣體作為氣體熱載體送回所述氣流床熱解爐。氣固相產(chǎn)物中的半焦粒度在100μm以下，氣化活性好，可經(jīng)氣化爐氣化，得到的高溫合成氣也可作為氣體熱載體送回所述氣流床熱解爐。因此，所述氣流床熱解爐可以和現(xiàn)有的氧化爐或氣化爐組成循環(huán)系統(tǒng)，可有效解決氣體熱載體的供給問題，不需要另外的原料來制備高溫的還原性氣體，大大節(jié)約能源和設備成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的制備富含甲烷熱解氣的氣流床熱解爐的示意圖。

附圖標記

1-入口腔；2-隔板；3-爐膛；4-工藝燒嘴；5-出口；6-燒嘴法蘭；7-氣體熱載體進口；

s1-氣體熱載體；s2-粉煤；s3-燒嘴冷卻水；s4-氣固相產(chǎn)物。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。應理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1粉煤制備富含甲烷熱解氣的氣流床熱解爐

圖1所示為本發(fā)明一較佳實施例的可用于粉煤快速熱解制備富含甲烷熱解氣的氣流床熱解爐，其包括爐膛3和入口腔1，入口腔1設于爐膛3上面，爐膛3和入口腔1的側(cè)壁內(nèi)襯有耐火材料(耐火磚)，爐膛3為直筒型且下部設有出口5，爐膛3和入口腔1之間通過隔板2隔開，隔板2上均勻分布有分散孔，入口腔1頂部設有燒嘴法蘭6，入口腔1旁側(cè)設有氣體熱載體進口7，入口腔1內(nèi)部設有筒狀的工藝燒嘴4，工藝燒嘴4上端穿過燒嘴法蘭6，下端穿過隔板2。其中爐膛3、工藝燒嘴4與入口腔1共軸線。工藝燒嘴4外附有冷卻層，冷卻層外部附有硅鋁酸保溫棉。

較佳的，爐膛3直筒段內(nèi)徑d1與爐膛3直筒段長度h1的比值為d1:h1＝0.05～0.2。

較佳的，爐膛3下部呈錐形，錐形側(cè)壁的傾角α為30～60°；出口5的內(nèi)徑d2與爐膛3直筒段內(nèi)徑d1的比值為d2:d1＝0.1～0.5。

實際工作時，將氣體熱載體s1自氣體熱載體7依次通過入口腔1、隔板2的分散孔引入爐膛3；同時，將粉煤s2通過工藝噴嘴4引入爐膛3；工藝燒嘴4外附的冷卻層中通燒嘴冷卻水s3，避免粉煤s2與氣體熱載體s1提前熱接觸。氣體熱載體s1與粉煤s2在爐膛(3)中并流向下流動，在流動過程中，氣體熱載體s1與粉煤s2直接接觸換熱，能夠有效提高粉煤顆粒與氣體熱載體s1之間的傳熱效率，增加粉煤s2的升溫速率，該過程的升溫速率大于100k/s，在快速熱解和閃速熱解范圍內(nèi)，可使粉煤發(fā)生快速熱解反應。由于氣體熱載體s1以還原性氣體為主，粉煤s2快速熱解的產(chǎn)物將在高溫還原性環(huán)境下，進一步發(fā)生熱裂解反應，熱解產(chǎn)物(焦油等大分子烴類)的二次轉(zhuǎn)化，可有效增加熱解產(chǎn)物中小分子烴類(ch4、c2h4等)的產(chǎn)率。粉煤s2熱解后最終的氣固相產(chǎn)物s4從爐膛3下部的出口5排出，進入后續(xù)工段中進行處理。氣固相產(chǎn)物s4中的固體為半焦，半焦粒度在100μm以下，氣化活性好，可加入氣化爐中氣化后得到高溫合成氣，作為氣體熱載體進口7反送入氣流床熱解爐中使用(見實施例2)。氣固相產(chǎn)物s4中的氣體為富含甲烷的熱解氣，可通過氧化爐部分氧化得到高溫氣體，同樣可作為氣體熱載體通過氣體熱載體進口7反送入氣流床熱解爐中，實現(xiàn)循環(huán)(見實施例3)。

實施例2神木煙煤的熱解(熱源為半焦氣化產(chǎn)物)

粉煤原料：神木煙煤，工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1神木煙煤的工業(yè)分析和元素分析

熱解系統(tǒng)：實施例1的氣流床熱解爐(日處理2200噸煤干基)、現(xiàn)有的氣流床氣化爐。

氣流床熱解爐相關的參數(shù)：粉煤通過載氣(氮氣)輸送，粉煤進料量為90926kg/h，溫度80℃，壓力4.3mpa；載氣(氮氣)進氣量9864.4kg/h，溫度80℃，壓力4.3mpa；熱解爐出口溫度700℃，熱解爐內(nèi)壓力4.3mpa；氣體熱載體(熱源)：粉煤經(jīng)熱解后自出口5排出的氣固相產(chǎn)物中s4中的半焦經(jīng)氣化爐氣化的高溫合成氣。

氣化爐相關的參數(shù)：水蒸氣進氣量20080kg/h，溫度350℃，壓力5.0mpa；氧氣的進料量60170kg/h，溫度25℃，壓力4.3mpa；氣化含碳原料為粉煤經(jīng)熱解后自出口5排出的氣固相產(chǎn)物中s4中的全部半焦，溫度為350℃；氣化爐出口溫度為1300℃，氣化爐爐內(nèi)壓力4.3mpa。

表2給出了氣化爐出爐氣體組成及氣流床熱解爐出爐氣體組成。粉煤經(jīng)熱解爐快速熱解產(chǎn)生的所有半焦，經(jīng)氣化爐氣化產(chǎn)生高溫合成氣，其中約16.32％的高溫合成氣進入氣流床熱解爐內(nèi)，就可以滿足粉煤快速熱解所需要的熱量。熱解氣中甲烷的產(chǎn)率接近10％，h2/co接近1。

表2出爐氣體組成

實施例3神木煙煤的熱解(熱源為循環(huán)熱解氣)

粉煤原料：同實施例2

熱解系統(tǒng)裝置：實施例1的熱解爐(日處理2200噸煤干基)、現(xiàn)有的氧化爐

氣流床熱解爐相關的參數(shù)：氣體熱載體為氣流床熱解爐中煤熱解產(chǎn)生的熱解氣部分氧化后的高溫氣體，即氣流床熱解爐產(chǎn)生的熱解氣，部分通入氧化爐中，給氧使其出口氣體溫度達到1000℃，該高溫氣體隨后通過氣體熱載體入口7返回到氣流床熱解爐中，作為粉煤熱解的熱源。其余參數(shù)同實施例2。

氧化爐相關的參數(shù)：氧氣的進料量2288.754kg/h，溫度25℃，壓力4.3mpa；氧化原料為氣流床熱解爐產(chǎn)出的部分熱解氣，溫度為350℃；氧化爐出口溫度為1000℃，氧化爐爐內(nèi)壓力4.3mpa。

表3給出了以循環(huán)熱解氣為熱源的氣流床熱解爐出爐氣體組成。粉煤快速熱解產(chǎn)生的熱解氣，其中只需約1.82％的熱解氣進入氧化爐內(nèi)燃燒升溫產(chǎn)生高溫氣體，就可以滿足粉煤快速熱解所需要的熱量。熱解氣中甲烷的產(chǎn)率接近13％，h2/co接近2.5。

表3氣體組成

以上已對本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明創(chuàng)新的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。